フィルタ装置および電力変換装置
【課題】 モータ端子におけるサージ電圧を抑制し、電源側への高周波ノイズを低減すると共にモータに流れるコモンモード電流を低減した電力変換装置を提供する。
【解決手段】 電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、電力変換装置の出力側にコモンモードフィルタ（１１０）を接続し、コモンモードフィルタ（１１０）の出力側にノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したものである。
【解決手段】 電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、電力変換装置の出力側にコモンモードフィルタ（１１０）を接続し、コモンモードフィルタ（１１０）の出力側にノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置のスイッチング動作で発生する高周波ノイズを低減するフィルタ装置と、それを用いた可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置入力側における問題の一つとして、雑音端子電圧、伝導ＥＭＩ(Electro Magnetic Interference：電磁妨害雑音)が挙げられる。前記問題を解決するために従来では電力変換装置の入力側に入力フィルタを付加して対策を行ってきた。一般的な入力フィルタの従来技術において、電源側へ流出するコモンモードノイズを低減させる場合、入力フィルタのコモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法あるいは接地コンデンサの容量を大きくする方法が挙げられる。しかし、コモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法は、接地コンデンサの容量を大きくする方法に比べて、サイズが大きくなり且つ高価である。また、接地コンデンサの容量を大きくする方法は、サイズが小さく且つ安価であるが、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流が増大してしまう。
【０００３】
次に、出力フィルタの従来技術を説明する。電力変換装置出力側における問題として、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食（回転中の軸受ボールベアリングの内部を高周波電流が通過することにより、軌道輪と 転動体の接触面が損傷する現象。特徴として、波状の摩耗が見られる）、モータ端子でのサージ電圧が挙げられる。前記問題を解決するために従来では電力変換装置の出力側に出力フィルタを付加して対策を行ってきた。従来の電力変換装置の出力フィルタには例えば特許文献１、非特許文献１および２がある。特許文献１、非特許文献１は、コモンモード電流を抑制するためのコモンモードフィルタである。
【０００４】
また、非特許文献２は、ノーマルモードのノイズ電流を抑制するためのノーマルモードフィルタとコモンモード電流を抑制するためのコモンモードフィルタから構成されたものである。特許文献１、非特許文献１に代表されるコモンモードフィルタは、フィルタの共振周波数を電力変換装置のキャリア周波数よりも低くしているため、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食を効果的に抑制することができるが、モータ端子でのサージ電圧の抑制をすることができない。
【０００５】
また、非特許文献２に代表される方式は、特許文献１、非特許文献１などの方式に比べ、フィルタのカットオフ周波数が、電力変換装置のキャリア周波数よりも遥かに高いため、サイズが小さく且つ安価となる。また、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩに加えて、モータ端子でのサージ電圧を抑制することができる。しかし、非特許文献２の方式は、コモンモードフィルタのカットオフ周波数が電力変換装置のキャリア周波数よりも遥かに高いためにモータ軸受の電食を抑制することができない。
【０００６】
図６のＡは、電力変換装置１０２でモータ１０５を駆動した場合のシステム構成図である。また、その時の各部波形の測定結果を図７、図９および図１１の（ａ）に示す。図７は、電力変換装置出力側相電圧Ｖｕｖ、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖ、相電流Ｉu、Ｉ’uを示している。また、図９の（ａ）は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、コモンモード電流Ｉｃ１を示しており，図９（ｂ）は、コモンモード電圧Ｖｃ２、軸電位Ｖｓ、ベアリング電流Ｉｂを示して。また、図１１（ａ）は、雑音端子電圧を示している。
【０００７】
図７に示すようにモータ駆動装置１０２でモータ１０５を駆動すると、モータケーブルが長い場合、モータ駆動装置出力側電圧Ｖｕｖがステップ状の電圧でも、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖは振動的なサージ電圧となり、波高値は２倍程度に達してしまう。そのため、モータコイル部では部分放電が引き起こり、絶縁劣化の主要因となる。
【０００８】
また、図９に示すように、コモンモード電圧Ｖｃ１が変化した瞬間にコモンモード電流Ｉｃ１は、ピーク値１０Ａの高周波振動電流となり、モータを介し接地線へ流れてしまう。また、このコモンモード電流Ｉｃ１は伝導ノイズおよび放射ノイズの主要因の一つとなっている。更に、コモンモード電圧Ｖｃ１がモータの各部浮遊容量によって分圧されて軸電位Ｖｓを引き起こさせる。この軸電位Ｖｓが発生することによってモータ軸受部では、放電現象が引き起こり軸受には数百（ｍＡ）オーダーのベアリング電流Ｉｂが流れ、電食が発生する。また、図１１（ａ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において１３０（ｄＢμＶ）程度であり、電源側へ大きなノイズ電流を流出させていることが分かる。
【０００９】
図６のＢは、モータ駆動装置１０２に入力フィルタ１０１を付加した場合のシステム構成図である。また、その時の雑音端子電圧を図１１（ｂ）に示している。
【００１０】
図１１（ｂ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において８８（ｄＢμＶ）程度であり、入力フィルタ１０１を付加していない時に比べ、４０（ｄＢμＶ）程度低減されていることが分かる。
【００１１】
このように、従来の入力フィルタは、周辺機器の誤作動の原因の一つである伝導ノイズを接地コンデンサによりバイパスして雑音端子電圧を低減するものである。
【００１２】
【特許文献１】特開１９９８−１０７５７１号公報
【非特許文献１】「Leakage Current Reduction for a High-Frequency Carrier Inverter Feeding an Induction Motor」IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、VOL.28、NO.4、JULY/AUGUST 1992 p858〜p863、
【非特許文献２】「ＰＷＭインバータを用いた交流電動機システムが発生するＥＭＩの測定とその低減方法」電気学会論文誌Ｄ、平成８年 116巻12号、p1211〜1219
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電力変換装置に入力フィルタを付加すると、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２は低減されるが、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１が増加してしまい、電力変換装置１０２あるいはモータ１０５へのストレスが増大し、故障の原因になる。また、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２を低減させる場合、入力フィルタのコモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法あるいは接地コンデンサの容量を大きくする方法が挙げられる。
しかし、コモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法は、接地コンデンサの容量を大きくする方法に比べて、サイズが大きくなり且つ高価になるという問題があった。また、接地コンデンサの容量を大きくする方法は、サイズが小さく且つ安価であるが、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流が増大してしまうという問題があった。
また、特許文献１、非特許文献１のように出力側にコモンモードフィルタを付加するとモータへ流れ込む高周波漏れ電流Ｉｃ１およびモータ軸受部の電食を抑えることができるが、サージ電圧によるモータ巻線の絶縁破壊を抑えることができない。また、非特許文献２のように、出力側に電力変換装置のキャリア周波数よりも遥かに高いカットオフ周波数を有するコモンモードフィルタおよびノーマルモードフィルタを付加すると、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１、サージ電圧によるモータ巻線の絶縁破壊を抑えることができるが、モータ軸受部の電食を抑えることができない。加えて、雑音端子電圧等の高周波ノイズに対しては多少低減されるが、劇的な効果を得られないため、電源側に流出するノイズ対策には適さない。むしろ低周波成分（キャリア周波数成分）の電流は増加傾向にある。
また、一般的に従来の出力フィルタは、モータ駆動装置（いわゆるインバータ）の外付けオプションとして付加されることが多く、モータ駆動装置をベクトル制御する際、ベクトル制御用電流センサＣＴを再配置し直さなければならなくなり、通常は不可能なのでＶ／ｆ制御（出力電圧Ｖと出力周波数ｆの比率を一定にするオープン制御）でモータを駆動しなければないという問題があった。
【００１４】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的はモータ端子におけるサージ電圧を抑制し、電源側への高周波ノイズを低減すると共にモータに流れるコモンモード電流を低減した電力変換装置を提供することにある。さらに電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を低減し、フィルタ電流を接地線に流さずに済む電力変換装置の出力フィルタを提供すると共に、電力変換装置の入出力一体構造フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置である。
また、請求項１において、電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とするフィルタ装置である。
また、請求項１において、前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたことを特徴とするフィルタ装置である。
また、請求項１において、前記入力フィルタ（１０１）は、Ｙ結線されたコンデンサを有し、前記Ｙ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続可能な端子を備えたことを特徴とするフィルタ装置である。
また、可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置を搭載したことを特徴とする電力変換装置である。
また、請求項５において、電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とする電力変換装置である。
また、請求項５において、前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたフィルタ装置を電力変換装置に内蔵し、ベクトル制御用電流センサを前記出力フィルタの出力側に配置してコモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防いで、ベクトル制御することを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、インバータおよびマトリックスコンバータ等に代表されるような電力変換装置に使用されるフィルタ装置において、電力変換装置の入力フィルタと、電力変換装置の出力フィルタを一体化した構造にしたので、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を低減することができ、且つフィルタ装置の小形化を達成できる。
また、本発明は、請求項１記載のフィルタ装置において、出力フィルタはコモンモード電圧・電流および電力変換装置の出力電圧のｄＶ／ｄｔを小さくするフィルタ装置であるので、電源に流出する高周波ノイズと電力変換装置およびモータに流れるコモンモード電流、モータ軸受部の電食およびモータ端子におけるサージ電圧を抑えることができる。
また、本発明は、コモンモードフィルタの後段にノーマルモードフィルタが配置するので、コモンモードに対しては，電力変換装置のキャリア周波数よりも低い共振周波数でフィルタを設計でき，ノーマルモードに対しては，キャリア周波数よりも遥かに高いカットオフ周波数でフィルタを設計できる。
また、本発明は、前記入力フィルタのＹ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続されることが可能な構造なので、出力フィルタ電流を接地線に流さずに済むため従来方式より雑音端子電圧を低減することができる。また、本発明は、従来方式に比べ雑音端子電圧を小さくすることができるため、その分、入力フィルタの接地コンデンサの容量を小さくすることができる。そのため、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を小さくすることができ、感電などの安全上の問題解決にも繋がる。
また、本発明は、電源に流出する高周波ノイズと電力変換装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができるとともにＶ／ｆ制御だけでなくベクトル制御でモータを駆動することができ、ベクトル制御用電流センサの配置を変更するという手間を省くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、第１実施例を示す電力変換装置に本発明の入力フィルタおよび出力フィルタを付加した場合の回路図である。また，１０６は本発明による一体化した入力フィルタおよび出力フィルタである。図１において、１００は中性点または３相のうちいずれかの相を接地された電源であり、１０５はフレームが接地されたモータであり、１０３は電力変換装置出力フィルタであり、１０２は、電力変換装置であり、１０１は電力変換装置１０２の入力側に接続する入力フィルタである。
また、本発明の電力変換装置入力フィルタ１０１は、電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各Ｒ、Ｓ、Ｔ相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各Ｒ、Ｓ、Ｔ相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成され、前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線（ｎ’）が接続される構造となっている。前記入力フィルタ（１０１）は、Ｙ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続可能な端子を備える。
ここで出力フィルタの帰線（ｎ’）とは、出力フィルタ１０３内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、入力フィルタ１０１内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続する電線を意味する。
【００１９】
また、１０４は本発明の電力変換装置入力フィルタ装置（１０１）および出力フィルタ（１０３）を一つのモジュールとして一体構造とし電力変換装置の筐体の中に収め、且つモータ駆動装置に前記入出力一体構造フィルタ装置を付加した場合の回路図である。出力フィルタ１０３はＬｃとＣｃから構成したコモンモードフィルタ１１０とＲｎとＬｎから構成されるノーマルモードフィルタ１１１とを備えている。１１２は中性点検出用トランスである。
【００２０】
電力変換装置入力フィルタ（１０１）は雑音端子電圧を抑制する効果があり，電力変換装置の出力フィルタ（１０３）は、コモンモード電圧・電流および電力変換装置の出力電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔを小さくするフィルタ装置であるので、電源に流出する高周波ノイズと電力変換装置およびモータに流れるコモンモード電流、モータ軸受部の電食およびモータ端子におけるサージ電圧を抑えることができる。
本発明が特許文献１、非特許文献１および２と異なる部分は、電力変換装置の入力フィルタと出力フィルタを備えた部分であり、電力変換装置出力フィルタの帰線（ｎ’）が接地線を介さずに本発明の電力変換装置入力フィルタに接続されている部分である。加えて、出力フィルタの回路構成はノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタを組み合わせた構成となっている。
図１で重要な点は、コモンモードフィルタとノーマルモードフィルタの配置である。すなわち、図１では電力変換装置１０２の出力側にコモンモードフィルタ１１０を接続し、コモンモードフィルタ１１０の出力側にノーマルモードフィルタ１１１を接続するという順番で縦列接続しなければならない。
【００２１】
次に動作について説明する。図２に本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの回路を示す。また、図３に本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの1相分の等価回路を示す。また、図４に本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータのコモンモード等価回路を示す。
【００２２】
図３において、Ａは出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの1相分の等価回路を示している。
本発明の出力フィルタは周波数領域によって異なった特性となる。運転周波数などのように低周波領域の場合、インダクタンスＬｎから成るＡＣリアクトルのインピーダンスはＲｎに比べて非常に小さくなるため、抵抗Ｒｎは無視することができる。そのため、低周波領域においては図３のＢに示す等価回路に近似できる。また、逆に高周波領域では、インダクタンスＬｎから成るＡＣリアクトルのインピーダンスはＲｎに比べて非常に大きくなるため、ＡＣリアクトルは無視することができる。そのため、高周波領域においては図３のＣに示す等価回路に近似できる。ここで、図３に示すＣcable1はモータケーブルの各相間の浮遊容量を表している。
【００２３】
図４は出力フィルタ、モータケーブルおよびモータのコモンモード等価回路を示している。ここで、Ｃcable２はモータケーブルの電力線と接地線との間の浮遊容量を表しており、Ｃｍはモータ巻線とモータフレームとの間の浮遊容量を表している。
【００２４】
図５に本発明出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを電力変換装置出力端子から見た場合の相間のノーマルモード等価回路および本発明の第１、第２、第３、第４および第５実施例を示す入出力フィルタ内蔵型電力変換装置、モータケーブルおよびモータのコモンモード等価回路を示す。ノーマルモードに対しては、電力変換装置でスイッチングした瞬間の相間の電圧Ｖｕｖの周波数成分は、数（ＭＨｚ）程度の成分であるため、ＶｕｖのｄＶ／ｄｔは、図５に示すＲｎ、Ｃｎ、Ｃcable1により決定される。また、コモンモードに対しては、コモンモード電圧Ｖｃ１をコモンモードチョークＬｃで分圧し、モータ側よりもインピーダンスが小さなＣｃ１、Ｃｃ２から成るバイパス回路によって構成される。
【００２５】
図６は本発明の第１実施例を示す回路図である。図６のＡおよびＢは、従来技術方式であり、Ｃは本発明による方式である。
図６のＡは電力変換装置のみの回路構成であり、また、その時の各部波形を図７、図９および図１１（ａ）に示す。図７は、電力変換装置出力側相電圧Ｖｕｖ、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖ、相電流Ｉｕ、Ｉ’ｕを示している。また、図９は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、コモンモード電流Ｉｃ１および軸電位Ｖｓ、ベアリング電流Ｉｂを示している。また、図１１（ａ）は、雑音端子電圧を示している。図６のＢは電力変換装置に入力フィルタを付加した場合の回路構成であり、また、その時の雑音端子電圧を図１１（ｂ）に示す。
図６のＣは本発明の電力変換装置に入出力フィルタを付加した場合の回路構成であり。また、その時の各部波形を図８、図１０および図１１（ｃ）に示す。
図８は、電力変換装置出力側相電圧Ｖｕｖ、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖ、相電流Ｉｕ、Ｉ’ｕを示している。
図１０は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、コモンモード電流Ｉｃ１および軸電位Ｖｓ、ベアリング電流Ｉｂを示している。
図１１（ｃ）は、雑音端子電圧を示している。
【００２６】
図７に示すように電力変換装置１０２でモータ１０５を駆動すると、モータケーブルが長い場合、電力変換装置出力側電圧Ｖｕｖがステップ状の電圧でも、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖは振動的な電圧となり、波高値は２倍程度に達してしまう。そのため、モータコイル部では部分放電が引き起こり、絶縁劣化の主要因となる。
また、図９に示すように、コモンモード電圧Ｖｃ１が変化した瞬間にコモンモード電流Ｉｃ１は、ピーク値１０Ａの高周波振動電流となり、モータを介し接地線へ流れてしまう。また、このコモンモード電流Ｉｃ１は伝導ノイズおよび放射ノイズの主要因の一つとなっている。更に，コモンモード電圧Ｖｃ２は，モータの各部浮遊容量によって分圧され軸電位Ｖｓを生じさせる。この軸電位Ｖｓが大きい場合，モータ軸受では放電現象が生じ，ベアリング電流Ｉｂがモータ軸受に流れ，モータ軸受の電食が生じる。
また、図１１（ａ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において１３０（ｄＢμＶ）程度であり、電源側へ大きなノイズ電流を流出させていることが分かる。
【００２７】
また，電力変換装置１０２に入力フィルタ１０１を付加し、モータ１０５を駆動すると、電力変換装置のみで駆動する場合と同様に，モータケーブルが長い場合、モータコイル部では部分放電が引き起こり、絶縁劣化の主要因となる。また、コモンモード電流Ｉｃ１およびモータ軸受の電食を抑制することはできない。コモンモード電流Ｉｃ１に至っては、逆にピーク値が大きくなってしまう。
図１１（ｂ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において８８（ｄＢμＶ）程度であり、入力フィルタ１０１を付加していない時に比べ、４０（ｄＢμＶ）程度低減されていることが分かる。このように、入力フィルタ１０１を付加した場合、雑音端子電圧は低減されるが、サージ電圧、モータ軸受の電食は抑制されず、コモンモード電流Ｉｃ１に至っては、逆にピーク値が大きくなり、逆効果となってしまう。
【００２８】
図８に示すように電力変換装置１０２に本発明の入力フィルタ１０１および出力フィルタ１０３を付加し、モータ１０５を駆動すると、モータケーブルが長い場合でも、モータ端子電圧Ｖ’（μＶ）ではサージ電圧は発生しない。そのため、モータコイル部では部分放電が引き起こりにくく、モータの長寿命化が期待できる。
また、図１０に示すように、コモンモード電圧Ｖｃ１が変化した瞬間にコモンモード電流Ｉｃ１は、ピーク値１Ａ以下の電流に抑制されている。更に、軸電位Ｖｓも小さくなっているために，モータ軸受では放電現象が起こり難く、モータ軸受の電食も抑制できる。
また、図１１（ｃ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において７５（ｄＢμＶ）程度であり、入力フィルタ１０１のみを付加した時に比べ、更に１０（ｄＢμＶ）程度低減されていることが分かる。これは、出力フィルタによって、電源側へ流れるコモンモード電流を低減しているためである。
このように、入力フィルタ１０１および出力フィルタ１０３を組み合わせることによって、入力フィルタ１０１の接地コンデンサ容量を大きくすることなく雑音端子電圧は低減できる。また、モータ端子でのサージ電圧およびコモンモード電流Ｉｃ１、モータ軸受の電食も抑制することができる。
【００２９】
ここで、図６のＢに示す入力フィルタのみだけでも図１１（ｃ）に示す雑音端子電圧のレベルにすることは可能である。その方法としては、コモンモードチョークのインダクタンス値を上げること、あるいは入力フィルタの接地コンデンサの容量を大きくすることが挙げられる。コモンモードチョークのインダクタンス値を上げる方法は、サイズが大きく且つ高価になってしまう。そのため、一般的には、接地コンデンサの容量を大きくし雑音端子電圧を抑制する。
入力フィルタのみだけで図１１（ｃ）に示す雑音端子電圧のレベルにするためには、図１１（ｂ）で用いた入力フィルタの接地コンデンサの１０倍の接地コンデンサ容量が必要になる。図１２（ａ）に示すように入力フィルタのみで雑音端子電圧を図１１（ｃ）のレベルまで低減すると、ピーク値２００（ｍＡ）の基本波成分の漏れ電流が流れる。この値は、図１２（ｂ）に示す本発明の１０倍の値となる。そのため、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流の増加に繋がるため、人体保護上、問題となる。
【００３０】
そのため、本発明の電力変換装置入出力一体構造フィルタ装置は、モータの長寿命化、周辺機器の誤作動、雑音端子電圧の低減、感電防止に繋がる。
【実施例２】
【００３１】
図１は第２実施例の構成を示す図である。１０４は本発明による入力フィルタと出力フィルタを組み合わせた電力変換装置であり、１０５はフレームが接地されたモータ、１００は中性点かまたは３相のうちいずれかの相を接地された電源である。また、１０３は本発明による電力変換装置出力フィルタであり、１０１は本発明による入力フィルタである。
本発明の入出力一体構造型フィルタ装置を電力変換装置に内蔵することにより、ベクトル制御用電流センサを出力フィルタの出力側に配置することにより、コモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防ぐことが可能になり、Ｖ／ｆ制御だけでなくベクトル制御も可能となる。
【００３２】
また、電力変換装置の入力フィルタおよび出力フィルタを電力変換装置内蔵型にすることによって部品の数を少なくすることができるので、低コスト化、小形化にも貢献できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
電力変換装置入出力一体構造フィルタ装置を電力変換装置に付加することによって、インバータおよびマトリックスコンバータ等に代表されるような電力変換装置で発生するノイズを電源側へ流出させず、同時にモータを保護することができるので、周辺機器の誤作動防止およびモータの長寿命化が必要とされるシステムへの用途に適用できる。また、入出力一体構造フィルタ装置にすることによって、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を抑制することが可能であるため、人体保護に繋がる。
また、電力変換装置の入力フィルタおよび出力フィルタを電力変換装置内蔵型にすることによって部品の数を少なくすることができるので、低コスト化、小形化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１および第２実施例を示す入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を示す回路図
【図２】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを示す回路図
【図３】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの1相分を示す等価回路図
【図４】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを示すコモンモード等価回路図
【図５】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを電力変換装置出力端子から見た場合の相間を示す等価回路図および本発明の第１および第２実施例を示す入出力フィルタ内蔵型電力変換装置およびモータを示すコモンモード等価回路
【図６】従来技術を示す回路図（Ａ，Ｂ）および本発明の入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を示す回路図（Ｃ）
【図７】従来技術を用いた場合のモータ端子電圧を示す測定結果図
【図８】本発明の入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を用いた場合のモータ端子電圧を示す測定結果図
【図９】従来技術を用いた場合のコモンモード電圧・電流および軸電位・ベアリング電流を示す測定結果図
【図１０】本発明の入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を用いた場合のコモンモード電圧・電流および軸電位・ベアリング電流を示す測定結果図
【図１１】雑音端子電圧を示す測定結果図
【図１２】電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を示す測定結果図
【符号の説明】
【００３５】
１００ 電源
１０１ 入力フィルタ
１０２ 電力変換装置
１０３ 出力フィルタ
１０４ 本発明による一体化した入力フィルタと出力フィルタを組み合わせた電力変換装置
１０５ モータ
１０６ 本発明による一体化した入力フィルタおよび出力フィルタ
１０７ モータケーブル
１１０ コモンモードフィルタ
１１１ ノーマルモードフィルタ
１１２ 中性点検出用トランス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置のスイッチング動作で発生する高周波ノイズを低減するフィルタ装置と、それを用いた可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置入力側における問題の一つとして、雑音端子電圧、伝導ＥＭＩ(Electro Magnetic Interference：電磁妨害雑音)が挙げられる。前記問題を解決するために従来では電力変換装置の入力側に入力フィルタを付加して対策を行ってきた。一般的な入力フィルタの従来技術において、電源側へ流出するコモンモードノイズを低減させる場合、入力フィルタのコモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法あるいは接地コンデンサの容量を大きくする方法が挙げられる。しかし、コモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法は、接地コンデンサの容量を大きくする方法に比べて、サイズが大きくなり且つ高価である。また、接地コンデンサの容量を大きくする方法は、サイズが小さく且つ安価であるが、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流が増大してしまう。
【０００３】
次に、出力フィルタの従来技術を説明する。電力変換装置出力側における問題として、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食（回転中の軸受ボールベアリングの内部を高周波電流が通過することにより、軌道輪と 転動体の接触面が損傷する現象。特徴として、波状の摩耗が見られる）、モータ端子でのサージ電圧が挙げられる。前記問題を解決するために従来では電力変換装置の出力側に出力フィルタを付加して対策を行ってきた。従来の電力変換装置の出力フィルタには例えば特許文献１、非特許文献１および２がある。特許文献１、非特許文献１は、コモンモード電流を抑制するためのコモンモードフィルタである。
【０００４】
また、非特許文献２は、ノーマルモードのノイズ電流を抑制するためのノーマルモードフィルタとコモンモード電流を抑制するためのコモンモードフィルタから構成されたものである。特許文献１、非特許文献１に代表されるコモンモードフィルタは、フィルタの共振周波数を電力変換装置のキャリア周波数よりも低くしているため、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食を効果的に抑制することができるが、モータ端子でのサージ電圧の抑制をすることができない。
【０００５】
また、非特許文献２に代表される方式は、特許文献１、非特許文献１などの方式に比べ、フィルタのカットオフ周波数が、電力変換装置のキャリア周波数よりも遥かに高いため、サイズが小さく且つ安価となる。また、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩに加えて、モータ端子でのサージ電圧を抑制することができる。しかし、非特許文献２の方式は、コモンモードフィルタのカットオフ周波数が電力変換装置のキャリア周波数よりも遥かに高いためにモータ軸受の電食を抑制することができない。
【０００６】
図６のＡは、電力変換装置１０２でモータ１０５を駆動した場合のシステム構成図である。また、その時の各部波形の測定結果を図７、図９および図１１の（ａ）に示す。図７は、電力変換装置出力側相電圧Ｖｕｖ、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖ、相電流Ｉu、Ｉ’uを示している。また、図９の（ａ）は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、コモンモード電流Ｉｃ１を示しており，図９（ｂ）は、コモンモード電圧Ｖｃ２、軸電位Ｖｓ、ベアリング電流Ｉｂを示して。また、図１１（ａ）は、雑音端子電圧を示している。
【０００７】
図７に示すようにモータ駆動装置１０２でモータ１０５を駆動すると、モータケーブルが長い場合、モータ駆動装置出力側電圧Ｖｕｖがステップ状の電圧でも、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖは振動的なサージ電圧となり、波高値は２倍程度に達してしまう。そのため、モータコイル部では部分放電が引き起こり、絶縁劣化の主要因となる。
【０００８】
また、図９に示すように、コモンモード電圧Ｖｃ１が変化した瞬間にコモンモード電流Ｉｃ１は、ピーク値１０Ａの高周波振動電流となり、モータを介し接地線へ流れてしまう。また、このコモンモード電流Ｉｃ１は伝導ノイズおよび放射ノイズの主要因の一つとなっている。更に、コモンモード電圧Ｖｃ１がモータの各部浮遊容量によって分圧されて軸電位Ｖｓを引き起こさせる。この軸電位Ｖｓが発生することによってモータ軸受部では、放電現象が引き起こり軸受には数百（ｍＡ）オーダーのベアリング電流Ｉｂが流れ、電食が発生する。また、図１１（ａ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において１３０（ｄＢμＶ）程度であり、電源側へ大きなノイズ電流を流出させていることが分かる。
【０００９】
図６のＢは、モータ駆動装置１０２に入力フィルタ１０１を付加した場合のシステム構成図である。また、その時の雑音端子電圧を図１１（ｂ）に示している。
【００１０】
図１１（ｂ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において８８（ｄＢμＶ）程度であり、入力フィルタ１０１を付加していない時に比べ、４０（ｄＢμＶ）程度低減されていることが分かる。
【００１１】
このように、従来の入力フィルタは、周辺機器の誤作動の原因の一つである伝導ノイズを接地コンデンサによりバイパスして雑音端子電圧を低減するものである。
【００１２】
【特許文献１】特開１９９８−１０７５７１号公報
【非特許文献１】「Leakage Current Reduction for a High-Frequency Carrier Inverter Feeding an Induction Motor」IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、VOL.28、NO.4、JULY/AUGUST 1992 p858〜p863、
【非特許文献２】「ＰＷＭインバータを用いた交流電動機システムが発生するＥＭＩの測定とその低減方法」電気学会論文誌Ｄ、平成８年 116巻12号、p1211〜1219
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電力変換装置に入力フィルタを付加すると、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２は低減されるが、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１が増加してしまい、電力変換装置１０２あるいはモータ１０５へのストレスが増大し、故障の原因になる。また、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２を低減させる場合、入力フィルタのコモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法あるいは接地コンデンサの容量を大きくする方法が挙げられる。
しかし、コモンモードチョークのインダクタンスを大きくする方法は、接地コンデンサの容量を大きくする方法に比べて、サイズが大きくなり且つ高価になるという問題があった。また、接地コンデンサの容量を大きくする方法は、サイズが小さく且つ安価であるが、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流が増大してしまうという問題があった。
また、特許文献１、非特許文献１のように出力側にコモンモードフィルタを付加するとモータへ流れ込む高周波漏れ電流Ｉｃ１およびモータ軸受部の電食を抑えることができるが、サージ電圧によるモータ巻線の絶縁破壊を抑えることができない。また、非特許文献２のように、出力側に電力変換装置のキャリア周波数よりも遥かに高いカットオフ周波数を有するコモンモードフィルタおよびノーマルモードフィルタを付加すると、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１、サージ電圧によるモータ巻線の絶縁破壊を抑えることができるが、モータ軸受部の電食を抑えることができない。加えて、雑音端子電圧等の高周波ノイズに対しては多少低減されるが、劇的な効果を得られないため、電源側に流出するノイズ対策には適さない。むしろ低周波成分（キャリア周波数成分）の電流は増加傾向にある。
また、一般的に従来の出力フィルタは、モータ駆動装置（いわゆるインバータ）の外付けオプションとして付加されることが多く、モータ駆動装置をベクトル制御する際、ベクトル制御用電流センサＣＴを再配置し直さなければならなくなり、通常は不可能なのでＶ／ｆ制御（出力電圧Ｖと出力周波数ｆの比率を一定にするオープン制御）でモータを駆動しなければないという問題があった。
【００１４】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的はモータ端子におけるサージ電圧を抑制し、電源側への高周波ノイズを低減すると共にモータに流れるコモンモード電流を低減した電力変換装置を提供することにある。さらに電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を低減し、フィルタ電流を接地線に流さずに済む電力変換装置の出力フィルタを提供すると共に、電力変換装置の入出力一体構造フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置である。
また、請求項１において、電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とするフィルタ装置である。
また、請求項１において、前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたことを特徴とするフィルタ装置である。
また、請求項１において、前記入力フィルタ（１０１）は、Ｙ結線されたコンデンサを有し、前記Ｙ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続可能な端子を備えたことを特徴とするフィルタ装置である。
また、可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置を搭載したことを特徴とする電力変換装置である。
また、請求項５において、電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とする電力変換装置である。
また、請求項５において、前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたフィルタ装置を電力変換装置に内蔵し、ベクトル制御用電流センサを前記出力フィルタの出力側に配置してコモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防いで、ベクトル制御することを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、インバータおよびマトリックスコンバータ等に代表されるような電力変換装置に使用されるフィルタ装置において、電力変換装置の入力フィルタと、電力変換装置の出力フィルタを一体化した構造にしたので、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を低減することができ、且つフィルタ装置の小形化を達成できる。
また、本発明は、請求項１記載のフィルタ装置において、出力フィルタはコモンモード電圧・電流および電力変換装置の出力電圧のｄＶ／ｄｔを小さくするフィルタ装置であるので、電源に流出する高周波ノイズと電力変換装置およびモータに流れるコモンモード電流、モータ軸受部の電食およびモータ端子におけるサージ電圧を抑えることができる。
また、本発明は、コモンモードフィルタの後段にノーマルモードフィルタが配置するので、コモンモードに対しては，電力変換装置のキャリア周波数よりも低い共振周波数でフィルタを設計でき，ノーマルモードに対しては，キャリア周波数よりも遥かに高いカットオフ周波数でフィルタを設計できる。
また、本発明は、前記入力フィルタのＹ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続されることが可能な構造なので、出力フィルタ電流を接地線に流さずに済むため従来方式より雑音端子電圧を低減することができる。また、本発明は、従来方式に比べ雑音端子電圧を小さくすることができるため、その分、入力フィルタの接地コンデンサの容量を小さくすることができる。そのため、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を小さくすることができ、感電などの安全上の問題解決にも繋がる。
また、本発明は、電源に流出する高周波ノイズと電力変換装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができるとともにＶ／ｆ制御だけでなくベクトル制御でモータを駆動することができ、ベクトル制御用電流センサの配置を変更するという手間を省くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、第１実施例を示す電力変換装置に本発明の入力フィルタおよび出力フィルタを付加した場合の回路図である。また，１０６は本発明による一体化した入力フィルタおよび出力フィルタである。図１において、１００は中性点または３相のうちいずれかの相を接地された電源であり、１０５はフレームが接地されたモータであり、１０３は電力変換装置出力フィルタであり、１０２は、電力変換装置であり、１０１は電力変換装置１０２の入力側に接続する入力フィルタである。
また、本発明の電力変換装置入力フィルタ１０１は、電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各Ｒ、Ｓ、Ｔ相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各Ｒ、Ｓ、Ｔ相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成され、前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線（ｎ’）が接続される構造となっている。前記入力フィルタ（１０１）は、Ｙ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続可能な端子を備える。
ここで出力フィルタの帰線（ｎ’）とは、出力フィルタ１０３内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、入力フィルタ１０１内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続する電線を意味する。
【００１９】
また、１０４は本発明の電力変換装置入力フィルタ装置（１０１）および出力フィルタ（１０３）を一つのモジュールとして一体構造とし電力変換装置の筐体の中に収め、且つモータ駆動装置に前記入出力一体構造フィルタ装置を付加した場合の回路図である。出力フィルタ１０３はＬｃとＣｃから構成したコモンモードフィルタ１１０とＲｎとＬｎから構成されるノーマルモードフィルタ１１１とを備えている。１１２は中性点検出用トランスである。
【００２０】
電力変換装置入力フィルタ（１０１）は雑音端子電圧を抑制する効果があり，電力変換装置の出力フィルタ（１０３）は、コモンモード電圧・電流および電力変換装置の出力電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔを小さくするフィルタ装置であるので、電源に流出する高周波ノイズと電力変換装置およびモータに流れるコモンモード電流、モータ軸受部の電食およびモータ端子におけるサージ電圧を抑えることができる。
本発明が特許文献１、非特許文献１および２と異なる部分は、電力変換装置の入力フィルタと出力フィルタを備えた部分であり、電力変換装置出力フィルタの帰線（ｎ’）が接地線を介さずに本発明の電力変換装置入力フィルタに接続されている部分である。加えて、出力フィルタの回路構成はノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタを組み合わせた構成となっている。
図１で重要な点は、コモンモードフィルタとノーマルモードフィルタの配置である。すなわち、図１では電力変換装置１０２の出力側にコモンモードフィルタ１１０を接続し、コモンモードフィルタ１１０の出力側にノーマルモードフィルタ１１１を接続するという順番で縦列接続しなければならない。
【００２１】
次に動作について説明する。図２に本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの回路を示す。また、図３に本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの1相分の等価回路を示す。また、図４に本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータのコモンモード等価回路を示す。
【００２２】
図３において、Ａは出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの1相分の等価回路を示している。
本発明の出力フィルタは周波数領域によって異なった特性となる。運転周波数などのように低周波領域の場合、インダクタンスＬｎから成るＡＣリアクトルのインピーダンスはＲｎに比べて非常に小さくなるため、抵抗Ｒｎは無視することができる。そのため、低周波領域においては図３のＢに示す等価回路に近似できる。また、逆に高周波領域では、インダクタンスＬｎから成るＡＣリアクトルのインピーダンスはＲｎに比べて非常に大きくなるため、ＡＣリアクトルは無視することができる。そのため、高周波領域においては図３のＣに示す等価回路に近似できる。ここで、図３に示すＣcable1はモータケーブルの各相間の浮遊容量を表している。
【００２３】
図４は出力フィルタ、モータケーブルおよびモータのコモンモード等価回路を示している。ここで、Ｃcable２はモータケーブルの電力線と接地線との間の浮遊容量を表しており、Ｃｍはモータ巻線とモータフレームとの間の浮遊容量を表している。
【００２４】
図５に本発明出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを電力変換装置出力端子から見た場合の相間のノーマルモード等価回路および本発明の第１、第２、第３、第４および第５実施例を示す入出力フィルタ内蔵型電力変換装置、モータケーブルおよびモータのコモンモード等価回路を示す。ノーマルモードに対しては、電力変換装置でスイッチングした瞬間の相間の電圧Ｖｕｖの周波数成分は、数（ＭＨｚ）程度の成分であるため、ＶｕｖのｄＶ／ｄｔは、図５に示すＲｎ、Ｃｎ、Ｃcable1により決定される。また、コモンモードに対しては、コモンモード電圧Ｖｃ１をコモンモードチョークＬｃで分圧し、モータ側よりもインピーダンスが小さなＣｃ１、Ｃｃ２から成るバイパス回路によって構成される。
【００２５】
図６は本発明の第１実施例を示す回路図である。図６のＡおよびＢは、従来技術方式であり、Ｃは本発明による方式である。
図６のＡは電力変換装置のみの回路構成であり、また、その時の各部波形を図７、図９および図１１（ａ）に示す。図７は、電力変換装置出力側相電圧Ｖｕｖ、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖ、相電流Ｉｕ、Ｉ’ｕを示している。また、図９は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、コモンモード電流Ｉｃ１および軸電位Ｖｓ、ベアリング電流Ｉｂを示している。また、図１１（ａ）は、雑音端子電圧を示している。図６のＢは電力変換装置に入力フィルタを付加した場合の回路構成であり、また、その時の雑音端子電圧を図１１（ｂ）に示す。
図６のＣは本発明の電力変換装置に入出力フィルタを付加した場合の回路構成であり。また、その時の各部波形を図８、図１０および図１１（ｃ）に示す。
図８は、電力変換装置出力側相電圧Ｖｕｖ、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖ、相電流Ｉｕ、Ｉ’ｕを示している。
図１０は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、コモンモード電流Ｉｃ１および軸電位Ｖｓ、ベアリング電流Ｉｂを示している。
図１１（ｃ）は、雑音端子電圧を示している。
【００２６】
図７に示すように電力変換装置１０２でモータ１０５を駆動すると、モータケーブルが長い場合、電力変換装置出力側電圧Ｖｕｖがステップ状の電圧でも、モータ端子電圧Ｖ’ｕｖは振動的な電圧となり、波高値は２倍程度に達してしまう。そのため、モータコイル部では部分放電が引き起こり、絶縁劣化の主要因となる。
また、図９に示すように、コモンモード電圧Ｖｃ１が変化した瞬間にコモンモード電流Ｉｃ１は、ピーク値１０Ａの高周波振動電流となり、モータを介し接地線へ流れてしまう。また、このコモンモード電流Ｉｃ１は伝導ノイズおよび放射ノイズの主要因の一つとなっている。更に，コモンモード電圧Ｖｃ２は，モータの各部浮遊容量によって分圧され軸電位Ｖｓを生じさせる。この軸電位Ｖｓが大きい場合，モータ軸受では放電現象が生じ，ベアリング電流Ｉｂがモータ軸受に流れ，モータ軸受の電食が生じる。
また、図１１（ａ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において１３０（ｄＢμＶ）程度であり、電源側へ大きなノイズ電流を流出させていることが分かる。
【００２７】
また，電力変換装置１０２に入力フィルタ１０１を付加し、モータ１０５を駆動すると、電力変換装置のみで駆動する場合と同様に，モータケーブルが長い場合、モータコイル部では部分放電が引き起こり、絶縁劣化の主要因となる。また、コモンモード電流Ｉｃ１およびモータ軸受の電食を抑制することはできない。コモンモード電流Ｉｃ１に至っては、逆にピーク値が大きくなってしまう。
図１１（ｂ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において８８（ｄＢμＶ）程度であり、入力フィルタ１０１を付加していない時に比べ、４０（ｄＢμＶ）程度低減されていることが分かる。このように、入力フィルタ１０１を付加した場合、雑音端子電圧は低減されるが、サージ電圧、モータ軸受の電食は抑制されず、コモンモード電流Ｉｃ１に至っては、逆にピーク値が大きくなり、逆効果となってしまう。
【００２８】
図８に示すように電力変換装置１０２に本発明の入力フィルタ１０１および出力フィルタ１０３を付加し、モータ１０５を駆動すると、モータケーブルが長い場合でも、モータ端子電圧Ｖ’（μＶ）ではサージ電圧は発生しない。そのため、モータコイル部では部分放電が引き起こりにくく、モータの長寿命化が期待できる。
また、図１０に示すように、コモンモード電圧Ｖｃ１が変化した瞬間にコモンモード電流Ｉｃ１は、ピーク値１Ａ以下の電流に抑制されている。更に、軸電位Ｖｓも小さくなっているために，モータ軸受では放電現象が起こり難く、モータ軸受の電食も抑制できる。
また、図１１（ｃ）に示すように、雑音端子電圧に対しては、１５０（ｋＨｚ）において７５（ｄＢμＶ）程度であり、入力フィルタ１０１のみを付加した時に比べ、更に１０（ｄＢμＶ）程度低減されていることが分かる。これは、出力フィルタによって、電源側へ流れるコモンモード電流を低減しているためである。
このように、入力フィルタ１０１および出力フィルタ１０３を組み合わせることによって、入力フィルタ１０１の接地コンデンサ容量を大きくすることなく雑音端子電圧は低減できる。また、モータ端子でのサージ電圧およびコモンモード電流Ｉｃ１、モータ軸受の電食も抑制することができる。
【００２９】
ここで、図６のＢに示す入力フィルタのみだけでも図１１（ｃ）に示す雑音端子電圧のレベルにすることは可能である。その方法としては、コモンモードチョークのインダクタンス値を上げること、あるいは入力フィルタの接地コンデンサの容量を大きくすることが挙げられる。コモンモードチョークのインダクタンス値を上げる方法は、サイズが大きく且つ高価になってしまう。そのため、一般的には、接地コンデンサの容量を大きくし雑音端子電圧を抑制する。
入力フィルタのみだけで図１１（ｃ）に示す雑音端子電圧のレベルにするためには、図１１（ｂ）で用いた入力フィルタの接地コンデンサの１０倍の接地コンデンサ容量が必要になる。図１２（ａ）に示すように入力フィルタのみで雑音端子電圧を図１１（ｃ）のレベルまで低減すると、ピーク値２００（ｍＡ）の基本波成分の漏れ電流が流れる。この値は、図１２（ｂ）に示す本発明の１０倍の値となる。そのため、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流の増加に繋がるため、人体保護上、問題となる。
【００３０】
そのため、本発明の電力変換装置入出力一体構造フィルタ装置は、モータの長寿命化、周辺機器の誤作動、雑音端子電圧の低減、感電防止に繋がる。
【実施例２】
【００３１】
図１は第２実施例の構成を示す図である。１０４は本発明による入力フィルタと出力フィルタを組み合わせた電力変換装置であり、１０５はフレームが接地されたモータ、１００は中性点かまたは３相のうちいずれかの相を接地された電源である。また、１０３は本発明による電力変換装置出力フィルタであり、１０１は本発明による入力フィルタである。
本発明の入出力一体構造型フィルタ装置を電力変換装置に内蔵することにより、ベクトル制御用電流センサを出力フィルタの出力側に配置することにより、コモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防ぐことが可能になり、Ｖ／ｆ制御だけでなくベクトル制御も可能となる。
【００３２】
また、電力変換装置の入力フィルタおよび出力フィルタを電力変換装置内蔵型にすることによって部品の数を少なくすることができるので、低コスト化、小形化にも貢献できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
電力変換装置入出力一体構造フィルタ装置を電力変換装置に付加することによって、インバータおよびマトリックスコンバータ等に代表されるような電力変換装置で発生するノイズを電源側へ流出させず、同時にモータを保護することができるので、周辺機器の誤作動防止およびモータの長寿命化が必要とされるシステムへの用途に適用できる。また、入出力一体構造フィルタ装置にすることによって、電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を抑制することが可能であるため、人体保護に繋がる。
また、電力変換装置の入力フィルタおよび出力フィルタを電力変換装置内蔵型にすることによって部品の数を少なくすることができるので、低コスト化、小形化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１および第２実施例を示す入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を示す回路図
【図２】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを示す回路図
【図３】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータの1相分を示す等価回路図
【図４】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを示すコモンモード等価回路図
【図５】本発明の出力フィルタ、モータケーブルおよびモータを電力変換装置出力端子から見た場合の相間を示す等価回路図および本発明の第１および第２実施例を示す入出力フィルタ内蔵型電力変換装置およびモータを示すコモンモード等価回路
【図６】従来技術を示す回路図（Ａ，Ｂ）および本発明の入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を示す回路図（Ｃ）
【図７】従来技術を用いた場合のモータ端子電圧を示す測定結果図
【図８】本発明の入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を用いた場合のモータ端子電圧を示す測定結果図
【図９】従来技術を用いた場合のコモンモード電圧・電流および軸電位・ベアリング電流を示す測定結果図
【図１０】本発明の入出力フィルタ内蔵型電力変換装置を用いた場合のコモンモード電圧・電流および軸電位・ベアリング電流を示す測定結果図
【図１１】雑音端子電圧を示す測定結果図
【図１２】電源側で流れる基本波成分の漏れ電流を示す測定結果図
【符号の説明】
【００３５】
１００ 電源
１０１ 入力フィルタ
１０２ 電力変換装置
１０３ 出力フィルタ
１０４ 本発明による一体化した入力フィルタと出力フィルタを組み合わせた電力変換装置
１０５ モータ
１０６ 本発明による一体化した入力フィルタおよび出力フィルタ
１０７ モータケーブル
１１０ コモンモードフィルタ
１１１ ノーマルモードフィルタ
１１２ 中性点検出用トランス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置。
【請求項２】
電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、
前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項３】
前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項４】
前記入力フィルタ（１０１）は、Ｙ結線されたコンデンサを有し、前記Ｙ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続可能な端子を備えたことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項５】
可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置を搭載したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、
前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたフィルタ装置を電力変換装置に内蔵し、ベクトル制御用電流センサを前記出力フィルタの出力側に配置してコモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防いで、ベクトル制御することを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項１】
可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置。
【請求項２】
電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、
前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項３】
前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項４】
前記入力フィルタ（１０１）は、Ｙ結線されたコンデンサを有し、前記Ｙ結線されたコンデンサの中性点に前記電力変換装置の出力フィルタの帰線が接続可能な端子を備えたことを特徴とする請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項５】
可変周波数の可変電圧を負荷に供給する電力変換装置の出力側に接続する出力フィルタは、前記電力変換装置の出力部およびモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークと各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間に並列に結線されたコンデンサと中性点検出用のトランスが接続され、前記中性点検出用トランスの中性点にコンデンサを接続するコモンモードフィルタ（１１０）と、コモンモードチョークおよびモータの間に直列に接続されたＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路と、前記ＡＣリアクトルと抵抗から構成される並列回路とモータ間の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相間にΔ結線されたコンデンサから構成されるノーマルモードフィルタ（１１１）で構成し、前記電力変換装置の出力側に前記コモンモードフィルタ（１１０）を接続し、前記コモンモードフィルタ（１１０）の出力側に前記ノーマルモードフィルタ（１１１）を接続したことを特徴とするフィルタ装置を搭載したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
電源と前記電力変換装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイル（Ｌ）、コモンモードチョークコイル（Ｌ）と前記電力変換装置間に各相それぞれに接地用コンデンサ（Ｃ１）、また各相間にＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）で構成された入力フィルタ（１０１）を設け、
前記Ｙ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）に前記電力変換装置の出力フィルタの出力フィルタ（１０３）内の中性点に一端を接続したコンデンサ（Ｃｃ２）の他端と、前記入力フィルタ（１０１）内のＹ結線されたコンデンサ（Ｃ０）の中性点（Ｎ）とを接続した帰線を備えることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記入力フィルタ（１０１）と、前記出力フィルタ（１０３）とを一体構造としたフィルタ装置を電力変換装置に内蔵し、ベクトル制御用電流センサを前記出力フィルタの出力側に配置してコモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防いで、ベクトル制御することを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１４８２５９（Ｐ２０１０−１４８２５９Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２３４５９（Ｐ２００８−３２３４５９）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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