JP5090068B2 - 可変速駆動装置用ｅｍｃフィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルタ装置に関し、特に、交流配電網で給電され、同期又は非同期の電動機などの電気負荷を制御するための周波数変換型の可変速駆動装置の入力に使用されるＥＭＣ（電磁適合性）フィルタ装置に関する。本発明はまた、係るフィルタ装置を備える可変速駆動装置にも関する。

公知のように、周波数変換型の可変速駆動装置は、外部交流配電網から直流電圧を供給する整流器モジュールおよびインバータ（またはチョッパ）モジュールを備える。

このインバータモジュールは、電力ケーブルを介して、電動機に可変パルス電圧と可変回転数を出力として供給するように、直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭすなわちＰｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）でチョップする電力半導体素子を備える。適切な可変電圧でＰＷＭにて電動機を操作するように、可変速駆動装置の制御装置がサンプリング周波数での半導体素子のオン・オフを制御する。

電力半導体素子のＰＷＭ制御のスイッチング周波数は可変速駆動装置のサンプリング周波数に対応する。このスイッチング周波数は一般的に、６２〜５００μｓｅｃのサンプリング周期に相当し、可変速駆動装置の種類とサイズによって約２〜１６ｋＨｚの間で変化する。

電力半導体素子の電子部品のスイッチングは、ケーブルおよび電動機の寄生容量に特に起因するリーク電流のアースへのループによって、変換システムの上下流側に共通モードの電磁擾乱を引き起こす共通モード電圧の変動を可変速駆動装置の出力で発生させる。そのため、フィルタ装置は一般的に、配電網に影響を及ぼす共通モード電流を減衰させて、配電網に伝播することを避けるために使用される。

ＥＭＣフィルタは可変速駆動装置の整流器モジュールの上流側に配置され、可変速駆動装置の整流器モジュールと配電網との間で接続される。可変速駆動装置のサイズと種類によって、フィルタが可変速駆動装置のケースに内蔵されるか、可変速駆動装置の外部に配置される。特に現行の電磁適合性に関する欧州規格に準拠するために、ＥＭＣフィルタは１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数域において効果的であることを要する。

ＥＭＣフィルタは一般に、配電網の各相にコイルを有する共通モード・インダクタンスおよび共通モード・インダクタンスの下流側で各相とアースとの間に接続された共通モード・コンデンサから構成される。このように、規格によって指定された周波数域において共通モード電流の所望の電流減衰を得られる遮断周波数を有するローパスフィルタの受動回路を形成する。

ＥＭＣフィルタの所望の遮断周波数によって、共通モード・コンデンサおよび共通モードインダクタンスの値を決定する。共通モードコンデンサの値は、一般的に一定である。しかし、共通モードインダクタンスの値は共通モードインダクタンスを通る共通モード電流に強く依存する。この電流は、可変速駆動装置のスイッチの切り替えによって発生した共通モード電圧および電動機と電力ケーブルである主な構成要素の寄生容量によるものである。共通モードインダクタンスが飽和されないように、共通モード電流の許容できるレベルによって共通モードインダクタンスの大きさが決定される。

ＥＭＣフィルタは二次回路であるから、この受動回路の共振周波数は遮断周波数に近いものである。このように、共振周波数を中心とする所定の周波数帯域において、ＥＭＣフィルタは共通モード電流を減衰させる代わりに増幅させることがあるので、インダクタンスを飽和させるおそれがある。

言うまでも無く、この共振周波数の値は共通モードインダクタンス値に依存し、共通モードインダクタンス値は共通モード電流値に依存する。従って、共振周波数は可変速駆動装置が負荷を駆動するか否かによって変化する。そして、共振周波数は、フェライトからなるＥＭＣフィルタのインダクタンスでは、例えば８〜１６ｋＨｚ程度になり、ナノ結晶材料からなるインダクタンスでは、例えば２〜８ｋＨｚ程度になる。これらの値は可変速駆動装置の通常のサンプリング周波数に近い。

従って、フィルタ効率を向上させるには、１５０ｋＨｚ以上のフィルタリングの規格周波数域においてＥＭＣフィルタ性能に悪影響を与えることなく、ＥＭＣフィルタの共振周波数域（数ｋＨｚ程度）において、非常に単純かつ低価な方法で、ＥＭＣフィルタの共通モードインダクタンスの飽和を避けられる手段を有するフィルタ装置を設備することが望ましい。

このため、本発明は、交流配電網と可変速駆動装置の整流器モジュールとの間に接続され、配電網の各相にコイルを有する共通モードインダクタンスを備えるＥＭＣフィルタを有し、前記コイルが互いに磁気的に結合されているフィルタ装置を記載する。フィルタ装置は共通モードインダクタンスの少なくとも一つのコイルと並列に接続された分路を有し、この分路は受動部品からなることから、ＥＭＣフィルタの共振周波数を中心とした周波数域において、共通モードインダクタンスに流れる共通モード電流を分路できる。

第一実施形態によれば、分路は、ＥＭＣフィルタの共振周波数の周波数域において共通モードインダクタンス値よりも低い分路インダクタンス値を有し、またＥＭＣフィルタのフィルタ周波数域において共通モードインダクタンス値よりも高い分路インダクタンス値を有する。共通モードインダクタンスはナノ結晶材料からなり、分路インダクタンスはフェライトからなる。

一つの態様によれば、分路はさらに分路インダクタンスと直列に接続された分路抵抗を有する。

他の実施形態によれば、分路は、第一コンデンサと直列に接続された第一インダクタンスから構成され、共通モードインダクタンスの少なくとも一つのコイルと並列に接続された第一帯域通過フィルタを有し、前記第一帯域通過フィルタのインダクタンス値はＥＭＣフィルタの共振周波数の第一の値周辺で最低となる。好ましくは、共通モードインダクタンスおよび第一帯域通過フィルタのインダクタンスはフェライトからなる。

一つの態様によれば、分路は第二コンデンサと直列に接続された第二インダクタンスから構成され、共通モードインダクタンスの少なくとも一つのコイルと並列に接続された第二帯域通過フィルタをも有し、前記第二帯域通過フィルタのインダクタンス値はＥＭＣフィルタの共振周波数の第二の値周辺で最低となる。好ましくは、第二帯域通過フィルタのインダクタンスはフェライトからなる。

本発明はまた、外部交流配電網から給電され、電動機を制御するために、係るフィルタ装置を備える可変速駆動装置にも関する。

また別の特徴と利点については、付属の図面に示す実施形態を参照しながら詳細な説明で明らかになる。

図１の簡略された説明図を参照すると、可変速駆動装置は同期又は非同期の電動機Ｍを制御するためのものである。

可変速駆動装置は、電力ケーブル１９で電動機Ｍへ接続されたインバータ・モジュール１０を備える。インバータ・モジュール１０は、電動機の各相ごとに、直流バス電圧からＰＷＭのパルス電圧を電動機Ｍへ供給できる絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどの電力半導体素子の電子部品１１、１２（図１では、図を簡略化するため単純なスイッチとして示す）を二つ備える。電力ケーブル１９の各導体は、それぞれの相に対応する部品１１と１２間に接続される。

可変速駆動装置は、インバータ・モジュール１０の上流側に、インバータ・モジュール１０に給電するための直流バス電圧を供給する整流器モジュール２０をも備える。整流器モジュール２０とインバータ・モジュール１０との間にはバラストコンデンサ２９を配置する。

例えば中性線を接地したＴＴ形式の配電網からの三相交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を供給する外部電源４０によって、整流器モジュール２０に電力を供給する。従来の如く、整流器モジュール２０は各相において直流バス電圧を供給するように配置されたダイオード２１、２２からなるブリッジを有する。上記の例では、三相の外部配電網を記載するが、本発明は単相の配電網にも同様に適用される。また、図１に示す電動機Ｍは三相で給電されるが、言うまでも無く本発明は単相で給電される電動機にも適用される。

ＥＭＣフィルタ３０は外部電源４０と整流器モジュール２０との間に配置される。このＥＭＣフィルタの特性は、可変速駆動装置が１５０ｋＨｚ以上の周波数域においてＥＭＣ規格に準拠するように設計される。ＥＭＣフィルタ３０は、電源４０と整流器モジュール２０間に直列に接続された共通モードインダクタンスＬ_Fを有する。入力の交流三相配電網の三つの相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に相当するように、三つのコイル（各相ごとに一つのコイル）から構成され、この三つのコイルは互いに磁気的に結合されている。ＥＭＣフィルタ３０は、共通モードインダクタンスＬ_Fの下流側に、各相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３とアースとの間に接続された共通モードコンデンサＣ_Fをも備える。

ケーブル１９および電動機Ｍは、共通容量Ｃ_Mをモデルとするような、アースへの分布寄生容量を有する。インバータ・モジュール１０の部品１１、１２のスイッチングが大きな電圧変化を引き起こし、これはＩ_CM＝Ｃ_M＊ｄＶ／ｄｔとなる共通モード電流Ｉ_CMを発生させる。

この共通モード電流Ｉ_CMは、電動機＋ケーブルの容量Ｃ_Mでアースにループし、そのルートは図１にＩ_Fで示すダイオード２１、部品１１、Ｃ_M（または２２、１２、Ｃ_M）のルートあるいはＩ_Pで示すダイオード２１、部品１１、Ｃ_M、４０、Ｌ_F（または２２、１２、Ｃ_M、４０、Ｌ_F）のルートになる。

勿論、外部配電網への擾乱伝播を最小限にとどめるために、ルートＩ_PよりもルートＩ_Fを優先して、外部配電網への擾乱伝播を避けることが望ましい。

このため、共通モードコンデンサＣ_F1、Ｃ_F2、Ｃ_F3に低いインピーダンス値を使用し、共通モードインダクタンスＬ_Fに高いインピーダンス値を使用する。

しかしながら、ケーブル１９が長くなるほど、容量Ｃ_Mが増加し、共通モード電流Ｉ_CMが増加する。そして、ある用途においては、共通モードインダクタンスＬ_Fの飽和のおそれもある。この場合、ルートＩ_Fはもはや優先されない可能性があり、ＥＭＣフィルタの性能に悪影響を与える。電力半導体素子の部品１１、１２がスイッチングする際、すなわち電力部品がＰＷＭ制御のための周波数でスイッチングする際には、この飽和の可能性は大きくなる。このスイッチング周波数は可変速駆動装置のサンプリング周波数に対応し、すなわち、一般的に約２〜１６ｋＨｚになる。

このように、このサンプリング周波数では、インバータ・モジュール１０の部品１１、１２のスイッチングによって発生した共通モード電流Ｉ_CMが大きく、入力のＥＭＣフィルタの共振によって増幅された場合では、共通モードインダクタンスＬ_Fの飽和に伴う電流スパイクが配電網側に見られることもある。したがって、ＥＭＣフィルタの共振を抑えて、共通モードインダクタンスＬ_Fで流れる共通モード電流Ｉ_CMの増加を制限する手段を発見する必要がある。

このため、本発明は、ＥＭＣ規格に準拠するように、１５０ｋＨｚ以上の周波数域でのＥＭＣフィルタ性能に影響を及ぼさずに、ＥＭＣフィルタの共振周波数域においてＥＭＣフィルタの共振を抑え、共通モード電流Ｉ_CMの増加を制限することができるフィルタ装置を提案する。

したがって、フィルタ装置は共通モードインダクタンスＬ_Fの少なくとも一つのコイルと並列に接続された分路Ｚ_D，Ｚ’_Dを有する。

分路Ｚ_D、Ｚ’_Dは、ＥＭＣフィルタの共振周波数を中心とする周波数域において、共通モード電流の大部分を分路に流せるように選択された受動部品（すなわち、抵抗、インダクタンス、容量などの部品）から単純に構成される。このように、この特定の周波数域において、ＥＭＣフィルタの共通モードインダクタンスに流れる共通モード電流を低減し、飽和を避けることができる。

図２〜４は、共通モードインダクタンスＬ_Fがナノ結晶材料からなる場合に特に最適なフィルタ装置の第一実施形態に関する。図６〜７は、共通モードインダクタンスＬ_Fがフェライトからなる場合に特に最適なフィルタ装置の第二実施形態に関する。

図２は非常に単純かつ低価の受動フィルタ装置の第一実施例を示す。フィルタ装置は共通モードインダクタンスＬ_Fの一つのコイルと並列に接続された分路ＺＤを有する。この分路Ｚ_Dは分路インダクタンスＬ_Dのみからなる。

この分路インダクタンスＬ_Dは、ＥＭＣフィルタの共振周波数（数ｋＨｚ）を中心とする周波数域において、この分路インダクタンスＬ_Dの値が共通モードインダクタンスＬ_Fよりも低くなるように選択され、これによって、この周波数域において、電流が分路インダクタンスＬ_Dを介して分路に優先的に流れる。

逆に、分路インダクタンスＬ_Dは、ＥＭＣフィルタ装置のフィルタ周波数域（１５０ｋＨｚ以上）において、この分路インダクタンスＬ_Dの値が共通モードインダクタンスＬ_Fよりも高くなるように選択され、これによって、この周波数域において、電流が共通モードインダクタンスＬ_Fを介して主回路に優先的に流れ、ＥＭＣフィルタのフィルタ性能を維持する。

分路インダクタンスＬ_Dは、交流配電網の周波数域（５０〜６０Ｈｚ）において主回路に電流を優先的に流すことが望ましいので、分路Ｚ_Dによって電流を共通モードインダクタンスＬ_Fに優先的に流すことができる内部抵抗を有する。本発明において、インダクタンスＬ_Dの内部抵抗が共通モードインダクタンスＬ_Fに対して十分に高くない場合は、図３で示す変形例のように、分路Ｚ_Dを分路インダクタンスＬ_Dと直列の分路抵抗Ｒ_Dから構成し、配電網の周波数域において主回路に電流がより優先的に流れるようにする。
つまり、

配電網の周波数域において、インダクタンスＬ_Dの内部抵抗によって、あるいは分路抵抗Ｒ_Dを追加することによって、主回路に電流が優先的に流れるようにする。

可変速駆動装置のサンプリング周波数域およびＥＭＣフィルタの共振周波数域において、ＥＭＣフィルタの共通モードインダクタンスＬ_Fの飽和を避けるために、インダクタンスＬ_Dの値をインダクタンスＬ_Fの値よりも低くすることによって、分路に電流が優先的に流れるようにする。

ＥＭＣフィルタのフィルタ周波数域において、ＥＭＣフィルタの性能を維持するために、インダクタンスＬ_Dの値をインダクタンスＬ_Fの値よりも高くすることによって、主回路に電流が優先的に流れるようにする。

これらの特徴を得るために、共通モードインダクタンスＬ_Fのコイルは、インダクタンス値が周波数によって急激に低減するナノ結晶材料からなることが好ましい。また、分路インダクタンスＬ_Dは、インダクタンス値の周波数による変化がより少ないという特性を有するフェライト材料からなることが好ましい。図５は、ナノ結晶材料からなる共通モードインダクタンスＬ_Fとフェライトからなる分路インダクタンスＬ_Dに相当する、周波数に依存するインダクタンスＬ_DとＬ_Fの値の簡略化したグラフを示す。この図は、インダクタンスＬ_DとＬ_Fの大きさを適切に選択することによって、電流はＥＭＣフィルタの共振周波数域においてＬ_D＜Ｌ_Fであるため、分路インダクタンスＬ_Dに優先的に流れ、また１５０ｋＨｚを超えた周波数域においてＬ_D＞Ｌ_Fであるため、共通モードインダクタンスＬ_Fに優先的に流れることを示す。

図２と図３のフィルタ装置は主回路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の一相のみに分路を有する。この分路は共通モードインダクタンスＬ_Fの一つのコイルのみに並列に接続される。しかしながら、共通モードインダクタンスＬ_Fのコイルが互いに磁気的に結合されるため、この分路に起因する効果は他の相にも影響を与え、コイル間の磁束が平衡化され、一つの相における電流の増減は他の相における電流をも多少増減させる。

図４に示す変形例によれば、分路は、共通モードインダクタンスＬ_Fの各コイルごとにそれぞれ並列の分路インダクタンスＬ_Dから構成されてもよい。従って図４は、同一の特性を有し、配電網の三つの相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に対応する三つの分路インダクタンスＬ_Dを示す。この場合、三つの分路インダクタンスは互いに磁気的に結合されていないことが好ましい。各分路インダクタンスＬ_Dは、分路抵抗Ｒ_Dと直列に結合されていてもされていなくてもよい。

図６は、本発明の第二実施形態の一例を示す。この第二実施形態は、共通モードインダクタンスがフェライトからなる場合、すなわちインダクタンス値が周波数によってあまり変化しない場合により適している。この場合、本発明は共通モードインダクタンスＬ_Fの少なくとも一つのコイルと並列に接続された分路Ｚ’_Dを設ける。

この分路Ｚ’_Dは第一コンデンサＣ_D1と直列に接続された第一インダクタンスＬ_D1から構成された第一帯域通過フィルタを有する。インダクタンスＬ_D1とコンデンサＣ_D1の特性は、ＥＭＣフィルタの第一の共振周波数の値を中心として、第一帯域通過フィルタのインピーダンスが最低値になるように選択する。このように、共振周波数値に近い周波数域のみにおいて、分路Ｚ’_Dのインピーダンス値は共通モードインダクタンスＬ_Fのインピーダンス値よりも低くなるため、共通モード電流は分路Ｚ’_Dへ優先的に流れるので、ＥＭＣフィルタのフィルタ周波数域（１５０ｋＨｚ以上）でのＥＭＣフィルタ性能を変化させることなく、共通モードインダクタンスＬ_Fの飽和を避けることができる。

しかし、可変速駆動装置の負荷に従ってＥＭＣフィルタの共振周波数が変化するので、第一帯域通過フィルタは共振周波数の各値に対して十分効果的ではない場合もあり得る。

このため、図７は、分路Ｚ’_Dが共通モードインダクタンスＬ_Fの少なくとも一つのコイルと並列に、また第一帯域通過フィルタと並列に接続された第二帯域通過フィルタをさらに有する第二実施形態の変形例を示す。この第二フィルタは第二コンデンサＣ_D2と直列に接続された第二インダクタンスＬ_D2から構成される。インダクタンスＬ_D2とコンデンサＣ_D2の特性は、ＥＭＣフィルタの共振周波数の第一の値と異なる第二の値を中心として、第二帯域通過フィルタのインピーダンスが最低値になるように選択する。

例えば、ＥＭＣフィルタの共振周波数の各値をできるだけ広くカバーするように、空転電動機に接続された可変速駆動装置の動作に対応する第一の共振周波数値に適切なＬ_D1とＣ_D1の特性を選択し、また最大負荷で使用されている電動機に接続された可変速駆動装置の動作に対応する第二の共振周波数値に適切なＬ_D2とＣ_D2の特性を選択できる。

言うまでもなく、本発明の範囲内において、他の変形や変更または均等手段の使用を想定することができる。

公知の可変速駆動装置の簡易化した全体図を示し、 本発明によるＥＭＣフィルタ装置の第一実施形態を示し、 第一実施形態の変形例を示し、 第一実施形態の第二変形例を示し、 周波数によるインダクタンス値の簡略化したグラフを示し、 本発明によるＥＭＣフィルタ装置の第二実施形態を示し、 第二実施形態の変形例を示す。

Claims (9)

1. 可変速駆動装置の整流器モジュールと交流配電網との間で接続されたフィルタ装置であって、配電網の各相にコイルを有する共通モードインダクタンスＬ_Fを備え、前記コイルは互いに磁気的に結合されたＥＭＣフィルタを有するフィルタ装置において、前記フィルタ装置は共通モードインダクタンスＬ_Fの少なくとも一つのコイルと並列に接続された分路Ｚ_D，Ｚ’_Dを有し、この分路Ｚ_D，Ｚ’_Dは受動部品からなり、ＥＭＣフィルタの共振周波数を中心とした周波数域において、共通モードインダクタンスＬ_Fに流れる共通モード電流を分路できることを特徴とするフィルタ装置。
2. 前記分路Ｚ_Dは、ＥＭＣフィルタの共振周波数を中心とした周波数域において共通モードインダクタンスＬ_Fよりも低い分路インダクタンスＬ_Dの値、またＥＭＣフィルタのフィルタ周波数域において共通モードインダクタンスＬ_Ｆよりも高い分路インダクタンスＬ_Dの値を有することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 上記分路インダクタンスＬ_Dはフェライトからなり、上記共通モードインダクタンスＬ_Fはナノ結晶材料からなることを特徴とする請求項２に記載のフィルタ装置。
4. 上記分路Ｚ_Dはさらに分路インダクタンスＬ_Dと直列に接続された分路抵抗Ｒ_Dを有することを特徴とする請求項２に記載のフィルタ装置。
5. 上記分路Ｚ_Dは複数の分路インダクタンスＬ_Dを有し、各分路インダクタンスＬ_Dはそれぞれの共通モードインダクタンスＬ_Fの各コイルと並列に接続されることを特徴とする請求項２〜４に記載のフィルタ装置。
6. 前記分路Ｚ’_Dは、第一コンデンサＣ_D1と直列に接続された第一インダクタンスＬ_D1から構成され、共通モードインダクタンスＬ_Fの少なくとも一つのコイルと並列に接続された第一帯域通過フィルタを有し、前記第一帯域通過フィルタのインピーダンスはＥＭＣフィルタの共振周波数の第一の値周辺で最低となることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ装置。
7. 前記分路Ｚ’_Dは、第二コンデンサＣ_D2と直列に接続された第二インダクタンスＬ_D2から構成され、共通モードインダクタンスＬ_Fの少なくとも一つのコイルと並列に接続された第二帯域通過フィルタを有し、前記第二帯域通過フィルタのインピーダンスはＥＭＣフィルタの共振周波数の第二の値周辺で最低となることを特徴とする請求項６に記載のフィルタ装置。
8. 共通モードインダクタンスＬ_Fはフェライトからなることを特徴とする請求項６または７に記載のフィルタ装置。
9. 外部交流配電網から給電され、電動機を制御するための可変速駆動装置であって、上記請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のフィルタ装置を備えることを特徴とする可変速駆動装置。

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