JP2009148078A - ノイズフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】モータからの漏れ電流を抑えるとともに、ノーマルモードとコモンモードとの両方のＥＭＩノイズが電源に伝導するのを抑えること。
【解決手段】電力変換装置の出力側の電源ライン各相に接続される３つのコンデンサと、３つのコンデンサに入力側の３本の巻線がそれぞれ直列接続され出力側を３本まとめて中性点を形成する三相リアクトルと、電力変換装置の入力側の交流電源ラインに中性点を形成する第１相間コンデンサと、第１相間コンデンサから平滑コンデンサに至る経路の任意の位置に直列に挿入された第１コモンモードチョークコイルと、第１コモンモードチョークコイルから平滑コンデンサに至る経路に接続された第２相間コンデンサとを備え、三相リアクトルに形成した中性点と第１相間コンデンサの中性点とを接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置で発生されるＥＭＩノイズを抑制する漏れ電流低減型のノイズフィルタに関する。

インバータなど素子の高速なスイッチングを伴う電力変換装置からはＥＭＩノイズが発生する。このＥＭＩノイズは、例えば電源を共通とする他の機器に伝導して誤動作を起こすなど悪影響を及ぼす可能性がある。このため、ＥＭＩノイズには規制が設けられており、電力変換装置が発生するＥＭＩノイズは、この規制値を満たす必要がある。これを実現するため、従来はノイズフィルタによる対策を行ってきた。

図６は最もシンプルで一般的なノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図である。図６では、電力変換装置１９は、コンバータ２０、平滑コンデンサ２１及びインバータ２２で構成され、電源２４からの電力を電力変換器１９で変換してモータ４を駆動する場合を示している。ノイズフィルタ２３は電力変換装置１９の入力側に設けられ、コモンモードチョークコイルＬｃと、相関コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａと、相関コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａを３相まとめて接地する接地コンデンサＣｙとから構成されている。

電力変換装置１９のコンバータ２０やインバータ２２の素子のスイッチングにより発生する高周波のコモンモード電流は、電力ラインを伝ってモータ４に達し、モータ４の巻線との間に存在する浮遊容量などを通してアースへと流れる。ノイズフィルタ２３がない場合、このコモンモード電流はアースから電源２４を回って電力変換装置１９へと戻ってくる。この電源２４に流れるコモンモード電流が結果としてコモンモードのＥＭＩノイズとして観測される。

これに対して、コモンモードチョークコイルＬｃ、相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａ、接地コンデンサＣｙとで構成するノイズフィルタ２３を電源２４と電力変換装置１９との間に取り付けた場合には、コモンモードチョークコイルＬｃは電源ラインを流れる高周波成分であるコモンモード電流に対して大きなインピーダンスを示し、逆に相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａと接地コンデンサＣｙとから成る回路のインピーダンスは低くなる。その結果、モータ４からアースに流れたコモンモード電流はインピーダンスの低い接地コンデンサＣｙ及び相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａを通ってインバータ装置へと戻り、電源２４でのＥＭＩノイズは低減する。

また、相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａは電力変換装置１９から発生するもうひとつのノイズ成分となる高周波のノーマルモード電流に対してバイパス回路として作用する。その結果、電源２４でのノーマルモードのＥＭＩノイズも減少する。なお、この構成のノイズフィルタ２３ではモータ４の浮遊容量を通ってアースに流れる漏れ電流を抑えることはできない。

一方、モータ４からの漏れ電流を抑えるものとして、図７に示すように電力変換装置１９の出力側にコモンモードチョークコイルＬｃを接続し、このコモンモードチョークコイルＬｃとモータ４との間に、スター結線の３相リアクトルＬとコンデンサＣ１とを接続し、コモンモード電流に対して低インピーダンスとなる回路を構成して、その中性点をコンバータ２０の出力の電源ラインに接続した相間コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂの中性点に接続したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、図８に示すように、電力変換装置１９の出力側にコモンモードチョークコイルＬｃを接続し、このコモンモードチョークコイルＬｃとモータ４との間に、コンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃや抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、をスター結線し、コモンモード電流に対して低インピーダンスとなる回路を構成して、その中性点をコンバータ２０の出力の電源ラインにスター接続した相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａの中性点に接続したものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１、２のものでは、コモンモードチョークコイルＬｃが電力変換装置１９からのコモンモード電流の発生を抑えるとともに、コモンモードチョークコイルＬｃを通過したコモンモード電流も低インピーダンスの回路を通って電力変換装置１９に戻るため、モータ４の浮遊容量を介して外に漏れ出す電流は大きく低減される。
特許第３５９６６９４号公報 特許第３４６６１１８号公報

しかし、特許文献１のものでは、モータ４からアースに流れる漏れ電流の低減には有効であるが、電力変換装置１９から発生して線間を伝って電源２４に流れるノーマルモードノイズを低減する効果はなく、ＥＭＩノイズの規制を満たすことができない。また、電力変換装置１９の出力側に接続されているコモンモードチョークコイルＬｃには素子のスイッチングにより多くの高周波成分が含まれる電流が流れるために、表皮効果の影響を受けて電線の銅損が大きくなるという問題も生じる。

また、特許文献２のものでは、特許文献１に比べると電力変換装置１９と電源２４との間の相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａがノーマルモードノイズの低減に幾分寄与するが、これだけでは十分なＥＭＩノイズの低減効果を得ることはできない。さらに、コモンモードチョークコイルＬｃとモータ４との間に接続してスター結線で中性点を形成する回路に抵抗が含まれるため、回路の損失が大きくなり実用的ではない。

一方、図６に示したコモンモードチョークコイルＬｃと相間コンデンサＣｘａ、Ｃｙａ、Ｃｚａと接地コンデンサＣｙとで構成する一般的なノイズフィルタ２３では、電源２４に伝導するノイズは低減するものの電力変換装置１９からモータ４の浮遊容量を通してアースに流れる漏れ電流自体は減ることはなく、この漏れ電流がアースを共通とする他の機器に流れて誤動作などの悪影響を及ぼしたり、あるいはモータ４のベアリングに流れて電食を発生させるなどの問題がある。

本発明の目的は、モータからの漏れ電流を抑えるとともに、ノーマルモードとコモンモードとの両方のＥＭＩノイズが電源に伝導するのを抑えることができるノイズフィルタを提供することである。

本発明ノイズフィルタは、入力側の電源ラインからの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータからの電流を平滑する平滑コンデンサと、直流電力を交流電力に変換して出力側の電源ラインに出力するインバータとを備えた電力変換装置で発生されるＥＭＩノイズを抑制するノイズフィルタにおいて、前記電力変換装置の出力側の電源ライン各相に接続される３つのコンデンサと、前記３つのコンデンサに入力側の３本の巻線がそれぞれ直列接続され出力側を３本まとめて中性点を形成する三相リアクトルと、前記電力変換装置の入力側の交流電源ラインまたは前記コンバータと前記平滑コンデンサとの間の直流電源ラインに中性点を形成する第１相間コンデンサと、前記第１相間コンデンサから前記平滑コンデンサに至る経路の任意の位置に直列に挿入された第１コモンモードチョークコイルと、前記第１コモンモードチョークコイルから前記平滑コンデンサに至る経路に接続された第２相間コンデンサとを備え、前記三相リアクトルに形成した中性点と前記第１相間コンデンサの中性点とを接続したことを特徴とする。

本発明によれば、モータからの漏れ電流を抑えるとともに、ノーマルモードとコモンモードとの両方のＥＭＩノイズが電源に伝導するのを抑えることができるノイズフィルタを提供できる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図である。電力変換装置１９は、電源２４からの交流を直流に変換するコンバータ２０と、電流を平滑する平滑コンデンサ２１と、直流を交流に変換するインバータ２２とから構成される。

そして、ノイズフィルタ２３は以下のように構成する。電力変換装置１９の出力側の電源ラインに、三相リアクトル１０の各相にコンデンサ１１ａ、１１ｂ、１１ｃを直列接続した三相分の回路を接続し、もう一方で三相まとめて中性点を形成してコモンモード抽出回路１２を構成する。この中性点は、電力変換装置１９の入力側電源ラインにスター接続する第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの中性点と接続する。第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃと電力変換装置１９との間の電源ラインには第１コモンモードチョークコイル１４を接続し、その出力側電源ラインにもう一組の第２相間コンデンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを接続する。なお、図１では第２相間コンデンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃはスター接続となっているが、デルタ接続でも構わない。

コモンモード電流抽出回路１２は電力ラインの相間をつなぐ回路となっているが、相間を流れる低周波のノーマルモード電流はコンデンサ１１ａ、１１ｂ、１１ｃでカットされるためにコモンモード電流抽出回路１２にはほとんど流れず、負荷に供給されるべき電流に影響を与えることはない。一方、キャリア周波数あるいはそれ以上の高い周波数のノーマルモード電流に対しては、三相リアクトル１０が高いインダクタンスとして作用するため、やはりコモンモード電流抽出回路１２に流れ込むことはない。

これに対して、電力ラインの各相から中性点へと流れる高周波のコモンモード電流に対しては、コンデンサ１１ａ、１１ｂ、１１ｃが低インピーダンスとなるとともに、三相リアクトル１０もコア内の磁束が強められないためにインダクタンスを示さず、回路全体として低インピーダンスの特性を持つ。このため、コモンモード電流抽出回路１２と第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃとで構成される回路は、アースを介してモータと電源との間に形成されていた漏れ電流の経路に対して低いインピーダンスのバイパス回路を形成することとなる。

このバイパス回路に挟まれる電源ライン上に、インピーダンスの高いコモンモードチョークコイル１４が存在することから、電力変換装置１９から発生したコモンモード電流、すなわち漏れ電流は、コモンモードチョークコイル１４によって大きく抑えられるとともに、抑え切れないコモンモード電流は低インピーダンスのバイパス回路を流れる。このため、アースへの漏れ電流は大きく低減される。また、コモンモードチョークコイル１４に存在する漏れインダクタンスは、その両端の２組の相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃとともに、電力変換装置１９からのノーマルモード電流に対してＣ−Ｌ−Ｃのフィルタ回路を構成する。このため、高周波のノーマルモードノイズの低減に有効に作用する。

第１の実施の形態によれば、コモンモード電流抽出回路１２は、相間を流れる低周波のノーマルモード電流及び高い周波数のノーマルモード電流をカットするので、負荷に供給されるべき電流に影響を与えることはない。また、電力ラインの各相から中性点へと流れる高周波のコモンモード電流に対してはコモンモードチョークコイル１４で抑制できるので、高周波のノーマルモードノイズを低減できる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の本発明の第２の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、三相リアクトル１０に代えて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの異なる２つの相の相間を流れるノーマルモード電流に対してインダクタンスを示し、コモンモード電流に対してインダクタンスを示さない向きに巻いた３つのリアクトル１６ａ、１６ｂ、１６ｃを用いて、各リアクトル１６ａ、１６ｂ、１６ｃの同じ相の巻線を直列に接続して構成したものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

コモンモード電流抽出回路１２を構成する３つのリアクトル１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれＵ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相を巻線に持つ。各リアクトル１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、相間を流れるノーマルモード電流に対しては磁性体コア内に発生する磁束が強め合って高いインダクタンスを示し、逆にコモンモード電流に対しては磁束が打ち消しあってインダクタンスを示さないように巻線される。そして同じ相の巻線が直列になるように３つのリアクトルを接続して三相分のリアクトルを構成し、その一方をコンデンサ１１ａ、１１ｂ、１１ｃに接続してもう一方には中性点を形成する。

このような構成においては、例えば、ＥＥコアやＰＱコアなどを用いて一つの磁脚に二つの相を巻線して各リアクトルを構成するなど、巻線の磁気結合が三相リアクトルに比べて高いリアクトルを実現することが可能となり、各巻線の漏れインダクタンスを低減できる。漏れインダクタンスは特に高い周波数においてコモンモード電流抽出回路１２のバイパス回路としての性能低下を招くことから、漏れインダクタンスを極力抑えることができるので、より高い周波数の漏れ電流まで低減できることになる。

第２の実施の形態によれば、巻線の磁気結合が三相リアクトルに比べて高いリアクトルを実現できるので、各巻線の漏れインダクタンスを低減でき、より高い周波数の漏れ電流まで低減できる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の本発明の第３の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図である。この第３の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの入力側に第２コモンモードチョークコイル１７を追加して接続したものである。図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

第２コモンモードチョークコイル１７は、モータ４の浮遊容量・アース・電源２４を回る漏れ電流を抑制するものであり、これにより漏れ電流を一層低減する。また、第２コモンモードチョークコイル１７の漏れインダクタンスがノーマルモードノイズの一層の低減に寄与する。

以上の説明では、図２に示した第２の実施の形態に対し、第２コモンモードチョークコイル１７を設けた場合を示したが、第１の実施の形態に対して、第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの入力側に第２コモンモードチョークコイル１７を設けるようにしてもよい。

（第４の実施の形態）
図４は本発明の本発明の第４の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図である。この第４の実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態に対し、第２相間コンデンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを第２コモンモードチョークコイル１７の入力側に接続したものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

この場合も、モータ４の浮遊容量・アース・電源２４を回る漏れ電流は、第２コモンモードチョークコイル１７で抑制され、第３の実施の形態と同等の作用効果が得られる。

（第５の実施の形態）
図５は本発明の本発明の第５の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図である。この第５の実施の形態は、図３に示した第３の実施の形態に対し、第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの中性点とアースとの間に接地コンデンサ１８を接続したものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５に示すように、第１相間コンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの中性点に接地コンデンサ１８が接続されている。電力変換装置１９から発生するコモンモード電流に対して第１コモンモードチョークコイル１４は高いインピーダンスを示してこれを抑える働きをする。理想的には周波数が高くなるほどインピーダンスも高くなるため、漏れ電流の抑制効果は一層高まるはずであるが、実際には巻線間に浮遊容量が存在するために高周波帯域ではインピーダンスが低下する。さらにコモンモード電流抽出回路１２を構成するリアクトル１６ａ、１６ｂ、１６ｃの漏れインダクタンスの影響が高周波数帯域ではより顕著に現れてコモンモード電流のバイパス回路としての働きを阻害する。このため、低周波に比べると高周波の漏れ電流はモータ４の浮遊容量を通ってアースに流れ出しやすくなる。

接地コンデンサ１８はこの高周波の漏れ電流が電力変換装置１９へと戻る低インピーダンスの経路を形成して、電源２４に漏れ電流が回るのを防ぐ役割を果たす。このため、１５０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの高い周波数帯域で規定されている電源２４への伝導ノイズを十分抑制することが可能となる。

さらに、接地コンデンサ１８がない状態ではアースを介してモータ４の浮遊容量と電源のインダクタンス、あるいはコモンモードチョークコイル１７を結ぶ回路で共振が発生して十分な漏れ電流低減効果が得られない場合がある。接地コンデンサ１８を付けることで電源側に流れていた漏れ電流はこの接地コンデンサ１８を迂回するようになり、回路上のインダクタンス成分が排除される。この結果、共振による漏れ電流の増幅が抑えられ、漏れ電流低減効果が十分に発揮されることとなり、接地コンデンサ１８は単なる電源への伝導ノイズの抑制ということ以上の重要な役割を担うこととなる。

本発明の第１の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図。 本発明の第２の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図。 本発明の第３の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図。 本発明の第４の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図。 本発明の第５の実施の形態に係わるノイズフィルタを電力変換装置に適用した回路図。 従来のノイズフィルタを電力変換装置に適用した一例の回路図。 従来のノイズフィルタを電力変換装置に適用した他の一例の回路図。 従来のノイズフィルタを電力変換装置に適用した別の一例の回路図。

符号の説明

１０…三相リアクトル、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…コンデンサ、１２…コモンモード電流抽出回路、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…相間コンデンサ、１４…コモンモードチョークコイル、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…相間コンデンサ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…リアクトル、１７…コモンモードチョークコイル、１８…接地コンデンサ、１９…電力変換装置、２０…コンバータ、２１…平滑コンデンサ、２２…インバータ、２３…ノイズフィルタ、２４…電源

Claims (5)

1. 入力側の電源ラインからの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータからの電流を平滑する平滑コンデンサと、直流電力を交流電力に変換して出力側の電源ラインに出力するインバータとを備えた電力変換装置で発生されるＥＭＩノイズを抑制するノイズフィルタにおいて、前記電力変換装置の出力側の電源ライン各相に接続される３つのコンデンサと、前記３つのコンデンサに入力側の３本の巻線がそれぞれ直列接続され出力側を３本まとめて中性点を形成する三相リアクトルと、前記電力変換装置の入力側の交流電源ラインまたは前記コンバータと前記平滑コンデンサとの間の直流電源ラインに中性点を形成する第１相間コンデンサと、前記第１相間コンデンサから前記平滑コンデンサに至る経路の任意の位置に直列に挿入された第１コモンモードチョークコイルと、前記第１コモンモードチョークコイルから前記平滑コンデンサに至る経路に接続された第２相間コンデンサとを備え、前記三相リアクトルに形成した中性点と前記第１相間コンデンサの中性点とを接続したことを特徴とするノイズフィルタ。
2. 前記三相リアクトルに代えて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの異なる２つの相の相間を流れるノーマルモード電流に対してインダクタンスを示し、コモンモード電流に対してインダクタンスを示さない向きに巻いた３つのリアクトルを用いて、各リアクトルの同じ相の巻線を直列に接続して構成したことを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルタ。
3. 前記第１相間コンデンサの入力側に第２コモンモードチョークコイルを接続したことを特徴とする請求項１または２に記載のノイズフィルタ。
4. 前記第２相間コンデンサを前記第２コモンモードチョークコイルの入力側に接続したことを特徴とする請求項３に記載のノイズフィルタ。
5. 前記第１相間コンデンサの中性点とアースとの間に接地コンデンサを接続したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のノイズフィルタ。

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