(57)【要約】【課題】主機側のマルチレベルインバータ回路に接続された負荷における漏れ電流と、補機側のインバータ回路に接続された負荷における漏れ電流とを同時に低減すること。【解決手段】中間電圧を生成するコンバータ回路３と、３レベルで制御されるマルチレベルインバータ回路２と、中間電圧を平滑する平滑回路１１と、平滑された電圧で駆動するインバータ回路４と、マルチレベルインバータ回路２及びインバータ回路４の交流電圧出力を制御し、中間電圧がマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳するように制御する制御装置５と、を備える。脈動を含む中間電圧により、マルチレベルインバータ回路２の電圧変化率及びスイッチング回数を抑制して漏れ電流を抑制し、平滑回路１１を介してインバータ回路４を低電圧駆動することでインバータ回路４に接続された負荷も同時に漏れ電流を抑制する。【選択図】図１
2019075942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、
前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧及び前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を平滑して出力する平滑回路と、
前記平滑回路によって平滑された電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記コンバータ回路で生成される前記中間電圧が前記コンバータ回路の指令電圧に前記マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した設定電圧となるように前記コンバータ回路を制御する制御装置と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記インバータ回路の入力電圧の検出値、前記直流電圧の検出値、及び、前記コンバータ回路の出力電流の検出値に基づいて、前記中間電圧が前記設定電圧となるように制御する、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記コンバータ回路は、
複数の前記中間電圧を生成し、
前記インバータ回路は、
前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第３交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
前記発電機から出力された前記第３交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
を有し、
前記電力供給装置は、
前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
前記インバータ回路は、
入力される前記中間電圧を前記第２交流電圧に変換し、前記第２交流電圧を前記モータに供給する、
ランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記モータの回転数の検出値、モータ電流の検出値、及び前記インバータ回路の入力電圧の検出値に基づいて、前記モータの回転数が予め設定された回転数で維持されるように前記インバータ回路を制御する、
請求項４に記載のランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回転機の駆動制御、電源装置などに用いられるマルチレベルインバータを用いた電力変換装置及びランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の電力変換装置としては、１対の直列接続されたコンデンサで中性点を生成し、３レベルをスイッチングして出力する３レベルインバータが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に記載された従来の電力変換装置の構成を示すものである。
【０００３】
図６に示すように、従来の電力変換装置は、正負の直流母線間に直列接続され中性点が第二線に接続される正側母線コンデンサ１０１、負側母線コンデンサ１０２および、正負の直流母線間に直列接続されるスイッチ素子１０３、１０４ならびに、スイッチ素子１０３、１０４の接続点と中性点１０５との間に接続されるリアクトル１０６を有するバランス回路１０７などを備える。この電力変換装置は、正側母線コンデンサ１０１と負側母線コンデンサ１０２との間の電圧差に応じてスイッチ素子１０３あるいは１０４のうちの何れか一方を動作させることで、電圧をバランスさせながらインバータ１０８を３レベル出力するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３３５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された従来の電力変換装置は、インバータの中性点電圧を固定するように制御して、レベル数増加によるコモンモード成分を低減することで漏れ電流を低減している。しかしながら、中性点を固定するように制御された電圧に基づくパルス幅変調によって出力電圧を制御すると、中性点電圧をスイッチングする期間が存在するために、主機側の漏れ電流抑制効果が限定的になると同時に、電力変換装置内部の補機側に対しては漏れ電流の低減効果を有しないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来の課題を解決するために、本開示は、直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧及び前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を平滑して出力する平滑回路と、前記平滑回路によって平滑された電圧を入力して駆動するインバータ回路と、前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記コンバータ回路で生成される前記中間電圧が前記コンバータ回路の指令電圧に前記マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した設定電圧となるように前記コンバータ回路を制御する制御装置と、を備える電力変換装置を提供する。
【０００７】
本構成によって、コンバータ回路で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を指令電圧に重畳した中間電圧として供給され、マルチレベルインバータ回路は直流入力電圧と脈動電圧を含んだ中間電圧とをスイッチングして出力電
圧を生成すると同時に、脈動を含んだ中間電圧はインバータ回路の入力電圧として平滑回路を介して供給され、インバータ回路の負荷に対して所望の安定した交流電圧を出力することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る技術によれば、コンバータ回路はマルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を指令電圧に重畳した中間電圧を生成し、マルチレベルインバータ回路は重畳した脈動電圧によってスイッチング回数を減少させつつ出力電圧を生成するため、スイッチング回数の低減およびレベル数に応じた電圧変化率の抑制によって、主機側の漏れ電流抑制ができると同時に、脈動電圧が重畳した電圧は整流平滑してインバータ回路に供給されるため、補機側のインバータ回路に接続された負荷を安定した低電圧での駆動によって漏れ電流の抑制を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施の形態１における電力変換装置の構成図
【図２Ａ】本開示の実施の形態１における制御装置の第１制御部の制御ブロック図
【図２Ｂ】本開示の実施の形態１における制御装置の第２制御部の制御ブロック図
【図２Ｃ】本開示の実施の形態１における制御装置の第３制御部の制御ブロック図
【図３】本開示の実施の形態１における電力変換装置の各部の動作波形を示す図
【図４】本開示の実施の形態２におけるランキンサイクルシステムの構成図
【図５】本開示の実施の形態２における電力変換装置の各部の動作波形を示す図
【図６】特許文献１における従来の電力変換装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜本発明者の検討に基づく知見＞
特許文献１に示す従来の電力変換装置では、主機に相当するマルチレベルインバータ出力のコモンモード成分のみが低減される。すなわち、主機に相当する部分に接続された負荷における漏れ電流のみが低減される。しかし、この従来の電力変換装置では、コンバータ回路は適宜スイッチングして中間電圧を一定に保持するように制御され、一定に保持された中間電圧に基づいて、マルチレベルインバータの出力電圧を生成することから、中間電圧をスイッチングする必要があるという課題があることを、本発明者は発見した。さらに、同時に電力変換装置内部の補機側に接続された負荷に対しては、漏れ電流の低減効果を有さないという課題があることを、本発明者は発見した。これに関して本発明者は、コンバータ回路で生成した中間電圧が、主機に相当するマルチレベルインバータ回路の中間電圧、及び、補機に相当するインバータ回路の入力電圧、の両方の電圧として併用され、マルチレベルインバータ回路の出力電圧を生成する際に、中間電圧をスイッチングすることに着目した。すなわち、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制されるが、同時に、インバータ回路に接続された負荷はマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、インバータ回路に接続された負荷も電圧変化率が抑制される。また、マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧をコンバータ回路の指令電圧に重畳した所望の設定電圧となるように制御して、マルチレベルインバータ回路の中間電圧のスイッチング回数を低減することができる。したがって、マルチレベルインバータ回路による入出力電力及びインバータ回路による入出力電力の影響を受けて変動する中間電圧を、マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を指令電圧に重畳した所望の設定電圧となるように制御することができれば、これら両方の負荷は、同時に電圧変化率が抑制されると同時に、スイッチング回数が低減されることで漏れ電流を抑制することができる。
【００１１】
なお、本明細書における中間電圧とは、絶対値でみたときに、最大電圧よりも小さい任意の電圧のことを示す。例えば、最大電圧をＶmaxとすると、中間電圧は０よりも大きく
Ｖmax未満の電圧のことを指す。典型的な例としては、中間電圧を０からＶmax／２の範囲でマルチレベルインバータ回路の出力周波数成分（例えば商用電源の２倍周波数である１００Ｈｚ、あるいは１２０Ｈｚ）の脈動電圧を指令電圧に重畳した電圧とすることができる。
【００１２】
以上を踏まえ、本発明者は、主機に接続された負荷に対してスイッチング電圧およびスイッチング回数の低減による漏れ電流の低減と、補機に接続された負荷に対しても、脈動電圧を重畳した電圧を整流平滑した安定した低電圧で駆動することによって漏れ電流を低減することができる電力変換装置を検討した。
【００１３】
本開示の第１態様は、
直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、
前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧及び前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を平滑して出力する平滑回路と、
前記平滑回路によって平滑された電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記コンバータ回路で生成される前記中間電圧が前記コンバータ回路の指令電圧に前記マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した設定電圧となるように前記コンバータ回路を制御する制御装置と、
を備える電力変換装置を提供する。
【００１４】
第１態様によれば、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷は中間電圧に重畳した脈動電圧によってスイッチング回数を減少させつつ、レベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時にインバータ回路に接続された負荷は、平滑回路によってマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い安定した中間電圧で駆動することとなるため、相互に接続された負荷は同時に電圧変化率が抑制され、スイッチング回数の抑制に伴う高効率化と同時に電圧変化率抑制による漏れ電流の抑制を可能とすることができる。
【００１５】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記制御装置は、
前記インバータ回路の入力電圧の検出値、前記直流電圧の検出値、及び、前記コンバータ回路の出力電流の検出値に基づいて、前記中間電圧が前記設定電圧となるように制御する、
電力変換装置を提供する。
【００１６】
第２態様によれば、コンバータ回路で生成される中間電圧を、より安定的に、設定電圧となるようにすることができる。
【００１７】
本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
前記コンバータ回路は、
複数の前記中間電圧を生成し、
前記インバータ回路は、
前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
電力変換装置を提供する。
【００１８】
第３態様によれば、複数の中間電圧の中から、インバータ回路に接続された負荷に応じて適切な電圧を選択することができる。
【００１９】
本開示の第４態様は、
第１態様から第３態様のいずれか一つの電力変換装置と、
作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第３交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
前記発電機から出力された前記第３交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
を有し、
前記電力供給装置は、
前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
前記インバータ回路は、
入力される前記中間電圧を前記第２交流電圧に変換し、前記第２交流電圧を前記モータに供給する、
ランキンサイクルシステムを提供する。
【００２０】
第４態様によれば、コンバータ回路で生成した中間電圧は、マルチレベルインバータ回路の中間電圧、及びインバータ回路の入力電圧の両方の電圧として併用される。そして、マルチレベルインバータ回路に接続された、例えば商用電源などの負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時に、インバータ回路に接続された負荷であるモータはマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、これら両方の負荷は同時に電圧変化率が抑制され、漏れ電流を抑制することができる。
【００２１】
本開示の第５態様は、第４態様に加え、
前記制御装置は、
前記モータの回転数の検出値、モータ電流の検出値、及び前記インバータ回路の入力電圧の検出値に基づいて、前記モータの回転数が予め設定された回転数で維持されるようにインバータ回路を制御する、
ランキンサイクルシステムを提供する。
【００２２】
第５態様によれば、モータの回転数を、より安定的に、予め設定された回転数で維持することができる。
【００２３】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における電力変換装置１の構成図である。図１において、電力変換装置１は、マルチレベルインバータ回路２、中間電圧を生成するコンバータ回路３、中間電圧を入力して駆動するように接続したインバータ回路４、およびマルチレベルインバータ回路２とコンバータ回路３とインバータ回路４とを制御する制御装置５を備えている。電力変換装置１には直流電源が接続されている。直流電源は、コンバータ回路３及びマルチレベルインバータ回路２に対して直流電圧を供給する。なお、図１では、直流電源は、電力変換装置１の外部に配置されているが、電力変換装置１の内部に配置されていてもよい。
【００２５】
マルチレベルインバータ回路２は、３レベルとなっており、スイッチング素子６ａ〜６ｈ（例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいはＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor））、ダイオード７ａ〜７ｄで構成
されている。
【００２６】
コンデンサ８ａは直流電圧の平滑用として配置され、コンデンサ８ｂは交流出力の波形整形用として配置され、さらに、コンデンサ８ｃは中間電圧の平滑用として配置されている。また、インバータ回路４とコンデンサ８ｃとの間には整流素子としてのダイオード７ｅと整流後の平滑用としてコンデンサ８ｄとが配置されて平滑回路１１を構成している。また、インダクタ９ａおよび９ｂは、コンデンサ８ｂと共に交流出力の波形整形用として配置されている。
【００２７】
ここで、マルチレベルインバータ回路２の出力は、一般負荷に供給される。コンバータ回路３は、スイッチング素子６ｉおよび６ｊと、インダクタ９ｃとによって構成されている。インバータ回路４は、スイッチング素子６ｋ〜６ｐで構成されており、負荷としてモータ１０を接続している。
【００２８】
また、図１で制御装置５から伸びている矢印は、各回路に対する駆動信号とその信号数量とを示している。
【００２９】
図２Ａ〜図２Ｃは、制御装置５に含まれる、第１制御部５１、第２制御部５２、及び第３制御部５３のそれぞれの制御ブロックの一例を示す図である。制御装置５は、インバータ回路４による入出力電力とマルチレベルインバータ回路２による入出力電力との影響を受けて変動する中間電圧がマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるようにコンバータ回路３を制御する。制御装置５は、図２Ａに示す、インバータ回路４を制御する制御ブロックである第１制御部５１と、図２Ｂに示す、マルチレベルインバータ回路２を制御する制御ブロックである第２制御部５２と、図２Ｃに示す、コンバータ回路３を制御する制御ブロックである第３制御部５３と、を有するように構成されている。
【００３０】
図２Ａの第１制御部５１は、以下のように動作する。モータ１０の指令回転数（rpm_ref）と実際の回転数（rpm_t）との偏差が比例積分制御器に入力され、ｑ軸電流指令（Iq_ref）が演算される。演算されたｑ軸電流指令と実際のｑ軸電流（Iq_t）との偏差を演算して、演算した偏差に基づいてｑ軸電圧指令（Vq_ref）が演算される。また、ｄ軸電圧指令（Vd_ref）はゼロが入力される。入力されたｑ軸電圧指令、ｄ軸電圧指令は、２相／３相変換部にて３相変換され、変調信号生成部にてインバータ回路４の入力電圧である中間電圧の検出値（Vc_t）によって除算され、変調率が演算される。演算された変調率と搬送波（例えば、モータ１０の回転周波数よりも充分に早い周期で動作する三角波）とを搬送波比較部にて比較することにより駆動信号を生成し、スイッチング素子６ｋ〜６ｐをスイッチングする。
【００３１】
図２Ｂの第２制御部５２は、以下のように動作する。出力の変調率指令（出力電圧指令をコンデンサ８ａの電圧検出値で除算した結果）（m_ref）が入力される。入力された変調率指令は、コンデンサ８ｃの目標電圧（Vc_ref）がコンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）の１／２電圧よりも高電圧の場合にのみ有効となり、搬送波（ｃａｒｒｙ１）と比較した結果に応じてスイッチング素子６ａ、６ｃをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、入力された変調率指令をコンバータ回路３におけるコンデンサ８ｃに対する充電のための変調率（m_pnc）によって除算した結果に応じてスイッチング素子６ｂ、６ｄをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、入力された変調率指令の符号を反転した信号と搬送波（ｃａｒｒｙ１、ｃａｒｒｙ２）とを用いて、前記と同様に比較判定した結果、及び、前記と同様に除算した結果のそれぞれに基づいてスイッチング素子６ｅ〜６ｈをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回
路（Ｄｒｉ）に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。
【００３２】
図２Ｃの第３制御部５３は、以下のように動作する。マルチレベルインバータ回路２の出力の変調率（m_ref）から出力電圧指令の絶対値信号を生成し、最大値をコンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）の１／２電圧、最小値をゼロ電圧として制限器を通して指令電圧を制限する。制限した指令電圧とコンデンサ８ｃの実際の電圧（Vc_t）との偏差を演算して、比例積分制御器（ＰＩ）に入力され、充電電流指令値（Ic_ref）が演算される。演算された電流指令と実際の電流検出値（Ic_t）との偏差が比例積分制御器に入力され、コンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）で除算することで充電側のスイッチング素子６ｉの変調率指令（m_pnc）が演算される。得られた変調率指令を搬送波（ｃａｒｒｙ３）との比較結果によって、スイッチング素子６ｉを制御するように、判定信号をドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、スイッチング素子６ｊは、コンデンサ８ｃの実際の電圧検出値（Vc_t）が指令電圧（Vc_ref）に対して高い場合にスイッチング素子６ｉの反転信号によってスイッチングするように、判定信号をドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。このようにして、コンデンサ８ｃに対して充電を制御するスイッチング素子６ｉ及びコンデンサ８ｃに対して放電を制御するスイッチング素子６ｊが、それぞれスイッチング制御され、コンバータ回路３で生成される中間電圧を、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御することができる。
【００３３】
上記構成により、動作させた場合の各部の波形について図３に示す。（ａ）はコンデンサ８ｂの電圧（すなわちマルチレベルインバータ回路２の出力電圧）およびマルチレベルインバータ回路２の出力電流の波形、（ｂ）はコンデンサ８ａ、８ｃおよび８ｄの電圧の波形、（ｃ）はマルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧の波形、（ｄ）はモータ１０の回転数変化の波形、（ｅ）はモータ１０の相電流の波形をそれぞれ示している。（ｂ）に示す波形より、コンデンサ８ｃの電圧はマルチレベルインバータ回路２の出力周波数の２倍成分を含む脈動電圧が重畳した所望の設定電圧に制御されている。（ｃ）の波形より、マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧は１／２電圧以上の場合にのみコンデンサ８ａのパルス幅変調による電圧変化が発生している。マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧が１／２電圧を下回る場合には、通常のマルチレベルインバータで発生する１／２電圧をスイッチングした電圧変化が発生していない。一方、モータ１０は、（ｂ）に示すコンデンサ８ｄの安定した低電圧にて駆動されている。
【００３４】
かかる構成によれば、コンバータ回路３で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路２の中間電圧として供給され、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御されていることからマルチレベルインバータ回路２の瞬時出力電圧が１／２電圧を下回った際にスイッチングレスで出力電圧を生成することができる。同時に、コンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧であり、かつマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した中間電圧は、ダイオード７ｅとコンデンサ８ｄによって逆流防止および平滑化され、インバータ回路４の入力電圧として安定供給され、インバータ回路４の負荷に対して所望の交流電圧を出力することができる。
【００３５】
したがって、マルチレベルインバータ回路２に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合にスイッチングによる電圧変化を伴わないことになる。同時に、インバータ回路４に接続された負荷（本実施の形態の場合、モータ１０が該当）は、マルチレベルインバータ回路２に接続されたコンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧（コンデンサ８ｄの電圧）で駆動することとなる。このため、この電力変換装置に接続された２つの負荷
に対する出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷における漏れ電流を抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態において、マルチレベルインバータ回路２は、３レベル構成としたが、その他のレベル数（例えば５レベルなど）であってもよい。
【００３７】
また、マルチレベルインバータ回路２は、ダイオードクランプ方式の３レベルインバータ構成としたが、その他の構成（例えばＲＢＩＧＢＴ（Reverse Blocking Insurated Gate Bipolar Transistor）を用いたＮＰＣ（Neutral Point Clamped）構成）としてもよい。
【００３８】
また、本実施の形態では、コンバータ回路３が図１のように１つの中間電圧を生成する例を示したが、図１記載のコンバータ回路３の構成を有する回路を複数設置し、制御装置５によってそれぞれ所望の中間電圧を生成するように適切に制御することにより、複数の中間電圧を生成することでコンデンサ８ｃの電圧変化幅を抑制することもできる。この場合、インバータ回路４は、複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動し、マルチレベルインバータ回路２は、中間電圧の生成数に応じてスイッチング素子６を直列に多段接続して駆動する。これにより、複数の中間電圧の中から、インバータ回路に接続された負荷に応じて適切な電圧を選択することができるとともに、マルチレベルインバータ回路２は、中間電圧の生成数に応じて多レベル化することができる。
【００３９】
さらに、図２Ａ〜図２Ｃに、制御装置５の内部の各部の具体的な制御ブロックを示したが、本開示における一例であり、これに限定されるものではない。
【００４０】
また、マルチレベルインバータ回路２、コンバータ回路３、およびインバータ回路４はＭＯＳＦＥＴを使用したが、その他のパワーデバイス（例えばＩＧＢＴ等）であってもよい。いずれもこれに限定されるものではない。
【００４１】
（実施の形態２）
図４は、本開示の実施の形態２におけるランキンサイクルシステム２２の構成図である。ランキンサイクルシステム２２は、電力変換装置１とランキンサイクル装置１２とを用いて構成される。なお、図４において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図４は、一例として、工場において例えば燃焼ガスにより排出される排熱をランキンサイクル装置１２に用いて発電を行う発電装置として動作するランキンサイクルシステム２２を示す。
【００４２】
ランキンサイクル装置１２は、ポンプ１３と、ポンプ１３を駆動する動力源としてのモータ１０と、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する熱交換器としての蒸発器１４と、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機１５と、膨張機１５に接続された発電機１６と、膨張機１５から吐出された作動流体を冷却水等と熱交換させることによって作動流体を冷却する凝縮器１７と、開度の適宜変更を可能とし作動流体の流量を調整できるバイパス弁１８と、膨張機１５の入口温度を計測する温度センサ１９と、で構成される。ポンプ１３、蒸発器１４、膨張機１５、凝縮器１７は複数の配管によってこの順に環状に接続されて、ランキンサイクル流路を構成している。バイパス弁１８は膨張機１５をバイパスする流路上に配置されている。また、電力変換装置１は、発電機１６で発電された交流電力を直流電力に変換する三相コンバータ回路２０を備える。三相コンバータ回路２０は、この直流電力をコンデンサ８ａに供給するように接続される。さらに、電力変換装置１は、三相コンバータ回路２０からの直流電力出力に余剰分が発生した場合に、電力消費させるブレーキ回路２１を備えている。また、ランキンサイクル装置１２のモータ１０は、電力変換装置１のインバータ回路４によって駆動され
る。制御装置５は、実施の形態１と同様に、インバータ回路４を制御する第１制御部５１と、マルチレベルインバータ回路２を制御する第２制御部５２と、コンバータ回路３を制御する第３制御部５３と、を備えるとともに、本実施の形態においては、三相コンバータ回路２０を制御する第４制御部５４及びブレーキ回路２１を制御する第５制御部５５も有する。
【００４３】
実施の形態１では、電力変換装置１に直流電源を接続したが、本実施の形態２では、三相コンバータ回路２０が、電力供給装置である直流電源として、コンバータ回路３及びマルチレベルインバータ回路２に対して直流電圧を供給する。なお、図４では、電力供給装置として動作する三相コンバータ回路２０は、電力変換装置１の内部に配置されているが、電力変換装置１の外部に配置されていてもよい。同様に、図４では、ブレーキ回路２１は、電力変換装置１の内部に配置されているが、電力変換装置１の外部に配置されていてもよい。
【００４４】
以下、上記構成における動作について説明する。始動時、別電源（例えば、図示した直流電源）から電力を受電する。その受電電力によってコンバータ回路３が中間電圧を生成するように動作し、モータ１０を駆動するように制御する。
【００４５】
一方、膨張機１５は、温度センサ１９の指示値が所定の温度を超えるまで、停止を保持するように制御する。バイパス弁１８は、温度センサ１９の温度に基づいて、開度を制御する。これによって、バイパス弁１８の経路の作動流体の流量が調整される。
【００４６】
始動後、蒸発器１４による熱エネルギー吸収によって作動流体の温度が所定の温度条件となった場合に膨張機１５の停止制御を解除し、始動すなわち発電を開始するように制御する。膨張機１５の停止の保持は、三相コンバータ回路２０にて制御される。三相コンバータ回路２０の動作は、制御装置５によって制御される。
【００４７】
その後、発電電力が上昇し、インバータ回路４の必要電力を超えることで、コンデンサ８ａの電圧が上昇する。これに対して、マルチレベルインバータ回路２がコンデンサ８ａの電圧が概ね一定となるように動作することで、一般負荷に電力を出力する。
【００４８】
また、一般負荷が遮断、あるいは軽負荷へ変化した際に供給電圧が上昇して、マルチレベルインバータ回路２が出力抑制状態となった場合には、ブレーキ回路２１がスイッチングを開始し、内部で消費するように動作する。ブレーキ回路２１の動作は、制御装置５によって制御される。
【００４９】
上記構成により動作させた場合の各部の波形について図５に示す。図５では、始動後のコンデンサ８ａの電圧が上昇して直流電源の電圧に安定してからの挙動を示している。（ａ）は一般負荷への出力電圧およびマルチレベルインバータ回路２からの出力電流の波形、（ｂ）は発電機１６からの発電電力の波形、（ｃ）はコンデンサ８ａおよび８ｃの電圧の波形、（ｄ）はマルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧の波形、（ｅ）は発電機１６のロータおよびポンプ１３を駆動するモータ１０の回転数変化の波形、（ｆ）はモータ１０の相電流の波形、（ｇ）は発電機１６の相電流の波形をそれぞれ示している。各部の波形より、（ａ）では、負荷への出力電圧、および出力電流が正弦波状に安定した出力となっている。（ｂ）では、ポンプ１３、膨張機１５、および発電機１６の始動により、発電を開始していることを示している。（ｃ）では、コンデンサ８ｃの電圧はマルチレベルインバータ回路２の出力周波数の２倍成分を含む脈動電圧が重畳した所望の設定電圧に制御されている。（ｄ）の波形では、マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧が１／２電圧以上の場合にのみコンデンサ８ａのパルス幅変調による電圧変化が発生しており、１／２電圧を下回る場合には、通常のマルチレベルインバータで発生する１／２電圧を
スイッチングした電圧変化が発生していない。（ｅ）の波形では、ポンプ１３、発電機１６の回転数の上昇を示しており、発電機１６の回転数の上昇に伴って、前述した発電電力が増加している。（ｆ）の波形は、ポンプ１３を駆動するモータ１０の相電流を示しており、コンデンサ８ｄを電力源として安定した電流波形となっている。（ｇ）の波形は、発電機１６の相電流を示している。
【００５０】
かかる構成によれば、コンバータ回路３で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路２の中間電圧として供給され、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御されていることからマルチレベルインバータ回路２の瞬時出力電圧が１／２電圧を下回った際にスイッチングレスで出力電圧を生成することができる。同時に、コンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧であり、かつマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した中間電圧は、ダイオード７ｅとコンデンサ８ｄによって逆流防止および平滑化され、インバータ回路４の入力電圧として安定供給され、インバータ回路４に接続した、ポンプ１３を駆動するモータ１０に対して所望の交流電圧を出力することができる。
【００５１】
したがって、マルチレベルインバータ回路２に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合にスイッチングによる電圧変化を伴わないことになる。同時に、インバータ回路４に接続されたポンプ１３を駆動するモータ１０は、マルチレベルインバータ回路２に接続されたコンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧（コンデンサ８ｄの電圧）で駆動することとなる。このため、この電力変換装置に接続された２つの負荷（ポンプ１３を駆動するモータ１０、およびマルチレベルインバータ回路２に接続された負荷）に対する出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷における漏れ電流を抑制することができる。
【００５２】
特に、本実施の形態２のように、ポンプ１３によって作動流体が液冷媒としてランキンサイクル流路を循環する場合であって、駆動するモータ１０がポンプ１３の内部に配置されている場合、液冷媒の充填量によってはモータ１０の巻線は液冷媒に浸漬された状態となり得るため、液冷媒の誘電率によって寄生容量が大きくなり、漏れ電流が増大することがある。
【００５３】
本実施の形態によれば、この漏れ電流の増大を抑制するべく、ポンプ１３を駆動するモータ１０を低電圧で駆動することになるため、漏れ電流を抑制することができる。また、同時に、この低電圧は整流平滑よりも前段において、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御されていることから一般負荷への出力時の電圧変化率を低減することが可能となり、スイッチングによる漏れ電流を低減することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態のランキンサイクル装置１２は、工場の燃焼ガスから排熱を回収するとしたが、これに限るものではない。ランキンサイクルにより熱を回収できる媒体であれば、工場の燃焼ガスでなくてもよい。
【００５５】
また、図４においては、ポンプ１３の外部にモータ１０を配置する状態を示したが、ポンプ１３の筐体の内部にモータ１０を配置してもよい。ポンプ機構とモータ機構とをあわせてポンプと称することもある。
【００５６】
また、図４においては、膨張機１５の外部に発電機１６を配置する状態を示したが、膨張機１５の筐体の内部に発電機１６を配置してもよい。膨張機構と発電機構とをあわせて膨張機と称することもある。
【００５７】
さらに、図４においては、マルチレベルインバータ回路２の出力側に一般負荷を配置する一例を示したが、商用電源に接続して系統連系インバータとして動作する構成としてもよい。
【００５８】
また、マルチレベルインバータ回路２を系統連系インバータとする場合、始動時に別途直流電源を備えることなく、マルチレベルインバータ回路２をコンバータ動作させて、商用電源から受電する構成としてもよい。
【００５９】
なお、本明細書において、所望の設定電圧とは、予め設定された電圧のことを意味する。この予め設定された電圧とは、特定の電圧値のみを指すだけでなく、予め設定された所定の範囲に含まれる任意の電圧（すなわち、予め設定された範囲の電圧）のことを意味することも含む。
【００６０】
以上のように、本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時にインバータ回路に接続されたポンプ駆動用のモータはマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、電力変換装置に接続された２つの負荷への出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷におけるスイッチングによる漏れ電流を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路を主機用電力変換器（例えば、大型送風機用のインバータ、あるいは電力系統に発電電力を出力するような系統連系インバータ）として使用し、インバータ回路を補機用としての負荷（例えば、ロータ部が冷媒等に浸漬するようなモータ）に接続するような用途に対して適用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１  電力変換装置
２  マルチレベルインバータ回路
３  コンバータ回路
４  インバータ回路
５  制御装置
６ａ  スイッチング素子
６ｂ  スイッチング素子
６ｃ  スイッチング素子
６ｄ  スイッチング素子
６ｅ  スイッチング素子
６ｆ  スイッチング素子
６ｇ  スイッチング素子
６ｈ  スイッチング素子
６ｉ  スイッチング素子
６ｊ  スイッチング素子
６ｋ  スイッチング素子
６ｌ  スイッチング素子
６ｍ  スイッチング素子
６ｎ  スイッチング素子
６ｏ  スイッチング素子
６ｐ  スイッチング素子
７ａ  ダイオード
７ｂ  ダイオード
７ｃ  ダイオード
７ｄ  ダイオード
７ｅ  ダイオード
８ａ  コンデンサ
８ｂ  コンデンサ
８ｃ  コンデンサ
８ｄ  コンデンサ
９ａ  インダクタ
９ｂ  インダクタ
９ｃ  インダクタ
１０  モータ
１１  平滑回路
１２  ランキンサイクル装置
１３  ポンプ
１４  蒸発器
１５  膨張機
１６  発電機
１７  凝縮器
１８  バイパス弁
１９  温度センサ
２０  三相コンバータ回路
２１  ブレーキ回路
２２  ランキンサイクルシステム
５１  第１制御部
５２  第２制御部
５３  第３制御部
５４  第４制御部
５５  第５制御部
１０１  正側母線コンデンサ
１０２  負側母線コンデンサ
１０３  スイッチ素子
１０４  スイッチ素子
１０５  中性点
１０６  リアクトル
１０７  バランス回路
１０８  インバータ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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