(57)【要約】【課題】３レベルチョッパにおいて、オンオフ動作をするスイッチング素子が、電圧指令値に応じて定まる２素子に限定されることなく、その選択に自由度を持たせることが出来、より広範囲な用途への適用が可能となる超電導コイル用電力変換装置を得ることを目的とする。【解決手段】超電導コイル５の充放電に係る制御モード毎に予め各半導体スイッチング素子７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂのオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、電圧指令値Ｖｄｒｅｆに応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択部１６、および直流出力電圧が電圧指令値Ｖｄｒｅｆに一致するよう選択されたスイッチングパターンによるチョッパ回路６の出力電圧パルス幅を演算し各スイッチング素子７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂをオンオフ駆動する信号を作成するパルス作成部１７を備えた。【選択図】図１
2008161003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側端子、負側端子および中性点端子を備えた３レベルの直流電源と正負両極端子を備えた超電導コイルとの間に接続され、複数のスイッチング素子を備え、前記各スイッチング素子をオンオフすることにより前記直流電源と前記超電導コイルとの間で直流電力の授受を行う３レベルチョッパ、および前記超電導コイルの両極端子への直流出力電圧が電圧指令値に追随するよう前記各スイッチング素子をオンオフ制御するチョッパ制御手段を備えた超電導コイル用電力変換装置において、
前記チョッパ制御手段は、前記超電導コイルの充放電に係る複数種別の制御モード毎に予め前記各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、前記電圧指令値に応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択部、および前記直流出力電圧が前記電圧指令値に一致するよう前記選択されたスイッチングパターンによる前記３レベルチョッパの出力電圧パルス幅を演算し前記各スイッチング素子をオンオフ駆動する信号を作成するパルス作成部を備えたことを特徴とする超電導コイル用電力変換装置。
【請求項２】
前記３レベルチョッパは、アノードが前記直流電源の正側端子に接続される第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが前記超電導コイルの正極端子に接続される第２のスイッチング素子、アノードが前記超電導コイルの負極端子に接続される第３のスイッチング素子、この第３のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが前記直流電源の負側端子に接続される第４にスイッチング素子、アノードが前記直流電源の負側端子に接続されカソードが前記超電導コイルの正極端子に接続される第１のダイオード、アノードが前記超電導コイルの負極端子に接続されカソードが前記直流電源の正側端子に接続される第２のダイオード、アノードが前記直流電源の中性点端子に接続されカソードが前記第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続される第１のクランプダイオード、およびアノードが前記第３と第４のスイッチング素子の接続点に接続されカソードが前記直流電源の中性点端子に接続される第２のクランプダイオードを備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項３】
前記直流電源の前記正側端子、負側端子および中性点端子の電圧をそれぞれ、＋Ｅ、−Ｅおよび０とし、前記３レベルチョッパの直流出力電圧平均値をＥＤとしたとき、
前記複数種別の制御モードは、＋２Ｅ＞ＥＤ＞０の電圧範囲で制御する超電導コイル充電制御モード、０＞ＥＤ＞−２Ｅの電圧範囲で制御する超電導コイル放電制御モード、および＋Ｅ＞ＥＤ＞０の電圧範囲で制御する超電導コイル電流補償制御モードからなることを特徴とする請求項２記載の超電導コイル用電力変換装置。
【請求項４】
前記超電導コイル充電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子をＳＷ−１〜ＳＷ−４と表示する）のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を下記の順位で繰り返すものとしたことを特徴とする請求項３記載の超電導コイル用電力変換装置。
順位    ＳＷ−１    ＳＷ−２    ＳＷ−３    ＳＷ−４
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
２      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
３      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
４      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
５      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ
６      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
７      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
８      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
【請求項５】
前記超電導コイル放電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子をＳＷ−１〜ＳＷ−４と表示する）のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を下記の順位で繰り返すものとしたことを特徴とする請求項３記載の超電導コイル用電力変換装置。
順位    ＳＷ−１    ＳＷ−２    ＳＷ−３    ＳＷ−４
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
２      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
３      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ
４      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ
５      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ
６      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ
７      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ
８      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
【請求項６】
前記超電導コイル電流補償制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子をＳＷ−１〜ＳＷ−４と表示する）のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を下記の順位で繰り返すものとしたことを特徴とする請求項３記載の超電導コイル用電力変換装置。
順位    ＳＷ−１    ＳＷ−２    ＳＷ−３    ＳＷ−４
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
２      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
３      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
４      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
５      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ
６      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
７      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
８      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
【請求項７】
前記電圧指令値の変化に応じて前記制御モードをそれまでの制御モードから他の制御モードに移行する場合、前記移行前の制御モードにおける出力電圧が零となるスイッチングパターン順位から前記各スイッチング素子のオンオフ状態が前記移行前スイッチングパターン順位のオンオフ状態と同一となる移行先制御モードにおけるスイッチングパターン順位に移行するようにしたことを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の超電導コイル用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、超電導電力貯蔵システム（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｓｙｓｔｅｍ、以下ＳＭＥＳ）に適用される超電導コイル用電力変換装置に係り、特に、３レベルの直流電源と超電導コイルとの間で直流電力の授受を行う３レベルチョッパの制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力貯蔵システムを有する電力変換装置は、パワーエレクトロニクス技術の適用によって高度な電力変換制御が可能であり、電力系統の事故や落雷等に起因した系統電圧の瞬時低下や、鉄道等における電力負荷変動といった電力システムの様々な課題を解決する手段として、開発・導入が進められている。一般に、このような電力変換装置は、連系した電力系統の交流電力と、電力貯蔵システムの持つ電力を双方向に変換する電力変換器として、電圧形インバータを用いる。高圧大容量の電圧形インバータとしてはマルチレベルインバータがあるが、近年ではその一種である３レベル方式（３レベルインバータ）が実用化され、多くの適用例がある。
一方、電力貯蔵システムの電力貯蔵デバイスとしては、鉛蓄電池をはじめとする各種二次電池や、フライホイールなどのような機械電力で貯蔵するものなど様々なものがあるが、超電導コイルを用いたＳＭＥＳを電力変換装置に適用した小形かつ大容量のシステム開発が進められている。
【０００３】
従来のＳＭＥＳ電力変換装置として、例えば、特許文献１に示されたものは、超電導コイルの電力の入出力を２レベルのチョッパ回路で行うもので、チョッパ回路を構成する２つの半導体スイッチング素子をオン・オフ制御することで超電導コイルに印加する電圧を調整し、超電導コイル電流の増大、減少、および環流動作による超電導コイル電流の保持を行っている。
具体的な電力入出力制御の方式としては、例えば、特許文献２に示されている。ここでは、ＳＭＥＳが入出力すべき有効電力の指令値をチョッパ電力制御器に与えている。チョッパ電力制御器は、有効電力指令値と超電導コイルに流れる電流とから、超電導コイルに印加すべき電圧の指令値を出力する。ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御器は、この電圧指令値に基づいてＰＷＭ制御を行い、チョッパ回路の半導体スイッチング素子をオン・オフする駆動信号を出力する。ＰＷＭ制御は、２レベルの電圧形インバータで一般的に使用されている三角波比較方式などが適用可能である。
【０００４】
高圧大容量のＳＭＥＳ電力変換装置の電圧形インバータとして３レベルインバータを適用した場合、チョッパ回路も３レベルタイプが必要となる。図１０は、例えば、非特許文献１に示された３レベルチョッパ回路であり、２レベルインバータを３レベル化したインバータと同様に、２レベルチョッパ回路を３レベル化した構成である。
従って、３レベルチョッパのＰＷＭ制御には、３レベルインバータで一般的に使用されている制御方式が適用可能である。図１１は、非特許文献１に示されたダブルキャリアユニポーラ方式によるＰＷＭ制御であり、電圧指令値に応じた電圧が超電導コイルに印加されている。
【０００５】
図１２は、図１１と同じダブルキャリアユニポーラ方式のＰＷＭ制御を行った場合の、３レベルチョッパ回路における各半導体スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４のオン・オフ状態を示したものである。図１２に示したスイッチングパターンＳＰは、後段の、発明の実施の形態１の図３で説明する３レベルチョッパ回路を構成する４個の半導体スイッチング素子（７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、なお、この図１２では、Ｇ１〜Ｇ４で示す）が取り得る合計１６通りのオン・オフ状態に対応するスイッチングパターンに番号を付したものである。
【０００６】
図１２において、超電導コイルに流れる電流を増大させる超電導コイル充電時は、電圧指令値は正であり、３レベルチョッパ回路の外側の素子Ｇ１、Ｇ４のみがオン・オフを繰り返し、内側の素子Ｇ２、Ｇ３はオン状態のままでスイッチングしていない。逆に、超電導コイルに流れる電流を減少させる超電導コイル放電時は、電圧指令値は負であり、内側素子Ｇ２、Ｇ３のみがスイッチングを行い、外側素子Ｇ１、Ｇ４はオフ状態のままとなっている。この時、電圧指令値の正負、大小によって使用されるスイッチングパターンは異なるものの、電圧指令値が一定であれば、使用されるスイッチングパターンは全１６通りのうちの３種類となっている。また、図３のスイッチングパターンのうちで出力電圧が０Ｖである零電圧出力パターンは５種類あるのに対し、図１２で使用されている零電圧出力パターンはＳＰ６の１種類のみとなっている。
【０００７】
【特許文献１】特許第２５４３３３６号（第１図、第２図）
【特許文献２】特許第２７７１９４８号（図１）
【非特許文献１】船橋、高柳、林、三宮、堤：「１００ＭＶＡ級ＳＭＥＳ用電圧型交直変換装置の概念設計」、電気学会電力技術研究会資料、ＰＥ−０１−１２、ｐｐ．６７−７２、２００１年（図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、ＳＭＥＳ電力変換装置で使用されている３レベルチョッパの従来のダブルキャリアユニポーラ方式では、電圧指令値と三角波形の変調波との比較による論理出力でスイッチング素子の駆動信号を制御するため、電圧指令値に対してオンオフ動作をするスイッチング素子が特定の２素子に限定される。
この為、個々の適用において要求される運転パターンによって、例えば、オンオフ動作をするスイッチング素子を３個以上として各素子の負荷率を均等化させる方向を追求したい場合、また、充電、放電等の動作モードの移行を円滑にしたい場合等が生じても、従来の電圧指令値と三角波形の変調波との比較による論理出力でスイッチング素子を駆動する方式では、これら多様な要求に対応できないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、以上のような従来の問題点を解消するためになされたもので、３レベルチョッパにおいて、オンオフ動作をするスイッチング素子が、電圧指令値に応じて定まる２素子に限定されることなく、その選択に自由度を持たせることが出来、より広範囲な用途への適用が可能となる超電導コイル用電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る超電導コイル用電力変換装置は、正側端子、負側端子および中性点端子を備えた３レベルの直流電源と正負両極端子を備えた超電導コイルとの間に接続され、複数のスイッチング素子を備え、各スイッチング素子をオンオフすることにより直流電源と超電導コイルとの間で直流電力の授受を行う３レベルチョッパ、および超電導コイルの両極端子への直流出力電圧が電圧指令値に追随するよう各スイッチング素子をオンオフ制御するチョッパ制御手段を備えた超電導コイル用電力変換装置において、
チョッパ制御手段は、超電導コイルの充放電に係る複数種別の制御モード毎に予め各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、電圧指令値に応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択部、および直流出力電圧が電圧指令値に一致するよう選択されたスイッチングパターンによる３レベルチョッパの出力電圧パルス幅を演算し各スイッチング素子をオンオフ駆動する信号を作成するパルス作成部を備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明においては、制御モード毎に任意のスイッチングパターンを設定できるので、個々に要求される特性を満足させる方向で、３レベルチョッパを構成する各スイッチング素子をオンオフ動作させることができ、超電導コイル用電力変換装置として、より広範囲な用途への適用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による超電導コイル用電力変換装置の例を示す構成図である。
電力系統１に変圧器２を介して接続される電圧形インバータ回路３の直流出力端子（正側端子、負側端子および中性点端子）間に２つの直流コンデンサ４ａ、４ｂを直列に接続する。そして、３レベルチョッパであるチョッパ回路６は、直流電源となる２つの直流コンデンサ４ａ、４ｂと超電導コイル５との間でチョッパ動作によって双方向の電力変換を行う。
【００１３】
電圧形インバータ回路３は、高圧大容量の三相３レベルインバータであり、自己消弧機能を持った半導体スイッチング素子として、例えば、高耐圧大電流用途のＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）やＧＣＴサイリスタ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などが適用されるが、従来のパワートランジスタや近年高耐圧化が進んでいるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）なども適用可能である。三相３レベルインバータは、本願では主要部でなく、またその構成や動作については公知であるため、詳細な説明を省略する。
【００１４】
チョッパ回路６は、図２に示すような電圧可逆形のチョッパ回路であり、電圧形インバータ回路３と同様の３レベル構成によるブリッジ形チョッパ回路であるが、超電導コイル５に流す電流の向きを一方向に固定すると、電流の向きを逆転させるための半導体スイッチング素子が不要になるため、半導体素子の使用数が半分となっている。
即ち、第１および第２のスイッチング素子である半導体スイッチング素子７ａ、７ｂの直列接続の組と第３および第４のスイッチング素子である半導体スイッチング素子８ａ、８ｂの直列接続の組による２組の半導体スイッチング素子と、同様に、第１のダイオードであるダイオード９ａ、９ｂの直列接続の組と第２のダイオードであるダイオード１０ａ、１０ｂの直列接続の組による２組のダイオードと、直列に接続した半導体スイッチング素子同士の接続点を中性点端子にクランプするための第１および第２のクランプダイオードである２個のクランプダイオード１１ａ、１１ｂで構成される。
【００１５】
なお、図２では、半導体スイッチング素子としてＧＴＯを適用しているが、電圧形インバータ回路３で適用される半導体スイッチング素子に対応してＧＣＴ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴなど他の半導体スイッチング素子と置き換えてもよい。また、２個直列に接続したダイオードの組は、直流回路電圧に対して十分な耐圧があれば１個のダイオードに置き換えてもよい。
【００１６】
次に、図２に示したチョッパ回路６に関し、図３を参照して具体的なチョッパ動作を説明する。図３は、チョッパ回路６が取り得る全てのスイッチングパターンを示したものである。即ち、チョッパ回路６は、４個の半導体スイッチング素子７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂを持つため、図３に示したＳＰ０〜ＳＰ１５の合計１６通りのオン・オフ状態の組合せを取り得る。各スイッチングパターンＳＰ０〜ＳＰ１５において流れる電流経路により、直流コンデンサ４ａ、４ｂの充電または放電、超電導コイル電流の環流状態という３種類の動作モードに大きく分類できる。
【００１７】
但し、スイッチングパターンＳＰ０〜ＳＰ１５の中で、半導体スイッチング素子７ｂ（または８ａ）がオフの時に半導体スイッチング素子７ａ（または８ｂ）がスイッチングしても、電流経路は変わらない。そのため、ＳＰ１、８、９はＳＰ０と同じ電流経路となる。同様に、ＳＰ２とＳＰ１０、ＳＰ３とＳＰ１１、ＳＰ４とＳＰ５、ＳＰ１２とＳＰ１３がそれぞれ同じ電流経路となる。従って、半導体スイッチング素子７ｂ（または８ａ）がオフの時には、半導体スイッチング素子７ａ（または８ｂ）を必ずオフにすると決めると、使用するスイッチングパターンは全１６通りのうちＳＰ０、２、３、４、６、７、１２、１４、１５の９通りとなる。これにより、スイッチングパターンを選択する制御が簡素化できる。
【００１８】
図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ各スイッチングパターンＳＰ０、２、３および４の、図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ同ＳＰ６、７、１２および１４の、図６は同ＳＰ１５の電流経路をそれぞれ示している。
図３、図４〜６より、ＳＰ７、１４、１５は、超電導コイル５を流れる電流を増大させるスイッチングパターンであるため、超電導コイル充電制御モードで使用する。この内、ＳＰ１５は、電圧２Ｅを出力し、ＳＰ７、１４は、電圧Ｅを出力して超電導コイル５の充電を行うパターンである。
ＳＰ０、２、４は、超電導コイル５を流れる電流を減少させるスイッチングパターンであるため、超電導コイル放電制御モードで使用する。この内、ＳＰ０は、電圧（−２Ｅ）を出力し、ＳＰ２、４は、電圧（−Ｅ）を出力して超電導コイル５から放電を行うパターンである。
ＳＰ３、６、１２は、超電導コイル５の電流がチョッパ回路６の内部を通って環流するスイッチングパターンであり、超電導コイル５には電圧が印加されない零電圧出力のパターンである。これら零電圧出力のスイッチングパターンは超電導コイル５に流れる電流を保持する場合に使用するが、半導体素子を通流する際に若干の損失が発生するため、超電導コイル電流は徐々に減少する。従って、上述した超電導コイル充電制御モードと超電導コイル放電制御モード以外においては、超電導コイル電流の減少分を補償しながら超電導コイル電流を保持する超電導コイル電流補償制御モードを設ける。従って、チョッパ回路６の制御モードとしては、超電導コイル充電制御モード、超電導コイル放電制御モードおよび超電導コイル電流補償制御モードの３種類となる。
【００１９】
この発明では、これら各制御モード毎に予め各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定してチョッパ制御手段であるＰＷＭ制御器１４に格納しておく。以下、図７〜９により、各制御モード毎に設定したスイッチングパターンの順位の一例を説明する。
【００２０】
図７は、超電導コイル充電制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示したものである。他の制御モードとの切換えを円滑に行うために、他の制御モードと共通のスイッチングパターンとするＳＰ３、１２を備える。即ち、零電圧出力のスイッチングパターンであるＳＰ３またはＳＰ１２による環流モードの動作状態で、他の制御モードが有するＳＰ３またはＳＰ１２の位置への移行を可能とする。また、半導体スイッチング素子が同時に２つ以上スイッチングしないようにスイッチングパターンの連続性を考慮して、ＳＰ１２→ＳＰ１４→ＳＰ１５→ＳＰ７→ＳＰ３→ＳＰ７→ＳＰ１５→ＳＰ１４→ＳＰ１２の順序を１周期としてこのパターン順位を繰り返す。この結果、各半導体スイッチング素子が全て１回ずつオン・オフのスイッチング動作を行うことになる。
超電導コイル充電制御モードは、電力変換装置から大電力を出力した直後など、超電導コイル５の電流が定格値よりも大きく減少している場合に実行し、ＳＰ１５のパターン期間で直流回路電圧を超電導コイル５に印加して超電導コイル電流を増大する。
【００２１】
以上のように、スイッチングパターンの順位が１つ進むときに１つの半導体スイッチング素子のみがオンまたはオフの動作を行うので、制御が簡便で、かつ、図７に示す１周期で４つの半導体スイッチング素子が全て１回のオンオフ動作を行うので、従来のように、一部の素子にオンオフ動作が集中せず均等化する利点がある。
【００２２】
ここで、図７に示すスイッチングパターンの順序を設定した根拠について更に詳しく説明する。
図７で示す超電導コイル充電制御モードにおいては、超電導コイル５の充電を行うために、チョッパ回路３の出力電圧は、正（０〜２Ｅ）である必要がある。従って、このモードでは出力電圧がＥまたは２ＥであるＳＰ７、１４、１５を選択し、それぞれのパターンの出力時間（パルス幅）を調整して出力電圧指令値に応じた出力電圧制御をすることになる。但し、このＳＰ７、１４、１５の３パターンだけでパルス幅制御を行うと、どのような順序、どのようなパルス幅で制御しても、得られる平均出力電圧は、Ｅ〜２Ｅの範囲となるので、０〜Ｅの出力電圧指令値にも対応するためには零電圧出力のパターンも必要となる。
【００２３】
次に、パルス出力順序としては出力電圧で見て０→Ｅ→２Ｅ→Ｅ→０の繰返しが一般的と考えられる。その理由は、零電圧出力のパターンは４つの素子のうちいずれか２つがオン、２Ｅ出力は４つ全てがオンの状態であるので、同時に２つ以上スイッチングを行わないという条件を適用した場合、０→２Ｅまたは２Ｅ→０の順序は必ず２つの素子がオン、またはオフしなければならず、その条件に適合しないからである。
一方、Ｅ出力のパターンは、３つの素子がオンの状態であり、０←→Ｅ、Ｅ←→２Ｅのそれぞれの順序において適切なパターンを組み合わせることにより、いずれか１つの素子のみオンまたはオフすることで電圧出力を増減でき、上記条件を満たすことができる。
【００２４】
ここで、採用可能な零電圧出力パターンは、ＳＰ３、６、１２の３通りあり（すでにＳＰ１１、１３は除外済み）、ＳＰ６を３つの正電圧出力パターンＳＰ７、１４、１５と組み合わせた場合を考えると、全ての素子が均等にスイッチングする順序は得られない。ＳＰ６の代わりにＳＰ３またはＳＰ１２を零電圧出力パターンとしてこれを３つの正電圧出力パターンと組み合わせても同様である。
その他の零電圧出力の選び方として、３つのパターンから２つ選んで組み合わせる、また、３つとも組み合わせるというケースが考えられるが、その中でＳＰ３、１２の２つを選んで組み合わせた場合のみ、全ての素子が均等にスイッチングする順序が得られ、それが図７で示す内容となる。
【００２５】
次に、図８は、超電導コイル放電制御モードのスイッチングパターン配列を示したものである。他の制御モードとの切換えを行う零電圧出力パターンであるＳＰ３、１２を備え、連続的にスイッチングパターンを配置して、ＳＰ１２→ＳＰ４→ＳＰ０→ＳＰ２→ＳＰ３→ＳＰ２→ＳＰ０→ＳＰ４→ＳＰ１２の順序を１周期として繰り返す。この結果、超電導コイル充電制御モードと同様に、各半導体スイッチング素子が全て１回ずつオン・オフのスイッチングを行う。
図８に示すスイッチングパターン順序の設定根拠は、先の図７の場合と同様でありその説明は割愛する。
超電導コイル放電制御モードは、電力変換装置から電力を出力する場合に実行し、ＳＰ０のパターン期間で直流回路へ超電導コイル５の持つ電力を供給する。
【００２６】
図９は、超電導コイル電流補償制御モードのスイッチングパターン配列を示したものである。環流状態での超電導コイル電流の減少分はわずかであり、減少分を補償充電する場合の電圧指令値は０に近い値となるため、直流回路電圧の半分の電圧Ｅを超電導コイル５に印加するモードを設ける。これにより、直流回路全電圧２Ｅを印加する場合と比較して、電流が上昇する傾きも半分となり、電流リプルの小さい充電ができる。従って、電圧Ｅを出力するＳＰ７、１４を使用し、他の制御モードとの切換えを円滑に行うための零電圧出力パターンであるＳＰ３、１２を備える。
更に、他の制御モードと同様に、各半導体スイッチング素子が全て１回ずつオン・オフのスイッチングを行うという条件を満足させるため、零電圧出力パターンであるＳＰ６を加え、これらにより連続的にスイッチングパターンを配置して、ＳＰ１２→ＳＰ１４→ＳＰ６→ＳＰ７→ＳＰ３→ＳＰ７→ＳＰ６→ＳＰ１４→ＳＰ１２の順序を１周期として繰り返す。
【００２７】
次に、図１を用いてＰＷＭ制御器１４の動作について説明する。チョッパ電力制御器１３は、超電導コイル電流Ｉｄとインバータ電力制御器１２が出力する電力指令値Ｐｒｅｆを基に、チョッパ回路６が出力すべき電圧の指令値Ｖｄｒｅｆを演算し、ＰＷＭ制御器１４へ出力する。ＰＷＭ制御器１４の制御モード選択部１５は、電圧指令値Ｖｄｒｅｆを基に、チョッパ回路６の制御モードを選択する。即ち、負の電圧指令値に基づき超電導コイル放電制御モード、コイル放電制御後の正の電圧指令値に基づき超電導コイル充電制御モード、超電導コイル電流Ｉｄがほぼ定格値の時の微小な正の電圧指令値に基づき超電導コイル電流補償制御モードと、３つの制御モードのうちいずれか１つを選択する。スイッチングパターン選択部１６は、制御モード選択部１５が出力する制御モード信号に基づき、図７〜９で示した各制御モードに応じたそれぞれ５種類のスイッチングパターンを選択して出力する。
【００２８】
制御モード選択部１５によって超電導コイル充電制御モードが選択された場合、スイッチングパターン選択部１６は、図７に示したＳＰ３、７、１２、１４、１５の５種類のスイッチングパターンをパルス作成部１７へ出力する。パルス作成部１７は、直前の制御モードで出力していたスイッチングパターンが、零電圧出力パターンであるＳＰ３またはＳＰ１２の時に、新たな制御モードによるスイッチングパターンへ移行し、図７で示したスイッチングパターンの順序で出力パルスを作成する。
例えば、ＳＰ３を出力中に移行した場合、図７に示したＳＰ３から始まるスイッチングパターンの順序、即ち、ＳＰ３→ＳＰ７→ＳＰ１５→ＳＰ１４→ＳＰ１２→ＳＰ１４→ＳＰ１５→ＳＰ７→ＳＰ３の順序で出力パルスを作成する。また、ＳＰ１２を出力中に移行した場合は、ＳＰ１２から始まるＳＰ１２→ＳＰ１４→ＳＰ１５→ＳＰ７→ＳＰ３→ＳＰ７→ＳＰ１５→ＳＰ１４→ＳＰ１２の順序で出力パルスを作成する。
【００２９】
また、パルス作成部１７は、チョッパ回路６の平均出力電圧が電圧指令値Ｖｄｒｅｆ（＝０〜２Ｅ）と等しくなるように、各スイッチングパターンの出力継続時間（出力パルスの幅）を決定する。即ち、ＳＰ３の出力継続時間をｔ３、ＳＰ７の出力継続時間をｔ７、ＳＰ１２の出力継続時間をｔ１２、ＳＰ１４の出力継続時間をｔ１４、ＳＰ１５の出力継続時間をｔ１５、スイッチングパターンが一巡する時間をＴ１とすると、
Ｔ１＝ｔ３＋ｔ７×２＋ｔ１２＋ｔ１４×２＋ｔ１５×２
となり、チョッパ回路６の平均出力電圧は、
（Ｅ×ｔ７×２＋Ｅ×ｔ１４×２＋２Ｅ×ｔ１５×２）／Ｔ１＝Ｖｄｒｅｆ
となる。
【００３０】
従って、パルス作成部１７は、スイッチングパターンの出力順序と決定した各スイッチングパターンの出力継続時間の情報をチョッパ回路６への駆動信号として順次出力する。その結果、チョッパ回路６には、５種類のスイッチングパターンのうちいずれか１つが入力される。そして、その順序は半導体スイッチング素子が同時に２つ以上スイッチングすることなく、かつ、全ての半導体スイッチング素子が同じ回数のオン・オフのスイッチングを行うこととなり、ＳＰ７、１４、１５のパターン期間で直流回路電圧Ｅまたは２Ｅが超電導コイル５に印加され超電導コイル電流が増大する。
【００３１】
制御モード選択部１５によって超電導コイル放電制御モードが選択された場合も、超電導コイル充電制御モードが選択された場合と同様であり、スイッチングパターン選択部１６は、図８に示したＳＰ０、２、３、４、１２の５種類のスイッチングパターンをパルス作成部１７へ出力する。パルス作成部１７は、直前の制御モードで出力していたスイッチングパターンが、零電圧出力パターンであるＳＰ３またはＳＰ１２の時に、新たな制御モードによるスイッチングパターンへ移行し、ＳＰ３を出力中に移行した場合は、図８に示したＳＰ３から始まるＳＰ３→ＳＰ２→ＳＰ０→ＳＰ４→ＳＰ１２→ＳＰ４→ＳＰ０→ＳＰ２→ＳＰ３の順序で、ＳＰ１２を出力中に移行した場合は、ＳＰ１２から始まるＳＰ１２→ＳＰ４→ＳＰ０→ＳＰ２→ＳＰ３→ＳＰ２→ＳＰ０→ＳＰ４→ＳＰ１２の順序で出力パルスを作成する。
【００３２】
また、パルス作成部１７は、電圧指令値Ｖｄｒｅｆ（＝−２Ｅ〜０）に対して、ＳＰ０の出力継続時間をｔ０、ＳＰ２の出力継続時間をｔ２、ＳＰ３の出力継続時間をｔ３、ＳＰ４の出力継続時間をｔ４、ＳＰ１２の出力継続時間をｔ１２、スイッチングパターンが一巡する時間をＴ２とすると、チョッパ回路６の平均出力電圧が、
（−２Ｅ×ｔ０×２−Ｅ×ｔ２×２−Ｅ×ｔ４×２）／Ｔ２＝Ｖｄｒｅｆ
但し、Ｔ２＝ｔ０×２＋ｔ２×２＋ｔ３＋ｔ４×２＋ｔ１２
となるように、各スイッチングパターンの出力継続時間（出力パルスの幅）を決定する。
パルス作成部１７が、スイッチングパターンの出力順序と決定した各スイッチングパターンの出力継続時間の情報を駆動信号として順次出力することにより、チョッパ回路６には５種類のスイッチングパターンのうちいずれか１つが入力される。そして、その順序は、半導体スイッチング素子が同時に２つ以上スイッチングすることなく、かつ、全ての半導体スイッチング素子が同じ回数のオン・オフのスイッチングを行うこととなり、ＳＰ０、２、４のパターン期間で直流回路電圧−Ｅまたは−２Ｅが超電導コイル５に印加され超電導コイル電流が減少する。
【００３３】
制御モード選択部１５によって超電導コイル電流補償制御モードが選択された場合も、超電導コイル充電制御モード、超電導コイル放電制御モードが選択された場合と同様であり、スイッチングパターン選択部１６は、図９に示したＳＰ３、６、７、１２、１４の５種類のスイッチングパターンをパルス作成部１７へ出力する。パルス作成部１７は、直前の制御モードで出力していたスイッチングパターンが、零電圧出力パターンであるＳＰ３またはＳＰ１２の時に、新たな制御モードによるスイッチングパターンへ移行し、ＳＰ３を出力中に移行した場合は、図９に示したＳＰ３から始まるＳＰ３→ＳＰ７→ＳＰ６→ＳＰ１４→ＳＰ１２→ＳＰ１４→ＳＰ６→ＳＰ７→ＳＰ３の順序で、ＳＰ１２を出力中に移行した場合は、ＳＰ１２から始まるＳＰ１２→ＳＰ１４→ＳＰ６→ＳＰ７→ＳＰ３→ＳＰ７→ＳＰ６→ＳＰ１４→ＳＰ１２の順序で出力パルスを作成する。
【００３４】
また、パルス作成部１７は、微小な正の電圧指令値Ｖｄｒｅｆに対して、ＳＰ３の出力継続時間をｔ３、ＳＰ６の出力継続時間をｔ６、ＳＰ７の出力継続時間をｔ７、ＳＰ１２の出力継続時間をｔ１２、ＳＰ１４の出力継続時間をｔ１４、スイッチングパターンが一巡する時間をＴ３とすると、チョッパ回路６の平均出力電圧が、
（Ｅ×ｔ７×２＋Ｅ×ｔ１４×２）／Ｔ３＝Ｖｄｒｅｆ
但し、Ｔ３＝ｔ３＋ｔ６×２＋ｔ７×２＋ｔ１２＋ｔ１４×２
となるように、各スイッチングパターンの出力継続時間（出力パルスの幅）を決定する。
パルス作成部１７が、スイッチングパターンの出力順序と決定した各スイッチングパターンの出力継続時間の情報を駆動信号として順次出力することにより、チョッパ回路６には５種類のスイッチングパターンのうちいずれか１つが入力される。そして、その順序は、半導体スイッチング素子が同時に２つ以上スイッチングすることなく、かつ、全ての半導体スイッチング素子が同じ回数のオン・オフのスイッチングを行うこととなり、ＳＰ７、１４のパターン期間で直流回路電圧Ｅが超電導コイル５に印加され超電導コイル電流が増大して回路の損失による電流減少が補償される。
【００３５】
以上のように、この発明の実施の形態１においては、チョッパ回路６の３種類全ての制御モードにおいて、半導体スイッチング素子が同時に２つ以上スイッチングすることなく各制御モード内での制御が簡便円滑となる。また、各半導体スイッチング素子のスイッチング回数を平均化でき、スイッチングに伴う発熱を各半導体スイッチング素子に分散することが可能となる。また、全ての制御モードに共通の零電圧出力パターンＳＰ３、１２を備えたので、各制御モードの切換え移行を円滑に行うことができる。
【００３６】
なお、この発明の実施の形態１では、３つの制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を、それぞれ図７〜９で示すものとしたが、制御モード毎に予め各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、電圧指令値に応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するという本願発明の適用においては、必ずしも、例示した図に示す順序に限られるものではない。
その場合も、従来のように、オンオフ動作をするスイッチング素子が電圧指令値に応じて定まる２素子に限定されることなく、その選択に自由度を持たせることが出来、より広範囲な用途への適用が可能となるという本願発明の課題を解決することが出来る。
【００３７】
また、この発明の各変形例において、３レベルチョッパは、アノードが直流電源の正側端子に接続される第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが超電導コイルの正極端子に接続される第２のスイッチング素子、アノードが超電導コイルの負極端子に接続される第３のスイッチング素子、この第３のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが直流電源の負側端子に接続される第４にスイッチング素子、アノードが直流電源の負側端子に接続されカソードが超電導コイルの正極端子に接続される第１のダイオード、アノードが超電導コイルの負極端子に接続されカソードが直流電源の正側端子に接続される第２のダイオード、アノードが直流電源の中性点端子に接続されカソードが第１と第２のスイッチング素子の接続点に接続される第１のクランプダイオード、およびアノードが第３と第４のスイッチング素子の接続点に接続されカソードが直流電源の中性点端子に接続される第２のクランプダイオードを備えたので、制御モード毎に任意のスイッチングパターンを設定して、個々に要求される特性を満足させることができる３レベルチョッパを確実に実現させることが可能となる。
【００３８】
また、直流電源の正側端子、負側端子および中性点端子の電圧をそれぞれ、＋Ｅ、−Ｅおよび０とし、３レベルチョッパの直流出力電圧平均値をＥＤとしたとき、
複数種別の制御モードは、＋２Ｅ＞ＥＤ＞０の電圧範囲で制御する超電導コイル充電制御モード、０＞ＥＤ＞−２Ｅの電圧範囲で制御する超電導コイル放電制御モード、および＋Ｅ＞ＥＤ＞０の電圧範囲で制御する超電導コイル電流補償制御モードからなるので、超電導コイルに必要な操作が確実になされる。
【００３９】
また、超電導コイル充電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子をＳＷ−１〜ＳＷ−４と表示する）のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を下記の順位で繰り返すものとしたので、超電導コイルの充電動作が円滑確実になされる。
順位    ＳＷ−１    ＳＷ−２    ＳＷ−３    ＳＷ−４
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
２      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
３      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
４      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
５      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ
６      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
７      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
８      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
【００４０】
また、超電導コイル放電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子をＳＷ−１〜ＳＷ−４と表示する）のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を下記の順位で繰り返すものとしたので、超電導コイルの放電動作が円滑確実になされる。
順位    ＳＷ−１    ＳＷ−２    ＳＷ−３    ＳＷ−４
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
２      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
３      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ
４      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ
５      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ
６      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ
７      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＦＦ
８      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
【００４１】
また、超電導コイル電流補償制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子をＳＷ−１〜ＳＷ−４と表示する）のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を下記の順位で繰り返すものとしたので、超電導コイルの電流補償動作が円滑確実になされる。
順位    ＳＷ−１    ＳＷ−２    ＳＷ−３    ＳＷ−４
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
２      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
３      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
４      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
５      ＯＦＦ      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ
６      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ
７      ＯＦＦ      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
８      ＯＮ        ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ
１      ＯＮ        ＯＮ        ＯＦＦ      ＯＦＦ
【００４２】
また、電圧指令値の変化に応じて制御モードをそれまでの制御モードから他の制御モードに移行する場合、移行前の制御モードにおける出力電圧が零となるスイッチングパターン順位から各スイッチング素子のオンオフ状態が移行前スイッチングパターン順位のオンオフ状態と同一となる移行先制御モードにおけるスイッチングパターン順位に移行するようにしたので、各制御モードの切換え移行が円滑になされる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の実施の形態１における超電導コイル用電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるチョッパ回路６の内部構成図である。
【図３】チョッパ回路６の半導体スイッチング素子が取り得る全てのオン・オフ状態の組み合わせを示すスイッチングパターン表である。
【図４】チョッパ回路６の各スイッチングパターンＳＰ０、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＰ４における電流経路を示す図である。
【図５】同じく、チョッパ回路６の各スイッチングパターンＳＰ６、ＳＰ７、ＳＰ１２、ＳＰ１４における電流経路を示す図である。
【図６】同じく、チョッパ回路６のスイッチングパターンＳＰ１５における電流経路を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における超電導コイル充電制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１における超電導コイル放電制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１における超電導コイル電流補償制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示す図である。
【図１０】従来の３レベルチョッパ回路と超電導コイルを示す図である。
【図１１】従来の３レベルチョッパ回路のＰＷＭ制御法を示す波形図である。
【図１２】従来の３レベルチョッパ回路のＰＷＭ制御を行った場合の、各半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４４】
３  電圧形インバータ回路、４ａ，４ｂ  直流コンデンサ、５  超電導コイル、
６  チョッパ回路、７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ  半導体スイッチング素子、
９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ  ダイオード、１１ａ，１１ｂ  クランプダイオード、
１２  インバータ電力制御器、１３  チョッパ電力制御器、１４  ＰＷＭ制御器、
１５  制御モード選択部、１６  スイッチングパターン選択部、１７  パルス作成部、
Ｖｄｒｅｆ  電圧指令値。
【図１】
2008161003.tif 000003
【図２】
2008161003.tif 000004
【図３】
2008161003.tif 000005
【図４】
2008161003.tif 000006
【図５】
2008161003.tif 000007
【図６】
2008161003.tif 000008
【図７】
2008161003.tif 000009
【図８】
2008161003.tif 000010
【図９】
2008161003.tif 000011
【図１０】
2008161003.tif 000012
【図１１】
2008161003.tif 000013
【図１２】
2008161003.tif 000014