論文の公開元へパッシブおよびアクティブなフィルタによる電力変換装置のノイズ低減手法に関する研究
概要
近年の電力用半導体素子のさらなる高速化に伴い，スイッチング周波数の高周波化が進み，インバータが発生する EMI(Electro-magnetic Interference)ノイズは大きな問題となっている。EMI ノイズは電線を伝わる伝導ノイズや空中を伝わる放射ノイズに代表され，これらの発生量に対して国際的な法規制が発効されている(1)-(3)。
同じく鉄道車両においても，電気車用駆動システムとして VVVF インバータ搭載機器が一般的となり，インバータが発生する電磁ノイズによる障害がないよう設計が求められている(4)-(8)。例として，電気車駆動のための負荷電流に重畳し，架線と軌道に伝導して流れる帰線電流ノイズが所定のレベルを超えると，軌道信号回路の軌道リレーなどに影響を及ぼすことが指摘されている(4)(9)。さて，ノイズとして問題となる周波数や許容レベルは信号回路により多様であり，電気車が発生する帰線電流ノイズに対して評価上注意を要する信号が複数存在する(7)(10)(11)。これまでの報告においても，例えば国内において実施されている代表的な車両での誘導障害対策とその課題が示されている(7)。鉄道車両の誘導障害試験において，誤動作が頻発する許容値の厳しい信号機器を周波数帯別に列挙し，その主な車両側のノイズ発生要因，ならびにノイズ抑制対策による車両性能や車体側への影響が示されている(7)。
さて，鉄道車両において，高周波のノイズを低減する場合には，パッシブフィルタによる対策が有効な手段となる。高周波を扱う信号回路の例として，一部の在来交流線に設置されている速度照査用の ATS(Automatic Train Stop)ループ（105 kHz）があり，ループコイルの誘起電圧が 11 mV を超えないレベルであることが評価される。すなわち電気車が発生する当該周波数のノイズが評価対象となる。また交流線であることから，電気車では主変圧器を介して 1 次側の高電圧を 2 次側に降圧してコンバータ回路が接続されるため，コンバータ及びインバータが発生するノイズ電流は主変圧器を介してレールに流出し帰線電流ノイズとなる。一方，主変圧器は巻線間浮遊容量の影響により高周波において複雑なインピーダンス特性をもつ(12)。主変圧器のインピーダンス特性の例として，100 kHz 帯にも共振点が存在し，当該共振点が 105 kHz に一致する場合には大きな共振電流が発生し，その結果，帰線電流ノイズを増長するという課題がある。
さらに，他の障害の例として AM ラジオノイズがあり(13)(14)，当該ノイズの低減は，車内における乗客の AM ラジオ聴講を良好にするという旅客サービスの一環としても重要視される。従来の報告では，直流電気車両が発生する 500 Hz 以下の帰線電流を対象とし，そのスペクトル形状と波高値を評価している(15)。また別の報告では，新幹線における ATC 装置に対する 2 kHz 以下の誘導障害を対象とし，その予測計算の高度化について報告されている(16)。しかしながら，AM ラジオ帯域を含む 500 k～1.5 MHz に着目したノイズ対策手法，並びにラジオノイズに起因する電流を対象とした回路シミュレーション手法に関する報告はこれまでない。したがって，上記ノイズ対策手法ならびに回路シミュレーション手法の確立が課題である。
また，数 10Hz 等比較的低周波の帰線電流ノイズの発生要因として，インバータやセンサが完全に理想状態と成り得ず誤差を発生する点が挙げられ(17)，このような外乱によりインバータ基本周波数成分のパワーリプルが発生し，フィルタコンデンサとフィルタリアクトルを介して帰線電流ノイズが現れる。直流架線で電力供給される電気車において帰線電流ノイズを低減するには，一般にフィルタにより帰線電流ノイズに対する減衰を強化する方式がとられる。しかし減衰対象とする帰線電流ノイズが 25 Hz 等の低周波軌道回路に適用されるような帯域の場合，フィルタ定数を充分大きくする必要があり，電気車装置が大型化するという課題がある。また帰線電流ノイズを低減するために，フィルタリアクトル電流を検出する方式や(17)，別途設けたインバータとトランスにより高調波電圧を注入して帰線電流ノイズを低減する方式が報告されているが(18)，いずれも付加的なセンサや機器が必要になるという課題がある。
さて，鉄道車両に限らず一般論として，EMI ノイズを低減する手法としてはパッシブフィルタを接続することが挙げられるが，インバータシステム全体の体積及びコストのアップは避けられない。また，パッシブフィルタを構成するリアクトルとコンデンサの共振や，リアクトルの鉄芯における磁気飽和の問題があり，多様なインバータの運転モードを考慮した設計が求められる(19)。パッシブフィルタ以外による対策としては，能動素子を適用した「アクティブコモンノイズキャンセラ」(20)-(32)や「アクティブ EMI フィルタ」(33)(34)が提案されている。アクティブコモンノイズキャンセラはインバータが発生するコモンモード電圧をトランジスタとコモンモードトランスにより除去し，モータ等の負荷を介して流れるコモンモード電流（漏れ電流）を抑制する。しかしながらコモンモードトランスによりコモンモード電圧を注入する必要があり，インバータの定格が比較的大きな機種に適用する場合，コモンモードトランスの体積・重量が課題となる。一方，アクティブ EMI フィルタはインバータの入力となる系統側のコモンモード電流を検出して当該電流をゼロとするようにトランジスタが動作する。コモンモード電流検出用のトランスも比較的小さなものでよいが，トランジスタは少なくともインバータの母線電圧以上の耐圧を必要とし，トランジスタにおける損失が課題となる。さらに，欧州 EN 規格(35)が低減を要求する伝導ノイズは擬似電源回路網（LISN）により測定されるが，ノーマルモードとコモンモードの両者のノイズを同時に測定する。従来提案されている方式ではコモンモード電流のみの低減を目的とするため，ノーマルモードによる伝導ノイズが残留し，対策が不十分となる課題がある。
以上に述べた課題を鑑み，本論文では，はじめに鉄道車両向け電気車に搭載されるインバータ等の電力変換装置が発生する 3 つのノイズ種類，すなわち交流車両の帰線電流ノイズ，直流車両の AM ラジオノイズ，直流車両の帰線電流ノイズを対象に，それぞれ低減手法を提案し，具体的な設計例を提示するとともに，提案するノイズ低減手法の有効性を実証することを目的とする。次に，鉄道車両に限らずファン・ポンプ駆動を例とした一般産業に用いられるインバータなどへの適用を目指し，150 kHz 以上の伝導ノイズの低減を実現する「アクティブノイズフィルタ」を提案し，その具体的な設計例を提示するとともに，ノイズ低減手法の有効性を実証することを目的とする。
本論文の第 2 章以降の概要は以下の通りである。なお，本論文にて対象とするノイズ周波数範囲と各章の関係を図 1.1 に示す。
第 2 章では，105 kHz の帰線電流ノイズをパッシブフィルタで効果的に対策可能とする二重直列共振フィルタを提案する(36)。本フィルタは主変圧器とコンバータの間に接続され，コンバータが発生する 105 kHz のノイズ電流をバイパスし，主変圧器に流出しないように動作する。またリアクトルとコンデンサからなる並列回路の作用により，バイパスしたい周波数でのフィルタインピーダンスを下げると共に，フィルタの反共振でのダンピング特性を併せ持ち，不要な電流流出を抑制する。本フィルタの回路構成を示し，コンバータ発生電圧に対する伝達特性について述べる。次に試作した二重直列共振フィルタ単体を対象に伝達特性の測定結果を示し，所望の減衰特性が得られることを示す。更にコンバータ実動作でのフィルタ減衰量を確認するために，AC 20 kV 受電の検証システムにて帰線電流ノイズを測定し，フィルタ接続により約 5 dB の低減効果が得られることを確認する。最後に当該帰線電流ノイズにより発生する ATS ループコイル出力電圧を無限長電流近似により求め，測定した帰線電流ノイズが規制値に対してクリアできることを確認する。
第 3 章では，電気車に搭載する VVVF インバータシステムを対象に，インバータが発生する AM ラジオノイズ，及びこのノイズに起因する電流に着目し，具体的な低減対策方式を提案する(37) (38)。はじめに VVVF インバータを冷却するフィンの接地線の接続先変更による特定共振周波数の対策について提案する。次にモータ接地経路を含むコモンモード電流を低減するために，モータ接地線の接続先変更による妨害波低減方法について提案する。これらの対策による効果を VVVF インバータシステム単体で確認すると共に，車両に VVVF インバータを搭載し，現車にて機械式ブレーキをかけながら極低いトルクでインバータを起動する試験，並びに走行試験により上記対策の効果を確認する。本対策においては別途新規のコモンモードコアを用いずに既設のコモンモードコアを流用することから，簡便で効果的な対策が実現できる。最後に AM ラジオ帯の妨害波に起因する電流を対象としたシミュレーションモデルについて提案する。AM ラジオ帯を対象に VVVF インバータや周辺機器の浮遊インピーダンス，各部品の端子間インピーダンスを反映させた回路モデルとする。当該シミュレーションモデルを用いて上記各対策を模擬して得られた電流波形は，電流ピークの共振周波数が概ね一致すること，並びにその電流ピーク値が 6 dB（実測値の半分）の誤差範囲内で一致するなど，実測結果と同様の傾向が得られることを示す。
第 4 章では，モータ（誘導電動機）のトルク電流と励磁電流を独立に制御するベクトル制御においてトルク電流指令の補正を行い，モータ瞬時パワーを用いてフィルタコンデンサのエネルギーの交流ノイズ成分，ひいては帰線電流ノイズを低減するエネルギー補償形アクティブ制御を提案する(39)。はじめにフィルタコンデンサエネルギーとモータ瞬時パワーの関係について述べる。次に本制御方式の制御構成及びゲイン設計について示し，開ループボード線図による制御安定性の評価方法を示す。また実機試験により帰線電流ノイズの低減効果を検証し，制御ゲインを 0.25 に設定した例において帰線電流ノイズの 25 Hz 成分が約 10 dB 低減することを確認する。更に制御系の安定限界ゲインを実機検証し，開ループボード線図による制御設計の有効性を述べる。
第 5 章では，伝導ノイズの原因となるコモンモード及びノーマルモードいずれも低減可能で，コモンモードトランスを必要とせず，トランジスタの耐圧を低減することを特長とするアクティブノイズフィルタを提案する(40)。始めに動作原理を述べ，具体的な回路構成と制御設計手法を示す。次に試作回路をインバータに接続して誘導電動機を運転したときの，擬似電源回路網（LISN）に流れ込むノーマルモード電流及びコモンモード電流の抑制効果を示す。また，LISN で測定される伝導ノイズの抑制効果を実験により示し，1 MHz 以下の帯域にて最大 20 dB の抑制効果が得られることを確認する。
第 6 章では，結論として以上の章の総括を行う。
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