JP6254779B2

JP6254779B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6254779B2
Application number: JP2013134907A
Authority: JP
Inventors: 正河合
Original assignee: 東芝シュネデール・インバータ株式会社
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: JP2015012650A

Description

本実施形態は、電力変換装置に関する。

インバータ装置のような電力変換装置では、例えばＩＧＢＴ等の高速スイッチング素子のスイッチングでＰＷＭ制御を行うことにより、所望の周波数の電力をモータ等の負荷に供給する。この場合、スイッチング素子のスイッチングによる電圧の急変に伴い、モータやモータのケーブルからアースヘと高周波の漏れ電流が発生することで、当該電力変換装置の周りに設置される機器に悪影響を及ぼす可能性がある。
このようなＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）に係るノイズ対策として、電源への漏れ電流の回り込みを抑制するフィルタ回路が用いられている（例えば特許文献１参照）。なお、一般には、モータの筺体を直接グランドに接地することが多いが、特許文献１の電力変換装置では、モータの筺体を直接接地せず当該電力変換装置を介して接地している。また、電力変換装置では、前記漏れ電流の電源への影響を定量的に測定する手段として雑音端子電圧を測定する手法が採用されている。

特開２００９−１４２０７６号公報

上記のようにモータの筺体を直接グランドに接地する場合には、モータからの漏れ電流は直接グランドに流れ込むこととなる。また、上記したモータのケーブル（シールド被覆）とグランドとの間で浮遊容量が形成されると、これに起因して漏れ電流が発生する。しかしながら、従来のフィルタ回路では、これらの漏れ電流を充分に抑制することができないものとなっていた。
また、フィルタ回路の構成として、コモンモードチョークと接地コンデンサ回路との組み合わせによりフィルタ効果を向上させることができても、そのコモンモードチョークの機能を充分に発揮できない場合がある。

そこで、コモンモードノイズを効果的に抑制し、電源への漏れ電流の回り込みを充分に低減させることができる電力変換装置を提供する。

電力変換装置は、ＥＭＣ対策用のノイズフィルタを内蔵するものであり、前記電力変換装置を接地するための第１アース端子と、この第１アース端子とは異なるアース端子として前記電力変換装置を接地するための第２アース端子と、モータへのケーブルについて当該ケーブル外周を覆うシールド被覆又は当該モータのアース線を接続するための第３アース端子と、前記電力変換装置において供給される電源と前記モータへのケーブルとの間を接続するラインとしての主回路ラインに介挿され、前記ノイズフィルタとしてコモンモードノイズを除去するインダクタと、を備え、前記インダクタの１次側における前記主回路ラインと前記第１アース端子との間は、第１接地コンデンサ回路を介して接続され、前記第２アース端子と前記第３アース端子との間は、第２導体部を介して電気的に接続され、前記第２導体部を介して電気的に接続される前記第２及び第３アース端子と、前記インダクタの２次側における前記主回路ラインとの間は、第２接地コンデンサ回路を介して接続され、前記第２導体部を介して電気的に接続される前記第２及び第３アース端子と、前記第１アース端子との間は、第１導体部を介して電気的に接続され、前記第１導体部は、前記第２導体部よりも高周波領域でのインピーダンスを高くする高インピーダンス手段を付与した構成にある。

第１実施形態の電力変換装置の主回路図電力変換装置のケース内に配設される導体部の一例について各アース端子と共に示す模式図図１の構成を一般化した図（ａ）は電力変換装置に高インピーダンス手段が無い場合、（ｂ）は高インピーダンス手段が付与された場合における雑音端子電圧の測定値を示す図（ａ）及び（ｂ）は、他の電力変換装置について雑音端子電圧の測定値を示す図４相当図（ａ）は電力変換装置に高インピーダンス手段が無い場合、（ｂ）は高インピーダンス手段が付与された場合の雑音端子電圧について数値計算で求めた値を示す図高インピーダンス手段が無い場合の主回路図第２実施形態のワイヤ状導体と磁性体コアを示す模式図

＜第１実施形態＞
以下、本実施形態について図１から図７を参照して説明する。
図１に示すように、インバータ装置１は、交流入力電圧を整流して直流電圧を出力する整流回路２と、直流電圧を平滑する平滑用コンデンサ３と、直流電圧を交流に逆変換してモータ４に交流電圧を供給するインバータ回路５とを備えて構成されており、その入力端子は交流電源６に接続されている。前記整流回路２は、例えば三相ブリッジ接続されたダイオードからなり、直流電圧を正極側と負極側の入力ラインＰ，Ｎからインバータ回路５に供給する。インバータ回路５は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子を三相ブリッジ接続してなり、各スイッチング素子のＰＷＭ(pulse width modulation)制御により、前記モータ４を駆動する。

前記正極側の入力ラインＰと負極側の入力ラインＮには夫々、コモンモードチョークとしての直流リアクトル７（インダクタ）が介挿されている。ここで、直流リアクトルは、高調波入力電流を抑制するために正極側又は負極側のラインのみに挿入されることも多いが、本実施形態の直流リアクトル７，７は、同一の特性値を有し、正極側と負極側の入力ラインＰ，Ｎに配設されることで、電源高調波抑制機能を備えるだけでなく、コモンモードリアクトルとしても機能する。また、本実施形態のインバータ装置１は、直流リアクトル７，７とともにＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）フィルタを構成する第１及び第２接地コンデンサ回路８，９を備えている。

具体的には、インバータ回路５と交流電源６（前記入力端子）との間における、入力ラインＰ，Ｎを含む主回路ライン１５には、整流回路２の交流側に第１接地コンデンサ回路８が接続されている。第１接地コンデンサ回路８は、例えば相間コンデンサ８ａ〜８ｃと、それらコンデンサ８ａ〜８ｃと後述する第１アース端子Ｇ１との間で当該コンデンサ８ａ〜８ｃと直列に接続された接地コンデンサ８ｄとからなる。相間コンデンサ８ａ〜８ｃは、夫々の一端が主回路ライン１５（ここでは電源供給線たる三相線）に接続され、他端がスター結線されている。こうして、直流リアクトル７，７の１次側における主回路ライン１５と第１アース端子Ｇ１との間は、整流回路２の交流側で第１接地コンデンサ回路８を介して接続されている。なお、第１接地コンデンサ回路は、上記したコンデンサ８ａ〜８ｄの回路８に限らず、三相電源の各相と第１アース端子Ｇ１との間にコンデンサを設けた構成としてもよい。

また、主回路ライン１５における直流リアクトル７，７と平滑用コンデンサ３との間の入力ラインＰ，Ｎには、第２接地コンデンサ回路９が接続されている。第２接地コンデンサ回路９は、例えば接地コンデンサ９ａ，９ｂからなり、夫々の一端が各入力ラインＰ，Ｎに接続され、他端が後述する第２、第３アース端子Ｇ２、Ｇ３に電気的に接続される。これにより、直流リアクトル７，７の２次側たる出力側における主回路ライン１５と、第２、第３アース端子Ｇ２、Ｇ３との間は、第２接地コンデンサ回路９を介して接続される。なお、第２接地コンデンサ回路は、上記したコンデンサ９ａ，９ｂの回路９に限らず、適宜変更してもよい。

本実施形態のインバータ装置１には、３つのアース端子Ｇ１〜Ｇ３が設けられている。第１アース端子Ｇ１は、インバータ装置１を接地するためのもので、例えば交流電源６のアース線１１ａに対しアース線１１で接地される。若しくは当該端子Ｇ１を、グランド（大地アース）２０における後述のアース端子Ｇ２の接地点よりも電源側に接地してもよい。第２アース端子Ｇ２は、第１アース端子Ｇ１とは異なるアース端子としてインバータ装置１を接地するためもので、例えばアース線１２でグランド２０に接地される。また、第３アース端子Ｇ３は、例えばモータ４へのケーブル１０について当該ケーブル１０外周を覆うシールド被覆１０ａや、当該モータ４のアース線１３を接続するためのものである。

各アース端子Ｇ１〜Ｇ３は、インバータ装置１のケース（図示しない筺体）に対して、アース線１１〜１３の接続が可能に設けられた外部接続端子としての端子台で構成されている。各アース端子Ｇ１〜Ｇ３は、後述する導体部２１，２２の一部（或は別体の導体）で構成され、アース線１１〜１３を接続可能に固定するスタッドネジ等の固定手段を備えた構成としてもよい。第２アース端子Ｇ２は、インバータ装置１のケースにおける設置面に対する取付部（図示しないねじ穴部分）に付設してもよく、第３アース端子は、モータ４のケーブル１０用のアース端子として用いられるものであればよい。また、各アース端子Ｇ１〜Ｇ３の接地態様は適宜変更してもよく、例えば第３アース端子Ｇ３について、シールド被覆１０ａとアース線１３との何れか一方を接続してもよい。なお、図１中、符号１４は、モータ４の筺体４ａをグランド２０に直接接地するためのアース線である。

前記第２アース端子Ｇ２と第３アース端子Ｇ３との間は、第２導体部２２を介して電気的に接続されている。この第２導体部２２を介して電気的に接続される第２及び第３アース端子Ｇ２，Ｇ３と、第１アース端子Ｇ１との間は、第１導体部２１を介して電気的に接続されている。これら導体部２１，２２について、図２に例示する模式図も参照しながら詳述する。

前記インバータ装置１のケースには、上記したインバータ回路５等の各種の電子部品が収容されるとともに、第１及び第２導体部２１，２２が収容されている。図２に示すように、第１及び第２導体部２１，２２は、前記ケースの寸法形状及び各アース端子Ｇ１〜Ｇ３の位置に合わせて屈曲形成した板状導体で構成されている。即ち例えば、同図の左部で逆「Ｌ」字状をなす第１導体部２１と、その余の第２導体部２２は何れも同じ板厚で一体に構成された１枚の板状導体からなる。このうち、第２導体部２２は、第２アース端子Ｇ２と第３アース端子Ｇ３とにわたって比較的幅広な寸法Ｗ２に設定されている。また、図２に示すように、第２導体部２２は、下端側で第２、第３アース端子Ｇ２，Ｇ３と電気的に接続され、上端側で第２接地コンデンサ回路９と接続されている。

これに対し、第１導体部２１は、第１アース端子Ｇ１と第１接地コンデンサ回路８との間を電気的に接続する幅広部２１ｂと、この幅広部２１ｂと第２導体部２２とを繋げる幅狭部２１ａとからなる。第１導体部２１は、幅狭部２１ａにおける幅寸法Ｗ１が第２導体部２２の幅寸法Ｗ２よりも小さく設定されている（Ｗ１＜Ｗ２）。こうして、幅狭部２１ａは高インピーダンス手段に相当し、第２導体部２２の寸法形状に比して、高周波領域（例えば１５０ＫＨｚ〜３０ＭＨｚ）でのインピーダンスが高くなるように構成されている。なお、各導体部２１，２２は、別体として複数の板状導体から構成してもよい。また、詳しくは後述するように、高インピーダンス手段は、幅狭部２１ａに限らず、例えば第２導体部２２或は第２アース端子Ｇ２と第１アース端子Ｇ１との間を電気的に接続するワイヤ状導体で構成してもよい。

電力変換装置を含む電気機器一般において、アース電位の導体は、インピーダンスが高くならないように設計するのが通常である。これに対して、本実施形態では、アース端子Ｇ１〜Ｇ３と導通する導体部２１，２２において、あえて当該導体部２１に高インピーダンス手段を付与し、以下の作用説明で述べるように電源への漏れ電流の回り込みを極力低減させることとしている。上記構成の作用について説明する。

前記交流電源６から三相交流電力がインバータ装置１に供給されると、整流回路２で三相交流電力を直流電力に変換してインバータ回路５に供給し、インバータ回路５で直流電力を交流電力に変換してモータ４を駆動する。この場合、インバータ回路５は、例えばＰＷＭ制御によりＩＧＢＴ等のスイッチング素子をスイッチングするため、モータ４の巻線と鉄心のスロットとの間の浮遊容量成分、或はケーブル１０とグランド２０との間の浮遊容量成分Ｃ（図１参照）を通して、前記スイッチング出力電圧に含まれる高周波成分による漏れ電流が発生する。

このとき発生する漏れ電流の電流路は、図１に符号Ｉ１で示す太線の経路と、符号Ｉ２で示す一点鎖線の経路と、符号Ｉ３で示す破線の経路がある。また、同図に示すように、Ｉ１の経路には、モータ４の筺体４ａのアース線１４を通る経路（１−１）と、ケーブル１０を通る経路（１−２）と、ケーブル１０のグランド２０間浮遊容量成分Ｃを通る経路（１−３）が含まれる。各経路の漏れ電流のうち、Ｉ１の経路の漏れ電流が最も大きく、次いでＩ２，Ｉ３の経路の順に漏れ電流が小さくなる（Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３）。即ち、モータ４やケーブル１０で発生した漏れ電流は、第２、第３アース端子Ｇ２、Ｇ３と主回路ライン１５との間における、比較的低いインピーダンスの第２導体部２２と第２接地コンデンサ回路８とにより、その多くがＩ１の経路である（１−１）、（１−２）及び（１−３）を介して回収される。

他方、Ｉ２，Ｉ３の経路側に分流した漏れ電流については、第１アース端子Ｇ１と主回路ライン１５との間における、比較的低いインピーダンスの前記幅広部２１ｂと第１接地コンデンサ回路８とにより、主としてＩ２の経路を介して回収される。これにより、Ｉ３の経路を流れるノイズ源としての漏れ電流が小さくなり、電源における雑音端子電圧を低減させることができる。

上記した本実施形態のインバータ装置１に係る電力変換装置は、交流部にインダクタを配置する等、以下のように一般化して表すことができる。
即ち、図３に示すように、電力変換装置１´は、コモンモードノイズを除去するインダクタ（例えば交流部に配置したコモンモードチョークコイル７´）を備え、このコモンモードチョークコイル７´の一次側における主回路ライン１５´と第１アース端子Ｇ１との間を第１接地コンデンサ回路（例えば交流側接地コンデンサ回路８´）を介して接続し、第２導体部２２を介して電気的に接続される第２及び第３アース端子Ｇ２，Ｇ３とコモンモードチョークコイル７´の２次側における主回路ライン１５´との間を第２接地コンデンサ回路（例えば交流側接地コンデンサ回路９´）を介して接続した構成にある。なお、説明の便宜上、図３ではインバータ装置１に係る構成と同じ構成について同一符号を付しており、その余の説明を省略する。

発明者は、本実施形態に係るインバータ装置１や電力変換装置１´（以下、両者を電力変換装置１、１´と総称する）について、上記したノイズの低減効果を実証するために実験を行った。ここで、図４、図５の夫々において、（ａ）は高インピーダンス手段が無い場合、（ｂ）は高インピーダンス手段が付与された場合の雑音端子電圧の測定結果を示している。

高インピーダンス手段が無い形態については、図７に示すように、前述したＩ１〜Ｉ３の経路と異なる経路Ｉ４の漏れ電流が発生する。このため、直流リアクトル７（或はコモンモードチョークコイル７´）の機能が活かされず、雑音端子電圧が増大する（図４（ａ）或は図５（ａ）参照）。

これに対し、高インピーダンス手段として第２アース端子Ｇ２と第１アース端子Ｇ１との間を接続する前記ワイヤ状導体を備えた電力変換装置１、１´にあっては、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように雑音端子電圧のピークが低下している。具体的には、図４の測定結果では、略３ＭＨｚ以下の周波数の帯域で雑音端子電圧の低減効果が表れており、図５の測定結果では、１０ＭＨｚ以上の周波数の帯域で雑音端子電圧の低減効果が表れている。これらの効果が表れる周波数の帯域は、電力変換装置１、１´を含む回路全体のインピーダンスの大きさで変動するが、何れの測定結果も、その回路の共振周波数つまりコモンモードノイズが高くなる帯域でノイズの低減効果があるといえる。

また、発明者は、高インピーダンス手段の有無でノイズの低減効果に差異が生じるか否かを数値計算によって検証した。図６は、その数値計算により得られた雑音端子電圧を示している。同図において、高インピーダンス手段が無い場合の（ａ）と、高インピーダンス手段（前記ワイヤ状導体）がある場合の（ｂ）との対比から明らかなように、３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚにわたってノイズの低減効果を確認することができる。

以上説明したように、本実施形態の電力変換装置１、１´は、その主回路ラインに介挿され、ノイズフィルタとしてコモンモードノイズを除去するインダクタを備え、そのインダクタの１次側における主回路ラインと第１アース端子Ｇ１との間は第１接地コンデンサ回路を介して接続され、第２アース端子Ｇ２と第３アース端子Ｇ３との間は第２導体部２２を介して電気的に接続され、それら第２及び第３アース端子Ｇ２，Ｇ３とインダクタの２次側における主回路ラインとの間は第２接地コンデンサ回路を介して接続され、前記第２及び第３アース端子Ｇ２，Ｇ３と第１アース端子Ｇ１との間は第１導体部２１を介して電気的に接続され、第１導体部２１は、第２導体部２２よりも高周波領域でのインピーダンスを高くする高インピーダンス手段を付与した構成にある。

上記構成において、第３アース端子Ｇ３は、モータ４へのケーブル１０のシールド被覆１０ａや当該モータ４のアース線１３が接続される。従って、例えばケーブル１０のシールド被覆１０ａとグランド２０との間で浮遊容量成分Ｃに起因して漏れ電流が発生しても、第１及び第２接地コンデンサ回路とインダクタにより、その漏れ電流の電源側への回り込みを抑制することができる。即ち、モータ４やケーブル１０で発生した漏れ電流は、第２、第３アース端子Ｇ２、Ｇ３と主回路ラインとの間における比較的低いインピーダンスの第２導体部２２と第２接地コンデンサ回路とにより、その多くを回収できる。その余の漏れ電流についても、第１アース端子Ｇ１と主回路ラインとの間における第１接地コンデンサ回路８とインダクタにより係るノイズを除去することができ、電源への漏れ電流の回り込みを充分に低減させることができる。

前記第１導体部２１及び第２導体部２２は、何れも電力変換装置１，１´のケース内に配設された板状導体からなり、高インピーダンス手段は、第１導体部２１の板状導体の幅寸法Ｗ１を、第２導体部２２の板状導体の幅寸法Ｗ２よりも小さく設定した幅狭部２１ａである。これによれば、幅狭部２１ａによって、前記ワイヤ状導体と同様のノイズの低減効果が得られるとともに、導体部２１，２２を１枚の板で形成することで、安価で簡単な構成とすることができる。

前記第１導体部２１及び第２導体部２２は、何れも電力変換装置１，１´のケース内に配設され、高インピーダンス手段は、第１導体部２１の少なくとも一部を構成するワイヤ状導体からなる。これによれば、比較的径小なワイヤ状導体を採用することで所期のインピーダンスを得ることができ、高インピーダンス手段の構成を安価で簡単なものとすることができる。

＜その他の実施形態＞
図８は、第２実施形態の第１導体部であるワイヤ状導体２５の一部と磁性体コア２６を例示しており、以下では、上記実施形態と異なる点につき説明する。
先ず、ワイヤ状導体２５は、例えば前述のように第１アース端子Ｇ１と第２アース端子Ｇ２との間を電気的に接続する電線であり、インバータ装置１のケース内に配設されている。磁性体コア２６は環状をなしており、ワイヤ状導体２５が挿通されることで、高インピーダンス手段として機能する。即ち、磁性体コア２６は、ワイヤ状導体２５が貫通するように配置されるため、ワイヤ状導体２５の高周波領域でのインピーダンスをより増加させることができる。従って、電力変換装置１、１´において、ワイヤ状導体２５に、より漏れ電流が流れ難い構成とすることができ、漏れ電流の低減効果を高めることができる。

前記第１及び第２導体部は、上記構成に限定するものではなく、種々の導体を用いて構成してもよい。例えば前記整流回路２、平滑用コンデンサ３、インバータ回路５、第１及び第２接地コンデンサ回路８，９等が、何れも基板上に実装されているものとする。この場合、図示は省略するが第２導体部を当該基板に形成された銅製のベタパターンで構成し、第１導体部をワイヤ状導体２５で構成してもよい。
電力変換装置はインバータ装置１に限らず、前述した一般化に適合するマトリクスコンバータや、太陽電池で発電した直流電力を交流電力に変換するＰＶインバータで構成してもよい。前記高周波領域については例えば高周波ＥＭＣの対象である１５０ｋＨｚ以上の周波数の領域を含む領域であれば良い。また、前記インダクタは、直流リアクトル７やコモンモードチョークコイル７´に限らず、交流リアクトルでもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

図面中、１，１´はインバータ装置、７，７´はインダクタ、８，８´は第１接地コンデンサ回路、９，９´は第２接地コンデンサ回路、１５，１５´は主回路ライン、２１は第１導体部、２１ａは幅狭部、２２は第２導体部、２５はワイヤ状導体、２６は磁性体コア、Ｇ１〜Ｇ３は第１〜第３アース端子を示す。

Claims

ＥＭＣ対策用のノイズフィルタを内蔵する電力変換装置であって、
前記電力変換装置を接地するための第１アース端子と、この第１アース端子とは異なるアース端子として前記電力変換装置を接地するための第２アース端子と、モータへのケーブルについて当該ケーブル外周を覆うシールド被覆又は当該モータのアース線を接続するための第３アース端子と、
前記電力変換装置において供給される電源と前記モータへのケーブルとの間を接続するラインとしての主回路ラインに介挿され、前記ノイズフィルタとしてコモンモードノイズを除去するインダクタと、を備え、
前記インダクタの１次側における前記主回路ラインと前記第１アース端子との間は、第１接地コンデンサ回路を介して接続され、
前記第２アース端子と前記第３アース端子との間は、第２導体部を介して電気的に接続され、
前記第２導体部を介して電気的に接続される前記第２及び第３アース端子と、前記インダクタの２次側における前記主回路ラインとの間は、第２接地コンデンサ回路を介して接続され、
前記第２導体部を介して電気的に接続される前記第２及び第３アース端子と、前記第１アース端子との間は、第１導体部を介して電気的に接続され、
前記第１導体部は、前記第２導体部よりも高周波領域でのインピーダンスを高くする高インピーダンス手段を付与した構成にあることを特徴とする電力変換装置。
前記第１導体部及び前記第２導体部は、何れも前記電力変換装置のケース内に配設された板状導体からなり、
前記高インピーダンス手段は、前記第１導体部の板状導体の幅寸法を、前記第２導体部の板状導体の幅寸法よりも小さく設定した幅狭部であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第１導体部及び前記第２導体部は、何れも前記電力変換装置のケース内に配設され、
前記高インピーダンス手段は、前記第１導体部の少なくとも一部を構成するワイヤ状導体からなることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記高インピーダンス手段は、前記第１導体部が貫通するように配置される磁性体コアを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の電力変換装置。