JPWO2012026186A1 - 漏れ電流低減装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また電流供給部に注入用コンデンサを用いて接続線に電流供給するため、注入用コンデンサをハイパスフィルタに利用でき、その定数を調整することにより電圧増幅器を保護できると共に、低周波数帯の電流出力を低減できる。
図1〜図5は、この発明を実施するための実施の形態1を示すものであり、図1は高周波漏れ電流低減装置の構成を示す構成図、図2は高周波漏れ電流低減装置の接続例を示す接続図、図3はコンバータの詳細を示す回路図、図4はインバータの詳細を示す回路図、図5は図1の高周波漏れ電流低減装置において1相が接地されている場合を示す構成図である。
図1において、漏れ電流低減装置としての高周波漏れ電流低減装置43は電圧検出部としてのコモンモードトランス1、電流供給部としての電流注入回路2、フィルタ装置6および電圧増幅器3を有する。
コモンモードトランス1は、主巻線としての三相の巻線11、12、13と電圧検出用の巻線としてのコモンモード電圧検出用の巻線14を有する。コモンモードトランス1の主巻線11、12、13は、接続線91r、91s、91tに直列に接続され、コモンモードトランス1よりもコンバータ側で、電流注入回路2が接続線91r、91s、91tに接続される。
なお、電流注入回路2の変形例としては、接地抵抗器24の代わりにインピーダンス装置としてのコンデンサを設ける構成としても良い。また、接地抵抗器24をなくして電圧増幅器3の出力をコンデンサ21、22、23の中性点2Nに接続するのみであっても良い。
なお、フィルタ装置6は、1つもしくは複数のフィルタ回路が並列もしくは直列に接続されたものであり、各フィルタ回路の定数を調整することにより、それぞれ通過周波数範囲を調整し、また、それぞれの通過する周波数において、検出されるコモンモード電圧V1と各フィルタ回路の出力電圧V2との振幅比及び位相差を調整する。
フィルタ装置6の設定は、例えば複数のハイパスフィルタとローパスフィルタとを組み合わせて周波数別の検出値(コモンモード電圧V1)の振幅および位相を調整し、ノイズが大きく発生している周波数のノイズ低減効果を大きくする。
交流電源40からの交流電力は、接続線91r、91s、91tにより高周波漏れ電流低減装置43を介してコンバータ41に入力される。コンバータ41は、図3に示すように、半導体スイッチング素子として、ダイオードが逆並列接続されたIGBT41aを三相フルブリッジ接続して構成され、IGBT41aを開閉制御することにより三相交流を可変電圧の直流に変換する。コンバータ41の出力は、直流母線である接続線41P、41Nにより、図示しないコンデンサを有する中間フィルタ44を介してインバータ42に入力される。
以上の交流電源40、コンバータ41、中間フィルタ44、インバータ42、出力フィルタ45、三相モータ46にて、系統が構成されている。なお、交流電源40は対地浮遊静電容量を有しており、またコンバータ41、中間フィルタ44、インバータ42、出力フィルタ45、三相モータ46は周知のように図示しないフレームないし筐体は接地(GND)され対地浮遊静電容量を有しており、各対地浮遊静電容量を介してコモンモード電流が流れる。この接地の状況を図2において、接地線100Nで表している。
電圧増幅器3に入力される電圧V2は、電圧増幅器3によりゲイン(G)倍に増幅されて出力電圧V3として出力される。出力電圧V3は、出力コンデンサ8にて直流成分が除去され、電流注入回路2のコンデンサ21、22、23の中性点2Nに、出力電圧V3の交流成分である電圧V4が印加される。この電圧V4は、コモンモード電圧V1と同位相になるように生成され、これにより、コンデンサ21、22、23を通じ高周波漏れ電流であるコモンモード電流J1と同位相で同じ大きさの電流J3(図1)を、接続線91r、91s、91tに供給するように電圧増幅器3は出力電圧V3を調整する。なお、同位相の電流とは、高周波漏れ電流(コモンモード電流J1)のうち低減を狙う周波数の電流成分の位相が一致する電流のことである。
なお、以上説明したことは、フィルタ装置6、電圧増幅器3により、コモンモードトランス1のインダクタンスが周波数別に調整されたゲイン倍され、そのインダクタンスがコモンモードトランス1と電流注入回路2との間に発生したことと等価となり、コンバータ41から交流電源40へのコモンモード電流の流出を低減する。
また、電圧増幅器3は、例えばオペアンプを用いた簡単な増幅回路を適用できるため、構成を簡易化することができる。
なお、ノイズの発生状況及び高周波漏れ電流低減装置43の接続状況に応じて出力コンデンサ8もしくはフィルタ装置6を省略した構成としてもよい。
従来例ではコモンモード電流検出にコンデンサを用いているので、高周波数のコモンモード電流を検出する際、検出回路のインピーダンスが小さくなり、コモンモード電圧V1がほとんど発生しないため、小さなコモンモード電流や高周波数帯のコモンモード電流の検出が困難であった。一方、この実施の形態ではコモンモードトランス1によりコモンモード電圧が発生する状態で電圧を検出するため、コモンモードトランス1により発生するコモンモードインピーダンスによるノイズ低減効果が重畳され、さらなるノイズ低減効果を奏する。
また、コモンモード電圧V1の位相を調整してフィルタ装置6に供給するために、フィルタ装置6の前段に入力コンデンサと、この入力コンデンサとコモンモード電圧検出用の巻線14の出力とを接続する配線とGND間に抵抗を設け、フィルタ装置6にコモンモード電圧V1の交流成分のみを入力する構成としてもよい。
図6は、実施の形態2である高周波漏れ電流低減装置の構成を示す構成図である。図6において、漏れ電流低減装置としての高周波漏れ電流低減装置143は、図2における高周波漏れ電流低減装置43の代わりに用いられるものであり、整流電源装置30を有している。整流電源装置30は、接続線91s、91tからの交流電力を正負2つのレベルの直流電圧に変換して電圧増幅器3へ動作用電力として供給するものである。整流電源装置30は、ダイオード31の陽極側がS相の接続線91sに接続され陰極側は抵抗32を介してコンデンサ34とコンデンサ35との直列回路のコンデンサ34側に接続されている。コンデンサ34とコンデンサ35との直列回路のコンデンサ35側はT相の接続線91tに接続され、コンデンサ34とコンデンサ35との接続点は接地されている。また、コンデンサ34とコンデンサ35との直列回路に並列にツェナーダイオード33が接続され、また直流電圧端子30a、30bに接続されている。
なお、整流電源装置30は、接続線91s、91tから交流電力を受電するが、交流電源40側の接続線91s、91tから受電するのが望ましい。受電点が電流注入回路2よりも交流電源40側であれば、接続線91s、91tに流れるコモンモード電流J1が低減されているため、整流電源装置30を介して電圧増幅器3に流れ込むノイズを低減でき、高周波漏れ電流低減装置143の信頼性が向上する。
さらに、交流電源40側の接続線91s、91t以外の接続線から受電することもでき、コンバータ41の出力側の接続線41Pと接続線41Nとの間にコンデンサ34、35と同様のコンデンサを複数個接続して、もしくは抵抗とツェナーダイオードの直列回路を接続して直流の電源を得るようにしても良い。
図7、図8は、実施の形態3を示すものであり、図7は高周波漏れ電流低減装置の構成を示す構成図、図8は図7の高周波漏れ電流低減装置の接続例を示す接続図である。図7において、高周波漏れ電流低減装置243は、直流側に設置されるので直流が流れる主巻線が2つであり、交流側に設置される図1や図6に示した高周波漏れ電流低減装置43、143とは構成が若干異なるが、同様の機能を有するものである。以下、高周波漏れ電流低減装置243の詳細構成を説明する。図7において、高周波漏れ電流低減装置243は電圧検出部としてのコモンモードトランス201、電流供給部としての電流注入回路202、フィルタ装置206、電圧増幅器203、電源装置230を有する。なお、この実施の形態においては、図1における出力コンデンサ8は省略されている。
交流電源40からの交流電力は、接続線91r、91s、91tによりコンバータ41に入力される。コンバータ41は、三相交流を可変電圧の直流に変換し、直流電力が直流母線である接続線41P、41Nによりインバータ42に入力される。インバータ42は、直流を可変電圧可変周波数の三相交流に変換し、インバータ42の出力は、交流出力線である接続線92r、92s、92tにより三相モータ46に供給される。
なお、図8においては、図2における接地線100Nを図示していないが、それぞれの機器は接地されているものとする。
電流注入回路202として、コモンモード電圧印加用のコンデンサ221、222と接地抵抗器224とを接続して構成している。具体的には、コンデンサ221、222は、一方の端子が直流の接続線41P、41Nにそれぞれ接続され、他方の各端子が、接続点202Nにて共通に接続され、接続点202Nが接地抵抗器224を介して接地されている。電圧増幅器203は、直流電圧端子203a、203b及び半導体素子としての電圧増幅用のFET203dを有するオペアンプにて構成され、直流電圧端子203a、203bを介して後述の電源装置230から動作用電力の供給を受ける。
また、電源装置230の接続される接続線41P、41N間の電圧変動が電圧増幅器203を通じインバータ42側へ影響することを防ぐために、接続線41Pとツェナーダイオード233との間にリアクトルや抵抗などを設け、フィルタを形成してもよい。
さらに、電流注入回路202よりもインバータ42側の接続線41P、41Nから受電することもできる。
図9は、実施の形態4を示すものであり、高周波漏れ電流低減装置43aの接続例を示す接続図である。
高周波漏れ電流低減装置43aは、交流電源40から負荷としての三相モータ46に電力供給するシステムにおいて、第1の電気装置としてのインバータ42と第2の電気装置として三相モータ46との間に、インバータ42と三相モータ46との接続線92r、92s、92tを介して挿入され、インバータ42から接続線92r、92s、92tに流れる高周波漏れ電流であるコモンモード電流を低減する。この高周波漏れ電流低減装置43aは、仕様は若干異なるが上記実施の形態1で示した図1の高周波漏れ電流低減装置43と同様の機能を有するものである。
なお、図9においては、図2における接地線100Nを図示していないが、それぞれの機器は接地されているものとする。
この場合も、電圧増幅器3の動作用の直流の電源は、上記実施の形態2と同様にして接続線91r、91s、91tから受電して得ることができる。
上記各実施の形態では、フィルタ装置は、少なくとも1つのフィルタ回路を備えて、周波数別のゲインと位相を調整するものとして説明したが、この実施の形態では、具体的なフィルタ装置と電圧増幅器との構成を示す。
図10は、実施の形態5による高周波漏れ電流低減装置の構成を示す構成図である。図10において、漏れ電流低減装置としての高周波漏れ電流低減装置43bは、電圧検出部としてのコモンモードトランス1、電流供給部としての電流注入回路2、フィルタ装置を構成するフィルタ回路6a、6b、電圧増幅器を構成する電圧増幅回路33a、33b、および電圧増幅回路33a、33bの出力側に設けられた出力フィルタであるコンデンサ8aおよびリアクトル9を有する。
各フィルタ回路6a、6bでは、上記周波数帯のゲインを下げて、ノイズを増幅することなく低減したい周波数帯のノイズのみを低減する。この実施の形態では、フィルタ回路6aは、共振周波数以上の高い周波数帯のゲインを確保し、フィルタ回路6bは、共振周波数以下の低い周波数帯のゲインを確保する。
また、コモンモード電圧V1は、フィルタ回路6bにも入力され、フィルタ回路6bにおいて、低周波数帯の周波数別にゲインと位相が調整された電圧V4が出力される。これを電圧増幅回路33bでゲイン(G2)倍に増幅して電圧V5を出力する。この出力電圧V5がリアクトル9を通過することにより高周波成分が除去され低周波成分が中性点2Nに印加される。
電流注入回路2のコンデンサ21、22、23の両端電圧が変化することにより、高周波漏れ電流であるコモンモード電流J1と同位相の電流J3が電圧増幅回路の出力としてコンバータ41へ供給される。
なお、以上説明したことは、フィルタ回路6a、6bおよび電圧増幅回路33a、33bにより、コモンモードトランス1のインダクタンスが周波数別に調整されたゲイン倍され、そのインダクタンスがコモンモードトランス1と電流注入回路2との間に発生したことと等価になる。
またこのとき、各電圧増幅回路33a、33bでは、コモンモード電流J1が0に近づくように、内部の半導体スイッチング素子を開閉制御することにより各出力電圧V3、V5を制御する。
そして、電圧増幅回路33a、33bから出力される電圧V3、V5の位相がコモンモード電圧V1に対して反転する位相反転周波数を一致させないことにより、電圧増幅回路33aでは増幅できない周波数のノイズは電圧増幅回路33bで増幅、逆に電圧増幅回路33bでは増幅できない周波数のノイズは電圧増幅回路33aで増幅することにより広い周波数帯でノイズ低減効果を得ることができる。
図11は、実施の形態6である高周波漏れ電流低減装置の構成を示す構成図である。図11において、漏れ電流低減装置としての高周波漏れ電流低減装置143bは、図10における高周波漏れ電流低減装置43bの代わりに用いられるものであり、上記実施の形態2と同様の整流電源装置30を有している。なお、その他の部分は上記実施の形態5と同様である。
整流電源装置30は、接続線91s、91tからの交流電力を正負2つのレベルの直流電圧に変換して各電圧増幅回路33a、33bへ動作用電力として供給するものである。整流電源装置30は、ダイオード31の陽極側がS相の接続線91sに接続され陰極側は抵抗32を介してコンデンサ34とコンデンサ35との直列回路のコンデンサ34側に接続されている。コンデンサ34とコンデンサ35との直列回路のコンデンサ35側はT相の接続線91tに接続され、コンデンサ34とコンデンサ35との接続点は接地されている。また、コンデンサ34とコンデンサ35との直列回路に並列にツェナーダイオード33が接続され、また直流電圧端子4、5に接続されている。
上記実施の形態5では、具体的なフィルタ装置と電圧増幅器との構成を示したが、この実施の形態では、さらに別の具体的なフィルタ装置と電圧増幅器との構成を示す。
図12は、実施の形態7による高周波漏れ電流低減装置の構成を示す構成図である。図12において、漏れ電流低減装置としての高周波漏れ電流低減装置43cは、電圧検出部としてのコモンモードトランス1、電流供給部としての電流注入回路2、フィルタ装置を構成する2つの第1のフィルタ回路6aa、6ab、および第2のフィルタ回路6ba、電圧増幅器を構成する2つの第1の電圧増幅回路33aa、33ab、および2つの第2の電圧増幅回路33ba、33bbを備える。また、第1の電圧増幅回路33aa、33abの出力側に設けられた出力フィルタであるコンデンサ8aa、8ab、および第2の電圧増幅回路33ba、33bbの出力側に設けられた出力フィルタであるリアクトル9a、9bを有する。
また、2つの第2の電圧増幅回路33ba、33bbは、上記位相反転周波数より低い周波数f2のうち、例えば規格で定められた所定の周波数Fより低い周波数f3の低周波数帯のノイズ低減をするために接続している。そのため、各第2の電圧増幅回路33ba、33bbの入力及び出力に接続されているフィルタである第2のフィルタ回路6ba、リアクトル9a、9bは、低周波数帯の周波数f3の信号及び電力を通過する特性のものである。
第1のフィルタ回路6aa、6abは、所定の周波数F以上の高い周波数を通過させる。一方の第1のフィルタ回路6aaでは、位相反転周波数より高い周波数f1の信号及び電力を通過し、他方の第1のフィルタ回路6abでは、位相反転周波数より低い周波数f2の信号及び電力を通過する。この場合、第1のフィルタ回路6abでは、周波数Fより低い周波数成分も併せて通過させる。
そして、第1のフィルタ回路6aaは電圧V2aを出力し、これを第1の電圧増幅回路33aaでゲイン(G1)倍に増幅して電圧V3aを出力する。この出力電圧V3aがコンデンサ8aaを通過することにより直流成分が除去され高周波成分が中性点2Nに印加される。また、第1のフィルタ回路6abは電圧V2bを出力し、これを第1の電圧増幅回路33abでゲイン(G2)倍に増幅して電圧V3bを出力する。この出力電圧V3bがコンデンサ8abを通過することにより直流成分が除去され高周波成分が中性点2Nに印加される。
電流注入回路2のコンデンサ21、22、23の両端電圧が変化することにより、高周波漏れ電流であるコモンモード電流J1と同位相の電流J3が、系統の接続線91r、91s、91tからコンバータ41へ供給される。
また、低い周波数領域では、複数の第2の電圧増幅回路33ba、33bbを並列に接続することで、大きなノイズ電流にも対応することができる。
この際、並列に接続された第2の電圧増幅回路33ba、33bbの入力信号が同じであっても、出力側にリアクトル9a、9bを設けるのが望ましい。具体的には第2の電圧増幅回路33ba、33bb間の短絡、及び他の周波数を出力している第1の電圧増幅回路33aa、33abへの悪影響を軽減することができる。上記悪影響がない場合は、2つの第2の電圧増幅回路33ba、33bbの出力を1つのリアクトルに接続し、電流注入回路2に接続しても良い。
Claims (19)
- 第1の電気装置と第2の電気装置との間に、上記第1、第2の電気装置間の複数の接続線を介して挿入され、上記第1の電気装置から上記接続線に流れる漏れ電流を低減する漏れ電流低減装置であって、
上記第1の電気装置から上記接続線に流れる漏れ電流を検出電圧として検出する電圧検出部と、
上記検出電圧が入力されるフィルタ装置と、
上記フィルタ装置の出力を増幅して出力電圧として出力する電圧増幅器と、
上記第1、第2の電気装置間で上記電圧検出部よりも上記第2の電気装置側に設けられ、上記漏れ電流とほぼ同位相の電流を上記接続線に供給する電流供給部とを備え、
上記電流供給部は、一方の端子が上記接続線に接続され他方の端子が共通接続点において共通に接続される複数の注入用コンデンサを有し、上記共通接続点に上記出力電圧を印加することにより上記注入用コンデンサから上記漏れ電流とほぼ同位相の電流を上記接続線に供給する漏れ電流低減装置。 - 上記電圧検出部は、主巻線と漏れ電流検出用の巻線とを有し、上記主巻線が上記接続線と直列に接続され、上記漏れ電流検出用の巻線により上記漏れ電流を上記検出電圧として検出する請求項1に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記電流供給部は、上記注入用コンデンサの上記共通接続点がインピーダンス装置を介して接地される請求項1に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記漏れ電流が0に近づくように上記電圧増幅器により上記出力電圧が制御される請求項1に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記電圧増幅器を駆動する電源は、上記接続線からの受電により生成され、該接続線上の受電点は、上記電流供給部よりも上記第1の電気装置側である請求項4に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記フィルタ装置は、上記検出電圧の周波数別の振幅と位相を調整する請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記フィルタ装置は、通過周波数範囲が調整可能である1つのフィルタ回路、またはそれぞれの通過周波数範囲が調整可能である複数のフィルタ回路が並列、直列、もしくは直並列多段に接続された請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記フィルタ装置は、上記検出電圧の周波数成分のうち、上記電圧増幅器が出力する電流の位相が上記漏れ電流に対して位相が反転する周波数成分の通過を制限するように設定された請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記フィルタ装置は、その定数が調整可能であって、該定数を調整することにより上記位相反転周波数を調整しうる請求項8に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記フィルタ装置は、入力される検出電圧に対し、それぞれ異なる周波数成分の通過を制限する複数のフィルタ回路を有し、
上記電圧増幅器は、上記各フィルタ回路の出力をそれぞれ入力して増幅する複数の電圧増幅回路と、該各電圧増幅回路の互いの干渉を低減する出力フィルタとを有し、
上記電流供給部は、上記出力フィルタを介した上記各電圧増幅回路の出力電圧を上記共通接続点に印加する請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。 - 上記出力フィルタは、該出力フィルタに接続される上記電圧増幅回路入力側の上記フィルタ回路の通過周波数帯域のみ通過するよう設定される請求項10に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記フィルタ装置は、上記複数のフィルタ回路として2つのフィルタ回路を有し、上記各電圧増幅回路の上記出力電圧の位相が上記検出電圧に対して反転する周波数を境に、一方の上記フィルタ回路は上記周波数より高い高周波数成分のみ通過させ、他方の上記フィルタ回路は上記周波数より低い低周波数成分のみ通過させるように、上記各フィルタ回路の定数が調整される請求項10に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記電流供給部は、上記注入用コンデンサの容量を調整することにより、上記出力電圧の位相が上記検出電圧の位相に対して反転する位相反転周波数を調整可能とした請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記第1及び第2の電気装置の一方はパルス幅変調方式のインバータであり、
上記フィルタ装置は、上記検出電圧の周波数成分のうちの上記インバータのキャリアの周波数以下の周波数成分の通過を制限する請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。 - 上記第1の電気装置は交流電源であり、上記第2の電気装置は上記交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータである請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記第1の電気装置は交流電力を直流電力に変換するコンバータであり、上記第2の電気装置は上記コンバータからの上記直流電力を交流電力に変換するインバータである請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記第1の電気装置は直流電力を交流電力に変換するインバータであり、上記第2の電気装置は上記インバータにより駆動される負荷である請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記電圧増幅器は、増幅素子を有し、上記増幅素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
- 上記コンバータまたは上記インバータは、半導体スイッチング素子を有して出力制御され、上記半導体スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成される請求項14ないし請求項17のいずれか1項に記載の漏れ電流低減装置。
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