(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線に入力される交流電力をｍ×ｎ個（ｎ、ｍは互いに素）の二次巻線に分配する多重変圧器と、
前記ｍ×ｎ個の二次巻線にそれぞれ接続されたｍ×ｎ個の単相電力変換器を有し、当該単相電力変換器の出力が直列にｎ個ずつ接続されてｍ個の出力相が構成される電力変換部と、を備え、
前記多重変圧器は、
前記ｍ×ｎ個の二次巻線の電圧位相がそれぞれ異なる関係にあり、
同一の出力相に設けられた前記出力が直列に接続されたｎ個の単相電力変換器のそれぞれに接続されるｎ個の前記二次巻線の電圧位相が６０／ｎ度ずつずれた関係にあり、
前記ｍ個の出力相間で、前記ｎ個の前記二次巻線の電圧位相の組が６０／ｍ度ずつずれた関係にあることを特徴とする直列多重電力変換装置。
【請求項２】
前記ｍ個の出力相間で、出力相における位置関係が同一の単相電力変換器に接続される前記二次巻線の電圧位相が６０／ｍ度ずつずれた関係にあることを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
【請求項３】
前記多重変圧器の各二次巻線は、辺延長デルタ結線により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の直列多重電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、直列多重電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力変換装置として、電力変換セルを直列に複数段接続した相を複数設けた直列多重電力変換装置が知られている。直列多重電力変換器は、一次巻線に入力される多相の交流電力を出力相の各相ごとにそれぞれ複数の二次巻線に分配する多重変圧器と、多重変圧器の各二次巻線に接続される複数の単相電力変換器とを備える。
【０００３】
かかる直列多重電力変換装置においては、各二次巻線が出力する電圧が互いに位相差をもつように構成した多重変圧器を用いることで、一次巻線側に流れる高調波電流を低減している。具体的には、直列多重電力変換装置が９個の単相電力変換器で構成される場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の１つの相を構成する３個の単相電力変換器に接続される二次巻線が２０度の電圧位相を持つように構成し、９個の単相電力変換器に接続される二次巻線の電圧位相を２０／３度ずつずらす方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９５１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態の一態様は、一次巻線側に流れる高調波電流を低減する技術として、特許文献１に記載の技術に代わる新たな技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の一態様に係る直列多重電力変換装置は、多重変圧器と、電力変換部とを備える。多重変圧器は、一次巻線に入力される交流電力をｍ×ｎ個（ｎ、ｍは互いに素）の二次巻線に分配する。電力変換部は、前記ｍ×ｎ個の二次巻線にそれぞれ接続されたｍ×ｎ個の単相電力変換器を有し、当該単相電力変換器の出力が直列にｎ個ずつ接続されてｍ個の出力相が構成される。前記多重変圧器は、前記ｍ×ｎ個の二次巻線の電圧位相がそれぞれ異なる関係にあり、同一の出力相に設けられた前記出力が直列に接続されたｎ個の単相電力変換器のそれぞれに接続されるｎ個の前記二次巻線の電圧位相が６０／ｎ度ずつずれた関係にある。さらに、前記多重変圧器は、前記ｍ個の出力相間で、前記ｎ個の前記二次巻線の電圧位相の組が６０／ｍ度ずつずれた関係にある。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態の一態様の直列多重電力変換装置によれば、一次巻線側に流れる高調波電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す単相電力変換器の回路ブロックを示す図である。
【図３】図３は、多重変圧器の二次巻線の電圧位相差を示す図である。
【図４】図４は、多重変圧器の二次巻線の電圧位相関係を示す図である。
【図５】図５は、多重変圧器の配線状態を示す図である。
【図６】図６は、多重変圧器の一次巻線の線間電圧ベクトルと二次巻線の線間電圧ベクトルとの関係を示す図である。
【図７】図７は、多重変圧器の一次巻線の線間電圧ベクトルと二次巻線の線間電圧ベクトルとの関係を示す図である。
【図８】図８は、多重変圧器の一次巻線の線間電圧ベクトルと二次巻線の線間電圧ベクトルとの関係を示す図である。
【図９】図９は、多重変圧器の各二次巻線の電流ベクトルを示す図である。
【図１０】図１０は、多重変圧器の各二次巻線の電流ベクトルを示す図である。
【図１１】図１１は、ｒ相に関して各二次巻線に流れる電流を説明するための図である。
【図１２】図１２は、一次電圧が正であるときに二次巻線に流れる電流によって一次巻線に流れる電流の電流ベクトルを示す図である。
【図１３】図１３は、一次電圧が負であるときに二次巻線に流れる電流によって一次巻線に流れる電流の電流ベクトルを示す図である。
【図１４】図１４は、多重変圧器における二次巻線の別の電圧位相関係を示す図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置における多重変圧器の二次巻線の電圧位相差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本願の開示する直列多重電力変換装置のいくつかの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す各実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置を示す図である。
【００１１】
図１に示すように、直列多重電力変換装置１は、多重変圧器１０と、電力変換部２０とを備え、三相交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相から供給される交流電力をより高圧の交流電力へ変換して交流負荷３へ供給する。ここでは、一例として、直列多重電力変換装置１は、出力相が三相（ｍ＝３）であり、各出力相が２（ｎ＝２）段接続の２つの単相電力変換器を備えているものとし、交流負荷３をモータとした場合の例を説明する。
【００１２】
多重変圧器１０は、一次巻線１１と、６つの二次巻線１２ａ〜１２ｆ（以下、二次巻線１２と総称する場合がある）とを備え、一次巻線１１に入力される交流電力を６つの二次巻線１２ａ〜１２ｆに変圧して出力する。かかる多重変圧器１０は、一次巻線１１と二次巻線１２との間に電圧位相差を発生させる移相変圧器である。
【００１３】
電力変換部２０は、６つの二次巻線１２ａ〜１２ｆにそれぞれ接続される６つの単相電力変換器２１ａ〜２１ｆ（以下、単相電力変換器２１と総称する場合がある）を備える。各単相電力変換器２１は、各二次巻線１２から供給される三相交流電力を単相交流電力へ変換して出力端子Ｔａ、Ｔｂから出力する。
【００１４】
かかる電力変換部２０では、２つの単相電力変換器２１の出力が直列接続されて各出力相が構成される。すなわち、単相電力変換器２１ａ、２１ｄによってＵ相出力の電力変換部が構成され、単相電力変換器２１ｂ、２１ｅによってＶ相出力の電力変換部が構成され、単相電力変換器２１ｃ、２１ｆによってＷ相出力の電力変換部が構成される。
【００１５】
具体的には、単相電力変換器２１ａの出力端子Ｔｂが中性点Ｎに接続され、さらに、単相電力変換器２１ａの出力端子Ｔａと単相電力変換器２１ｄの出力端子Ｔｂとが接続される。これにより、単相電力変換器２１ｄの出力端子Ｔａを出力端子としたＵ相の電力変換部が構成される。
【００１６】
同様に、単相電力変換器２１ｂ、２１ｃの出力端子Ｔｂが中性点Ｎに接続され、さらに、単相電力変換器２１ｂ、２１ｃの出力端子Ｔａと単相電力変換器２１ｅ、２１ｆの出力端子Ｔｂとがそれぞれ接続される。これにより、単相電力変換器２１ｅ、２１ｆの出力端子Ｔａをそれぞれ出力端子としたＶ相およびＷ相の電力変換部が構成される。
【００１７】
ここで、単相電力変換器２１の構成について説明する。図２は、単相電力変換器２１の回路ブロックを示す図である。図２に示すように、単相電力変換器２１は、整流平滑部３０と、インバータ部３１と、制御部３２とを備える。
【００１８】
整流平滑部３０は、ダイオードＤ１０〜Ｄ１５と、コンデンサＣ１０とを備え、二次巻線１２から入力されるｒ相、ｓ相およびｔ相の３相交流電力を直流電力に変換する。なお、ダイオードＤ１０、Ｄ１１はｒ相の電力を全波整流し、ダイオードＤ１２、Ｄ１３はｓ相の電力を全波整流し、ダイオードＤ１４、Ｄ１５はｔ相の電力を全波整流する。そして、ダイオードＤ１０〜Ｄ１５で整流された電力がコンデンサＣ１０によって平滑される。
【００１９】
インバータ部３１は、トランジスタＱ２０〜Ｑ２３と、ダイオードＤ２０〜Ｄ２３とを備える。トランジスタＱ２０、Ｑ２１は、整流平滑部３０の出力間に直列に接続され、同様にトランジスタＱ２２、Ｑ２３は、整流平滑部３０の出力間に直列に接続される。なお、ダイオードＤ２０〜Ｄ２３は、逆流防止用のダイオードである。
【００２０】
制御部３２は、インバータ部３１におけるトランジスタＱ２０〜Ｑ２３のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することによって、整流平滑部３０の直流電力をインバータ部３１によって単相交流電力へ変換して出力させる。なお、トランジスタＱ２０〜Ｑ２３として、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子が用いられる。また、インバータ部３１は、図２に示す２レベルインバータの構成に限定されるものではない。例えば、インバータ部３１として３レベルインバータなどのマルチレベルインバータを用いることもでき、また、その他種々の変更が可能である。
【００２１】
次に、多重変圧器１０の構成について説明する。図３は、二次巻線１２ａ〜１２ｆの電圧位相差を示す図、図４は、二次巻線１２ａ〜１２ｆの電圧位相関係を示す図である。なお、上述したように、単相電力変換器２１ａ〜２１ｆは、それぞれＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の位置にあり、単相電力変換器２１ａ〜２１ｆにはそれぞれ二次巻線１２ａ〜１２ｆが接続される（図１参照）。したがって、二次巻線１２ａはＵ１の位置に対応し、二次巻線１２ｂはＶ１の位置に対応し、二次巻線１２ｃはＷ１の位置に対応し、二次巻線１２ｄはＵ２の位置に対応し、二次巻線１２ｅはＶ２の位置に対応し、二次巻線１２ｆはＷ２の位置に対応する。
【００２２】
図３に示すように、第１の実施形態に係る多重変圧器１０では、同一の出力相に設けられた２つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される２つの二次巻線１２間の電圧位相は３０度ずれている。具体的には、Ｕ相では、Ｕ１の位置に対応する二次巻線１２ａに対して、Ｕ２の位置に対応する二次巻線１２ｄは、３０度の電圧位相差を有する。
【００２３】
同様に、Ｖ相では、Ｖ１の位置に対応する二次巻線１２ｂに対して、Ｖ２の位置に対応する二次巻線１２ｅは、３０度の電圧位相差を有する。また、Ｗ相では、Ｗ１の位置に対応する二次巻線１２ｃに対して、Ｗ２の位置に対応する二次巻線１２ｆは、３０度の電圧位相差を有する。
【００２４】
また、多重変圧器１０では、出力相間で、３つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される３つの二次巻線１２の電圧位相が２０度ずれている。具体的には、Ｕ１の位置に対応する二次巻線１２ａに対して、Ｖ１の位置に対応する二次巻線１２ｂは、２０度の電圧位相差を有する。また、Ｖ１の位置に対応する二次巻線１２ｂに対して、Ｗ１の位置に対応する二次巻線１２ｃは、２０度の電圧位相差を有する。
【００２５】
ここで、二次巻線１２ａ〜１２ｆの具体的な電圧位相差の一例について図４を参照して説明する。図４に示すように、二次巻線１２の電圧位相は、（Ｕ１、Ｖ１、Ｕ２、Ｗ１、Ｖ２、Ｗ２）の順で、（１３５度、１５５度、１６５度、１７５度、１８５度、２０５度）である。二次巻線１２の電圧位相は、一次巻線１１の電圧位相を基準とした電圧位相差である。
【００２６】
したがって、二次巻線１２の電圧位相は、Ｕ相において、（Ｕ１、Ｕ２）＝（１３５度、１６５度）、Ｖ相において、（Ｖ１、Ｖ２）＝（１５５度、１８５度）、Ｗ相において、（Ｗ１、Ｗ２）＝（１７５度、２０５度）であり、３０度の電圧位相差である。また、出力相間では、二次巻線１２の電圧位相は、（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）＝（１３５度、１５５度、１７５度）、（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）＝（１６５度、１８５度、２０５度）であり、２０度の電圧位相差である。
【００２７】
図４に示す二次巻線１２の電圧位相関係を有する多重変圧器１０の構成の一例について図５を用いて説明する。図５は、多重変圧器１０の配線状態を示す図である。
【００２８】
図５に示すように、二次巻線１２ａは、辺延長デルタ結線（extended delta connection）によって形成される。具体的には、絶縁部材を介してＲ相の一次巻線１１ａと二次巻線１２ａ１とが同一鉄心に巻装され、絶縁部材を介してＳ相の一次巻線１１ｂと二次巻線１２ａ２とが同一鉄心に巻装され、絶縁部材を介してＴ相の一次巻線１１ｃと二次巻線１２ａ３とが同一鉄心に巻装される。また、これら二次巻線１２ａ１〜１２ａ３はいずれも巻線の中途部にタップを備えている。
【００２９】
そして、二次巻線１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３のそれぞれの極性端（図５において黒丸を付したコイル端）が、それぞれｒ相、ｓ相、ｔ相の出力となる。また、二次巻線１２ａ１の反極性端（図５において黒丸を付したのとは反対側のコイル端）が二次巻線１２ａ３のタップに接続され、二次巻線１２ａ３の反極性端が二次巻線１２ａ２のタップに接続され、二次巻線１２ａ２の反極性端が二次巻線１２ａ１のタップに接続される。
【００３０】
ここで、図５に示すように結線された場合の一次巻線１１の線間電圧ベクトルと二次巻線１２ａの線間電圧ベクトルとの関係について図６を参照して説明する。図６は、一次巻線１１の線間電圧ベクトルと二次巻線１２ａの線間電圧ベクトルとの関係を示す図である。なお、三相交流電源２の出力相は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の順に電圧位相が１２０度ずつ遅れるものとする。
【００３１】
上述したように二次巻線１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３を接続すると、これら二次巻線１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３の各相間に発生する線間電圧ベクトルＶrs、Ｖst、Ｖtrは、各相電圧ベクトルＶr、Ｖs、Ｖtによって下記式（１）〜（３）で表わされる。
Ｖrs＝Ｖr−Ｖs  ・・・（１）
Ｖst＝Ｖs−Ｖt  ・・・（２）
Ｖtr＝Ｖt−Ｖr  ・・・（３）
【００３２】
これらの線間電圧ベクトルＶrs、Ｖst、Ｖtrのうち、例えば、線間電圧ベクトルＶrs、Ｖtrは、図６に示すようになる。一次巻線１１のＳ相からＲ相へ向かう線間電圧ベクトルＶRSの位相を基準位相と規定すると、二次巻線１２ａにおいて、ｓ相からｒ相へ向かう線間電圧ベクトルＶrsの位相は、基準位相に対して１５度進んだ位相である。
【００３３】
二次巻線１２ａにおいて、ｒ相からｔ相へ向かう線間電圧ベクトルＶtrの位相は、線間電圧ベクトルＶrsの位相に対して１２０度進んだ位相であり、基準位相に対して１３５度進んだ位相となる。また、ｔ相からｓ相へ向かう線間電圧ベクトルＶstの位相は、線間電圧ベクトルＶrsの位相に対して２４０度進んだ位相であり、基準位相に対して２５５度進んだ位相となる。したがって、二次巻線１２ａは、基準位相に対して１５度進んだ電圧位相の二次巻線であると共に、上述したように、基準位相に対して１３５度進んだ電圧位相の二次巻線でもあり、また、基準位相に対して２５５度進んだ電圧位相の二次巻線でもある。
【００３４】
図５に戻って、二次巻線１２ｂについて説明する。図５に示すように、二次巻線１２ｂも、辺延長デルタ結線によって形成される。具体的には、絶縁部材を介してＲ相の一次巻線１１ａと二次巻線１２ｂ１とが同一鉄心に巻装され、絶縁部材を介してＳ相の一次巻線１１ｂと二次巻線１２ｂ２とが同一鉄心に巻装され、絶縁部材を介してＴ相の一次巻線１１ｃと二次巻線１２ｂ３とが同一鉄心に巻装される。また、これら二次巻線１２ｂ１〜１２ｂ３はいずれも巻線の中途部にタップを備えている。
【００３５】
二次巻線１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３のそれぞれの反極性端が、それぞれｒ相、ｓ相、ｔ相の出力となる。また、二次巻線１２ｂ１の極性端が二次巻線１２ｂ２のタップに接続され、二次巻線１２ｂ２の極性端が二次巻線１２ｂ３のタップに接続され、二次巻線１２ｂ３の極性端が二次巻線１２ｂ１のタップに接続される。
【００３６】
ここで、図５に示すように結線された場合の一次巻線１１の線間電圧ベクトルと二次巻線１２ｂの線間電圧ベクトルとの関係について図７を参照して説明する。図７は、一次巻線１１の線間電圧ベクトルと二次巻線１２ｂ、１２ｃ、１２ｅの線間電圧ベクトルとの関係を示す図である。なお、Ｓ相からＲ相へ向かう線間電圧ベクトルＶRS（図６参照）の位相を基準位相と規定する。
【００３７】
上述のように二次巻線１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３を接続すると、これら二次巻線１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３の各相間に発生する線間電圧ベクトルＶrs、Ｖst、Ｖtrは、各相電圧ベクトルＶr、Ｖs、Ｖtによって、二次巻線１２ａの場合と同様に、上記式（１）〜（３）で表わされる。
【００３８】
これらの線間電圧ベクトルＶrs、Ｖst、Ｖtrのうち、例えば、線間電圧ベクトルＶrsは、図７に示すようになる。すなわち、二次巻線１２ｂにおいて、ｓ相からｒ相へ向かう線間電圧ベクトルＶrsの位相は、基準位相に対して１６５度進んだ位相である。
【００３９】
同様に、二次巻線１２ｃ、１２ｅについても図５における結線を二次巻線１２ｂと同様に行い、ｓ相からｒ相へ向かう線間電圧ベクトルＶrsの位相を、基準位相に対してそれぞれ１５５度、１７５度進んだ位相とする。このとき、二次巻線１２ｃ、１２ｅは、二次巻線１２ｂの結線に対して各巻線のタップの装備位置が異なるものとしている。すなわち、二次巻線１２ｃ、１２ｅは、二次巻線１２ｂとデルタ部分の巻線数が異なる。
【００４０】
図５に戻って、二次巻線１２ｄについて説明する。図５に示すように、二次巻線１２ｄも、辺延長デルタ結線によって形成される。具体的には、絶縁部材を介してＲ相の一次巻線１１ａと二次巻線１２ｄ１とが同一鉄心に巻装され、絶縁部材を介してＳ相の一次巻線１１ｂと二次巻線１２ｄ２とが同一鉄心に巻装され、絶縁部材を介してＴ相の一次巻線１１ｃと二次巻線１２ｄ３とが同一鉄心に巻装される。また、これら二次巻線１２ｄ１〜１２ｄ３はいずれも巻線の中途部にタップを備えている。
【００４１】
二次巻線１２ｄ１、１２ｄ２、１２ｄ３のそれぞれの反極性端が、それぞれｒ相、ｓ相、ｔ相の出力となる。また、二次巻線１２ｄ１の極性端が二次巻線１２ｄ３のタップに接続され、二次巻線１２ｄ２の極性端が二次巻線１２ｄ１のタップに接続され、二次巻線１２ｄ３の極性端が二次巻線１２ｄ２のタップに接続される。
【００４２】
ここで、図５に示すように結線された場合の一次巻線１１の線間電圧ベクトルと二次巻線１２ｄ、１２ｆの線間電圧ベクトルとの関係について図８を参照して説明する。図８は、一次巻線１１の線間電圧ベクトルと二次巻線１２ｄ、１２ｆの線間電圧ベクトルとの関係を示す図である。なお、Ｓ相からＲ相へ向かう線間電圧ベクトルＶRS（図６参照）の位相を基準位相と規定する。
【００４３】
上述のように二次巻線１２ｄ１、１２ｄ２、１２ｄ３を接続すると、これら二次巻線１２ｄ１、１２ｄ２、１２ｄ３の各相間に発生する線間電圧ベクトルＶrs、Ｖst、Ｖtrは、二次巻線１２ａの場合と同様、各相電圧ベクトルＶr、Ｖs、Ｖtによって上記式（１）〜（３）で表わされる。これらの線間電圧ベクトルＶrs、Ｖst、Ｖtrのうち、例えば、線間電圧ベクトルＶrsの位相は、図８に示すように、基準位相に対して１８５度進んだ位相である。
【００４４】
同様に、図８に示すように、二次巻線１２ｆについても図５における結線を二次巻線１２ｂと同様に行い、ｓ相からｒ相へ向かう線間電圧ベクトルＶrsの位相を、基準位相に対して２０５度進んだ位相とする。このとき、二次巻線１２ｆは、二次巻線１２ｄの結線に対して各巻線のタップの装備位置が異なる。すなわち、二次巻線１２ｆは、二次巻線１２ｄとデルタ部分の巻線数が異なる。
【００４５】
次に、多重変圧器１０の各二次巻線１２の電流ベクトルについて図９および図１０を参照して説明する。図９および図１０は、多重変圧器１０の各二次巻線１２の電流ベクトルを示す図である。
【００４６】
図９および図１０において電流ベクトルＩrsはｒ相とｓ相との間に流れる電流を、電流ベクトルＩtrはｔ相とｒ相との間に流れる電流を表している。かかる電流ベクトルＩrsは、図２に示すダイオードＤ１０〜Ｄ１３を介してｒ相とｓ相によりコンデンサＣ１０を充電するときに流れる電流である。電流ベクトルＩtrは、ダイオードＤ１０、Ｄ１１、Ｄ１４、Ｄ１５を介してｔ相とｒ相によりコンデンサＣ１０を充電するときに流れる電流である。
【００４７】
電流ベクトルＩrsで表される電流はｒ相とｓ相との間の線間電圧が３つの線間電圧のうち最大又は最小となるときに流れる。また、電流ベクトルＩtrで表される電流はｔ相とｒ相との間の線間電圧が３つの線間電圧のうち最大又は最小となるときに流れる。なお、以下においては、各二次巻線１２から整流平滑部３０に流れ込む方向を電流の正方向とする。
【００４８】
ｒ相とｓ相との間の線間電圧が最大となる場合、ｒ相の電圧は正電圧であり、ｓ相の電圧は負電圧である。したがって、ｒ相とｓ相との間の線間電圧が最大のときは、ｒ相において各二次巻線１２から整流平滑部３０に流れ込む正方向に電流が流れ、ｓ相において整流平滑部３０から各二次巻線１２に電流が流れ込む負方向に電流が流れる。したがって、このときの電流ベクトルＩrsは、図９に示すように、線間電圧ベクトルＶrsと同方向の電流ベクトルとなる。
【００４９】
また、ｔ相とｒ相との間の線間電圧が最小となる場合、ｔ相の電圧は負電圧であり、ｒ相の電圧は正電圧である。したがって、ｔ相とｒ相との間の線間電圧が最小のときは、ｔ相において整流平滑部３０から各二次巻線１２に流れ込む負方向に電流が流れ、ｒ相において各二次巻線１２から整流平滑部３０に電流が流れ込む正方向に電流が流れる。したがって、このときの電流ベクトルＩtrは、図９に示すように、線間電圧ベクトルＶtrと逆方向の電流ベクトルとなる。
【００５０】
ｒ相とｓ相との間の線間電圧が最小となる場合、ｒ相の電圧は負電圧であり、ｓ相の電圧は正電圧である。したがって、ｒ相とｓ相との間の線間電圧が最小のときは、ｒ相において整流平滑部３０から各二次巻線１２に流れ込む負方向に電流が流れ、ｓ相において各二次巻線１２から整流平滑部３０に電流が流れ込む正方向に電流が流れる。したがって、このときの電流ベクトルＩrsは、図１０に示すように、線間電圧ベクトルＶrsと逆方向の電流ベクトルとなる。
【００５１】
また、ｔ相とｒ相との間の線間電圧が最大となる場合、ｔ相の電圧は正電圧であり、ｒ相の電圧は負電圧である。したがって、ｔ相とｒ相との間の線間電圧が最大のときは、ｔ相において各二次巻線１２から整流平滑部３０に流れ込む正方向に電流が流れ、ｓ相において整流平滑部３０から各二次巻線１２に電流が流れ込む負方向に電流が流れる。したがって、このときのｔ相とｒ相との間に流れる電流の電流ベクトルＩtrは、図１０に示すように、線間電圧ベクトルＶtrと同方向の電流ベクトルとなる。
【００５２】
このように、ｒ相に関して各二次巻線１２に流れる電流は、ｒ相とｓ相との間の線間電圧が最大および最小のとき、ｔ相とｒ相との間の線間電圧が最小および最大のときの４つの場合にそれぞれ流れる。図１１は、ｒ相に関して各二次巻線１２に流れる電流を説明するための図であり、ｒ相とｓ相との間の線間電圧Ｖｒｓ、ｔ相とｒ相との間の線間電圧Ｖｔｒ、Ｒ相の相電圧ＶｒおよびＲ相の相電流Ｉｒの関係を示す。図１１に示すように実際には、上述の４つの場合にそれぞれ、尖頭波状の電流が流れる。なお、ｓ相およびｔ相のそれぞれに関しても、ｒ相の場合と同様に、各二次巻線１２に電流が流れる。
【００５３】
次に、二次巻線１２ａ〜１２ｆに流れる電流によって、Ｒ相の一次巻線１１ａに流れる電流について説明する。まず、二次巻線１２ａに流れる電流を例に挙げて説明する。二次巻線１２ａ１に電流が流れる場合、Ｒ相の一次巻線１１ａには、かかる一次巻線１１ａと同一鉄心に巻装された二次巻線１２ａ１に流れる電流による起磁力を打ち消す電流が流れる。すなわち、一次巻線１１ａには、上述した電流ベクトルＩrsと電流ベクトルＩtrとによる起磁力を打ち消す電流が流れる。
【００５４】
一次巻線１１ａを流れる電流について、二次巻線１２ａと同様に一次巻線１１ａから流れ出る方向を正方向とする。図５に示す巻線の配線状態から、二次巻線１２ａに流れる電流による起磁力を打ち消す一次巻線１１ａを流れる電流の向きは、一次巻線１１ａに流れ込む方向、すなわち二次巻線１２ａとは逆の負方向となることがわかる。
【００５５】
電流ベクトルＩrsは、二次巻線１２ａ１のスター結線部分を流れるため、一次巻線１１ａには、電流ベクトルＩrsに対して、逆の向きで、かつ大きさが一次巻線１１ａと二次巻線１２ａ１のスター結線部分との巻線比倍となる電流が流れる。また、電流ベクトルＩtrは二次巻線１２ａ１のスター結線部分とデルタ結線部分を流れるため、一次巻線１１ａには、電流ベクトルＩtrに対して、逆の向きで、かつ大きさが一次巻線１１ａと二次巻線１２ａ１との巻線数比倍となる電流も流れる。
【００５６】
次に、二次巻線１２ｂに流れる電流について説明する。かかる二次巻線１２ｂについても、一次巻線１１ａと同一鉄心に巻装された二次巻線１２ｂ１に流れる電流ベクトルＩrsと電流ベクトルＩtrとによる起磁力を打ち消す電流が一次巻線１１ａに流れる。図５に示す巻線の配線状態から、二次巻線１２ｂに流れる電流による起磁力を打ち消す一次巻線１１ａを流れる電流の向きは、一次巻線１１ａから流れ出る方向、すなわち二次巻線１２ｂと同じく正方向となることがわかる。
【００５７】
二次巻線１２ｂ１において、電流ベクトルＩrsはスター結線部分とデルタ結線部分を流れるため、一次巻線１１ａには、電流ベクトルＩrsに対して、同じ向きで、かつ大きさが電流ベクトルＩrsの一次巻線１１ａと二次巻線１２ｂ１との巻線比倍となる電流も流れる。また、電流ベクトルＩtrは、二次巻線１２ｂ１のスター結線部分を流れるため、一次巻線１１ａには、電流ベクトルＩtrに対して、同じ向きで、かつ大きさが一次巻線１１ａと二次巻線１２ｂ１のスター結線部分との巻線数比倍となる電流が流れる。
【００５８】
二次巻線１２ｃ、１２ｅについても、一次巻線１１ａと同一鉄心に巻装された二次巻線１２ｃ１、１２ｅ１の各々に流れる電流ベクトルＩrsと電流ベクトルＩtrとによる起磁力を打ち消す電流が一次巻線１１ａに流れる。二次巻線１２ｃ１、１２ｅ１の接続状態は、図５に示すように、二次巻線１２ｂ１と同様の接続状態であるため、一次巻線１１ａには、二次巻線１２ｂ１の場合と同じ変換作用により、二次巻線１２ｃ１、１２ｅ１の電流ベクトルＩrs、Ｉtrによる電流が流れる。
【００５９】
次に、二次巻線１２ｄに流れる電流について説明する。かかる二次巻線１２ｄについても、一次巻線１１ａと同一鉄心に巻装された二次巻線１２ｄ１に流れる電流ベクトルＩrsと電流ベクトルＩtrとによる起磁力を打ち消す電流が一次巻線１１ａに流れる。図５に示す巻線の配線状態から、二次巻線１２ｄに流れる電流による起磁力を打ち消す一次巻線１１ａを流れる電流の向きは、二次巻線１２ｂ、１２ｃ、１２ｅと同様、一次巻線１１ａから流れ出る方向、すなわち二次巻線１２ｄと同じく正方向となることがわかる。
【００６０】
二次巻線１２ｄ１において、電流ベクトルＩrsはスター結線部分を流れるため、一次巻線１１ａには、電流ベクトルＩrsに対して、同じ向きで、かつ大きさが電流ベクトルＩrsの一次巻線１１ａと二次巻線１２ｄ１のスター結線部分との巻線比倍となる電流も流れる。また、電流ベクトルＩtrは、二次巻線１２ｄ１のスター結線部分とデルタ結線部分を流れるため、一次巻線１１ａには、電流ベクトルＩtrに対して、同じ向きで、かつ大きさが一次巻線１１ａと二次巻線１２ｄ１との巻線数比倍となる電流が流れる。
【００６１】
二次巻線１２ｆについても、一次巻線１１ａと同一鉄心に巻装された二次巻線１２ｆ１に流れる電流ベクトルＩrsと電流ベクトルＩtrとによる起磁力を打ち消す電流が一次巻線１１ａに流れる。二次巻線１２ｆ１の接続状態は、図５に示すように、二次巻線１２ｄ１と同様の接続状態であるため、一次巻線１１ａには、二次巻線１２ｄ１の場合と同じ変換作用により、二次巻線１２ｆ１の電流ベクトルＩrs、Ｉtrによる電流が流れる。
【００６２】
このように、一次巻線１１ａには、各二次巻線１２に流れる電流ベクトルＩrs、Ｉtrに対して上述した向きで、かつ、各二次巻線１２のうち電流ベクトルＩrs、Ｉtrによりｒ相の電流が流れる巻線と一次巻線１１ａの巻線との巻線数比に応じた大きさの電流が流れる。
【００６３】
したがって、二次巻線１２ａ〜１２ｆにより一次巻線１１ａに流れる電流の電流ベクトルは、図１２に示す状態になる。図１２は、二次巻線１２ａ〜１２ｆにおいてｒ相の電圧が正電圧の場合に、二次巻線１２ａ〜１２ｆに流れる電流により一次巻線１１ａに流れる電流の電流ベクトルを示す図である。
【００６４】
また、ｒ相の相電圧Ｖｒが負電圧の場合に、二次巻線１２ａ〜１２ｆにより一次巻線１１ａに流れる電流の電流ベクトルは、図１３に示すように、図１２に示す状態と位相が１８０度異なる。図１３は、二次巻線１２ａ〜１２ｆにおいてｒ相の相電圧Ｖｒが負方向の場合に、二次巻線１２ａ〜１２ｆに流れる電流により一次巻線１１ａに流れる電流の電流ベクトルを示す図である。
【００６５】
したがって、一次電圧ＶＲが正電圧であるときに二次巻線１２ａ〜１２ｆに流れる電流によって一次巻線１１ａに流れる電流の電流ベクトルは、図１２に示すようになる。一方、一次電圧ＶＲが負電圧であるときに二次巻線１２ａ〜１２ｆに流れる電流よって一次巻線１１ａに流れる電流の電流ベクトルは、図１３に示す電流ベクトルとなる。
【００６６】
図１２および図１３に示すように、二次巻線１２ａ〜１２ｆの電流ベクトルＩrs、Ｉtrにより一次巻線１１ａに流れる電流は、Ｒ相電圧が最大となる位相に対して、対称に互いに１０度ずつ位相がずれた状態で分布する。各二次巻線１２の電流ベクトルＩrsは、上述のようにｒ相とｓ相との間の線間電圧が３つの線間電圧のうち最大または最小となるときに流れ、その波形は尖頭波状である。また、各二次巻線１２の電流ベクトルＩtrは、上述のようにｔ相とｒ相との間の線間電圧が３つの線間電圧のうち最大または最小となるときに流れ、その波形は尖頭波状である。
【００６７】
ところが、各二次巻線１２に流れる電流により一次巻線１１ａに流れる各電流の電流ベクトルが上述のように分布するため、尖頭波状電流による影響が分散され、高調波が低減される。Ｓ相とＴ相の一次巻線１１ｂ、１１ｃについても同様の電流が流れるので、三相交流電源２側の高調波電流を低減することができる。
【００６８】
上述してきたように、第１の実施形態の直列多重電力変換装置１では、同一の出力相に設けられた２つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される２つの二次巻線１２の電圧位相は３０度ずれた関係にある。さらに、３つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される３つの二次巻線１２の電圧位相が、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３つの出力相間で２０度ずつずれた関係にある。
【００６９】
このように構成されるため、第１の実施形態の直列多重電力変換装置１では、６つの二次巻線１２ａ〜１２ｆに接続された６つの単相電力変換器２１ａ〜２１ｆによって、図１２または図１３に示すように、一次巻線１１に尖頭波状電流が１０度ずつずれて発生する。そのため、尖頭波状電流による影響を分散させることができ、三相交流電源２側の高調波電流を低減することができる。
【００７０】
なお、上述した例では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの出力相間で、出力相における位置関係が同一の単相電力変換器２１に接続される二次巻線１２の電圧位相が２０度ずつずれた関係にあるが、かかる関係に限定されるものではない。例えば、図１４に示すような位置関係で二次巻線１２を単相電力変換器２１へ接続した直列多重電力変換装置１Ａであってもよい。図１４は、多重変圧器１０における二次巻線１２の別の電圧位相関係を示す図である。このように、各相ごとに直列に接続される単相電力変換器２１の中から１つを選び出し、これらの単相電力変換器２１に接続されるｍ個の二次巻線１２を１組とした電圧位相が各出力相間で６０／ｍ度ずつずれていればよい。
【００７１】
（第２の実施形態）
図１５は、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置における多重変圧器の二次巻線の電圧位相差を示す図である。第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置では、各出力相が３（ｎ＝３）段の単相電力変換器２１を備える点で、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置１、１Ａと異なる。
【００７２】
図１５に示すように、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置１Ｂでは、同一の出力相に設けられた３つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される３つの二次巻線１２の電圧位相は２０度ずつずれている。具体的には、Ｕ相では、Ｕ１の位置に対応する二次巻線１２に対して、Ｕ２の位置に対応する二次巻線１２は、２０度の電圧位相差を有する。また、Ｕ２の位置に対応する二次巻線１２に対して、Ｕ３の位置に対応する二次巻線１２は、２０度の電圧位相差を有する。かかる関係は、Ｖ相およびＷ相についても同様である。
【００７３】
また、直列多重電力変換装置１Ｂの多重変圧器では、出力相間で、３つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される３つの二次巻線１２の電圧位相が２０度ずつずれている。具体的には、Ｕ１の位置に対応する二次巻線１２に対して、Ｖ１の位置に対応する二次巻線１２は、２０度の電圧位相差を有する。また、Ｖ１の位置に対応する二次巻線１２に対して、Ｗ１の位置に対応する二次巻線１２は、２０度の電圧位相差を有する。かかる関係は、（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）の位置に対応する二次巻線１２、および、（Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３）の位置に対応する二次巻線１２も同様である。
【００７４】
なお、第１の実施形態と同様に、各相ごとに直列に接続される単相電力変換器２１の中から１つを選び、これらの単相電力変換器２１に接続されるｍ個の二次巻線１２を一組とした電圧位相が各出力相間で６０／ｍ度ずつずれていればよく、図１５に示す関係に限定されるものではない。
【００７５】
このように、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置１Ｂでは、同一の出力相に設けられた３つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される３つの二次巻線１２の電圧位相は２０度ずつずれた関係にある。さらに、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３つの出力相間で、各相１つずつ合計３つの単相電力変換器２１のそれぞれに接続される３つの二次巻線１２の電圧位相が２０度ずつずれた関係にある。
【００７６】
したがって、第２の実施形態の直列多重電力変換装置１Ｂでは、９つの二次巻線１２に接続された９つの単相電力変換器２１によって一次巻線１１の各相に尖頭波状電流が２０／３度ずつずれて発生する。その結果、電流パルスによる影響を分散させることができ、三相交流電源２側の高調波電流を低減することができる。
【００７７】
なお、上述の実施形態では、出力相を３相（ｍ＝３）とし、各出力相が２段または３段（ｎ＝２または３）の単相電力変換器２１を備えた直列多重電力変換装置１、１Ａ、１Ｂについて説明したが、出力相の数、各出力相を構成する単相電力変換器２１の数はこれらに限定されるものではない。
【００７８】
また、上述の実施形態では、二次巻線１２の電圧位相が（Ｕ相→Ｖ相→Ｗ相）の順に進む例（図４参照）を示したが、これに限定されるものではない。例えば、二次巻線１２の電圧位相が（Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相）または（Ｗ相→Ｕ相→Ｖ相）の順に進むものであってもよく、また、（Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相）、（Ｗ相→Ｕ相→Ｖ相）または（Ｕ相→Ｖ相→Ｗ相）の順に遅れるものであってもよい。
【００７９】
すなわち、多重変圧器１０において、以下の条件を満たすようなものであればよい。なお、ｎ、ｍは互いに素である。
（１）同一の出力相に設けられたｎ個の単相電力変換器２１のそれぞれに接続されるｎ個の二次巻線１２の電圧位相が６０／ｎ度ずつずれた関係にあること。
（２）ｍ個の出力相間で、単相電力変換器２１に接続される二次巻線１２の電圧位相が６０／ｍ度ずつずれた関係にあること。
【００８０】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１、１Ａ、１Ｂ  直列多重電力変換装置
２  三相交流電源
３  交流負荷
１０  多重変圧器
１１  一次巻線
１２ａ〜１２ｆ（１２）  二次巻線
２０  電力変換部
２１ａ〜２１ｆ（２１）  単相電力変換器
３０  整流平滑部
３１  インバータ部
３２  制御部
【図１】
0005652416.tif 000002
【図２】
0005652416.tif 000003
【図３】
0005652416.tif 000004
【図４】
0005652416.tif 000005
【図５】
0005652416.tif 000006
【図６】
0005652416.tif 000007
【図７】
0005652416.tif 000008
【図８】
0005652416.tif 000009
【図９】
0005652416.tif 000010
【図１０】
0005652416.tif 000011
【図１１】
0005652416.tif 000012
【図１２】
0005652416.tif 000013
【図１３】
0005652416.tif 000014
【図１４】
0005652416.tif 000015
【図１５】
0005652416.tif 000016