(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続される波形整形フィルタにおいて、
ヒューズと、
ヒューズと直列接続された、軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと、
ヒューズ及び同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと直列接続されたフィルタリング回路であって、コンデンサと、該コンデンサと並列接続されたバリスタと、コンデンサ及びバリスタと並列接続されかつ互いに直列接続された磁気コア・インダクタ及び抵抗とを含むフィルタリング回路と
からなることを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の波形整形フィルタにおいて、該フィルタはさらに、抵抗と並列接続されたランプを含むことを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項３】
請求項１記載の波形整形フィルタにおいて、該フィルタはさらに、磁気コア・インダクタ及び抵抗と直列接続されたランプを含むことを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項４】
請求項１記載の波形整形フィルタにおいて、磁気コア・インダクタは、高い初期透磁率、低損失、及び高い飽和磁束密度を持つことを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項５】
請求項１記載の波形整形フィルタにおいて、フィルタリング回路は、臨界的にダンピングされるロー・パス・フィルタであることを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項６】
請求項１記載の波形整形フィルタにおいて、磁気コア・インダクタの応答特性は、電流及び周波数に関してほぼ線形であることを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項７】
請求項１記載の波形整形フィルタにおいて、磁気コア・インダクタの残留磁気がほぼゼロであることを特徴とする波形整形フィルタ。
【請求項８】
２つの電力ライン及び１つのニュートラル・ラインを含む交流電源に接続される波形整形フィルタ・システムにおいて、
一方の電力ラインとニュートラル・ラインとの間に接続される第１のフィルタリング回路、及び、他方の電力ラインとニュートラル・ラインとの間に接続される第２のフィルタリング回路であって、第１及び第２のフィルタリング回路の各々が、
一方の電力ラインに接続される軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと、
該同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと直列接続されるロー・パス・フィルタであって、コンデンサと、バリスタと、互いに直列接続された磁気コア・インダクタ及び抵抗からなる直列回路との並列接続からなるロー・パス・フィルタと
からなる、第１及び第２のフィルタリング回路
を含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項９】
請求項８記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、該システムはさらに、抵抗の各々と並列に接続されるランプを含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１０】
交流電源に接続される波形整形フィルタ・システムにおいて、
電源の一方側とニュートラル・ラインとの間に接続される第１のフィルタリング回路、及び、電源の反対側とニュートラル・ラインとの間に接続される第２のフィルタリング回路であって、第１及び第２のフィルタリング回路の各々が、
直列接続されたヒューズ及び軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと、
これらヒューズ及び同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと直列接続されたロー・パス・フィルタであって、コンデンサと、該コンデンサと並列接続されたバリスタと、コンデンサ及びバリスタと並列接続されかつ互いに直列接続された磁気コア・インダクタ及び抵抗とからなるローパス・フィルタと
からなる、第１及び第２のフィルタリング回路
を含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、磁気コア・インダクタが、高い初期透磁率、低損失、及び高い飽和磁束密度を有することを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、磁気コア・インダクタの残留磁気がほぼゼロであることを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１３】
請求項１０記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、該システムはさらに、抵抗の各々に並列で接続されたランプを含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１４】
三相ラインを有する三相Ｙ接続された交流電源とニュートラル・ラインとの間に接続される波形整形フィルタ・システムにおいて、各々が、３相ラインの１つとニュートラル・ラインとの間に接続された第１、第２及び第３のフィルタリング回路を備え、これらフィルタリング回路の各々は、
３相ラインの１つに接続された軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと、
同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと直列接続されたフィルタであって、コンデンサと、該コンデンサと並列接続されたバリスタと、コンデンサ及びバリスタと並列接続されかつ互いに直列接続された磁気コア・インダクタ及び抵抗とからなるフィルタと
を含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、該システムはさらに、
３相ラインの各々と同軸アモルファス・インダクタとの間に接続されたヒューズ
を含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１６】
請求項１４記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、磁気コア・インダクタが、高い初期透磁率、低損失、及び高い飽和磁束密度を有することを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１７】
三相ラインを有する３相デルタ接続交流電源に接続される波形整形フィルタ・システムにおいて、
システムが、第１、第２及び第３のフィルタリング回路を備え、
第１のフィルタリング回路が、第１の相ラインと第２の相ラインとの間に接続され、
第２のフィルタリング回路が、第２の相ラインと第３の相ラインとの間に接続され、
第３のフィルタリング回路が、第３の相ラインと第１の相ラインとの間に接続され、
第１〜第３のフィルタリング回路は、各々
相ラインの１つに接続された軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと、
同軸アモルファス・トロイダル・インダクタと直列接続されたロー・パス・フィルタであって、コンデンサと、該コンデンサと並列接続されたバリスタと、コンデンサ及びバリスタと並列接続されかつ互いに直列接続された磁気コア・インダクタ部材及び抵抗とを含んでいる
ことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の波形整形フィルタ・システムにおいて、該システムはさらに、相ラインの各々と同軸アモルファス・インダクタとの間に接続されたヒューズを含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【請求項１９】
請求項１７載の波形整形フィルタ・システムにおいて、該システムはさらに、抵抗及び磁気コア・インダクタ部材の各々と直列に接続されたランプを含むことを特徴とする波形整形フィルタ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
長年、多量の交流電力の使用を監視する任務に当たる人々は、そのような電力の品質に関心を持ってきた。現在使用されているより新しい装置の多くは、スパイク、電源サージ及びランダム無線周波数（ＲＦ）ノイズのような過渡電圧に反応しやすいが、同時に、そのような装置は、自身でも過渡電圧を生成して該過渡電圧を電力ラインに重畳してしまう。スイッチがターンオフ及びターンオンするとき、反射インパルスがライン上に作成される。モータが始動するとき、そして停止するとき、サージとして知られる電力インパルスが引き起こされる。
【０００２】
様々な種類の電動機により、ランダムＲＦ汚染に加えて、高調波が生成される。これらの種類の電力汚染により、特に電気モータ、ジェネレータ及び変圧器の効率が低下される。これらの装置に供給される電力の波形が歪められ、これにより、変圧器コア及びモータの固定子及び回転子等の装置中の鉄金属部品内に渦電流が生成されることになる。その結果、モータ内の渦電流が、例えば、同じタスクを実行するため場合であっても、熱として電力を浪費して、より多くの電力消費を招くことになる。モータは、過度の熱の影響、又は絶縁材への損傷のいずれかから破損することになり、その期待耐用年数よりずっと前に壊れる原因になる。
様々な消費者に供給される電力の品質を向上させるために、多くのことがなされてきたが、電気モータ、スイッチ、コンピュータ、及び他の電力消費デバイスの多数を運転する結果として、単一の装置内で電力汚染が生じることについての認識が、ほとんどなかった。
【０００３】
基本的に、誘導負荷は、切り替えられる時は常に、通常のピーク値より何倍も非常に高い電圧反射リンギングが、電力ラインに流れる。図１は、典型的な過渡電圧を正弦波上に重ね合わせて示している。平均的な工業あるいは商用回路網は、１０００ボルトを越える多くの過渡電圧を日々受け取る。これらの過渡電圧は、反射して、その回路網内で他の振動を引き起こす。これらの反響は、それらがシステム内で吸収されるか、損傷を与えてしまうまで、あちこちに跳ね返る。
三相ラインにおいて負荷が不平衡である時、電圧と電流間に好ましくない位相差を引き起こす他の障害が発生する。過渡電圧及びサージに応答して、ライン上に高調波ニュートラル電流が流れる。
【０００４】
前述したことから、回路網内での内部的電力汚染は、モータなとの効率から見て、装置の外部から供給される電力の非整合より、はるかに深刻な要因であることが理解される。
すべての電力の６０パーセントまでが、現在もこれからも、非線形負荷の中を流れていると推定される。電力汚染の主要な原因となるのは、そのような負荷である。
そのような電力消費装置につながる個々の電力ラインに接続され、そのような過渡電圧を吸収するか又は別の方法で除去することができ、これにより、過渡電圧が電力ラインに重畳されるのを防ぐ手段を提供することができるならば、かなりの効率ゲインを獲得することが可能になる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記したような電力消費装置に印加される交流電力から、ランダムＲＦノイズ、スパイク、サージ、及び高調波を除去し吸収する波形整形フィルタを提供することである。
本発明の他の目的は、すべてのコンポーネントを双方向とすることにより、双方向の波形整形フィルタを提供することである。
本発明の別の目的は、関連する装置に対する維持管理費用を減少させることができる波形整形フィルタを提供することである。
図面と関連させて以降の詳細な説明を考察することによって、本発明の他の目的及び作用効果が明らかになるであろう。
【０００６】
【発明の実施の態様】
本発明の波形整形フィルタは、次の方法で機能する。該フィルタは、図２に示されるようなライン（通常は、ニュートラルにつながるライン）に接続され、障害が存在する時だけ作用する。フィルタ装置は、３つの重要な機能を実行する。１．増加していく過渡電圧を検知し、電圧ピーク値を１０％越えるすべてのエネルギをクリップ及び吸収する。すなわち、例えば、実効値で１２０ボルトの電源であれば、±１９０ボルトである。
２．過渡電圧の立上り時間を遅延させて、上昇する過渡電圧がクリッピング・レベルまで「徐々に移行する」ようにする。これは、クリッピングが別のスイッチング事象を生じさせて、さらなるリンギングを引き起こさないように、実行される。
３．６０Ｈｚ以上は１０Ｈｚ当たり６ｄＢの割合で、高リンギング障害をすべてフィルタリングして吸収する。
これらの作用は、図１０に示されている。
【０００７】
図２は、本発明の波形整形フィルタをニュートラル・ラインに接続した典型的線図である。
この回路図内のコンポーネント項目は、機能上以下のように表される。
１０  ラインを保護するタイプのヒューズ
１２  軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル・インダクタ（インダクタ）
１３  金属酸化物のバリスタ
１４  ポリプロピレンＡＣ定格のコンデンサ
１５  ナノ結晶のトロイダル（環状）型の磁気コア
１６  炭素タイプのダンピング用の抵抗
１７  ネオン・ランプ
【０００８】
回路動作は、以下の通りである。
図１に示した過渡電圧が上昇すると、通常は１マイクロ秒の間、その立上り時間が、インダクタ１２によって、選択可能な所定量だけ、遅延すなわち延長され、そして、バリスタ１３によって、実効値ライン電圧のほぼ√２クランプされる。実効値１２０ボルトの電源の場合は、これが約１９０ボルトになる。このレベルは、過渡電圧の上昇の瞬間でのサージ電流及びライン・インピーダンスに依存する。バリスタ１３は、過渡電圧が生じる以前は、回路内に無限に高い抵抗として出現する。しかし、クリッピングの時点では、バリスタは非常に低いインピーダンスになり、そして同時に電流を流す。コンデンサ１４の両端の電圧は、バリスタ１３の切り替え時に瞬時に変化することができないので、コンデンサ１４は仮想的には短絡回路となり、高電流が流れるための経路を提供する。これにより、コンデンサ１４への充電が開始される。図２に示したエレメントである磁気コア１５、抵抗１６及びランプ１７は、コンデンサ１４の両端に接続されている。バリスタ１３は、高インピーダンスに切換復帰し、コンデンサ１４は、コンポーネント１５、１６及び１７にそのエネルギを転送する。このエネルギは、
Ｅ（ジュール）
＝Ｖ（クランピング電圧）×Ｉ（サージ電流）×時間
により計算される。例えば、ジーメンスＳ２０Ｋ１３０のバリスタを使用すれば、その最大エネルギ容量は、４４ジュールで、１８５〜２２５ボルトをクランプする。
【０００９】
磁気コア１５は、非常に高い初期透磁率（ｕ＝３０，０００）、極めて低い損失、及び、高い飽和磁束密度（Ｂｓａｔ＝１．２テスラ）を有する軟性の磁気エレメントである。これは、このコアが極めて容易に磁化されて、広い磁束浸透に渡って、この状態を維持することを意味している。従って、コンデンサに印加されたエネルギは、今やその高い磁気コアの「貯蔵所」に移される。その後、このエネルギは、抵抗１６及びランプ１７の等価抵抗の中へと処理され、そこでは、より長い時間スパンをかけて、エネルギが収集され吸収される。
この回路網は、外乱エネルギを吸収することに加えて、ロー・パス・フィルタとしても有効に機能する。
【００１０】
ロー・パス・フィルタ回路網の詳細を検討することが重要である。
電圧クランピング・デバイスは、バリスタ１３と称したものであるが、以降では単に「ＭＯＶ」１３と表すことにする。このＭＯＶ１３は、デバイスを通過する電流、又はその端子の両端の電圧に依存して変化する可変インピーダンスを有するコンポーネントである。非線形インピーダンス特性が示され、オームの法則が当てはまるが、方程式は変数Ｒを有する。インピーダンスの変化は単調であり、不連続性を含まない。
【００１１】
前に記述したように、ＭＯＶ１３の存在によって、この回路は、クランピング・レベルより低い任意の定電圧に対する過電圧の過渡状態が現れる前と後とで、本質的に影響を受けない。電圧クランピング作用は、電圧が上昇するにつれて、増大された電流がそのデバイスを介して引き込まれる結果として、生じる。この電流増加が電圧上昇より大きい場合、インピーダンスは非線形である。
電圧の明かな「クランピング」は、増大された電流により、電源インピーダンスの電圧降下（ＩＲ）が増大された結果として、生じる。デバイスは、電源インピーダンスに依存して、クランピングを提供する。図３に示すように、この作用は、分圧器として示すことができる。
【００１２】
分圧器の比率は一定ではなく、変化する。電源インピーダンスが非常に低い場合、分圧比は低い。ＭＯＶ１３は、ゼロに近似する電源インピーダンスでは硬化を発揮できないが、分圧作用が実行可能な場合に最もよく機能する。
ＭＯＶが過電圧の過渡状態を除去する役割を果たすただ一つのコンポーネントである場合には、その非線形スイッチング動作により、さらなるリンギング過渡電圧が生成される可能性があることが、容易に理解されるであろう。
その結果起こる過渡電圧のリンギング周波数成分は、交流回路、及び直流回路の電源ラインの周波数の数倍の大きさとなる。
従って、明白な解決法は、過渡電圧の発生源とデリケートな負荷との間にロー・パス・フィルタを組み込むことである。
【００１３】
フィルタの最も単純な形態は、電源ラインに跨って置かれたコンデンサである。コンデンサのリアクティブなインピーダンスが、電源（ソース）インピーダンスと共に分圧器を形成し、その結果、高周波の過渡電圧を減衰させることになる。
この単純なアプローチは、次のような不所望の副作用を呈することがある。
１．回路のどこか他のところに配置された誘導コンポーネントとの好ましくない共振が生じ、これにより、高いピーク電圧が発生する。
２．スイッチング中に高い突入電流が生じる。
３．電源システムの電圧に、過度のリアクティブ負荷が生じる。
【００１４】
これらの好ましくない影響は、直列抵抗を追加することで弱めることができる。しかしながら、抵抗が追加された場合、クランピングの効果を低減するという欠点が生じる。
首尾よく過渡の過電圧エネルギをクランピングし、弱め、吸収することを最大限に達成するために、浸透性の高い磁気コアが、上記に言及されたコンデンサ及びダンピング抵抗に組み入れられる。
二次チューニングによって、臨界的にダンピングされたＲＬＣロー・パス・フィルタが作り出される。このようにして、今しがた上で言及した好ましくない影響を排除することができる。しかしながら、単なる通常のインダクタンスでは十分に機能しない。以後「Ｌ」と称するこの磁気コア１５に対する特別な要件は、以下の通りである。
【００１５】
１）コンデンサの特性は、周波数に関して非線形であるが、電流に関して線形であるので、電流と周波数に関するＬの応答特性は、線形でなければならない。この応答特性の要件は、磁束密度Ｂに対する磁化力Ｈのヒステリシス・グラフとして、図４に示されている。
２）衝撃振動波は、統計的に、直流成分を持たない純粋な正弦波として平衡を保てないので、リンギング周波数の各サイクルに対して、磁気コアがリセットされることが必要である。上記グラフに示したように、この要件は満足されるが、残留磁気Ｂｒも保磁力と同様に基本的にゼロに近いことが注目される。
３）Ｌは、衝撃リンギング波の全成分に渡って、予め設定したレベルで機能するために、１ＭＨｚを越えて変動する周波数に関して安定を保たなければならない。この要件は、本発明の波形整形フィルタに特定の磁性体を組み込むことにより、満足される。
４）磁気コアＬのパルス透磁率に対する磁束密度の変化は、図５のグラフに示すように、指定された範囲の中に留まらなければならない。
上述した透磁率の範囲は重要であり、これは、発生源からのランダム・ドライブの下で、インダクタンス値がその所定のレベルに留まらなければならないからである。
【００１６】
図６に示すように、回路網は基本的に直列ＲＬＣ回路の形態をとる。
このシステムのための有効な方程式は、次のように与えられる。
ｄ2ｉ／ｄｔ2＋Ｒ／Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＋ｉ／（ＬＣ）＝０
ｓ2＋Ｒ／Ｌ・ｓ＋ω02＝０
ｄ／ｄｔ＝ｓ
ただし、ｄ／ｄｔ＝ｓ      ルートは
Ｓ1，Ｓ2＝−Ｒ／（２Ｌ）±√［（Ｒ／（２Ｌ）2−１／（ＬＣ）］
臨界抵抗は、
Ｒcr＝２√（Ｌ／Ｃ）
のように決定される。
また、対応するダンピング比は、
ζ＝Ｒ／Ｒcr＝Ｒ／２・√（Ｃ／Ｌ）
である。
固有周波数は、
ωn＝１／√（ＬＣ）
及び
Ｒ／Ｌ＝２ζωn
によって与えられる。
以上から、特性式は、Ｓ2＋２ζωnＳ＋ωn2となる。
【００１７】
ナノ結晶のコア材料の特別な性質を実現することで、上記の特性式中の２つの重要なパラメータζ及びωnが、フィルタ・システムの性能を左右することができ、そして実際に左右する。その性能は、遮断周波数特性及び適切なダンピングに基づいて、電流のチャネリング及びチューニングに重点が置かれる。
ダンピング比ζは、衝撃リンギング過渡電圧が（図２に示したように）回路内の消費体Ｒによって処理され吸収されることができるように選択され、最終的な周波数ωnは、ディケイド（１０Ｈｚ）当たり−４０ｄＢのロールオフが、特定のシステム内で求められるような高い周波数で、十分な減衰を引き起こすことができるように、決定される。
上述したフィルタの動作にとって、コア材料と回路構成の組合せがキーポイントである。
【００１８】
図７は、単相の電源ラインに接続されている、本発明の２つの波形整形フィルタを示す概要図である。この例において、単相電動機１８が、ライン１９及び２０を通して、交流電源に接続されて示されている。ライン１９及び２０の各々と、ニュートラル・ライン２１との間に、２つの同一の波形整形フィルタ２２が接続される。分離したグランド・ライン２３は、モータ・ハウジングとアースの間に接続される。
上記したフィルタ２２は、ヒューズ１０、ヒューズと直列接続された軟磁性体の同軸アモルファス・トロイダル（環状）・インダクタ１２、並びに該同軸インダクタ１２とニュートラル・ライン２１との間に接続されたコンデンサ１４を含む。ＭＯＶ２６と、互いに直列に接続された磁気コア２８及び抵抗１６を備えた巻線とが、コンデンサ１４に並列接続される。ランプ３２は、抵抗３０と並列に接続される。グランド・ライン２３は、モータ１８のケースと、アース又はそれと同等物との間に接続される。
【００１９】
図８は、三相のＹ字状回路網において三相電動機３６に接続された３つの波形整形フィルタ２２を示す概要図である。各フィルタ２２は、相ライン４０、４２又は４４のうちの１つと、ニュートラル・ライン４６との間に接続されている。図１の場合のように、分離したグランド・ライン４８は、モータ３６のケースとアースとの間に接続される。フィルタ２２の各々は、コンポーネントの値が、加えられる電圧などに従って変化するという点を除いて、図７の場合と同一である。
【００２０】
図９は、三相デルタ回路網において、三相電動機５０に接続された３つの波形整形フィルタを示す概要図である。この場合、波形整形フィルタ５２は、相ライン５４、５６及び５８中に接続される。各フィルタ５２は、抵抗３０、ランプ３２、及び磁気コアと巻線２８が全て、コンデンサ２４の両端に直列接続されるという点を除いて、基本的にフィルタ２２に似ている。このバリエーションは、要求される実効抵抗に依存する設計選択の問題である。分離されたグランド・ライン６０は、モータ５０のケースとアースとの間に接続される。
【００２１】
本発明の上述の実施例は、その原理を単に示したものであり、限定する意図はない。本発明の適用範囲は、それらと同等物を含む特許請求の範囲から決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】正弦波形に重畳された高周波の過渡電圧に起因する、正弦波形の歪みを示すグラフである。
【図２】基本的な波形整形フィルタ・システムの概要図である。
【図３】過渡電圧抑止システムの特性を示す分圧器の概要図である。
【図４】出願人のシステム内の磁気コアの特性を持つ典型的なＢ−Ｈ曲線を示すグラフである。
【図５】出願人のシステム内の磁気コアの磁性体の磁束密度に対するパルス透磁率を示すグラフである。
【図６】過渡電圧抑止システムの特性を示す、単純化された等価ＲＬＣ回路である。
【図７】単相電動機に接続されるときの、本発明の波形整形フィルタ・システムの概要図である。
【図８】三相Ｙ字状回路に接続された、図７に示されたのと同じ波形整形フィルタ・システムの概要図である。
【図９】三相デルタ回路に接続された、本発明の波形整形フィルタ・システムの概要図である。
【図１０】フィルタ作用を示す波形である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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