(57)【要約】【課題】変圧器を小型化することができ、且つ、変圧器に生じる振動や騒音を小さくすることができる直流アクティブフィルタ、およびそれを備えた変換装置を提供する。【解決手段】実施形態の直流アクティブフィルタ１は、電路２に設けた電流検出装置３と、電流検出装置３の出力を取り込んで電路２に流れる電流を求める演算装置５と、電路２と並列に接続され、電路２に対して直流電流を出力するコンバータ４と、演算装置５の演算結果に基づいてコンバータ４へ制御信号を出力する制御装置６と、を備え、演算装置５は、電路２に流れる電流に含まれる直流成分の大きさを演算し、制御装置６は、演算した直流成分の大きさと同じで符号が逆になる直流電流を出力するようにコンバータ４を制御する。【選択図】図１
2019103234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電路に設けた電流検出装置と、
前記電流検出装置の出力を取り込んで電路に流れる電流を求める演算装置と、
電路と並列に接続され、電路に対して直流電流を出力するコンバータと、
前記演算装置の演算結果に基づいて前記コンバータへ制御信号を出力する制御装置と、
を備え、
前記演算装置は、電路に流れる電流に含まれる直流成分の大きさを演算し、
前記制御装置は、演算した直流成分の大きさと同じで符号が逆になる直流電流を出力するように前記コンバータを制御することを特徴とする直流アクティブフィルタ。
【請求項２】
前記コンバータは、２群の整流回路を備え、向きが互いに逆となる正負の直流電流を電路に対して出力可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の直流アクティブフィルタ。
【請求項３】
２群の前記整流回路は、それぞれ常時駆動されており、その差分を出力することによって正負の直流電流を電路に対して出力するように制御されることを特徴とする請求項２記載の直流アクティブフィルタ。
【請求項４】
前記電流検出装置は、光ファイバをセンサとして用いる光ＣＴ（Current Transformer）で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の直流アクティブフィルタ。
【請求項５】
前記電流検出装置は、電路に設けられ、二次側を閉路した電磁式ＣＴ（Current Transformer）と、光ファイバをセンサとして用い、前記電路と前記電磁式ＣＴの二次側とにそれぞれ光ファイバを直列に巻回した光ＣＴ（Current Transformer）と、により構成されており、
前記光ファイバは、電路を流れる電流の向きに対する巻回方向と前記電磁式ＣＴの二次側に流れる電流の向きに対する巻回方向とが逆向きになるように、且つ、前記光ファイバの電路側の巻回数と二次側の巻回数との比が、前記電磁式ＣＴの巻線の巻き数比と所定の範囲内で一致するように設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の直流アクティブフィルタ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項記載の直流アクティブフィルタを備えることを特徴とする変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電路を流れる直流成分を低減する直流アクティブフィルタ、および、それを備える変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧型インバータ等の変換装置に接続される変圧器には、直流が流入することによる直流偏磁を抑制するために、ギャップ付き鉄心が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８９２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、鉄心にギャップを設けると、鉄心構造が複雑になり、鉄心磁束密度を大きく取れないことから、変圧器が大型化するという問題がある。また、ギャップ付き鉄心の場合、動作時の振動や騒音が増加するという問題もある。
【０００５】
そこで、変圧器を小型化することができ、且つ、変圧器に生じる振動や騒音を小さくすることができる直流アクティブフィルタ、およびそれを備えた変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の直流アクティブフィルタは、電路に設けた電流検出装置と、電流検出装置の出力を取り込んで電路に流れる電流を求める演算装置と、電路と並列に接続され、電路に対して直流電流を出力するコンバータと、演算装置の演算結果に基づいてコンバータへ制御信号を出力する制御装置と、を備え、演算装置は、電路に流れる電流に含まれる直流成分の大きさを演算し、制御装置は、演算した直流成分の大きさと同じで符号が逆になる直流電流を出力するようにコンバータを制御する。
また、実施形態の変換装置は、上記した直流アクティブフィルタを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態による直流アクティブフィルタおよび変換装置の電気的構成を模式的に示す図
【図２】直流アクティブフィルタによるフィルタ効果を模式的に示す図
【図３】直流アクティブフィルタの動作原理を説明する図
【図４】電流検出回路の電気的構成を模式的に示す図
【図５】コンバータの電気的構成を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の直流アクティブフィルタ１は、電路２に設けられている電流検出装置３、電路２と並列に接続されて電路２に対して直流電流を出力するコンバータ４、電流検出装置３の出力を取り込んで電路２に流れる電流を求める演算装置５、演算結果に基づいてコンバータ４へ制御信号を出力する制御装置６を備えている。
【０００９】
この直流アクティブフィルタ１は、インバータ７と変圧器８の間、より詳細には、インバータ７の出力側であって変圧器８の前段側に配置されている。このインバータ７は、例えばＩＧＢＴをブリッジ接続され、図示しない制御部によりＰＷＭ制御される周知の構成を採用している。これら直流アクティブフィルタ１およびインバータ７は、変換装置９ここでは直流を交流に変換する電力変換装置を構成しており、変圧器８の二次側には接続されている負荷１０に電力を供給する。
【００１０】
ここで、インバータ７から出力される電流について説明する。図２に示すように、インバータ７の出力電流（Ｉｉ）には、交流成分だけでなく直流成分つまりは直流電流（Ｉｏｆｆ）が含まれることがある。そして、この直流電流（Ｉｏｆｆ）が変圧器８に流れると、鉄心の磁束密度に直流成分が重畳する偏磁が引き起こされ、変圧器８の鉄心に磁気飽和が生じて振動や騒音が発生する原因となる。
【００１１】
そこで、本実施形態では、コンバータ４から直流電流（Ｉｃ）、より厳密には、インバータ７の出力電流（Ｉｉ）に含まれる直流成分（Ｉｏｆｆ）と同じ大きさであって向きが逆になる直流電流（Ｉｃ）を電路２に対して出力することにより、変圧器８つまりは負荷１０側に直流電流が流れないようにしている。以下、その具体的な手法について説明する。
【００１２】
まず、図３を参照しながら、直流アクティブフィルタ１の動作原理について説明する。図３に示すように、電路２に交流電源１１および直流電源１２が存在している場合、電路２には、以下の（１）式に示すように、交流電源１１からの交流電流（Ｉａｃ）と直流電源１２からの直流電流（Ｉｄｃ）が合算された電流（Ｉｘ）が流れることになる。
Ｉｘ＝Ｉａｃ＋Ｉｄｃ      ・・・（１）
【００１３】
このとき、交流電流（Ｉａｃ）は、交流電源１１の電圧をＥａｃ、負荷１０のインピーダンスをＺとすると、以下の（２）式のように求めることができる。
Ｉａｃ＝Ｅａｃ／Ｚ      ・・・（２）
【００１４】
また、直流電流（Ｉｄｃ）は、直流電源１２の電圧をＥｄｃ、負荷１０抵抗をＲとすると、以下の（３）式のように求めることができる。
Ｉｄｃ＝Ｅｄｃ／Ｒ      ・・・（３）
【００１５】
このとき、電流検出装置３により直流電流（Ｉｄｃ）の大きさを求め、それと同じ大きさであって向きが逆になる電流を出力するように直流電流源１３を制御したとすると、直流電流源１３からの出力電流（Ｉα）と直流電流（Ｉｄｃ）との関係は、以下の（４）式のように表される。
Ｉα＝−Ｉｄｃ          ・・・（４）
【００１６】
また、負荷１０側に流れる電流（Ｉｙ）は、電路２を流れる電流（Ｉｘ）と直流電流源１３の出力電流（Ｉα）との和であることから、以下の（５）式のように表される。
Ｉｙ＝Ｉｘ＋Ｉα        ・・・（５）
【００１７】
そして、この（５）式に上記した（１）式および（４）式を代入すると、以下の（６）式に示すように、負荷１０側には直流成分が含まれていないこと、すなわち、直流成分を助教できることが分かる。
Ｉｙ＝（Ｉａｃ＋Ｉｄｃ）＋（−Ｉｄｃ）＝Ｉａｃ      ・・・（６）
【００１８】
さて、本実施形態の電流検出装置３は、図４に示すように、光ファイバ２０をセンサとして用いる光ＣＴ（Current Transformer）で構成されている。より具体的には、電流検出装置３は、電路２に設けられ、二次側を閉路した電磁式ＣＴ２１（Current Transformer）と、電路２と電磁式ＣＴ２１の二次側とにそれぞれ光ファイバ２０を直列に巻回した状態の光ＣＴと、により構成されている。
【００１９】
光ＣＴは、演算装置５と、光ファイバ２０と、光ファイバ２０の端部に設けられているミラー２２とを備えている。なお、本実施形態では、演算装置５はコンバータ４を制御する制御装置６と一体に設けられており、単一のマイクロコンピュータによって演算装置５と制御装置６とが実現された構成になっている。
【００２０】
光ＣＴでは、光源２３から照射された光が、ハーフミラー２４を通ってＴｘとして破線の矢印にて示す向きで光ファイバ２０内を伝播し、光ファイバ２０の端部に設けられているミラー２２によって光が反射することにより、光ファイバ２０内をＲｘとして破線の矢印にて示す向きで伝播して制御装置６に戻ってくる。
【００２１】
さて、光ＣＴによる電流の検出原理は周知であるので詳細な説明は省略するが、光ファイバ２０を電路２に巻回すると、光ファイバ２０内を伝播する光は、電路２の周囲に生じる磁界に沿って偏光面が回転する。このとき、偏光面の回転角であるファラデー回転角は、光ファイバ２０の巻回回数と磁界の強さつまりは電路２を流れる電流の大きさとの積に比例する。また、偏光面が回転する回転方向は、光ファイバ２０が電路２を巻回する巻回方向に依存するため、巻回方向が逆であれば回転方向も逆になる。そのため、演算装置５にて電流の大きさと向きとを演算することができる。
【００２２】
具体的には、制御装置６に戻ってきた光は、ハーフミラー２４で反射された後、光電変換部２５において電気信号に変換され、信号処理部２６においてフィルタ処理等が施された後、演算装置５によって演算される。そして、上記したように偏光面の回転は電路２を流れる電流の大きさおよび向きによって定まるため、偏光面の回転角度に基づいて、電路２を流れる電流の大きさおよび向きを演算により求めることができる。これが、光ＣＴによる検出原理である。
【００２３】
演算装置５は、電路２を流れる電流（Ｉ１＝Ｉａｃ＋Ｉｄｃ）に含まれる直流成分つまりは直流電流（Ｉｄｃ）の大きさと向きとを検出する。電流検出装置３は、電路２側の巻き数がＮ１で、二次側の巻き数がＮ２になっている電磁式ＣＴ２１が、電路２に直列に設けられている。この場合、二次側を流れる電流（Ｉ２）は、以下の（７）式で表される。
Ｉ２＝（Ｎ２／Ｎ１）・Ｉ１      ・・・（７）
【００２４】
さて、光ファイバ２０は、電路２側のある位置（Ｆａ）において電路２に巻回されており、電磁式ＣＴ２１の二次側のある位置（Ｆｂ）において、電磁式ＣＴ２１の二次側の経路２１ａに巻回されている。
【００２５】
より具体的には、光ファイバ２０は、位置（Ｆａ）において、電路２を流れる電流（Ｉ１）の向きに対して、図示右方側から見た場合において時計回り（ＣＷ）の巻回方向に、巻回数がｎ１となるように巻回されている。また、光ファイバ２０は、位置（Ｆｂ）において、電磁式ＣＴ２１の二次側に流れる電流（Ｉ２）の向きに対して図示右方側から見た場合において反時計回り（ＣＣＷ）の巻回方向に、巻回数がｎ２となるように巻回されている。
【００２６】
この場合、位置（Ｆａ）における光ＣＴの出力（Ｐａ）は、以下の（８）式のように求まる。
Ｐａ＝ｎ１・Ｉ１＝ｎ１・（Ｉａｃ＋Ｉｄｃ）      ・・・（８）
【００２７】
また、位置（Ｆｂ）における光ＣＴの出力（Ｐｂ）は、以下の（９）式のように演算する。なお、電磁式ＣＴ２１は直流電流を通さないことから、二次側に流れる電流（Ｉ２）は、交流電流（Ｉａｃ）に起因する大きさになる。換言すると、位置（Ｆｂ）において光ファイバ２０を巻回することにより、電路２に流れる電流（Ｉ１）のうち交流電流（Ｉａｃ）のみに起因する出力（Ｐｂ）を得ることができる。
Ｐｂ＝−ｎ２・Ｉ２＝−ｎ２・（Ｎ２／Ｎ１）・Ｉａｃ      ・・・（９）
【００２８】
このとき、光ファイバ２０の総合出力（Ｐａ＋Ｐｂ）は、（７）式〜（９）式に基づいて、以下の（１０）式のように表すことができる。
Ｐａ＋Ｐｂ＝ｎ１・（Ｉａｃ＋Ｉｄｃ）＋（−ｎ２・（Ｎ２／Ｎ１）・Ｉａｃ）
＝ｎ１・Ｉｄｃ＋（ｎ１−ｎ２・（Ｎ２／Ｎ１））・Ｉａｃ  ・・・（１０）
【００２９】
この（１０）式のうち、ｎ１、ｎ２、Ｎ１、Ｎ２は、光ファイバ２０の巻回数と電磁式ＣＴ２１の巻き数であり、機械的に定まる値であり、定数（Ｋ）として以下の（１１）式のように表すことができる。
Ｋ＝ｎ１−ｎ２（Ｎ２／Ｎ１）      ・・・（１１）
【００３０】
定数（Ｋ）が０である場合、すなわち、ｎ１、ｎ２、Ｎ１、Ｎ２が以下の（１２）式の関係を満たすものである場合、（１０）式は、以下の（１３）式のように直流電流（Ｉｄｃ）のみで表すことができる。
（ｎ１／ｎ２）＝（Ｎ２／Ｎ１）    ・・・（１２）
Ｐａ＋Ｐｂ＝ｎ１・Ｉｄｃ          ・・・（１３）
【００３１】
なお、電磁式ＣＴ２１の仕様によっては必ずしも（１２）式の関係が満たされない場合も想定されるものの、定数（Ｋ）がほぼ０となる関係、すなわち、光ファイバ２０の電路２側の巻回数（ｎ１）と二次側の巻回数（ｎ２）との比が、電磁式ＣＴ２１の巻線の巻き数比（Ｎ２／Ｎ１）と所定の範囲内で一致する関係であれば、総合出力（Ｐａ＋Ｐｂ）は（１３）式のように近似することができる。なお、所定の範囲は、例えば数％等、適宜設定することができる。
【００３２】
このとき、上記したようにｎ１は機械的に定まる値であるため、この（１３）式から、直流電流（Ｉｄｃ）を演算により求めることができる。このとき、ファラデー回転角の回転方向から、電路２を流れる直流電流（Ｉｄｃ）の向き、すなわち、直流電流（Ｉｄｃ）の符号も求めることができる。また、光電変換部２５での変換誤差等を考慮して、信号処理部２６においてＦＦＴ処理を施すことにより、総合出力（Ｐａ＋Ｐｂ）をより精度良く求めることができる。
【００３３】
そして、電路２に流れる電流（Ｉ１）に含まれる直流電流（Ｉｄｃ）の大きさと符号とが求まれば、コンバータ４から同じ大きさ且つ符号が逆になる直流電流（Ｉｃ）を出力すれば、電路２を流れる電流（Ｉ１）に含まれる直流電流（Ｉｄｃ）を打ち消すことができる。すなわち、変圧器８に直流電流が流れないようにすることができる。
【００３４】
本実施形態では、コンバータ４として、図５に示すように、直流電流の出力方向が異なる２群の整流回路３０を備えている。各整流回路３０は、２つのサイリスタ３１を直列に接続した直列回路が並列に接続された構成となっており、制御装置６によって制御された直流電流を出力する。各直列回路のサイリスタ３１同士が接続されている接続点には、電路２に並列に接続された電源トランス３２からそれぞれ電力が供給される。なお、本実施形態では、図示左方側の整流回路３０が正の直流電流を出力し、図示右方側の整流回路３０が負の直流電流を出力する構成になっている。
【００３５】
これら２群の整流回路３０は、本実施形態では常時駆動されており、制御装置６によってそれぞれが出力する直流電流の大きさが調整されることにより、各整流回路３０から出力された直流電流の差分となる直流電流（Ｉｃ）を、平滑リアクトル３３を介して電路２に対して出力する。なお、本実形態では１つの平滑リアクトル３３を示しているが、各整流回路３０にそれぞれ平滑リアクトル３３を設ける構成とすることもできる。
【００３６】
このように、本実施形態では、インバータ７の出力側であって変圧器８の前段側つまりは変圧器８に入力される電路２に直流アクティブフィルタ１を設けることで、変圧器８に直流電流が流れることを防止している。
【００３７】
以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
実施形態の直流アクティブフィルタ１は、電路２に設けた電流検出装置３と、電流検出装置３の出力を取り込んで電路２に流れる電流を求める演算装置５と、電路２と並列に接続され、電路２に対して直流電流を出力するコンバータ４と、演算装置５の演算結果に基づいてコンバータ４へ制御信号を出力する制御装置６と、を備え、演算装置５は、電路２に流れる電流に含まれる直流成分の大きさを演算し、制御装置６は、演算した直流成分の大きさと同じで符号が逆になる直流電流を出力するようにコンバータ４を制御する。
【００３８】
変圧器８に生じる偏磁を抑制するために鉄心にギャップを設けると、鉄心構造が複雑になり、鉄心磁束密度を大きく取れないことから、変圧器８が大型化するという問題がある。また、ギャップ付き鉄心の場合、動作時の振動や騒音が増加するという問題もある。
【００３９】
これに対して、本実施形態の直流アクティブフィルタ１は、インバータ７の出力側であって変圧器８の前段側に設けられている。これにより、変圧器８に直流電流が流れることが防止され偏磁が生じることが抑制されるため、ギャップ付き鉄心を採用するなどの特別な措置が不要となる。
したがって、変圧器８を小型化することができ、且つ、変圧器８に生じる振動や騒音を小さくすることができる。
【００４０】
また、変圧器８を製造する側にとっては、従来とは異なり、直流電流が供給されないことを前提として鉄心設計を容易に行うことが可能になる。一方、変換装置９を製造する側にとっては、従来のように変圧器８の一次側と二次側とにおける電流検出状態等に基づいてインバータ７をＰＷＭ制御する際のパルス幅等を制御するといった設計、換言すると、変圧器８に固有の特性を考慮しなければならない設計をする必要がなくなる。また、変圧器８と変換装置９とを組み合わせた後の調整も不要あるいは大きく簡素化することが可能になる。
【００４１】
このように、直流アクティブフィルタ１によってインバータ７の出力から直流電流を除去することにより、換言すると、変圧器８に直流電流が流れることを防止するという技術的思想に基づいてなされた直流アクティブフィルタ１を採用することにより、変圧器８を製造する側と変換装置９を製造する側の双方において製造性や作業性を大きく向上させることができる。勿論、偏磁を抑制できることから、性能を改善することもできる。
【００４２】
コンバータ４は、２群の整流回路３０を備え、向きが互いに逆となる正負の直流電流を電路２に対して出力可能に構成されている。これにより、重畳する直流電流の向きが変化するインバータ７を対象として直流電流を適切に除去することができる。
【００４３】
２群の整流回路３０は、それぞれ常時駆動されており、その差分を出力することによって正負の直流電流を電路２に対して出力する。これにより、例えばモータを駆動する場合等に出力電流の向きが頻繁に変化する場合であっても、迅速に必要なコンバータ４の出力を得ることができる。
【００４４】
電流検出装置３は、光ファイバ２０をセンサとして用いる光ＣＴ（Current Transformer）で構成されている。これにより、外来ノイズを受け難く、且つ、数百〜数千アンペアになることもあるインバータ７からの出力される交流電流（Ｉａｃ）に重畳する僅かな直流電流（Ｉｄｃ）を精度良く検出することができる。また、光ファイバ２０を電路２に巻回するだけでよいことから、設置を容易に行うことができることから作業性や製造性を向上でき、且つ、必要な設置スペースが小さいことから変圧器８の小型化を妨げることもない。
【００４５】
電流検出装置３は、電路２に設けられ、二次側を閉路した電磁式ＣＴ２１（Current Transformer）と、光ファイバ２０をセンサとして用い、電路２と電磁式ＣＴ２１の二次側とにそれぞれ光ファイバ２０を直列に巻回した光ＣＴ（Current Transformer）と、により構成されており、光ファイバ２０は、電路２を流れる電流の向きに対する巻回方向と電磁式ＣＴ２１の二次側に流れる電流の向きに対する巻回方向とが逆向きになるように、且つ、光ファイバ２０の電路２側の巻回数（ｎ１）と二次側の巻回数（ｎ２）との比が、電磁式ＣＴ２１の巻線の巻き数比（Ｎ２／Ｎ１）と所定の範囲内で一致するように設けられている。
【００４６】
電磁式ＣＴ２１は、二次側には直流成分が伝達されないため、電磁式ＣＴ２１の一次側と二次側とでそれぞれ電流を検出することにより、二次側で検出した電流の大きさから電路２に流れる交流電流を求めることができ、それにより、電路２に流れる直流電流つまりはコンバータ４から出力すべき直流電流を求めることができる。したがって、電路２に流れる直流電流を打ち消すことができる。
【００４７】
また、電磁式ＣＴ２１は導体の巻き数が比較的多いため、光ファイバ２０の巻回数の比（ｎ１／ｎ２）を電磁式ＣＴ２１の巻き数比（Ｎ２／Ｎ１）に完全に一致させることができない場合があるものの、所定の範囲で一致するようにすることにより、検出精度を過度に低下させることなく直流電流を検出することができる。
【００４８】
変換装置９は、直流アクティブフィルタ１を備えている。これにより、変圧器８を製造する側にとっては、従来とは異なり、直流電流が供給されないことを前提とした設計が可能になることから、鉄心の設計を容易に行うことができる。
【００４９】
実施形態では制御装置６を単体で示しているが、インバータ７をＰＷＭ制御する制御部により演算装置５や制御装置６を構成することもできる。また、光ＣＴの検出精度を確保するため、光ＣＴには専用の演算装置５を設け、コンバータ４に対する制御をインバータ７用の制御部から行う構成とすることもできる。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
図面中、１は直流アクティブフィルタ、２は電路、３は電流検出装置（光ＣＴ）、４はコンバータ、５は演算装置、６は制御装置、７はインバータ、８は変圧器、９は変換装置、２０は光ファイバ、２１は電磁式ＣＴ、３０は整流回路を示す。
【図１】
2019103234.tif 000003
【図２】
2019103234.tif 000004
【図３】
2019103234.tif 000005
【図４】
2019103234.tif 000006
【図５】
2019103234.tif 000007