(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電圧源の各相に一次巻線が接続された変圧器と、
前記変圧器の二次巻線にそれぞれ接続された単位変換器と、を備えた三相９レベル電力変換装置であって、
前記単位変換器は、整流器と電圧バランス回路と単相インバータとを備え、
前記整流器は、変圧器の二次巻線と接続されたスイッチングデバイスを備え、
前記電圧バランス回路は、
前記整流器の正極端に、それぞれ一端が接続された第７，第８スイッチングデバイスと、
前記整流器の負極端に、それぞれ一端が接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、
第７スイッチングデバイスの他端と、第１０スイッチングデバイスの他端と、の間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、
第１，第２コンデンサの共通接続点と、第３，第４コンデンサの共通接続点と、の間に順次直列接続された第１１〜第１４スイッチングデバイスと、
第１，第２コンデンサの共通接続点と第３，第４コンデンサの共通接続点との間に順次直列接続された第２３〜第２６スイッチングデバイスと、
第１コンデンサの正極端と第２３，第２４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１９，第２０スイッチングデバイスと、
第２５，第２６スイッチングデバイスの共通接続点と第４コンデンサの負極端との間に順次直列接続された第２１，第２２スイッチングデバイスと、
を備え、
第８スイッチングデバイスの他端と第１１，第１２スイッチングデバイスの共通接続点を接続し、
第９スイッチングデバイスの他端と、第１３，第１４スイッチングデバイスの共通接続点を接続し、
第１２，第１３スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、
第２４，第２５スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、この接続点を中性点とし、
単相インバータ回路は、第１９，第２０スイッチングデバイスの共通接続点と第２１，第２２スイッチングデバイスの共通接続点との間に、順次直列接続された第１５，第１６スイッチングデバイスと、順次直列接続された第１７，第１８スイッチングデバイスを備え、
前記各相の単位変換器の単相インバータの第１５，第１６スイッチングデバイスの共通接続点をＹ結線したことを特徴とする三相９レベル電力変換装置。
【請求項２】
三相交流電圧源の各相に一次巻線が接続された変圧器と、
前記変圧器の二次巻線にそれぞれ接続された単位変換器と、を備えた三相９レベル電力変換装置であって、
前記単位変換器は、整流器と電圧バランス回路と単相インバータとを備え、
前記整流器は、変圧器の二次巻線に接続されたダイオードを備え、
前記電圧バランス回路は、
前記整流器の正極端に、それぞれ一端が接続された第７ダイオードと第８スイッチングデバイスと、
前記整流器の負極端に、それぞれ一端が接続された第９，スイッチングデバイスと第８ダイオードと、
第７ダイオードの他端と、第８ダイオードの他端と、の間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、
第１，第２コンデンサの共通接続点と、第３，第４コンデンサの共通接続点と、の間に順次直列接続された第９ダイオードと第１２スイッチングデバイスと第１３スイッチングデバイスと第１０ダイオードと、
第１，第２コンデンサの共通接続点と第３，第４コンデンサの共通接続点との間に順次直列接続された第２３〜第２６スイッチングデバイスと、
第１コンデンサの正極端と第２３，第２４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１９，第２０スイッチングデバイスと、
第２５，第２６スイッチングデバイスの共通接続点と第４コンデンサの負極端との間に順次直列接続された第２１，第２２スイッチングデバイスと、
を備え、
第８スイッチングデバイスの他端と、第９ダイオードと第１２スイッチングデバイスの共通接続点と、を接続し、
第９スイッチングデバイスの他端と、第１３スイッチングデバイスと第１０ダイオードの共通接続点を接続し、
第１２，第１３スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、
第２４，第２５スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、この接続点を中性点とし、
単相インバータ回路は、第１９，第２０スイッチングデバイスの共通接続点と第２１，第２２スイッチングデバイスの共通接続点との間に、順次直列接続された第１５，第１６スイッチングデバイスと、順次直列接続された第１７，第１８スイッチングデバイスを備え、
前記各相の単位変換器の単相インバータの第１５，第１６スイッチングデバイスの共通接続点をＹ結線したことを特徴とする三相９レベル電力変換装置。
【請求項３】
各相の変圧器と単位変換器間にリアクトルを挿入したことを特徴とする請求項１または２記載の三相９レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単位変換器を多重化した三相９レベル電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマルチレベル電力変換器として、非特許文献２および図６に示すような多相変圧器１と、多重化した単位変換器２ａと、を接続したカスケードマルチレベル電力変換器が知られている。
【０００３】
多相変圧器１は、単位変換器２ａ１台に対して３本の二次巻線数を必要とする。図６では単位変換器２ａが３台であるため、多相変圧器１の二次巻線数は９回路である。多相変圧器１を用いない場合、変圧器が９台必要となる。
【０００４】
単位変換器２ａは、三相の整流器と単相のインバータから構成される。図６では、ＰｈａｓｅＡ，ＰｈａｓｅＢ，ＰｈａｓｅＣの各相に、単位変換器２ａが３直列接続されている。
【０００５】
図６に示す各単位変換器２ａの直流電圧＝Ｅとすると、単位変換器２ａの出力電圧レベルはＥ，０，−Ｅの３レベルとなる。したがって、このカスケードマルチレベル電力変換器の出力相電圧（Ｎ端子を基準とした出力端子Ａ，Ｂ，Ｃ）の電圧レベル数は、３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅの７レベルとなる。したがって、出力線間電圧（ＡＢ端子間電圧など）は、６Ｅ，５Ｅ，４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅ，−６Ｅの１３レベルとなる。
【０００６】
単位変換器２ａ内の単相インバータは、４個のスイッチングデバイス（例えば、ＩＧＢＴ）で構成される。さらに、図７（ａ）に示すように単位変換器２ａ内の整流器をダイオード整流器にした場合は６個のダイオード，図７（ｂ）に示すように単位変換器２ａ内の整流器をＰＷＭ整流器とした場合は６個のスイッチングデバイスがさらに必要である。
【０００７】
図７（ｂ）に示す整流器３ｂはマルチレベル電力変換器に電力回生を行う機能が必要な場合に用いられる。電力回生を行う機能が不要な場合は、図７（ａ）に示す整流器３ａでもよい。なお、図６，図７では、スイッチングデバイスとしてＩＧＢＴを示しているが、他の自己消弧形半導体デバイスに置き換えてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願２０１４−３６０９５号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】近藤  洋介，Ｈａｔｔｉ  Ｎａｔｃｈｐｏｎｇ，赤木  泰文  「５レベルダイオードクランプＰＷＭ整流器・インバータによる誘導電動機駆動システム」  電気学会論文誌Ｄ分冊  １２８巻３号，２００８年
【非特許文献２】Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，Ｊ他  「Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ：ａ  ｓｕｒｖｅｙ  ｏｆ  ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｓ，ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ，Ｖｏｌｕｍｅ４９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような構成（図６）において、相電圧で９レベル、線間電圧で１７レベルを出力できる三相９レベル電力変換装置を実現するためには単位変換器２ａを一相当たり、４台多重することが必要となる。
【００１１】
この場合、回生動作を行うために単位変換器２ａにＰＷＭ整流器を用いると、１つの単位変換器２ａにスイッチングデバイスが１０個搭載されるため、三相９レベル電力変換装置では、１０×４×３＝１２０個のスイッチングデバイスが必要である。
【００１２】
回生動作が不要であり単位変換器２ａにダイオード整流器を用いた場合、１つの単位変換器２ａにスイッチングデバイスが４個、ダイオードが６個搭載されるため、三相９レベル電力変換装置では、４×４×３＝４８個のスイッチングデバイスと、６×４×３＝７２個のダイオードが必要である。
【００１３】
このように、従来は、多数のスイッチングデバイスもしくは多数のダイオードを必要とするため、装置の大型化とコストアップにつながっていた。
【００１４】
また、図６に示す構成では、入力電源の高調波電流抑制のため、１次巻線−２次巻線間の位相差の種類が３種類であり、かつ、２次巻線数が９回路である多相変圧器を用いている。そのため、図６に示す多相変圧器の最上部と最下部の２次巻線は、お互いの位相角が異なる偏延べ結線となっている。このため、変圧器の製作の難易性、ついてはこの変圧器を含む装置のコストアップにつながっていた。
【００１５】
以上示したように、三相９レベル電力変換装置において、スイッチングデバイス数やダイオード数を低減し、装置の小型化、低コスト化を図ることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、三相交流電圧源の各相に一次巻線が接続された変圧器と、前記変圧器の二次巻線にそれぞれ接続された単位変換器と、を備えた三相９レベル電力変換装置であって、前記単位変換器は、整流器と電圧バランス回路と単相インバータとを備え、前記整流器は、変圧器の二次巻線に接続されたスイッチングデバイスを備え、前記電圧バランス回路は、前記整流器の正極端に、それぞれ一端が接続された第７，第８スイッチングデバイスと、前記整流回路の負極端に、それぞれ一端が接続された第９，第１０スイッチングデバイスと、第７スイッチングデバイスの他端と、第１０スイッチングデバイスの他端と、の間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、第１，第２コンデンサの共通接続点と、第３，第４コンデンサの共通接続点と、の間に順次直列接続された第１１〜第１４スイッチングデバイスと、第１，第２コンデンサの共通接続点と第３，第４コンデンサの共通接続点との間に順次直列接続された第２３〜第２６スイッチングデバイスと、第１コンデンサの正極端と第２３，第２４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１９，第２０スイッチングデバイスと、第２５，第２６スイッチングデバイスの共通接続点と第４コンデンサの負極端との間に順次直列接続された第２１，第２２スイッチングデバイスと、を備え、第８スイッチングデバイスの他端と第１１，第１２スイッチングデバイスの共通接続点を接続し、第９スイッチングデバイスの他端と、第１３，第１４スイッチングデバイスの共通接続点を接続し、第１２，第１３スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、第２４，第２５スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、この接続点を中性点とし、単相インバータ回路は、第１９，第２０スイッチングデバイスの共通接続点と第２１，第２２スイッチングデバイスの共通接続点との間に、順次直列接続された第１５，第１６スイッチングデバイスと、順次直列接続された第１７，第１８スイッチングデバイスを備え、前記各相の単位変換器の単相インバータの第１５，第１６スイッチングデバイスの共通接続点をＹ結線したことを特徴とする。
【００１７】
また、他の態様として、三相交流電圧源の各相に一次巻線が接続された変圧器と、前記変圧器の二次巻線にそれぞれ接続された単位変換器と、を備えた三相９レベル電力変換装置であって、前記単位変換器は、整流器と電圧バランス回路と単相インバータとを備え、前記整流器は、変圧器の二次巻線に接続されたダイオードを備え、前記電圧バランス回路は、前記整流器の正極端に、それぞれ一端が接続された第７ダイオードと第８スイッチングデバイスと、前記整流器の負極端に、それぞれ一端が接続された第９，スイッチングデバイスと第８ダイオードと、第７ダイオードの他端と、第８ダイオードの他端と、の間に順次直列接続された第１〜第４コンデンサと、第１，第２コンデンサの共通接続点と、第３，第４コンデンサの共通接続点と、の間に順次直列接続された第９ダイオードと第１２スイッチングデバイスと第１３スイッチングデバイスと第１０ダイオードと、第１，第２コンデンサの共通接続点と第３，第４コンデンサの共通接続点との間に順次直列接続された第２３〜第２６スイッチングデバイスと、第１コンデンサの正極端と第２３，第２４スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された第１９，第２０スイッチングデバイスと、第２５，第２６スイッチングデバイスの共通接続点と第４コンデンサの負極端との間に順次直列接続された第２１，第２２スイッチングデバイスと、を備え、第８スイッチングデバイスの他端と、第９ダイオードと第１２スイッチングデバイスの共通接続点と、を接続し、第９スイッチングデバイスの他端と、第１３スイッチングデバイスと第１０ダイオードの共通接続点を接続し、第１２，第１３スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、第２４，第２５スイッチングデバイスの共通接続点と、第２，第３コンデンサの共通接続点を接続し、この接続点を中性点とし、単相インバータ回路は、第１９，第２０スイッチングデバイスの共通接続点と第２１，第２２スイッチングデバイスの共通接続点との間に、順次直列接続された第１５，第１６スイッチングデバイスと、順次直列接続された第１７，第１８スイッチングデバイスを備え、前記各相の単位変換器の単相インバータの第１５，第１６スイッチングデバイスの共通接続点をＹ結線したことを特徴とする。
【００１８】
また、その一態様として、各相の変圧器と単位変換器間にリアクトルを挿入したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、３相９レベル電力変換装置において、スイッチングデバイス数やダイオード数を低減し、装置の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１における単位変換器を示す回路図。
【図２】三相交流電圧の線間電圧を示すタイムチャート。
【図３】コンデンサ電圧の充放電動作例を示す回路図。
【図４】実施形態１における三相９レベル電力変換装置を示す概略図。
【図５】実施形態２における単位変換器を示す回路図。
【図６】多相変圧器を用いたカスケードマルチレベル変換器を示す概略図。
【図７】ダイオード整流器およびＰＷＭ整流器を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の目的は、三相９レベル電力変換装置において、スイッチングデバイス数やダイオード数を低減した三相−単相または単相−単相の単位変換器を実現し、さらにこれを多重化することにより、装置の小型化・低コストを実現することである。
【００２２】
以下、本発明に係る三相９レベル電力変換装置の実施形態１，２を図１〜図３に基づいて詳述する。
【００２３】
［実施形態１］
実施形態１では、回生機能が必要で、かつ、三相交流電源の高調波電流低減が必要な三相９レベル電力変換装置について説明する。
【００２４】
図１に本実施形態１における三相９レベル電力変換装置の単位変換器２ｂを示す。本実施形態１における単位変換器２ｂは、整流器３ｂと、単相インバータ４と、電圧バランス回路５ａと、を備えている。
【００２５】
整流器３ｂは、図外の三相変圧器における二次巻線Ｒ，Ｓ，Ｔ端子に、第１〜第６スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ６を三相ブリッジ接続した三相ＰＷＭ整流器である。この整流器３ｂを用いて交流−直流変換を行い、整流器３ｂの直流変換部の直流電圧をＶDCとする。
【００２６】
電圧バランス回路５ａは、整流器３ｂの正極端に第７スイッチングデバイスＳ７のエミッタ端子と第８スイッチングデバイスＳ８のコレクタ端子とを接続し、整流器３ｂの直流変換部における負極端に第９スイッチングデバイスＳ９のエミッタ端子と第１０スイッチングデバイスＳ１０のコレクタ端子とを接続する。
【００２７】
また、第７スイッチングデバイスＳ７のコレクタ端子と第１０スイッチングデバイスＳ１０のエミッタ端子との間に第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４を順次直列接続する。第１コンデンサＣ１の正極端をＰ１、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点をＰ２、第３，第４コンデンサＣ３，Ｃ４の共通接続点をＮ１、第４コンデンサＣ４の負極端をＮ２とする。第１〜第４コンデンサにより、Ｐ１−Ｎ２間を４分圧する。
【００２８】
さらに、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点と第３，第４コンデンサＣ３，Ｃ４の共通接続点との間に第１１〜第１４スイッチングデバイスＳ１１〜Ｓ１４を順次直列接続する。
【００２９】
なお、第８スイッチングデバイスＳ８のエミッタ端子と第１１，第１２スイッチングデバイスの共通接続点とを接続し、第９スイッチングデバイスＳ９のコレクタ端子と第１３，第１４スイッチングデバイスの共通接続点とを接続する。また、第１２，第１３スイッチングデバイスＳ１２，Ｓ１３の共通接続点と第２，第３コンデンサＣ２，Ｃ３の共通接続点とを接続し、この接続点を中性点ＮＰとする。
【００３０】
また、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点と第３，第４コンデンサＣ３，Ｃ４の共通接続点との間に第２３〜第２６スイッチングデバイスＳ２３〜Ｓ２６が順次直列接続される。第１コンデンサＣ１の正極端と第２３，第２４スイッチングデバイスＳ２３，Ｓ２４の共通接続点との間には第１９，第２０スイッチングデバイスＳ１９，Ｓ２０が順次直列接続される。第２５，第２６スイッチングデバイスＳ２５，Ｓ２６の共通接続点と第４コンデンサＣ４の負極端との間には第２１，第２２スイッチングデバイスＳ２１，Ｓ２２が順次直列接続される。なお、第２４，第２５スイッチングデバイスＳ２４，Ｓ２５の共通接続点は中性点ＮＰに接続される。
【００３１】
単相インバータ４は、電圧バランス回路５ａの第１９，第２０スイッチングデバイスＳ１９，Ｓ２０の共通接続点と、第２１，第２２スイッチングデバイスＳ２１，Ｓ２２の共通接続点を入力端子とし、第１５〜第１８スイッチングデバイスＳ１５〜Ｓ１８をＨブリッジ接続したものである。すなわち、第１９，第２０スイッチングデバイスＳ１９，Ｓ２０の共通接続点と第２１，第２２スイッチングデバイスＳ２１、Ｓ２２の共通接続点との間に、第１５，第１６スイッチングデバイスＳ１５、Ｓ１６を順次直列接続すると共に、第１７，第１８スイッチングデバイスＳ１７、Ｓ１８を順次直列接続する。ここで、第１７，第１８スイッチングデバイスＳ１７，Ｓ１８の共通接続点を出力端子Ａとし、第１５，第１６スイッチングデバイスＳ１５，Ｓ１６の共通接続点を出力端子Ｂとする。
【００３２】
上記のような構成により、整流器３ｂにおける直流変換部に、変圧器の二次巻線Ｒ，Ｓ，Ｔ端子間の線間電圧ＶRS，ＶST，ＶTRを発生させることができる。
【００３３】
図２は、上記線間電圧ＶRS，ＶST，ＶTRの絶対値である｜ＶRS｜，｜ＶST｜，｜ＶTR｜を示すタイムチャートである。この｜ＶRS｜，｜ＶST｜，｜ＶTR｜は、第１〜第６スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ６によって、直流電圧ＶDCに接続できる。
【００３４】
例えば、表１に示すように、Ｕ相であれば第１，第２スイッチングデバイスＳ１とＳ２のスイッチング動作により、整流器３ｂの直流変換部の直流電圧＋ＶDC、または、−ＶDCは、整流器３ｂの交流側の電圧ＶRS，ＶST，ＶTRのいずれかとなる。
【００３５】
【表１】
0006341075.tif 000002
【００３６】
電圧バランス回路５ａでは、表２に示すように、第７〜第１４スイッチングデバイスＳ７〜Ｓ１４のスイッチングパターンによって、直流変換部の直流電圧ＶDCを４分圧された第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４のうちいずれかのコンデンサに接続し、各コンデンサ電圧を調整する動作を行うことができる。
【００３７】
【表２】
0006341075.tif 000003
【００３８】
本実施形態１における三相９レベル電力変換装置によれば、これらの動作を利用して、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧をバランスさせること、および、入力電流の高調波を低減する動作を行うことができる。
【００３９】
充放電させたい第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４を、各コンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４の検出値と、コンデンサ電圧指令値Ｖｃ１*より選択する。
【００４０】
次に、第１〜第６スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ６と第７〜第１４スイッチングデバイスＳ７〜Ｓ１４の動作により、線間電圧ＶRS，ＶST，ＶTRのうち、その絶対値が充放電するコンデンサの印加電圧合計値と最も近い線間電圧を選択し、充放電するコンデンサに接続して、各コンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４を制御する。
【００４１】
その動作例を図３に示す。なお、図３では変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３を図示省略している。ここでは、直流電流ＩDCの向きが図３に示す向きの力行負荷状態とする。ここで例として、コンデンサ電圧指令値Ｖｃ１*＝１００Ｖに対して、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４のコンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４が、Ｖｃ１＝Ｖｃ２＝９８Ｖ，Ｖｃ３＝Ｖｃ４＝１０２Ｖであるとする。この状態ではコンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ２がコンデンサ電圧指令値Ｖｃ１*未満であるため、第１，第２コンデンサＣ１とＣ２を充電させる。第１，第２コンデンサＣ１とＣ２を充電させるためには、表２のＭｏｄｅ４に示すように、第７，第９，第１３スイッチングデバイスＳ７，Ｓ９，Ｓ１３をオンさせる。
【００４２】
さらに、このとき、線間電圧ＶRS＝２００Ｖ，ＶST＝−１００Ｖ，ＶTR＝−１００Ｖであれば、印加電圧合計値Ｖｃ１＋Ｖｃ２＝１９６Ｖで線間電圧ＶRSと最も近く、かつ、線間電圧ＶRS＞０であるため、第１，第４スイッチングデバイスＳ１，Ｓ４をオンさせる。また、各スイッチングデバイスのオンオフ動作は、制御部（図示省略）から出力されるゲート信号によって制御される。この時、第３，第４コンデンサＣ３，Ｃ４は三相交流電源６とは接続されないため、負荷（図示省略）によって放電される。
【００４３】
このように、線間電圧ＶRS，ＶST，ＶTRと各コンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４を検出し、第１〜第１４スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１４のスイッチングパターンを決定しスイッチングさせることによって、各コンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４をコンデンサ電圧指令値Ｖｃ１*に制御し、４つの第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４のコンデンサ電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４をバランスさせることができる。
【００４４】
なお、直流電流ＩDCの向きが逆の回生負荷状態の場合は、線間電圧ＶRS，ＶST，ＶTRと第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４が接続されているときに第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４は放電状態、接続されていないときに第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４は充電状態となるため、それに応じて第１〜第１４スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１４を制御する。負荷状態が力行か回生かは、直流電流ＩDCを検出することにより判定できる。
【００４５】
また、整流器３ｂの第１〜第６スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ６のスイッチングを三角波キャリア信号と同期させることによって、第１〜第６スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ６のスイッチング周波数は数ｋＨｚレベルになる。この高速スイッチング動作によって、整流器３ｂへの入力電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴの高調波成分を低減できる。
【００４６】
一方、Ｓ１５〜Ｓ２６のスイッチングパターンの正の半周期を表３に示す。
【００４７】
【表３】
0006341075.tif 000004
【００４８】
第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧がＥであるときは、端子Ｂと端子Ａ間の電圧に、４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅの９レベルの電圧を発生させることができる。
【００４９】
図４に示すように、三相交流電源６に３つの変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３を並列接続し、この変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３の二次巻線に単位変換器２ｂを接続する。三相の単位変換器２ｂの端子Ｂを共通としてＹ結線し、三組の端子Ａを三相交流Ｕ，Ｖ，Ｗ相として負荷７に接続する。これにより、負荷７に９レベル電圧を発生させることが可能となる。さらに、この三相９レベル電力変換装置は、８Ｅ，７Ｅ，６Ｅ，５Ｅ，４Ｅ，３Ｅ，２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅ，−６Ｅ，−７Ｅ，−８Ｅの１７レベルの線間電圧を発生できる。
【００５０】
ここで、図３では、三相交流電源６と単位変換器２ｂの整流器３ｂの間にリアクトルＬを挿入していた。一方、図４のように漏れインダクタンスをもつ変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３を接続すれば、リアクトルＬの接続は不要である。もちろん、変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３と直列にリアクトルＬを接続する構成（すなわち、変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３のａ端子と単位変換器２ｂのＲ端子間にリアクトルを挿入する構成）としてもよい。
【００５１】
なお、変圧器ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３はΔ−Δ結線の変圧器を３台適用してもよいし、またはΔ−Ｙ結線の変圧器を３台適用してもよい。
【００５２】
さらに、前述のように、単位変換器の入力電流（Ｉ２Ｒ）などの高調波が低減されているため、上記の同結線の変圧器（偏延べ結線を用いない変圧器）を３台適用する構成でも、図４の三相交流電源６の電流Ｉ１の高調波は低減できる。
【００５３】
単位変換器２ｂの多重数は任意にできるが、図４の構成において、９レベル変換器を実現したときのスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）数は２６×３＝７８個である。
【００５４】
従来技術の図６のカスケードマルチレベル変換器とＰＷＭ整流器を用いた場合、同様に９レベル変換器を実現するためには、各相で４個の単位変換器２ａの多重が必要となる。したがって、１０×４×３＝１２０個のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）が必要である。
【００５５】
本実施形態１を用いると必要なスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）数が７８個であるため、スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）数を低減できるという優位性がある。
【００５６】
さらに、本実施形態１では、Δ−Δ結線，またはΔ−Ｙ結線である簡易な構造の変圧器ＴＲ１，ＴＲ２、ＴＲ３を３台用いることで実現できる。偏延べ結線を含み、かつ、二次巻線数が１２回路である多相変圧器を用いる図６の方式よりも、変圧器を容易に製作することができ、変圧器のコストや寸法を低減できる。
【００５７】
以上示したように、本実施形態１によれば、回生動作が可能な三相９レベル電力変換装置を実現したとき、従来のカスケードマルチレベル変換器と比較して、スイッチングデバイス数を低減できる優位性がある。また、単位変換器２ｂの入力電流の高調波が低減されていること、および、単位変換器が３台であることより、簡易な構造の変圧器を３台用いる構成でよい。これらによって、マルチレベル電力変換器の小型化および低コスト化が実現できる。
【００５８】
［実施形態２］
本実施形態２では、回生機能が不要で、かつ、三相交流電源の高調波電流低減が不要な三相９レベル電力変換装置について説明する。
【００５９】
図１の単位変換器２ｂにおいて、一部の整流器をダイオード整流器３ｃとした場合の構成を図３に示す。本実施形態２では、実施形態１における第１〜第６スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ６を第１〜第６ダイオードＤ１〜Ｄ６に置き換え、第７，第１０，第１１，第１４スイッチングデバイスＳ７，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１４を第７〜第１０ダイオードＤ７〜Ｄ１０に置き換えたものである。その他の構成は実施形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００６０】
実施形態１と同様に、図４に示すＹ結線により、相電圧９レベル，線間電圧１７レベルの電圧を出力できる。スイッチングデバイス数とダイオード数は、スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）が４８個，ダイオードが３０個であり、さらに、Δ−Δ結線、またはΔ−Ｙ結線の変圧器が３台必要である。
【００６１】
従来技術である図６のカスケードマルチレベル電力変換器にダイオード整流器を用いた場合、同様に９レベル変換器を実現するためには、各相で４個の単位変換器２ａの多重が必要となる。また、単位変換器２ａには、４個のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）と６個のダイオードを必要とする。したがって、４×４×３＝４８個のスイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）と、６×４×３＝７２個のダイオードおよび多相変圧器１が必要である。
【００６２】
本実施形態２によれば、ダイオード数を低減できるという優位性がある。さらに、本実施形態２では、Δ−Δ結線，Δ−Ｙ結線である簡易な構造の変圧器ＴＲ１〜ＴＲ３を用いることで実現できる。偏延べ結線を含み、かつ、二次巻線数が１２回路である多相変圧器を用いる図６の方式よりも、変圧器を容易に製作することができ、変圧器のコストや寸法を低減できる。
【００６３】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００６４】
１…多相変圧器
２ａ，２ｂ…単位変換器
３ａ，３ｂ…整流器
４…単相インバータ
５…電圧バランス回路
６…三相交流電源
７…負荷
【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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