JP7499950B2 - Power Conversion Equipment - Google Patents
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Description
本開示は、電力変換装置に関する。 The present disclosure relates to a power conversion device.
直流電源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータが直列接続された単相多重変換器により構成される電力変換装置が知られている（特許文献１）。単相多重変換器は、複数の単相インバータの中から選択された組み合わせによる各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御するように構成される。A power conversion device is known that is configured with a single-phase multiple converter in which multiple single-phase inverters that convert DC power from a DC power source into AC power are connected in series (Patent Document 1). The single-phase multiple converter is configured to perform gradation control of the output voltage based on the sum of the generated voltages of each combination selected from the multiple single-phase inverters.
特許文献１に係る電力変換装置によると、直列接続される単相インバータの数を増大させることにより高い交流電圧を出力できる。しかしながら、求められる交流電圧に応じて電力変換装置内の単相インバータの数を変更しなければならないため、当該交流電圧に応じて電力変換装置自体の構成を変更する必要があった。According to the power conversion device of
本開示のある局面における目的は、電力変換装置内の各相の変換器の接続方式を変更することにより、電力変換装置自体の構成を変更することなく、適切な電圧を出力することが可能な電力変換装置を提供することである。 The object of one aspect of the present disclosure is to provide a power conversion device that can output an appropriate voltage by changing the connection method of the converters of each phase within the power conversion device, without changing the configuration of the power conversion device itself.
ある実施の形態に従う電力変換装置は、複数の相にそれぞれ対応して設けられた複数の相変換器と、各相変換器の動作を制御する制御装置とを備える。各相変換器は、複数のスイッチング素子とコンデンサとを有する１以上の単位変換器で構成される単位変換器群と、単位変換器群に接続されたリアクトルとを含む。相変換器の両端子のうちの第１端子は、リアクトルの両端子のうち単位変換器群と接続されていない方の端子に対応する。相変換器の両端子のうちの第２端子は、単位変換器群の両端子のうち、リアクトルと接続されていない方の端子に対応する。各相変換器の第２端子同士が接続される第１接続パターンと、複数の相変換器の各々について、当該相変換器の第２端子が他の相変換器の第１端子と接続される第２接続パターンとを切り替え可能に構成される。A power converter according to an embodiment includes a plurality of phase converters provided corresponding to the plurality of phases, respectively, and a control device that controls the operation of each of the phase converters. Each of the phase converters includes a unit converter group consisting of one or more unit converters having a plurality of switching elements and a capacitor, and a reactor connected to the unit converter group. A first terminal of both terminals of the phase converter corresponds to the terminal of both terminals of the reactor that is not connected to the unit converter group. A second terminal of both terminals of the phase converter corresponds to the terminal of both terminals of the unit converter group that is not connected to the reactor. The power converter is configured to be switchable between a first connection pattern in which the second terminals of each of the phase converters are connected to each other, and a second connection pattern in which the second terminal of each of the plurality of phase converters is connected to the first terminal of the other phase converter.
本開示によれば、電力変換装置内の各相の変換器の接続方式を変更することにより、電力変換装置自体の構成を変更することなく、適切な電圧を出力することができる。 According to the present disclosure, by changing the connection method of the converters for each phase within the power conversion device, it is possible to output an appropriate voltage without changing the configuration of the power conversion device itself.
以下、図面を参照しつつ、本実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts are given the same symbols. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed descriptions thereof will not be repeated.
＜全体構成＞
図１は、電力変換装置の全体構成の一例を示す図である。図１を参照して、電力変換装置１０は、制御装置１４と、相変換器３１～３３と、切替装置７～９とを含む。
<Overall composition>
1 is a diagram showing an example of an overall configuration of a
相変換器は、多相交流の各相に対応して設けられ負荷に接続される。本実施の形態では、負荷は３相交流負荷である。複数の相変換器３１，３２，３３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して設けられる。The phase converter is provided corresponding to each phase of the multi-phase AC and connected to the load. In this embodiment, the load is a three-phase AC load. The
３つの切替装置７～９は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して設けられる。切替装置７は、接点端子７ａ，７ｂと、切替端子７ｃとを含む。切替装置８は、接点端子８ａ，８ｂと、切替端子８ｃとを含む。切替装置９は、接点端子９ａ，９ｂと、切替端子９ｃとを含む。各切替装置における切替端子は、２つの接点端子のいずれか一方のみと接続され、各接点端子同士は接続されないように構成される。
The three
各切替装置７～９において、切替端子の接続先を２つの接点端子の一方から他方へ切り替える方式としてはいくつかの方式が考えられる。例えば、切替装置を電磁リレーで構成し、外部から電磁リレーに電気信号を与えることによって切替端子の接続先を切り替えてもよいし、コンタクタ、ジャンパーピン等を用いて手動で切り替えてもよい。また、外部の電気信号を利用する場合には、制御装置１４が当該電気信号を出力してもよいし、制御装置１４とは別の装置を電力変換装置１０内に設けて、当該別の装置が当該電気信号を出力してもよい。また、電力変換装置１０の外部装置が当該電気信号を出力してもよい。In each of the
相変換器３１は、単位変換器２１と、単位変換器２１に接続されたリアクトル４とを含む。相変換器３１の両端子のうちの端子Ａは、リアクトル４の両端子のうち単位変換器２１と接続されていない方の端子に対応する。相変換器３１の端子Ｂは、単位変換器２１の両端子のうち、リアクトル４と接続されていない方の端子に対応する。単位変換器２１の他方の端子Ｈは、リアクトル４に接続される。そのため、端子Ｈは、リアクトル４の両端子のうち単位変換器２１と接続された方の端子とも言える。The
相変換器３２は、単位変換器２２と、単位変換器２２に接続されたリアクトル５とを含む。相変換器３２の両端子のうちの端子Ｃは、リアクトル５の両端子のうち単位変換器２２と接続されていない方の端子に対応する。相変換器３２の端子Ｄは、単位変換器２２の両端子のうち、リアクトル５と接続されていない方の端子に対応する。単位変換器２２の他方の端子Ｉは、リアクトル５と接続される。The
相変換器３３は、単位変換器２３と、単位変換器２３に接続されたリアクトル６とを含む。相変換器３３の両端子のうちの端子Ｅは、リアクトル６の両端子のうち単位変換器２３と接続されていない方の端子に対応する。相変換器３３の端子Ｆは、単位変換器２３の両端子のうち、リアクトル６と接続されていない方の端子に対応する。単位変換器２３の他方の端子Ｊは、リアクトル６と接続される。The
単位変換器２１は、スイッチング素子１ａ～１ｄと、コンデンサ１１とを含む。単位変換器２２は、スイッチング素子２ａ～２ｄと、コンデンサ１２とを含む。単位変換器２３は、スイッチング素子３ａ～３ｄと、コンデンサ１３とを含む。各コンデンサ１１～１３は、直流電源としての機能を有する。
The
各スイッチング素子１ａ～１ｄ，２ａ～２ｄ，３ａ～３ｄは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の半導体スイッチング素子に還流ダイオード（ＦＷＤ：Freewheeling Diode）が逆並列に接続されて構成される。半導体スイッチング素子は、正極と負極と制御電極とを有する。図１の例では、半導体スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴで構成されているため、正極はドレイン、負極はソース、制御電極はゲートである。なお、半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されていてもよい。この場合、正極はコレクタ、負極はエミッタ、制御電極はゲートとなる。半導体スイッチング素子に用いられる材料は、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド等である。Each of the
各単位変換器２１，２２，２３は、フルブリッジ型の変換回路を用いて構成される。単位変換器２１では、２つのスイッチング素子１ａ，１ｂを直列接続して形成された第１の直列体と、２つのスイッチング素子１ｃ，１ｄを直列接続して形成された第２の直列体と、コンデンサ１１とが並列接続される。単位変換器２２，２３についても同様である。Each of the
制御装置１４は、各相変換器３１～３３の動作を制御する。制御装置１４は、プロセッサおよび内部メモリを含むコンピュータに基づいて構成してもよいし、専用回路によって構成してもよいし、その一部または全部をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路を用いて構成してもよい。The
制御装置１４は、駆動信号１１ａ～１１ｄ，１２ａ～１２ｄ，１３ａ～１３ｄを出力する。駆動信号１１ａ～１１ｄは、それぞれスイッチング素子１ａ～１ｄに入力される。駆動信号１２ａ～１２ｄは、それぞれスイッチング素子２ａ～２ｄに入力される。駆動信号１３ａ～１３ｄは、それぞれスイッチング素子３ａ～３ｄに入力される。典型的には、制御装置１４は、“Ｈｉｇｈ”の駆動信号を出力することによりスイッチング素子を導通させ（すなわち、オン状態とし）、“Ｌｏｗ”の駆動信号を出力することによりスイッチング素子を遮断させる（すなわち、オフ状態とする）。
The
相変換器３１において、スイッチング素子１ａの負極とスイッチング素子１ｂの正極との接続点は、単位変換器２１の端子Ｈに相当する。スイッチング素子１ｃの負極とスイッチング素子１ｄの正極との接続点は、単位変換器２１の端子Ｂ（すなわち、相変換器３１の端子Ｂ）に相当する。スイッチング素子１ａの正極とスイッチング素子１ｃの正極とコンデンサ１１の一方の端子とが接続される。スイッチング素子１ｂの負極とスイッチング素子１ｄの負極とコンデンサ１１の他方の端子とが接続される。端子Ｈにリアクトル４が接続され、端子Ｂに切替装置７の切替端子７ｃが接続される。In the
相変換器３２，３３の構成は、相変換器３１の構成と同様である。相変換器３２において、単位変換器２２の端子Ｉにリアクトル５が接続され、単位変換器２２の端子Ｄ（すなわち、相変換器３２の端子Ｄ）に切替装置８の切替端子８ｃが接続される。相変換器３３において、単位変換器２３の端子Ｊにリアクトル６が接続され、単位変換器２３の端子Ｆ（すなわち、相変換器３３の端子Ｆ）に切替装置９の切替端子９ｃが接続される。The configuration of the
切替装置７の接点端子７ａ、切替装置８の接点端子８ａ、および切替装置９の接点端子９ａは、共通接点Ｇを介して互いに接続される。Ｕ相に対応する切替装置７の接点端子７ｂは、Ｖ相に対応する相変換器３２の端子Ｃに接続される。Ｖ相に対応する切替装置８の接点端子８ｂは、Ｗ相に対応する相変換器３３の端子Ｅに接続される。Ｗ相に対応する切替装置９の接点端子９ｂは、Ｕ相に対応する相変換器３１の端子Ａに接続される。
Contact terminal 7a of switching
切替端子７ｃが接点端子７ａと接続され、切替端子８ｃが接点端子８ａと接続され、切替端子９ｃが接点端子９ａと接続される結線を“Ｙ結線”とも称する。この場合、Ｕ相に対応する端子Ｂおよび接点端子７ａが接続され、Ｖ相に対応する端子Ｄおよび接点端子８ａが接続され、Ｗ相に対応する端子Ｆおよび接点端子９ａが接続される。A connection in which switching terminal 7c is connected to contact terminal 7a, switching
図２は、Ｙ結線して構成された電力変換装置を示す図である。図２では、Ｙ結線時に導通しない線は削除されており、切替装置７～９も図示されていない。
Figure 2 shows a power conversion device configured with a Y connection. In Figure 2, the lines that are not conductive when the Y connection is used have been omitted, and switching
図２に示すように、Ｙ結線時においては、相変換器３１の端子Ｂ、相変換器３２の端子Ｄ、および相変換器３３の端子Ｆが互いに接続される。換言すると、Ｙ結線は、各相変換器の両端子のうちの単位変換器側の端子（すなわち、端子Ｂ、端子Ｄおよび端子Ｆ）同士が接続される接続パターンである。この場合、端子Ｂ、端子Ｄ、端子Ｆおよび共通接点Ｇは同一となる。As shown in Figure 2, in the Y-connection, terminal B of
再び、図１を参照して、切替端子７ｃが接点端子７ｂと接続され、切替端子８ｃが接点端子８ｂと接続され、切替端子９ｃが接点端子９ｂと接続される結線を“Δ結線”とも称する。この場合、Ｕ相に対応する端子Ｂおよび接点端子７ｂが接続され、Ｖ相に対応する端子Ｄおよび接点端子８ｂが接続され、Ｗ相に対応する端子Ｆおよび接点端子９ｂが接続される。
Referring again to Figure 1, the connection in which switching terminal 7c is connected to contact terminal 7b, switching
図３は、Δ結線して構成された電力変換装置を示す図である。図３では、Δ結線時に導通しない線は削除されており、切替装置７～９も図示されていない。
Figure 3 shows a power conversion device configured with a delta connection. In Figure 3, the lines that are not conductive when the delta connection is used have been omitted, and switching
図３に示すように、Δ結線時においては、相変換器３１の端子Ｂと相変換器３２の端子Ｃとが接続され、相変換器３２の端子Ｄと相変換器３３の端子Ｅとが接続され、相変換器３３の端子Ｆと相変換器３１の端子Ａとが接続される。換言すると、Δ結線は、複数の相変換器３１～３３の各々について、当該相変換器の単位変換器側の端子が他の相変換器のリアクトル側の端子と接続される接続パターンである。この場合、端子Ｂおよび端子Ｃが同一であり、端子Ｄおよび端子Ｅが同一であり、端子Ｆおよび端子Ａが同一となる。
As shown in Figure 3, in the case of a delta connection, terminal B of
このように、電力変換装置１０は、各切替装置７～９を用いて各相変換器３１～３３の接続方式を変更することにより、図２に示すＹ結線と図３に示すΔ結線とを切り替え可能に構成される。In this way, the
＜Ｙ結線時のスイッチング動作＞
図４は、Ｙ結線時におけるスイッチング動作の一例を説明するための図である。図４には、制御装置１４の内部で処理される内容を可視化した波形、および、制御装置１４から出力される駆動信号が示されている。各相における各スイッチング素子の動作は同様であるため、代表して、Ｕ相に対応する各スイッチング素子１ａ～１ｄの動作について説明する。
<Switching operation when Y-connected>
Fig. 4 is a diagram for explaining an example of switching operation in a Y-connection. Fig. 4 shows waveforms visualizing the contents processed inside the
図４を参照して、制御装置１４は、指令値４１と三角波４２とを比較することにより、スイッチング素子１ａ～１ｄを制御するための駆動信号１１ａ～１１ｄを生成する。波形４１ａ～４１ｄは、それぞれ駆動信号１１ａ～１１ｄの波形を示している。
With reference to Figure 4, the
波形４１ａ～４１ｄに示すように、制御装置１４は、指令値４１が三角波４２よりも大きい場合には駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｄを“Ｈｉｇｈ”とし、駆動信号１１ｂおよび駆動信号１１ｃを“Ｌｏｗ”とする。また、制御装置１４は、指令値４１が三角波４２よりも小さい場合には駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｄを“Ｌｏｗ”とし、駆動信号１１ｂおよび駆動信号１１ｃを“Ｈｉｇｈ”とする。制御装置１４は、駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｂが同時に“Ｈｉｇｈ”とならないように、かつ、駆動信号１１ｃおよび駆動信号１１ｄが同時に“Ｈｉｇｈ”とならないように各駆動信号を生成する。As shown in
図４では、駆動信号１１ａが“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”に切り替わるタイミングと、駆動信号１１ｂが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に切り替わるタイミングとが同時で示されている。しかし、実際にはスイッチング素子が導通状態（すなわち、オン状態）から遮断状態（すなわち、オフ状態）に移行する場合にも、オフ状態からオン状態に移行する場合にも時間を要する。そのため、スイッチング素子１ａ，１ｂが同時にオン状態とならないように、スイッチング素子１ａ，１ｂがともにオフ状態となるデッドタイムと呼ばれる期間が設けられる。デッドタイムは通常数マイクロ秒程度に設定されるが、スイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行する時間がかなり短い場合には、数ナノ秒から数百ナノ秒程度に設定されることもある。In FIG. 4, the timing when the
制御装置１４は、電力変換装置１０の各部の電圧や電流を検出して電力変換装置１０の状態を把握し、目標値に追従するような制御計算を実行する。ここでは、制御装置１４は、指令値４１を用いて、Ｕ相の相電圧に相当する端子Ａおよび端子Ｂ間の電圧Ｖａｂを、目標電圧に追従させるものとする。この場合、指令値４１は正弦波となる。具体的には、指令値４１は、目標電圧からコンデンサ１１の電圧を除算する等の計算を行なうことで生成される。The
制御装置１４により検出される電気量は、例えば、リアクトル４～６に流れる電流、コンデンサ１１～１３の電圧、端子Ａおよび端子Ｂ間の電圧Ｖａｂ、端子Ｃおよび端子Ｄ間の電圧Ｖｃｄ、端子Ｅおよび端子Ｆ間の電圧Ｖｅｆ、端子Ａおよび端子Ｃ間の電圧Ｖａｃ、端子Ｃおよび端子Ｅ間の電圧Ｖｃｅ、端子Ｅおよび端子Ａ間の電圧Ｖｅａ等である。
The electrical quantities detected by the
三角波４２は、指令値４１の周波数よりも高く設定され、例えば、数Ｈｚ～数ＭＨｚに設定される。一般的に、電力変換装置の変換器容量が大きくなるにつれて、スイッチング素子のスイッチング回数が低下する傾向にあるため、電力変換装置の変換器容量が大きくなるにつれて三角波の周波数は低く設定される。The
図４では、Ｕ相におけるスイッチング素子１ａ～１ｄのオンオフ動作について説明したが、Ｖ相のスイッチング素子２ａ～２ｄおよびＷ相のスイッチング素子３ａ～３ｄのオンオフ動作についても同様である。ただし、各相の指令値は１２０度ずつシフトされる。
In Figure 4, the on/off operation of the
図５は、Ｙ結線時における各相の指令値の位相関係を説明するための図である。図５を参照して、指令値５１は、指令値４１に対して位相を１２０度シフトしたものであり、指令値５２は、指令値４１に対して位相を２４０度シフトしたものである。なお、指令値５２は、指令値５１に対して位相を１２０度シフトしたものである。
Figure 5 is a diagram for explaining the phase relationship of the command values of each phase in a Y-connection. Referring to Figure 5,
Ｖ相における各スイッチング素子２ａ～２ｄは指令値５１に従って動作し、Ｗ相における各スイッチング素子３ａ～３ｄは指令値５２に従って動作する。具体的には、制御装置１４は、指令値５１を用いて、Ｖ相の相電圧に相当する端子Ｃおよび端子Ｄ間の電圧Ｖｄｃを目標電圧に追従させる。制御装置１４は、指令値５２を用いて、Ｗ相の相電圧に相当する端子Ｅおよび端子Ｆ間の電圧Ｖｅｆを目標電圧に追従させる。
Each switching
図５の例では、指令値４１、指令値５１および指令値５２の振幅は同一としている。ただし、接続先の負荷等の動作異常時においては、各指令値の振幅は同一とならない場合、あるいは、正弦波に直流成分を重畳した値となる場合がある。In the example of Figure 5, the amplitudes of
図５のように、位相を１２０度ずつずらした３つの指令値４１，５１，５２を用いて、各スイッチング素子を動作させることにより、電圧Ｖｃｄは電圧Ｖａｂに対して位相が１２０度シフトし、電圧Ｖｅｆは電圧Ｖｃｄに対して位相が１２０度シフトし、電圧Ｖａｂは電圧Ｖｅｆに対して位相が１２０度シフトする。As shown in Figure 5, by operating each switching element using three
また、端子Ａおよび端子Ｃ間の電圧Ｖａｃの振幅は、端子Ａおよび端子Ｂ間の電圧Ｖａｂの振幅の√３倍であり、電圧Ｖａｃは電圧Ｖａｂに対して位相が３０度シフトしている。また、電圧Ｖａｃの振幅は電圧Ｖｃｄの振幅の√３倍であり、電圧Ｖａｃは電圧Ｖｃｄに対して位相が１５０度シフトしているとも言える。電圧Ｖａｃは、Ｕ相およびＶ相間の線間電圧（以下、「線間電圧Ｖａｃ」とも称する。）に相当する。 Furthermore, the amplitude of voltage Vac between terminals A and C is √3 times the amplitude of voltage Vab between terminals A and B, and voltage Vac is phase shifted 30 degrees from voltage Vab. Furthermore, the amplitude of voltage Vac is √3 times the amplitude of voltage Vcd, and it can also be said that voltage Vac is phase shifted 150 degrees from voltage Vcd. Voltage Vac corresponds to the line voltage between the U phase and V phase (hereinafter also referred to as "line voltage Vac").
Ｙ結線では、相電圧の√３倍の線間電圧が得られる。また、リアクトル４を流れるＵ相の相電流、リアクトル５を流れるＶ相の相電流、およびリアクトル６を流れるＷ相の相電流が電力変換装置１０から出力される。すなわち、Ｕ相の相電流は、端子Ａから電力変換装置１０の外側へ流れ出すＵ相の線電流であり、Ｖ相の相電流は、端子Ｃから電力変換装置１０の外側へ流れ出すＶ相の線電流であり、Ｗ相の相電流は、端子Ｅから電力変換装置１０の外側へ流れ出すＷ相の線電流である。これは、Ｙ結線時における３相交流の一般的な事象である。In the Y-connection, a line voltage that is √3 times the phase voltage is obtained. In addition, the U-phase phase current flowing through
図４の例では、スイッチング素子１ａ，１ｄのスイッチング動作が同一であり、スイッチング素子１ｂ，１ｃのスイッチング動作が同一である構成について説明したが、当該構成に限られない。In the example of Figure 4, a configuration has been described in which the switching operations of switching
図６は、Ｙ結線時におけるスイッチング動作の他の例を説明するための図である。図６に示すスイッチング素子１ａ，１ｂのスイッチング動作は、図４に示す当該スイッチング動作と同一である。一方、図６に示すスイッチング素子１ｃ，１ｄのスイッチング動作は、図４に示す当該スイッチング動作と異なる。
Figure 6 is a diagram for explaining another example of the switching operation in the Y-connection. The switching operation of the
波形８１ｃ，８１ｄは、それぞれ駆動信号１１ｃ，１１ｄの波形を示している。具体的には、スイッチング素子１ｃ，１ｄの駆動信号１１ｃ，１１ｄは、スイッチング素子１ａ，１ｂの駆動信号１１ａ，１１ｂの生成に用いられる三角波４２とは異なる三角波８２を用いて生成される。三角波８２は、三角波４２に対して位相が１８０度シフトしている。
図６に示すスイッチング方式によって、リアクトル４に流れる相電流に含有する、スイッチング動作に基づくリプル成分の周波数が、スイッチング周波数の２倍となる。そのため、リアクトル４に必要なインダクタンスを低減することができ、結果としてリアクトル４の小型化が可能となる。また、各相の三角波の位相を１２０度ずつシフトすることにより、スイッチング動作によってリアクトル４に流れるリプル電流を低減することもできる。この場合、さらなるインダクタンスの低減およびリアクトル４の小型化が可能となる。なお、ここでは、リアクトル４についてのみ言及したが、リアクトル５およびリアクトル６に関しても同様に、上記スイッチング方式によってリアクトル５，６のインダクタンス低減およびリアクトル５，６の小型化が可能である。
By using the switching method shown in FIG. 6, the frequency of the ripple component based on the switching operation contained in the phase current flowing through the
＜Δ結線時のスイッチング動作＞
図７は、Δ結線時におけるスイッチング動作の一例を説明するための図である。図７には、制御装置１４の内部で処理される内容を可視化した波形、および、制御装置１４から出力される駆動信号が示されている。各相における各スイッチング素子の動作は同様であるため、代表して、Ｕ相に対応する各スイッチング素子１ａ～１ｄの動作について説明する。
<Switching operation in Δ connection>
Fig. 7 is a diagram for explaining an example of switching operation in a Δ connection. Fig. 7 shows waveforms visualizing the contents processed inside the
図７を参照して、制御装置１４は、指令値６１と三角波６２とを比較することにより、スイッチング素子１ａ～１ｄを制御するための駆動信号１１ａ～１１ｄを生成する。波形６１ａ～６１ｄは、それぞれ駆動信号１１ａ～１１ｄの波形を示している。
With reference to Figure 7, the
波形６１ａ～６１ｄに示すように、制御装置１４は、指令値６１が三角波６２よりも大きい場合には駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｄを“Ｈｉｇｈ”とし、駆動信号１１ｂおよび駆動信号１１ｃを“Ｌｏｗ”とする。また、制御装置１４は、指令値６１が三角波６２よりも小さい場合には駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｄを“Ｌｏｗ”とし、駆動信号１１ｂおよび駆動信号１１ｃを“Ｈｉｇｈ”とする。制御装置１４は、駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｂが同時に“Ｈｉｇｈ”とならないように、かつ、駆動信号１１ｃおよび駆動信号１１ｄが同時に“Ｈｉｇｈ”とならないように各駆動信号を生成する。As shown in
図４で説明したように、図６の例でも、駆動信号１１ａが“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”に切り替わるタイミングと、駆動信号１１ｂが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に切り替わるタイミングとが同時で示されているが、実際にはデッドタイムが設けられる。As explained in Figure 4, in the example of Figure 6, the timing when
制御装置１４は、指令値６１を用いて、端子Ａおよび端子Ｂ間の電圧Ｖａｂを、目標電圧に追従させるものとする。なお、制御装置１４により検出される電気量は、例えば、リアクトル４～６に流れる電流、コンデンサ１１～１３の電圧、電圧Ｖａｂ、電圧Ｖｃｄ、電圧Ｖｅｆ、電圧Ｖａｃ、電圧Ｖｃｅ、電圧Ｖｅａ等である。三角波６２は、指令値６１の周波数よりも高く設定（例えば、数Ｈｚ～数ＭＨｚ）に設定される。The
図８は、Δ結線時の各相の指令値の位相関係を説明するための図である。図８を参照して、指令値７１は、指令値６１に対して位相を１２０度シフトしたものであり、指令値７２は、指令値６１に対して位相を２４０度シフトしたものである。なお、指令値７２は、指令値７１に対して位相を１２０度シフトしたものである。
Figure 8 is a diagram for explaining the phase relationship of the command values of each phase in the case of Δ connection. Referring to Figure 8,
Ｖ相における各スイッチング素子２ａ～２ｄは指令値７１に従って動作し、Ｗ相における各スイッチング素子３ａ～３ｄは指令値７２に従って動作する。具体的には、制御装置１４は、指令値７１を用いて、Ｖ相の相電圧に相当する電圧Ｖｄｃを目標電圧に追従させる。制御装置１４は、指令値７２を用いて、Ｗ相の相電圧に相当する電圧Ｖｅｆを目標電圧に追従させる。図８の例では、指令値６１、指令値７１および指令値７２の振幅は同一としている。
Each switching
図８のように、位相を１２０度ずつずらした３つの指令値６１，７１，７２を用いて、各スイッチング素子を動作させることにより、電圧ｃｄは電圧Ｖａｂに対して位相が１２０度シフトし、電圧Ｖｅｆは電圧Ｖｃｄに対して位相が１２０度シフトし、電圧Ｖａｂは電圧Ｖｅｆに対して位相が１２０度シフトする。As shown in Figure 8, by operating each switching element using three
Δ結線の場合、図３に示すように、端子Ｂおよび端子Ｃが接続され、端子Ｄおよび端子Ｅが接続され、端子Ｆおよび端子Ａが接続される。そのため、Ｕ相の相電圧である電圧ＶａｂはＵ相およびＶ相の線間電圧Ｖａｃと同一であり、Ｖ相の相電圧である電圧Ｖｃｄは、Ｖ相およびＷ相の線間電圧Ｖｃｅと同一であり、Ｗ相の相電圧である電圧Ｖｅｆは、Ｗ相およびＵ相の線間電圧Ｖｅａと同一である。 In the case of a Δ connection, as shown in Figure 3, terminals B and C are connected, terminals D and E are connected, and terminals F and A are connected. Therefore, voltage Vab, which is the phase voltage of the U phase, is the same as the line voltage Vac of the U phase and V phase, voltage Vcd, which is the phase voltage of the V phase, is the same as the line voltage Vce of the V phase and W phase, and voltage Vef, which is the phase voltage of the W phase, is the same as the line voltage Vea of the W phase and U phase.
したがって、Ｙ結線の場合には、Ｕ相およびＶ相の線間電圧Ｖａｃは、Ｕ相の電圧Ｖａｂの√３倍であったが、Δ結線の場合には、線間電圧Ｖａｃは電圧Ｖａｂの１倍である。ただし、各相の線電流は、各相の相電流の√３倍である。これは、Δ結線時における３相交流の一般的な事象である。 Therefore, in the case of Y connection, the line voltage Vac between the U and V phases is √3 times the U phase voltage Vab, but in the case of Δ connection, the line voltage Vac is 1 time the voltage Vab. However, the line current of each phase is √3 times the phase current of each phase. This is a general phenomenon for three-phase AC in Δ connection.
なお、Δ結線の場合でも、図６で説明したように、２つの三角波を用いて各スイッチング素子の駆動信号を生成してもよい。この場合、スイッチング動作によってリアクトルに流れるリプル電流が小さくなり、その結果、リアクトルのインダクタンスを低減でき、リアクトルの小型化が可能となる。In addition, even in the case of delta connection, the drive signals for each switching element may be generated using two triangular waves as explained in Figure 6. In this case, the ripple current flowing through the reactor is reduced by the switching operation, which results in a reduction in the inductance of the reactor and makes it possible to miniaturize the reactor.
＜Ｙ結線時およびΔ結線時の電流、電圧＞
ここでは、Ｙ結線時およびΔ結線時の各々における、相電圧、線間電圧、相電流および線電流について説明する。
<Current and voltage in Y-connection and Δ-connection>
Here, the phase voltages, line voltages, phase currents, and line currents in the case of Y connection and in the case of Δ connection will be described.
Ｙ結線時に、各相の相電圧に対する指令値を同一に設定して、各相の各スイッチング素子を動作させた場合には、「相電圧実効値×√３＝線間電圧実効値」であり、「相電流実効値＝線電流実効値」である。When using a Y-connection, if the command values for the phase voltages of each phase are set to the same and each switching element of each phase is operated, then "phase voltage effective value × √3 = line voltage effective value" and "phase current effective value = line current effective value."
Δ結線時に、各相の相電圧に対する指令値を同一に設定して、各相の各スイッチング素子を動作させた場合には、「相電圧実効値＝線間電圧実効値」であり、「相電流実効値×√３＝線電流実効値」である。 When using delta connection, if the command values for the phase voltages of each phase are set to the same value and each switching element of each phase is operated, then "phase voltage effective value = line voltage effective value" and "phase current effective value × √3 = line current effective value."
ここで、Ｙ結線時およびΔ結線時において、各コンデンサ１１，１２，１３の電圧が同一であり、相電圧実効値が２３０．９Ｖｒｍｓとなるように各相の相電圧に対する指令値を設定して、各相の各スイッチング素子を動作させたとする。Here, in the case of Y connection and Δ connection, the voltages of each
この場合、Ｙ結線時においては、「相電圧実効値＝２３０．９Ｖｒｍｓ」であり、「線間電圧実効値＝２３０．９Ｖｒｍｓ×√３≒４００Ｖｒｍｓ」である。Δ結線時においては、「相電圧実効値＝２３０．９Ｖｒｍｓ」であり、「線間電圧実効値＝２３０．９Ｖｒｍｓ」である。In this case, in the case of Y connection, the "phase voltage effective value = 230.9 Vrms" and the "line voltage effective value = 230.9 Vrms × √3 ≒ 400 Vrms". In the case of Δ connection, the "phase voltage effective value = 230.9 Vrms" and the "line voltage effective value = 230.9 Vrms".
これは、各コンデンサ１１，１２，１３に印加されている電圧が同一であって、電力変換装置１０を動作させるための指令値が同一であっても、結線方式が異なるだけで異なる線間電圧が得られることを示している。
This shows that even if the voltage applied to each
Δ結線の場合、電流が負荷へ流れる電流経路だけではなく各相変換器内を電流が還流する還流経路が存在する。各相変換器内を電流が還流する場合、負荷へ出力している電流よりも大きな電流が流れるため、スイッチング素子の許容電流を増大させる必要がある。しかし、各相変換器内に電流が還流することを利用して、各コンデンサ１１～１３の電圧アンバランスを抑制させる制御を適用できるため、電力変換装置１０の冗長性を増加させることができる。
In the case of a Δ connection, there is not only a current path through which current flows to the load, but also a return path through which current flows back within each phase converter. When current returns within each phase converter, a current larger than the current output to the load flows, so it is necessary to increase the allowable current of the switching elements. However, by utilizing the fact that current returns within each phase converter, control can be applied that suppresses voltage imbalances in each
Ｙ結線の場合には還流経路は存在しないが、共通接点Ｇの電位を変化させることで交流電圧に直流電圧を重畳させることができる。これにより、各コンデンサ１１～１３の電圧アンバランスを抑制させる制御を適用できるため、電力変換装置１０の冗長性を増加させることができる。このように、Ｙ結線とΔ結線とでは異なる線間電圧が得られること以外にも、異なる制御により各コンデンサの電圧アンバランスを抑制することができる。そのため、負荷の種類、各コンデンサの電圧アンバランスがどの程度発生するか等に応じて、Ｙ結線およびΔ結線のいずれかの選択がなされる。
In the case of a Y connection, there is no return path, but by changing the potential of the common contact G, a DC voltage can be superimposed on the AC voltage. This makes it possible to apply control that suppresses voltage imbalance in each of the
＜Ｙ結線およびΔ結線の切り替えの効果＞
上述したように、電力変換装置１０は、Ｙ結線とΔ結線とを切り替えることで異なる線間電圧を出力できる。そのため、電力変換装置１０は、線間電圧が２３０．９Ｖｒｍｓで十分な負荷、および線間電圧が４００Ｖｒｍｓ必要な負荷の両方に対して適切な電圧を出力できる。
<Effect of switching between Y-connection and Δ-connection>
As described above, the
次に、電力に関して考察する。例えば、Ｙ結線時およびΔ結線時の両方で相電流実効値が１０Ａｒｍｓであるとする。皮相電力は「√３×線間電圧実効値×線電流実効値」で計算される。この場合、Ｙ結線時においては、「皮相電力＝√３×４００Ｖｒｍｓ×１０Ａｒｍｓ≒６９００ＶＡ」となり、Δ結線時においては、「皮相電力＝√３×２３０．９Ｖｒｍｓ×１０Ａｒｍｓ×√３≒６９００ＶＡ」となる。すなわち、Ｙ結線時およびΔ結線時において皮相電力は同一となる。 Next, let us consider power. For example, suppose the phase current effective value is 10 Arms in both Y-connection and Delta-connection. The apparent power is calculated as "√3 x line-to-line voltage effective value x line current effective value." In this case, in Y-connection, "apparent power = √3 x 400 Vrms x 10 Arms ≒ 6,900 VA," and in Delta-connection, "apparent power = √3 x 230.9 Vrms x 10 Arms x √3 ≒ 6,900 VA." In other words, the apparent power is the same in Y-connection and Delta-connection.
相電流は各スイッチング素子に流れる電流であり、スイッチング素子の選定に影響を与えるパラメータである。Ｙ結線時およびΔ結線時において、電力変換装置１０の各相変換器は同一の相電圧および同一の相電流を出力する。これは、Ｙ結線およびΔ結線に関わらず、同一の設計基準でスイッチング素子を選定できることを意味する。しかも、電力変換装置１０は、Ｙ結線とΔ結線とを切り替えることにより異なる線間電圧を出力でき、かつ、同一の皮相電力を出力できる。
Phase current is the current flowing through each switching element, and is a parameter that affects the selection of the switching element. In both Y-connection and Δ-connection, each phase converter of the
ここで、Ｙ結線時に、４００Ｖｒｍｓから２３０．９Ｖｒｍｓまでの線間電圧を出力する場合を想定する。相電圧の指令値は、「目標の相電圧÷コンデンサの電圧」により生成される。そのため、出力される線間電圧が目標の相電圧を示す４００Ｖｒｍｓよりも低い場合には当該線間電圧に対応する指令値を生成できることから、電力変換装置１０は２３０．９Ｖｒｍｓの線間電圧を出力できる。しかし、この場合、「皮相電力＝√３×２３０．９Ｖｒｍｓ×１０Ａｒｍｓ≒４０００ＶＡ」となる。この皮相電力は、Δ結線時に２３０．９Ｖｒｍｓの線間電圧を出力する場合の皮相電力（≒６９００ＶＡ）よりも小さいことが理解される。したがって、低い線間電圧を出力する場合には、Ｙ結線からΔ結線に切り替えることにより、出力される皮相電力の低下を防ぐことができる。Here, assume that a line voltage ranging from 400Vrms to 230.9Vrms is output in the Y-connection. The command value of the phase voltage is generated by "target phase voltage ÷ capacitor voltage". Therefore, if the output line voltage is lower than 400Vrms, which indicates the target phase voltage, the command value corresponding to the line voltage can be generated, so that the
上記では、電力変換装置１０が、Ｙ結線時に４００Ｖｒｍｓの線間電圧を出力し、Δ結線時に２３０．９Ｖｒｍｓの線間電圧を出力する構成について説明したが、電力変換装置１０は幅広い電圧に対応することができる。例えば、線間電圧が４００Ｖｒｍｓの電力系統Ｚ１、および線間電圧が２００Ｖｒｍｓの電力系統Ｚ２に電力変換装置１０が接続される場合を想定する。電力系統Ｚ１への接続時には、電力変換装置１０はＹ結線を用いて４００Ｖｒｍｓの線間電圧を出力し、電力系統Ｚ２への接続時には、電力変換装置１０はΔ結線を用いて２００Ｖｒｍｓの線間電圧を出力すればよい。これにより、皮相電力の低下をできるだけ防ぎつつ、２つの電力系統Ｚ１，Ｚ２に適した線間電圧を出力することができる。通常、２倍の電圧差がある場合には異なる耐圧の部品を選定する必要があり、異なる設計が必要となるが、本実施の形態に従う電力変換装置１０によれば、同一部品および同一設計で対応することができる。In the above, the
また、電力変換装置１０の接続先がモータの場合であって、モータの固定子巻き線がオープン巻線と呼ばれる巻き線方式の場合には、モータもΔ結線とＹ結線の切り替えが可能である。この場合、Ｙ結線時にはΔ結線時と比較して、モータの巻き線に印加される電圧は√３倍となる。また、電力変換装置１０においてもΔ結線とＹ結線の切り替えが可能であるため、Ｙ結線時にはΔ結線時と比較して線間電圧は√３倍となる。したがって、電力変換装置１０は、モータに同一の電力を供給しつつ、最大で３倍の電圧変化を与えることができる。
In addition, when the
＜相変換器の変形例＞
図２および図３では、各相変換器３１～３３に１つの単位変換器が含まれる構成について説明した。ここでは、各相変換器に複数（例えば、２つ）の単位変換器が含まれる構成について説明する。
<Modifications of Phase Converter>
2 and 3, a configuration has been described in which one unit converter is included in each of the
図９は、Ｙ結線して構成された電力変換装置の他の例を示す図である。図９には、図２の場合と同様に、導通しない線および切替装置７～９は図示されていない。
Figure 9 shows another example of a power conversion device configured with a Y connection. As in the case of Figure 2, Figure 9 does not show non-conducting lines and
図９を参照して、電力変換装置１０Ａの相変換器３１ａは、直列接続された２つの単位変換器２１，２１ａで構成される単位変換器群と、当該単位変換器群に接続されたリアクトル４とを含む。単位変換器２１および単位変換器２１ａは直列接続される。単位変換器２１ａは、リアクトル４と単位変換器２１の端子Ｈとの間に設けられる。
Referring to Fig. 9, the
相変換器３１ａの両端子のうちの端子Ａは、リアクトル４の両端子のうち単位変換器群と接続されていない方の端子に対応する。相変換器３１ａの端子Ｂは、単位変換器群の両端子のうち、リアクトル４と接続されていない方の端子に対応する。単位変換器群の他方の端子Ｋは、リアクトル４と接続される。Of the two terminals of the
単位変換器２１ａは、複数のスイッチング素子１ｅ～１ｈと、コンデンサ１５とを含む。スイッチング素子１ｅの負極とスイッチング素子１ｆの正極との接続点は、単位変換器２１ａの端子Ｋに相当する。スイッチング素子１ｇの負極とスイッチング素子１ｈの正極との接続点は、単位変換器２１ａの端子Ｌに相当する。スイッチング素子１ｅの正極とスイッチング素子１ｇの正極とコンデンサ１５の一方の端子とが接続される。スイッチング素子１ｆの負極とスイッチング素子１ｈの負極とコンデンサ１５の他方の端子とが接続される。端子Ｋにリアクトル４が接続され、端子Ｌに単位変換器２１の端子Ｈが接続される。
The
相変換器３２ａは、直列接続された２つの単位変換器２２，２２ａで構成される単位変換器群と、当該単位変換器群に接続されたリアクトル５とを含む。単位変換器２２ａは、複数のスイッチング素子２ｅ～２ｈと、コンデンサ１６とを含む。単位変換器２２ａの構成は、単位変換器２１ａの構成と同様である。単位変換器２２および単位変換器２２ａは直列接続される。単位変換器２２ａは、リアクトル５と単位変換器２２の端子Ｉとの間に設けられる。単位変換器２２ａの端子Ｍにリアクトル５が接続され、端子Ｎに単位変換器２２の端子Ｉが接続される。
The
相変換器３３ａは、直列接続された２つの単位変換器２３，２３ａで構成される単位変換器群と、当該単位変換器群に接続されたリアクトル６とを含む。単位変換器２３ａは、複数のスイッチング素子３ｅ～３ｈと、コンデンサ１７とを含む。単位変換器２３ａの構成は、単位変換器２１ａの構成と同様である。単位変換器２３および単位変換器２３ａは直列接続される。単位変換器２３ａは、リアクトル６と単位変換器２３の端子Ｊとの間に設けられる。単位変換器２３ａの端子Ｏにリアクトル６が接続され、端子Ｐに単位変換器２３の端子Ｊが接続される。
The
制御装置１４は、単位変換器２１ａ～２３ａの駆動信号を生成する。駆動信号１１ｅ～１１ｇは、それぞれスイッチング素子１ｅ～１ｈに入力される。駆動信号１２ｅ～１２ｈは、それぞれスイッチング素子２ｅ～２ｈに入力される。駆動信号１３ｅ～１３ｈは、それぞれスイッチング素子３ｅ～３ｈに入力される。
The
図１０は、図９に示すＹ結線時におけるスイッチング動作の一例を説明するための図である。各相における各スイッチング素子の動作は同様であるため、代表して、Ｕ相に対応する各スイッチング素子１ａ～１ｈの動作について説明する。
Figure 10 is a diagram for explaining an example of switching operation in the Y-connection shown in Figure 9. Since the operation of each switching element in each phase is similar, the operation of each switching
指令値４１、三角波４２、波形４１ａ～４１ｄは、図４で説明したものと同様である。波形１０１ｅ～１０１ｈは、それぞれ駆動信号１１ｅ～１１ｈの波形を示している。図１０に示すように、波形４１ａおよび波形１０１ｅは同一であり、波形４１ｂおよび波形１０１ｆは同一であり、波形４１ｃおよび波形１０１ｇは同一であり、波形４１ｄおよび波形１０１ｈは同一である。すなわち、駆動信号１１ａおよび駆動信号１１ｅは同一であり、駆動信号１１ｂおよび駆動信号１１ｆは同一であり、駆動信号１１ｃおよび駆動信号１１ｇは同一であり、駆動信号１１ｄおよび駆動信号１１ｈは同一である。
The
図１０では、Ｕ相におけるスイッチング素子１ａ～１ｈのオンオフ動作について説明したが、Ｖ相のスイッチング素子２ａ～２ｈおよびＷ相のスイッチング素子３ａ～３ｈのオンオフ動作についても同様である。ただし、各相の指令値は１２０度ずつシフトされる。図１０に示すスイッチング方式によると、単位変換器の数が２つになった場合でも、指令値および三角波が１つずつであるため制御が容易である。
Figure 10 explains the on/off operation of switching
図１１は、図９に示すＹ結線時におけるスイッチング動作の他の例を説明するための図である。図１１に示すスイッチング素子１ａ～１ｄのスイッチング動作は、図６に示す当該スイッチング動作と同一である。
Figure 11 is a diagram for explaining another example of the switching operation in the Y-connection shown in Figure 9. The switching operation of the
波形１１１ｅ，１１１ｆは、それぞれスイッチング素子１ｅ，１ｆの駆動信号１１ｅ，１１ｆの波形を示している。駆動信号１１ｅ，１１ｆは、三角波１１１を用いて生成される。三角波１１１は、三角波４２に対して位相が９０度シフトしている。波形１１１ｇ，１１１ｈは、それぞれスイッチング素子１ｇ，１ｈの駆動信号１１ｇ，１１ｈの波形を示している。駆動信号１１ｇ，１１ｈは、三角波１１２を用いて生成される。三角波１１２は、三角波８２に対して位相が９０度シフトしている。なお、三角波１１２は、三角波１１１に対して位相が１８０度シフトしている。
図１１に示すスイッチング方式によって、リアクトル４に流れる相電流に含有する、スイッチング動作に基づくリプル成分の周波数が、スイッチング周波数の２倍となる。そのため、リアクトル４に必要なインダクタンスを低減することができ、結果としてリアクトル４の小型化が可能となる。また、各相の三角波の位相を１２０度ずつシフトすることにより、スイッチング動作によってリアクトル４に流れるリプル電流を低減することもできる。この場合、さらなるインダクタンスの低減およびリアクトル４の小型化が可能となる。ここでは、リアクトル４についてのみ言及したが、リアクトル５およびリアクトル６に関しても同様に、上記スイッチング方式に従ってリアクトル５，６のインダクタンス低減およびリアクトル５，６の小型化が可能である。
By using the switching method shown in FIG. 11, the frequency of the ripple component based on the switching operation contained in the phase current flowing through the
なお、図９では、各相変換器３１ａ～３３ａが２つの単位変換器を有する構成について説明したが、各相変換器が３つ以上の単位変換器を有する構成であってもよい。また、直列数を増加させる場合、三角波の位相を「３６０度÷直列数」ずつ位相をずらすことで、リアクトルに流れるリプル電流をより高周波にすることができ、さらにリプル電流を低減することができる。
Note that, although Figure 9 describes a configuration in which each
例えば、直列数が“４”である場合、１段目の三角波に対して２段目の三角波を９０度シフトし、２段目の三角波に対して３段目の三角波を９０度シフトし、３段目の三角波に対して４段目の三角波を９０度シフトするように設定する。この時、１段目のスイッチング素子１ａ，１ｂの三角波に対してスイッチング素子１ｃ，１ｄの三角波の位相を１８０度シフトさせたように、各段について三角波が２つ用意され、一方の三角波は他方の三角波に対して１８０度シフトするように設定する。また、各相の三角波の位相を１２０度ずつシフトすることによりリアクトルに流れるリプル電流を低減することもでき、さらなるインダクタンスの低減およびリアクトルの小型化が可能となる。For example, if the number of series is "4", the second triangular wave is set to be shifted 90 degrees from the first triangular wave, the third triangular wave is set to be shifted 90 degrees from the second triangular wave, and the fourth triangular wave is set to be shifted 90 degrees from the third triangular wave. At this time, two triangular waves are prepared for each stage, just as the phase of the triangular wave of switching
図１２は、Δ結線して構成された電力変換装置の他の例を示す図である。図１２には、図３の場合と同様に、導通しない線および切替装置７～９は図示されていない。図１２に示すように、Δ結線時においては、相変換器３１ａの端子Ｂと相変換器３２ａの端子Ｃとが接続され、相変換器３２ａの端子Ｄと相変換器３３ａの端子Ｅとが接続され、相変換器３３ａの端子Ｆと相変換器３１ａの端子Ａとが接続される。Δ結線時の各スイッチング素子のスイッチング動作は、上述したＹ結線時のスイッチング動作と同様である。
Figure 12 is a diagram showing another example of a power conversion device configured with a delta connection. As in the case of Figure 3, non-conducting lines and
上記の変形例のように、直列数を増加させると、各相変換器に用いられるスイッチング素子の数は増加する。しかし、各単位変換器から出力する相電圧を小さくすることができる。例えば、相変換器が４段の直列接続された単位変換器群で構成されている場合を想定する。この場合、Ｙ結線時においては、各段の単位変換器が約５８Ｖｒｍｓの相電圧を出力するだけで、２３０．９Ｖｒｍｓ（≒５８Ｖｒｍｓ×４）の相電圧を出力でき、結果として、４００Ｖｒｍｓの線間電圧を出力できる。通常、４００Ｖｒｍｓの線間電圧を出力する電力変換装置は、当該線間電圧を出力するために十分な耐圧を有するスイッチング素子を選定する必要がある。しかし、相変換器を４段の単位変換器で構成する場合には、５８Ｖｒｍｓを出力するのに十分な耐圧を有するスイッチング素子を選定すればよい。As in the above modified example, when the number of series is increased, the number of switching elements used in each phase converter increases. However, the phase voltage output from each unit converter can be reduced. For example, assume that the phase converter is composed of a group of unit converters connected in series in four stages. In this case, in the case of Y connection, the unit converter of each stage only needs to output a phase voltage of about 58 Vrms, and a phase voltage of 230.9 Vrms (≒ 58 Vrms x 4) can be output, and as a result, a line voltage of 400 Vrms can be output. Normally, a power conversion device that outputs a line voltage of 400 Vrms needs to select a switching element with a sufficient withstand voltage to output the line voltage. However, when the phase converter is composed of four stages of unit converters, it is sufficient to select a switching element with a sufficient withstand voltage to output 58 Vrms.
＜他の切替方式＞
図１では、各切替装置７～９を利用してＹ結線およびΔ結線を切り替える方式について説明した。ここでは、各切替装置７～９を利用せずにＹ結線およびΔ結線を切り替える方式について説明する。
<Other switching methods>
1, a method for switching between the Y connection and the Δ connection using the
図１３は、電力変換装置の全体構成の他の例を示す図である。図１３を参照して、電力変換装置１０Ｂは、制御装置１４と、相変換器３１～３３と、接続端子９１～９６とを含む。電力変換装置１０Ｂは、切替装置７～９の代わりに、接続端子９１～９６を含む点で電力変換装置１０と異なる。
Figure 13 is a diagram showing another example of the overall configuration of a power conversion device. Referring to Figure 13,
接続端子９１，９２はＵ相に対応して設けられ、接続端子９３，９４はＶ相に対応して設けられ、接続端子９５，９６はＷ相に対応して設けられる。Ｕ相において、接続端子９１は相変換器３１の端子Ａと接続され、接続端子９２は相変換器３１の端子Ｂと接続される。Ｖ相において、接続端子９３は相変換器３２の端子Ｃと接続され、接続端子９４は相変換器３２の端子Ｄと接続される。Ｗ相において、接続端子９５は相変換器３３の端子Ｅと接続され、接続端子９６は相変換器３３の端子Ｆと接続される。
ここで、各相変換器３１～３３のリアクトル側の端子（例えば、端子Ａ，Ｃ，Ｅ）に接続された接続端子９１，９３，９５を「第１接続端子」とも総称し、各相変換器３１～３３の単位変換器側の端子（例えば、端子Ｂ，Ｄ，Ｆ）に接続された接続端子９２，９４，９６を「第２接続端子」とも総称する。Here, the
Ｙ結線時には、接続端子９２、接続端子９４および接続端子９６が互いに接続される。すなわち、各相に対応する第２接続端子同士が接続される。なお、各接続端子９１、９３，９５は負荷に接続される。In the case of a Y-connection, the
Δ結線時には、接続端子９２が接続端子９３と接続され、接続端子９４が接続端子９５と接続され、接続端子９６が接続端子９１と接続される。すなわち、複数の相の各々について、当該相（例えば、Ｕ相）に対応する第１接続端子と他の相（例えば、Ｗ相）に対応する第２接続端子とが接続される。なお、各接続端子９１、９３，９５は負荷に接続される。接続端子同士は、例えば、ねじ締め、タブ端子、コネクタを用いて接続される。In the case of a delta connection,
図１４は、電力変換装置の全体構成のさらに他の例を示す図である。図１４を参照して、電力変換装置１０Ｃは、制御装置１４と、相変換器３１～３３と、スイッチ装置１６１～１６３とを含む。電力変換装置１０Ｃは、切替装置７～９の代わりに、スイッチ装置１６１～１６３を含む点で電力変換装置１０と異なる。複数のスイッチ装置１６１～１６３は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応して設けられる。なお、図解の容易化のため、各スイッチング素子１ａ～１ｄ，２ａ～２ｄ，３ａ～３ｄの駆動信号および各スイッチング素子１６１ａ～１６１ｄ，１６２ａ～１６２ｄ，１６３ａ～１６３ｄの駆動信号は図示していない。
Figure 14 is a diagram showing yet another example of the overall configuration of a power conversion device. Referring to Figure 14,
Ｕ相に対応するスイッチ装置１６１は、スイッチング素子１６１ａ～１６１ｄを含む。スイッチング素子１６１ａの正極および端子Ｂが接続され、スイッチング素子１６１ａの負極およびスイッチング素子１６１ｂの負極が接続され、スイッチング素子１６１ｂの正極および共通接点Ｇが接続される。また、スイッチング素子１６１ｃの正極および端子Ｂが接続され、スイッチング素子１６１ｃの負極およびスイッチング素子１６１ｄの負極が接続され、スイッチング素子１６１ｄの正極および端子Ｃが接続される。
The
Ｖ相に対応するスイッチ装置１６２は、スイッチング素子１６２ａ～１６２ｄを含む。スイッチング素子１６２ａの正極および端子Ｄが接続され、スイッチング素子１６２ａの負極およびスイッチング素子１６２ｂの負極が接続され、スイッチング素子１６２ｂの正極および共通接点Ｇが接続される。また、スイッチング素子１６２ｃの正極および端子Ｄが接続され、スイッチング素子１６２ｃの負極およびスイッチング素子１６２ｄの負極が接続され、スイッチング素子１６２ｄの正極および端子Ｅが接続される。The
Ｗ相に対応するスイッチ装置１６３は、スイッチング素子１６３ａ～１６３ｄを含む。スイッチング素子１６３ａの正極および端子Ｆが接続され、スイッチング素子１６３ａの負極およびスイッチング素子１６３ｂの負極が接続され、スイッチング素子１６３ｂの正極および共通接点Ｇが接続される。また、スイッチング素子１６３ｃの正極および端子Ｆが接続され、スイッチング素子１６３ｃの負極およびスイッチング素子１６３ｄの負極が接続され、スイッチング素子１６３ｄの正極および端子Ａが接続される。
The
ここで、各相変換器の単位変換器側の端子（例えば、端子Ｂ，Ｄ，またはＦ）と共通接点Ｇとの間に接続された２つのスイッチング素子（例えば、スイッチング素子１６１ａ，１６１ｂ、または、スイッチング素子１６２ａ，１６２ｂ、または、スイッチング素子１６３ａ，１６３ｂ）を「第１スイッチング素子群」とも総称する。Here, the two switching elements (e.g., switching
また、各相変換器のリアクトル側の端子（例えば、端子Ａ，端子Ｃ，または端子Ｅ）と単位変換器側の端子との間に接続された２つのスイッチング素子（例えば、スイッチング素子１６１ｃ，１６１ｄ、または、スイッチング素子１６２ｃ，１６２ｄ、またはスイッチング素子１６３ｃ，１６３ｄ）を「第２スイッチング素子群」とも総称する。
In addition, two switching elements (e.g., switching
この場合、各第１スイッチング素子群同士は、共通接点Ｇを介して互いに接続される。また、複数の相の各々について、当該相（例えば、Ｕ相）に対応する相変換器の単位変換器側の端子（例えば、端子Ｂ）は、当該相に対応する第１スイッチング素子群（例えば、スイッチング素子１６１ａ，１６１ｂ）を介して共通接点Ｇに接続される。さらに、複数の相の各々について、当該相（例えば、Ｕ相）に対応する単位変換器側の端子（例えば、端子Ｂ）は、当該相に対応する第２スイッチング素子群（例えば、スイッチング素子１６１ｃ，１６１ｄ）を介して他の相（例えば、Ｖ相）に対応する相変換器のリアクトル側の端子（例えば、端子Ｃ）と接続される。In this case, the first switching element groups are connected to each other via a common contact G. Also, for each of the multiple phases, the terminal (e.g., terminal B) on the unit converter side of the phase converter corresponding to that phase (e.g., U phase) is connected to the common contact G via the first switching element group (e.g., switching
電力変換装置１０ＣをＹ結線で構成する場合には、各第１スイッチング素子群はオン状態に制御され、各第２スイッチング素子群はオフ状態に制御される。一方、電力変換装置１０ＣをΔ結線で構成する場合には、各第１スイッチング素子群はオフ状態に制御され、各第２スイッチング素子群はオン状態に制御される。When the
図１４に示すように、第１スイッチング素子群および第２スイッチング素子群では、２つのスイッチング素子の各負極が互いに向かい合うように接続されているため、各スイッチング素子の両方をオンしなければ電流が流れない。As shown in FIG. 14, in the first switching element group and the second switching element group, the negative electrodes of the two switching elements are connected facing each other, so that no current flows unless both switching elements are turned on.
そのため、Ｙ結線の場合には、各スイッチング素子１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１６３ａ，１６３ｂをオンさせ、各スイッチング素子１６１ｃ，１６１ｄ，１６２ｃ，１６２ｄ，１６３ｃ，１６３ｄをオフさせる。Δ結線の場合には、各スイッチング素子１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１６３ａ，１６３ｂをオフさせ、各スイッチング素子１６１ｃ，１６１ｄ，１６２ｃ，１６２ｄ，１６３ｃ，１６３ｄをオンさせる。なお、スイッチ装置１６１～１６３に用いられるスイッチング素子はＭＯＳＦＥＴで構成されているが、オフオフ動作で経路を遮断できる半導体スイッチング素子で構成されていればよい。Therefore, in the case of Y connection, each switching
図１３および図１４では、相変換器が１つの単位変換器を含む構成について説明したが、図９および図１２で説明したように、相変換器が複数の単位変換器を含む構成であってもよい。 In Figures 13 and 14, a configuration in which the phase converter includes one unit converter is described, but as described in Figures 9 and 12, the phase converter may also be configured to include multiple unit converters.
＜単位変換器の他の構成＞
図１では、単位変換器はフルブリッジ型の変換回路を用いて構成されているが、単位変換器は他の変換回路を用いて構成されていてもよい。
<Other configurations of the unit converter>
In FIG. 1, the unit converter is configured using a full-bridge type conversion circuit, but the unit converter may be configured using other conversion circuits.
図１５は、単位変換器の他の例を説明するための図である。図１５を参照して、電力変換装置１０Ｄは、制御装置１４と、相変換器３１ｂ～３３ｂと、切替装置７～９とを含む。電力変換装置１０Ｄは、図１の電力変換装置１０の相変換器３１～３３をそれぞれ相変換器３１ｂ～３３ｂに置き換えたものである。
Figure 15 is a diagram for explaining another example of a unit converter. Referring to Figure 15,
相変換器３１ｂ～３３ｂは、単位変換器がハーフブリッジ型で構成されている点で、相変換器３１～３３と異なる。単位変換器２１ｂは、スイッチング素子１ａ，１ｂと、コンデンサ１１，２４，２５とを含む。単位変換器２１ｂは、単位変換器２１のスイッチング素子１ｃ，１ｄをそれぞれコンデンサ２４，２５に置き換えたものである。同様に、単位変換器２２ｂは、単位変換器２２のスイッチング素子２ｃ，２ｄをそれぞれコンデンサ２６，２７に置き換えたものである。単位変換器２３ｂは、単位変換器２３のスイッチング素子３ｃ，３ｄをそれぞれコンデンサ２８，２９に置き換えたものである。
図１６は、単位変換器のさらに他の例を説明するための図である。図１６では、図解の容易化のため、各スイッチング素子の駆動信号は図示されていない。 Figure 16 is a diagram for explaining yet another example of a unit converter. In Figure 16, for ease of illustration, the drive signals for each switching element are not shown.
図１６を参照して、電力変換装置１０Ｅは、制御装置１４と、相変換器３１ｃ～３３ｃと、切替装置７～９とを含む。電力変換装置１０Ｅは、図１の電力変換装置１０の相変換器３１～３３をそれぞれ相変換器３１ｃ～３３ｃに置き換えたものである。相変換器３１ｃ～３３ｃは、単位変換器がフライングキャパシタ回路で構成されている点で、相変換器３１～３３と異なる。
With reference to Figure 16,
相変換器３１ｃの単位変換器２１ｃは、スイッチング素子１ｉ～１ｌおよびコンデンサ１３０を含むフライングキャパシタ回路と、スイッチング素子１ｍ～１ｐおよびコンデンサ１３１を含むフライングキャパシタ回路と、コンデンサ１１とを含む。相変換器３２ｃの単位変換器２２ｃは、スイッチング素子２ｉ～２ｌおよびコンデンサ１３２を含むフライングキャパシタ回路と、スイッチング素子２ｍ～２ｐおよびコンデンサ１３３を含むフライングキャパシタ回路と、コンデンサ１２とを含む。相変換器３３ｃの単位変換器２３ｃは、スイッチング素子３ｉ～３ｌおよびコンデンサ１３４を含むフライングキャパシタ回路と、スイッチング素子３ｍ～３ｐおよびコンデンサ１３５を含むフライングキャパシタ回路と、コンデンサ１３とを含む。なお、各単位変換器２１ｃ～２３ｃにおいて、一方のフライングキャパシタ回路をコンデンサで代用してもよい。
The
その他の実施の形態．
（１）上述した実施の形態において、電力変換装置は、ノイズフィルタを構成するコンデンサおよびコイル等を含んでもよい。これらの部品は、電力変換装置内部に設けてもよいし、電力変換装置の外部に設けてもよい。
Other embodiments.
(1) In the above-described embodiment, the power conversion device may include a capacitor, a coil, etc. that constitute a noise filter. These components may be provided inside the power conversion device or may be provided outside the power conversion device.
（２）上述した実施の形態において、Ｙ結線およびΔ結線の切り替えは、電力変換装置１０の停止中に行なってもよいし、動作中に行なってもよい。例えば、電力変換装置１０に接続される負荷がモータの場合、最初は電力変換装置１０をΔ結線で構成し、モータが高い電圧を必要とする動作に移行した場合に、電力変換装置１０をＹ結線で構成する。(2) In the above-described embodiment, the switching between the Y connection and the Δ connection may be performed while the
（３）上述の実施の形態として例示した構成は、本開示の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。また、上述した実施の形態において、他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。 (3) The configurations exemplified as the above-mentioned embodiments are examples of the configurations of the present disclosure, and may be combined with other known technologies, or may be modified, such as by omitting some parts, without departing from the gist of the present disclosure. In addition, the above-mentioned embodiments may be implemented by appropriately adopting the processes and configurations described in other embodiments.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present disclosure is indicated by the claims, not by the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
１ａ～１ｐ，２ａ～２ｐ，３ａ～３ｐ，１６１ａ～１６１ｄ，１６２ａ～１６２ｄ，１６３ａ～１６３ｄ スイッチング素子、４～６ リアクトル、７～９ 切替装置、１０，１０Ａ～１０Ｅ 電力変換装置、１１～１７，２４～２９，１３０～１３５ コンデンサ、１４ 制御装置、２１～２３，２１ａ～２１ｃ，２２ａ～２２ｃ，２３ａ～２３ｃ 単位変換器、３１～３３，３１ａ～３１ｃ，３２ａ～３２ｃ，３３ａ～３３ｃ 相変換器、１６１～１６３ スイッチ装置。 1a to 1p, 2a to 2p, 3a to 3p, 161a to 161d, 162a to 162d, 163a to 163d switching elements, 4 to 6 reactors, 7 to 9 switching devices, 10, 10A to 10E power conversion devices, 11 to 17, 24 to 29, 130 to 135 capacitors, 14 control device, 21 to 23, 21a to 21c, 22a to 22c, 23a to 23c unit converters, 31 to 33, 31a to 31c, 32a to 32c, 33a to 33c phase converters, 161 to 163 switch devices.
Claims (7)
各前記相変換器の動作を制御する制御装置とを備え、
各前記相変換器は、複数のスイッチング素子とコンデンサとを有する１以上の単位変換器で構成される単位変換器群と、前記単位変換器群に接続されたリアクトルとを含み、
前記相変換器の両端子のうちの第１端子は、前記リアクトルの両端子のうち前記単位変換器群と接続されていない方の端子に対応し、
前記相変換器の両端子のうちの第２端子は、前記単位変換器群の両端子のうち、前記リアクトルと接続されていない方の端子に対応し、
各前記相変換器の前記第２端子同士が接続される第１接続パターンと、前記複数の相変換器の各々について、当該相変換器の前記第２端子が他の相変換器の前記第１端子と接続される第２接続パターンとを切り替え可能に構成される、電力変換装置。 A plurality of phase converters provided corresponding to the plurality of phases, respectively;
A control device for controlling the operation of each of the phase converters,
Each of the phase converters includes a converter unit group composed of one or more converter unit having a plurality of switching elements and a capacitor, and a reactor connected to the converter unit group,
a first terminal of the two terminals of the phase converter corresponds to a terminal of the two terminals of the reactor that is not connected to the converter element group;
a second terminal of the phase converter corresponds to a terminal of the converter group that is not connected to the reactor;
A power conversion device configured to be able to switch between a first connection pattern in which the second terminals of each of the phase converters are connected to each other, and a second connection pattern in which, for each of the multiple phase converters, the second terminal of the phase converter is connected to the first terminal of another phase converter.
各前記切替装置は、第１接点端子と第２接点端子とを含み、
各前記第１接点端子は互いに接続されており、
複数の相の各々について、当該相に対応する前記第２接点端子は他の相に対応する前記第１端子と接続されており、
前記第１接続パターンは、複数の相の各々について、当該相に対応する前記第２端子および前記第１接点端子が接続されるパターンであり、
前記第２接続パターンは、複数の相の各々について、当該相に対応する前記第２端子および前記第２接点端子が接続されるパターンである、請求項１に記載の電力変換装置。 The power supply system further includes a plurality of switching devices provided corresponding to the plurality of phases,
Each of the switching devices includes a first contact terminal and a second contact terminal;
The first contact terminals are connected to each other,
For each of a plurality of phases, the second contact terminal corresponding to the phase is connected to the first terminal corresponding to the other phases;
the first connection pattern is a pattern in which the second terminal and the first contact terminal corresponding to each of a plurality of phases are connected to each other,
The power conversion device according to claim 1 , wherein the second connection pattern is a pattern in which, for each of a plurality of phases, the second terminal and the second contact terminal corresponding to that phase are connected.
複数の相の各々について、当該相に対応する前記第１接続端子と前記第１端子とが接続され、当該相に対応する前記第２接続端子と前記第２端子とが接続され、
前記第１接続パターンは、各前記第２接続端子同士が接続されるパターンであり、
前記第２接続パターンは、複数の相の各々について、当該相に対応する前記第１接続端子と他の相に対応する前記第２接続端子とが接続されるパターンである、請求項１に記載の電力変換装置。 The inverter further includes a first connection terminal and a second connection terminal provided corresponding to the plurality of phases,
For each of a plurality of phases, the first connection terminal corresponding to the phase is connected to the first terminal, and the second connection terminal corresponding to the phase is connected to the second terminal;
the first connection pattern is a pattern in which the second connection terminals are connected to each other,
The power conversion device according to claim 1 , wherein the second connection pattern is a pattern in which, for each of a plurality of phases, the first connection terminal corresponding to that phase is connected to the second connection terminal corresponding to another phase.
各スイッチ装置は、第１スイッチング素子群と第２スイッチング素子群とを含み、
各前記第１スイッチング素子群同士は、共通接点を介して互いに接続されており、
複数の相の各々について、当該相に対応する前記第２端子は、当該相に対応する前記第１スイッチング素子群を介して前記共通接点に接続されており、
複数の相の各々について、当該相に対応する前記第２端子は、当該相に対応する前記第２スイッチング素子群を介して他の相に対応する前記第１端子と接続されており、
前記第１接続パターン時において、各前記第１スイッチング素子群はオン状態に制御され、各前記第２スイッチング素子群はオフ状態に制御され、
前記第２接続パターン時において、各前記第１スイッチング素子群はオフ状態に制御され、各前記第２スイッチング素子群はオン状態に制御される、請求項１に記載の電力変換装置。 The power supply device further includes a plurality of switch devices provided corresponding to the plurality of phases,
Each switch device includes a first group of switching elements and a second group of switching elements;
The first switching element groups are connected to each other via a common contact,
For each of a plurality of phases, the second terminal corresponding to the phase is connected to the common contact via the first switching element group corresponding to the phase;
For each of a plurality of phases, the second terminal corresponding to the phase is connected to the first terminal corresponding to another phase via the second switching element group corresponding to the phase,
In the first connection pattern, each of the first switching element groups is controlled to an ON state, and each of the second switching element groups is controlled to an OFF state,
The power conversion device according to claim 1 , wherein, in the second connection pattern, the first switching elements are controlled to an off state, and the second switching elements are controlled to an on state.
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