JP5279381B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流電源を受電して任意の周波数をもつ交流電圧を出力する電力変換装置に係り、特には直流電圧を交流電圧に、もしくは交流電圧を直流電圧に変換する変換器で生じるノイズを低減するための技術に関する。

一般に、交流電源を受電して任意の周波数をもつ交流電圧を出力する電力変換装置においては、コンバータとインバータとからなる変換器を備え、コンバータで電源系統の交流電圧を直流電圧に一旦変換し、得られた直流電圧をインバータで安定した交流電圧に変換して負荷に供給する。

このような電力変換装置においては、コンバータを構成するスイッチング素子のスイッチングに伴って発生するキャリア周波数成分の影響が電源系統側に伝わらないように、コンバータの入力側にフィルタを設け、また、インバータを構成するスイッチング素子のスイッチングに伴って発生するキャリア周波数成分の影響が負荷側に伝わらないように、インバータの出力側にフィルタを設けて、これらの各フィルタによってキャリア周波数を低減するようにしている。

このように、変換器の入力側と出力側にそれぞれフィルタを設けた場合には、キャリア周波数成分を除去することが可能であるものの、接地点から見た直流母線電圧にはキャリア周波数成分に起因した電圧変動が発生するという問題がある。

このため、従来の電力変換装置においては、入力側のフィルタを構成するコンデンサの共通接続点と出力側のフィルタを構成するコンデンサの共通接続点とを互いに電気的に接続することにより、接地点から見た直流母線電圧の変動を抑制するようにしたものが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開平９−２９４３８１号公報

このように、特許文献１記載の従来の電力変換装置においては、交流電源を受電する入力側のフィルタと出力側のフィルタを構成する各コンデンサの共通接続点を互いに電気的に接続することにより、変換器のスイッチングに伴う入出力の電位変動を軽減することが可能である。

しかしながら、変換器を構成するコンバータやインバータと接地点との間には浮遊容量が必然的に存在するので、従来の電力変換装置では、変換器のスイッチングに伴って生じる高周波電流が浮遊容量を介して接地点に漏洩し、当該電流が電源系統側の接地点から入力側のフィルタを経由して再び変換器に流入して循環したり、あるは、浮遊容量を介して接地点に漏洩した高周波電流が負荷側の接地点から出力側のフィルタを経由して再び変換器に流入して循環したりする。なお、このように変換器から浮遊容量を介して漏洩する高周波電流は、変換器のキャリア周波数成分の電流よりも周波数が高いために、変換器の入力側および出力側にそれぞれ設けられたフィルタによって循環するのを十分に阻止することができない。

そして、このように循環する高周波電流が放射ノイズ源となり、電源系統側に接続される他の機器へ誘導障害を与えたり、ラジオ周波数帯に影響を及ぼすなどの問題点がある。また、変換器の直流母線に蓄電池が接続された場合においても、蓄電池と接地点との間に生じる浮遊容量を介して高周波電流が流れるため、同様な問題を生じる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、変換器または蓄電池と接地点との間に存在する浮遊容量を介して、変換器のスイッチングに伴う高周波電流が、電源系統側の接地点や負荷側の接地点を介してノイズ電流として流れるのを抑制するようした電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、交流電源から受電して直流電圧を得ると共に上記直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、この変換器の入力側に接続されたフィルタと、上記変換器の出力側に接続されたフィルタとを備えたものであって、上記入力側のフィルタを構成するコンデンサの共通接続点と上記出力側のフィルタを構成するコンデンサの共通接続点とを互いに電気的に接続すると共に、その接続点と接地点との間にバイパス用のコンデンサを接続し、上記変換器の入力側に接続されたフィルタの前段および上記変換器の出力側に接続されたフィルタの後段のそれぞれにコモンモードコアを設けたことを特徴としている。

本発明によれば、変換器のスイッチングに伴って高周波電流が、変換器または蓄電池と接地点との間に存在する浮遊容量を介して流れたとしても、その高周波電流はバイパス用のコンデンサを経由して入力側のフィルタあるいは出力側のフィルタから変換器に向けて流れる。このため、従来のように、変換器から浮遊容量を介して接地点に漏洩した高周波電流が電源系統側の接地点から入力側のフィルタを経由して再び変換器に流入して循環したり、あるは、接地点に漏洩した高周波電流が負荷側の接地点から出力側のフィルタを経由して再び変換器に流入して循環したりするのを低減することができる。しかも、バイパス用のコンデンサに加えて、変換器の入力側に接続されたフィルタの前段および上記変換器の出力側に接続されたフィルタの後段のそれぞれにコモンモードコアを設けたことにより、バイパス用のコンデンサをバイパスせずに電源系統側の接地点、および負荷側の接地点をそれぞれ経由して流れる一部残留した高周波電流の経路に対してインピーダンスを高くすることで、これらの残留した高周波電流が循環するのをさらに効果的に抑制することができる。このため、漏洩した高周波電流がノイズ電流として電源系統に接続される他の機器へ誘導障害を与えたり、ラジオ周波数帯に影響を及ぼすなどの不具合発生を防止することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における電力変換装置を示す回路図である。
図１において、符号１は交流電源から受電した交流電圧を直流電圧に変換し、得られた直流電圧を安定した交流電圧に変換する変換器、２は変換器１の入力側に設けられたフィルタ、３は変換器１の出力側に設けられたフィルタである。また、４は変換器１と接地点との間に存在する浮遊容量である。

変換器１は、交流電源から受電してこれを直流電圧に一旦変換するコンバータ１１と、コンバータ１１で得られた直流電圧を安定化した交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ１２とを備え、コンバータ１１とインバータ１２との間には、コンデンサＣ０からなる電圧平滑回路１３が設けられている。

コンバータ１１は、スイッチング素子Ｔｒ１とダイオードＤ１とを有する３相フルブリッジ回路からなり、また、インバータ１２は、スイッチング素子Ｔｒ２とダイオードＤ２とを有する３相フルブリッジ回路で構成されている。そして、各スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２が図示しない制御回路によってスイッチングされる。

また、上記の入力側のフィルタ２は、コンバータ１１を構成するスイッチング素子Ｔｒ１のスイッチングに伴って発生するキャリア周波数成分の影響が電源系統側に伝わらないように、また、出力側のフィルタ３は、インバータ１２を構成するスイッチング素子Ｔｒ２のスイッチングに伴って発生するキャリア周波数成分の影響が負荷側に伝わらないように、それぞれのキャリア周波数を低減するものであって、入力側のフィルタ２は、リアクトル２１とコンデンサ２２とから構成され、同様に、出力側のフィルタ３もリアクトル３１とコンデンサ３２とから構成されている。

そして、この実施の形態１の特徴として、入力側のフィルタ２を構成するコンデンサ２２の共通接続点と出力側のフィルタ３を構成するコンデンサ３２の共通接続点とを互いに電気的に接続すると共に、その接続点と接地点との間にバイパス用のコンデンサ５が接続されている。この場合、後述するように変換器１から浮遊容量４を介して漏洩する高周波電流がバイパス用のコンデンサ５をバイパスして優先的に流れるようにインピーダンスを低くする必要があることから、バイパス用のコンデンサ５は変換器１と接地点との間に生じる浮遊容量４と同等以上の静電容量を持つように設定されている。

上記構成の電力変換装置において、変換器１を構成するコンバータ１１やインバータ１２のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のスイッチングに伴って生じた高周波電流が、変換器１と接地点との間に存在する浮遊容量４を介して流れたとしても、その高周波電流は直ちにバイパス用のコンデンサ５を経由して入力側のフィルタ２あるいは出力側のフィルタ３から変換器１に向けて流れる。そのため、従来のように、浮遊容量４を介して接地点に漏洩した高周波電流が電源系統側の接地点から入力側のフィルタ２を経由して再び変換器１に流入して循環したり、あるは、浮遊容量４を介して接地点に漏洩した高周波電流が負荷側の接地点から出力側のフィルタ３を経由して再び変換器１に流入して循環するといった現象が生じるのが抑制される。

このように、この実施の形態１では、変換器１のスイッチングに伴う高周波電流が電源系統側の接地点や負荷側の接地点を経由するノイズ電流として流れるのを抑制することができるので、電源系統側に接続される他の機器へ誘導障害を与えたり、ラジオ周波数帯に影響を及ぼすなどの不具合発生を防止することができる。

また、入力側のフィルタ２のコンデンサ２２の共通接続点と出力側のフィルタ３のコンデンサ３２の共通接続点とをそれぞれ電気的に接続した配線をバイパス用のコンデンサ５を介して接地するため、各フィルタ２，３のコンデンサ２２，３２の共通接続点を直接に接地する場合に比べて、全体の静電容量の調整が容易である。すなわち、各フィルタ２，３に対して、バイパス用のコンデンサ５がそれぞれ直列に接続されているため、バイパス用のコンデンサ５の静電容量を適切に設定することにより、バイパスしたい比較的高周波の漏洩電流のみがバイパス用のコンデンサ５を介して流れ、低周波の漏洩電流は流れにくくすることができる。これにより、装置から電源系統側、または負荷側へ流れる不要な漏洩電流を効率良く低減することができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２における電力変換装置を示す回路図であり、図１に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２における電力変換装置の特徴は、入力側のフィルタ２の前段、および出力側のフィルタ３の後段にそれぞれ、３相分の配線が挿通されるコモンモードコア６，７が設けられていることである。このコモンモードコア６，７は、例えばリング状のフェライトコアからなる。その他の構成は、図１に示した実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明を省略する。

この実施の形態２では、バイパス用のコンデンサ５に加えて、入力側のフィルタ２の前段にコモンモードコア６を設けることにより、バイパス用のコンデンサ５をバイパスせずに電源系統側の接地点、および負荷側の接地点をそれぞれ経由して流れる一部残留した高周波電流の経路に対してインピーダンスを高くすることができる。これにより、これらの残留した高周波電流が循環するのをさらに抑制することができ、電源系統側に接続される他の機器へ誘導障害を与えたり、ラジオ周波数帯に影響を及ぼすなどの不具合発生を一層効果的に防止することができる。
その他の作用、効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明を省略する。

なお、この実施の形態２では、入力側と出力側の双方にコモンモードコア６，７を設けているが、必要に応じていずれか一方のみを設けることも可能である。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３における電力変換装置を示す回路図であり、図１に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態３の電力変換装置の特徴は、変換器１を構成する電圧平滑回路１３とインバータ１２との間の直流母線に蓄電池１４が並列に接続されていることである。

この蓄電池１４は、無停電電源装置（ＵＰＳ）としての役目を果たすもので、交流電源が正常時には、コンバータ１１のスイッチング素子Ｔｒ１がスイッチングされて電圧平滑回路１３からの直流電圧により蓄電池１４が充電される一方、交流電源の停電時にはコンバータ１１の動作を停止させて蓄電池１４からインバータ１２に電力供給を行い、負荷に安定した安定した交流電力を供給する。

この蓄電池１４を設けた場合にも、蓄電池１４と接地点間に浮遊容量が生じるため（特に、変換器１と蓄電池１４との配線間距離が長くなるような場合）、この浮遊容量を介して変換器１のスイッチングに伴って生じる高周波電流が漏洩して流れる。しかし、この場合においても、バイパス用のコンデンサ５の静電容量が、変換器１と接地点との間に生じる浮遊容量と蓄電池と接地点との間に生じる浮遊容量との和よりも大きくなるように設定されており、漏洩した高周波電流をバイパス用のコンデンサ５によってバイパスすることができるので、変換器１のスイッチングに伴う高周波電流が電源系統側の接地点や負荷側の接地点を介して流れるのを抑制することができる。これにより、電源系統側に接続される他の機器へ誘導障害を与えたり、ラジオ周波数帯に影響を及ぼすなどの不具合発生を防止することができる。
その他の構成、および作用効果は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

本発明は、上記の実施の形態１〜３の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において各種の変形を加えることが可能である。
例えば、上記の各実施の形態１〜３では、変換器１において電源系統の交流電圧を直流電圧に変換する際に、スイッチング素子として、図ではＩＧＢＴ（Insulated Ｇate Bipolar Transistor）により構成しているが、これに限らず、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代替しても同様の効果を得ることができる。

また、各実施の形態１〜３では、入力側と出力側の各フィルタ２，３のコンデンサ２２，３２の共通接続点をそれぞれ電気的に接続した配線にはバイパス用のコンデンサ５以外は接続していないが、これに限らず、例えば図４に示すように、変換器１の直流母線にバイパス用のコンデンサ５を同時に接続しても同様の効果が得られる。また、図５に示すように、電圧平滑回路１３を構成する２つのコンデンサＣ１，Ｃ２の中点にバイパス用のコンデンサ５を同時に接続しても同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置を示す回路図である。 本発明の実施の形態２における電力変換装置を示す回路図である。 本発明の実施の形態３における電力変換装置を示す回路図である。 本発明の電力変換装置の変形例を示す回路図である。 本発明の電力変換装置の変形例を示す回路図である。

符号の説明

１ 変換器、１１ コンバータ、１２ インバータ、１３ 電圧平滑回路、
１４ 蓄電池、２ 入力側のフィルタ、３ 出力側のフィルタ、４ 浮遊容量、
５ バイパス用のコンデンサ、６，７ コモンモードコア。

Claims (4)

1. 交流電源から受電して直流電圧を得ると共に上記直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、この変換器の入力側に接続されたフィルタと、上記変換器の出力側に接続されたフィルタとを備えた電力変換装置において、
   上記入力側のフィルタを構成するコンデンサの共通接続点と上記出力側のフィルタを構成するコンデンサの共通接続点とを互いに電気的に接続すると共に、その接続点と接地点との間にバイパス用のコンデンサを接続し、
   上記変換器の入力側に接続されたフィルタの前段および上記変換器の出力側に接続されたフィルタの後段のそれぞれにコモンモードコアを設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 上記バイパス用のコンデンサは、上記変換器と上記接地点との間に生じる浮遊容量と同等以上の静電容量を持つように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記変換器の直流母線に接続された蓄電池を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 上記バイパス用のコンデンサは、上記変換器と上記接地点との間に生じる浮遊容量および上記蓄電池と上記接地点との間に生じる浮遊容量の和と同等以上の静電容量を持つように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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