JP5276335B2 - モータ駆動機械用３相コモンモードフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、コモンモードノイズ成分を低減するコモンモードフィルタ処理を３相交流電力に対して施すモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタに関する。

工作機械の駆動源に使用されるモータを可変速運転するインバータの直流電源として、モータ減速時に発生するモータの運転エネルギーを交流電源に回生する機能を備えた、電力変換装置が実用化されている。

図３の従来例は、一般的なＰＷＭコンバータとＰＷＭインバータ３を組合わせたモータドライブシステムにおける一例である。以下、図３を用いて説明する。

３相交流電源１がフィルタＢを介してコンバータ２の入力端子Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３に接続される。コンバータ２およびインバータ３の動作原理については、電流指令と電流検出値に応じてコンバータ２およびインバータ３内のパワー素子をスイッチングしてＰＷＭ制御するもので、動作原理については一般的な内容であり省略する。

フィルタＢ内では、コンバータ２のスイッチングにより電源ラインに流れる電流リップル成分を低減するためのノーマルモードリアクトル５、コンバータ２およびインパータ３がＰＷＭ制御する際に発生するコモンモードノイズを抑制するためのコモンモードリアクトル９および、相間コンデンサ１０、ライン−アース間コンデンサ１１で構成されるフィルタ回路が一般的に使用される。

なお、一般に、ノーマルモードノイズとは、複数本の導線において、導線相互間の電位差によってノイズ電流が流れるノイズ伝達モードをいう。また、一般に、コモンモードノイズとは、複数本の導線とは別に設けられた接地導体等の導体と、当該複数本の導線との間の電位差によってノイズ電流が流れるノイズ伝達モードをいう。本明細書では、ノーマルモードノイズおよびコモンモードノイズの語をこのような意義で用いる。

ノーマルモードリアクトル５のコア材には、大きな電流にも磁気飽和しない高い飽和磁束密度の素材が必要であり、周波数特性が高周波領域まで伸びていないもの、透磁率の大きい珪素鋼板を積層したものが一般的に使用される。コモンモードリアクトル９には、一般的に高周波特性の良いフェライトコアが使用される。しかしながら、飽和磁束密度が大きくないので、コモンモード電流が大きい場合、断面積の大きなコアを使用する必要がある。このため、フィルタの小型化、低コスト化を目的に、補償巻線を付加し、コモンモード電流が大きい場合にも大きな断面積のコアにする必要のないコモンモードリアクトルが提案されている。

なお、アクティブコモンモードキャンセラについて、各種提案されているが、その課題については、参考文献に記載されているので省略し、受動素子のみで実現した従来例を以下説明する。

図４の従来例は、コモンモードリアクトル６に補償巻線が付加され、その両端が抵抗で終端されている。３相の各ラインを流れるコモンモード電流によって、起電力が補償巻線に誘起され、コモンモードノイズ成分が抵抗で消費される。このため、コモンモード電流が低減される。

図５の従来例は、コモンモードリアクトル６に補償巻線が付加され、その補償巻線が、中性点検出回路７の３相交流中性点電位出力端と、コンバータ２のＤＣ出力端子の一端との間に接続されたものである。この構成では、３相交流電源１の出力３相交流電圧の中性点電位とＤＣ出力電位との間の差が補償巻線に加わることにより、３相の各ラインにコモンモード電圧をキャンセルする誘導起電力を発生させ、コモンモード電流を低減している。

特開２００２−５７５４２号公報 特開２００７−１８１３４１号公報

従来例１においては、コモンモード電流の低減効果を高めるためには、コモンモードリアクトルのコア断面積を大きくする必要があり、結果として高価で、大型のコモンモードリアクトルとなる。従来例２においては、コモンモード電流を逆方向電流でキャンセルするものではなく、コモンモードノイズ成分を抵抗で消費するものであるため、コモンモード電流の低減効果が小さいものと考えられる。従来例３では、電力伝送配線とは別の外部配線が必要となり、配線工数などのコストアップが考えられる。

本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、モータ駆動機械用３相コモンモードフィルタにおいて、簡単な構成によりコモンモードノイズ成分の低減効果を高めることを目的とする。

本発明は、コモンモードノイズ成分を低減するコモンモードフィルタ処理を３相交流電力に対して施し、当該コモンモードフィルタ処理を施した３相交流電力をモータ駆動電力回路に出力するモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタにおいて、入力３相交流電力の中性点電位を検出する入力側中性点検出回路と、出力３相交流電力の中性点電位を検出する出力側中性点検出回路と、前記入力３相交流電力に含まれるコモンモードノイズ成分を低減し、前記出力３相交流電力として出力する３相コモンモードリアクトルと、前記出力側中性点検出回路の検出電位出力端子と、前記入力側中性点検出回路の検出電位出力端子との間に接続され、前記コモンモードノイズ成分を低減する誘導起電力を前記３相コモンモードリアクトルに発生させる補償巻線と、を備え、前記出力側中性点検出回路は、前記出力３相交流電力を伝送する３導体に一端がそれぞれ接続され、他端が前記検出電位出力端子に共通に接続される３つの抵抗、
を含むことを特徴とする。

また、本発明は、コモンモードノイズ成分を低減するコモンモードフィルタ処理を３相交流電力に対して施し、当該コモンモードフィルタ処理を施した３相交流電力をモータ駆動電力回路に出力するモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタにおいて、入力３相交流電力の中性点電位を検出する入力側中性点検出回路と、出力３相交流電力の中性点電位を検出する出力側中性点検出回路と、前記入力３相交流電力に含まれるコモンモードノイズ成分を低減し、前記出力３相交流電力として出力する３相コモンモードリアクトルと、前記出力側中性点検出回路の検出電位出力端子と、前記入力側中性点検出回路の検出電位出力端子との間に接続され、前記コモンモードノイズ成分を低減する誘導起電力を前記３相コモンモードリアクトルに発生させる補償巻線と、を備え、前記出力側中性点検出回路は、前記出力３相交流電力を伝送する３導体に一端がそれぞれ接続され、他端が前記検出電位出力端子に共通に接続される、それぞれに抵抗成分が含まれる３つの電流経路、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成によってコモンモードノイズ成分の低減効果を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照し説明する。なお、本実施の形態において前述の図に示す要素に付した符号と同一符号を付した要素は同一機能を有し、説明は省略する。

３相交流電源１がフィルタＡを介してコンバータ２の入力端子に接続される。フィルタＡは、入力端子Ｒ、Ｓ、およびＴ、これらの入力端子に３相入力端子が接続されるコモンモードリアクトル６、コモンモードリアクトル６の３相出力端子に３相入力端子が接続されるノーマルモードリアクトル５、およびノーマルモードリアクトル５の３相出力端子に接続される出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１を備える。入力端子Ｒ、Ｓ、およびＴとコモンモードリアクトル６とを接続する導線には中性点検出回路７が接続され、出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１とノーマルモードリアクトル５とを接続する導線には中性点検出回路８が接続される。

コモンモードリアクトル６は、３相の各相にリアクトルが設けられた構成を有する。中性点検出回路７は、各相の導線に一端が接続される３つのコンデンサを備え、その３つのコンデンサの各他端は、入力側中性点電位出力節点１４として共通に接続される。中性点検出回路８は、各相の導線に一端が接続される３つの抵抗を備え、その３つの抵抗の各他端は、出力側中性点電位出力節点１５として共通に接続される。

入力側中性点電位出力節点１４と出力側中性点電位出力節点１５との間には補償巻線１６が接続される。補償巻線１６は、入力側中性点電位出力節点１４と出力側中性点電位出力節点１５との間に生じる電位差によって、コモンモードリアクトル６が備える各相のリアクトルに誘導起電力を発生させるようコモンモードリアクトル６に取り付けられる。補償巻線１６の配置向きは、入力側中性点電位出力節点１４と出力側中性点電位出力節点１５との間に生じる電位差が増加したときに、各相のリアクトルに発生させる誘導起電力がコモンモードリアクトル６に流れるコモンモード電流を減少させるような向きとする。

コンバータ２の入力端子Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３は、それぞれ、フィルタＡの出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１に接続される。コンバータ２は、フィルタＡから出力された３交流電圧を直流電圧に変換して、インバータ３に出力する。インバータ３は、直流電圧を３相交流電圧に変換してモータ４に出力する。モータ４は、インバータ３から出力された３相交流電圧によって回転する。コンバータ２およびインバータ３は、複数のトランジスタおよび各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間に、エミッタ端子側がアノード端子となるよう接続されたダイオードによって構成することができる。

中性点検出回路７および中性点検出回路８は、Ｙ結線されたコンデンサまたは抵抗によって中性点電位を検出しているが、別の方法としては、スター結線されたトランスによって中性点電位を検出可能である。しかし、コモンモード電流ループに適度な抵抗成分がないとＬＣ共振を発生する可能性がある。そのため、実施例では中性点検出回路７および８のうち、中性点検出回路８の方に抵抗を用いる。これによって、コモンモード電流ループにおけるＬＣ共振のダンピングを行いつつ中性点電位を検出する。また、コンバータ２側の中性点電位の検出については、コンデンサを使用するとパワー素子のオン時に過渡的に短絡状態となるため、コンデンサのみによる構成ではなく、抵抗やトランスを組合せた構成とすることが好ましい。

中性点検出回路８では、コンバータ２のパワー素子のオン状態により、図６のようにコンバータ２の入力端子Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３の中性点電位が変化する。この中性点電位の変化ポイントに同期して、モータ４やケーブル等の対地間静電容量を通じてコモンモード電流が流れる。

中性点検出回路７の入力側中性点電位出力節点１４の電位は、三相交流電源１の中性点電位に等しい。また、中性点検出回路８の出力側中性点電位出力節点１５の電位は、出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１から出力される３相交流電圧の中性点電位に等しい。したがって、三相交流電源１の中性点電位と、出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１の中性点電位との間に差異がありコモンモード電流が流れると、コモンモードリアクトル６に取り付けられた補償巻線１６は、コモンモード電流と逆方向の電流がコモンモードリアクトル６の各相のリアクトルに流れるよう、各相のリアクトルに誘導起電力を発生させる。これによって、コモンモード電流をキャンセルすることができる。

図２は、本発明の具体的な構造を示す図である。ノーマルモードリアクトル５は、ＥＩ型珪素鋼板を積層したもので、平板の銅を巻線として巻いてある。このコモンモードリアクトル６には、丸型のフェライトコアに多芯の銅線が巻かれて作られている。プリント基板上に中性点検出回路７，８が形成され、このプリント基板がノーマルモードリアクトル５とコモンモードリアクトル６の主端子上に接続される。コモンモードリアクトル６の補償巻線は、プリント基板上の中性点にコネクタで接続される。

フィルタＡが外部と接続されるのは、３相交流電源１側の入力端子Ｒ、Ｓ、およびＴとコンバータ２側の出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１のみである。なお、上記では、ノーマルモードリアクトル５を、コモンモードリアクトル６と出力端子Ｒ１、Ｓ１、およびＴ１との間に設けた実施形態について説明した。このような構成の他、ノーマルモードリアクトル５を、コモンモードリアクトル６と入力端子Ｒ、Ｓ、およびＴとの間に設けた構成としてもよい。

本発明の実施形態に係るフィルタＡでは、入力端子の電源側中性点とコンバータ２側中性点とをコモンモードリアクトル６に取り付けられた補償巻線１６に接続するようにしたので、外部との接続は従来と同じ配線数のままで、コモンモード電流をキャンセルすることができる。よって、コモンモードノイズ成分の低減効果が高い、小型で安価なフィルタを実現できる。

本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る装置の具体的な構造を示す図である。 従来技術による電力変換装置を示すシステム構成図である。 従来技術による電力変換装置を示すシステム構成図である。 従来技術による電力変換装置を示すシステム構成図である。 電力変換装置のコンバータ動作時の中性点電位とコモンモード電流の関係を示す図である。

符号の説明

１ ３相交流電源、２ コンバータ、３ インバータ、４ モータ、５ ノーマルモードリアクトル、６，９ コモンモードリアクトル、７，８ 中性点検出回路、１０ 相間コンデンサ、１１ ライン−アース間コンデンサ、１２ 抵抗、１３ 中性点検出回路基板、１４ 入力側中性点電位出力節点、１５ 出力側中性点電位出力節点、１６ 補償巻線。

Claims (2)

1. コモンモードノイズ成分を低減するコモンモードフィルタ処理を３相交流電力に対して施し、当該コモンモードフィルタ処理を施した３相交流電力をモータ駆動電力回路に出力するモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタにおいて、
   入力３相交流電力の中性点電位を検出する入力側中性点検出回路と、
   出力３相交流電力の中性点電位を検出する出力側中性点検出回路と、
   前記入力３相交流電力に含まれるコモンモードノイズ成分を低減し、前記出力３相交流電力として出力する３相コモンモードリアクトルと、
   前記出力側中性点検出回路の検出電位出力端子と、前記入力側中性点検出回路の検出電位出力端子との間に接続され、前記コモンモードノイズ成分を低減する誘導起電力を前記３相コモンモードリアクトルに発生させる補償巻線と、
   を備え、
   前記出力側中性点検出回路は、
   前記出力３相交流電力を伝送する３導体に一端がそれぞれ接続され、他端が前記検出電位出力端子に共通に接続される３つの抵抗、
   を含むことを特徴とするモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタ。
2. コモンモードノイズ成分を低減するコモンモードフィルタ処理を３相交流電力に対して施し、当該コモンモードフィルタ処理を施した３相交流電力をモータ駆動電力回路に出力するモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタにおいて、
   入力３相交流電力の中性点電位を検出する入力側中性点検出回路と、
   出力３相交流電力の中性点電位を検出する出力側中性点検出回路と、
   前記入力３相交流電力に含まれるコモンモードノイズ成分を低減し、前記出力３相交流電力として出力する３相コモンモードリアクトルと、
   前記出力側中性点検出回路の検出電位出力端子と、前記入力側中性点検出回路の検出電位出力端子との間に接続され、前記コモンモードノイズ成分を低減する誘導起電力を前記３相コモンモードリアクトルに発生させる補償巻線と、
   を備え、
   前記出力側中性点検出回路は、
   前記出力３相交流電力を伝送する３導体に一端がそれぞれ接続され、他端が前記検出電位出力端子に共通に接続される、それぞれに抵抗成分が含まれる３つの電流経路、
   を含むことを特徴とするモータ駆動機械用３相コモンモードフィルタ。

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