(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を授受するための第１および第２の直流接続部と、
交流電力を授受するための交流接続部と、
前記第１の直流接続部および前記交流接続部間に接続された第１のアームと、
前記交流接続部および前記第２の直流接続部間に接続された第２のアームとを備え、
前記第１および第２のアームの各々はカスケード接続された複数の単位セルを含み、
各単位セルはスイッチング素子とコンデンサを有し、
前記第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームの前記複数の単位セルのうちの少なくとも一部の単位セルは螺旋状にカスケード接続されている、電力変換装置。
【請求項２】
前記第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームは複数のラックを含み、
各ラックは高さ方向に順次配列された複数のステージを有し、
前記複数の単位セルは、前記複数のラックの前記複数のステージに分散配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームは第１〜第Ｑのラックを含み、
各ラックは高さ方向に順次配列された第１〜第Ｎのステージを有し、
各ステージにはカスケード接続されたＭ個の単位セルが搭載され、
前記第１〜第Ｑのラックの第ｎのステージに搭載されたＱ×Ｍ個の単位セルはループの一部を構成するようにカスケード接続され、
前記第１〜第Ｑのラックの前記第１〜第Ｎのステージに搭載されたＱ×Ｎ×Ｍ個の単位セルは螺旋状にカスケード接続され、
Ｑ，Ｎ，Ｍの各々は２以上の整数であり、ｎは１以上の整数である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
各ラックは、さらに、前記第１〜第Ｎのステージの（Ｎ−１）個の間にそれぞれ配置された（Ｎ−１）組の第１〜第Ｊの配線基板を有し、
前記第１〜第Ｊの配線基板は高さ方向に順次配列され、
各配線基板には配線が形成され、
前記第１〜第Ｑのラックの第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージ間に配置された第ｊの配線基板に形成されたＱ本の配線はループの一部を構成するように直列接続され、
前記第１〜第Ｑのラックの第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージ間に配置された第１〜第Ｊの配線基板に形成されたＱ×Ｊ本の配線は螺旋状に直列接続され、
前記第１〜第Ｑのラックに搭載されたＱ×Ｎ×Ｍ個の単位セルおよびＱ×（Ｎ−１）×Ｊ本の配線は螺旋状に直列接続され、
Ｊは２以上の整数であり、ｊは１以上の整数である、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
Ｑは２であって前記第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームは第１および第２のラックを含み、
前記第１のラックの各ステージのＭ個の単位セルは第１の方向に配列され、
前記第２のラックの各ステージのＭ個の単位セルは前記第１の方向と逆方向の第２の方向に配列され、
前記第１および第２のラックの第ｎのステージに搭載された２×Ｍ個の単位セルはループの一部を構成するようにカスケード接続され、
前記第１および第２のラックの前記第１〜第Ｎのステージに搭載された２×Ｎ×Ｍ個の単位セルは螺旋状にカスケード接続されている、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項６】
各ステージには第１および第２の端子が搭載され、
各ステージにおいて前記Ｍ個の単位セルは前記第１および第２の端子間にカスケード接続され、
前記第１のラックの第ｎのステージの前記第２の端子と前記第２のラックの第ｎのステージの前記第１の端子とは互いに接続され、
前記第２のラックの第ｎのステージの前記第２の端子と前記第１のラックの第（ｎ＋１）のステージの前記第１の端子とは互いに接続され、
２×Ｎ×Ｍ個の単位セルは、前記第１のラックの第１のステージの前記第１の端子と前記第２のラックの第Ｎのステージの前記第２の端子との間に螺旋状にカスケード接続されている、請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
Ｑは２であって前記第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームは第１および第２のラックを含み、
前記第１のラックの各ステージのＭ個の単位セルは第１の方向に配列され、
前記第２のラックの各ステージのＭ個の単位セルは前記第１の方向と逆方向の第２の方向に配列され、
前記第１および第２のラックの第ｎのステージに搭載された２×Ｍ個の単位セルはループの一部を構成するようにカスケード接続され、
各ラックは、さらに、前記第１〜第Ｎのステージの（Ｎ−１）個の間にそれぞれ配置された（Ｎ−１）枚の配線基板を有し、
各配線基板には配線が形成され、
前記第１および第２のラックの第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージ間に配置された前記配線基板に形成された２本の配線はループの一部を構成するように直列接続され、
前記第１および第２のラックに搭載された２×Ｎ×Ｍ個の単位セルおよび２×（Ｎ−１）本の配線は螺旋状に直列接続されている、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項８】
各ステージには第１および第２の端子が搭載され、
各ステージにおいて前記Ｍ個の単位セルは前記第１および第２の端子間にカスケード接続され、
前記第１のラックの第ｎのステージの前記第２の端子と前記第２のラックの第ｎのステージの前記第１の端子とは互いに接続され、
各配線基板には第３および第４の端子が搭載され、
各配線基板において前記配線は前記第３および第４の端子間に接続され、
前記第１および第２のラックの第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージ間に配置された前記配線基板の前記第４の端子は互いに接続され、
前記第２のラックの第ｎのステージの前記第２の端子と前記第１のラックの第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージ間の前記配線基板の前記第３の端子とは互いに接続され、
前記第２のラックの第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージ間の前記配線基板の前記第３の端子と前記第１のラックの第（ｎ＋１）のステージの前記第１の端子とは互いに接続され、
２×Ｎ×Ｍ個の単位セルおよび２×（Ｎ−１）本の配線は、前記第１のラックの第１のステージの前記第１の端子と前記第２のラックの第Ｎのステージの前記第２の端子との間に螺旋状に直列接続されている、請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
各単位セルは、さらに、前記コンデンサの電極間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子と、それぞれ前記第１および第２のスイッチング素子に逆並列に接続された第１および第２のダイオードとを有し、
前記第１および第２のアームの各々において前記複数の単位セルの前記第１または第２のスイッチング素子は直列接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
各単位セルは、さらに、前記コンデンサの電極間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子と、前記コンデンサの電極間に直列接続された第３および第４のスイッチング素子と、それぞれ前記第１〜第４のスイッチング素子に逆並列に接続された第１〜第４のダイオードとを有し、
前記第１および第２のアームの各々において前記複数の単位セルの前記第１および第３のスイッチング素子は直列接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
さらに、鉄心を備え、
前記複数の単位セルのうちの少なくとも一部の単位セルは前記鉄心の周りに螺旋状にカスケード接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記鉄心は、前記第１および第２のアームを収容する建物の支柱を兼ねている、請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
直流電力を授受するための第１および第２の直流接続部と、
前記第１の直流接続部および前記第２の直流接続部間に並列接続された複数の相モジュールとを備え、
前記複数の相モジュールの各々は、
交流電力を授受するための交流接続部と、
前記第１の直流接続部および前記交流接続部間に接続された第１のアームと、
前記交流接続部および前記第２の直流接続部間に接続された第２のアームとを備え、
前記第１および第２のアームの各々はカスケード接続された複数の単位セルを含み、
各単位セルはスイッチング素子とコンデンサを有し、
前記複数の相モジュールのうちの少なくとも１つの相モジュールの第１および第２のアームのうちの少なくとも１つのアームは、前記複数の単位セルのうちの少なくとも一部の単位セルおよびそれらの間の接続配線を含んで構成されるリアクトルを含み、
前記リアクトルのインダクタンスに基づき、前記複数の相モジュール間に流れる循環電流を抑制する制御を行う制御装置を備える、電力変換装置。
【請求項１４】
前記第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームは複数のラックを含み、
各ラックは高さ方向に順次配列された複数のステージを有し、
前記複数の単位セルは、前記複数のラックの前記複数のステージに分散配置されている、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記リアクトルのインダクタンスは０．１ｍＨ以上である、請求項１３または請求項１４に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電力変換装置に関し、特に、交流回路と直流回路の間で電力の授受を行なう電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置であるモジュラー・マルチレベル変換器（Modular  Multilevel  Converter）は、複数のアームと、各アームに直列接続されたリアクトルとを備える。各アームは、カスケード接続された複数の単位セルを含む。各単位セルは、直流電圧に充電されるコンデンサを有し、スイッチング素子によりコンデンサの端子間電圧または０Ｖを出力する。各アームの各単位セルのスイッチング素子を制御することにより、直流電力および交流電力のうちのいずれか一方の電力を他方の電力に変換することができる（たとえば、特許文献１（特表２００９−５０６７３６号公報）、特許文献２（特開２０１０−２３３４１１号公報）、特許文献３（特開２０１３−１１５８３７号公報）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５０６７３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３３４１１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１１５８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のマルチレベル変換器では、大型で高価格のリアクトルを設ける必要があったので、装置が大型化しコスト高になるという問題があった。【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低価格の電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る電力変換装置は、直流電力を授受するための第１および第２の直流接続部と、交流電力を授受するための交流接続部と、第１の直流接続部および交流接続部間に接続された第１のアームと、交流接続部および第２の直流接続部間に接続された第２のアームとを備えたものである。第１および第２のアームの各々はカスケード接続された複数の単位セルを含む。各単位セルは、スイッチング素子とコンデンサを有する。第１および第２のアームのうちの少なくとも一方のアームの複数の単位セルのうちの少なくとも一部の単位セルは螺旋状にカスケード接続されている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る電力変換装置では、第１および第２のアームに含まれる複数の単位セルのうちの少なくとも一部の単位セルが螺旋状にカスケード接続されてリアクトルを構成している。したがって、別途リアクトルを設ける必要が無い、または別途に追加のリアクトルを設けるとしてもそのリアクトルを小型化できるので、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換システムの構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示したマルチレベル変換器の要部を示す回路ブロック図である。
【図３】図２に示した単位セルの構成を示す回路図である。
【図４】図２に示したマルチレベル変換器の動作を説明するための回路図である。
【図５】図２に示したアームの構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示したステージの構成を示す平面図である。
【図７】図５に示したラックの構成を示す図である。
【図８】図５に示したアームの構成を示す正面図である。
【図９】図８に示したアームの構成を示す背面図である。
【図１０】図５に示したアームの要部を模式的に示す図である。
【図１１】実施の形態１の変更例を示す図である。
【図１２】実施の形態１の他の変更例を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態２によるマルチレベル変換器に含まれるアームの構成を示す正面図である。
【図１４】図１３に示したアームの構成を示す背面図である。
【図１５】図１３に示したアームの構成を示す平面図である。
【図１６】図１３に示した配線基板の構成を示す平面図である。
【図１７】図１３に示したアームの要部を模式的に示す図である。
【図１８】実施の形態２の変更例を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態３によるマルチレベル変換器に含まれるアームの構成を示す正面図である。
【図２０】図１９に示したアームの構成を示す背面図である。
【図２１】実施の形態３の変更例を示す平面図である。
【図２２】実施の形態３の他の変更例を示す正面図である。
【図２３】図２２に示したアームの構成を示す背面図である。
【図２４】実施の形態３のさらに他の変更例を示す平面図である。
【図２５】この発明の実施の形態４によるマルチレベル変換器に含まれるアームの構成を示す正面図である。
【図２６】図２５に示したアームの構成を示す背面図である。
【図２７】図２５に示したアームの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換システムの構成を示す回路ブロック図である。図１において、この電力変換システムは、交流電力系統１、遮断器Ｂ１〜Ｂ３、三相変圧器２、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）３、インピーダンス回路４、および直流電源５を備える。
【００１０】
マルチレベル変換器３は、正電圧端子３ａ（第１の直流接続部）、負電圧端子３ｂ（第２の直流接続部）、および３つの交流端子（交流接続部）３ｃ〜３ｅを含み、直流電力と三相交流電力のうちのいずれか一方の電力を他方の電力に変換する双方向電力変換装置である。正電圧端子３ａおよび負電圧端子３ｂは直流電力を授受するために用いられ、３つの交流端子３ｃ〜３ｅは三相交流電力を授受するために用いられる。変圧器の２次巻線を交流接続部とし、交流接続部が当該変圧器の１次巻線を介して交流電力を授受するようにしてもよい。
【００１１】
正電圧端子３ａおよび負電圧端子３ｂは、インピーダンス回路４を介して直流電源５に接続される。インピーダンス回路４は、マルチレベル変換器３で発生するスイッチング周波数の信号が直流電源５に流れることを抑制する。直流電源５は、インピーダンス回路４を介してマルチレベル変換器３と直流電力の授受を行なう。直流電源５の代わりに直流負荷が接続されていてもよいし、他のマルチレベル変換器が接続されていても構わない。
【００１２】
マルチレベル変換器３の３つの交流端子３ｃ〜３ｅは、三相変圧器２の３つの２次側端子にそれぞれ接続される。三相変圧器２の３つの１次側端子は、それぞれ遮断器Ｂ１〜Ｂ３を介して交流電力系統１の三相送電線に接続される。三相変圧器２は、マルチレベル変換器３と交流電力系統１の間で三相交流電力を授受する。遮断器Ｂ１〜Ｂ３は、通常動作時は導通状態にされ、たとえば、端子３ａ，３ｂ間で短絡事故が発生した場合に非導通状態にされ、電力変換システムを保護する。
【００１３】
次に、この電力変換システムの動作について説明する。交流電力系統１から直流電源５に電力を供給する場合は、交流電力系統１の三相交流電力が遮断器Ｂ１〜Ｂ３および三相変圧器２を介してマルチレベル変換器３に供給され、マルチレベル変換器３で直流電力に変換される。マルチレベル変換器３で生成された直流電力はインピーダンス回路４を介して直流電源５に供給される。このとき、マルチレベル変換器３は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換装置として動作する。
【００１４】
逆に、直流電源５から交流電力系統１に電力を供給する場合は、直流電源５で生成された直流電力がインピーダンス回路４を介してマルチレベル変換器３に供給され、マルチレベル変換器３で三相交流電力に変換される。マルチレベル変換器３で生成された三相交流電力は、三相変圧器２および遮断器Ｂ１〜Ｂ３を介して交流電力系統１に供給される。このとき、マルチレベル変換器３は、直流電源５からの直流電力を交流電力に変換する直流−交流変換装置として動作する。
【００１５】
図２は、マルチレベル変換器３の要部を示す回路ブロック図である。図２において、マルチレベル変換器３は、正電圧端子３ａ、負電圧端子３ｂ、交流端子３ｃ〜３ｅ、およびアームＡ１〜Ａ６を備える。
【００１６】
正電圧端子３ａには、マルチレベル変換器３および直流電源５から正の直流電圧ＶＰが供給される。負電圧端子３ｂには、マルチレベル変換器３および直流電源５から負の直流電圧ＶＮが供給される。交流端子３ｃには、三相変圧器２およびマルチレベル変換器３からＵ相の交流電圧ＶＵが供給される。交流端子３ｄには、三相変圧器２およびマルチレベル変換器３からＶ相の交流電圧ＶＶが供給される。交流端子３ｅには、三相変圧器５およびマルチレベル変換器３からＷ相の交流電圧ＶＷが供給される。三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相は１２０度ずつずれている。
【００１７】
アームＡ１〜Ａ３の一方端子はともに正電圧端子３ａに接続され、それらの他方端子はそれぞれ交流端子３ｃ〜３ｅに接続される。アームＡ４〜Ａ６の一方端子はそれぞれ交流端子３ｃ〜３ｅに接続され、それらの他方端子はともに負電圧端子３ｂに接続される。
【００１８】
アームＡ１，Ａ４は、Ｕ相の交流電圧ＶＵと直流電圧ＶＰ，ＶＮとの間で交流−直流変換および直流−交流変換を行なうＵ相モジュール（第１の相モジュール）を構成する。アームＡ２，Ａ５は、Ｖ相の交流電圧ＶＶと直流電圧ＶＰ，ＶＮとの間で交流−直流変換および直流−交流変換を行なうＶ相モジュール（第２の相モジュール）を構成する。アームＡ３，Ａ６は、Ｗ相の交流電圧ＶＷと直流電圧ＶＰ，ＶＮとの間で交流−直流変換および直流−交流変換を行なうＷ相モジュール（第３の相モジュール）を構成する。
【００１９】
アームＡ１〜Ａ６の各々は、カスケード接続された複数の単位セル１０を含む。後で詳細に説明するが、複数の単位セル１０は螺旋状（コイル状）にカスケード接続されてリアクトルを構成している。リアクトルのインダクタンスは、各アームＡに流れる電流を制御するとともに、交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの振幅が異なる場合に３つの相モジュール間に流れる循環電流を抑制するために必要な値に設定されている。このように、複数の単位セル１０を螺旋状にカスケード接続してリアクトルを構成しているので、リアクトルを別途設ける場合に比べ、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００２０】
なお、螺旋状にカスケード接続された複数の単位セル１０によって構成されるリアクトルのみによって循環電流を抑制してもよいが、複数の単位セル１０によって構成されるリアクトルと通常のリアクトルとを直列接続して循環電流を抑制しても構わない。この場合は、複数の単位セル１０によって構成されるリアクトルのインダクタンスと通常のリアクトルのインダクタンスとの和が、３つの相モジュール間に流れる循環電流を抑制するために必要な値に設定される。
【００２１】
各単位セル１０は、図３に示すように、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、およびコンデンサＣを含む。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）で構成されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、コンデンサＣの正極と負極の間に直列接続されている。すなわち、スイッチング素子Ｓ１のコレクタはコンデンサＣの正極に接続され、スイッチング素子Ｓ１のエミッタは第１端子Ｔ１およびスイッチング素子Ｓ２のコレクタに接続され、スイッチング素子Ｓ２のエミッタは第２端子Ｔ２およびコンデンサＣの負極に接続されている。
【００２２】
ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に逆並列に接続されている。すなわち、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノードはそれぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のエミッタに接続され、それらのカソードはそれぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２の各々は、フリーホイールダイオードである。
【００２３】
図２に示すように、アームＡ１〜Ａ３の一方端の単位セル１０の第１端子Ｔ１は、ともに正電圧端子３ａに接続されている。アームＡ１〜Ａ３において、各単位セル１０の第２端子Ｔ２は交流端子３ｃ〜３ｅ側に隣接する単位セル１０の第１端子Ｔ１に接続されている。アームＡ１〜Ａ３の他方端の単位セル１０の第２端子Ｔ２は、それぞれ交流端子３ｃ〜３ｅに接続されている。
【００２４】
アームＡ４〜Ａ６の一方端の単位セル１０の第１端子Ｔ１は、それぞれ交流端子３ｃ〜３ｅに接続されている。アームＡ４〜Ａ６において、各単位セル１０の第２端子Ｔ２は負電圧端子３ｂ側に隣接する単位セル１０の第１端子Ｔ１に接続されている。アームＡ４〜Ａ５の他方端の単位セル１０の第２端子Ｔ２は、ともに負電圧端子３ｂに接続されている。
【００２５】
各単位セル１０はオン状態かオフ状態にされる。オン状態の単位セル１０では、スイッチング素子Ｓ１が導通状態にされるとともにスイッチング素子Ｓ２が非導通状態にされ、端子Ｔ１，Ｔ２がそれぞれコンデンサＣの正極および負極に接続される。コンデンサＣが直流電圧ＶＣに充電されている場合は、その直流電圧ＶＣが端子Ｔ１，Ｔ２間に出力される。
【００２６】
オフ状態の単位セル１０では、スイッチング素子Ｓ１が非導通状態にされるとともにスイッチング素子Ｓ２が導通状態にされ、端子Ｔ１，Ｔ２が互いに接続され、端子Ｔ１，Ｔ２間には０Ｖが出力される。コンデンサＣが直流電圧ＶＣに充電されている場合は、その状態が維持される。
【００２７】
マルチレベル変換器３の制御装置(図示せず)は、三相変圧器２からの三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに同期して動作し、アームＡ１〜Ａ６の各単位セル１０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御し、三相変圧器２からの三相交流電力を直流電力に変換して直流電源５に供給するか、直流電源５からの直流電力を三相交流電力に変換して三相変圧器２に供給する。このとき制御装置は、各単位セル１０のコンデンサＣの端子間電圧に基づいてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御し、各単位セル１０のコンデンサＣを予め定められた直流電圧に充電する。
【００２８】
たとえば、アームＡ１，Ａ４の各単位セル１０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御し、直流電圧を交流電圧に変換する場合について説明する。各アームの単位セル１０の数をＫ個（ただし、Ｋは２以上の整数である）とし、各単位セル１０のコンデンサＣは予め定められた直流電圧ＶＣ／Ｋに充電済みであり、正電圧端子３ａには正の直流電圧ＶＰ＝＋ＶＣ×Ｋ／２が印加され、負電圧端子３ｂには負の直流電圧ＶＮ＝−ＶＣ×Ｋ／２が印加されているものとする。直列接続された２つのアームＡ１，Ａ４に含まれる合計２Ｋ個の単位セル１０のうちのＫ個の単位セル１０をオン状態にさせるとともに残りのＫ個の単位セル１０をオフ状態にさせる。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、アームＡ１の全単位セル１０をオフ状態にするとともに、アームＡ４の全単位セル１０をオン状態にすると、交流端子３ｃの電圧ＶＵはＶＰ＝＋ＶＣ×Ｋ／２となる。すなわち、ＶＵ＝ＶＮ＋ＶＣ×Ｋ＝＋ＶＣ×Ｋ／２＝ＶＰとなる。この状態からアームＡ１においてオン状態の単位セル１０の数を徐々に増加させるとともにアームＡ４においてオン状態の単位セル１０の数を徐々に減少させると、交流端子３ｃの電圧ＶＵは徐々に下降する。
【００３０】
図４（ｂ）に示すように、アームＡ１のＫ／２個の単位セル１０をオン状態とするとともに、アームＡ４のＫ／２個の単位セル１０をオン状態にすると、交流端子３ｃの電圧ＶＵは０Ｖとなる。すなわち、ＶＵ＝ＶＮ＋ＶＣ×Ｋ／２＝ＶＰ−ＶＣ×Ｋ／２＝０となる。この状態からアームＡ１においてオン状態の単位セル１０の数を徐々に増加させるとともにアームＡ４においてオン状態の単位セル１０の数を徐々に減少させると、交流端子３ｃの電圧ＶＵは徐々に下降する。
【００３１】
図４（ｃ）に示すように、アームＡ１の全単位セル１０をオン状態とするとともに、アームＡ４の全単位セル１０をオフ状態にすると、交流端子３ｃの電圧ＶＵはＶＮ＝−ＶＣ×Ｋ／２となる。すなわち、ＶＵ＝ＶＰ−ＶＣ×Ｋ＝−ＶＣ×Ｋ／２＝ＶＮとなる。このように、アームＡ１，Ａ４の各単位セル１０を制御することにより、直流電圧ＶＰ，ＶＮを正弦波状の交流電圧ＶＵに変換することができる。
【００３２】
同様に、アームＡ２，Ａ５の各単位セル１０を制御することにより、直流電圧ＶＰ，ＶＮを正弦波状の交流電圧ＶＶに変換することができる。さらに、アームＡ３，Ａ６の各単位セル１０を制御することにより、直流電圧ＶＰ，ＶＮを正弦波状の交流電圧ＶＷに変換することができる。さらに、アームＡ１，Ａ４とアームＡ２，Ａ５とアームＡ３，Ａ４を制御するタイミングの位相を１２０度ずつずらすことにより、直流電圧ＶＰ，ＶＮを三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに変換することができる。
【００３３】
各アームＡのＫ個の単位セル１０は螺旋状にカスケード接続されているので、各アームＡはインダクタンスを有する。各アームＡのインダクタンスは図４（ａ）〜（ｃ）ではリアクトル１１として記されている。
【００３４】
マルチレベル変換器３で生成される三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を三相変圧器２から出力される三相交流電圧の位相よりも進ませれば、位相差に応じた値の交流電力がマルチレベル変換器３から三相変圧器２に流れる。この場合、マルチレベル変換器３は、直流電源５からの直流電力を交流電力に変換して三相変圧器２に供給する直流−交流変換装置として動作する。
【００３５】
逆に、マルチレベル変換器３で生成される三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を三相変圧器２から出力される三相交流電圧の位相よりも遅らせれば、位相差に応じた値の交流電力が三相変圧器２からマルチレベル変換器３に流れる。この場合、マルチレベル変換器３は、三相変圧器２からの交流電力を直流電力に変換して直流電源５に供給する交流−直流変換装置として動作する。
【００３６】
たとえば、制御装置(図示せず)は、Ｕ相モジュールＡ１，Ａ４、Ｖ相モジュールＡ２，Ａ５、およびＷ相モジュールＡ３，Ａ６に流れる電流ＩＵ，ＩＶ，ＵＷの大きさが一致するように、アームＡ１〜Ａ６の各単位セル１０を制御する。電流ＩＵ，ＩＶ，ＵＷの大きさが一致しない場合は、３つの相モジュールのうちの少なくとも２つの相モジュール間に循環電流が流れる。循環電流は、たとえば、アームＡ１，Ａ４，Ａ５，Ａ２の経路で流れる。アームＡ１〜Ａ６の各々のリアクトル１１のインダクタンスは、そのような循環電流を抑制するために必要な値に設定されている。
【００３７】
図５は、アームＡ１の構成を示す斜視図である。図５において、アームＡ１は、Ｑ個（ただし、Ｑは２以上の整数であり、図５ではＱ＝２である）のラックＬＫ１，ＬＫ２を備える。ラックＬＫ１，ＬＫ２は、図中のＸ方向に隣接して配置されている。
【００３８】
ラックＬＫ１は、Ｎ段（ただし、Ｎは２以上の整数であり、図５ではＮ＝５である）のステージＳＴ１〜ＳＴ５を含む。ステージＳＴ１〜ＳＴ５は、図中のＺ方向（高さ方向）に順次配列され、互いに平行に配置されている。１段目のステージＳＴ１は、６本の支柱１５によって床の上に支持されている。ステージＳＴ２〜ＳＴ５は、それぞれステージＳＴ１〜ＳＴ４の上に６本の支柱１６によって支持されている。
【００３９】
ラックＬＫ２は、Ｎ段（ただし、Ｎは２以上の整数であり、図５ではＮ＝５である）のステージＳＴ１１〜ＳＴ１５を含む。ステージＳＴ１１〜ＳＴ１５は、図中のＺ方向（高さ方向）に順次配列され、互いに平行に配置されている。１段目のステージＳＴ１１は、６本の支柱１５によって床の上に支持されている。ステージＳＴ１２〜ＳＴ１５は、それぞれステージＳＴ１１〜ＳＴ１４の上に６本の支柱１６によって支持されている。ラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１５は、それぞれラックＬＫ１のステージＳＴ１〜ＳＴ５と同じ高さに配置されている。
【００４０】
図６は、ステージＳＴ１の構成を示す平面図である。図６において、ステージＳＴ１は、長方形の基板２１と、６個の碍子２２と、絶縁シールド２３と、正側端子Ｔ１１と、負側端子Ｔ１２とを含む。基板２１の短辺は図中のＸ方向に向けられ、その長辺は図中のＹ方向に向けられている。基板２１の周縁部の６箇所に孔(図示せず)が開けられており、６つの碍子２２はそれぞれ６つの孔に嵌め込まれ、各碍子２２の中央部は基板２１に固定されている。
【００４１】
各碍子２２の上端部および下端部には、支柱１５または１６を嵌め込むための穴が開けられている。基板２１の周囲は絶縁シールド２３で覆われている。絶縁シールド２３は、基板２１の４辺に対応する４つの部分に分割されており、各部分は固定部材(図示せず)によって基板２１に固定されている。
【００４２】
基板２１の表面には、Ｍ個（ただし、Ｍは２以上の整数であり、図６ではＭ＝８である）の単位セル１０と、正側端子Ｔ１１（第１の端子）と、負側端子Ｔ１２（第２の端子）とが搭載されている。正側端子Ｔ１１と、８個の単位セル１０と、負側端子Ｔ１２とは、図中のＹ方向に配列されている。正側端子Ｔ１１は、絶縁シールド２３を貫通してステージＳＴ１の正面側に突出している。負側端子Ｔ１２は、絶縁シールド２３を貫通してステージＳＴ１の背面側に突出している。８個の単位セル１０は、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にカスケード接続されている。ラックＬＫ１の他のステージＳＴ２〜ＳＴ５の各々はステージＳＴ１と同じ構成である。
【００４３】
ラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の各々では、正側端子Ｔ１１と、８個の単位セル１０と、負側端子Ｔ１２とは、図中のＹ方向と逆方向に配列されている。正側端子Ｔ１１は、絶縁シールド２３を貫通してステージＳＴ１１の背面側に突出している。負側端子Ｔ１２は、絶縁シールド２３を貫通してステージＳＴ１１の正面側に突出している。８個の単位セル１０は、端子Ｔ１１，Ｔ１２間にカスケード接続されている。
【００４４】
図７（ａ）はラックＬＫ１の側面図であり、図７（ｂ）はラックＬＫ１の正面図であり、図７（ｃ）はラックＬＫ１の背面図である。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ステージＳＴ１〜ＳＴ５の各々の正面側に正側端子Ｔ１１が突出し、平面側に負側端子Ｔ１２が突出している。ラックＬＫ２では、ステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の各々の正面側に負側端子Ｔ１２が突出し、背面側に正側端子Ｔ１１が突出している。
【００４５】
図８は、アームＡ１の構成を示す正面図である。図８に示すように、ラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１４の負側端子Ｔ１２は、４本の配線２４を介して、それぞれラックＬＫ１のステージＳＴ２〜ＳＴ５の正側端子Ｔ１１に接続されている。ラックＬＫ１のステージＳＴ１の正側端子Ｔ１１は、図２に示した正電圧端子３ａに接続される。ラックＬＫ２のステージＳＴ１５の負側端子Ｔ１２は、図２に示した交流端子３ｃに接続される。
【００４６】
図９は、アームＡ１の構成を示す背面図である。図９に示すように、ラックＬＫ１のステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の負側端子Ｔ１２は、５本の配線２５を介して、それぞれラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の正側端子Ｔ１１に接続されている。なお、図面の簡単化のため、図８では配線２５の図示は省略され、図９では配線２４の図示は省略されている。
【００４７】
図１０は、アームＡ１の要部を模式的に示す図である。図１０では、ラックＬＫ１（第１のラック）のステージＳＴ１，ＳＴ２（第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージであり、ｎは１以上の整数であり、図１０ではｎ＝１である）と、ラックＬＫ２（第２のラック）のステージＳＴ１１，ＳＴ１２（第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージであり、ｎは１以上の整数であり、図１０ではｎ＝１である）とが示されている。ステージＳＴ１１，ＳＴ１２は、それぞれステージＳＴ１，ＳＴ２と同じ高さに配置され、それぞれステージＳＴ１，ＳＴ２のＸ方向に隣接して配置されている。
【００４８】
ステージＳＴ１，ＳＴ２の各々では、正側端子Ｔ１１（第１の端子）、８個の単位セル１０、および負側端子Ｔ１２（第２の端子）が図中のＹ方向（第１の方向）に配列され、８個の単位セル１０が端子Ｔ１１，Ｔ１２間にカスケード接続されている。ステージＳＴ１１，ＳＴ１２の各々では、正側端子Ｔ１１、８個の単位セル１０、および負側端子Ｔ１２が図中のＹ方向と逆方向（第２の方向）に配列され、８個の単位セル１０が端子Ｔ１１，Ｔ１２間にカスケード接続されている。
【００４９】
ステージＳＴ１の負側端子Ｔ１２は、配線２５を介してステージＳＴ１１の正側端子Ｔ１１に接続される。ステージＳＴ１の８個の単位セル１０と、配線２５と、ステージＳＴ１１の８個の単位セル１０とは、ループの一部を構成するように接続される。ステージＳＴ１１の負側端子Ｔ１２が配線２４を介して斜め上方のステージＳ１の正側端子Ｔ１１に接続される。
【００５０】
ステージＳＴ２の負側端子Ｔ１２は、配線２５を介してステージＳＴ１２の正側端子Ｔ１１に接続される。ステージＳＴ２の８個の単位セル１０と、配線２５と、ステージＳＴ１２の８個の単位セル１０とは、ループの一部を構成するように接続されている。つまり、ステージＳＴ１の８個の単位セル１０と、ステージＳＴ１１の８個の単位セル１０と、ステージＳＴ２の８個の単位セル１０と、ステージＳＴ１２の８個の単位セル１０とは螺旋状にカスケード接続されている。
【００５１】
このようにして、ラックＬＫ１，ＬＫ２（第１〜第Ｑのラックであり、Ｑ＝２である）のステージＳＴ１〜ＳＴ５，ＳＴ１１〜ＳＴ１５（２組の第１〜第Ｎのステージであり、Ｎ＝５）である）に搭載された８×１０個の単位セル１０は、螺旋状にカスケード接続されて図４（ａ）〜（ｃ）で示したリアクトル１１を構成している。
【００５２】
一般にリアクトルのインダクタンスＬは、Ｌ＝（４×π×１０−７×Ｓ×Ｐ２）／■となる。ここで、Ｓはループの面積であり、Ｐはループの数であり、■はリアクトルの長さである。たとえば、ラックＬＫ１の正側端子Ｔ１１とラックＬＫ２の負側端子Ｔ１２との間の距離を７ｍとし、ラックＬＫ１の端子Ｔ１１，Ｔ１２間の距離を８ｍとすると、Ｓ＝７×８＝５６ｍ２となる。ラックＬＫ１のステージＳＴ１の正側端子Ｔ１１とステージＳＴ５の正側端子Ｔ１１との間の距離を８ｍとすると、■＝８ｍとなる。ループの数Ｐは５である。Ｓ＝８×７＝５６ｍ２、Ｐ＝５、■＝８ｍを上式に代入すると、Ｌは約０．２ｍＨとなる。他のアームＡ２〜Ａ６もアームＡ１と同じ構成である。
【００５３】
この実施の形態１では、アームＡ１〜Ａ６の各々に含まれる複数の単位セル１０を螺旋状にカスケード接続してリアクトル１１を構成する。したがって、別途リアクトルを設ける必要がない、または別途に追加のリアクトルを設けるとしてもそのリアクトルを小型化できるので、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５４】
また、モジュラー・マルチレベル変換器で三相の電力変換装置を構成する場合に、上述の螺旋構造により得られるリアクトル１１を用いて、相モジュール間に流れる循環電流を抑制することができる。たとえば、制御装置(図示せず)が、循環電流の検出値および当該螺旋構造により得られるリアクトル１１のインダクタンスの大きさに基づいて、相間に流れる循環電流を抑制するように各単位セル１０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン／オフを制御するようにしてもよい。また、当該螺旋構造により得られるリアクトル１１とは別のリアクトルも追加して、それらリアクトルの大きさに基づいて当該制御回路が循環電流を抑制するように各単位セル１０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御してもよい。当該螺旋状接続の構成で、例えば０．１ｍＨ以上、さらに大きくは１ｍＨ以上のインダクタンスを得るようにしてもよい。
【００５５】
なお、この実施の形態１では、１つのアームＡに含まれる全単位セル１０を螺旋状に接続して１つのリアクトル１１を構成したが、これに限るものではない。１つのアームＡに含まれる複数の単位セル１０のうちの一部の単位セルを螺旋状に接続して１つのリアクトル１１を構成してもよい。１つのアームＡに含まれる複数の単位セル１０を複数のグループに分割し、各グループの単位セル１０を螺旋状に接続し、直列接続された複数のリアクトルを構成しても構わない。さらに、２つのアームＡ１とＡ４（またはＡ２とＡ５、またはＡ３とＡ６）に含まれる全単位セル１０を螺旋状に接続して１つのリアクトルを構成しても構わない。直列接続された２つのアーム（Ａ１とＡ４、Ａ２とＡ５、またはＡ３とＡ６）のうちのいずれか一方のアーム（たとえば、Ａ１、Ａ２、またはＡ３）に含まれる複数の単位セル１０のみを螺旋状にカスケード接続してリアクトル１１を構成しても構わない。
【００５６】
また、この実施の形態１では、２つのラックＬＫ１，ＬＫ２を配置し、同じ高さの２つのステージＳＴに含まれる複数の単位セル１０をループの一部を構成するようにカスケード接続したが、これに限るものではない。３つ以上のラックＬＫを配置し、同じ高さの３つ以上のステージＳＴに含まれる複数の単位セル１０をループの一部を構成するようにカスケード接続してもよい。たとえば、３つのラックＬＫを上方から見て三角形に配置し、同じ高さの３つのステージＳＴに含まれる複数の単位セル１０をループの一部を構成するようにカスケード接続してもよい。４つのラックＬＫを上方から見て四角形に配置し、同じ高さの４つのステージＳＴに含まれる複数の単位セル１０をループの一部を構成するようにカスケード接続してもよい。
【００５７】
図１１は、実施の形態１の変更例を示す回路図であって、図３と対比される図である。図１１を参照して、この変更例では、単位セル１０の代わりに単位セル１０Ａが使用される。この単位セル１０Ａでは、端子Ｔ１，Ｔ２がそれぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のコレクタに接続される。スイッチング素子Ｓ１がオフされるとともにスイッチング素子Ｓ２がオンされると、端子Ｔ１，Ｔ２間にコンデンサＣの端子間電圧が出力される。スイッチング素子Ｓ１がオンされるとともにスイッチング素子Ｓ２がオフされると、端子Ｔ１，Ｔ２間に０Ｖが出力される。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
【００５８】
図１２は、実施の形態１の他の変更例を示す回路図であって、図３と対比される図である。図１２を参照して、この変更例では、単位セル１０の代わりに単位セル１０Ｂが使用される。この単位セル１０Ｂは、単位セル１０にスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４およびダイオードＤ３，Ｄ４を追加したものである。スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４は、コンデンサＣの正極および負極間に直列接続される。ダイオードＤ３，Ｄ４は、それぞれスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４に逆並列に接続される。端子Ｔ１，Ｔ２は、それぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３のエミッタに接続される。
【００５９】
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオンされるとともにスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオフされると、端子Ｔ１，Ｔ２間にコンデンサＣの端子間電圧が出力される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３がオンされるとともにスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４がオフされると、端子Ｔ１，Ｔ２間に０Ｖが出力される。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオンされるとともにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオフされると、端子Ｔ２，Ｔ１間にコンデンサＣの端子間電圧が出力される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３がオフされるとともにスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４がオンされると、端子Ｔ１，Ｔ２間に０Ｖが出力される。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
【００６０】
[実施の形態２]
図１３は、この発明の実施の形態２によるマルチレベル変換器に含まれるアームＡ１の構成を示す正面図であって、図８と対比される図である。図１４は、図１３に示したアームＡ１の構成を示す背面図であって、図９と対比される図である。図１５は、図１３に示したアームＡ１の構成を示す平面図である。図１６は、図１１に示した配線基板ＳＢ１，ＳＢ１１の構成を示す平面図である。
【００６１】
図１３〜図１５において、アームＡ１はラックＬＫ１Ａ，ＬＫ２Ａを備える。ラックＬＫ１Ａは、ラックＬＫ１に配線基板ＳＢ１〜ＳＢ４を追加したものである。ラックＬＫ２Ａは、ラックＬＫ２に配線基板ＳＢ１１〜ＳＢ１４を追加したものである。配線基板ＳＢ１〜ＳＢ４は、それぞれステージＳＴ１〜ＳＴ５の間に挿入され、ステージＳＴ１〜ＳＴ５と平行に配置されている。配線基板ＳＢ１１〜ＳＢ１４は、それぞれステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の間に挿入され、ステージＳＴ１１〜ＳＴ１５と平行に配置されている。配線基板ＳＢ１〜ＳＢ４は、それぞれ配線基板ＳＢ１１〜ＳＢ１４と同じ高さに配置されている。
【００６２】
配線基板ＳＢ１，ＳＢ１１は、図１６に示すように、図中のＸ方向に配列される。配線基板ＳＢ１は、長方形の基板３０を含む。基板３０の長辺は図中のＹ方向に向けられ、その短辺は図中のＸ方向に向けられる。基板３０の表面のうちのラックＬＫ１Ａの正面側の短辺の近傍に端子Ｔ２１が形成される。基板３０の表面のうちのラックＬＫ２Ａ側の長辺の後端部の近傍に端子Ｔ２２が形成される。端子Ｔ２１と端子Ｔ２２の間にＬ字型の配線Ｗ１が形成される。基板３０の周縁部には６つの孔３１が開けられている。６つの孔３１には、上下のステージＳＴ１，ＳＴ２の間の６本の支柱１６が挿入される。配線基板ＳＢ２〜ＳＢ４も、配線基板ＳＢ１と同じ構成である。
【００６３】
配線基板ＳＢ１１は、長方形の基板３２を含む。基板３２の長辺は図中のＹ方向に向けられ、その短辺は図中のＸ方向に向けられる。基板３２の表面のうちのラックＬＫ２Ａの正面側の短辺の近傍に端子Ｔ３１が形成される。基板３２の表面のうちのラックＬＫ１Ａ側の長辺の後端部の近傍に端子Ｔ３２が形成される。端子Ｔ３１と端子Ｔ３２の間にＬ字型の配線Ｗ２が形成される。基板３０の周縁部には６つの孔３３が開けられている。６つの孔３３には、上下のステージＳＴ１１，ＳＴ１２の間の６本の支柱１６が挿入される。配線基板ＳＢ１２〜ＳＢ１４も、配線基板ＳＢ１１と同じ構成である。
【００６４】
図１３および図１５に示すように、ラックＬＫ２ＡのステージＳＴ１１〜ＳＴ１４の負側端子Ｔ１２は、４本の配線２４を介して、それぞれラックＬＫ１Ａの配線基板ＳＢ１〜ＳＢ４の端子Ｔ２１に接続される。ラックＬＫ２Ａの配線基板ＳＢ１１〜ＳＢ１４の端子Ｔ３１は、４本の配線２４を介して、ラックＬＫ１ＡのステージＳＴ２〜ＳＴ５の正側端子Ｔ１１に接続される。
【００６５】
図１４および図１５に示すように、ラックＬＫ１ＡのステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の負側端子Ｔ１２は、５本の配線２５を介して、それぞれラックＬＫ２ＡのステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の正側端子Ｔ１１に接続される。ラックＬＫ１Ａの配線基板ＳＢ１〜ＳＢ４の端子Ｔ２２は、４本の配線２６を介して、ラックＬＫ２Ａの配線基板ＳＢ１１〜ＳＢ１４の端子Ｔ３２に接続される。なお、図面の簡単化のため、図１３では配線２５，２６の図示は省略され、図１４では配線２４の図示は省略されている。
【００６６】
図１７は、アームＡ１の要部を模式的に示す図である。図１７では、ラックＬＫ１Ａ（第１のラック）のステージＳＴ１，ＳＴ２（第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージであり、ｎは１以上の整数であり、図１７ではｎ＝１である）および配線基板ＳＢ１と、ラックＬＫ２Ａ（第２のラック）のステージＳＴ１１，ＳＴ１２（第ｎおよび第（ｎ＋１）のステージであり、ｎは１以上の整数であり、図１７ではｎ＝１である）および配線基板ＳＢ１１とが示されている。ステージＳＴ１１、配線基板ＳＢ１１、およびステージＳＴ１２は、それぞれステージＳＴ１、配線基板ＳＢ１、およびステージＳＴ２と同じ高さに配置され、それぞれステージＳＴ１、配線基板ＳＢ１、およびステージＳＴ２のＸ方向に配置されている。
【００６７】
ステージＳＴ１，ＳＴ２の各々では、正側端子Ｔ１１（第１の端子）、８個の単位セル１０、および負側端子Ｔ１２（第２の端子）が図中のＹ方向に配列され、８個の単位セル１０が端子Ｔ１１，Ｔ１２間にカスケード接続されている。配線基板ＳＢ１では、配線Ｗ１の正面側の端部に端子Ｔ２１（第３の端子）が接続され、配線Ｗ１の背面側の端部に端子Ｔ２２（第４の端子）が接続されている。配線基板ＳＢ１１では、配線Ｗ２の正面側の端部に端子Ｔ３１（第３の端子）が接続され、配線Ｗ２の背面側の端部に端子Ｔ３２（第４の端子）が接続されている。ステージＳＴ１１，ＳＴ１２の各々では、正側端子Ｔ１１、８個の単位セル１０、および負側端子Ｔ１２が図中のＹ方向と逆方向に配列され、８個の単位セル１０が端子Ｔ１１，Ｔ１２間にカスケード接続されている。
【００６８】
ステージＳＴ１の負側端子Ｔ１２は、配線２５を介してステージＳＴ１１の正側端子Ｔ１１に接続される。ステージＳＴ１の８個の単位セル１０と、配線２５と、ステージＳＴ１１の８個の単位セル１０とは、ループの一部を構成するように接続される。ステージＳＴ１１の負側端子Ｔ１２が配線２４を介して斜め上方の配線基板ＳＢ１の端子Ｔ２１に接続される。
【００６９】
配線基板ＳＢ１の端子Ｔ２２は、配線２６を介して配線基板ＳＢ１１の端子Ｔ３２に接続される。配線基板ＳＢ１の配線Ｗ１と、配線２６と、配線基板ＳＢ１１の配線Ｗ２とは、ループの一部を構成するように接続される。配線基板ＳＢ１１の端子Ｔ３１は、配線２４を介して斜め上方のステージＳＴ２の正側端子Ｔ１１に接続される。
【００７０】
ステージＳＴ２の負側端子Ｔ１２は、配線２５を介してステージＳＴ１２の正側端子Ｔ１１に接続される。ステージＳＴ２の８個の単位セル１０と、配線２５と、ステージＳＴ１２の８個の単位セル１０とは、ループの一部を構成するように接続されている。つまり、ステージＳＴ１の８個の単位セル１０と、ステージＳＴ１１の８個の単位セル１０と、配線基板ＳＢ１の配線Ｗ１と、配線基板ＳＢ１１の配線Ｗ２と、ステージＳＴ２の８個の単位セル１０と、ステージＳＴ１２の８個の単位セル１０とは螺旋状にカスケード接続されている。
【００７１】
このようにして、ラックＬＫ１Ａ，ＬＫ２Ａ（第１〜第Ｑのラックであり、Ｑ＝２である）のステージＳＴ１〜ＳＴ５，ＳＴ１１〜ＳＴ１５（２組の第１〜第Ｎのステージであり、Ｎ＝５）である）に搭載された８×１０個の単位セル１０と、配線基板ＳＢ１〜ＳＢ４，ＳＢ１１〜ＳＢ１４に搭載された８本の配線Ｗ１，Ｗ２とは、螺旋状にカスケード接続されて図４（ａ）〜（ｃ）で示したリアクトル１１を構成している。他のアームＡ２〜Ａ６の各々もアームＡ１と同じ構成である。
【００７２】
この実施の形態２では、実施の形態１と同じ効果が得られる他、ステージＳＴ間に配線基板ＳＢを設けたので、リアクトル１１のループ数Ｐを増やすことができ、リアクトル１１のインダクタンスＬを大きくすることができる。すなわち、リアクトル１１を構成するループの数Ｐが５個から９個に増えるので、リアクトル１１のインダクタンスＬは実施の形態１の（９／５）２＝３．２４倍になる。
【００７３】
図１８は、実施の形態２の変更例を示す図であって、図１７と対比される図である。図１８を参照して、この変更例では、２つのステージＳＴ間にＪ枚（ただし、Ｊは２以上の整数であり、図１８ではＪ＝２である）の配線基板ＳＢが設けられる。図１８では、ステージＳＴ１，ＳＴ２間に設けられた２枚の配線基板ＳＢ１ａ，ＳＢ１ｂ（第ｊおよび第（ｊ＋１）の配線基板であり、ｊは１以上の整数であり、図１８ではｊ＝１である）と、ステージＳＴ１１，ＳＴ１２間に設けられた２枚の配線基板ＳＢ１１ａ，ＳＢ１１ｂ（第ｊおよび第（ｊ＋１）の配線基板であり、ｊは１以上の整数であり、図１８ではｊ＝１である）とが示されている。配線基板ＳＢ１ａ，ＳＢ１ｂは、高さ方向に順次配列され、互いに平行に配置されている。配線基板ＳＢ１１ａ，ＳＢ１１ｂ、高さ方向に順次配列され、互いに平行に配置されている。配線基板ＳＢ１ａ，ＳＢ１ｂの各々は、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に接続された配線Ｗ１を含む。配線基板ＳＢ１１ａ，ＳＢ１１ｂの各々は、端子Ｔ３１，Ｔ３２間に接続された配線Ｗ２を含む。
【００７４】
配線基板ＳＢ１ａの端子Ｔ２１（第３の端子）は、斜め下のステージＳＴ１１の負側端子Ｔ１２（第２の端子）に接続される。配線基板ＳＢ１ａの端子Ｔ２２（第４の端子）は、配線２６を介して配線基板ＳＢ１１ａの端子Ｔ３２（第４の端子）に接続される。配線基板ＳＢ１ａの配線Ｗ１と、配線２６と、配線基板ＳＢ１１ａの配線Ｗ２とは、ループの一部を構成するように接続される。配線基板ＳＢ１１ａの端子Ｔ３１（第３の端子）は、配線２４を介して斜め上方の配線基板ＳＢ１ｂの端子Ｔ２１（第３の端子）に接続される。
【００７５】
配線基板ＳＢ１ｂの端子Ｔ２２（第４の端子）は、配線２６を介して配線基板ＳＢ１１ｂの端子Ｔ３２（第４の端子）に接続される。配線基板ＳＢ１ｂの配線Ｗ１と、配線２６と、配線基板ＳＢ１１ｂの配線Ｗ２とは、ループの一部を構成するように接続される。配線基板ＳＢ１１ｂの端子Ｔ３１（第３の端子）は、配線２４を介して斜め上方のステージＳＴ２の正側端子Ｔ１１（第１の端子）に接続される。すなわち、配線基板ＳＢ１ａ，ＳＢ１１ａ，ＳＢ１ｂ，ＳＢ１１ｂの配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１，Ｗ２は螺旋状に接続されてリアクトルの一部を構成する。
【００７６】
この変更例では、２つのステージＳＴ間に２枚の配線基板ＳＢを設けたので、リアクトル１１のループ数Ｐを増やすことができ、リアクトル１１のインダクタンスＬを大きくすることができる。すなわち、リアクトル１１を構成するループの数Ｐが５個から１３個に増えるので、リアクトル１１のインダクタンスＬは実施の形態１の（１３／５）２＝６．７６倍になる。
【００７７】
なお、この変更例では、２つのステージＳＴ間に２枚の配線基板ＳＢを設け、２×２枚の配線基板ＳＢの配線Ｗを螺旋状に接続したが、これに限るものではなく、２つのステージＳＴ間に３枚以上の配線基板ＳＢを設け、２×３枚以上の配線基板ＳＢの配線Ｗを螺旋状に接続してもよい。
【００７８】
[実施の形態３]
図１９は、この発明の実施の形態３によるマルチレベル変換器に含まれるアームＡ１の構成を示す正面図であって、図８と対比される図である。図２０は、図１９に示したアームＡ１の構成を示す背面図であって、図９と対比される図である。
【００７９】
図１９および図２０を参照して、このアームＡ１は図８および図９のアームＡ１に鉄心４０を追加したものである。鉄心４０は、たとえば四角柱状に形成され、２つのラックＬＫ１，ＬＫ２と、４本の配線２４と、５本の配線２５とで囲まれる領域に設けられる。
【００８０】
鉄心４０は、たとえば純鉄で形成される。純鉄の透磁率は真空の透磁率の約５０００倍である。空気の透磁率は、真空の透磁率と略同じである。鉄心４０の断面積は、２つのラックＬＫ１，ＬＫ２と、４本の配線２４と、５本の配線２５とで構成されるリアクトル１１に含まれるループの面積の１０％であるものとする。実施の形態１のリアクトル１１のインダクタンスＬを０．２ｍＨとする。本実施の形態３のアームＡ１によって構成されるリアクトル１１のインダクタンスＬは、０．２ｍＨ×０．９＋０．２ｍＨ×５０００×０．１≒１００ｍＨとなる。リアクトル１１のインダクタンスＬは実施の形態１の１００／０．２＝５００倍になる。他のアームＡ２〜Ａ６もアームＡ１と同じ構成である。
【００８１】
この実施の形態３では、リアクトル１１内に鉄心４０を設けたので、リアクトル１１のインダクタンスを大きくすることができる。
【００８２】
図２１は、実施の形態３の変更例を示す図であって、図１５と対比される図である。この変更例は、図１５で示したアームＡ１に鉄心４１を追加したものである。鉄心４１は、たとえば四角柱状に形成され、２つのラックＬＫ１Ａ，ＬＫ２Ａと、４本の配線２４と、４本の配線２６とで囲まれる領域に設けられる。鉄心４０は、たとえば純鉄で形成される。この変更例でも、リアクトル１１のインダクタンスを大きくすることができる。
【００８３】
図２２は、実施の形態３の他の変更例を示す正面図であって、図１９と対比される図である。図２３は、図２２に示したアームＡ１の構成を示す背面図であって、図２０と対比される図である。図２２および図２３を参照して、このアームＡ１が実施の形態３のアームＡ１と異なる点は、鉄心４０がアームＡ１〜Ａ６を収容する建物の支柱４５で置換されている点である。換言すると、支柱４５が鉄心４０を兼ねている。この変更例では、建物の支柱４５を鉄心４０として使用するので、別途鉄心４０を設ける必要がない。したがって、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００８４】
図２４は、実施の形態３のさらに他の変更例を示す平面図であって、図２１と対比される図である。図２４を参照して、このアームＡ１が図２１のアームＡ１と異なる点は、鉄心４１がアームＡ１〜Ａ６を収容する建物の支柱４５で置換されている点である。換言すると、支柱４５が鉄心４１を兼ねている。この変更例では、建物の支柱４５を鉄心４１として使用するので、別途鉄心４１を設ける必要がない。したがって、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００８５】
[実施の形態４]
図２５は、この発明の実施の形態４によるマルチレベル変換器に含まれるアームＡ１の構成を示す正面図であって、図１９と対比される図である。図２６は、図２５に示したアームＡ１の構成を示す背面図であって、図２０と対比される図である。図２７は、図２５に示したアームＡ１の構成を示す平面図である。
【００８６】
図２５〜図２７において、このアームＡ１は、３組のラックＬＫ１，ＬＫ２を備え、アームＡ１を収容する建物の３本の支柱４５の各々を鉄心として使用する。３本の支柱４５は、図中のＸ方向に配列されている。３組のラックＬＫ１，ＬＫ２は図中のＸ方向に配置され、各組のラックＬＫ１，ＬＫ２の間に１本の支柱４５が配置される。図２５中の３組のラックＬＫ１，ＬＫ２を左側から第１組、第２組、第３組と称す。図２６では、右側から第１組、第２組、第３組となる。
【００８７】
図２５において、第１組のラックＬＫ１のステージＳＴ１の正側端子Ｔ１１は、たとえば図２の正電圧端子３ａに接続される。図２６において、各組のラックＬＫ１のステージＳＴ１〜ＳＴ５の負側端子Ｔ１２はそれぞれ当該組のラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１５の正側端子Ｔ１１に接続される。
【００８８】
図２５において、第１組のラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１４の負側端子Ｔ１２はそれぞれ第１組のラックＬＫ１のステージＳＴ２〜ＳＴ５の正側端子Ｔ１１に接続される。第１組のラックＬＫ２のステージＳＴ１５の負側端子Ｔ１２は第２組のラックＬＫ１のステージＳＴ５の正側端子Ｔ１１に接続される。
【００８９】
第２組のラックＬＫ２のステージＳＴ１５〜ＳＴ１２の負側端子Ｔ１２はそれぞれ第２組のラックＬＫ１のステージＳＴ４〜ＳＴ１の正側端子Ｔ１１に接続される。第２組のラックＬＫ２のステージＳＴ１１の負側端子Ｔ１２は第３組のラックＬＫ１のステージＳＴ５の正側端子Ｔ１１に接続される。
【００９０】
第３組のラックＬＫ２のステージＳＴ１１〜ＳＴ１４の負側端子Ｔ１２はそれぞれ第３組のラックＬＫ１のステージＳＴ２〜ＳＴ５の正側端子Ｔ１１に接続される。第３組のラックＬＫ２のステージＳＴ１５の負側端子Ｔ１２は、たとえば図３の交流端子３ｃに接続される。
【００９１】
この実施の形態４では、３組のラックＬＫ１，ＬＫ２を直列接続したので、実施の形態３の３倍のインダクタンスを得ることができる。
【００９２】
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。本発明の範囲は上記した説明でなくて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。
【符号の説明】
【００９３】
１  交流電力系統、Ｂ１〜Ｂ３  遮断器、２  三相変圧器、３  モジュラー・マルチレベル変換器、３ａ  正電圧端子、３ｂ  負電圧端子、３ｃ〜３ｅ  交流端子、４  インピーダンス回路、５  直流電源、Ａ１〜Ａ６  アーム、１０，１０Ａ，１０Ｂ  単位セル、Ｔ１  第１端子、Ｔ２  第２端子、Ｓ１〜Ｓ４  スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード、Ｃ  コンデンサ、１１  リアクトル、ＬＫ１，ＬＫ２，ＬＫ１Ａ，ＬＫ２Ａ  ラック、ＳＴ１〜ＳＴ５，ＳＴ１１〜ＳＴ１５  ステージ、１５，１６，４５  支柱、Ｔ１１  正側端子、Ｔ１２  負側端子、２１，３０，３２  基板、２２  碍子、２３  絶縁シールド、２４〜２６  配線、ＳＢ１〜ＳＢ４，ＳＢ１１〜ＳＢ１４，ＳＢ１ａ，ＳＢ１ｂ，ＳＢ１１ａ，ＳＢ１１ｂ  配線基板、Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３１，Ｔ３２  端子、３１，３３  孔、４０，４１  鉄心。
【要約】
マルチレベル変換器は、正電圧端子（３ａ）と交流端子（３ｃ）の間に接続された第１のアーム（Ａ１）と、交流端子（３ｃ）と負電圧端子（３ｂ）の間に接続された第２のアーム（Ａ４）とを備え、第１および第２のアーム（Ａ１，Ａ２）の各々は、カスケード接続された複数の単位セル（１０）を含む。各単位セル（１０）は、直流電圧に充電されるコンデンサ（Ｃ）を有し、コンデンサ（Ｃ）の端子間電圧または０Ｖを出力する。複数の単位セル（１０）は、螺旋状にカスケード接続されてリアクトル（１１）を構成する。【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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