(57)【要約】【課題】パラメータ変動の影響を補償し、電力変換に伴うノイズを広帯域で抑圧し、電力変換器を小型化する。【解決手段】スイッチングに伴うコモンモード変動を予測計算する手段、実際のコモンモード変動を検出する手段、前記コモンモード変動検出値を前回のスイッチング時の検出値と比較する手段、前記比較手段の比較結果により増幅度が微少修正される可変ゲイン増幅器、前記可変ゲイン増幅器の出力と前記コモンモード変動検出値と加算する加算手段、前記電気機器の電力形態変換部から前記電気機器の筐体へと前記加算手段の出力に略比例する電力を供給する手段を具備し、前記スイッチング時のコモンモード変動の予測計算手段の出力結果を前記可変ゲイン増幅器に入力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流もしくは直流の電源から得られた電力をスイッチング素子により所望の電力形態に変換して利用する電気機器において、前記スイッチング素子のスイッチングに伴って前記交流もしくは直流の電源と前記電気機器との間に生じるコモンモード変動を予測計算する手段と、実際に生じたコモンモード変動を検出する手段と、前記コモンモード変動検出値を前回のスイッチング時のコモンモード変動検出値と比較する手段と、前記比較手段の比較結果により増幅度が微少修正される可変ゲイン増幅器と、前記可変ゲイン増幅器の出力と前記コモンモード変動検出値を加算する加算手段と、前記電気機器の電力形態変換部から前記電気機器の筐体へと前記加算手段の出力に略比例する電力を供給する手段を具備し、前記スイッチング時のコモンモード変動の予測計算手段の出力結果を前記可変ゲイン増幅器に入力することを特徴とするノイズ抑圧装置。
【請求項２】
コモンモードの変動検出手段が、交流もしくは直流の電源と変換された電力形態変換出力との間に設けられたコモンモードチョークコイルのコアに二次側のコイルを巻き付けてコモンモードトランスを構成し、前記コモンモードトランスの二次側コイルの出力値であることを特徴とする、請求項１記載のノイズ抑圧装置。
【請求項３】
交流電源の中性点もしくは大地電位と最も近い電位の箇所と前記電気機器の筐体との電位差をもって、コモンモード変動の検出値とすることを特徴とする、請求項１記載のノイズ抑圧装置。
【請求項４】
コモンモード変動検出値が一定のレベルを超えている場合には、可変ゲイン増幅器への増幅度の微少修正量を増大させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のノイズ抑圧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータエアコンなどのように、家庭などの商用電源や直流電源からの電力を電力スイッチング素子を用いて、任意の周波数や電圧などに変換して動力などを発生させる電気機器における、電源ラインの伝導ノイズや電気機器から大地への漏洩電流を減少させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インバータエアコンなど、インバータ回路を用いてモータ可変速駆動を行う場合には、インバータ回路、特に、三相ブリッジ回路１０２によるスイッチングによるコモンモード成分の変動に起因して電源ラインにおける伝導ノイズを発生してしまう。この伝導ノイズの低減には、図６に示すように、１０５用電源とモータ駆動回路全体との間にノイズフィルタ１０８を挿入し、インバータ回路１０２により発生した伝導ノイズを商用電源側に伝導しないように減衰遮断していた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、電子的にノイズを抑圧制御する方法も提案されており、図７に示すように、ノイズフィルタと同様の効果を有するコモンモードチョークに二次側のコイルを巻付けてトランス化して、コモンモードトランス７として、コモンモードトランス７の二次側でノイズの基本成分であるコモンモード成分を検出して、ハーフブリッジ回路８を駆動し、ハーフブリッジ回路８の出力からコンデンサ９ａを介して、機器のシャーシ（筐体）との間の電位差を制御する。コンデンサ９ａは略直流部分からシャーシへと連続的に電流が流れ込まないようにするものである。この制御を行うことにより、機器のシャーシとの間に生じているコモンモード成分が抑圧され、コモンモード成分に起因する漏洩電流や伝導ノイズが抑圧される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
なお、コモンモードトランス７の挿入位置としては整流ダイオードブリッジ４の手前以外にも、整流ダイオードブリッジ４と平滑コンデンサ３との間であっても同様の効果が得られる。
【０００５】
しかしながら、図７の場合には、ハーフブリッジ回路８にかなり高速応答性が要求され、フィードバック制御ゲインを上げて高速応答化しようとしても、回路の応答遅れなどにより制御系が不安定になってしまう。また、ハーフブリッジ回路８のような高電圧回路を高速でリニア動作させるには、ある程度のアイドル電流を流しておく必要があり、ハーフブリッジ回路８が発熱し、放熱部品を必要とするなどで機器が大型化してしまうという課題がある。結局、伝導ノイズよりも、漏洩電流のような比較的低い周波数帯域でのみ効果があり、伝導ノイズに対しては、図６で示したようなノイズフィルタで抑圧することになる。
【０００６】
このため、ノイズ制御系の高速応答を主眼にした方法として、フィードバック制御に頼るのではなく、フィードフォワードでノイズをキャンセルする方法が提案されている。
【０００７】
図８は、ノイズキャンセル用に三相ブリッジ回路８２を新たに設け、モータと同じ特性をもったインピーダンス網を駆動するものである。
図８において、制御回路８６は、モータ１を駆動するための三相ブリッジ回路２を正弦波ＰＷＭなどの公知の方法で制御するとともに、もうひとつの三相ブリッジ回路８２を出力側のインピーダンス網８３がモータ１とは逆の電位関係、すなわち、モータ１用三相ブリッジ回路２の駆動とは上アームと下アームのスイッチングが逆になっているように制御する。このように制御することにより、モータ１を介して、大地に与えたコモンモード電位をキャンセルする逆特性のコモンモード電位を発生せしめ、漏洩電流や伝導ノイズを低減することができる（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
図９は図８の方法と図７の方法とを組み合わせたものである。すなわち図９では、コモンモードトランス７でコモンモード電流を検出し、誤差増幅１３、ハーフブリッジ回路８、コンデンサ９ａによるフィードバック制御ループと、コモンモード変動を予測し、その予測パルスを発生させる、制御回路９６、コンデンサ９ｄ、増幅回路１００、加算回路１２、ハーフブリッジ回路８、コンデンサ９ａによるフィードフォワードループで構成されている。コンデンサ９ｄは、予測したコモンモード変動の変動以外の成分が増幅回路１００に入力されないようにするものである。これらにより、フィードバックループでは応答しきれないノイズに対しては、フィードフォワードループで改善することができるようになっている。すなわち、エネルギの大きい低周波域のノイズには、フィードバックループで制御され、高周波のノイズはフィードフォワードループで制御されることになる（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
山村昌監修、大野栄一編著「パワーエレクトロニクス入門（改訂２版）」（第８章２節、図８・４）平成３年発行、オーム社
【特許文献１】
特許第３０４４６５０号公報
【特許文献２】
特開平９−２３３８３７号公報
【特許文献３】
特開２００２−５１５７０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、第一例では、ノイズフィルタの主要部品であるコモンモードチョークコイルが極めて大型になってしまうという課題を有していた。また、第二例では、フィードバック制御でノイズを抑圧しようとしているが、実際にフィードバック制御の応答を確保することが困難であり、周波数の高いノイズは、第一例のようなフィルタで除去する必要があるという課題がある。
【００１１】
また、第三例、第四例では、フィードフォワード制御により速応性を確保することが提案されているが、フィードフォーワード制御は、原理的に制御対象のパラメータがわかっていることが前提である。すなわち、三相ブリッジ回路２などの電力変換回路部分やモータ１のインダクタンスやモータフレームとの間の浮遊静電容量などのパラメータが既知であることが前提である。さらに、これらのパラメータを事前に知り得たとしても、機器の運転状況に応じて変化する場合もあり、フィードフォワード制御の操作量のほうが大きくなってしまうと、逆方向のノイズ発生にもなってしまう。ここで、フィードバックループを併用することにより、パラメータ変動を吸収することもある程度は可能であるが、そもそもフィードフォワードループは速応性を改善するものであり、パラメータ誤差による影響は高周波成分として現われるので、フィードバックループでは抑圧しきれない。このため、実際のフィードフォワード制御系を十分動作させることは困難であった。
【００１２】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、安定でノイズを広帯域で抑圧することが可能なノイズ抑圧装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、交流電源から得られた電力をスイッチング素子により所望の電力形態に変換して利用する電気機器において、前記スイッチング素子のスイッチングに伴って前記交流もしくは直流の電源と前記電気機器との間に生じるコモンモード変動を予測計算する手段と、実際に生じたコモンモード変動を検出する手段と、前記コモンモード変動検出値を前回のスイッチング時のコモンモード変動検出値と比較する手段と、前記比較手段の比較結果により増幅度が微少修正される可変ゲイン増幅器と、前記可変ゲイン増幅器の出力と前記コモンモード変動検出値を加算する加算手段と、前記電気機器の電力形態変換部から前記電気機器の筐体へと前記加算手段の出力に略比例する電力を供給する手段を具備し、前記スイッチング時のコモンモード変動の予測計算手段の出力結果を前記可変ゲイン増幅器に入力するものである。
【００１４】
この構成をなすことにより、予測によるフィードフォワードループが、コモンモード電流が逐次少なくなるというフィードバック制御系になり、機器の運転に伴う、温度変化などによるパラメータ変動が発生しても、追従していくことが可能になり、パラメータ変動の影響をキャンセルし、かつ速応性も確保できる、安定で広帯域なノイズ抑圧が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１において、交流電源５は、インバータエアコンなどの電気機器においては、コモンモードトランス７を経由して、整流ダイオードブリッジ４と平滑コンデンサ３により略直流に変換され、三相ブリッジ回路２と制御回路６により、疑似三相交流に変換され、モータ１を駆動する。
【００１７】
一方、コモンモードトランス７で検出されたコモンモード電流は誤差増幅器１３を経て、制御回路６に送られるとともに、加算回路１２に送られる。加算回路１２では、可変ゲイン増幅器１０の出力と加算され、ハーフブリッジ回路８を駆動する。ハーフブリッジ回路８の出力はコンデンサ９ａを介して電気機器のシャーシとつながっている。制御回路６では、モータ１を駆動するための三相ブリッジ回路２の制御信号を発生するとともに、コモンモード電流を読込みと、予測出力としてフィードフォワードパルスの出力を行う。フィードフォワードパルスはコンデンサ９ｄを経由して可変ゲイン増幅器１０に送られ、制御回路６からの増幅度指令にもとづいて、その結果を加算回路１２に送る。
【００１８】
したがって、コモンモードトランス７、誤差増幅回路１３、加算回路１２、ハーフブリッジ回路８とコンデンサ９ａとで、フィードバック制御ループが構成され、制御回路６、可変ゲイン増幅器１０、加算回路１２、ハーフブリッジ回路８とコンデンサ９ａとで、フィードフォワード制御系が構成され、制御回路６にコモンモード電流値を取り込み、フィードフォワード制御系のパラメータの調整を行う。これにより、フィードフォワード制御系にパラメータ変動などの影響をキャンセルするような一種のフィードバック制御系を構成している。
【００１９】
図３は制御回路６の内部の構成例を示した回路ブロック図である。制御回路６はいわゆるマイクロコンピュータで実現され、ＣＰＵ３１ではモータ１を駆動する三相ブリッジ回路２の駆動制御を、三相ＰＷＭ発生用タイマカウンタ３６を操作することで実現する。三相ＰＷＭ発生用タイマカウンタ３６の出力は三相ブリッジ回路２へと送られるとともに、ＯＲ回路３７へと送られる。ＯＲ回路３７では三相ＰＷＭ発生用タイマカウンタ３６の全出力をＯＲ演算することにより、後段の微分回路３８をあわせて、三相ＰＷＭ発生用タイマカウンタ３６の出力のエッジ、すなわち、コモンモードの変化タイミングを予測していることになる。微分回路３８の出力は、ＣＰＵ３１の割り込み要求信号として用いられるとともに、サンプル＆ホールド回路３２のサンプリングパルスとして、コモンモード電流検出値をサンプル＆ホールドする。サンプル＆ホールドされたコモンモード電流検出値はＡＤ変換機３３へ送られ、ＣＰＵ３１で処理できるデジタル量に変換され、ＣＰＵ３１に読込む。さらに、微分回路３８の出力は極性発生回路３５へと送られ、ＣＰＵ３１からの極性設定信号に基づき、プラス方向もしくはマイナス方向のパルスに変換された後、可変ゲイン増幅器１０に入力される。一方、可変ゲイン増幅器１０への増幅度指令は、ＣＰＵ３１からＤＡ変換器３４でアナログ値に変換された後、可変ゲイン増幅器１０へと送られる。極性発生回路３５は、次のコモンモード変化時にプラス方向に変化するのかマイナス方向に変化するのかに基づいて微分回路３８の出力の極性を切り替える。なお、マイクロコンピュータには図３に示した回路ブロック以外の回路も通常は含まれているが、図および説明は発明の説明に直接関連するものだけに限定し、他は省略している。
【００２０】
図４は、実施例における、信号波形を示した波形図である。同図（１）は発生するコモンモードノイズであり、急激に立上がり、ただちに減衰する波形である。同図（２）は検出し増幅したときの出力波形であり、回路の遅れ、高周波特性の限界から、少し遅れ、かつ急峻性が少なくなっている波形になる。このままでは、急峻部分のキャンセルができないので、同図（３）のようにフィードフォワードを用いる。フィードフォワードは、コモンモード発生と同時に立上がるように調整することも可能である。また、フィードフォワードのパルスの振幅は図５でも示すようにＣＰＵ３１により調節制御される。検出＆増幅出力（２）とフィードフォワードのパルス（３）を加算すると、同図（４）のような元のノイズ信号に似た信号が作成され、急峻成分まで、キャンセルすることができる。
【００２１】
図５は、ＣＰＵ３１における、微分回路３８による割り込み、すなわちＰＷＭのエッジによる割り込みの処理内容を示したフローチャートである。ＣＰＵ３１は、割り込み処理として、レジスタの退避などの一般的な割り込み処理の最初の処理を行った後、処理５１でＡＤ変換器３３でノイズレベル、すなわちコモンモード電流の値を読込む。次に判断５２で、このノイズレベルが極性設定値と同一極性か逆の極性かを調べる。同一極性の場合は、処理５３へと進み、可変ゲイン増幅器１０の増幅度を微少増加（デジタル量では、＋１）させる。逆極性の場合には、処理５４へと進み、可変ゲイン増幅器１０の増幅度を微少減少（デジタル量では、−１）させる。次に処理５５に進み、次のエッジがどちらの極性になるのかを調べ、その結果を極性設定として極性切換回路３５へと送っておき、退避レジスタの復帰などの一般的な割り込みの終了処理を行って、処理割り込み処理を終了する。
【００２２】
図５での処理の結果、可変ゲイン増幅器１０の出力によるフィードフォワードが補償不足であれば、コモンモードと同一極性のノイズが残留し、フィードフォワードが補償過剰であれば、コモンモードと逆極性のノイズが発生するようになるので、可変ゲイン増幅器１０の増幅度を微少修正していくことにより、温度変化や経時変化などによりパラメータが変動しても、常に適切なフィードフォワードの補償量が得られることになる。なお、増幅度を微少修正していくことは、突発的な外来ノイズに対しても殆ど反応しないことになり、結果として、フィードフォワード制御系の補償量調整制御系を安定に動作させることに寄与している。
【００２３】
（実施の形態２）
図２は、コモンモードトランスを用いてコモンモード電流を検出し、ノイズ抑圧制御を行うかわりに、電源ラインのノイズを直接検出して、ノイズ抑圧制御を行うことで同様の効果を得る実施例の回路ブロック図である。
【００２４】
図２において、単相交流電源５の双方の線にそれぞれコンデンサ９ｂ、９ｃを接続し、コンデンサ９ｂ、９ｃの残りの一端を接続して、誤差増幅器１３の反転入力側に入力する。また、誤差増幅器１３の残りの入力端子（非反転入力端子）はシャーシに接続する。誤差増幅器１３の反転入力端子は、交流電源とはコンデンサを介して接続されているのは、電源周波数の電流が交流電源側からシャーシへと、連続的に流れ込むのを防止するためである。これらにより、誤差増幅器１３は交流電源５の中性点電位とシャーシ電位との差を検出することになるが、交流電源５の中性点電位とシャーシ電位との差は、コモンモード電位、すなわちノイズと同じになるので、増幅して、ハーフブリッジ８を駆動してやれば、ノイズ抑圧が実現できる。なお、図２の回路では、誤差増幅器１３の非反転入力が、シャーシに直接接続されているので、三相ブリッジ回路２やハーフブリッジ回路８との間に大きな電位差を生じている。このために、誤差増幅器１３の出力を、一旦、絶縁増幅器２１に入力し、大きな電位差の影響を受けないようにして、後段の制御回路６や加算回路１２に信号を送るようにする。絶縁増幅器２１は、フォトカプラなどで実現することが可能である。
【００２５】
なお、発明の実施形態１および２において、電源は単相交流電源で説明したが、三相交流電源であっても同様の効果を得ることが実現できることはいうまでもない。また、同様に、実施形態１および２の説明において、整流ブリッジダイオード部分を全波整流形式として説明したが、図３と同様に、倍電圧整流回路を用いても同様の効果を得ることができることはいうまでもないし、整流回路がダイオードだけによるもの以外のトランジスタなどによるアクティブな素子を用いて電源力率を向上させる構成のものでも同様の効果を得ることができる。さらにまた、日本国内の家庭用の１００Ｖ電源は片方の線が大地と同じ電位となるように給電されており、この場合には、実施の形態２においては、１００Ｖ電源の大地と同じ電位となるように配線されている線から誤差増幅器１３の反転入力へと、コンデンサなどで簡易的に絶縁して入力することも可能である。
【００２６】
なお、本発明におけるノイズ抑圧はフィードバック機能を有するフィードフォワード制御と、直接のフィードバック制御によって成り立っているが、制御系をより安定に構成するために、位相補償などの手法が実施されるが、本発明では、例えば、誤差増幅回路１３のところで、制御系の位相補償などを行えば制御系の特性改善を実現できることは容易に推察できる。また、フィードフォワード系においては、ノイズレベルが非常に大きいときには、図５の処理５３、５４において、可変ゲイン増幅器１０への増幅度の修正量を少し大きくするなどの処置を行えば、制御系の特性改善を実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明は、交流もしくは直流の電源から得られた電力をスイッチング素子により所望の電力形態に変換して利用する電気機器において、前記スイッチング素子のスイッチングに伴って前記交流もしくは直流の電源と前記電気機器との間に生じるコモンモード変動を予測計算する手段と、実際に生じたコモンモード変動を検出する手段と、前記コモンモード変動検出値を前回のスイッチング時のコモンモード変動検出値と比較する手段と、前記比較手段の比較結果により増幅度が微少修正される可変ゲイン増幅器と、前記可変ゲイン増幅器の出力と前記コモンモード変動検出値を加算する加算手段と、前記電気機器の電力形態変換部から前記電気機器の筐体へと前記加算手段の出力に略比例する電力を供給する手段を具備し、前記スイッチング時のコモンモード変動の予測計算手段の出力結果を前記可変ゲイン増幅器に入力するものである。
【００２８】
また、本発明は、コモンモードの変動検出手段が、交流もしくは直流の電源と変換された電力形態変換出力との間に設けられたコモンモードチョークコイルのコアに二次側のコイルを巻き付けてコモンモードトランスを構成し、前記コモンモードトランスの二次側コイルの出力値であるものである。
【００２９】
また、本発明は、交流電源の中性点もしくは大地電位と最も近い電位の箇所と前記電気機器の筐体との電位差をもって、コモンモード変動の検出値とするものである。
【００３０】
また、本発明は、コモンモード変動検出値が一定のレベルを超えている場合には、可変ゲイン増幅器への増幅度の微少修正量を増大させるものである。
【００３１】
この構成をなすことにより、電源ライン上の伝導ノイズを、パラメータ変動をキャンセルして、広帯域で抑圧することができ、ノイズフィルタを簡略化でき、電気機器を小型できる。
【００３２】
なお、本発明の実施例の説明にあたっては、電力の形態を変換してモータを駆動する例で説明したが、交流の電力を略直流に変換した後、別の形態に変換するうもので、コモンモード変動によるノイズや漏洩電流が発生するものであれば、本発明が適用できることは言うまでもないことである。さらに交流電源ではなく、直流電源を用いて電力変換を行う場合でも、直流電源のライン上にノイズが載ることが好ましくない場合、例えば同じ直流電源から別の機器も駆動されている場合などにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示すブロック回路図
【図２】本発明の実施の形態２を示すブロック回路図
【図３】本発明の実施の形態１および２における制御回路の構成を示すブロック回路図
【図４】本発明の実施の形態１および２における信号波形図
【図５】本発明の実施の形態１および２の制御回路の処理手順を示すフローチャート
【図６】第一の従来例の回路ブロック図
【図７】第二の従来例の回路ブロック図
【図８】第三の従来例の回路ブロック図
【図９】第四の従来例の回路ブロック図
【符号の説明】
１  モータ
２  三相ブリッジ回路
４  整流ダイオードブリッジ
６  制御回路
７  コモンモードトランス
８  ハーフブリッジ回路
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ  コンデンサ
１０  可変ゲイン増幅器
１２  加算回路
１３  誤差増幅器
３２  サンプル＆ホールド回路
３５  極性発生回路
３６  三相ＰＷＭ発生用タイマカウンタ
【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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