(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を任意の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換する電力変換装置において、
半導体スイッチのスイッチング動作により、単相交流電源の電圧を所望の振幅及び周波数の単相交流電圧に変換するユニットを３つ形成してこれら第１〜第３のユニットの交流出力側を直列接続したものを１つの組とし、
前記１つの組を一相分の群とし、または、ｎ（ｎは複数）個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群として、前記群を三相分設け、これら三相分の群の各一方の交流出力端子がそれぞれ単相交流出力端子として負荷に接続される電力変換装置であって、
各組において、前記第１〜第３のユニットがそれぞれ接続される３つの単相交流電源は、互いに電気的に絶縁されて各電源電圧の位相差が電気角で１２０°ずつ異なり、
前記ｎ個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群としたときには、前記ｎ個の組の全体において、第１のユニットがそれぞれ接続されるｎ個の単相交流電源の間、第２のユニットがそれぞれ接続されるｎ個の単相交流電源の間、第３のユニットがそれぞれ接続されるｎ個の単相交流電源の間で、各電源電圧がそれぞれ所定の位相差を持つことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記単相交流電源を、一次側が三相交流電源に接続された変圧器の二次巻線により構成し、かつ、前記単相交流電源によって構成される全相数が３の倍数であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
前記ユニットは、２つの双方向スイッチを直列接続した双方向スイッチ直列接続回路を２つ並列に接続し、この並列接続回路を前記単相交流電源に並列接続すると共に、前記双方向スイッチ直列接続回路における双方向スイッチ同士の直列接続点を単相交流出力端子とした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、三相交流電圧を出力する電力変換装置に関し、詳しくは、電力変換用のユニットを多段に接続して高圧の三相交流電圧を発生させ、高圧電動機等の負荷に供給する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は、この種の電力変換装置の従来技術を示しており、例えば非特許文献１に記載されているものである。
図９において、三相交流電源１００の各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ相）には変圧器Ｔｒの一次巻線Ｔｒｐが接続され、その二次巻線ＴｒｓＵ１，ＴｒｓＵ２，ＴｒｓＵ３，ＴｒｓＶ１，ＴｒｓＶ２，ＴｒｓＶ３，ＴｒｓＷ１，ＴｒｓＷ２，ＴｒｓＷ３からは等しい変圧比により降圧した三相交流電圧が出力される。なお、一次巻線Ｔｒｐは三相巻線であるが、図９では便宜的に単線図にて表示している。
【０００３】
Ｕ相の二次巻線ＴｒｓＵ１，ＴｒｓＵ２，ＴｒｓＵ３には、同一構成のユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３がそれぞれ接続されてＵ群変換器２００Ｕが構成されており、各ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、整流回路を構成するダイオードＤ１ＰＲ，Ｄ１ＰＳ，Ｄ１ＰＴ，Ｄ１ＮＲ，Ｄ１ＮＳ，Ｄ１ＮＴ、ダイオードＤ２ＰＲ，Ｄ２ＰＳ，Ｄ２ＰＴ，Ｄ２ＮＲ，Ｄ２ＮＳ，Ｄ２ＮＴ、ダイオードＤ３ＰＲ，Ｄ３ＰＳ，Ｄ３ＰＴ，Ｄ３ＮＲ，Ｄ３ＮＳ，Ｄ３ＮＴと、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサＣｄ，Ｃｄ，Ｃｄ（電圧をＥｄとする）と、単相インバータを構成する単方向スイッチＵ１ＰＡ，Ｕ１ＰＢ，Ｕ１ＮＡ，Ｕ１ＮＢ、単方向スイッチＵ２ＰＡ，Ｕ２ＰＢ，Ｕ２ＮＡ，Ｕ２ＮＢ、単方向スイッチＵ３ＰＡ，Ｕ３ＰＢ，Ｕ３ＮＡ，Ｕ３ＮＢと、をそれぞれ備えている。
【０００４】
ここで、例えばＵ群変換器２００Ｕに接続される二次巻線ＴｒｓＵ１，ＴｒｓＵ２，ＴｒｓＵ３の出力電圧の位相は、電気角で２０°ずつの位相差を持っている。また、ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の交流出力側は直列に接続されており、ユニットＵ１の一方の交流出力端子がＵ相出力端子として高圧誘導電動機等の電動機３００に接続されている。
【０００５】
Ｖ群変換器２００Ｖ、Ｗ群変換器２００Ｗの構成もＵ群変換器２００Ｕと同一であり、Ｖ群変換器２００Ｖは、二次巻線ＴｒｓＶ１，ＴｒｓＶ２，ＴｒｓＶ３に接続されたユニットＶ１，Ｖ２，Ｖ３からなり、Ｗ群変換器２００Ｗは、二次巻線ＴｒｓＷ１，ＴｒｓＷ２，ＴｒｓＷ３に接続されたユニットＷ１，Ｗ２，Ｗ３からなっている。
そして、ユニットＶ１，Ｗ１の各一方の交流出力端子がＶ相，Ｗ相出力端子として電動機３００に接続されている。
すなわち、この従来技術では、変圧器Ｔｒの二次側に接続されたユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を直列接続してＵ群変換器２００Ｕを構成すると共に、同様にＶ群変換器２００Ｖ、Ｗ群変換器２００Ｗを構成し、これらを電動機３００にＹ結線することによって三相出力の電力変換装置を構成している。
【０００６】
次に、この電力変換装置の動作を簡単に説明する。
図１０は、図９における出力一相分の電圧（例えばＵ相出力電圧ＶｏＵＮ）の波形を示しており、ここでは、図１０における期間Ａの動作を説明する。
期間Ａでは、図１１に示すように、Ｕ群変換器２００Ｕ内の単方向スイッチＵ３ＰＡ，Ｕ３ＮＢ，Ｕ２ＰＡ，Ｕ２ＮＢ，Ｕ１ＮＢを常時オンし、単方向スイッチＵ１ＰＡ，Ｕ１ＮＡを適切な変調率で交互にオン・オフする。この場合、ユニットＵ３の出力電圧は、二次巻線ＴｒｓＵ３から出力される三相交流電圧を整流して平滑した直流電圧Ｅｄとなり、ユニットＵ２の出力電圧＝Ｅｄ、ユニットＵ１の出力電圧＝Ｅｄ×変調率となる。このため、期間ＡにおけるＵ相の出力相電圧ＶｏＵＮは、ＶｏＵＮ＝（Ｅｄ）＋（Ｅｄ）＋（Ｅｄ×変調率）となる。
【０００７】
一方、他の例として、図１０における期間Ｂの動作を説明する。
この場合には、図１２に示すように、単方向スイッチＵ３ＰＢ，Ｕ３ＮＡ，Ｕ２ＰＢ，Ｕ２ＮＡ，Ｕ１ＰＡを常時オンし、単方向スイッチＵ１ＰＢ，Ｕ１ＮＢを適切な変調率で交互にオン・オフする。これにより、ユニットＵ３の出力電圧＝−Ｅｄ、ユニットＵ２の出力電圧＝−Ｅｄ、ユニットＵ１の出力電圧＝−Ｅｄ×変調率となるため、Ｕ相出力電圧ＶｏＵＮは、ＶｏＵＮ＝−（Ｅｄ）−（Ｅｄ）−（Ｅｄ×変調率）となり、期間Ａと比べると出力電圧の極性が反転する。
【０００８】
以上の説明から分かるように、Ｕ群変換器２００Ｕ内の適切な単方向スイッチを常時オンすると共に、適切な単方向スイッチを適切な変調率で交互にオン・オフすることにより、任意の振幅及び周波数の単相交流電圧を出力することができ、Ｖ群変換器２００Ｖ，Ｗ群変換器２００Ｗについても同様に動作させることで、昇圧変圧器を用いずに高圧の三相交流電圧を発生させることが可能である。
【０００９】
また、図９のような回路構成にすれば、各ユニットに入力される電圧は変圧器Ｔｒにより降圧された電圧になるので、電源電圧に対して低い電圧定格の単方向スイッチを用いることができる。更に、図１０の波形に示したように各相の出力電圧は複数の電圧レベルを持った波形となり、１回のスイッチングによる電圧の変化量が少なくなるため、負荷として接続される電動機３００の絶縁劣化を抑制することができる。
加えて、前述したように、変圧器Ｔｒの二次巻線の出力電圧に位相差を設けているため、変圧器Ｔｒの一次側では、電流に含まれる高調波成分が打ち消し合い、ひずみの少ない電流波形を得ることができる。
【００１０】
なお、図９に示した回路構成では、ダイオードからなる整流回路を用いているため、電動機３００が持つエネルギーを電源に回生することは原理的に不可能である。回生が必要な場合には、各ユニットの整流回路を構成するダイオードを、ダイオードとＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチとの並列接続回路からなる単方向スイッチにそれぞれ置き換えればよい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】下浦他，「省エネルギー高圧ダイレクトＡＣドライブ装置」，東芝レビュー，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．１，ｐｐ．５７−６０（１９９９年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図９に示した従来技術によれば、単方向スイッチとして電源電圧よりも十分に低い電圧定格の半導体スイッチを使用することができるが、半導体スイッチの電圧定格を更に低下させることができれば装置を一層低価格にすることができる。
ここで、半導体スイッチの定格電圧を下げるには、直列接続されるユニットの数を増やせばよいことが容易に想像できる。しかし、その場合、変圧器Ｔｒの二次巻線数が増加して構成がより複雑になるため、結果として装置の低価格化を妨げると共に、電流が通過する半導体スイッチの数が増加して効率の悪化を招くことになる。
【００１３】
更に、従来技術では、整流後の直流電圧を平滑する平滑コンデンサＣｄが、装置の小型化、低価格化の障害となっている。この種の平滑コンデンサＣｄには、一般にエネルギー密度の高い電解コンデンサが用いられるが、この電解コンデンサが装置の長寿命化の妨げとなっていた。
【００１４】
そこで、本発明の解決課題は、装置の構成を簡略化して小型化、低価格化を図ると共に、長寿命化を可能にした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、交流電圧を任意の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換する電力変換装置において、
半導体スイッチのスイッチング動作により、単相交流電源の電圧を所望の振幅及び周波数の単相交流電圧に変換するユニットを３つ形成してこれら第１〜第３のユニットの交流出力側を直列接続したものを１つの組とし、
前記１つの組を一相分の群とし、または、ｎ（ｎは複数）個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群として、前記群を三相分設け、これら三相分の群の各一方の交流出力端子がそれぞれ単相交流出力端子として負荷に接続される電力変換装置であって、
各組において、前記第１〜第３のユニットがそれぞれ接続される３つの単相交流電源は、互いに電気的に絶縁されて各電源電圧の位相差が電気角で１２０°ずつ異なり、
前記ｎ個の組の交流出力側を直列接続したものを一相分の群としたときには、前記ｎ個の組の全体において、第１のユニットがそれぞれ接続されるｎ個の単相交流電源の間、第２のユニットがそれぞれ接続されるｎ個の単相交流電源の間、第３のユニットがそれぞれ接続されるｎ個の単相交流電源の間で、各電源電圧がそれぞれ所定の位相差を持つものである。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記単相交流電源を、一次側が三相交流電源に接続された変圧器の二次巻線により構成し、かつ、前記単相交流電源によって構成される全相数が３以上であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電力変換装置において、前記ユニットは、２つの双方向スイッチを直列接続した双方向スイッチ直列接続回路を２つ並列に接続し、この並列接続回路を前記単相交流電源に並列接続すると共に、前記双方向スイッチ直列接続回路における双方向スイッチ同士の直列接続点を単相交流出力端子としたことを特徴とする．
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来よりも電圧定格の低い半導体素子を使用することができ、変圧器の二次巻線の巻線数を減少させて変圧器の構成を簡略化することができるため、装置の構成の簡略化、小型化、低価格化が可能である。また、整流電圧を平滑する平滑コンデンサを不要にして、装置の長寿命化を図ることができる。
更に、これらの効果は、半導体素子における損失を従来と同等以下に抑えながら実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態における変圧器二次巻線の電圧の位相関係を示す波形図である。
【図３】本発明の実施形態における出力電圧の境界値を示す波形図である。
【図４】本発明の実施形態の動作を示すＵ相出力電圧の波形図である。
【図５】本発明の実施形態の動作を説明するためのＵ群変換器の回路図である。
【図６】本発明の実施形態の動作を説明するためのＵ群変換器の回路図である。
【図７】本発明の実施形態におけるＵ相出力電圧の波形図である。
【図８】本発明の他の実施形態における主要部の回路図である。
【図９】従来技術を示す回路図である。
【図１０】図９におけるＵ相出力電圧の波形図である。
【図１１】図９の動作を説明するためのＵ群変換器の回路図である。
【図１２】図９の動作を説明するためのＵ群変換器の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、本発明の実施形態の全体構成を示す回路図である。
この実施形態では、２つの双方向スイッチを直列接続した双方向スイッチ直列接続回路を２つ並列接続し、この並列接続回路を変圧器の二次巻線により構成される単相交流電源に並列に接続して単相−単相電力変換器を構成する。ここで、前記二次巻線に接続される双方向スイッチ直列接続回路の並列接続回路をユニットと呼び、３つのユニットの交流出力側を直列接続したものを１つの組とする。また、上記の組を２つ直列接続して一相分の群変換器を構成し、三相各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）について構成したＵ群変換器，Ｖ群変換器，Ｗ群変換器の各１つの交流出力端子を負荷の電動機に対してＹ結線するものである。
なお、この実施形態における双方向スイッチには、例えば、逆方向の耐圧を有する逆阻止ＩＧＢＴが用いられる。
【００２１】
すなわち、図１において、１００は三相交流電源、Ｔｒは一次巻線Ｔｒｐが三相交流電源１００に接続された変圧器であり、各々が互いに絶縁された単相交流電源としての二次巻線ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＳＵ１，ＴｒｓＴＵ１，ＴｒｓＲＵ２，ＴｒｓＳＵ２，ＴｒｓＴＵ２には、双方向スイッチＲＵ１ＰＡ，ＲＵ１ＰＢ，ＲＵ１ＮＡ，ＲＵ１ＮＢ，ＳＵ１ＰＡ，ＳＵ１ＰＢ，ＳＵ１ＮＡ，ＳＵ１ＮＢ，ＴＵ１ＰＡ，ＴＵ１ＰＢ，ＴＵ１ＮＡ，ＴＵ１ＮＢ，ＲＵ２ＰＡ，ＲＵ２ＰＢ，ＲＵ２ＮＡ，ＲＵ２ＮＢ，ＳＵ２ＰＡ，ＳＵ２ＰＢ，ＳＵ２ＮＡ，ＳＵ２ＮＢ，ＴＵ２ＰＡ，ＴＵ２ＰＢ，ＴＵ２ＮＡ，ＴＵ２ＮＢからなる６つのＵ相のユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２がそれぞれ接続されている。なお、一次巻線Ｔｒｐは三相巻線であるが、図１では便宜的に単線図にて表示している。
ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２の交流出力側はすべて直列接続されており、二次巻線ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＳＵ１，ＴｒｓＴＵ１及びユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１により第１組が、二次巻線ＴｒｓＲＵ２，ＴｒｓＳＵ２，ＴｒｓＴＵ２及びユニットＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２により第２組が構成されると共に、これらの第１組及び第２組によってＵ群変換器２０１Ｕが構成されている。
【００２２】
同様にして、変圧器Ｔｒの二次巻線ＴｒｓＲＶ１，ＴｒｓＳＶ１，ＴｒｓＴＶ１，ＴｒｓＲＶ２，ＴｒｓＳＶ２，ＴｒｓＴＶ２には、各二次巻線にそれぞれ対応する６つのＶ相のユニットＲＶ１，ＳＶ１，ＴＶ１，ＲＶ２，ＳＶ２，ＴＶ２が接続されている。ユニットＲＶ１，ＳＶ１，ＴＶ１，ＲＶ２，ＳＶ２，ＴＶ２の交流出力側はすべて直列接続されており、二次巻線ＴｒｓＲＶ１，ＴｒｓＳＶ１，ＴｒｓＴＶ１及びユニットＲＶ１，ＳＶ１，ＴＶ１により第１組が、二次巻線ＴｒｓＲＶ２，ＴｒｓＳＶ２，ＴｒｓＴＶ２及びユニットＲＶ２，ＳＶ２，ＴＶ２により第２組が構成され、これらの第１組及び第２組によってＶ群変換器２０１Ｖが構成されている。
【００２３】
更に、変圧器Ｔｒの二次巻線ＴｒｓＲＷ１，ＴｒｓＳＷ１，ＴｒｓＴＷ１，ＴｒｓＲＷ２，ＴｒｓＳＷ２，ＴｒｓＴＷ２には、各二次巻線にそれぞれ対応する６つのＶ相のユニットＲＷ１，ＳＷ１，ＴＷ１，ＲＷ２，ＳＷ２，ＴＷ２が接続されている。ユニットＲＷ１，ＳＷ１，ＴＷ１，ＲＷ２，ＳＷ２，ＴＷ２の交流出力側はすべて直列接続されており、二次巻線ＴｒｓＲＷ１，ＴｒｓＳＷ１，ＴｒｓＴＷ１及びユニットＲＷ１，ＳＷ１，ＴＷ１により第１組が、二次巻線ＴｒｓＲＷ２，ＴｒｓＳＷ２，ＴｒｓＴＷ２及びユニットＲＷ２，ＳＷ２，ＴＷ２により第２組が構成され、これらの第１組及び第２組によってＷ群変換器２０１Ｗが構成されている。
【００２４】
なお、各ユニットの直列接続状態を詳述すると、例えばＵ群変換器２０１Ｕでは、最下段のユニットＴＵ２の一方の交流出力端子が中性点Ｎとなり、他方の交流出力端子がその上段のユニットＳＵ２の一方の交流出力端子に接続され、以後、同様にユニットＲＵ２〜ＲＵ１まで接続されて最上段のユニットＲＵ１の他方の交流出力端子がＵ相出力端子として電動機３００に接続されている。
Ｖ群変換器２０１Ｖ，Ｗ群変換器２０１Ｗの直列接続状態も上記と同様であり、それぞれの最下段のユニットＴＷ２，ＴＶ２の各一方の交流出力端子が中性点Ｎとなり、最上段のユニットＲＶ１，ＲＷ１の各他方の出力端子がＶ相出力端子，Ｗ相出力端子として電動機３００に接続されている。
【００２５】
また、変圧器Ｔｒの二次巻線から得られる各組内のユニットの単相電源電圧には、電気角で１２０度ずつの位相差が設けられる。例えば、Ｕ群変換器２０１Ｕの第１組の二次巻線ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＳＵ１，ＴｒｓＴＵ１の電圧には、互いに１２０°の位相差が設けられている。
更に、各組の間において同一相のユニットの単相電源電圧の間にも位相差が設けられており、その位相差は、６０°÷ｎ（ｎは組数）とする。例えば、図１の例ではｎ＝２であるため、Ｕ群変換器２０１Ｕの第１組の二次巻線ＴｒｓＲＵ１の電圧と第２組の二次巻線ＴｒｓＲＵ２の電圧との間には、６０°÷２＝３０°の位相差が設けられている。
【００２６】
図２は、図１のように組数ｎが２の場合における変圧器Ｔｒの二次巻線の電圧の位相関係を示しており、一例として、Ｕ群変換器２０１Ｕの二次巻線ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＳＵ１，ＴｒｓＴＵ１，ＴｒｓＲＵ２，ＴｒｓＳＵ２，ＴｒｓＴＵ２の電圧波形（ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２の入力電圧波形）ＶｉＲＵ１，ＶｉＳＵ１，ＶｉＴＵ１，ＶｉＲＵ２，ＶｉＳＵ２，ＶｉＴＵ２を示している。
ここでは、電圧の位相関係を説明することを目的にしているため、各電圧波形は振幅が１の正弦波により表示されている。
【００２７】
図１の第１組（ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１）において、各二次巻線ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＳＵ１，ＴｒｓＴＵ１の電圧位相としてＶｉＲＵ１を基準に考えると、図２に示すごとく、ＶｉＳＵ１は１２０°遅れ、ＶｉＴＵ１は２４０°遅れとなる。一方、第２組（ユニットＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２）において、前述したようにｎ＝２の場合には二次巻線ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＲＵ２の電圧に３０°の位相差があるので、ＶｉＲＵ１に対して、ＶｉＲＵ２は３０°進み、ＶｉＳＵ２は９０°遅れ、ＶｉＴＵ２は２１０°遅れとなる。
【００２８】
次に、この実施形態における基本的な動作を説明する。
図３は、本実施形態の基になる出力電圧の境界値を示す波形である。まず、Ｕ相の第１組における３つの単相電源電圧のそれぞれについて絶対値をとったもののうち、最大の大きさとなる電圧をＭａｘ１、中間の大きさとなる電圧をＭｉｄ１、最小の大きさとなる電圧をＭｉｎ１と定義する。また、Ｕ相の第２組についても、同様に、最大の大きさとなる電圧をＭａｘ２、中間の大きさとなる電圧をＭｉｄ２、最小の大きさとなる電圧をＭｉｎ２と定義する。
ここで、Ｕ群変換器２０１Ｕは、第１組，第２組のユニットＲＶ１，ＳＶ１，ＴＶ１，ＲＶ２，ＳＶ２，ＴＶ２の交流出力側がすべて直列に接続されているから、先に定義した単相電源電圧の絶対値の最大値、中間値、最小値を用いて、Ｕ群変換器２０１Ｕの出力電圧（図１におけるＵ相出力端子−中性点Ｎ間の電圧）ＶｏＵＮの値として、以下の境界値を考える。
【００２９】
ＬＥＶＥＬ０＝０
ＬＥＶＥＬ１＝Ｍｉｎ２＋ＬＥＶＥＬ０
ＬＥＶＥＬ２＝Ｍｉｄ２＋ＬＥＶＥＬ１
ＬＥＶＥＬ３＝Ｍａｘ２＋ＬＥＶＥＬ２
ＬＥＶＥＬ４＝Ｍｉｎ１＋ＬＥＶＥＬ３
ＬＥＶＥＬ５＝Ｍｉｄ１＋ＬＥＶＥＬ４
ＬＥＶＥＬ６＝Ｍａｘ１＋ＬＥＶＥＬ５
【００３０】
この出力電圧の境界値に基づいて、本実施形態におけるＵ群変換器２０１Ｕの動作を説明する。
図４は、前述した出力電圧の境界値と２つの出力電圧指令Ｖｏｒｅｆ１，Ｖｏｒｅｆ２の波形例を示している。ここで、出力電圧指令Ｖｏｒｅｆ１，Ｖｏｒｅｆ２としては、位相が１８０°異なり、かつ、振幅が異なる場合を例示してある。
【００３１】
まず、出力電圧指令がＶｏｒｅｆ１である場合について、図４に⇔で示した期間（電気角９０°〜１２０°の網掛け部分）の動作を説明する。
この場合、出力電圧指令Ｖｏｒｅｆ１の極性が正であり、その絶対値Ｖｏｒｅｆ１ａｂｓがＬｅｖｅｌ５以上でＬｅｖｅｌ６未満であるときに、各ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２の単相電源電圧の極性に注意して、図５に示すように、各ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２を構成する双方向スイッチのオン・オフを決定する。
【００３２】
この場合、図５に示すように、ユニットＲＵ１では双方向スイッチＲＵ１ＮＢを常時オンさせてＲＵ１ＰＡ，ＲＵ１ＮＡを適切な変調率で交互にオン・オフさせ、ユニットＳＵ１では双方向スイッチＳＵ１ＰＢ，ＳＵ１ＮＡを常時オンさせ、ユニットＴＵ１では双方向スイッチＴＵ１ＰＢ，ＴＵ１ＮＡを常時オンさせ、ユニットＲＵ２では双方向スイッチＲＵ２ＰＡ，ＲＵ２ＮＢを常時オンさせ、ユニットＳＵ２では双方向スイッチＳＵ２ＰＡ，ＳＵ２ＮＢを常時オンさせ、ユニットＴＵ２では双方向スイッチＴＵ２ＰＢ，ＴＵ２ＮＡを常時オンさせることにより、ユニットＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２，ＴＵ１，ＳＵ１は、各ユニットの電源電圧を直接出力するか、あるいは、電源電圧の極性を反転させて出力することになる。このとき、前述したように、ユニットＲＵ１では、双方向スイッチＲＵ１ＮＢを常時オン、ＲＵ１ＰＡ，ＲＵ１ＮＡを適切な変調率で交互にオン・オフすることにより、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う。
【００３３】
ここで、すべてのユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２の交流出力側は直列接続されているので、Ｕ相の出力電圧ＶｏＵＮは、各ユニットの出力電圧の総和となり、数式１により表すことができる。この数式１から明らかなように、ユニットＲＵ１における変調率を適切に調整することにより、出力電圧指令通りの正の単相交流電圧ＶｏＵＮを出力することができる。
［数式１］
ＶｏＵＮ＝（変調率×｜ＶｉＲＵ１｜）＋｜ＶｉＴＵ１｜＋｜ＶｉＳＵ１｜＋｜ＶｉＴＵ２｜＋｜ＶｉＲＵ２｜＋｜ＶｉＳＵ２｜
【００３４】
この場合における、出力電圧指令Ｖｏｒｅｆ１の極性、出力電圧指令の絶対値Ｖｏｒｅｆ１ａｂｓが存在する領域、各組における単相電源電圧絶対値の最大、中間、最小（Ｍａｘ１，Ｍｉｄ１，Ｍｉｎ１、及び、Ｍａｘ２，Ｍｉｄ２，Ｍｉｎ２）に該当するユニット、各ユニットを構成する双方向スイッチの状態、各ユニットの出力電圧を表１に整理する。
【００３５】
【表１】
0005938739.tif 000002
【００３６】
次に、出力電圧指令がＶｏｒｅｆ２の場合について、図４の⇔で示した期間の動作を説明する。
この場合には、出力電圧指令Ｖｏｒｅｆ２の極性が負であり、その絶対値Ｖｏｒｅｆ２ａｂｓがＬｅｖｅｌ４以上でＬｅｖｅｌ５未満であるときに、各ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２の電源電圧の極性に注意して、図６に示すように、各ユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２を構成する双方向スイッチのオン・オフを決定する。
【００３７】
この場合、図６に示すように、ユニットＲＵ１では双方向スイッチＲＵ１ＮＡ，ＲＵ１ＮＢを常時オンさせ、ユニットＳＵ１では双方向スイッチＳＵ１ＰＡ，ＳＵ１ＮＢを常時オンさせ、ユニットＴＵ１では双方向スイッチＴＵ１ＰＡを常時オンさせると共にＴＵ１ＰＢ，ＴＵ１ＮＢを適切な変調率で交互にオン・オフさせ、ユニットＲＵ２では双方向スイッチＲＵ２ＮＡ，ＲＵ２ＰＢを常時オンさせ、ユニットＳＵ２では双方向スイッチＳＵ２ＰＢ，ＳＵ２ＮＡを常時オンさせ、ユニットＴＵ２では双方向スイッチＴＵ２ＰＡ，ＴＵ２ＮＢを常時オンさせることにより、ユニットＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２，ＳＵ１は、各ユニットの電源電圧を直接出力するか、あるいは、電源電圧の極性を反転させて出力することになる。
このとき、前述したように、ユニットＴＵ１は、双方向スイッチＴＵ１ＰＡを常時オンさせてＴＵ１ＰＢ，ＴＵ１ＮＢを適切な変調率で交互にオン・オフさせることにより、ＰＷＭ制御を行う。また、ユニットＲＵ１は、双方向スイッチＲＵ１ＮＡ，ＲＵ１ＮＢを常時オンさせることにより、出力電圧はゼロとなる。
【００３８】
ここで、すべてのユニットＲＵ１，ＳＵ１，ＴＵ１，ＲＵ２，ＳＵ２，ＴＵ２の交流出力側は直列接続されているため、Ｕ相の出力電圧ＶｏＵＮは、各ユニットの出力電圧の総和となり、数式２により表すことができる。この数式２から明らかなように、ユニットＴＵ１における変調率を適切に調整することにより、出力電圧指令通りの負の極性の単相交流電圧ＶｏＵＮを出力することができる。
［数式２］
ＶｏＵＮ＝−（変調率×｜ＶｉＴＵ１｜）−｜ＶｉＳＵ１｜−｜ＶｉＴＵ２｜−｜ＶｉＲＵ２｜−｜ＶｉＳＵ２｜
【００３９】
この場合における、出力電圧指令Ｖｏｒｅｆ１の極性、出力電圧指令の絶対値Ｖｏｒｅｆ１ａｂｓが存在する領域、各組における単相交流電圧絶対値の最大、中間、最小（Ｍａｘ１，Ｍｉｄ１，Ｍｉｎ１、及び、Ｍａｘ２，Ｍｉｄ２，Ｍｉｎ２）に該当するユニット、各ユニットを構成する双方向スイッチの状態、各ユニットの出力電圧を表２に整理する。
【００４０】
【表２】
0005938739.tif 000003
【００４１】
図７は、本実施形態における出力相電圧の波形、例えばＵ群変換器２０１Ｕの出力相電圧の波形例である。図示するように、一相分の出力電圧はＰＷＭ波形となっている。
なお、図１におけるＶ群変換器２０１Ｖ，Ｗ群変換器２０１Ｗの動作は基本的にＵ群変換器２０１Ｖと同一であり、電動機３００には位相が１２０°ずつ、ずれた三相交流電圧が供給されることになる。
一方、負荷電流の波形は、電動機３００等の負荷の誘導性成分の作用により連続した波形となる。本実施形態では、連続した負荷電流を各ユニットの双方向スイッチにより遮断するため、各ユニットの単相交流電源には、双方向スイッチのスイッチングによる高周波成分を含む電流が流れる。この高周波成分を抑制するためには、図８に示す他の実施形態のように、各ユニットの変圧器Ｔｒの二次巻線（符号Ｔｒｓで代表する）に、リアクトルＬとコンデンサＣとからなるフィルタを接続すればよい。ここで、リアクトルＬは、変圧器Ｔｒの漏れインダクタンスによって代用することも可能である。
【００４２】
以上の説明から明らかなように、この実施形態によれば、双方向スイッチのオン・オフ動作により、三相交流電圧を任意の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換することができる。また、前述したように、変圧器Ｔｒの二次巻線の電圧に位相差を設けているため、変圧器Ｔｒの一次側では、電流に含まれる高調波成分が打ち消し合うので、ひずみの少ない電流波形を得ることができる。
【００４３】
以下、従来技術と本実施形態とについて、作用効果を比較する。
まず、半導体素子に印加される電圧について検討する。
図９に示した従来技術の場合、変圧器Ｔｒの二次巻線の出力線間電圧の振幅を１とすると、各ユニットにおける直流電圧Ｅｄも１となり、各相についてユニットの直列接続数が３であるから、出力一相当たりの電圧（相電圧）の最大振幅は３となる。
一方、図１に示した本実施形態では、変圧器Ｔｒの二次巻線の出力線間電圧の振幅を１とすると、各相についてユニットを３つ直列接続した組を２つ直列接続しているため、出力一相当たりの電圧（相電圧）の最大振幅は、図３に示したＬＥＶＥＬ６の電圧脈動を考慮すると約３．７３となる。
【００４４】
このことは、従来技術と本実施形態とを比較した場合、変圧器Ｔｒの二次巻線の線間電圧の振幅が同一であった場合、本実施形態の方が従来技術よりも高い電圧を出力できることを意味する。換言すると、装置の最大出力電圧を両者ともに同等とするならば、本実施形態の方が従来技術よりも変圧器Ｔｒの二次側の出力電圧を低減することができ、本実施形態における半導体素子の定格電圧は従来技術の約８０％程度で済むことになる。
【００４５】
次に、変圧器Ｔｒの二次巻線の巻線数について比較する。なお、以下は、出力一相分についての比較である。
図９の従来技術では、１ユニットの入力が三相であり、出力一相について３つのユニットが直列接続されている。従って、変圧器Ｔｒの二次巻線の巻線数は合計で９つとなる。一方、図１の本実施形態では、１ユニットの入力が単相であり、変圧器Ｔｒの二次巻線の巻線数は合計で６つとなる。すなわち、本実施形態によれば、変圧器Ｔｒの構成を従来技術よりも簡略化することができる。
【００４６】
次いで、半導体素子の数について考える。なお、図９に示した従来技術では、回生動作が不可能であるのに対し、本実施形態では、各ユニット内に整流回路を持たず、交流-交流変換を行っているため回生動作が可能である。従って、条件を揃える目的で、従来技術では、図９に示した整流回路のダイオードをＩＧＢＴとダイオードとが逆並列接続されたスイッチに置き換えて考えることとする。
この場合、出力一相分について考えると、従来技術ではＩＧＢＴが３０個、ダイオードが３０個の合計６０個の半導体素子が必要となる。これに対し、本実施形態では、ＩＧＢＴが４８個となる。すなわち、本実施形態によれば、使用する半導体素子の数が従来技術よりも少なくなる。
【００４７】
次に、コンデンサについて比較する。
従来技術の場合、各ユニットに入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路が必要であり、整流後の電圧を平滑する目的でコンデンサＣｄが接続されている。この場合、平滑効果を高めるには、通常、電解コンデンサ等の静電容量の大きいコンデンサが使用される。
一方、本実施形態においても、図８に示したように、双方向スイッチのスイッチングに伴う高周波成分が電源側に流出するのを抑制するために、コンデンサＣを設けることが望ましいが、コンデンサＣに要求される静電容量値は高周波成分を除去する程度に小さくてよく、電解コンデンサに対して寿命が長いフィルムコンデンサ等を用いることができる。
従って、本実施形態によれば、従来技術に比べてコンデンサの体積を低減できると共に、装置の長寿命化が可能である。
【００４８】
最後に、負荷電流が通過する半導体素子の数を比較する。
従来技術の場合、１つのユニット当たり、電源から負荷に流れる電流が通過する半導体素子の数は４個であり、３つのユニットが直列接続されているから、負荷電流は、出力一相につき合計で１２個の半導体素子を通過することになる。
一方、本実施形態の場合、負荷電流は、１つのユニット当たり２個の半導体素子を通過する。本実施形態では、出力一相につき６つのユニットが直列接続されているから、負荷電流は、合計で１２個の半導体素子を通過する。
このため、負荷電流が通過する半導体素子の数に関しては、本実施形態と従来技術との間に差異はないと言える。
【００４９】
以上の比較から明らかなように、本実施形態では、負荷電流が通過する半導体素子の数は従来技術と同等であり、言い換えれば、従来技術と比べて半導体素子により生じる損失を増やすことなく、装置構成の簡略化、小型化、低価格化、及び長寿命化を達成することができる。
【００５０】
なお、上記実施形態では、Ｕ群変換器２０１Ｕ，Ｖ群変換器２０１Ｖ，Ｗ群変換器２０１Ｗを構成する組の数を何れも２としてあるが、これらの組の数は１または３以上であってもよい。何れの場合にも、変圧器の二次巻線からなる単相交流電源によって構成される全相数は、３の倍数となる。
【符号の説明】
【００５１】
１００：三相交流電源
２０１Ｕ：Ｕ群変換器
２０１Ｖ：Ｖ群変換器
２０１Ｗ：Ｗ群変換器
３００：電動機
Ｔｒ：変圧器
Ｔｒｐ：一次巻線
ＴｒｓＲＵ１，ＴｒｓＳＵ１，ＴｒｓＴＵ１，ＴｒｓＲＵ２，ＴｒｓＳＵ２，ＴｒｓＴＵ２，ＴｒｓＲＶ１，ＴｒｓＳＶ１，ＴｒｓＴＶ１，ＴｒｓＲＷ２，ＴｒｓＳＷ２，ＴｒｓＴＷ２，Ｔｒｓ：二次巻線
ＲＵ１，ＲＵ２，ＳＵ１，ＳＵ２，ＴＵ１，ＴＵ２，ＲＶ１，ＲＶ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＴＶ１，ＴＶ２，ＲＷ１，ＲＷ２，ＳＷ１，ＳＷ２，ＴＷ１，ＴＷ２：ユニット
ＲＵ１ＰＡ，ＲＵ１ＰＢ，ＲＵ１ＮＡ，ＲＵ１ＮＢ，ＳＵ１ＰＡ，ＳＵ１ＰＢ，ＳＵ１ＮＡ，ＳＵ１ＮＢ，ＴＵ１ＰＡ，ＴＵ１ＰＢ，ＴＵ１ＮＡ，ＴＵ１ＮＢ，ＲＵ２ＰＡ，ＲＵ２ＰＢ，ＲＵ２ＮＡ，ＲＵ２ＮＢ，ＳＵ２ＰＡ，ＳＵ２ＰＢ，ＳＵ２ＮＡ，ＳＵ２ＮＢ，ＴＵ２ＰＡ，ＴＵ２ＰＢ，ＴＵ２ＮＡ，ＴＵ２ＮＢ：双方向スイッチ
Ｌ：リアクトル
Ｃ：コンデンサ
【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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