(57)【要約】      （修正有）【課題】装置サイズを低減できるとともに汎用性を向上できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置２１は、複数の変換器ユニット（２１−ｃ１１〜１７，２１−ｃ２１〜２７，２１−ｃ３１〜３７）が多重接続されるものであって、三相交流電源ＧＥＮが電気的に接続される一対の電源側主端子を複数組有し、負荷（Ｍ１，Ｍ２，ＢＡＴＴ）が電気的に接続される一対の負荷側主端子を複数組有する。一対の電源側主端子（２１−ｘ１ａ，２１−ｘ１ｂ）の間には、複数の変換器ユニット（２１−ｃ１１〜１７）の電源側が直列に接続され、一対の負荷側主端子（２１−ｙ１ａ，２１−ｙ１ｂ）の間には、複数の変換器ユニット（２１−ｃ１１，２１−ｃ２１，２１−ｃ３１）の負荷側が直列に接続され、変換器ユニットの主回路部が絶縁型の電力変換回路から構成される。【選択図】図１
2020096440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変換器ユニットが多重接続される電力変換装置において、
電源が電気的に接続される一対の電源側主端子を複数組有し、
負荷が電気的に接続される一対の負荷側主端子を複数組有し、
前記一対の電源側主端子の間には、複数の前記変換器ユニットの電源側が直列に接続され、
前記一対の負荷側主端子の間には、複数の前記変換器ユニットの負荷側が直列に接続され、
前記変換器ユニットの主回路部が絶縁型の電力変換回路から構成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記複数組の前記一対の電源側端子には、複数台もしくは複数種の前記電源が電気的に接続されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記電源は、三相交流電源、単相交流電源および直流電源の内のいずれかを含むことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記複数組の前記一対の負荷側主端子には、複数台もしくは複数種の前記負荷が電気的に接続されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記負荷は、交流負荷および直流負荷の内のいずれかを含むことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記一対の電源側主端子の前記複数組の内の３組においては、前記一対の電源側主端子の一方および他方の内、前記一方に三相交流電源が接続され、前記他方が三相結線されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記一対の負荷側主端子の前記複数組の内の３組においては、前記一対の負荷側主端子の一方および他方の内、前記一方に三相交流負荷が接続され、前記他方が三相結線されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電力変換装置において、
前記一対の負荷側主端子の前記複数組の内の１組においては、直流負荷が接続されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記変換器ユニットにおける前記電力変換回路は、絶縁トランスとして機能する高周波トランスを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電力変換装置において、
前記電力変換回路は、前記高周波トランスの一次側および二次側の少なくとも一方において共振コンデンサを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記変換器ユニットにおける前記電力変換回路は、直流電力を蓄電する蓄電池を備え、前記蓄電池に蓄電される直流電力を電力変換して前記負荷に供給することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単位の電力変換器を多重接続して構成される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチセル電力変換装置やモジュラーマルチレベル電力変換装置においては、小容量の単位の変換器（ユニットまたはセル）が複数直列多重接続される。これにより、高電圧・大容量の電力変換装置が構成される。
【０００３】
このような電力変換装置に関する技術として、特許文献１に記載の従来技術が知られている。
【０００４】
本従来技術では、三相交流電源からの三相交流電力を電力変換して三相交流電動機に出力する電力変換装置のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各々が、セルパワーモジュールが複数台（Ｎ台：Ｎは整数）直列接続されて構成される。各セルパワーモジュールは、電源側および電動機側に配置される二組の単相インバータを備える。
【０００５】
三相交流電動機側のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各々において、電動機側のＮ個の単相インバータが直列接続され、さらに三相交流電動機側のＵ相、Ｖ相およびＷ相は三相結線（Ｙ結線）で接続される。また、三相交流電源側のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各々において、電源側のＮ個の単相インバータが、各単相インバータに接続される単相の絶縁トランスを介して直列接続され、さらに三相交流電源側のＵ相、Ｖ相およびＷ相は三相結線（Ｙ結線）で接続される。
【０００６】
本従来技術による電力変換装置は、セルパワーモジュールが二組の単相インバータを備えることにより、三相交流電動機が発生する電力を電源側に回生できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１０６０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術による電力変換装置は、電源側において絶縁トランスを備えるために、電力変換装置のサイズが増大する。また、上記従来技術による電力変換装置は、セルの直列数に応じて種々の電圧レベルに対応できるが、接続される負荷および電源の組み合わせの自由度が小さく、必ずしも汎用性は高くない。
【０００９】
そこで、本発明は、装置サイズを低減できるとともに汎用性を向上できる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明による電力変換装置は、複数の変換器ユニットが多重接続されるものであって、電源が電気的に接続される一対の電源側主端子を複数組有し、負荷が電気的に接続される一対の負荷側主端子を複数組有し、一対の電源側主端子の間には、複数の変換器ユニットの電源側が直列に接続され、一対の負荷側主端子の間には、複数の変換器ユニットの負荷側が直列に接続され、変換器ユニットの主回路部が絶縁型の電力変換回路から構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、装置サイズを低減できるとともに、接続できる電源および負荷の自由度が向上して汎用性が向上できる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１である電力変換装置の全体構成を示す。
【図２】変換器ユニットの概略構成を示す。
【図３】図２における変換器セルの回路構成の具体例を示す。
【図４】図２における変換器セルの回路構成の他の具体例を示す。
【図５】実施例２における複数の変換器セルの接続形態の一例を示す。
【図６】実施例２における複数の変換器セルの接続形態の他の一例を示す。
【図７】実施例２における複数の変換器セルの接続形態の他の一例を示す。
【図８】実施例２における複数の変換器セルの接続形態の他の一例を示す。
【図９】実施例３の電力変換装置における変換器ユニットの接続形態を示す。
【図１０】実施例３の電力変換装置における変換器ユニットの他の接続形態を示す。
【図１１】変換器ユニットにおけるＡＣ／ＤＣ変換回路部の変形例を示す。
【図１２ａ】変換器ユニットにおけるＤＣ／ＤＣ変換回路部の変形例を示す。
【図１２ｂ】変換器ユニットにおけるＤＣ／ＤＣ変換回路部の変形例を示す。
【図１２ｃ】変換器ユニットにおけるＤＣ／ＤＣ変換回路部の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１〜３により、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１である電力変換装置の全体構成を示す。
【００１６】
本実施例１の電力変換装置は、三相交流電源ＧＥＮから受電する三相交流電力を電力変換し、変換された三相交流電力によって２台の三相交流電動機Ｍ１，Ｍ２を駆動する。また、電力変換装置は、三相交流電源ＧＥＮから受電する三相交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力によって蓄電池ＢＡＴＴを充電する。さらに、電力変換装置は、三相交流電動機Ｍ１，Ｍ２が発生する電力や蓄電池ＢＡＴＴに蓄電され電力を三相交流電源ＧＥＮへ回生したり、蓄電池ＢＡＴＴの放電を制御したりする。
【００１７】
図１に示すように、電力変換装置２１は、２１台の変換器ユニット（２１−ｃ１１〜２１−ｃ１７，２１−ｃ２１〜２１−ｃ２７，２１−ｃ３１〜２１−ｃ３７）から構成される。なお、各変換器ユニットは、後述するように（図２参照）、単相の電力変換器として機能する絶縁型の変換器である。また、各変換器ユニットは、三相交流電源側端子（図１中の「Ｘａ，Ｘｂ」であり、以下、「電源側端子」と記す）および負荷（三相交流電動機および蓄電池）側端子（図１中の「Ｙａ，Ｙｂ」）を備える。各変換器ユニットは、電源側端子および負荷側端子のどちらか一方から入力する電力を電力変換し、変換した電力を他方へ出力することができる双方向電力変換器である。
【００１８】
電力変換装置２１の電源側の三相の各々が、７台の変換器ユニットの直列接続によって構成される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１１〜２１−ｃ１７の直列接続、変換器ユニット２１−ｃ２１〜２１−ｃ２７の直列接続、変換器ユニット２１−ｃ３１〜２１−ｃ３７の直列接続によって、電源側の三相が構成される。
【００１９】
なお、図示のように、変換器ユニット２１−ｃ１１〜２１−ｃ１７は、この順に直列接続され、他の直列接続においても同様である。隣り合う２台の変換器ユニット（例えば、２１−ｃ１１および２１−ｃ１２）の内の一方（２１−ｃ１１）の電源側端子Ｘｂと他方（２１−ｃ１２）の電源側端子Ｘａが互いに接続されることにより、７台の変換器ユニットが直列に接続される。
【００２０】
電源側の各相において、７台の変換器ユニットの直列接続の一端における変換器ユニットの電源側端子Ｘａは、電力変換装置２１の一方の電源側交流端子に接続される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１１，２１−ｃ２１，２１−ｃ３１の各電源側端子Ｘａが、それぞれ、一方の電源側交流端子２１−ｘ１ａ，２１−ｘ２ａ，２１ｘ−３ａに接続される。これら電源側交流端子２１−ｘ１ａ，２１−ｘ２ａ，２１ｘ−３ａは、三相交流電源ＧＥＮに接続される。
【００２１】
また、電源側の各相において、７台の変換器ユニットの直列接続の他端における変換器ユニットの電源側端子Ｘｂは、電力変換装置２１の他方の電源側交流端子に接続される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１７，２１−ｃ２７，２１−ｃ３７の各電源側端子Ｘｂが、それぞれ、電源側交流端子２１−ｘ１ｂ，２１−ｘ２ｂ，２１ｘ−３ｂに接続される。これら電源側交流端子２１−ｘ１ｂ，２１−ｘ２ｂ，２１ｘ−３ｂは、互いに同電位に接続される。すなわち、電源側における７台の変換器ユニットの直列接続を一相分として、三相分の直列接続が、Ｙ結線で三相結線される。電源側交流端子２１−ｘ１ｂ，２１−ｘ２ｂ，２１ｘ−３ｂの接続点は、Ｙ結線の中性点となる。
【００２２】
図１に示すように、９台の変換器ユニット（２１−ｃ１１〜２１−ｃ１３，２１−ｃ２１〜２１−ｃ２３，２１−ｃ３１〜２１−ｃ３３）が、負荷として三相交流電動機Ｍ１が接続される電力変換部（以下、「第１電力変換部」と記す）を構成する。第１電力変換部の負荷側の三相の各々が、３台の変換器ユニットの直列接続によって構成される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１１〜２１−ｃ３１の直列接続、変換器ユニット２１−ｃ１２〜２１−ｃ３２の直列接続、変換器ユニット２１−ｃ１３〜２１−ｃ３３の直列接続によって、負荷側の三相が構成される。
【００２３】
なお、図示のように、変換器ユニット２１−ｃ１１〜２１−ｃ３１は、この順に直列接続され、他の直列接続においても同様である。隣り合う２台の変換器ユニット（例えば、２１−ｃ１１および２１−ｃ２１）の内の一方（例えば、２１−ｃ１１）の負荷側端子Ｙａと他方（例えば、２１−ｃ２１）の負荷側端子Ｙｂが互いに接続されることにより、３台の変換器ユニットが直列に接続される。
【００２４】
第１電力変換部の負荷側の各相において、３台の変換器ユニットの直列接続の一端における変換器ユニットの負荷側端子Ｙａは、第１電力変換部の一方の負荷側交流端子に接続される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ３１，２１−ｃ３２，２１−ｃ３３の各負荷側端子Ｙａが、それぞれ、一方の負荷側交流端子２１−ｙ１ａ，２１−ｙ２ａ，２１ｙ−３ａに接続される。これら負荷側交流端子２１−ｙ１ａ，２１−ｙ２ａ，２１ｙ−３ａは、三相交流電動機Ｍ１に接続される。
【００２５】
また、第１電力変換部の負荷側の各相において、３台の変換器ユニットの直列接続の他端における変換器ユニットの負荷側端子Ｙｂは、第１電力変換部の他方の負荷側交流端子に接続される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１１，２１−ｃ１２，２１−ｃ１３の各負荷側端子Ｙｂが、それぞれ、負荷側交流端子２１−ｙ１ｂ，２１−ｙ２ｂ，２１ｙ−３ｂに接続される。これら負荷側交流端子２１−ｙ１ｂ，２１−ｙ２ｂ，２１ｙ−３ｂは、互いに同電位に接続される。すなわち、負荷側における３台の変換器ユニットの直列接続を一相分として、三相分の直列接続が、Ｙ結線で三相結線される。負荷側交流端子２１−ｙ１ｂ，２１−ｙ２ｂ，２１−ｙ３ｂの接続点は、Ｙ結線の中性点となる。
【００２６】
図１に示すように、９台の変換器ユニット（２１−ｃ１４〜２１−ｃ１６，２１−ｃ２４〜２１−ｃ２６，２１−ｃ３４〜２１−ｃ３６）が、負荷として三相交流電動機Ｍ２が接続される電力変換部（以下、「第２電力変換部」と記す）を構成する。第２電力変換部の負荷側の三相の各々が、３台の変換器ユニットの直列接続によって構成される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１４〜２１−ｃ３４の直列接続、変換器ユニット２１−ｃ１５〜２１−ｃ３５の直列接続、変換器ユニット２１−ｃ１６〜２１−ｃ３６の直列接続によって、負荷側の三相が構成される。
【００２７】
なお、図示のように、変換器ユニット２１−ｃ１４〜２１−ｃ３４は、この順に直列接続され、他の直列接続においても同様である。隣り合う２台の変換器ユニット（例えば、２１−ｃ１４および２１−ｃ２４）の内の一方（例えば、２１−ｃ１４）の負荷側端子Ｙａと他方（例えば、２１−ｃ２４）の負荷側端子Ｙｂが互いに接続されることにより、３台の変換器ユニットが直列に接続される。
【００２８】
第２電力変換部の負荷側の各相において、３台の変換器ユニットの直列接続の一端における変換器ユニットの負荷側端子Ｙａは、第２電力変換部の一方の負荷側交流端子に接続される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ３４，２１−ｃ３５，２１−ｃ３６の各負荷側端子Ｙａが、それぞれ、一方の負荷側交流端子２１−ｙ４ａ，２１−ｙ５ａ，２１ｙ−６ａに接続される。これら負荷側交流端子２１−ｙ４ａ，２１−ｙ５ａ，２１ｙ−６ａは、三相交流電動機Ｍ２に接続される。
【００２９】
また、第２電力変換部の負荷側の各相において、３台の変換器ユニットの直列接続の他端における変換器ユニットの負荷側端子Ｙｂは、第２電力変換部の他方の電源側交流端子に接続される。すなわち、変換器ユニット２１−ｃ１４，２１−ｃ１５，２１−ｃ１６の各負荷側端子Ｙｂが、それぞれ、負荷側交流端子２１−ｙ４ｂ，２１−ｙ５ｂ，２１ｙ−６ｂに接続される。これら負荷側交流端子２１−ｙ４ｂ，２１−ｙ５ｂ，２１−ｙ６ｂは、互いに同電位に接続される。すなわち、負荷側における３台の変換器ユニットの直列接続を一相分として、三相分の直列接続が、Ｙ結線で三相結線される。負荷側交流端子２１−ｙ４ｂ，２１−ｙ５ｂ，２１−ｙ６ｂの接続点は、Ｙ結線の中性点となる。
【００３０】
さらに、図１に示すように、３台の変換器ユニット（２１−ｃ１７〜２１−ｃ３７）が、負荷として蓄電池ＢＡＴＴが接続される電力変換部（以下、「第３電力変換部」と記す）を構成する。第３電力変換部は、３台の変換器２１−ｃ１７〜２１−ｃ３７の直列接続によって構成される。
なお、図示のように、変換器ユニット２１−ｃ１７〜２１−ｃ３７は、この順に直列接続される。隣り合う２台の変換器ユニット（例えば、２１−ｃ１７および２１−ｃ２７）の内の一方（例えば、２１−ｃ１７）の負荷側端子Ｙａと他方（例えば、２１−ｃ２７）の負荷側端子Ｙｂが互いに接続されることにより、３台の変換器ユニットが直列に接続される。
【００３１】
第３電力変換部の負荷側において、３台の変換器ユニットの直列接続の一端における変換器ユニット２１−ｃ３７の負荷側端子Ｙａは、第３電力変換部の一方の負荷側直流端子２１−ｙ７ａに接続される。負荷側直流端子２１−ｙ７ａは、蓄電池ＢＡＴＴの高電位側に接続される。なお、蓄電池ＢＡＴＴの低電位側は共通電位端子ＣＯＭ１に接続される。
【００３２】
また、第３電力変換部の負荷側において、３台の変換器ユニットの直列接続の他端における変換器ユニット２１−ｃ１７の負荷側端子Ｙｂは、第３電力変換部の他方の負荷側直流端子２１−ｙ７ｂに接続される。負荷側直流端子２１−ｙ７ｂは、共通電位端子ＣＯＭ２に接続される。なお、本実施例１においては、共通電位端子ＣＯＭ２は、共通電位端子ＣＯＭ１と同電位である。
【００３３】
このように、本実施例１においては、複数個（三相交流電動機２台、蓄電池１台）および複数種（交流負荷（三相交流電動機）、直流負荷（蓄電池））の負荷を接続することができる。
【００３４】
図２は、変換器ユニットの概略構成を示す。図２では、変換器ユニット２１−ｃ１１を示すが、図１中の他の変換器ユニットも同様の構成を有する。
【００３５】
変換器ユニット２１−ｃ１１は、上述の電源側端子Ｘａ，Ｘｂおよび負荷側端子Ｙａ，Ｙｂという４端子を備える。変換器ユニット２１−ｃ１１の主回路は、交流電力としては単相交流電力を扱う変換器セル２１−１によって構成される。変換器セル２１−１は、半導体スイッチング素子とダイオードの逆並列接続からなるアーム回路（以下、「アーム」と称する）を有する第１〜４変換回路部（１１〜１４）を有する。
【００３６】
第１変換回路部１１の入力は、電源側端子Ｘａ，Ｘｂに接続される。第１変換回路部１１の出力は、コンデンサを介して、第２変換回路部１２の入力に接続される。第２変換回路部１２の出力は、高周波トランス１５および高周波トランスの一方の巻き線に直列接続される共振コンデンサ５１を介して、第３変換回路部１３の入力に接続される。第３変換回路部１３の出力は、コンデンサを介して、第４変換回路部１４の入力に接続される。第４変換回路部１４の入力は、負荷側端子Ｙａ，Ｙｂに接続される。
【００３７】
なお、高周波トランスは、磁性体コアに巻線が施される構成については、一般的なトランスと何ら変わりないが、高周波での使用に適するように、コアや巻線の構成が設計されたり、低損失の磁性体材料が使用されたりする。
【００３８】
図１に示す実施例１において、交流負荷である三相交流電動機Ｍ１，Ｍ２を駆動する第１および第２電力変換部における各変換器ユニット（図２に示す変換器ユニット２１−ｃ１１もその一つ）では、第１変換回路部１１は三相交流電源ＧＥＮの交流電力を電源側端子Ｘａ，Ｘｂから入力して直流電力に変換する。第２変換回路部１２は第１変換回路部１１が出力する直流電力を交流電力に変換する。第３変換回路部１３は、第２変換回路部１２が出力する交流電力を、高周波トランス１５および共振コンデンサ５１を介して入力して、直流電力に変換する。第４変換回路部１４は、第３変換回路部１３が出力する直流電力を交流電力に変換して負荷側端子Ｙａ，Ｙｂから三相交流電動機へ出力する。
【００３９】
図１に示す実施例１において、直流負荷である蓄電池ＢＡＴＴが接続される第３電力変換部における各変換器ユニット（２１−ｃ１７，２１−ｃ２７，２１−ｃ３７）では、第１〜第３変換回路部の動作は、上述の第１および第２電力変換部と同様であるが、第４変換回路部１４は、第３変換回路部１３が出力する直流電力を直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する。
【００４０】
このように、第４変換回路部１４は、負荷に応じて、ＤＣ／ＡＣコンバータ（インバータ）として動作したり、ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作したりする。なお、第１変換回路部１１についても、電源に応じて、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作したり、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源は直流電源）として動作したりする。なお、このような電力変換の形態は、図示されない制御装置の制御方式によって設定される。
【００４１】
また、変換器セル２１−１の電源側端子Ｘａ，Ｘｂと負荷側端子Ｙａ，Ｙｂの間には、高周波トランス１５が設けられ、高周波トランス１５は絶縁トランスとして機能する。このため、本実施例１では、電源と電力変換装置２１との間に絶縁トランスを設けなくてもよい。さらに、高周波トランス１５は、変換回路部１２，１３間に接続され、高周波、例えば１００Ｈｚ以上、好ましくは、１ｋＨｚ以上の高周波電力を伝送する。このため、高周波トランス１５が小型化できる。これらにより、電力変換装置の大きさを低減できる。
【００４２】
なお、変換器セル２１−１は、双方向で電力変換ができる。すなわち、変換器セル２１−１は、負荷側端子Ｙａ，Ｙｂにおいて受電する電力を電力変換して、変換された電力を電源側端子Ｘａ，Ｘｂから出力することができる。したがって、本実施例１の電力変換装置２１（図１）では、三相綱領電動機Ｍ１，Ｍ２が発生する電力を三相交流電源ＧＥＮへ回生したり、蓄電池ＢＡＴＴの放電を制御したりすることができる。
【００４３】
上述のように、図１，２に示す本実施例１の電力変換装置２１は、電気的に電源に接続される電源側端子Ｘａ，Ｘｂと電気的に負荷に接続される負荷側端子Ｙａ，Ｙｂとを備える変換器ユニットが複数（２１台）多重接続される。本多重接続においては、複数（７台）の変換器ユニットが電源側端子によって直列接続される第１の直列接続体が、複数（３個）構成される。さらに、複数（３個）の第１の直列接続体の各々における１台の変換器ユニット（計３台）が負荷側端子によって直列接続される第２の直列接続体が、複数（７個）構成される。第１の直列接続体の両端の変換器ユニットの各々において、変換器ユニットの一方の電源側端子は直列接続点を構成し、他方の電源側端子は電力変換装置２１の電源側端子に接続される。また、第２の直列接続体の両端の変換器ユニットの各々において、変換器ユニットの一方の負荷側端子は直列接続点を構成し、他方の負荷側端子は電力変換装置２１の負荷側端子に接続される。
【００４４】
このような本実施例１によれば、電力変換装置を高電圧化しながらも、装置サイズの増大を抑制でき、さらに接続できる負荷の自由度が増大する。
【００４５】
なお、図１においては、電源側において三相分の第１の直列接続体がＹ結線（スター結線）されているが、Δ結線されてもよい。また、負荷側において三相分の第２の直列接続体がＹ結線（スター結線）されているが、Δ結線されてもよい。また、負荷として、単相交流負荷を接続してもよいし、電源として単相交流電源や直流電源を接続してもよい。なお、これらの場合、各直列接続体の両端の変換器ユニットに接続される電力変換装置の電源側および負荷側端子が適宜用いられる。
【００４６】
図３は、図２における変換器セル２１−１の回路構成の具体例を示す。
【００４７】
変換器セル２１−１は、それぞれ変換器ユニットの負荷側端子Ｘａ，Ｘｂに接続される一対の１次側端子２５，２６と、それぞれ変換器ユニットの負荷側端子Ｙａ，Ｙｂに接続される一対の２次側端子２７，２８と、第１変換回路部１１と、第２変換回路部１２と、第３変換回路部１３、第４変換回路部１４と、高周波トランス１５と、共振コンデンサ５１と、平滑コンデンサ１７，１８とを有している。なお、各部の接続の形態については、上述したとおりである。
【００４８】
なお、第１変換回路部１１の電力入出力部と一対の１次側端子（２５，２６）との間には、フィルタリアクトル１９ａ，１９ｂが挿入される。また、第４変換回路部１４の電力入出力部と一対の２次側端子（２７，２８）との間には、フィルタリアクトル２０ａ，２０ｂが挿入される。
【００４９】
第１〜第４変換回路部（１１〜１４）の各々は、フルブリッジ状に接続される４個の半導体スイッチング素子と、これら半導体スイッチング素子に逆並列に接続されるＦＷＤ（Free Wheeling Diode（環流ダイオード））とを有している。すなわち、第１〜第４変換回路部（１１〜１４）の各々においては、半導体スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続によって構成されるアームが２個直列接続されるレッグを２個備えている。
【００５０】
なお、本実施形態において、半導体スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated-Gate-Bipolar-Transistor）などが適用できる。本実施例においては、第２および第３変換回路部１２，１３において、ＭＯＳＦＥＴを適用し、ＭＯＳＦＥＴの高速スイッチングによって高周波トランスによって伝送される電力の周波数を高くする。これにより、高周波トランスが小型化されるので、変換器ユニットを小型化できる。
【００５１】
高周波トランス１５は、第２変換回路部１２の交流側に接続される１次巻線１５ａと、第３変換回路部１３の交流側に接続される２次巻線１５ｂとを有する。１次巻線１５ａと２次巻線１５ｂとの間では、所定の周波数で電力が伝送される。ここで、第２変換回路部１２および第３変換回路部１３が高周波トランス１５との間で入出力する電流は、高周波電流である。高周波とは、例えば１００Ｈｚ以上の周波数であるが、１ｋＨｚ以上の周波数が好ましく、１０ｋＨｚ以上の周波数がより好ましい。
【００５２】
第２変換回路部１２は、１次側ＤＣ（直流）リンク電圧すなわち平滑コンデンサ１７の両端の直流電圧と、１次巻線１５ａの両端の交流電圧とを双方向または一方向に変換しながら、高周波数で電力を伝送する。また、第３変換回路部１３は、２次側ＤＣリンク電圧すなわち平滑コンデンサ１８の両端の直流電圧と、２次巻線１５ｂの両端の交流電圧とを双方向または一方向に変換しながら高周波数で電力を伝送する。
【００５３】
なお、高周波トランスの１次巻線１５ａと共振コンデンサ５１により直列共振回路を構成することにより、第２変換回路部１２および第３変換回路部１３において高速動作する半導体スイッチング素子が発生するスイッチング損失を低減できるので、高周波トランス１５において伝送される交流電力の周波数を高くしても、電力変換装置の電力損失の増大が抑制できる。また、半導体スイッチング素子のスイッチング損失の大きさによる第２変換回路部１２および第３変換回路部１３の高周波化の制限が緩和できるので、高周波トランスを小型化できる。
【００５４】
図４は、図２における変換器セル２１−１の回路構成の他の具体例を示す。
【００５５】
図４に示すように、本具体例では、図３の具体例の回路構成に蓄電池１１７，１１８が付加されている。蓄電池１１７は、第１変換回路部１２と第２変換回路部の間の直流リンク部に設けられる平滑コンデンサ１７に並列に接続される。また、蓄電池１１８は、第３変換回路部１３と第４変換回路部１４の間のＤＣリンク部に設けられる平滑コンデンサ１８に並列に接続される。
【００５６】
図４の回路構成によれば、蓄電池に蓄電されている直流電力によって、電力変換装置に接続される外部電源が停電した場合に、負荷に電力を供給することができる。したがって、電力変換装置をＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply（無停電電源装置））として動作させることができる。また、負荷が回生動作をした場合に、一時的に電力を貯蔵することができる。
【実施例２】
【００５７】
図５〜８は、本発明の実施例２である電力変換装置における変換器ユニットの主回路部の回路構成を示す。なお、電力変換装置の全体構成は実施例１（図１）と同様である。
【００５８】
図５〜８に示すように、本実施例２における変換器ユニットは、変換器セルを複数備える。ｋ台（kは２以上の整数）の変換器セル２１−１〜２１−ｋの各々は、前述の図３に示す変換器セルと同様の回路構成を有する。
【００５９】
以下、複数の変換器セル２１−１〜２１−ｋの接続形態について説明する。
【００６０】
図５は、実施例２における複数の変換器セル２１−１〜２１−ｋの接続形態の一例を示す。
【００６１】
変換器セル２０−１〜２０−ｋは、電源側において、１次側端子２５，２６によって、この順（１，２，…，ｋの順）で直列に接続される。このような直列接続の両端の変換器セル２０−１および２０−ｋの一方の１次側端子は直列接続点を構成し、他方の１次側端子は変換器ユニットの電源側端子に接続される。すなわち、変換器セル２０−１の１次側端子２５と変換器セル２０−ｋの１次側端子２６が、それぞれ変換器ユニットの電源側端子Ｘａと電源側端子Ｘｂに接続される。
【００６２】
また、変換器セル２０−１〜２０−ｋは、負荷側において、２次側端子２７，２８によって、この順（１，２，…，ｋの順）で直列に接続される。このような直列接続の両端の変換器セル２０−１および２０−ｋの一方の２次側端子は直列接続点を構成し、他方の２次側端子は変換器ユニットの負荷側端子に接続される。すなわち、変換器セル２０−１の２次側端子２７と変換器セル２０−ｋの２次側端子２８が、それぞれ変換器ユニットの負荷側端子Ｙａと負荷側端子Ｙｂに接続される。
【００６３】
図６は、実施例２における複数の変換器セル２１−１〜２１−ｋの接続形態の他の一例を示す。
【００６４】
変換器セル２０−１〜２０−ｋは、電源側において、図５の例と同様に直列に接続される。
【００６５】
また、変換器セル２０−１〜２０−ｋは、負荷側において、２次側端子２７，２８によって、並列に接続される。変換器セル２０−１〜２０−ｋの２次側端子２７は、互いに接続され、さらに変換器ユニットの負荷側端子Ｙａに接続される。また、変換器セル２０−１〜２０−ｋの２次側端子２８は、互いに接続され、さらに変換器ユニットの負荷側端子Ｙｂに接続される。
【００６６】
図７は、実施例２における複数の変換器セル２１−１〜２１−ｋの接続形態の他の一例を示す。
【００６７】
変換器セル２０−１〜２０−ｋは、電源側において、１次側端子２５，２６によって、並列に接続される。変換器セル２０−１〜２０−ｋの１次側端子２５は、互いに接続され、さらに変換器ユニットの電源側端子Ｘａに接続される。また、変換器セル２０−１〜２０−ｋの１次側端子２６は、互いに接続され、さらに変換器ユニットの電源側端子Ｘｂに接続される。
【００６８】
変換器セル２０−１〜２０−ｋは、負荷側において、図５の例と同様に直列に接続される。
【００６９】
図８は、実施例２における複数の変換器セル２１−１〜２１−ｋの接続形態の他の一例を示す。
【００７０】
変換器セル２０−１〜２０−ｋは、電源側において、図７の例と同様に並列に接続される。
【００７１】
変換器セル２０−１〜２０−ｋは、負荷側において、図６の例と同様に並列に接続される。
【００７２】
図５〜８のいずれの例においても、変換器セル２０−１〜２０−ｋの各々は、１次側端子２５，２６と２次側端子２７，２８との間で双方向または一方向に電力を伝送する。
【００７３】
なお、図示しないが、図５〜８のいずれの例においても、実施例１（図４）と同様に、変換器セル２０−１〜２０−ｋの各々のＤＣリンク部に蓄電池（図４中の１１７，１１８）を設けてもよい。
【実施例３】
【００７４】
図９および図１０を用いて、本発明の実施例３である電力変換装置の全体構成について説明する。
【００７５】
本発明の実施例３においては、任意の複数個の変換器ユニットが多重接続される。なお、変換器ユニットとしては、前述（図２〜８参照）のいずれかの構成が適用される。
【００７６】
図９は実施例３の電力変換装置における変換器ユニットの接続形態を示す。なお、電力変換装置の「電源側端子」および「負荷側端子」は、それぞれ「電源側主端子」および「負荷側主端子」と記す（後述の図１０についても同様）。また、変換器ユニットの「電源側端子」および「負荷側端子」は、それぞれ「電源側ユニット端子」および「負荷側ユニット端子」と記す（後述の図１０についても同様）。
【００７７】
図９に示すように、電力変換装置２１は、電源が電気的に接続される、Ｍ個の一方の電源側端子２１−ｘ１ａ〜２１−ｘＭａ（図中、右側の主端子群）およびＭ個の他方の電源側主端子２１−ｘ１ｂ〜２１−ｘＭｂ（図中、左側の主端子群）を有する。さらに、電力変換装置２１は、負荷が電気的に接続される、Ｍ個の一方の負荷側主端子２１−ｙ１ａ〜２１−ｙＭａ（図中、下側の主端子群）およびＭ個の他方の負荷側主端子２１−ｙ１ｂ〜２１−ｙＭｂ（図中、上側の主端子群）を有する。ここで、「Ｍ」は、２以上の整数を示す。
【００７８】
一対の電源側主端子２１−ｘｉａおよび２１−ｘｉｂ（ｉ＝１〜Ｍ）の間には、Ｍ個の変換器ユニット２１−ｃｉ１〜２１ｃｉＭが、電源が電気的に接続される電源側ユニット端子Ｘａ，Ｘｂによって、電源側において直列接続される。また、一対の負荷側主端子２１−ｙｊａおよび２１−ｙｊｂ（ｊ＝１〜Ｍ）の間には、Ｍ個の変換器ユニット２１−ｃ１ｊ〜２１−ｃＭｊが、負荷が電気的に接続される電源側ユニット端子Ｙａ，Ｙｂによって負荷側において直列接続される。
【００７９】
したがって、本実施例３においては、Ｍ×Ｍ個の変換器ユニットが多重接続される。本多重接続において、変換器ユニットは、回路構成上、Ｍ行Ｍ列のマトリックス状に配置される。
【００８０】
各行において、Ｍ個の変換器ユニットが、これらの電源側において直列接続される。この直列接続において、ｉ行１列（ｉ＝１〜Ｍ）における変換器ユニット２１−ｃｉ１の一方の電源側ユニット端子Ｘａが一方の電源側主端子２１−ｘｉａに接続される。また、ｉ行Ｍ列における変換器ユニット２１−ｃｉＭの他方の電源側ユニット端子Ｘｂが他方の電源側主端子２１−ｘｉｂに接続される。
【００８１】
また、各列において、Ｍ個の変換器ユニットが、これらの負荷側において直列接続される。この直列接続において、１行ｊ列（ｊ＝１〜Ｍ）における変換器ユニット２１−ｃ１ｊの他方の負荷側セル端子Ｙｂが他方の負荷側主端子２１−ｙｊｂに接続される。また、Ｍ行ｊ列における変換器ユニット２１−ｃＭｊの一方の負荷側ユニット端子Ｙａが一方の負荷側主端子２１−ｙｊａに接続される。
【００８２】
図１０は実施例３の電力変換装置における変換器ユニットの他の接続形態を示す。
【００８３】
図１０に示すように、電力変換装置２１は、電源が電気的に接続される、Ｍ個の一方の電源側端子２１−ｘ１ａ〜２１−ｘＭａ（図中、右側の主端子群）およびＭ個の他方の電源側主端子２１−ｘ１ｂ〜２１−ｘＭｂ（図中、左側の主端子群）を有する。さらに、電力変換装置２１は、負荷が電気的に接続される、Ｎ個の一方の負荷側主端子２１−ｙ１ａ〜２１−ｙＮａ（図中、下側の主端子群）およびＮ個の他方の負荷側主端子２１−ｙ１ｂ〜２１−ｙＮｂ（図中、上側の主端子群）を有する。ここで、「Ｍ，Ｎ」は、２以上の整数を示す。ＭとＮは互いに異なり、「Ｍ＞Ｎ」および「Ｍ＜Ｎ」のいずれかの関係にある。なお、前述の実施例１（図１）は、Ｍ＝３かつＮ＝７の場合に相当する。
【００８４】
一対の電源側主端子２１−ｘｉａおよび２１−ｘｉｂ（ｉ＝１〜Ｍ）の間には、Ｎ個の変換器ユニット２１−ｃｉ１〜２１ｃｉＮが、電源が電気的に接続される電源側ユニット端子Ｘａ，Ｘｂによって、電源側において直列接続される。また、一対の負荷側主端子２１−ｙｊａおよび２１−ｙｊｂ（ｊ＝１〜Ｎ）の間には、Ｍ個の変換器ユニット２１−ｃ１ｊ〜２１−ｃＭｊが、負荷が電気的に接続される電源側ユニット端子Ｙａ，Ｙｂによって負荷側において直列接続される。
【００８５】
したがって、本実施例３においては、Ｍ×Ｎ個の変換器ユニットが多重接続される。本多重接続において、変換器ユニットは、回路構成上、Ｍ行Ｎ列のマトリックス状に配置される。
【００８６】
各行において、Ｎ個の変換器ユニットが、これらの電源側において直列接続される。この直列接続において、ｉ行１列（ｉ＝１〜Ｍ）における変換器ユニット２１−ｃｉ１の一方の電源側ユニット端子Ｘａが一方の電源側主端子２１−ｘｉａに接続される。また、ｉ行Ｎ列における変換器ユニット２１−ｃｉＮの他方の電源側ユニット端子Ｘｂが他方の電源側主端子２１−ｘｉｂに接続される。
【００８７】
また、各列において、Ｍ個の変換器ユニットが、これらの負荷側において直列接続される。この直列接続において、１行ｊ列（ｊ＝１〜Ｎ）における変換器ユニット２１−ｃ１ｊの他方の負荷側ユニット端子Ｙｂが他方の負荷側主端子２１−ｙｊｂに接続される。また、Ｍ行ｊ列における変換器ユニット２１−ｃＭｊの一方の負荷側ユニット端子Ｙａが一方の負荷側主端子２１−ｙｊａに接続される。
【００８８】
このような本実施例３によれば、電力変換装置を高電圧化しながらも、装置サイズの増大を抑制できる。さらに、複数種もしくは複数台の電源および負荷を接続できるので、接続できる電源および負荷の自由度が増大する。
【００８９】
次に、変換ユニットにおける回路構成の変形例について説明する。なお、本変形例は、本実施例３のほか、実施例１および実施例２においても適用できる。
【００９０】
図１１は、変換器ユニットにおけるＡＣ／ＤＣ変換回路部の変形例を示す。なお、本変形例のＡＣ／ＤＣ変換回路部は、変換器ユニットが備える変換器セルの第１変換回路部１１および第３変換回路部１３（図３参照）に適用される。
【００９１】
本変形例では、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路部が、図１２に示すように、整流素子Ｄ１〜Ｄ４からなるＨブリッジ回路によって構成される。これにより、コンバータセルを小型化することができる。
【００９２】
なお、図１１において、整流素子Ｄ１〜Ｄ４は、半導体ダイオードであるが、半導体材料はＳｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体でもよい。
【００９３】
図１２ａ〜１２ｃは、変換器ユニットにおけるＤＣ／ＤＣ変換回路部の変形例を示す。なお、本変形例のＤＣ／ＤＣ変換回路部は、変換器ユニットが備える変換器セルの第２変換回路部１２、高周波トランス１５および第３変換回路部１３を含む回路部（図３参照）に適用される。
【００９４】
図１２ａの変形例では、第２変換回路部１２と、高周波トランス１５の１次巻線１５ａとの間に共振コンデンサ５１が挿入されるとともに、第３変換回路部１３と、高周波トランス１５の２次巻線１５ｂとの間に共振コンデンサ５２が挿入される。
【００９５】
図１４ｂの変形例では、第２変換回路部１２と１次巻線１５ａとの間、並びに第３変換回路部１３と２次巻線１５ｂとの間の内、第３変換回路部１３と２次巻線１５ｂとの間のみに共振コンデンサ５２が挿入される。
【００９６】
図１２ｃの変形例では、第２変換回路部１２と１次巻線１５ａとの間、並びに第３変換回路部１３と２次巻線１５ｂとの間において、共振コンデンサが挿入されない。
【００９７】
また、上記各変形例および上記各実施例に適用される高周波トランス１５は、意図的に漏れインダクタンスを発生させるように設計したものを用いてもよい。
【００９８】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
【００９９】
また、変換器ユニットの主回路を構成するスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのほか、接合型バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、静電誘導トランジスタ、静電誘導サイリスタのような半導体素子や、サイラトロン等の真空管素子を適用してもよい。また、スイッチング素子を構成する半導体材料は、Ｓｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体でもよい。
【０１００】
また、変換器ユニットの主回路を構成する整流素子として、半導体ダイオードのほか、水銀整流器等の真空管素子を適用してもよい。整流素子を構成する半導体材料は、Ｓｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体でもよい。
【０１０１】
なお、半導体材料としてワイドギャップ半導体を適用すると、半導体スイッチング素子やダイオードにおいて、耐圧を増大しながらも電力損失が低減できる。したがって、電力変換装置の変換器ユニット数が増大しても、電力損失の増大を抑えることができる。
【０１０２】
また、高周波トランスの１次側もしくは２次側における共振回路は、高周波トランスの漏れインダクタンスを共振インダクタンスとして用いてもよいし、高周波トランスとは独立に共振インダクタンスを設けてもよい。
【０１０３】
また、変換器ユニットは、図２に示す回路構成が、樹脂などからなるケース内に実装される変換器モジュールによって構成してもよい。この場合、端子Ｘａ，Ｘｂ，Ｙａ，Ｙｂは端子電極で構成され、ケース内から外部に取り出される。また、端子Ｘａ，Ｘｂ，Ｙａ，Ｙｂは、図２に示すように、端子Ｘａ，Ｘｂを結ぶ仮想線と、端子Ｙａ，Ｙｂを結ぶ仮想線とが直交するように配置される。これにより、電力変換装置において、複数の変換器モジュールをマトリックス状（もしくは、グリッド状）に配置して、これら複数の変換器モジュールを、実装上においても図１などに示すようにマトリックス状（もしくは、グリッド状）に多重接続することが可能になる。
【符号の説明】
【０１０４】
１  電力変換装置
１１  第１変換回路部
１２  第２変換回路部
１３  第３変換回路部
１４  第４変換回路部
１５  高周波トランス
１５ａ  １次巻線
１５ｂ  ２次巻線
１７，１８  平滑コンデンサ
１９a，１９ｂ，２０a，２０ｂ  フィルタリアクトル
２１  電力変換装置
２１−ｃ１１〜１７，２１−ｃ２１〜２７，２１−ｃ３１〜３７  変換器ユニット
２５，２６  １次側端子
２７，２８  ２次側端子
５１，５２  共振コンデンサ
１１７，１１８  蓄電池
ＢＡＴＴ  蓄電池
ＣＯＭ１〜ＣＯＭ２  共通電位端子
Ｄ１〜Ｄ４  整流素子
ＧＥＮ  三相交流電源
Ｍ１，Ｍ２  三相交流電動機
【図１】
2020096440.tif 000003
【図２】
2020096440.tif 000004
【図３】
2020096440.tif 000005
【図４】
2020096440.tif 000006
【図５】
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【図６】
2020096440.tif 000008
【図７】
2020096440.tif 000009
【図８】
2020096440.tif 000010
【図９】
2020096440.tif 000011
【図１０】
2020096440.tif 000012
【図１１】
2020096440.tif 000013
【図１２ａ】
2020096440.tif 000014
【図１２ｂ】
2020096440.tif 000015
【図１２ｃ】
2020096440.tif 000016