JP2014128154A - 直列多重電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置の利用率を高めてコスト上の無駄をなくすようにした直列多重電力変換装置を提供する。
【解決手段】N(Nは正の整数)個の単相インバータセル31と1個の単相片アームインバータセル32Aとに、互いに絶縁された電源電圧を入力すると共に、インバータセル31,32Aの出力電圧が加算されるようにインバータセル31,32Aを直列に接続して一相分の電力変換器を構成し、この電力変換器の一方の交流出力端子を中性点Oとし、かつ、他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子として、M(Mは2以上の整数)台の電力変換器をスター結線することにより、M相の交流電圧を出力可能とする。複数の単相インバータセルのみを直列接続する場合に対して、所望の出力電圧をインバータセルの最適な直列接続数によって得ることができ、各インバータセルの能力を無駄にすることなく装置の利用率を向上させ、部品数の減少及びコストの低減を図る。
【選択図】図1
【解決手段】N(Nは正の整数)個の単相インバータセル31と1個の単相片アームインバータセル32Aとに、互いに絶縁された電源電圧を入力すると共に、インバータセル31,32Aの出力電圧が加算されるようにインバータセル31,32Aを直列に接続して一相分の電力変換器を構成し、この電力変換器の一方の交流出力端子を中性点Oとし、かつ、他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子として、M(Mは2以上の整数)台の電力変換器をスター結線することにより、M相の交流電圧を出力可能とする。複数の単相インバータセルのみを直列接続する場合に対して、所望の出力電圧をインバータセルの最適な直列接続数によって得ることができ、各インバータセルの能力を無駄にすることなく装置の利用率を向上させ、部品数の減少及びコストの低減を図る。
【選択図】図1
Description
本発明は、単相インバータセルと単相片アームインバータセルとを直列に接続して構成される直列多重電力変換装置に関するものである。
図5は、複数の単相インバータセルを直列に接続して構成された従来の直列多重電力変換装置を示しており、1は三相交流電源、2は互いに絶縁された複数の二次巻線(三相)を有する変圧器、31〜39は単相3レベルインバータセルを示している。ここで、単相3レベルインバータセル31〜39は2系統の交流入力端子が変圧器2の二次巻線にそれぞれ接続されている。また、インバータセル31,32,33の交流出力端子が直列に接続されてU相電力変換器を構成し、インバータセル34,35,36の交流出力端子が直列に接続されてV相電力変換器を構成していると共に、インバータセル37,38,39の交流出力端子が直列に接続されてW相電力変換器を構成している。
これらのU相電力変換器、V相電力変換器、W相電力変換器は中性点Oによりスター結線され、インバータセル33,36,39の各一方の交流出力端子がU,V,W各相の出力端子となっている。
これらのU相電力変換器、V相電力変換器、W相電力変換器は中性点Oによりスター結線され、インバータセル33,36,39の各一方の交流出力端子がU,V,W各相の出力端子となっている。
上記構成の直列多重電力変換装置は、三相の高電圧を出力可能な電力変換装置として知られており、例えば特許文献1、特許文献2には、図5とほぼ同様に構成された直列多重電力変換装置が記載されている。
すなわち、図6は、特許文献1,2に記載された直列多重電力変換装置を概略的に示したもので、30は直流電圧を交流電圧に変換する単相3レベルインバータセル、40はバッテリーやコンデンサ等の直流電圧源、Mは三相交流電動機等の負荷である。この直列多重電力変換装置は、単相3レベルインバータセル30の入力が直流電圧である点を除けば、基本的な動作は図5と同一である。
すなわち、図6は、特許文献1,2に記載された直列多重電力変換装置を概略的に示したもので、30は直流電圧を交流電圧に変換する単相3レベルインバータセル、40はバッテリーやコンデンサ等の直流電圧源、Mは三相交流電動機等の負荷である。この直列多重電力変換装置は、単相3レベルインバータセル30の入力が直流電圧である点を除けば、基本的な動作は図5と同一である。
ここで、図5に示した単相3レベルインバータセル(例えば31)の構成は、図7に示すとおりであり、このインバータセルの主要部は、前述した特許文献1の図12(b)や特許文献2の図6にも記載されている。
図7において、101は前記変圧器2の二次巻線に接続される第1の交流入力端子、102は第1の順変換器(整流器)、103は第1の平滑コンデンサ、104は前記二次巻線とは絶縁された別系統の二次巻線に接続される第2の交流入力端子、105は第2の順変換器、106は第2の平滑コンデンサ、107〜114はIGBT等の半導体スイッチング素子、115〜122は還流ダイオード、123〜126はクランプダイオード、127は第1の交流出力端子、128は第2の交流出力端子である。
ここで、スイッチング素子107〜110を有する上下アーム部を第1の上下アーム部といい、スイッチング素子111〜114を有する上下アーム部を第2の上下アーム部という。また、スイッチング素子107,108からなる上アームを第1上アーム、同109,110からなる下アームを第1下アーム、同111,112からなる上アームを第2上アーム、同113,114からなる下アームを第2下アームという。
図7において、101は前記変圧器2の二次巻線に接続される第1の交流入力端子、102は第1の順変換器(整流器)、103は第1の平滑コンデンサ、104は前記二次巻線とは絶縁された別系統の二次巻線に接続される第2の交流入力端子、105は第2の順変換器、106は第2の平滑コンデンサ、107〜114はIGBT等の半導体スイッチング素子、115〜122は還流ダイオード、123〜126はクランプダイオード、127は第1の交流出力端子、128は第2の交流出力端子である。
ここで、スイッチング素子107〜110を有する上下アーム部を第1の上下アーム部といい、スイッチング素子111〜114を有する上下アーム部を第2の上下アーム部という。また、スイッチング素子107,108からなる上アームを第1上アーム、同109,110からなる下アームを第1下アーム、同111,112からなる上アームを第2上アーム、同113,114からなる下アームを第2下アームという。
次に、図7の回路の動作を簡単に説明する。
変圧器2の2系等の二次巻線から交流入力端子101,104にそれぞれ三相交流電圧を印加した状態でスイッチング素子107,108を導通させ、スイッチング素子109,110を非導通にすると、交流出力端子127からは直流回路の高電位側の電圧(コンデンサ103の正側出力電圧)が出力される。また、スイッチング素子107,110を非導通にしてスイッチング素子108,109を導通させると、クランプダイオード123,124の作用により、交流出力端子127からは中性点電位(コンデンサ103,106同士の接続点の電圧)が出力される。更に、スイッチング素子107,108を非導通にしてスイッチング素子109,110を導通させると、交流出力端子127からは低電位側の電圧(コンデンサ106の負側出力電圧)が出力される。
変圧器2の2系等の二次巻線から交流入力端子101,104にそれぞれ三相交流電圧を印加した状態でスイッチング素子107,108を導通させ、スイッチング素子109,110を非導通にすると、交流出力端子127からは直流回路の高電位側の電圧(コンデンサ103の正側出力電圧)が出力される。また、スイッチング素子107,110を非導通にしてスイッチング素子108,109を導通させると、クランプダイオード123,124の作用により、交流出力端子127からは中性点電位(コンデンサ103,106同士の接続点の電圧)が出力される。更に、スイッチング素子107,108を非導通にしてスイッチング素子109,110を導通させると、交流出力端子127からは低電位側の電圧(コンデンサ106の負側出力電圧)が出力される。
上記の動作を繰り返すことにより、交流出力端子127から3レベルの交流電圧を出力することができる。同様にして、交流出力端子128については、スイッチング素子111〜114の導通・非導通を制御することにより3レベルの交流電圧を出力することができる。このため、交流出力端子127,128間の電圧は、5つのレベルで変化することになり、一般に単相3レベルインバータセルをn(nは2以上の整数)個直列接続すると、出力電圧のレベル数は最大で4n+1となる。
このように、単相3レベルインバータセルを複数個直列接続する方式は、単相2レベルインバータセルを複数個直列接続する方式と比較して、1セル当りの出力電圧が大きくなり、少ないセル数で高電圧を出力できる利点がある。
このように、単相3レベルインバータセルを複数個直列接続する方式は、単相2レベルインバータセルを複数個直列接続する方式と比較して、1セル当りの出力電圧が大きくなり、少ないセル数で高電圧を出力できる利点がある。
さて、図5に示したように、各相につき単相3レベルインバータセルを3個直列接続した場合の出力電圧に対して、その1/2の出力電圧が必要な場合、理論的には単相3レベルインバータセルを1.5個、直列に接続すれば良いが、物理的にそのような回路構成は実現不可能である。特に、多様な大きさの系統電圧に単相3レベルインバータセルを連系させる場合には、インバータセルの最適な直列接続数を選択できない事態が生じる。
このため、例えばインバータセルの理論的な直列接続数が1.5個である場合には、図8に示すように、各相につきインバータセルの直列接続数を2個にしてその出力電圧の範囲内で所望の出力電圧(インバータセルの直列接続数が1.5個分の出力電圧)を得る必要がある。
しかしながら、図8の直列多重電力変換装置では、各相の出力可能な電圧は図5の直列多重電力変換装置の2/3であるのに対して、実際に使用する電圧は図5の直列多重電力変換装置の1/2となる。すなわち、図8の直列多重電力変換装置が出力可能な電圧を意図的に低減して使用せざるを得ないため装置の利用率が低く、出力電圧を低減させる分だけコストを無駄にしていることになる。
そこで、本発明の解決課題は、装置の利用率を高めてコスト上の無駄をなくすようにした直列多重電力変換装置を提供することにある。
しかしながら、図8の直列多重電力変換装置では、各相の出力可能な電圧は図5の直列多重電力変換装置の2/3であるのに対して、実際に使用する電圧は図5の直列多重電力変換装置の1/2となる。すなわち、図8の直列多重電力変換装置が出力可能な電圧を意図的に低減して使用せざるを得ないため装置の利用率が低く、出力電圧を低減させる分だけコストを無駄にしていることになる。
そこで、本発明の解決課題は、装置の利用率を高めてコスト上の無駄をなくすようにした直列多重電力変換装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、N(Nは正の整数)個の単相インバータセルと単一の単相片アームインバータセルとに、互いに絶縁された電源電圧を入力し、単相インバータセルの出力電圧と単相片アームインバータセルの出力電圧とが加算されるように全てのインバータセルを直列に接続して一相分の電力変換器を構成する。そして、この電力変換器の一方の交流出力端子を中性点とし、かつ、他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子とすると共に、M(Mは2以上の整数)台の電力変換器を中性点にて接続してスター結線することにより、M相の交流電圧を出力可能としたものである。
ここで、単相インバータセルは、複数の半導体スイッチング素子を直列に接続してなる上下アーム部を2個、並列に接続し、前記上下アーム部の上アームと下アームとの接続点から交流電圧を出力する。
また、単相片アームインバータセルは、複数の半導体スイッチング素子を直列に接続してなる単一の上下アーム部と2個の平滑コンデンサの直列回路とを並列に接続し、前記単一の上下アーム部の各アーム同士の接続点と2個の平滑コンデンサ同士の接続点とから交流電圧を出力する。
ここで、単相インバータセルは、複数の半導体スイッチング素子を直列に接続してなる上下アーム部を2個、並列に接続し、前記上下アーム部の上アームと下アームとの接続点から交流電圧を出力する。
また、単相片アームインバータセルは、複数の半導体スイッチング素子を直列に接続してなる単一の上下アーム部と2個の平滑コンデンサの直列回路とを並列に接続し、前記単一の上下アーム部の各アーム同士の接続点と2個の平滑コンデンサ同士の接続点とから交流電圧を出力する。
ここで、請求項2に記載するように、前記単相インバータセルを、各交流出力端子の電位が3つのレベルを持ち、請求項3のように構成された単相3レベルインバータセルとし、前記単相片アームインバータセルを、出力可能な交流電圧が単相3レベルインバータセルの出力電圧の1/2であって、請求項4のように構成された単相片アーム3レベルインバータセルとすることができる。
また、請求項5に記載するように、一相分の前記電力変換器において、N個の単相3レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線から、位相差が順次、60°/(2N+1)ずつずれた交流電圧を各単相3レベルインバータセルにそれぞれ入力し、単相片アーム3レベルインバータセルには、別の二次巻線から、隣接する単相3レベルインバータセルへの入力電圧との位相差が60°/(2N+1)であって互いに同位相の交流電圧を入力することが望ましい。
この場合、請求項6に記載するように、N個の単相3レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線の容量に対して、単相片アーム3レベルインバータセルに接続された別の二次巻線の容量を50〜60%にすることができる。
この場合、請求項6に記載するように、N個の単相3レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線の容量に対して、単相片アーム3レベルインバータセルに接続された別の二次巻線の容量を50〜60%にすることができる。
更に、請求項7に記載するように、前記単相インバータセルを、各交流出力端子の電位が2つのレベルを持ち、請求項8のように構成された単相2レベルインバータセルとし、前記単相片アームインバータセルを、出力可能な交流電圧が単相2レベルインバータセルの出力電圧の1/2であって、請求項9のように構成された単相片アーム2レベルインバータセルとしても良い。
本発明によれば、N個の単相インバータセルと1個の単相片アームインバータセルとを直列接続して一相分の電力変換器を構成することにより、複数の単相インバータセルのみを直列接続する場合に比べて、要求される出力電圧を最適な直列接続数によって得ることができる。このため、各インバータセルの能力を無駄にすることなく装置の利用率を向上させ、部品数の減少及びコストの低減を図ることができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成図である。図1において、前記同様に1は三相交流電源、2は一次巻線21が三相交流電源1に接続され、かつ、互いに絶縁された複数の二次巻線(三相)231a,231b,234a,234b,237a,237b,232a,232b,235a,235b,238a,238bを有する変圧器である。また、31,34,37は、二組の交流入力端子が各2系統の二次巻線231a,231b,234a,234b,237a,237bにそれぞれ接続された単相3レベルインバータセルであり、その回路構成は図7に示した通りである。
更に、32A,35A,38Aは、二組の交流入力端子が各2系統の二次巻線232a,232b,235a,235b,238a,238bにそれぞれ接続された単相片アーム3レベルインバータセルである。なお、これらのインバータセル32A,35A,38Aの回路構成については後述する。
図1は、本発明の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成図である。図1において、前記同様に1は三相交流電源、2は一次巻線21が三相交流電源1に接続され、かつ、互いに絶縁された複数の二次巻線(三相)231a,231b,234a,234b,237a,237b,232a,232b,235a,235b,238a,238bを有する変圧器である。また、31,34,37は、二組の交流入力端子が各2系統の二次巻線231a,231b,234a,234b,237a,237bにそれぞれ接続された単相3レベルインバータセルであり、その回路構成は図7に示した通りである。
更に、32A,35A,38Aは、二組の交流入力端子が各2系統の二次巻線232a,232b,235a,235b,238a,238bにそれぞれ接続された単相片アーム3レベルインバータセルである。なお、これらのインバータセル32A,35A,38Aの回路構成については後述する。
単相3レベルインバータセル31及び単相片アーム3レベルインバータセル32Aの交流出力端子は直列に接続されてU相電力変換器を構成し、単相3レベルインバータセル34及び単相片アーム3レベルインバータセル35Aの交流出力端子は直列に接続されてV相電力変換器を構成し、単相3レベルインバータセル37及び単相片アーム3レベルインバータセル38Aの交流出力端子は直列に接続されてW相電力変換器を構成している。
そして、単相3レベルインバータセル31,34,37の各一方の交流出力端子は中性点Oにて共通接続され、単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aの各一方の交流出力端子(インバータセル31,34,37とは反対側の交流出力端子)がU,V,W各相の出力端子となっている。
なお、各相の単相3レベルインバータセルの個数は1個に限らず、複数個を直列に接続しても良く、一般にN(Nは正の整数)個であれば良い。
そして、単相3レベルインバータセル31,34,37の各一方の交流出力端子は中性点Oにて共通接続され、単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aの各一方の交流出力端子(インバータセル31,34,37とは反対側の交流出力端子)がU,V,W各相の出力端子となっている。
なお、各相の単相3レベルインバータセルの個数は1個に限らず、複数個を直列に接続しても良く、一般にN(Nは正の整数)個であれば良い。
次に、単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aの回路構成を図2に基づいて説明する。なお、これらのインバータセル32A,35A,38Aの構成はすべて同一であるため、ここではインバータセル32Aを例に挙げて説明する。
図2において、201は変圧器2の二次巻線232aに接続される第3の交流入力端子、202は第3の順変換器(整流器)、203は第3の平滑コンデンサ、204は変圧器2の二次巻線232bに接続される第4の交流入力端子、205は第4の順変換器、206は第4の平滑コンデンサ、207〜210は互いに直列接続されたIGBT等の半導体スイッチング素子、215〜218はスイッチング素子207〜210にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、223,224はクランプダイオード、227は第3の交流出力端子、228は第4の交流出力端子である。なお、交流出力端子227は図1におけるU相の出力端子となり、交流出力端子228は単相3レベルインバータセル31の一方の交流出力端子に接続される。
ここで、スイッチング素子207〜210を有する上下アーム部を第3の上下アーム部といい、スイッチング素子207,208からなる上アームを第3上アーム、同209,210からなる下アームを第3下アームという。
図2から明らかなように、単相片アーム3レベルインバータセル32Aは、図7に示した単相3レベルインバータセル31の第1,第2の上下アーム部の一方及びそのクランプダイオードを除去した構成に相当する。
図2において、201は変圧器2の二次巻線232aに接続される第3の交流入力端子、202は第3の順変換器(整流器)、203は第3の平滑コンデンサ、204は変圧器2の二次巻線232bに接続される第4の交流入力端子、205は第4の順変換器、206は第4の平滑コンデンサ、207〜210は互いに直列接続されたIGBT等の半導体スイッチング素子、215〜218はスイッチング素子207〜210にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、223,224はクランプダイオード、227は第3の交流出力端子、228は第4の交流出力端子である。なお、交流出力端子227は図1におけるU相の出力端子となり、交流出力端子228は単相3レベルインバータセル31の一方の交流出力端子に接続される。
ここで、スイッチング素子207〜210を有する上下アーム部を第3の上下アーム部といい、スイッチング素子207,208からなる上アームを第3上アーム、同209,210からなる下アームを第3下アームという。
図2から明らかなように、単相片アーム3レベルインバータセル32Aは、図7に示した単相3レベルインバータセル31の第1,第2の上下アーム部の一方及びそのクランプダイオードを除去した構成に相当する。
上記構成において、クランプダイオード223,224の直列回路はスイッチング素子207,208同士の接続点とスイッチング素子209,210同士の接続点との間に接続されている。また、スイッチング素子208,209同士の接続点は第3の交流出力端子227に接続されると共に、順変換器202,205同士の接続点と、平滑コンデンサ203,206同士の接続点と、クランプダイオード223,224同士の接続点とは、全て第4の交流出力端子228に接続されている。
次いで、この実施形態の動作を説明する。
図1における単相3レベルインバータセル31,34,37の動作は、図7に示した単相3レベルインバータセル31の動作と同様であり、各インバータセル31,34,37の交流出力端子から3レベルの交流電圧が出力される。
図1における単相3レベルインバータセル31,34,37の動作は、図7に示した単相3レベルインバータセル31の動作と同様であり、各インバータセル31,34,37の交流出力端子から3レベルの交流電圧が出力される。
図2に示した単相片アーム3レベルインバータセル32A(35A,38Aも同様)の動作は、以下の通りである。
前記二次巻線232a,232bから交流入力端子201,204にそれぞれ三相交流電圧を印加した状態でスイッチング素子207,208を導通させ、スイッチング素子209,210を非導通にすると、交流出力端子227からは高電位側の電圧(コンデンサ203の正側出力電圧)が出力される。また、スイッチング素子207,210を非導通にしてスイッチング素子208,209を導通させると、クランプダイオード223,224の作用により、交流出力端子227からは中性点電位(コンデンサ203,206同士の接続点の電圧)が出力される。更に、スイッチング素子207,208を非導通にしてスイッチング素子209,210を導通させると、交流出力端子227からは低電位側の電圧(コンデンサ206の負側出力電圧)が出力される。
前記二次巻線232a,232bから交流入力端子201,204にそれぞれ三相交流電圧を印加した状態でスイッチング素子207,208を導通させ、スイッチング素子209,210を非導通にすると、交流出力端子227からは高電位側の電圧(コンデンサ203の正側出力電圧)が出力される。また、スイッチング素子207,210を非導通にしてスイッチング素子208,209を導通させると、クランプダイオード223,224の作用により、交流出力端子227からは中性点電位(コンデンサ203,206同士の接続点の電圧)が出力される。更に、スイッチング素子207,208を非導通にしてスイッチング素子209,210を導通させると、交流出力端子227からは低電位側の電圧(コンデンサ206の負側出力電圧)が出力される。
上記の動作を繰り返すことにより、交流出力端子227からは3レベルの交流電圧が出力されるが、図7の単相3レベルインバータセル31と比べると交流出力端子228の電位が中性点電位によって固定されているので、交流出力端子227,228間に出力可能な電圧の大きさは図7の単相3レベルインバータセル31に対して1/2となる。このことは、他の単相片アーム3レベルインバータセル35A,38Aについても同様である。
従って、図1の実施形態によれば、U,V,W各相が出力可能な電圧は単相3レベルインバータセル31,34,37のそれぞれ1.5倍となる。
従って、図1の実施形態によれば、U,V,W各相が出力可能な電圧は単相3レベルインバータセル31,34,37のそれぞれ1.5倍となる。
このため、従来であれば、図8に示したように単相3レベルインバータセルを2個、直列に接続して得られる電圧の範囲内で実現していた1.5個分の出力電圧を、単相3レベルインバータセルと単相片アーム3レベルインバータセルとの直列接続回路によって実現することができる。
言い換えれば、二つのインバータセルが有する出力能力をそれぞれ100%利用して所望の出力電圧を得ることができ、装置の利用率を向上させると共に、図8の従来技術に対して使用部品数が少なくなり、回路構成の簡略化、コストの低減が可能になる。
言い換えれば、二つのインバータセルが有する出力能力をそれぞれ100%利用して所望の出力電圧を得ることができ、装置の利用率を向上させると共に、図8の従来技術に対して使用部品数が少なくなり、回路構成の簡略化、コストの低減が可能になる。
なお、電力変換装置には入力高調波を低減させる要求がある。例えば、図5の回路構成では、U相の単相3レベルインバータセル31〜33に入力される各2系統、全6系統の交流電圧(6個の二次巻線の出力電圧)の位相を60°/6=10°ずつずらすことが入力高調波を低減する上で有効である。これは、V相、W相の単相3レベルインバータセル34〜36,35〜38についてもそれぞれ同様である。
上記と同じ観点から、図8の回路構成では、単相3レベルインバータセル31,32に入力される全4系統の交流電圧(4個の二次巻線の出力電圧の位相を60°/4=15°ずつずらすことが有効であり、これは、V相、W相の単相3レベルインバータセル34,36、及び37,38についても同様である。
変圧器2の二次巻線の出力電力が同一である場合には、上記のように二次巻線の出力電圧の位相角を順次ずらして入力高調波を低減することが可能であるが、図1の場合は、変圧器2の二次側に単相3レベルインバータセル31,34,37及び単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aが混在しており、各二次巻線の出力電力が同一ではないため、上述したように変圧器2の二次巻線の出力電圧の位相角をずらす方式を採ることができない。
上記と同じ観点から、図8の回路構成では、単相3レベルインバータセル31,32に入力される全4系統の交流電圧(4個の二次巻線の出力電圧の位相を60°/4=15°ずつずらすことが有効であり、これは、V相、W相の単相3レベルインバータセル34,36、及び37,38についても同様である。
変圧器2の二次巻線の出力電力が同一である場合には、上記のように二次巻線の出力電圧の位相角を順次ずらして入力高調波を低減することが可能であるが、図1の場合は、変圧器2の二次側に単相3レベルインバータセル31,34,37及び単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aが混在しており、各二次巻線の出力電力が同一ではないため、上述したように変圧器2の二次巻線の出力電圧の位相角をずらす方式を採ることができない。
そこで、まず、図2に示した単相片アーム3レベルインバータセルが出力可能な電圧は図7の単相3レベルインバータセルに対して1/2であるため、図1のように単相3レベルインバータセルと単相片アーム3レベルインバータセルとを直列接続した場合には、単相片アーム3レベルインバータセルの出力電圧が単相3レベルインバータセルの出力電圧の1/2になるように制御する。この場合、図1に示す接続状態では、単相片アーム3レベルインバータセルと単相3レベルインバータセルとの出力電流が共通であるため、各インバータセルの出力電力は上述した出力電圧の比に比例することになり、単相片アーム3レベルインバータセルの出力電力は単相3レベルインバータセルの1/2となる。
従って、図1における単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aに接続される変圧器2の二次巻線232a,232b,235a,235b,238a,238bの容量を、単相3レベルインバータセル31,34,37に接続される二次巻線231a,231b,234a,234b,237a,237bの容量の約1/2程度(約50%〜60%)にすることができる。
従って、図1における単相片アーム3レベルインバータセル32A,35A,38Aに接続される変圧器2の二次巻線232a,232b,235a,235b,238a,238bの容量を、単相3レベルインバータセル31,34,37に接続される二次巻線231a,231b,234a,234b,237a,237bの容量の約1/2程度(約50%〜60%)にすることができる。
これにより、単相片アーム3レベルインバータセル32Aに接続される二次巻線232a,232bの出力電力合計値と、単相3レベルインバータセル31に接続される二次巻線231a,231bのそれぞれの出力電力とはほぼ等しくなる。同様に、単相片アーム3レベルインバータセル35Aに接続される二次巻線235a,235bの出力電力合計値と単相3レベルインバータセル34に接続される二次巻線234a,234bのそれぞれの出力電力、単相片アーム3レベルインバータセル38Aに接続される二次巻線238a,238bの出力電力合計値と単相3レベルインバータセル37に接続される二次巻線237a,237bのそれぞれの出力電力は、それぞれほぼ等しくなる。
このため、単相片アーム3レベルインバータセルの2系統の二次巻線の出力電圧の位相を同一として、単相3レベルインバータセルに入力される各二次巻線の出力電圧の位相を順次ずらすことにより、入力高調波を低減することができる。例えば、単相片アーム3レベルインバータセル32Aに接続される2系統の二次巻線232a,232bの出力電圧の位相を同一とし、この位相に対して、単相3レベルインバータセル31に接続される二次巻線231a,231bの出力電圧の位相を順次20°ずつずらせばよい。
一般に、1個の単相片アーム3レベルインバータセルに直列に接続される単相3レベルインバータセルがN個(Nは正の整数)の場合には、単相片アーム3レベルインバータセルに接続される2系統の二次巻線の出力電圧の位相を同一とし、この1個の位相と、N個の単相3レベルインバータセルに接続される二次巻線の総数である2N個の出力電圧の位相との合計値である(2N+1)個の位相について、それぞれの位相差が60°/(2N+1)となるように二次巻線の出力電圧の位相をずらすことによって入力高調波を低減することができる。
一般に、1個の単相片アーム3レベルインバータセルに直列に接続される単相3レベルインバータセルがN個(Nは正の整数)の場合には、単相片アーム3レベルインバータセルに接続される2系統の二次巻線の出力電圧の位相を同一とし、この1個の位相と、N個の単相3レベルインバータセルに接続される二次巻線の総数である2N個の出力電圧の位相との合計値である(2N+1)個の位相について、それぞれの位相差が60°/(2N+1)となるように二次巻線の出力電圧の位相をずらすことによって入力高調波を低減することができる。
なお、図1に示した実施形態では、U,V,Wの各相の電力変換器が、図7の単相3レベルインバータセルと図2の単相片アーム3レベルインバータセルとを直列に接続して構成されているが、これらに代えて、単相2レベルインバータセルと単相片アーム2レベルインバータセルとを直列に接続して構成しても良い。
図3は単相2レベルインバータセル51の構成図を示しており、301は第5の交流入力端子、303は第5の順変換器、304は第5の平滑コンデンサ、305〜308は半導体スイッチング素子、309〜312は還流ダイオード、313,314は第5,第6の交流出力端子である。なお、半導体スイッチング素子307,308を有する上下アーム部を第4の上下アーム部といい、半導体スイッチング素子305,306を有する上下アーム部を第5の上下アーム部という。
また、図4は単相片アーム2レベルインバータセル52Aの構成図を示しており、331は第6の交流入力端子、333は第6の順変換器、315,316は第6,第7の平滑コンデンサ、317,318は半導体スイッチング素子、319,320は還流ダイオード、321,322は第7,第8の交流出力端子である。ここで、半導体スイッチング素子317,318を有する上下アーム部を第6の上下アーム部という。
図3は単相2レベルインバータセル51の構成図を示しており、301は第5の交流入力端子、303は第5の順変換器、304は第5の平滑コンデンサ、305〜308は半導体スイッチング素子、309〜312は還流ダイオード、313,314は第5,第6の交流出力端子である。なお、半導体スイッチング素子307,308を有する上下アーム部を第4の上下アーム部といい、半導体スイッチング素子305,306を有する上下アーム部を第5の上下アーム部という。
また、図4は単相片アーム2レベルインバータセル52Aの構成図を示しており、331は第6の交流入力端子、333は第6の順変換器、315,316は第6,第7の平滑コンデンサ、317,318は半導体スイッチング素子、319,320は還流ダイオード、321,322は第7,第8の交流出力端子である。ここで、半導体スイッチング素子317,318を有する上下アーム部を第6の上下アーム部という。
良く知られているように、これらのインバータセル51,52Aはそれぞれの交流出力端子313,314,321,322の電位が正または負の2レベルに変化するものであり、単相片アーム2レベルインバータセル52Aの交流出力端子321,322間に出力可能な電圧の大きさは、単相2レベルインバータセル51の交流出力端子313,314間に出力可能な電圧に対して1/2となる。
従って、一次巻線が交流電源に接続された変圧器の二つの二次巻線を互いに絶縁し、これらの二次巻線に単相2レベルインバータセル51の交流入力端子301と単相片アーム2レベルインバータセル52Aの交流入力端子331とをそれぞれ接続すると共に、単相2レベルインバータセル51の一方の交流出力端子314を中性点Оに接続し、他方の交流出力端子313を単相片アーム2レベルインバータセル52Aの一方の交流出力端子322に接続して他方の交流出力端子321から一相分の出力を得れば良い。また、同様に単相2レベルインバータセルと単相片アーム2レベルインバータセルとを直列接続して他相の電力変換器を構成し、例えば三相分の電力変換器をスター結線して三相の直列多重電力変換装置を構成することができる。
従って、一次巻線が交流電源に接続された変圧器の二つの二次巻線を互いに絶縁し、これらの二次巻線に単相2レベルインバータセル51の交流入力端子301と単相片アーム2レベルインバータセル52Aの交流入力端子331とをそれぞれ接続すると共に、単相2レベルインバータセル51の一方の交流出力端子314を中性点Оに接続し、他方の交流出力端子313を単相片アーム2レベルインバータセル52Aの一方の交流出力端子322に接続して他方の交流出力端子321から一相分の出力を得れば良い。また、同様に単相2レベルインバータセルと単相片アーム2レベルインバータセルとを直列接続して他相の電力変換器を構成し、例えば三相分の電力変換器をスター結線して三相の直列多重電力変換装置を構成することができる。
このように単相2レベルインバータセルと単相片アーム2レベルインバータセルとを直列に接続した場合にも、複数のインバータセルが有する出力能力をそれぞれ100%利用して所望の出力電圧を得ることができ、装置の利用率を向上させると共に、単相2レベルインバータセルのみを複数、直列に接続する場合に比べて部品数を減少させ、回路構成の簡略化、コストの低減が可能になる。
上記実施形態では、単相(3レベルまたは2レベル)インバータセルと単相片アーム(3レベルまたは2レベル)インバータセルとを直列に接続して一相分の電力変換器を構成し、この電力変換器を3個、スター結線することにより三相(U,V,W相)出力の直列多重電力変換装置を構成する例について説明した。
しかしながら、本発明は三相出力に限定されるものではなく、一般に、複数の単相(3レベルまたは2レベル)インバータセルと単相片アーム(3レベルまたは2レベル)インバータセルとを直列に接続してなる電力変換器をM個(Mは3以上の整数)、スター結線することにより、M相出力の直列多重電力変換装置を構成することができる。
しかしながら、本発明は三相出力に限定されるものではなく、一般に、複数の単相(3レベルまたは2レベル)インバータセルと単相片アーム(3レベルまたは2レベル)インバータセルとを直列に接続してなる電力変換器をM個(Mは3以上の整数)、スター結線することにより、M相出力の直列多重電力変換装置を構成することができる。
1:三相交流電源
2:変圧器
21:一次巻線
231a,231b,234a,234b,237a,237b,232a,232b,235a,235b,238a,238b:二次巻線
31,34,37:単相3レベルインバータセル
32A,35A,38A:単相片アーム3レベルインバータセル
51:単相2レベルインバータセル
52A:単相片アーム2レベルインバータセル
101,104:交流入力端子
102,105:順変換器
103,106:平滑コンデンサ
107〜114:半導体スイッチング素子
115〜122:還流ダイオード
123,126:クランプダイオード
127,128:交流出力端子
201,204:交流入力端子
202,205:順変換器
203,206:平滑コンデンサ
207〜210:半導体スイッチング素子
215〜218:還流ダイオード
223,224:クランプダイオード
227,228:交流出力端子
301,331:交流入力端子
303,333:順変換器
304,315,316:平滑コンデンサ
305〜308,317,318:半導体スイッチング素子
309〜312,319,320:還流ダイオード
313,314,321,322:交流出力端子
2:変圧器
21:一次巻線
231a,231b,234a,234b,237a,237b,232a,232b,235a,235b,238a,238b:二次巻線
31,34,37:単相3レベルインバータセル
32A,35A,38A:単相片アーム3レベルインバータセル
51:単相2レベルインバータセル
52A:単相片アーム2レベルインバータセル
101,104:交流入力端子
102,105:順変換器
103,106:平滑コンデンサ
107〜114:半導体スイッチング素子
115〜122:還流ダイオード
123,126:クランプダイオード
127,128:交流出力端子
201,204:交流入力端子
202,205:順変換器
203,206:平滑コンデンサ
207〜210:半導体スイッチング素子
215〜218:還流ダイオード
223,224:クランプダイオード
227,228:交流出力端子
301,331:交流入力端子
303,333:順変換器
304,315,316:平滑コンデンサ
305〜308,317,318:半導体スイッチング素子
309〜312,319,320:還流ダイオード
313,314,321,322:交流出力端子
Claims (9)
- 複数の半導体スイッチング素子が直列に接続された上下アーム部を2個、並列に接続し、前記上下アーム部の上アームと下アームとの接続点から交流電圧を出力するN(Nは正の整数)個の単相インバータセルと、
複数の半導体スイッチング素子が直列に接続された単一の上下アーム部と2個の平滑コンデンサの直列回路とを並列に接続し、前記単一の上下アーム部の上アームと下アームとの接続点と前記平滑コンデンサ同士の接続点とから交流電圧を出力する1個の単相片アームインバータセルと、を備え、
前記単相インバータセル及び前記単相片アームインバータセルに、互いに絶縁された電源電圧を入力し、
前記単相インバータセルの出力電圧と前記単相片アームインバータセルの出力電圧とが加算されるように全てのインバータセルの交流出力側を直列に接続して一相分の電力変換器を構成すると共に、
前記電力変換器の一方の交流出力端子を中性点とし、かつ、前記電力変換器の他方の交流出力端子を一相分の交流出力端子とし、
M(Mは2以上の整数)台の前記電力変換器を前記中性点によりスター結線してM相の交流電圧を出力可能としたことを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項1に記載した直列多重電力変換装置において、
前記単相インバータセルは、各交流出力端子の電位が3つのレベルを持つ単相3レベルインバータセルであり、
前記単相片アームインバータセルは、出力可能な交流電圧が前記単相3レベルインバータセルの出力電圧の1/2の単相片アーム3レベルインバータセルであることを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項2に記載した直列多重電力変換装置において、
前記単相3レベルインバータセルは、
第1の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第1の順変換器と、
第1の順変換器の出力電圧を平滑する第1の平滑コンデンサと、
第2の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第2の順変換器と、
第2の順変換器の出力電圧を平滑し、かつ第1の平滑コンデンサと直列に接続される第2の平滑コンデンサと、
第1の平滑コンデンサの高電位側と第1の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第1上アームと、
第2の平滑コンデンサの低電位側と第1の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第1下アームと、
前記第1上アーム及び第1下アームを構成する半導体スイッチング素子同士の接続点と第1,第2の平滑コンデンサ同士の接続点である中性点との間にそれぞれ接続されたダイオードと、
第1の平滑コンデンサの高電位側と第2の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第2上アームと、
第2の平滑コンデンサの低電位側と第2の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第2下アームと、
前記第2上アーム及び第2下アームを構成する半導体スイッチング素子同士の接続点と前記中性点との間にそれぞれ接続されたダイオードと、
を備えたことを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項2または3に記載した直列多重電力変換装置において、
前記単相片アーム3レベルインバータセルは、
第3の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第3の順変換器と、
第3の順変換器の出力電圧を平滑する第3の平滑コンデンサと、
第4の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第4の順変換器と、
第4の順変換器の出力電圧を平滑し、かつ第3の平滑コンデンサと直列に接続される第4の平滑コンデンサと、
第3の平滑コンデンサの高電位側と第3の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第3上アームと、
第4の平滑コンデンサの低電位側と第3の交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第3下アームと、
前記第3上アーム及び第3下アームを構成する半導体スイッチング素子同士の接続点と第3,第4の平滑コンデンサ同士の接続点である中性点との間にそれぞれ接続されたダイオードと、
を備え、
前記中性点を第4の交流出力端子に接続したことを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項2〜4の何れか1項に記載した直列多重電力変換装置において、一次巻線が交流電源に接続され、かつ、互いに絶縁された複数の二次巻線を有する変圧器を備え、
一相分の前記電力変換器において、
N個の前記単相3レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線から、位相差が順次、60°/(2N+1)ずつずれた交流電圧を各単相3レベルインバータセルにそれぞれ入力し、
前記単相片アーム3レベルインバータセルには、別の二次巻線から、隣接する単相3レベルインバータセルへの入力電圧との位相差が60°/(2N+1)であって互いに同位相の交流電圧を入力することを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項5に記載した直列多重電力変換装置において、
N個の前記単相3レベルインバータセルにそれぞれ接続された二次巻線の容量に対して、前記単相片アーム3レベルインバータセルに接続された別の二次巻線の容量を、50〜60%にしたことを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項1に記載した直列多重電力変換装置において、
前記単相インバータセルは、各交流出力端子の電位が2つのレベルを持つ単相2レベルインバータセルであり、
前記単相片アームインバータセルは、出力可能な交流電圧が前記単相2レベルインバータセルの出力電圧の1/2の単相片アーム2レベルインバータセルであることを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項7に記載した直列多重電力変換装置において、
前記単相2レベルインバータセルは、
第5の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第5の順変換器と、
第5の順変換器の出力電圧を平滑する第5の平滑コンデンサと、
第5の平滑コンデンサの両端に一対の直流入力端子が接続され、前記一対の直流入力端子間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路が2個直列に接続された第4上下アーム部と、
前記一対の直流入力端子間に、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路が2個直列に接続された第5上下アーム部と、
を備え、
前記第4上下アーム部を構成する半導体スイッチング素子同士の接続点を第5の交流出力端子に接続すると共に、前記第5上下アーム部を構成する半導体スイッチング素子同士の接続点を第6の交流出力端子に接続したことを特徴とする直列多重電力変換装置。 - 請求項7または8に記載した直列多重電力変換装置において、
前記単相片アーム2レベルインバータセルは、
第6の交流入力端子から入力される交流電圧を直流電圧に変換する第6の順変換器と、
第6の順変換器の出力電圧を平滑する第7,第8の平滑コンデンサの直列回路と、
第7,第8の平滑コンデンサの直列回路に並列に接続され、半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を2個直列に接続してなる第6上下アーム部と、
を備え、
前記第6上下アーム部を構成する半導体スイッチング素子同士の接続点を第7の交流出力端子に接続すると共に、前記第7,第8の平滑コンデンサ同士の接続点を第8の交流出力端子に接続したことを特徴とする直列多重電力変換装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014239641A (ja) * | 2013-06-05 | 2014-12-18 | エルエス産電株式会社Lsis Co., Ltd. | マルチレベルインバータ |
-
2012
- 2012-12-27 JP JP2012284660A patent/JP2014128154A/ja active Pending
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