JP5304374B2 - 電力変換システムのノイズ低減法 - Google Patents
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(イ)スイッチング周波数の特定角度を並列運転台数Nで割ることで位相差を決定する方法がある。すなわち、
(a) キャリア周波数の位相角を2π/Nに設定して低減(例えば特許文献1参照)する例が知られている。すなわち、
マトリックスコンバータを複数台並列運転する場合、特許文献1では、スイッチング周波数の位相角を2π/Nに設定することで、ノイズ周期をN倍化することを開示している。例えば、N=2の場合には、2次,4次,‥となる。この方法は、マトリックスコンバータだけに限らず、種々の回路について提案されている。
(b) スイッチング周波数の位相角をπ/Nに設定して低減(例えば特許文献2参照)する例が知られている。すなわち、
交流電気車の制御法として、特許文献2では、スイッチング周波数の位相角をπ/Nに設定して高次高調波成分を除去することを開示している。例えば、N=2の場合には、2次、6次等を除去できる。
である。
前述の特許文献で記載されている技術は、リアクトル等を流れる高調波成分の低減による損失低減や小型化を目的としているため、スイッチングリプル等の絶対値を小さくすることが主目的となり、低減する高調波成分は比較的低次の次数(1次〜3次)を低減する技術の開示に止まっている。
雑音端子電圧は、前述のように幅広い周波数帯域(一般に150kHz〜30MHz)にわたって規制値が設けられており、そのすべての周波数帯域において、発生するノイズレベルを規制値以下としなければならない。すなわち、ある特定周波数成分を除去したとしても、その前後の次数の高調波成分は大きなノイズレベルであることから、幅広い周波数帯域のノイズレベルを低減するためには大きな効果が得られない。
前記適切な位相差として、並列台数N、前記電力変換システムが準拠すべきノイズ規格の下限周波数付近となるスイッチング周波数の最も小さい高調波成分の次数nにおいて、Nが奇数の場合には下記式1を充たす、Nが偶数の場合には下記式2を充たす、位相角αを設定することを特徴とする。
前記適切な位相差として、並列台数N、前記電力変換システムが準拠すべきノイズ規格の下限周波数付近となるスイッチング周波数の最も小さい高調波成分の次数nにおいて、Nが奇数の場合には下記式3を充たす、Nが偶数の場合には下記式4を充たす、位相角αを設定することを特徴とする。
電力変換システムのノイズ低減法において、
前記適切な位相差として、並列台数N、ノイズレベルを低減したい高調波成分の次数nにおいて、Nが奇数の場合には下記式5を充たす、Nが偶数の場合には下記式6を充たす、位相角αを設定することを特徴とする。
[実施形態1]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。図1の場合、LISN(Line Impedance Stabilizing Network:擬似電源回路網)10に個別の電力変換装置(Power converter)20がN台並列に接続されている。このとき電力変換装置20としては、図2(a)に示したハーフブリッジインバータ21や、図2(b)に示したフライバックコンバータ22などを想定しており、半導体スイッチングにより電力を変換する機器であれば、回路構成はいかなるものでも良い。そして、図1に示す制御回路30
によりN台の電力変換装置20のスイッチング周期を同期させるとともに、各電力変換装置20は適切な位相差により運転される。ここで、図1では、制御回路30を一つしか記載していないものの、この構成に限定されるものではない。電力変換装置20が個別に持っている制御回路のうちマスターやスレーブを切り替えることで、実現する方法も考えられる。なお、LISN(擬似電源回路網)には、FCC(Federal Communications Commission)によって指定されたV型などがある。
(A)位相角0[rad.]で動作させたときが最も大きなノイズを発生する。つまり、上記式9はかならず1以下の値となることから、0[rad.]で動作させたときが最もノイズが大きいものになる。
(B)任意のノイズ波形において上記式9は成立する。
関係を満足することがわかる。
[実施形態2]
上記した本発明の第1の実施形態に係る電力変換システムによれば、並列運転台数Nに応じた所望の高次高調波成分n0のノイズレベルを大幅に低減できるようになる。しかしながら、雑音端子電圧の規格を満足するためには、所望の高次高調波成分n0だけでなく、周辺の次数についても出来る限り低減できていることが望ましい。そして、上記式12及び式13を満足する位相角αは、1つではないことから、どの位相角に設定すべきかを明確にすることが望まれる。
並列運転台数N=2、低減したい所望の高次高調波成分n0=6のとき、上記式13を満足する位相角は3種(π/6 [rad.]、π/2 [rad.]、5π/6 [rad.])ある。このとき、次数nに対して上記式9を求めると図6となる。図6より、上記3種すべての演算結果において、n=6の条件では0となり、ノイズレベルが大幅に低減できることが理解される。しかしながら、図6に示した3種の演算結果のうち、最も雑音端子電圧の低減に有利なのは、π/6 [rad.]の結果である。これは、n=6の周辺の高次高調波成分が最も小さいことによる。この傾向は、並列運転台数Nおよび高次高調波次数nによらず、同様の傾向を示す。
以上のように本発明の第2の実施形態に係る電力変換システムによれば、電力変換装置が複数台並列運転されるような電力変換システムにおいて、スイッチング周波数に応じて狙った高次高調波次数、および、その周辺の高調波成分を含めて低減できるようになる。これにより、所望の周波数のノイズレベルを低減できる低ノイズな電力変換システムを構築できる。また、ノイズフィルタを追加するような場合には、ノイズフィルタの小型化も同時に実現できる。
[実施形態3]
上記した本発明の第2の実施形態に係る電力変換システムにおいては、所望の周波数を、雑音端子電圧の規制下限周波数(一般的に150kHz)付近となる最低次数n0により決定する周波数とした。そして最低次数n0により決定した所望の周波数において、式9による演算結果を0にすることでノイズレベルを低減することとした。
[実施形態4]
上記した本発明の第3の実施形態に係る電力変換システムにより、並列運転台数Nに応じた所望の高次高調波成分n0のノイズレベルを規格準拠に必要なレベルまで低減できるようになる。しかしながら、雑音端子電圧の規格を満足するためには、所望の高次高調波成分n0だけでなく、周辺の次数についても出来る限り低減できていることが望ましい。そして、上記式14及び式15を満足する位相角αは、1つではないことから、どの位相角に設定すべきかを明確にすることが望まれる。
並列運転台数N=2、低減したい所望の高次高調波成分n0=6のとき、上記式13が1となる位相角は6種(π/9 [rad.]、2π/9 [rad.]、4π/9 [rad.]、5π/9 [rad.]、7π/9 [rad.]、8π/9 [rad.])ある。このとき、次数nに対して上記式9を求めると図8となる。図8より、すべての演算結果において、n=6の条件では1となり、ノイズレベルを電力変換装置
単体(並列運転ではない)運転時のレベルに低減できることを示している。しかしながら、図8に示した6種の演算結果のうち、最も雑音端子電圧の低減に有利なのは、π/9 [rad.](= 2π/((2+1)×6)[rad.])の結果である。これは、n=6以上の高次高調波成分が最も小さいことによる。すなわち、π/9 [rad.]に設定するとn=12まで電力変換装置単体(並列運転ではない)運転時のノイズレベル以下となり、最も幅広い連続した周波数帯域で規格準拠に必要なレベルまで低減できるようになる。この傾向は、並列運転台数Nおよび高次高調波次数nによらず、同様の傾向を示す。
以上のように本発明の第4の実施形態に係る電力変換システムによれば、電力変換装置が複数台並列運転されるような電力変換システムにおいて、スイッチング周波数に応じて狙った高次高調波次数および、その周辺の高調波成分を含めて低減できるようになる。これにより、所望の周波数のノイズレベルを低減できる低ノイズな電力変換システムを構築できる。また、ノイズフィルタを追加するような場合には、ノイズフィルタの小型化も同時に実現できる。
[実施形態5]
上記した本発明の第1ないし第4の実施形態に係る電力変換システムでは、一般的に伝導ノイズの規制値を満足することが難しい規制下限周波数を基に、低減すべき高次高調波次数を決定する方法を示した。しかしながら、電力変換装置によっては、予期せぬ共振等により大幅にノイズが上昇する周波数が発生する場合がある。この周波数は一般的に数MHz付近に存在するが、このような大幅にノイズが上昇する周波数に合わせて低減すべき高次高調波成分n0を決定しても良い。
20 電力変換装置
21 ハーフブリッジインバータ
22 フライバックコンバータ
30 制御回路
40 ノイズフィルタ(一括)
Claims (5)
- 少なくとも一つの半導体スイッチング素子を含む電力変換装置であり、前記電力変換装置を少なくとも2台以上の複数台を並列運転するとともに、前記複数台の電力変換装置のスイッチング周波数を同期させ、かつ適切な位相差を持たせて運転させる電力変換システムのノイズ低減法において、
前記適切な位相差として、並列台数N、前記電力変換システムが準拠すべきノイズ規格の下限周波数付近となるスイッチング周波数の最も小さい高調波成分の次数nにおいて、Nが奇数の場合には下記式16を充たす、Nが偶数の場合には下記式17を充たす、位相角αを設定することを特徴とする電力変換システムのノイズ低減法。
- 請求項1の電力変換システムのノイズ低減法において、
位相角αを、おおよそ2π/(N×n)[rad.]に設定することを特徴とする電力変換システムのノイズ低減法。 - 少なくとも一つの半導体スイッチング素子を含む電力変換装置であり、前記電力変換装置を少なくとも2台以上の複数台を並列運転するとともに、前記複数台の電力変換装置のスイッチング周波数を同期させ、かつ適切な位相差を持たせて運転させる電力変換システムのノイズ低減法において、
前記適切な位相差として、並列台数N、前記電力変換システムが準拠すべきノイズ規格の下限周波数付近となるスイッチング周波数の最も小さい高調波成分の次数nにおいて、Nが奇数の場合には下記式18を充たす、Nが偶数の場合には下記式19を充たす、位相角αを設定することを特徴とする電力変換システムのノイズ低減法。
- 請求項3の電力変換システムのノイズ低減法において、
位相角αを、おおよそ2π/{(N+1)×n}[rad.]に設定することを特徴とする電力変換システムのノイズ低減法。 - 少なくとも一つの半導体スイッチング素子を含む電力変換装置であり、前記電力変換装置を少なくとも2台以上の複数台を並列運転するとともに、前記複数台の電力変換装置の
スイッチング周波数を同期させ、かつ適切な位相差を持たせて運転させる電力変換システムのノイズ低減法において、
前記適切な位相差として、並列台数N、ノイズレベルを低減したい高調波成分の次数nにおいて、Nが奇数の場合には下記式20を充たす、Nが偶数の場合には下記式21を充たす、位相角αを設定することを特徴とする電力変換システムのノイズ低減法。
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