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ドライブ・アプリケーションの実際の負荷条件における EMC 性能

翻訳: T.Sato

パワー・ドライブ・システム (PDS) の製造業者は、 通常は、その PDS が動作しなければならない環境条件と共に、 定格入力電圧範囲や定格電力範囲を規定する。 一方で、可変速電気式 PDS に対する EMC 製品規格 EN 61800-3 は、 エミッション規格 EN 55011 に従った伝導性エミッション測定を 軽負荷や無負荷で行なうことを認めている。

この記事は、特に、入力 EMI フィルタとの組み合わせにおける、 電源電圧とその実際の負荷条件の関数としての PDS の EMC 的な挙動を見る。 調査は、実際の環境や負荷条件のEMI フィルタの性能に対する直接的な影響を示した。 従って、多くの場合、試験所での条件における EMC 試験への合格は、 現場での保護要求の満足を意味しない。

可変速電気式 PDS に対する EMC 製品規格 EN 61800-3 は、 エミッション規格 EN 55011 に従った伝導性エミッション測定を 軽負荷や無負荷で行なうことを認めている。 全負荷の PDS のための測定セットアップのコストは、 その定格電力に応じて上昇する。 我々の試験設備は、90kW までの伝導性エミッション試験を可能としている。 この記事は、負荷、動作温度、そして定格電圧に影響される、 PDS の入力 EMI フィルタの最も重要な特徴を示す。

パワー・ドライブ・システムは、電気エネルギーの機械エネルギーへの変換器として振る舞う。 そのシステム内のインバーターは、その単純さから広く用いられている。 だが、インバーターは機械における良く知られた EMI 発生源である。

給電網の電源周波数は、通常は 50Hz か 60Hz である。 実際には、インバーターは、 用途に応じてその出力周波数を 0Hz から数 100Hz や数 kHz まで変化させることができる。

Figure 1: パワー・ドライブ・システムの例

Figure 2: 容量性直流リンクを持つインバーター

Figure 2 において、電源電圧はコンバーター部で整流される。 この部分は、１組のダイオード ――通常は３相ブリッジで６個、単相ブリッジで４個 ―― を含む。 その直流リンクは、整流されたエネルギーを保持し、 そのエネルギーを電力スイッチング段へ放出する、直流用コンデンサを含む。 この段は、通常は６個のトランジスタの集まりである。 次の例では、それらの電力用トランジスタとしては、 絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ (IGBT) が用いられている。 その高速な電力用半導体は、直流電圧をキャリア周波数の矩形波にチョップする。 制御回路は、モーターの速度を変化させるために、 その矩形波のデューティー比を制御して可変の電源周波数の３相電圧を発生する。 この制御機構は、パルス幅変調 (PWM) と呼ばれるものである。

Figure 3: 相間のモーター電圧

Figure 3 は、それらのインバーター出力の相間電圧波形の１周期分を示す。 モーターの誘導性、及び抵抗性の特性のため、 負荷電流はこの高速なキャリア周波数の通りには流れない。

この高周波スイッチングは EMI を生じるだろう。 制御や電源のケーブルからのものと同様、出力モーター・ケーブルからのノイズは、 近傍のケーブルやシステムに結合する。 グランド・プレーンに対する寄生容量は、 ノイズがその設備から主電源配電網へコモン・モード・ノイズとして出ていけるようにする。 ケーブルが長くなればグランドに対する静電容量も大きくなり、 より大きなコモン・モード電流が流れるであろう。

パワー・ドライブ・システム全体の良い EMI 的な挙動の 50% に関しては、 入力 EMI フィルタのみが責任を持ち得る。 残りの 50% は、 モーター・ケーブルの長さ、シールド、制御ケーブルの配線やフィルタのような、 そのパワー・ドライブ・システムの全てのパラメータに主に依存する。

広い周波数範囲でのドライブ・アプリケーションのための 適切な EMI フィルタ設計を保証するために、 実際の動作条件におけるパワー・ドライブ・システムのシミュレーションが絶対的に必要である。 Schaffner の EMC 試験ラボは、その EMC 試験結果を信頼できるようにするために、 PDS の全負荷試験セットアップを用意した。

Figure 4: 全負荷試験セットアップ

絶縁型電源ステーション 設備制御ユニット 疑似電源回路網 (LISN) 対象物 (EMI フィルタ、インバーター) モーター・ケーブル モーター / ジェネレータ エネルギー再生装置 主電源配電網

Figure 4 に示したこの試験セットアップの電源電圧は 200V から 550V まで調整でき、 90kW までの負荷を掛けられる。 EMI フィルタの追加的な温度事前調整は、この試験セットアップの隣の恒温槽で行なえる。

被試験装置 (4) は、EMI フィルタとインバーター、 モーター・ケーブル (5)、及び非同期モーター (6) から成る。 EMC の全ての面に関して、非同期モーター負荷とエネルギー再生装置 (7)、 そして制御ユニット (2) は、被試験 PDS から充分に分離されていなければならない。 このために、インバーターの電源線は変圧器 (1) で絶縁され、 50μH / 50Ω LISN で減結合されている。 PDS のための全試験セットアップは、銅の基準面 (9) の上で絶縁されている。 最後に、そのシステムは共通の給電点 (8) から給電されている。

PDS の EMI 入力フィルタの性能を 150kHz から 300MHz の周波数範囲で 伝導性エミッション規格 EN 55011 に従って調査するために、 その環境ノイズは要求されるエミッション・レベルよりも充分に下まで低減されねばならない。

Figure 5: 環境ノイズ (ピーク)

Figure 5 は、以下の条件で測定されたノイズを示す：

• モーターはシールドなしケーブルで直接給電される (4 は短絡)

• 電源と再生システムからの寄生 EMI ノイズは LISN で測定される

• モーターは定格電流で駆動される

環境ノイズの準尖頭値での値は 150kHz〜30MHz の周波数範囲で 40dBμV を超えることはなく、 従ってそれは環境ノイズのレベルに関して EN 55011 規格に適合している。

この試験セットアップは、可変速電気式ドライブ・システムのための製品規格 EN 61800-3、 あるいは以下の EMC 基本規格をカバーする：
EN 55011 / CISPR 11 (伝導性エミッション)、 IEC 61000-4-2 (静電気放電に対するイミュニティ)、 IEC 61000-4-4 (ファスト・トランジェント・バーストに対するイミュニティ)、 IEC 61000-4-5 (サージに対するイミュニティ)、 IEC 61000-4-6 (高周波同相妨害に対するイミュニティ)。

高周波領域のエミッションとイミュニティの試験のみではなく、 高調波評価も行なうことができる。 さらに、この試験セットアップは、 全負荷条件における dU/dt や正弦波出力フィルタの評価とともに、 エネルギー再生用 EMI フィルタの評価や開発のためにも適する。

経験は、EMI フィルタが付けられた PDS の伝導性エミッションに強く影響する ３つの主な要因を明らかにしている。 それらは： 負荷条件、動作温度、及び電源電圧変動。 これらの要因の無視は、測定値の 20dB 以上の相違を与え得る。 この章では、この影響の機構を述べ、また著者らが提案する設計上の推奨点を示す。

Figure 6: PDS の入力相電流

Figure 7: EMI フィルタの回路図

容量性の直流リンクと３相整流ダイオード・ブリッジを持つインバーターは、 大きな電流高調波を発生する。 Figure 6 において、 電源相電流における５次、及び７次の高調波の存在は明らかである。 次の例では、負荷状態の PDS の実効値での電流は 21A に過ぎないが、 ピーク電流は 46A 以上となっている：

入力 EMI フィルタ (Figure 7) は、 インバーターの EMI の抑制のためのコンデンサとインダクタの組み合わせを含む。

通常、入力 EMI フィルタの磁性材料は、 定格電流において公称値の少なくとも 80% のコモン・モード・インダクタンスを持つという 規則に従って設計される。 EMI フィルタ内のコモン・モード・インダクタンスを飽和から保護するために、 この 80% のポイントは少なくとも定格電流の倍に設定すべきである。

Figure 8: MnZn フェライトの飽和

Figure 8 は、巻線 MnZn フェライト・コアの飽和曲線を示す。 入力電流が 21A のレベルにおいて、そのインダクタンスはその値の 80% となる。 容量性の直流リンクを持つ PDS の、 EN 61800-3 規格で認められているような軽負荷条件における試験では、 スイッチされた直流電圧の最も早い立上り時間を得るであろうが、 46A の最大入力電流ピークにおけるコア飽和は考慮されないであろう。 電源電流に伴う磁界はコモン・モード・フェライト・コア内で相殺されるが、 公称インダクタンスのおおよそ 1% の漏洩インダクタンスは ピーク電流における飽和を引き起こす。

Figure 9: 無負荷の PDS のエミッション

Figure 10: 負荷状態の PDS のエミッション

Figure 9 は、軽負荷の EMI フィルタの、 EN 61800-3 のクラス B (軽工業環境) に対する伝導性エミッション測定を示す。 入力電流の増加によって、その伝導性エミッションは主に 150kHz 前後で限度値を超える。
設計の良くない EMI フィルタの飽和効果の影響は、Figure 10 に示す。

Figure 11: 静磁化曲線

Figure 11 に示すように、MnZn の静磁化曲線は温度によって変化する。 磁束密度 300mT でのフィルタのインダクタンスの設計は、 室温 (25℃) で確認されている。 高い動作温度は、より早い飽和を引き起こす。 同一の磁束密度、すなわち同一の電源電流であっても、 100℃ の場合にはこの影響は 250mT で既に始まるであろう。

EMI 入力フィルタの最大内部温度に関する制限要素は、 そのコンデンサ (85℃、あるいは 100℃) である。 入力 EMI フィルタは、コンデンサの内部ホット・スポットが規定された温度よりも低いが、 コストを最小限とするためにその限度に近いように設計される。 EMI フィルタの良くない設計は、減衰率を何 dB も低下させ得る。

Figure 12: パルス状のモーター電圧

Figure 13: パルスの周波数スペクトラム

PDS の電圧範囲は、仕様に従った所定の範囲、 典型的には実効値で 380V から 480V のあいだで変化し得る。 ６パルス整流回路においては、エネルギー蓄積コンデンサ上の対応する直流電圧は 513V から 648V のあいだとなる。 Figure 12 (時間ドメインでのパルス・モーター電圧)、 及び Figure 13 (周波数ドメインでのパルス・モーター電圧の包絡線) に示すように、 台形パルス列の周波数スペクトラムの振幅はパルス振幅 A に比例する。 従って、直流電圧の 513V と 648V の違いでは、干渉レベルの 2dB までの相違を予期し得る。

Figure 14: 380V 電源

Figure 15: 480V 電源

この電圧現象の確認のために、 ピーク電流と動作温度を考慮して良く設計された EMI フィルタが PDS に装備された。 それは、同一の 4.5kW の機械的負荷とともに、 実効値で 380V を、そして 480V を給電して駆動された。 それらの測定結果は、それぞれ Figure 14、及び Figure 15 に示す。 干渉の相違は、2dB から 4dB のあいだにある。

測定値の計算上の 2dB よりも大きな相違は、PDS 全体の非線形性によって説明できる。

可変速電気式 PDS に対する EMC 製品規格 EN 61800-3 は、 エミッション規格 EN 55011 に従った伝導性エミッション測定を 軽負荷や無負荷で行なうことを認めている。

PDS の干渉レベルに関する最悪条件は、 モーター電圧の立上り時間が最小となることのみではない。 伝導性エミッション試験を信頼できるものとするためには、 EMI 入力フィルタと組み合わされた PDS は実際の動作条件、 すなわち最小の電源電圧における全負荷 (最大の入力電流)、 及び最大の動作温度で試験しなければならない。 最大の電源電圧における動作も検証されねばならない。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2004-09-16