JPWO2013111360A1 - 高周波電流低減装置 - Google Patents

Abstract

交流電源（４０）からコンバータ（４１）およびインバータ（４２）を介して負荷に電力供給する系統において、交流電源（４０）とコンバータ（４１）との間の単線の接続線（１０ｓ）にノイズ低減部（１００ｓ）が接続される。ノイズ低減部（１００ｓ）では、カレントトランス（１）が接続線（１０ｓ）に流れるノイズ電流を電圧変換して検出し、検出電圧Ｖ１はフィルタ装置（６）を介して電圧増幅器（３）に供給され、電圧増幅されてコンデンサ（２１）に印加される。コンデンサ（２１）は、接続線（１０ｓ）上の注入点（２０）に接続され、ノイズ電流と同方向の高周波電流が、接続線（１０ｓ）からコンバータ（４１）へ供給されることにより、交流電源（４０）側の高周波のノイズ電流が低減される。

Description

この発明は、例えば交流電源に接続され任意の交流電圧を出力する電力変換装置等で発生する高周波電流を低減する高周波電流低減装置に関する。

従来の高周波電流低減装置としての伝導性ノイズフィルタは、例えば交流電源の出力を直流電圧に変換する整流器と、電力用半導体素子のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器とを有する系に適用されるものである。そして、電力用半導体素子のスイッチング動作時に発生するコモンモード電圧を、交流電源と整流器間の路線に接続された接地コンデンサを介して検出するコモンモード電圧検出手段と、検出したコモンモード電圧に基づいて、コモンモード電圧と同じ大きさの逆極性の相殺用電圧を発生し、この相殺用電圧を路線における交流電源と接地コンデンサの接続点との間に重畳させてコモンモード電圧を相殺する相殺用電圧源とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０５７２６８号公報

従来の高周波電流低減装置は以上のように構成され、高周波のコモンモード電圧を検出してコモンモード電流を低減するように動作するが、ノーマルモードノイズ電流についてはＸコンデンサによる低減以外は考慮されず、十分低減されていないという問題があった。
また、コモンモードの電圧検出手段として接地コンデンサを用いているため、検出回路のインピーダンスが小さく検出値が小さくなる。このため、検出値に基づいて生成される相殺用電圧も小さくなり、コモンモード電流を効果的に低減できないものであった。
さらに、従来の回路方式では、オペアンプの増幅率（以後ゲインと称す）が最大となる周波数と、オペアンプを含む増幅回路の遅れ時間などにより位相が反転してしまう周波数（結果としてノイズを増幅してしまうことになる）とが一致してしまい、ノイズ低減のために増幅回路のゲインを大きくすると安定に動作しないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ノーマルモードノイズ及びコモンモードノイズの双方のノイズ電流を効果的に低減できる高周波電流低減装置を得ることを目的とする。

この発明に係る高周波電流低減装置は、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の電気装置間の単線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高周波のノイズ電流を低減するノイズ低減部を備える。該ノイズ低減部は、上記接続線に流れるノイズ電流を電圧として検出する検出部と、上記検出部の検出電圧から所望の高周波成分を抽出するフィルタ装置と、上記フィルタ装置の出力を増幅する電圧増幅器と、上記第１、第２の電気装置間で上記検出部よりも上記第２の電気装置側の上記接続線上の注入点に一方の端子が接続されたコンデンサを有して、上記接続線に高周波電流を注入する電流注入手段とを備える。そして、上記電流注入手段は、上記コンデンサの他方の端子に上記電圧増幅器からの出力電圧を印加して上記接続線に上記ノイズ電流とほぼ同方向の上記高周波電流を注入するものである。

この発明によると、第１、第２の電気装置間の単線の接続線を介して挿入されるノイズ低減部により、接続線を流れるノイズ電流を検出し、検出値に基づいて高周波電流を生成してノイズ電流を低減する。このため、接続線を流れる線電流に含まれるノーマルモードノイズ及びコモンモードノイズの双方のノイズ電流を低減できる。
また、電流注入手段は、検出部よりも第２の電気装置側でノイズ電流とほぼ同方向の高周波電流を接続線に供給するため、この高周波電流が、接続線から第２の電気装置へ流れるノイズ電流となり、第１の電気装置から接続線を流れるノイズ電流を効果的に低減できる。さらに、電流注入手段はコンデンサを用いて高周波電流を注入するため、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。
また、電圧増幅器の入力側にフィルタ装置を備えるため、ノイズ電流を大きくする要因を調整し、ノイズ除去を図る周波数において電圧増幅器のゲインを増大させることが可能になり、信頼性良く効果的にノイズ電流を低減できる。

この発明の実施の形態１による高周波電流低減装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１による高周波電流低減装置の接続例を示す接続図である。 この発明の実施の形態１によるコンバータの詳細を示す回路図である。 この発明の実施の形態１によるインバータの詳細を示す回路図である。 この発明の実施の形態２による高周波電流低減装置の接続例を示す接続図である。 この発明の実施の形態３による高周波電流低減装置の接続例を示す接続図である。 この発明の実施の形態４による高周波電流低減装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５による高周波電流低減装置の接続例を示す接続図である。 この発明の実施の形態５の別例による高周波電流低減装置の接続例を示す接続図である。

実施の形態１．
図１〜図４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は高周波電流低減装置の構成を示す構成図、図２は高周波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である。
高周波電流低減装置１００は、第１の電気装置としての単相の交流電源４０と第２の電気装置としてのコンバータ４１との間に、交流電源４０とコンバータ４１とを接続する交流出力線である２本の接続線１０ｓ、１０ｒの一方（接続線１０ｓ）を介して挿入されるノイズ低減部１００ｓにて構成される。そして、交流電源４０から接続線１０ｓに流れる線電流の高周波成分であるノイズ電流Ｉ１を低減するものである。

図１に示すように、ノイズ低減部１００ｓは、検出部としてのカレントトランス１、電流注入手段としての注入回路２、電圧増幅器３、フィルタ装置６及び出力フィルタ９を有する。
カレントトランス１は、接続線１０ｓに直列接続される導体線としての主巻線１１と電流検出用の巻線１２（以後、検出巻線１２と称す）を有し、接続線１０ｓに流れる高周波のノイズ電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換して検出する。主巻線１１及び検出巻線１２は図示しない鉄心に所定回数、この実施の形態ではそれぞれ４回、同一の巻方向で巻回されている。

また、注入回路２は、電圧印加用のコンデンサ２１と接地抵抗器２２とを接続して構成される。コンデンサ２１は、一方の端子が、カレントトランス１よりもコンバータ４１側の接続線１０ｓ上の注入点２０に接続され、他方の端子が接地抵抗器２２を介して接地されている。なお、接地抵抗器２２の代わりにコンデンサを設ける構成としても良い。
カレントトランス１の検出巻線１２の出力はフィルタ装置６を介して電圧増幅器３の正側入力端子に供給され、増幅素子としての半導体スイッチング素子にて電圧増幅されて出力フィルタ９を介して、コンデンサ２１と接地抵抗器２２との接続点２３に出力電圧Ｖ６として印加される。なお、検出巻線１２の一方の端子は接地されている。
注入回路２では、接続点２３に電圧が印加されるとコンデンサ２１の両端電圧が変化し、これによりノイズ電流Ｉ１と同方向の高周波電流が、接続線１０ｓからコンバータ４１へ供給される。

フィルタ装置６は、検出巻線１２の出力（電圧Ｖ１）から所望の高周波成分を抽出するもので、１つもしくは複数のフィルタ回路６ａ、６ｂが並列、直列、もしくは直並列多段に接続されて構成される。そして、各フィルタ回路６ａ、６ｂ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、検出される電圧Ｖ１と各フィルタ回路６ａ、６ｂの出力電圧Ｖ２、Ｖ４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（電圧Ｖ１）の振幅及び位相を調整し、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。

この場合、フィルタ装置６は、カレントトランス１で検出された電圧Ｖ１に対し、それぞれ異なる周波数成分の通過を制限する２つのフィルタ回路６ａ、６ｂを並列に備えて構成される。また、電圧増幅器３は、フィルタ回路６ａの出力電圧Ｖ２をゲイン（Ｇ１）倍に増幅し、出力電圧Ｖ３を生成する電圧増幅器３ａと、フィルタ回路６ｂの出力電圧Ｖ４をゲイン（Ｇ２）倍に増幅し、出力電圧Ｖ５を生成する電圧増幅器３ｂとから成る。
さらに、出力フィルタ９は、電圧増幅器３ａの出力フィルタであるコンデンサ７と、電圧増幅器３ｂの出力フィルタであるリアクトル８とを備える。
なお、この場合、２つの電圧増幅器３ａ、３ｂで構成した場合について述べるが、接続する回路のノイズの大きさや対象とする周波数範囲により構成する電圧増幅器３の回路数を１つのみや３並列などと並列回路数を調整しても良い。また、出力フィルタ９についても適宜変更可能である。

各電圧増幅器３ａ、３ｂは、自己の動作用電力の供給を受ける電源端子４、５及びオペアンプを有し、オペアンプは電圧増幅用の半導体スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴを有している。そして、電源端子４、５を介して図示しない外部電源から動作用電力の供給を受ける。
検出巻線１２にて検出された電圧Ｖ１は各フィルタ回路６ａ、６ｂを介して電圧増幅器３ａ、３ｂに入力され、電圧増幅されて交流成分の電圧Ｖ３、Ｖ５として出力フィルタ９（コンデンサ７、リアクトル８）を介して注入回路２の接続点２３に印加される。

各電圧増幅器３ａ、３ｂが接続される回路のインピーダンス、電圧増幅器３ａ、３ｂに内蔵された図示しないオペアンプの遅れ時間などの特性により、ノイズ電流Ｉ１と、電圧増幅器３ａ、３ｂの出力する電流の位相が反転してしまう位相反転周波数や、系統や配線のインピーダンスや接続線に接続されている電気装置のインピーダンスなどによる共振が発生する周波数においては、電圧増幅器３ａ、３ｂがノイズを増幅してしまう現象が発生する。注入回路２のコンデンサ２１の容量やフィルタ回路６ａ、６ｂ、出力フィルタ９（コンデンサ７、リアクトル８）の定数を調整することにより上記周波数及びゲインを調整することができる。例えば、上記周波数をノイズ低減が必要となる規格により定められる周波数から離すなどの調整をすることができる。また、高周波電流低減装置１００の外部に接続線１０ｓ、１０ｒにコンデンサ等を接続し、ノイズを増幅してしまう周波数を対象とする周波数から離れるように調整しても良い。

また、フィルタ回路６ａ、６ｂの構成として直列にコンデンサなどを接続することにより各周波数における検出値の位相を調整することができる。電圧増幅器３ａ、３ｂから出力される高周波電流が、ノイズ電流Ｉ１との位相が一致していると交流電源４０から供給されるノイズ低減効果が大きく現れ、位相が大きく外れるとノイズを増幅してしまう現象が生じる。このため、フィルタ回路６ａ、６ｂ及び出力フィルタ９の定数を調整することにより上記周波数及びゲインを調整し、ノイズ低減が必要な周波数帯のゲインを大きく、その周波数帯の位相差をなくすように調整することで大きなノイズ低減効果を得ることができる。

各フィルタ回路６ａ、６ｂでは、回路定数を調整して、増幅させる周波数が２つの電圧増幅器３ａ、３ｂで一致しないように調整し、また、インバータ４２のキャリアの周波数付近など除去する必要のない低い周波数領域等、低減不要な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。

以上のように構成された高周波電流低減装置１００のノイズ低減部１００ｓは、図２に示すように、交流電源４０から図示しない負荷、例えば三相モータに電力供給するシステムにおいて、交流電源４０とコンバータ４１とを接続する２本の接続線１０ｓ、１０ｒの一方（接続線１０ｓ）を介して挿入される。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交流電源４０からの単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（Ｐ、Ｎ）により、フィルタコンデンサ４４を介してインバータ４２に入力される。

インバータ４２は、図４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ＩＧＢＴ４２ａを三相フルブリッジ接続して構成され、相電圧指令と所定周波数の三角波または鋸波状のキャリアとを大小比較して発生するＰＷＭ信号によりＩＧＢＴ４２ａを開閉制御することにより直流を可変電圧可変周波数の三相交流に変換するパルス幅変調方式で動作する。そしてインバータ４２の出力は、交流出力線により出力フィルタ４５を介して負荷に供給される。
以上の交流電源４０、コンバータ４１、フィルタコンデンサ４４、インバータ４２、出力フィルタ４５および負荷にて系統が構成される。
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、インバータ４２、フィルタコンデンサ４４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において示している。

次に、ノイズ低減部１００ｓの動作について説明する。カレントトランス１は、検出巻線１２により、交流電源４０から接続線１０ｓすなわち主巻線１１に流れる高周波電流（ノイズ電流Ｉ１）により発生する電圧Ｖ１を検出する。ノイズ低減対象となる高周波電流は１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚの帯域のものが一般的であるが、この帯域に限定されず検出することができる。なお、検出電圧Ｖ１はカレントトランス１のインダクタンス、及び周波数に比例して発生する。

カレントトランス１により検出された電圧Ｖ１は、フィルタ回路６ａ、６ｂにそれぞれ入力される。そしてフィルタ回路６ａにおいて、高周波数帯の周波数別にゲインと位相が調整された電圧Ｖ２が出力される。これを電圧増幅器３ａでゲイン（Ｇ１）倍に増幅して電圧Ｖ３を出力する。この出力電圧Ｖ３が、ハイパスフィルタとなるコンデンサ７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注入回路２の接続点２３に印加される。
また、フィルタ回路６ｂでは、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。これを電圧増幅器３ｂ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、ローパスフィルタとなるリアクトル８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注入回路２の接続点２３に印加される。

なお、出力フィルタ９となるコンデンサ７及びリアクトル８が設けられているため、各電圧増幅器３ａ、３ｂの出力を接続点２３に接続しても、各電圧増幅器３ａ、３ｂの出力が低インピーダンスの接続線で結ばれることはなく、互いの干渉を低減することができる。

注入回路２は、コンデンサ７及びリアクトル８を介した各電圧増幅器３ａ、３ｂの出力電圧をコンデンサ２１に印加し、コンデンサ２１の両端電圧が変化することにより、各電圧増幅器３ａ、３ｂからの高周波電流が接続線１０ｓの注入点２０に注入される。これにより、ノイズ電流Ｉ１と同方向の高周波電流が注入回路２から接続線１０ｓに注入されてコンバータ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及び電圧増幅器３ａ、３ｂにより、カレントトランス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カレントトランス１と注入回路２との間に発生したことと等価になる。

またこのとき、各電圧増幅器３ａ、３ｂでは、ノイズ電流Ｉ１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。このため、接続線１０ｓからコンバータ４１へ流れるノイズ電流Ｉ２の大部分が、電圧増幅器３ａ、３ｂから注入回路２を介して高周波電流として供給され、交流電源４０から接続線１０ｓに流れるノイズ電流Ｉ１をほぼ０に低減できる。

以上のように、この実施の形態では、交流電源４０とコンバータ４１との間の単線の接続線１０ｓにノイズ低減部１００ｓを接続し、カレントトランス１によりノイズ電流Ｉ１を検出し、同じ接続線１０ｓ上のカレントトランス１よりコンバータ４１側にノイズ電流Ｉ１と同方向の高周波電流を注入することでノイズ電流Ｉ１を低減する。このため、伝播経路にかかわらずコンバータ４１やインバータ４２が発生する高周波電流が抑制の対象となるため、交流電源４０への高周波電流の伝播を効果的に抑制することができる。
また、接続線１０ｓを流れる線電流内のノイズ電流Ｉ１について、ノーマルモードノイズ、コモンモードノイズの別なく双方とも低減できる。特に、この実施の形態では単相交流を扱っているため、一方の接続線１０ｓに挿入されるノイズ低減部１００ｓで、他方の接続線１０ｒのノーマルモードノイズも低減できる。

また、フィルタ装置６や出力フィルタ９により選別された周波数において、高周波電流が注入回路２のコンデンサ２１を通じ接続線１０ｓに注入されコンバータ４１へ供給されるため、交流電源４０から接続線１０ｓに流れるノイズ電流Ｉ１を抑制することができる。
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。
さらに、ノイズ検出にカレントトランス１を用いることで、交流出力線である接続線１０ｓに対してフィルタ装置６及び電圧増幅器３を絶縁し、低減対象の周波数成分であるノイズのみを、検出して高周波電流として注入することができる。このため、フィルタ装置６及び電圧増幅器３に使用する電子部品は耐圧の大きなものを使用する必要がなく、装置の小型化、低コスト化が実現できる。

なお、ノイズの発生状況に応じてフィルタ回路６ａ及びコンデンサ７は、回路定数を調整し必要な、いずれか一方の部品のみ設けた構成としてもよい。同様に、フィルタ回路６ｂ及びリアクトル８についても、回路定数を調整し必要な、いずれか一方の部品のみ設けた構成としてもよい。

また、カレントトランス１により電圧Ｖ１を検出するが、検出巻線１２の両端電圧を精度良く検出できるように電圧増幅器３の入力インピーダンスは大きい値に設定されている。これは、入力インピーダンスを小さくすると検出電圧Ｖ１の検出精度が低下するためである。
従来例ではノイズ検出にコンデンサを用いているので、高周波数のノイズ電流を検出する際、検出回路のインピーダンスが小さくなり、電圧がほとんど発生しないため、小さなノイズ電流や高周波数帯のノイズ電流の検出が困難であった。一方、この実施の形態ではカレントトランス１により検出電圧Ｖ１が発生する状態で電圧を検出するため、カレントトランス１により発生する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、この実施の形態では、周波数特性が異なる２つのフィルタ回路６ａ、６ｂが接続されているため、広い周波数の範囲でカレントトランス１の出力インピーダンスが小さくなってしまうことがある。この場合カレントトランス１の出力にバッファ回路を設けることにより、カレントトランス１の検出値がフィルタ回路６ａ、６ｂの接続によるインピーダンスの低下影響を受けず高いインピーダンスを維持することができ、広い周波数範囲での高周波電流の検出が可能となる。

また、電圧増幅器３ａ、３ｂの接続される回路のインピーダンス、内蔵する図示しないオペアンプの遅れ時間などの特性により、検出電圧Ｖ１と電圧増幅器３ａ、３ｂの出力電圧Ｖ３、Ｖ５の位相が反転してしまう位相反転周波数や、配線やカレントトランス１などのインピーダンスによる共振周波数、インバータ４２が接続されている場合、インバータ４２のキャリアの周波数付近など除去する必要のない低い周波数領域等、これらの周波数成分のノイズが検出電圧Ｖ１内に混在する。このような周波数帯のゲインをフィルタ回路６ａ、６ｂにより下げることにより、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とができる。

そして、複数の電圧増幅器３ａ、３ｂの増幅する周波数帯を分けることにより、各電圧増幅器３ａ、３ｂの特性の差による問題に関係なく電圧増幅器３ａ、３ｂを複数台並列駆動することができ、大きな高周波電流を供給して、交流電源４０からの供給を低減することができる。複数の電圧増幅器３ａ、３ｂが同じ周波数帯のノイズ電流を低減しても良く、その場合は、出力フィルタ９として抵抗を使用してもかまわない。

また、フィルタ回路６ａ、６ｂにコンデンサを直列に挿入する等の構成により、フィルタ回路６ａ、６ｂの定数を調整することにより、電圧増幅器３ａ、３ｂから出力される電圧Ｖ３、Ｖ５の位相が検出電圧Ｖ１に対して反転して、電圧増幅器３ａ、３ｂから出力される電流の位相が反転してしまう位相反転周波数を調整することができる。これにより、低減対象となる電流の周波数と上記位相反転周波数の間に余裕がとれるため、低減したい周波数帯のノイズに対する電圧増幅器３ａ、３ｂのゲインを大きくとることができ、かつ安定に動作させることができる。

そして、電圧増幅器３ａ、３ｂから出力される電圧Ｖ３、Ｖ５の位相が検出電圧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、電圧増幅器３ａでは増幅できない周波数のノイズは電圧増幅器３ｂで増幅、逆に電圧増幅器３ｂでは増幅できない周波数のノイズは電圧増幅器３ａ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。
さらにまた、注入回路２のコンデンサ２１の容量を調整して、上記位相反転周波数を調整することができる。

低減対象となる周波数帯は、例えばノイズ規格で決められた周波数帯である１５０ｋＨｚ以上の周波数帯域や、系統や母線のノイズを測定した結果を基にノイズ成分の大きかった周波数帯域になるようにフィルタ定数を調整し、これら周波数帯域のノイズ電流を効果的に低減できるように設定する。

また、系統が接地されている場合、交流電源４０からの接続線１０ｓ、１０ｒの内、接地されていない接続線１０ｓにノイズ低減部１００ｓを接続する。この場合、注入回路２のコンデンサ２１と接地抵抗器２２の間には電源電圧が印加される。そこで注入回路２の回路定数を調整し系統側から見たインピーダンスを系統周波数以上のハイパスフィルタとなるように設定することで電圧増幅器３ａ、３ｂの出力に電源電圧が印加されることを防ぐ。このように定数を設定することにより、電源周波数の大きな電圧から電圧増幅器３ａ、３ｂを保護することができる。この保護用ハイパスフィルタは、注入回路２以外の素子でハイパスフィルタを形成してもかまわない。

また、系統に交流電源４０が投入された瞬間、もしくは瞬低や電圧異常により注入回路２の接続点２３の電圧に異常電圧が生じる。この異常電圧から各電圧増幅器３ａ、３ｂを保護するために各電圧増幅器３ａ、３ｂと注入回路２との間の任意の位置とアースとの間にツェナーダイオードや抵抗などからなる保護回路を挿入する。これにより上記状況における異常電圧から電圧増幅器３ａ、３ｂを保護することができる。
さらに、２つの電圧増幅器３ａ、３ｂの出力に接続した出力フィルタ９（コンデンサ７及びリアクトル８）の共振周波数において、２つの電圧増幅器３ａ、３ｂ間のインピーダンスが低くなるが、各電圧増幅器３ａ、３ｂの出力側に抵抗器を接続して保護できる。この場合、上述した異常電圧に対する保護回路の抵抗を兼用しても良い。

なお、上記実施の形態ではノイズ低減部１００ｓは、抵抗やコンデンサ、電圧増幅器などアナログ回路を用いた回路で構成した場合について示したが、この構成要素の一部もしくは全てをディジタル回路に置き換え、ＤＳＰやマイコンを用いて構成しても良い。この場合、高い周波数のゲインを抑えるアナログフィルタを併用しても良い。例えば、フィルタ装置６にディジタル回路を適応した場合、設定した周波数のゲインのみ低くし、その周辺周波数のゲインを確保することができるなどの利点がある。

また、カレントトランス１の主巻線１１と検出巻線１２と巻回方向は逆でも良い。接続線１０ｓを流れるノイズ電流Ｉ１を検出し、電圧増幅器３からノイズ電流Ｉ１と同方向の高周波電流を接続線に供給する構成であればよいので、カレントトランス１の極性を反転させ、かつ電圧増幅器３の出力の極性を反転させても良い。

また、上記実施の形態においては、カレントトランス１は、主巻線１１、検出巻線１２が図示しない鉄心にそれぞれ同数巻回されているものを示した。しかし、巻き回数はこれに限定されるものではなく、検出巻線１２の巻数を主巻線１１の巻数に対してＮ倍とすることもできる。この場合、電圧変換された高周波電流の検出値はＶ１×Ｎとなる。
このように検出巻線１２の巻数を主巻線１１の巻数よりも大きくして、検出電圧を大きくすることにより、電圧増幅器３ａ、３ｂのゲインＧ１、Ｇ２を相対的に小さく設定できる。これにより、電圧増幅器３ａ、３ｂのゲイン誤差やオフセット誤差の発生を抑制でき、電圧増幅器３ａ、３ｂに必要な直流電源の電圧を調整することができる。
さらにまた、カレントトランス１を小型でインダクタンスが小さいものを適用しても、巻数比Ｎを大きく設定すれば、検出電圧の低下を抑制してノイズ電流を検出することができる。

また、カレントトランス１は、主巻線１１、検出巻線１２が鉄心に巻回されているものとしたが、これに限られるものではなく、例えば環状の鉄心に、主巻線１１に代わって接続線１０ｓが貫通し、上記環状の鉄心に検出巻線１２が巻回されたものであっても、同様の効果を奏する。この場合、環状の鉄心に貫通している部分を導体線とし、カレントトランス１は、接続線１０ｓに直列接続される導体線と検出巻線１２とを有するものとなる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、単相の交流電源４０とコンバータ４１との間の２本の接続線１０ｓ、１０ｒの一方のみにノイズ低減部１００ｓを接続したが、この実施の形態２による高周波電流低減装置１００Ａは、双方の接続線１０ｓ、１０ｒにそれぞれノイズ低減部１００ｓ、１００ｒを接続する。
図５に示すように、高周波電流低減装置１００Ａは、単相の交流電源４０とコンバータ４１との間に、交流電源４０とコンバータ４１とを接続する２本の接続線１０ｓ、１０ｒを介して挿入される２つのノイズ低減部１００ｓ、１００ｒにて構成される。ノイズ低減部１００ｓは接続線１０ｓを介し、ノイズ低減部１００ｒは接続線１０ｒを介して、それぞれ個別に挿入される。

ノイズ低減部１００ｓは、上記実施の形態１で示したように、カレントトランス１、注入回路２、電圧増幅器３、フィルタ装置６及び出力フィルタ９を有して、上記実施の形態１で説明したように、交流電源４０から接続線１０ｓに流れる線電流の高周波成分であるノイズ電流Ｉ１を低減するものである。そして、ノイズ低減部１００ｒも、ノイズ低減部１００ｓと同様の構成、即ち、カレントトランス１、注入回路２、電圧増幅器３、フィルタ装置６及び出力フィルタ９を有して、交流電源４０から接続線１０ｒに流れる線電流の高周波成分であるノイズ電流Ｉ１を低減する。

上記実施の形態１では、接続線１０ｒに発生するコモンモードノイズについて低減できないものであったが、この実施の形態では、双方の接続線１０ｓ、１０ｒのノイズ電流Ｉ１について、ノーマルモードノイズ、コモンモードノイズの別なく双方とも低減でき、交流電源４０への全ての高周波電流の伝播を効果的に抑制することができる。
その他の構成、及びそれによる効果は、上記実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、第１の電気装置として単相の交流電源４０を用いたが、この実施の形態２では、三相の交流電源４０Ａを用いる。
この場合、図６に示すように、第２の電気装置としてのコンバータ４１Ａは、三相の交流電力を直流電力に変換する構成であり、交流電源４０Ａ、コンバータ４１Ａ、フィルタコンデンサ４４、インバータ４２、出力フィルタ４５および図示しない負荷にて系統が構成される。
そして、高周波電流低減装置１００Ｂは、三相の交流電源４０Ａとコンバータ４１Ａとの間に、交流電源４０Ａとコンバータ４１Ａとを接続する各相の交流出力線である３本の接続線１０ｒ、１０ｓ、１０ｔを介して挿入される３つのノイズ低減部１００ｒ、１００ｓ、１００ｔにて構成される。ノイズ低減部１００ｒは接続線１０ｒを介し、ノイズ低減部１００ｓは接続線１０ｓを介し、ノイズ低減部１００ｔは接続線１０ｔを介して、それぞれ個別に挿入される。

各ノイズ低減部１００ｒ〜１００ｔは、上記実施の形態１で示したように、カレントトランス１、注入回路２、電圧増幅器３、フィルタ装置６及び出力フィルタ９をそれぞれ有して、上記実施の形態１と同様の動作することにより、交流電源４０Ａから各接続線１０ｒ〜１０ｔに流れる線電流のノーマルモードノイズ、コモンモードノイズの双方のノイズ電流を低減できる。このため、三相の交流電源４０Ａへの全ての高周波電流の伝播を効果的に抑制することができる。

なお、三相の交流電源４０Ａを用いた場合でも、３本の接続線１０ｒ、１０ｓ、１０ｔの内、一部の接続線１０ｓについてのみノイズ低減部１００ｓを備えても良く、その接続線１０ｓのノイズ電流を低減する効果が得られる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４による高周波電流低減装置１００Ｃの構成を示す構成図である。図７において、高周波電流低減装置１００Ｃは、図１におけるノイズ低減部１００ｓに整流電源装置３５を備えて構成される。整流電源装置３５は、接続線１０ｓ、１０ｒ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３５は、ダイオード３０の陽極側が接続線１０ｒに接続され陰極側は抵抗３１を介してコンデンサ３３とコンデンサ３４との直列回路のコンデンサ３３側に接続されている。コンデンサ３３とコンデンサ３４との直列回路のコンデンサ３４側は接続線１０ｓに接続され、コンデンサ３３とコンデンサ３４との接続点は接地されている。また、コンデンサ３３とコンデンサ３４との直列回路に並列にツェナーダイオード３２が接続されている。

２本の接続線１０ｓ、１０ｒ間に発生する交流電圧は、ダイオード３０により半波整流され、抵抗３１とツェナーダイオード３２により分圧されて、コンデンサ３３、３４の直列回路の両端において、電圧増幅器３を駆動するための電圧レベルの異なる２つの直流電圧が得られる。コンデンサ３３、３４の直列回路の両端の電圧端子は電圧増幅器３の電源端子４、５に接続され、電圧増幅器３に動作用電力を供給する。その他の構成については、図１〜図４に示した実施の形態１と同様である。

この実施の形態では、電圧増幅器３を駆動する直流電源を、接続線１０ｓ、１０ｒから交流電力を受電して得るため、別途電源供給の必要がない。また、この実施の形態ではツェナーダイオード３２により電圧を調整しているため、絶縁トランスやコンバータなどが不要となり電源部の小型化や低コスト化を図ることができる。電圧調整方法はこの方法だけではなく、絶縁トランスやＤＣ／ＤＣコンバータなどにより、接続線より制御電源として供給しても良い。
なお、整流電源装置３５は、注入回路２よりも交流電源４０側の接続線１０ｓ、１０ｒから受電するのが望ましい。受電点が注入回路２よりも交流電源４０側であれば、ノイズ電流が低減されているため、整流電源装置３５を介して電圧増幅器３に流れ込むノイズを低減でき、高周波電流低減装置１００Ｃの信頼性が向上する。

また、図７では接続線１０ｓ、１０ｒを用いて交流電源４０から電圧増幅器３を駆動する直流電源を得ているが、コンバータ４１の出力側の接続線Ｐ、Ｎ間の直流電圧を用いて直流電源を得ても良く、接続線Ｐ、Ｎ間に複数のコンデンサの直列回路や、抵抗、ツェナーダイオード、トランスもしくはスイッチング電源を接続する等により直流電源を得る、あるいは外部からの電力供給により直流電源を得ても良い。この際、電源端子４、５からのノイズの回り込みを阻止するために電源回路の入力や出力にもパッシブフィルタ等により構成されるフィルタが必要となることがある。

また、実施の形態では、ノイズ低減部１００ｓに整流電源装置３５を備えた高周波電流低減装置１００Ｃについて説明したが、上記実施の形態２、３で示した高周波電流低減装置１００Ａ、１００Ｂに整流電源装置３５を備えることにより、各ノイズ低減部内の電圧増幅器３の直流電源を生成することができる。高周波電流低減装置１００Ｂの場合は、接続線１０ｓ、１０ｔあるいは接続線１０ｒ、１０ｔを用いて交流電源４０から電圧増幅器３を駆動する直流電源を得ても良い。

実施の形態５．
図８は実施の形態５による高周波電流低減装置１００Ｄの接続例を示すものである。
図８に示すように、単相の交流電源４０から負荷としての三相モータ４３に電力供給するシステムにおいて、交流電源４０に第１の電気装置としてのコンバータ４１が接続され、このコンバータ４１と第２の電気装置としてのインバータ４２との間に、直流母線である接続線Ｐ、Ｎを介して高周波電流低減装置１００Ｄが挿入され、コンバータ４１から接続線Ｐ、Ｎに流れる高周波のノイズ電流を低減する。インバータ４２の交流出力側は三相モータ４３に接続され、三相モータ４３を可変電圧可変周波数の三相交流で駆動する。
高周波電流低減装置１００Ｄは、接続線Ｐに接続されるノイズ低減部１００ｐと、接続線Ｎに接続されるノイズ低減部１００ｎとを備え、各ノイズ低減部１００ｐ、１００ｎは上記実施の形態１で説明したノイズ低減部１００ｓと同様である。

また、図９は、高周波電流低減装置１００Ｄの別の接続例を示すものである。この場合、交流電源４０に第１の電気装置としてのコンバータ４１が接続され、このコンバータ４１と第２の電気装置としてのコンバータであるＤＣ／ＤＣコンバータ４６との間に、直流母線である接続線Ｐ、Ｎを介して高周波電流低減装置１００Ｄが挿入され、コンバータ４１から接続線Ｐ、Ｎに流れる高周波のノイズ電流を低減する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、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ＩＧＢＴ４６ａを備えてコンバータ４１からの出力直流電圧を調整し、直流負荷４７を駆動する。
なお、図８、図９において、対地への接続配線は図示していないが、それぞれの機器は接地されているものとする。
このように、ノイズ低減部１００ｐ、１００ｎは、直流電力を接続する接続線Ｐ、Ｎに接続しても良く、上記各実施の形態と同様に、高周波のノイズ電流を低減することができる。

図８、図９のように、インバータ４２やＤＣ/ＤＣコンバータ４６が交流電源４０に接続されていて、それぞれのスイッチング周波数付近など除去する必要のない低い周波数領域のノイズ電流が混在して接続線Ｐ、Ｎを流れている場合、フィルタ装置６において、上記周波数帯のゲインを下げ、低減したい周波数帯の検出成分のみ電圧増幅器３に入力することにより、低減したい周波数のノイズ電流のみを低減するように設定する。これにより高周波電流低減装置１００Ｄの消費する電力を抑えることができる。

なお、上記実施の形態では、接続線Ｐに接続されるノイズ低減部１００ｐと、接続線Ｎに接続されるノイズ低減部１００ｎとを備えたが、どちらか一方の接続線Ｐに１つのノイズ低減部１００ｐを備えても良い。

また、上記実施の形態４と同様に、電圧増幅器３を駆動する直流電源を接続線Ｐ、Ｎから得ても良い。この場合、コンバータ４１側あるいは第２の装置（インバータ４２、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６）側のいずれでも良いが、コンバータ４１側の接続線Ｐ、Ｎから受電するのが望ましい。受電点が注入回路２よりもコンバータ４１側であれば、接続線Ｐ、Ｎに流れるノイズ電流が低減されているため、電圧増幅器３に流れ込むノイズを低減でき、高周波電流低減装置１００Ｄの信頼性が向上する。
さらにまた、交流電源４０からの交流出力線、あるいはインバータ４２からの交流出力線の２本の交流出力線間に整流回路を設けて、電圧増幅器３を駆動する直流電源を得ることもできる。

ところで、上記各実施の形態で用いられるコンバータ４１、インバータ４２、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６のＩＧＢＴ４１ａ、４２ａ、４６ａなどの半導体スイッチング素子として、昨今、炭化珪素（シリコンカーバイド、ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等にて形成されたワイドバンドギャップ半導体による半導体スイッチング素子が用いられ、スイッチング動作をさらに高速化できるようになってきたが、高速化と相まってノイズの発生量が増加傾向にある。上記各実施の形態の高周波電流低減装置１００、１００Ａ〜１００Ｄによれば、上記のような問題点があっても、半導体スイッチング素子の種類を選ぶことなく高周波のノイズ電流を低減するように動作可能である。従って、炭化珪素等にて形成され高速でスイッチング動作する半導体スイッチング素子が発生するノイズを効果的に低減でき、高速でスイッチング動作させた場合のデメリットを解消することができる。また同様に、電圧増幅器３において、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体にて形成されたトランジスタやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子によって増幅する場合であっても、ノイズ発生の影響を軽減し、高周波のノイズ電流を低減することができる。

なお、この発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明に係る高周波電流低減装置は、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の電気装置間の単線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高周波のノイズ電流を低減するノイズ低減部を備える。該ノイズ低減部は、上記接続線に流れるノイズ電流を電圧として検出する検出部と、上記検出部の検出電圧から所望の高周波成分を抽出するフィルタ装置と、上記フィルタ装置の出力を増幅する電圧増幅器と、上記第１、第２の電気装置間で上記検出部よりも上記第２の電気装置側の上記接続線上の注入点に一方の端子が接続されたコンデンサを有して、上記接続線に高周波電流を注入する電流注入手段とを備える。そして、上記検出部は、上記接続線に直列接続される導体線と電流検出用の巻線とを有する検出トランスにて構成され、上記電流注入手段は、上記コンデンサの他方の端子に上記電圧増幅器からの出力電圧を印加して上記接続線に上記ノイズ電流とほぼ同方向の上記高周波電流を注入するものである。

Claims (15)

1. 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の電気装置間の単線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高周波のノイズ電流を低減するノイズ低減部を備え、
   該ノイズ低減部は、
   上記接続線に流れるノイズ電流を電圧として検出する検出部と、
   上記検出部の検出電圧から所望の高周波成分を抽出するフィルタ装置と、
   上記フィルタ装置の出力を増幅する電圧増幅器と、
   上記第１、第２の電気装置間で上記検出部よりも上記第２の電気装置側の上記接続線上の注入点に一方の端子が接続されたコンデンサを有して、上記接続線に高周波電流を注入する電流注入手段とを備え、
   上記電流注入手段は、上記コンデンサの他方の端子に上記電圧増幅器からの出力電圧を印加して上記接続線に上記ノイズ電流とほぼ同方向の上記高周波電流を注入する、
   高周波電流低減装置。
2. 上記フィルタ装置は、ノーマルモードの高周波成分とコモンモードノイズとを共に抽出する、
   請求項１に記載の高周波電流低減装置。
3. 上記第１、第２の電気装置間は複数の接続線で接続され、該複数の接続線の全てあるいは一部の接続線毎に上記ノイズ低減部を個別に備えた、
   請求項１に記載の高周波電流低減装置。
4. 上記検出部は、上記接続線に直列接続される導体線と電流検出用の巻線とを有し上記高周波電流を検出する検出トランスにて構成される、
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
5. 上記フィルタ装置は、通過周波数範囲が調整可能である少なくとも１つのフィルタ回路により構成される、
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
6. 上記フィルタ装置は、それぞれの通過周波数範囲が調整可能である複数の上記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て構成される、
   請求項５に記載の高周波電流低減装置。
7. 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ノイズ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３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
8. 上記電圧増幅器は、特定の周波数成分のみを出力するように構成された、
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
9. 上記電圧増幅器は、出力フィルタを備えて上記特定の周波数成分のみを出力する、
   請求項８に記載の高周波電流低減装置。
10. 上記電流注入手段は、上記コンデンサの容量を調整することにより、上記電圧増幅器が出力する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３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
11. 上記接続線にはパルス幅変調方式のインバータが接続され、
    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３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
12. 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３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
13. 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３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
14. 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出力直流電圧を調整するコンバータである、
    請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。
15. 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１１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の高周波電流低減装置。

Images