(57)【要約】【課題】電力変換装置の直流リンクコンデンサの容量を大きくせずに直流リンク電圧の変動を低減する。【解決手段】実施形態によれば、電力変換装置は、三相交流電圧を三相交流負荷の各相のそれぞれの直流電圧に変換するコンバータと、この変換された直流電圧を三相交流負荷の各相のそれぞれの単相交流電圧に変換するインバータとをもつ。この電力変換装置は、コンバータとインバータとの間に接続されるコンデンサを備え、コンバータは、直列に接続された複数のスイッチング素子でなる回路を電力系統の各相のそれぞれについて有する。この電力変換装置は、電力系統の各相のそれぞれについて、コンバータとインバータとの間における、三相交流負荷の各相に対応する直流電圧の変動を低減させるための電圧がコンバータから出力されるように、コンバータにおける電力系統のいずれかの相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う。【選択図】図１
2014090581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源から出力される三相交流電圧を三相交流負荷の各相のそれぞれの直流電圧に変換するコンバータと、
前記コンバータにより変換された直流電圧を、前記三相交流負荷の各相のそれぞれの単相交流電圧に変換するインバータと、
前記コンバータと前記インバータとの間の端子に接続されるコンデンサとを備え、
前記コンバータは、直列に接続された複数のスイッチング素子でなる回路を電力系統の各相のそれぞれについて有し、
前記電力系統の各相のそれぞれについて、前記コンバータと前記インバータとの間における、前記三相交流負荷の各相に対応する直流電圧の変動を低減させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記電力系統のいずれかの相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段を備えた
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記コンバータと前記インバータとの間における、前記三相交流負荷の各相に対応する直流電圧のうち各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧および、この電圧に係る相を特定し、この変動分を低減させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定した相以外の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち変動分が最も大きい電圧および、この電圧に係る相を特定し、この変動分を低減させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
力行時において、前記コンバータと前記インバータとの間における、前記三相交流負荷の各相に対応する直流電圧のうち最も小さい電圧および、この電圧に係る相を特定し、この電圧を増加させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定した相以外の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も小さい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を増加させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
回生時において、前記コンバータと前記インバータとの間における前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も大きい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を減少させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定した相以外の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も大きい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を減少させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記コンバータは、
直列に接続されて中性点で区分された複数のスイッチング素子でなる回路を電力系統の各相のそれぞれについて有し、
前記制御手段は、
前記電力系統の各相のそれぞれについて、前記コンバータと前記インバータとの間における、前記三相交流負荷の各相に対応して前記中性点で高電位側と低電位側とに区分された６つの直流電圧の変動分を低減させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記電力系統のいずれかの相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
力行時において、前記コンバータと前記インバータとの間の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も小さい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を増加させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定した相以外の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も小さい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を増加させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定を行っていない相の直流電圧が前記コンバータから出力されないように、前記コンバータにおける前記特定を行っていない相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
回生時において、前記コンバータと前記インバータとの間の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も大きい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を減少させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定した相以外の前記三相交流負荷の各相の直流電圧のうち最も大きい電圧およびこの電圧に係る相を特定し、この電圧を減少させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記特定した相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記特定を行っていない相の直流電圧が前記コンバータから出力されないように、前記コンバータにおける前記特定を行っていない相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
三相交流電源から出力される三相交流電圧を三相交流負荷の各相のそれぞれの直流電圧に変換するコンバータと、
前記コンバータにより変換された直流電圧を、前記三相交流負荷の各相のそれぞれの単相交流電圧に変換するインバータと、
前記コンバータと前記インバータとの間の端子に接続されるコンデンサとを備え、
前記コンバータは、直列に接続された複数のスイッチング素子でなる回路を電力系統の各相のそれぞれについて有する電力変換装置に用いられる電力変換方法であって、
前記電力系統の各相のそれぞれについて、前記コンバータと前記インバータとの間における、前記三相交流負荷の各相に対応する直流電圧の変動を低減させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記電力系統のいずれかの相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う
ことを特徴とする電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電力を出力するための電力変換装置は高電圧を変換する。その際に例えば、直流電力から交流電力への変換のための装置として、中性点クランプ形（ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped））のインバータが用いられる。また、高電圧を出力するためのインバータとして、１相あたり２つのＮＰＣレグを用いてフルブリッジ化した単相ＮＰＣインバータが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８２４５１号公報
【特許文献２】特開２０００−２２８８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した単相ＮＰＣインバータの直流リンク電圧は出力電圧の周波数の２倍の周波数で変動する。また、単相ＮＰＣインバータが低周波電圧を出力すると、インバータとコンバータとの間の直流リンクコンデンサの電圧である直流リンク電圧の変動幅が大きくなる。この大きい変動を低減するためには、直流リンクコンデンサの容量を大きくすることが考えられる。しかし、直流リンクコンデンサの容量を大きくすると、装置の大型化や高コスト化を免れることができない。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、直流リンクコンデンサの容量を大きくせずに直流リンク電圧の変動を低減することが可能になる電力変換装置および電力変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、電力変換装置は、三相交流電源から出力される三相交流電圧を三相交流負荷の各相のそれぞれの直流電圧に変換するコンバータと、前記コンバータにより変換された直流電圧を、前記三相交流負荷の各相のそれぞれの単相交流電圧に変換するインバータとをもつ。この電力変換装置は、前記コンバータと前記インバータとの間に接続されるコンデンサを備え、前記コンバータは、直列に接続された複数のスイッチング素子でなる回路を電力系統の各相のそれぞれについて有する。この電力変換装置は、前記電力系統の各相のそれぞれについて、前記コンバータと前記インバータとの間における、前記三相交流負荷の各相に対応する直流電圧の変動を低減させるための電圧が前記コンバータから出力されるように、前記コンバータにおける前記電力系統のいずれかの相に対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段をもつ。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電力変換装置の直流リンクコンデンサの容量を大きくせずに直流リンク電圧の変動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態における電力変換装置の回路構成の一例を示す図。
【図２】実施形態における電力変換装置のインバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を表形式で示す図。
【図３】実施形態における電力変換装置のインバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を示すタイミングチャート。
【図４】実施形態における電力変換装置のコンバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を表形式で示す図。
【図５】実施形態における電力変換装置のコンバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を示すタイミングチャート。
【図６】実施形態における電力変換装置のコンバータユニットに対する力行運転時の制御の手順の一例を示すフローチャート。
【図７】実施形態における電力変換装置のコンバータユニットに対する回生運転時の制御の手順の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。  
図１は、実施形態における電力変換装置の回路構成の一例を示す図である。  
この電力変換装置は、三相交流電源１からの三相交流電圧Ｅを直流電圧に一旦変換する。さらに、電力変換装置は、この直流電圧を任意の周波数による任意の交流電圧に変換して三相交流負荷を駆動する。本実施形態においては、三相交流負荷は三相電動機（MOT）２である。また、本実施形態では、電力系統の三相をＲＳＴ相と呼び、三相電動機２の三相をＵＶＷ相と呼ぶ。
【００１０】
電力変換装置は、Ｕ相の電力変換装置とＶ相の電力変換装置とＷ相の電力変換装置とに区分される。Ｕ相の電力変換装置は、三相交流電圧Ｅを直流電圧に変換するためのコンバータトランスTRUと、コンバータユニットCNVUとを有する。また、このＵ相の電力変換装置は、このように変換して得た直流電圧を単相交流電圧に変換するためのインバータユニットINVUを有する。  
本実施形態における従来技術に比した顕著な特徴は、コンバータユニットのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して、直流リンク電圧の変動を低減することである。以下、必要に応じて、直流リンク電圧を単に直流電圧と称する。
【００１１】
コンバータユニットCNVUは、三相の中性点クランプ（ＮＰＣ）形である。そして、このコンバータユニットCNVUは、ＲＳＴ相の各相に応じた３つのＮＰＣレグが並列接続されて三相ハーフブリッジ構成をなす。コンバータユニットCNVUの３つのＮＰＣレグのそれぞれの中性点の出力端子はコンバータトランスTRUの直流巻線に接続される。コンバータユニットCNVUは、直流電圧端子を有する。この直流電圧端子は、高電位側端子PU、中性点側端子OU、低電位側端子NUでなる。
【００１２】
また、インバータユニットINVUは、コンバータユニットCNVUと同じく中性点クランプ（ＮＰＣ）形である。そして、このインバータユニットINVUは、２つのＮＰＣレグが並列接続されてフルブリッジ構成をなす。高電位側端子PU、中性点側端子OU、低電位側端子NUはインバータユニットINVUに共通する。
【００１３】
また、インバータユニットINVUとコンバータユニットCNVUとの間には２つの直流リンクコンデンサCUP、CUNが設けられる。  
直流リンクコンデンサCUPの一端は、高電位側端子PUに接続される。直流リンクコンデンサCUPの他端および直流リンクコンデンサCUNの一端は中性点側端子OUに接続される。直流リンクコンデンサCUNの他端は低電位側端子NUに接続される。
【００１４】
Ｖ相の電力変換装置は、Ｕ相の電力変換装置と同様に、コンバータトランスTRVと、コンバータユニットCNVVと、インバータユニットINVVとを有する。コンバータトランスTRVと、コンバータユニットCNVVと、インバータユニットINVVとの構成は、Ｕ相の電力変換装置のコンバータトランスTRUと、コンバータユニットCNVUと、インバータユニットINVUとの構成と同様である。
【００１５】
また、Ｗ相の電力変換装置は、Ｕ相やＶ相の電力変換装置と同様に、コンバータトランスTRWと、コンバータユニットCNVWと、インバータユニットINVWとを有する。コンバータトランスTRWと、コンバータユニットCNVWと、インバータユニットINVWとの構成は、Ｕ相の電力変換装置のコンバータトランスTRUと、コンバータユニットCNVUと、インバータユニットINVUとの構成と同様である。  
また、ＵＶＷ相の各相のコンバータトランス、コンバータユニット、インバータユニットの電圧・電流定格は、各相の間で全て同じであるとする。
【００１６】
また、図１に示すように、Ｖ相のインバータユニットINVVとコンバータユニットCNVVとの間には２つの直流リンクコンデンサCVP、CVNが設けられる。  
直流リンクコンデンサCVPの一端は、高電位側端子PVに接続される。直流リンクコンデンサCVPの他端および直流リンクコンデンサCVNの一端は中性点側端子OVに接続される。直流リンクコンデンサCVNの他端は低電位側端子NVに接続される。
【００１７】
また、図１に示すように、Ｗ相のインバータユニットINVWとコンバータユニットCNVWとの間には２つの直流リンクコンデンサCWP、CWNが設けられる。  
直流リンクコンデンサCWPの一端は、高電位側端子PWに接続される。直流リンクコンデンサCWPの他端および直流リンクコンデンサCWNの一端は中性点側端子OWに接続される。直流リンクコンデンサCWNの他端は低電位側端子NWに接続される。
【００１８】
コンバータトランスTRU、TRV、TRWの交流巻線は、コンバータトランスTRU、TRV、TRWの順に直列接続される。また、各相の電力変換装置における図１中の最下段のコンバータトランスをコンバータトランスTRWとする。また、図１に示した最上段のコンバータトランスTRUは三相交流電源１に接続される。この構成により、各相のコンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWの電力系統への出力電圧を加算した電圧が電力系統に出力される。
【００１９】
また、各相のインバータユニットから三相電動機２への２つの出力端子のうち１つは他相のインバータユニットの出力端子の１つと相互に接続される。この接続点は、各相のインバータユニットの仮想中性点となる。各相のインバータユニットから三相電動機２へのもう１つの出力端子は三相電動機２の三相の各相に対応する端子にそれぞれ接続される。
【００２０】
次に、Ｕ相を例として、図１に示した各インバータユニットの詳細構成を説明する。  
図１に示したＵ相のインバータユニットINVUは８つのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4を有する。また、このインバータユニットINVUは、８つの還流ダイオードDUA1、DUA2、DUA3、DUA4、DUB1、DUB2、DUB3、DUB4を有する。これらの還流ダイオードは全スイッチング素子にそれぞれ１対１で逆並列接続される。さらに、インバータユニットINVUは、中性点に接続される４つのクランプダイオードDUA5、DUA6、DUB5、DUB6を有する。
【００２１】
これらスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4と還流ダイオードDUA1、DUA2、DUA3、DUA4とクランプダイオードDUA5、DUA6とでインバータユニットINVUの１つ目のレグが構成される。  
これらのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4は、インバータユニットINVUの高電位側から低電位側にかけてSUA1、SUA2、SUA3、SUA4の順で直列接続される。クランプダイオードDUA5のアノードはインバータユニットINVU側の中性点に接続され、クランプダイオードDUA5カソードはスイッチング素子SUA1、SUA2の接続点に接続される。クランプダイオードDUA6のカソードはインバータユニットINVU側の中性点に接続され、クランプダイオードDUA6のアノードはスイッチング素子SUA3、SUA4の接続点に接続される。
【００２２】
スイッチング素子SUA1には還流ダイオードDUA1が逆並列接続され、スイッチング素子SUA2には還流ダイオードDUA2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SUA3には還流ダイオードDUA3が逆並列接続され、スイッチング素子SUA4には還流ダイオードDUA4が逆並列接続される。
【００２３】
また、スイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4と還流ダイオードDUB1、DUB2、DUB3、DUB4とクランプダイオードDUB5、DUB6とでインバータユニットINVUの２つ目のレグが構成される。  
これらのスイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4は、インバータユニットINVUの高電位側から低電位側にかけてSUB1、SUB2、SUB3、SUB4の順で直列接続される。クランプダイオードDUB5のアノードはインバータユニットINVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUB5のカソードはスイッチング素子SUB1、SUB2の接続点に接続される。クランプダイオードDUB6のカソードはインバータユニットINVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUB6のアノードはスイッチング素子SUB3、SUB4の接続点に接続される。
【００２４】
スイッチング素子SUB1には還流ダイオードDUB1が逆並列接続され、スイッチング素子SUB2には還流ダイオードDUB2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SUB3には還流ダイオードDUB3が逆並列接続され、スイッチング素子SUB4には還流ダイオードDUB4が逆並列接続される。
【００２５】
つまり、インバータユニットINVUは、スイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4が直列接続され、かつ、スイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4が直列接続されて２つのレグを構成するＮＰＣフルブリッジ電力変換装置である。
【００２６】
また、スイッチング素子SUA2、SUA3の接続点電位VUAとスイッチング素子SUB2、SUB3の接続点電位VUBとの電位差VUA−VUBは、三相電動機２へ出力される。この電位差は、PWM(Pulse Width Modulation)電圧を意味する。
【００２７】
次に、Ｕ相を例として、図１に示した各コンバータユニットの詳細構成を説明する。  
Ｕ相のコンバータユニットCNVUは、12個のスイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4、SUS1、SUS2、SUS3、SUS4、SUT1、SUT2、SUT3、SUT4を有する。このコンバータユニットCNVUは、12個の還流ダイオードDUR1、DUR2、DUR3、DUR4、DUS1、DUS2、DUS3、DUS4、DUT1、DUT2、DUT3、DUT4を有する。これらの還流ダイオードは、全スイッチング素子にそれぞれ１対１で逆並列接続される。さらに、コンバータユニットCNVUは、このコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される６つのクランプダイオードDUR5、DUR6、DUS5、DUS6、DUT5、DUT6を有する。
【００２８】
詳細に述べると、スイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4と還流ダイオードDUR1、DUR2、DUR3、DUR4とクランプダイオードDUR5、DUR6とでコンバータユニットCNVUのＲ相のレグが構成される。
【００２９】
スイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4は、コンバータユニットCNVUの高電位側から低電位側にかけてスイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4の順で直列接続される。  
クランプダイオードDUR5のアノードはコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUR5のカソードはスイッチング素子SUR1、SUR2の接続点に接続される。また、クランプダイオードDUR6のカソードはコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUR6のアノードはスイッチング素子SUR3、SUR4の接続点に接続される。
【００３０】
スイッチング素子SUR1には還流ダイオードDUR1が逆並列接続され、スイッチング素子SUR2には還流ダイオードDUR2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SUR3には還流ダイオードDUR3が逆並列接続され、スイッチング素子SUR4には還流ダイオードDUR4が逆並列接続される。
【００３１】
また、スイッチング素子SUS1、SUS2、SUS3、SUS4と還流ダイオードDUS1、DUS2、DUS3、DUS4とクランプダイオードDUS5、DUS6とでコンバータユニットCNVUのＳ相のレグが構成される。詳細に述べると、スイッチング素子SUS1、SUS2、SUS3、SUS4は、コンバータユニットCNVUの高電位側から低電位側にかけてスイッチング素子SUS1、SUS2、SUS3、SUS4の順で直列接続される。  
クランプダイオードDUS5のアノードはコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUS5のカソードはスイッチング素子SUS1、SUS2の接続点に接続される。クランプダイオードDUS6のカソードはコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUS6のアノードはスイッチング素子SUS3、SUS4の接続点に接続される。
【００３２】
スイッチング素子SUS1には還流ダイオードDUS1が逆並列接続され、スイッチング素子SUS2には還流ダイオードDUS2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SUS3には還流ダイオードDUS3が逆並列接続され、スイッチング素子SUS4には還流ダイオードDUS4が逆並列接続される。
【００３３】
また、スイッチング素子SUT1、SUT2、SUT3、SUT4と還流ダイオードDUT1、DUT2、DUT3、DUT4とクランプダイオードDUT5、DUT6とでコンバータユニットCNVUのＴ相のレグが構成される。詳細に述べると、スイッチング素子SUT1、SUT2、SUT3、SUT4は、コンバータユニットCNVUの高電位側から低電位側にかけてスイッチング素子SUT1、SUT2、SUT3、SUT4の順で直列接続される。  
クランプダイオードDUT5のアノードはコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUT5のカソードはスイッチング素子SUT1、SUT2の接続点に接続される。また、クランプダイオードDUT6のカソードはコンバータユニットCNVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUT6のアノードはスイッチング素子SUT3、SUT4の接続点に接続される。
【００３４】
スイッチング素子SUT1には還流ダイオードDUT1が逆並列接続され、スイッチング素子SUT2には還流ダイオードDUT2が逆並列接続される。スイッチング素子SUT3には還流ダイオードDUT3が逆並列接続され、スイッチング素子SUT4には還流ダイオードDUT4が逆並列接続される。
【００３５】
つまり、コンバータユニットCNVUは、Ｒ相のスイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4とＳ相のスイッチング素子SUS1、SUS2、SUS3、SUS4と、Ｔ相のスイッチング素子SUT1、SUT2、SUT3、SUT4とを各相のそれぞれについて直列接続して３つのレグを構成する三相ＮＰＣ電力変換装置である。
【００３６】
なお、コンバータユニットCNVUのＲ相のレグの接続点電位VURと、Ｓ相のレグの接続点電位VUSと、Ｔ相のレグの接続点電位VUTとでなる三相電圧はコンバータトランスTRUの直流巻線へ出力される。  
接続点電位VURは、コンバータユニットCNVUのＲ相のレグのスイッチング素子SUR2、SUR3の接続点電位である。接続点電位VUSは、コンバータユニットCNVUのＳ相のレグのスイッチング素子SUS2、SUS3の接続点電位である。また、接続点電位VUTは、コンバータユニットCNVUのＴ相のレグのスイッチング素子SUT2、SUT3の接続点電位である。
【００３７】
本実施形態では、コンバータユニットCNVUをコンバータトランスTRUの直流巻線側にΔ結線で接続することで、三相の線間電圧VUR−VUS、VUS−VUT、VUT−VURをコンバータトランスTRUの交流巻線側に出力する。
【００３８】
Ｖ相、Ｗ相の各電力変換装置ユニットの構成はＵ相の電力変換装置と同様である。  
詳細な図示は省略するが、Ｖ相のインバータユニットINVVは８つのスイッチング素子SVA1、SVA2、SVA3、SVA4、SVB1、SVB2、SVB3、SVB4を有する。また、このインバータユニットINVVは８つの還流ダイオードDVA1、DVA2、DVA3、DVA4、DVB1、DVB2、DVB3、DVB4を有する。さらに、インバータユニットINVVは、中性点に接続される４つのクランプダイオードDVA5、DVA6、DVB5、DVB6を有する。
【００３９】
また、Ｗ相のインバータユニットINVWは８つのスイッチング素子SWA1、SWA2、SWA3、SWA4、SWB1、SWB2、SWB3、SWB4を有する。また、このインバータユニットINVVは全スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続される８つの還流ダイオードDWA1、DWA2、DWA3、DWA4、DWB1、DWB2、DWB3、DWB4を有する。さらに、インバータユニットINVWは、中性点に接続される４つのクランプダイオードDWA5、DWA6、DWB5、DWB6を有する。
【００４０】
また、Ｖ相のコンバータユニットCNVVは、12個のスイッチング素子SVR1、SVR2、SVR3、SVR4、SVS1、SVS2、SVS3、SVS4、SVT1、SVT2、SVT3、SVT4を有する。このコンバータユニットCNVVは、12個の還流ダイオードDVR1、DVR2、DVR3、DVR4、DVS1、DVS2、DVS3、DVS4、DVT1、DVT2、DVT3、DVT4を有する。さらに、コンバータユニットCNVVは、このコンバータユニットCNVV側の中性点に接続される６つのクランプダイオードDVR5、DVR6、DVS5、DVS6、DVT5、DVT6を有する。
【００４１】
また、Ｗ相のコンバータユニットCNVWは、12個のスイッチング素子SWR1、SWR2、SWR3、SWR4、SWS1、SWS2、SWS3、SWS4、SWT1、SWT2、SWT3、SWT4を有する。このコンバータユニットCNVWは、12個の還流ダイオードDWR1、DWR2、DWR3、DWR4、DWS1、DWS2、DWS3、DWS4、DWT1、DWT2、DWT3、DWT4を有する。さらに、コンバータユニットCNVWは、このコンバータユニットCNVW側の中性点に接続される６つのクランプダイオードDWR5、DWR6、DWS5、DWS6、DWT5、DWT6を有する。
【００４２】
上述したように構成された本実施形態の作用を詳細に説明する。  
まず、インバータユニットによる電圧出力方法をＵ相のインバータユニットINVUを例として説明する。  
インバータユニットINVUはフルブリッジ構成である。このため、インバータユニットINVUの直流電圧をVDCとすると、インバータユニットINVUは、−VDC、−VDC/2、０、＋VDC/2、＋VDCでなる５レベルの直流電圧を出力できる。
【００４３】
次に、インバータユニットINVUのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4の駆動方法を述べる。  
本実施形態では、図１に示すように制御装置１０を有する。この制御装置１０は、インバータユニットを制御するためのインバータ制御部１１、およびコンバータユニットを制御するためのコンバータ制御部１２を有する。
【００４４】
インバータ制御部１１は、インバータユニットのスイッチング素子に対するＯＮ／ＯＦＦを制御する。  
インバータユニットINVUは、インバータ制御部１１によるスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4に対するＯＮ／ＯＦＦ制御によって、電位差VUA−VUBを三相電動機２に出力する。この出力により、三相電動機２へは、前述した５レベル、つまり−VDC、−VDC/2、0、＋VDC/2、＋VDCの電圧が印加される。
【００４５】
図２は、実施形態における電力変換装置のインバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を表形式で示す図である。  
図２では、インバータユニットINVUのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4のＯＮ／ＯＦＦ状態と出力電圧（直流電圧）の対応関係のパターンが示されている。このパターンは、９通りのパターンから成る。
【００４６】
また、図２に示すように、スイッチング素子SUA1がＯＮのときスイッチング素子SUA3はＯＦＦとなる。また、スイッチング素子SUA2がＯＮのときスイッチング素子SUA4はＯＦＦとなる。また、スイッチング素子SUB1がＯＮのときSUB3はＯＦＦとなる。また、スイッチング素子SUB2がＯＮのときスイッチング素子SUB4はＯＦＦとなる。
【００４７】
このように、本実施形態では、インバータ制御部１１は、インバータユニットINVU内の１つ目のレグのスイッチング素子SUA1、SUA3をそれぞれ相補的に動作させ、インバータユニットINVU内の１つ目のレグのスイッチング素子SUA2、SUA4をそれぞれ相補的に動作させる。また、本実施形態では、インバータ制御部１１は、インバータユニットINVU内の２つ目のレグのスイッチング素子SUB1、SUB3をそれぞれ相補的に動作させ、インバータユニットINVU内の２つ目のレグのスイッチング素子SUB2、SUB4をそれぞれ相補的に動作させる。
【００４８】
図２に示すように、０電圧の出力パターンは３通りある。また、−VDC/2の出力パターンおよび＋VDC/2の出力パターンは２通りずつある。つまり、０電圧、−VDC/2、＋VDC/2の出力パターンに冗長性がある。
【００４９】
本実施形態においては、三角波キャリア変調を用いて、制御装置１０のインバータ制御部１１からのインバータＵ相電圧指令値VU*に対応したPWM電圧VUA−VUBを出力する方法を説明する。
【００５０】
図３は、実施形態における電力変換装置のインバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を示すタイミングチャートである。  
図３のタイミングチャートは、インバータユニットINVUについてのキャリア変調波の状態と、インバータユニットINVUのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4のＯＮ／ＯＦＦ状態の関係を示すタイミングチャートである。
【００５１】
インバータ制御部１１は、所定のキャリア周波数で２つの三角波CARU1、CARU2を生成する。また、インバータ制御部１１は、インバータユニットINVUの電圧指令値VUA*、VUB*を出力する。そして、インバータ制御部１１は、三角波CARU1、CARU2とインバータユニットINVUの電圧指令値VUA*、VUB*とを比較して、インバータユニットINVUの８つのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4のスイッチングパターンを生成する。
【００５２】
なお、電圧指令値VUA*はインバータＵ相電圧指令値VU*と一致する。また、電圧指令値VUB*はインバータＵ相電圧指令値VU*を反転させた値と一致する。つまり、VUA*＝VU*であり、VUB*＝−VU*である。
【００５３】
本実施形態では、電圧指令値VU*の最大値を1.0として、電圧指令値VU*の最小値を−1.0とする。すると、電圧指令値VU*の領域は、三角波CARU1の値の領域と三角波CARU2の値の領域とでなる２つの領域に分担される。本実施形態では、三角波CARU1の最大値は1.0で、最小値は0.0である。また、三角波CARU2の最大値は0.0で、最小値は−1.0である。  
図３に示した例では、電圧指令値VU*が0.5〜1.0の間にあるときのスイッチング素子SUA1、SUA3、SUA2、SUA4、SUB1、SUB3、SUB2、SUB4の動作状態を示す。
【００５４】
以下、各三角波に対するインバータユニットINVUのスイッチング素子の動作を詳細に説明する。  
インバータ制御部１１は、電圧指令値VUA*が三角波CARU1より大きいときはスイッチング素子SUA1をＯＮし、スイッチング素子SUA3をＯＦＦする。インバータ制御部１１は、電圧指令値VUA*が三角波CARU1より小さいときはスイッチング素子SUA1をＯＦＦし、スイッチング素子SUA3をＯＮする。
【００５５】
インバータ制御部１１は、電圧指令値VUA*が三角波CARU2より大きいときはスイッチング素子SUA2をＯＮし、スイッチング素子SUA4をＯＦＦする。インバータ制御部１１は、電圧指令値VUA*が三角波CARU2より小さいときはスイッチング素子SUA2をＯＦＦし、スイッチング素子SUA4をＯＮする。
【００５６】
また、インバータ制御部１１は、電圧指令値VUB*が三角波CARU1より大きいときはスイッチング素子SUB1をＯＮし、スイッチング素子SUB3をＯＦＦする。インバータ制御部１１は、電圧指令値VUB*が三角波CARU1より小さいときはスイッチング素子SUB1をＯＦＦし、スイッチング素子SUB3をＯＮする。
【００５７】
インバータ制御部１１は、電圧指令値VUB*が三角波CARU2より大きいときはスイッチング素子SUB2をＯＮし、スイッチング素子SUB4をＯＦＦする。インバータ制御部１１は、電圧指令値VUB*が三角波CARU2より小さいときはスイッチング素子SUB2をＯＦＦし、スイッチング素子SUB4をＯＮする。
【００５８】
具体的には、例えば図３のタイミングチャートの左端部分のように、電圧指令値VUA*が三角波CARU1、CARU2より大きく、電圧指令値VUB*が三角波CARU1より小さく、三角波CARU2より大きい際は、インバータ制御部１１は、スイッチング素子SUA1、SUA2、SUB2、SUB3をＯＮし、スイッチング素子SUA3、SUA4、SUB1、SUB4をＯＦＦする。  
このスイッチングパターンは、図２に示したパターン「２」に該当する。よって、出力電圧は＋VDC/2となる。図２に示したパターン「１」から「３」は電圧指令値VU*が０より大きいときに現れる。また、図２に示したパターン「７」から「９」は電圧指令値VU*が０より小さいときに現れる。
【００５９】
以上の動作によって、インバータユニットINVUは、インバータＵ相電圧指令値VU*に対応したPWM電圧VUA−VUBを出力できる。  
また、インバータユニットINVUに対する電圧指令値の位相と、インバータユニットINVVに対する電圧指令値の位相と、インバータユニットINVWに対する電圧指令値の位相は、120度ずつずれている。  
このように電圧指令値の位相がずれていること以外は、インバータユニットINVU、INVV、INVWの動作は共通している。
【００６０】
次に、コンバータユニットによる電圧出力方法をＵ相のコンバータユニットCNVUを例として説明する。Ｖ相のコンバータユニットCNVVによる電圧出力方法や、Ｗ相のコンバータユニットCNVWによる電圧出力方法は、コンバータユニットCNVUによる電圧出力方法と同様である。このコンバータユニットによる電圧出力方法は、本実施形態における、従来技術に比した顕著な特徴を示すものである。この電圧出力方法を用いれば、コンバータユニットのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して、直流リンク電圧の変動を低減することができる。  
コンバータユニットCNVUは三相ハーフブリッジ構成であるため、系統電圧のＲ相電圧を出力するレグを例として、電力系統の各相についての電圧出力方法を述べる。  
コンバータユニットCNVUのＲ相レグは、スイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4に対するＯＮ/ＯＦＦ制御によって電圧VURを出力する。この際、直流電圧は、−VDC/2、0、＋VDC/2でなる３レベルの電圧となる。
【００６１】
図４は、実施形態における電力変換装置のコンバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を表形式で示す図である。  
図４では、出力電圧ごとに決定される、スイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4のＯＮ/ＯＦＦ状態が示される。図４に示すように、このＯＮ/ＯＦＦ状態のパターンは３通りである。
【００６２】
また、本実施形態では、制御装置１０のコンバータ制御部１２は、スイッチング素子SUR1をＯＮとするときは、スイッチング素子SUR3をＯＦＦとする。コンバータ制御部１２は、スイッチング素子SUR1をＯＦＦとするときは、スイッチング素子SUR3をＯＮとする。また、コンバータ制御部１２は、スイッチング素子SUR2をＯＮとするときは、スイッチング素子SUR4をＯＦＦとする。コンバータ制御部１２は、スイッチング素子SUR2をＯＦＦとするときは、スイッチング素子SUR4をＯＮとする。
【００６３】
このように、本実施形態では、コンバータ制御部１２は、コンバータユニットCNVU内のＲ相のレグのスイッチング素子SUR1、SUR3をそれぞれ相補的に動作させ、コンバータユニットCNVU内のＲ相のレグのスイッチング素子SUR2、SUR4をそれぞれ相補的に動作させる。
【００６４】
次に、コンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWを含めたＲ相電圧VRの出力方法を説明する。図５は、実施形態における電力変換装置のコンバータユニットの出力電圧とスイッチング素子状態の関係の一例を示すタイミングチャートである。  
図５では、各相のコンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWのＲ相の出力電圧VUR、VVR、VSRと、Ｒ相電圧VRとのタイミングチャートを示す。  
前述したように、各相のコンバータトランスTRU、TRV、TRWの交流巻線は直列接続されている。このため、Ｒ相電圧VRは各相コンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWのＲ相の出力電圧に基づいて求められる。  
コンバータトランスTRU、TRV、TRWの巻線比を直流巻線:交流巻線＝1:Nとすると、VR＝N×(VUR+VVR+VWR)となる。  
下記ａ〜ｉの動作が行われる時点は、図５に記載の記号ａ〜ｉと対応している。  
例えば、ａの動作が行われる時点は、図５に記載されている記号ａの時点である。また、力行運転時と回生運転時とに分けて動作方法を記述する。
【００６５】
まず、電力系統から電力が流入する力行運転を行う際の動作について、図６を参照して説明する。  
まず、制御装置１０のコンバータ制御部１２の判定部１２ａは、各相のコンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWの直流リンクコンデンサのそれぞれの電圧に対応する全直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNを取得する。判定部１２ａは、これらの直流電圧のうち、最も小さい直流電圧を特定する（ステップＳ１）。この直流電圧は、各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧である。この特定のタイミングは図５中のａのタイミングである。
【００６６】
全直流電圧とは、コンバータユニットCNVU側の直流リンクコンデンサCUPの電圧VDCUP、コンバータユニットCNVU側の直流リンクコンデンサCUNの電圧VDCUN、コンバータユニットCNVV側の直流リンクコンデンサCVPの電圧VDCVP、コンバータユニットCNVV側の直流リンクコンデンサCVNの電圧VDCVN、コンバータユニットCNVW側の直流リンクコンデンサCWPの電圧VDCWP、および、コンバータユニットCNVW側の直流リンクコンデンサCWNの電圧VDCWNである。  
本実施形態においては、Ｕ相のコンバータユニットCNVU側の直流リンクコンデンサCUPの電圧VDCUPが最小値であったとする。
【００６７】
この際、コンバータユニットCNVUからＵ相の直流リンクコンデンサCUPに電力を流入させて、電圧VDCUPを全直流電圧の平均値に近づける必要がある。また、流入する電力は出力電圧と電流との積で表される。よって、コンバータユニットCNVUからはできるだけ大きい電圧を直流リンクコンデンサ側に出力させる必要がある。つまり、図５に示すように、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、コンバータユニットCNVUからのＲ相の出力電圧VURの位相として、電圧幅が最も大きい立ち上げ位相α1を選択する。この電圧幅とは、図５に示したタイミングチャートにおける立ち上がりから立ち下がりまでの時間の長さを意味する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VURの波形が、この選択した位相α1に応じた波形となるようにスイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ２）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「１」のパターンである。この際、コンバータユニットからの直流電圧は図４に示すように＋VDC/2となる。この動作は図５中のｂの動作である。
【００６８】
そして、コンバータ制御部１２の判定部１２ａは、このＵ相以外のＶ相およびＷ相の直流電圧VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNのうち、最も小さい直流電圧を特定する（ステップＳ３）。この最も小さい直流電圧は、直流電圧VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNのうち、各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧である。この動作は図５中のｃの動作である。本実施形態においては、Ｖ相のコンバータユニットCNVV側の直流リンクコンデンサCVPの直流電圧VDCVPが最小値であったとする。
【００６９】
この際、コンバータユニットCNVVからＶ相の直流リンクコンデンサCVPに電力を流入させて、Ｖ相の直流リンクコンデンサCVPの直流電圧VDCVPを平均値に近づける必要がある。前述したように、コンバータユニットに流入する電力は出力電圧と電流との積で表される。よって、コンバータユニットCNVVからはできるだけ大きい電圧を直流リンクコンデンサ側に出力させる必要がある。つまり、図５に示すように、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、コンバータユニットCNVVからのＲ相の出力電圧VVRの位相として、電圧幅が２番目に大きい立ち上げ位相α2を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VVRの波形がこの選択した位相α2に応じた波形となるようにスイッチング素子SVR1、SVR2、SVR3、SVR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ４）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「１」のパターンである。この動作は図５中のｄの動作である。
【００７０】
また、コンバータ制御部１２は、残りのＷ相のコンバータユニットCNVWからは、電圧が出力されないようにスイッチング素子SWR1、SWR2、SWR3、SWR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ５）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「２」のパターンである。この動作は図５中のｅの動作である。つまり、コンバータユニットCNVWからは０電圧を出力するため、コンバータユニットCNVW側の直流リンクコンデンサCWP、CWNに電力は流入しない。
【００７１】
そして、コンバータ制御部１２の判定部１２ａは、このＷ相以外のＵ相、Ｖ相の直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVNのうち、最も大きい直流電圧を特定する（ステップＳ６）。この最も大きい直流電圧は、直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVNのうち、各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧である。この特定するタイミングは図５中のｆのタイミングである。本実施形態においては、直流電圧VDCUPが最大値であったとする。
【００７２】
このときは、電力系統からコンバータユニットCNVUへの電力の流入を止め、Ｕ相の直流リンクコンデンサCUPの直流電圧VDCUPを平均値に近づける必要がある。よって、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、コンバータユニットCNVUからの電圧の出力が停止するように、コンバータユニットCNVUからのＲ相の出力電圧VURの位相として、電圧幅が小さい立ち下げ位相π−α2を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VURの波形が、この位相に応じた波形となるように、スイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ７）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「２」のパターンである。この動作は図５中のgの動作である。
【００７３】
そして、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、残りのＶ相のコンバータユニットCNVVから電圧の出力が停止するように、コンバータユニットCNVVからのＲ相の出力電圧VVRの位相として電圧幅が大きい立ち下げ位相π−α1を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VVRの波形が、この位相に応じた波形となるように、スイッチング素子SVR1、SVR2、SVR3、SVR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ８）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「２」のパターンである。この動作は図５中のhの動作である。
【００７４】
コンバータ制御部１２は、負の電圧出力期間においては、トランスの偏磁を防止するため、正の電圧出力期間における電圧と同じ電圧が各相のコンバータユニットから出力されるように、各相のコンバータユニットのスイッチング素子を制御する。この動作は図５中のｉの動作である。
【００７５】
次に、電力系統に電力を流出する回生運転の場合を行う際の動作について、図７を参照して説明する。  
まず、制御装置１０のコンバータ制御部１２の判定部１２ａは、各相のコンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWの直流リンクコンデンサのそれぞれの電圧に対応する全直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNを取得する。判定部１２ａは、これらの電圧のうち、最も大きい直流電圧を特定する（ステップＳ１１）。この直流電圧は、各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧である。本実施形態においては、Ｕ相のコンバータユニットCNVU側の直流リンクコンデンサCUPの電圧VDCUPが最大値であったとする。
【００７６】
この際、コンバータユニットCNVU側から電力系統に電力を流出させて、Ｕ相の直流リンクコンデンサCUPの直流電圧VDCUPを全直流電圧の平均値に近づける必要がある。また、コンバータユニット側から電力系統に流出する電力は出力電圧と電流との積で表される。よって、コンバータユニットCNVUからはできるだけ大きい電圧を電力系統に出力させるようにする。つまり、図５に示すように、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、コンバータユニットCNVUからのＲ相の出力電圧VURの位相として、電圧幅が最も大きい立ち上げ位相α1を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VURの波形が、この選択した位相α1に応じた波形となるようにスイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ１２）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「３」のパターンである。この際、コンバータユニットからの直流電圧は図４に示すように−VDC/2となる。
【００７７】
そして、コンバータ制御部１２の判定部１２ａは、このＲ相以外のＶ相およびＷ相の直流電圧VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNのうち、最も大きい直流電圧を特定する（ステップＳ１３）。この最も大きい直流電圧は、直流電圧VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNのうち、各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧である。本実施形態においては、Ｖ相のコンバータユニットCNVV側の直流電圧VDCVPが最大値であったとする。
【００７８】
この際、コンバータユニットCNVV側から電力系統に電力を流出させて、Ｖ相の直流リンクコンデンサCVPの直流電圧VDCVPを平均値に近づける必要がある。また、前述したように、コンバータユニット側から電力系統に流出する電力は出力電圧と電流との積で表される。よって、コンバータユニットCNVVからはできるだけ大きい電圧を電力系統に出力させるようにする。つまり、図５に示すように、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、コンバータユニットCNVVからのＲ相の出力電圧VVRの位相として電圧幅が２番目に大きい立ち上げ位相α2を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VVRの波形が、この選択した位相α2に応じた波形となるようにスイッチング素子SVR1、SVR2、SVR3、SVR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ１４）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「３」のパターンである。
【００７９】
また、コンバータ制御部１２は、残りのＷ相のコンバータユニットCNVWからは電力系統への電圧が出力されないようにスイッチング素子SWR1、SWR2、SWR3、SWR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ１５）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「２」のパターンである。つまり、コンバータユニットCNVWからは０電圧を出力するため、コンバータユニットCNVW側の直流リンクコンデンサCWP、CWNに電力は流入しない。
【００８０】
そして、コンバータ制御部１２の判定部１２ａは、このＷ相以外のＵ相、Ｖ相の直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVNのうち、最も小さい直流電圧を特定する（ステップＳ１６）。この最も小さい直流電圧は、直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVNのうち、各相の平均に対する変動分が最も大きい電圧である。本実施形態においては、Ｕ相のコンバータユニットCNVU側の直流電圧VDCUPが最小値であったとする。
【００８１】
この際コンバータユニットCNVUから電力系統への電力の流出を止め、Ｕ相の直流リンクコンデンサCUPの直流電圧VDCUPを平均値に近づける必要がある。よって、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、コンバータユニットCNVUから電圧の出力が停止するように、コンバータユニットCNVUからのＲ相の出力電圧VURの位相として電圧幅が小さい立ち下げ位相π−α2を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VURの波形が、この位相に応じた波形となるように、スイッチング素子SUR1、SUR2、SUR3、SUR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ１７）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「２」のパターンである。
【００８２】
そして、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、残りのＶ相のコンバータユニットCNVVから電圧の出力が停止するように、コンバータユニットCNVVからのＲ相の出力電圧VVRの位相として電圧幅が大きい立ち下げ位相π−α1を選択する。コンバータ制御部１２は、出力電圧VVRの波形が、この位相に応じた波形となるように、スイッチング素子SVR1、SVR2、SVR3、SVR4のＯＮ／ＯＦＦを制御する（ステップＳ１８）。この際のスイッチングパターンは、図４に示した「２」のパターンである。
【００８３】
コンバータ制御部１２は、負の電圧出力期間においては、トランスの偏磁を防止するため、正の電圧出力期間における電圧と同じ電圧が各相のコンバータユニットから出力されるように、各相のコンバータユニットのスイッチング素子を制御する。
【００８４】
電圧の立ち上がり位相α1、α2は、出力電圧振幅に従って決定される。図１に示した各相のコンバータユニットが出力するＲ相電圧VRは、フーリエ級数展開を行うと以下の式（１）で示される。
【数１】
2014090581.tif 000003
【００８５】
nは高調波次数であり、n＝1のときが基本波電圧となる。つまり、Ｒ相電圧VRの基本波は以下の式（２）で示される。
【数２】
2014090581.tif 000004
【００８６】
電圧振幅を、ある電圧利用率M(電圧ピーク値が2VDCのときM＝1)を満たすように制御するとき、以下の式（３）を満たす必要がある。
【数３】
2014090581.tif 000005
【００８７】
このように、制御装置１０のコンバータ制御部１２により電圧の立ち上がり位相α1、α2を変えれば、コンバータユニットからの出力電圧振幅を任意の値として出力することができ、コンバータユニットにかかる入出力電力を制御できる。また、コンバータユニットからの電圧の立ち上がり位相差を考慮することで、特定次数の高調波が低減される。例えば、以下の式（４）を満たすことで、５，７次高調波を低減することができる。
【００８８】
α１−α２＝π／６  …式（４）
つまり、本実施形態では、式（３）と式（４）とを同時に満たす電圧の立ち上がり位相α1、α2を式（３）で示した電圧利用率Mに応じて予め計算しておく。制御装置１０のコンバータ制御部１２は、直流電圧の大小に従って、立ち上がり位相α1、α2のうちいずれかを、コンバータユニットからの各相の出力電圧の位相として選択する。このように立ち上がり位相を選択することにより、電圧振幅と高調波低減とを同時に満足するようなコンバータ電圧出力が可能となる。
【００８９】
前述した例では、力行運転時におけるステップＳ５にて、電圧の立ち上がり位相α1、α2を選択した後の残り１相のコンバータユニットからは電圧が出力されないようにスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御すると説明した。しかし、これに限らず、制御装置１０のコンバータ制御部１２は、電圧の立ち上がり位相α1、α2を選択した後において、立ち上がり位相α３を選択し、この位相に応じた波形となるように、残り１相のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するようにしてもよい。
【００９０】
このように、立ち上がり位相α３を選択した際には、コンバータ制御部１２の判定部１２ａは、ステップＳ６の代わりに、各相の直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWN、のうち、最も大きい直流電圧を特定する。そして、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、この特定した電圧が関わる相のコンバータユニットから電圧の出力が停止するように、このコンバータユニットからのＲ相の出力電圧の位相として立ち下げ位相π−α３を選択する。コンバータ制御部１２は、この位相に応じた波形となるように、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００９１】
また、前述した例では、回生運転時におけるステップＳ１５にて、電圧の立ち上がり位相α1、α2を選択した後の残り１相のコンバータユニットからは電圧が出力されないようにスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御すると説明した。しかし、これに限らず、制御装置１０のコンバータ制御部１２は、電圧の立ち上がり位相α1、α2を選択した後において、立ち上がり位相α３を選択し、この位相に応じた波形となるように、残り１相のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するようにしてもよい。
【００９２】
このように、立ち上がり位相α３を選択した際には、コンバータ制御部１２の判定部１２ａは、ステップＳ１６の代わりに、各相の直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWN、のうち、最も小さい直流電圧を特定する。そして、コンバータ制御部１２の位相選択部１２ｂは、この特定した電圧が関わる相のコンバータユニットから電圧の出力が停止するように、このコンバータユニットからのＲ相の出力電圧の位相として立ち下げ位相π−α３を選択する。コンバータ制御部１２は、この位相に応じた波形となるように、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００９３】
電圧の立ち上がり位相α1、α2、α3は、出力電圧振幅に従って決定される。図１のコンバータが出力するＲ相電圧VRはフーリエ級数展開すると以下の式（５）で示される。
【数４】
2014090581.tif 000006
【００９４】
nは高調波次数であり、n＝１のときの電圧が基本波電圧となる。つまり、Ｒ相電圧VRの基本波は以下の式（６）で示される。
【数５】
2014090581.tif 000007
【００９５】
電圧振幅を、ある電圧利用率Ｍ（電圧ピーク値が３VDCのときＭ＝１）を満たすように制御するとき、以下の式（７）を満たす必要がある。
【数６】
2014090581.tif 000008
【００９６】
このように、コンバータ制御部１２により電圧の立ち上がり位相α1、α2、α3を変えれば、出力電圧振幅を任意の値で出力することができ、コンバータへの入出力電力を制御できる。また、電圧の立ち上がり位相差を考慮することで、特定次数の高調波が低減される。例えば、以下の式（８）および式（９）を満たすことで、５，７次高調波を理論上０にできる。
【００９７】
ｃｏｓ（５α１）＋ｃｏｓ（５α２）＋ｃｏｓ（５α３）＝０  …式（８）
ｃｏｓ（７α１）＋ｃｏｓ（７α２）＋ｃｏｓ（７α３）＝０  …式（９）
このように説明した電圧出力方法と同様にして、コンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWを含めたＳ相電圧VSの出力、およびコンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWを含めたＴ相電圧VTの出力を行うことができる。
【００９８】
以上のように、本実施形態における電力変換装置は、三相交流負荷の各相に対応する直流電圧の変動を低減させるための電圧がコンバータから出力されるように、コンバータにおけるスイッチング素子のオンオフ制御を行う。これにより、インバータが低周波数電圧を出力する状況において、直流リンクコンデンサの容量値を大きくせずとも、直流リンク電圧の変動を低減することができる。よって、直流リンク電圧の変動の低減を実現した上で直流リンクコンデンサの容量値を低減できる。
【００９９】
本実施形態では、コンバータユニットに対する制御にはワンパルス制御を採用する。このワンパルス制御とは、コンバータユニットからの各相の電圧の１周期につき１回のスイッチング制御のことである。このため、各相のコンバータユニットの電圧立ち上がり位相をＵＶＷ相の各相に応じて0、α1、α2に区分するので、各相のコンバータユニットの出力電圧の電圧幅に自由度を持たせることができる。
【０１００】
本実施形態における作用により、電力系統から各相のコンバータユニットに流入する電力を制御することが可能となるので、直流リンク電圧の変動を低減することができる。さらに、電圧立ち上がり位相を複数に区分できるので、電圧振幅の調整による、コンバータユニットに流入する電流の制御と高調波の低減とを両立することができる。
【０１０１】
付随的な効果として、ワンパルス制御の採用によりコンバータユニットのスイッチング回数を最低限に抑えることができる。よって、コンバータユニットのスイッチング素子に生じる損失が小さくなるので、電力変換装置の冷却器を小型化につながる。
【０１０２】
また、本実施形態では、電力変換装置は、各相のコンバータユニットCNVU、CNVV、CNVWの直流リンクコンデンサのそれぞれの電圧に対応する全直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNのうち最大値または最小値を抽出して、この抽出した値が各相の平均値に近づくように優先的に電力を補償する。よって直流電圧変動を最小に低減することができる。
【０１０３】
さらに、本実施形態では、コンバータ制御部１２は、各相のコンバータユニットCNVU側、CNVV側、CNVW側のそれぞれの中性点で区分した直流リンクコンデンサの直流電圧VDCUP、VDCUN、VDCVP、VDCVN、VDCWP、VDCWNを変動抑制の対象としている。よって、コンバータユニットの中性点電位の変動抑制をあわせて実現することができる。
【０１０４】
前述したように、本実施形態では、コンバータ制御部１２は、各相のコンバータユニットCNVU側、CNVV側、CNVW側の中性点で区分した直流電圧を変動対象とした。しかし、この代わりに、中性点で区分せずに、Ｕ相の２つの直流リンクコンデンサの直流電圧、Ｖ相の２つの直流リンクコンデンサの直流電圧、Ｗ相の２つの直流リンクコンデンサの直流電圧でなる３つの直流電圧を変動抑制の対象としてもよい。
【０１０５】
発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０６】
１…三相交流電源、２…三相電動機、１０…制御装置、１１…インバータ制御部、１２…コンバータ制御部、１２ａ…判定部、１２ｂ…位相選択部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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