(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流と３相交流との間で相互に電力を変換する電力変換装置であって、
直流正側端子に接続され、スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる正側相アームと、
直流負側端子に接続され、スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる負側相アームと、
前記正側相アームと前記負側相アームとの間に接続された３巻線トランスと、
充電抵抗及び断路器が並列接続されてなる複数の充電ユニットと、
を各相に備え、
前記３巻線トランスは、前記正側相アームと接続された２次巻線と、前記負側相アームと接続された３次巻線と、を有し、前記２次巻線と前記３次巻線の負極性側は、各相及び３相間で互いに接続され、
前記充電ユニットは、前記正側相アームと前記２次巻線との間、及び、前記負側相アームと前記３次巻線との間にそれぞれ接続されていること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流と３相交流との間で相互に電力を変換する電力変換装置であって、
直流正側端子に接続され、スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる正側相アームと、
直流負側端子に接続され、スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる負側相アームと、
前記正側相アームと前記負側相アームとの間に接続された３巻線トランスと、
充電抵抗及び断路器が並列接続されてなる複数の充電ユニットと、
を各相に備え、
前記３巻線トランスは、前記正側相アームと接続された２次巻線と、前記負側相アームと接続された３次巻線と、を有し、
各相の前記３巻線トランスには、前記２次巻線と前記３次巻線の負極性側を互いに接続した中性線が設けられ、
前記充電ユニットは、各相の前記中性線に接続されていること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
各相の前記充電ユニットは、スター結線されていること、
を特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
各相の前記充電ユニットは、デルタ結線されていること、
を特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記単位変換器は、フルブリッジセルであること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する電力変換装置であって、
スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる相アームと、
２次巻線及び３次巻線を有する３巻線トランスと、
充電抵抗及び断路器が並列接続されてなる充電ユニットと、
を３相の各相に備え、
前記２次巻線と前記３次巻線の負極性側は、各相及び３相間で互いに接続され、
前記相アームと前記充電ユニットが直列接続されてなる各相の回路部は、その一端が前記２次巻線正極性側に接続され、他端が他相の前記３次巻線正極性側に接続されてデルタ結線されていること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する電力変換装置であって、
スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる相アームと、
２次巻線及び３次巻線を有する３巻線トランスと、
充電抵抗及び断路器が並列接続されてなる充電ユニットと、
を３相の各相に備え、
前記２次巻線と前記３次巻線の負極性側は、各相及び３相間で互いに接続され、
各相の前記相アームの一端が前記３巻線トランスの前記２次巻線正極性側に接続され、他端が前記３巻線トランスの前記３次巻線正極性側に接続されてデルタ結線を構成し、
前記充電ユニットは、スター結線され、前記２次巻線及び前記３次巻線の負極性側を互いに接続する各相の中性線に接続されていること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する電力変換装置であって、
スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる相アームと、
２次巻線及び３次巻線を有する３巻線トランスと、
充電抵抗及び断路器が並列接続されてなる充電ユニットと、
を３相の各相に備え、
前記２次巻線と前記３次巻線の負極性側は、各相及び３相間で互いに接続され、
各相の前記相アームの一端が前記３巻線トランスの前記２次巻線正極性側に接続され、他端が前記３巻線トランスの前記３次巻線正極性側に接続されてデルタ結線を構成し、
前記充電ユニットは、デルタ結線され、前記２次巻線及び前記３次巻線の負極性側を互いに接続する中性線に接続されていること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
前記３巻線トランスは、安定巻線を更に備え、
前記各相の安定巻線がデルタ結線されていること、
を特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直流と交流との間で相互に電力を変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モジュラーマルチレベル変換器（以下、ＭＭＣという。）のように、コンデンサなどの直流電圧源を含んでなる単位変換器を多段接続し、電力系統、配電系統電圧と同等な高電圧を変換できる電力変換器の研究開発が進められている。ＭＭＣは、重量及び体積が大きくシステム全体に占めるコストも比較的大きいトランスを簡略にすることができる。また、単位変換器は、スイッチング素子及び直流コンデンサを含み構成され、スイッチング素子のオンオフのタイミングをずらすことにより、出力電圧及び電圧波形が多レベル化でき、正弦波に近づけることができるので、高調波フィルタが不要になるメリットを享受することができる。
【０００３】
このような単位変換器を多段に接続した回路方式では、各単位変換器の直流コンデンサの電圧値を一定に制御するために、直流電源を還流させる還流電流を常時流すことが原理的に必要である。３相を同一の直流電源に接続すると、各相の直流電圧合成値がわずかにでも異なると、相間に過大な短絡電流が流れてしまい、機器を破壊してしまう虞がある。従来では機器を保護するため、各相にバッファリアクトルを挿入し、短絡電流が過大にならないように制限している。しかし、このバッファリアクトルは、装置の大型化及び高コスト化を招いていた。
【０００４】
そこで、各相に３巻線トランスを設ける方式が提案されている。この方式では、３巻線トランスは、１次巻線と、この１次巻線と絶縁された２次巻線及び３次巻線とを有し、１次巻線が交流系統と接続され、２次巻線及び３次巻線が正側相アーム及び負側相アームと接続される。この方式によれば、３巻線トランスの漏れインピーダンスで短絡電流を抑制するため、バッファリアクトルが不要となり、低コストで小型の電力変換装置を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１１５８３７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１０８０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような３巻線トランスを用いたＭＭＣは、単位変換器のコンデンサによって交流と直流との間で電力の変換を行うため、その初期の起動において、コンデンサを電力系統から充電する必要がある。初期充電の際には、コンデンサに充電電流の突入過電流が流れる虞がある。そのため、この充電電流の突入過電流を抑制するための充電抵抗を備えた充電ユニットを設ける必要がある。
【０００７】
従来では、この充電ユニットを３巻線トランスの１次側、或いは、安定巻線がある場合では４巻線トランスの４次側（安定巻線）に設置していた。これらの場合では、充電ユニットの充電抵抗に、コンデンサの充電中も充電完了後も、充電電流だけでなくトランスの励磁電流も流れるため、当該電流により発生する充電ユニットの発熱が問題となる場合があった。この発熱に耐えうるようにするためには、発熱量が同じであれば物体の大きさが大きい方が熱くなりにくいため、充電ユニットを大型化させざるを得なかった。
【０００８】
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、充電ユニットを小型化することのできる電力変換装置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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本実施形態の電力変換装置は、直流と３相交流との間で相互に電力を変換する電力変換装置であって、直流正側端子に接続され、スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる正側相アームと、直流負側端子に接続され、スイッチング素子とコンデンサとを含む単位変換器が多段接続されてなる負側相アームと、前記正側相アームと前記負側相アームとの間に接続された３巻線トランスと、充電抵抗及び断路器が並列接続されてなる複数の充電ユニットと、を各相に備え、前記３巻線トランスは、前記正側相アームと接続された２次巻線と、前記負側相アームと接続された３次巻線と、を有し、各相の前記３巻線トランスには、前記２次巻線と前記３次巻線の負極性側を互いに接続した中性線が設けられ、前記充電ユニットは、各相の前記中性線に接続されていること、を特徴とする。各相の前記充電ユニットは、スター結線しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】チョッパセルの構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る電力変換装置の初期充電を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態に係る電力変換装置の初期充電を説明するための図である。
【図５】第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図７】第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図８】第５の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図９】フルブリッジセルの構成を示す図である。
【図１０】第６の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図１１】第７の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［１．第１の実施形態］
［１−１．全体構成］
以下では、図１、図２を参照しつつ、本実施形態の電力変換装置について説明する。図１は、本実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【００１２】
電力変換装置は、交流と直流の間で相互に電力を変換し、交流から直流に又は直流から交流に変換して電力伝送を行う。電力変換装置は、直流正側端子１０ａ及び直流負側端子１０ｂを備える。この端子１０ａ、１０ｂが、例えば、他の電力変換装置や直流線路と接続されて、電力変換装置は、５０Ｈｚから６０Ｈｚに変換するなどの周波数変換や、直流送電システムに用いられる。
【００１３】
本明細書では、各回路構成を説明するのに、直流正側端子１０ａ側を「正側」と称し、直流負側端子１０ｂ側を「負側」と称する。
【００１４】
図１に示すように、電力変換装置は、３相の各相に、複数個のチョッパセル１が接続されてなる相アーム２と、３巻線トランス４と、複数の充電ユニット５とを備え、チョッパセル１を単位電圧源として直流正側端子１０ａ及び直流負側端子１０ｂから電圧を出力する。直流正側端子１０ａと直流負側端子１０ｂの間には、正側から正側相アーム２ａ、充電ユニット５ａ、３巻線トランス４、充電ユニット５ｂ、及び負側相アーム２ｂの順で直列に接続されている。
【００１５】
電力変換装置は、各相の正側相アーム２ａ及び負側相アーム２ｂが３巻線トランス４を介して交流系統９に接続されており、初期充電においては、交流系統９から供給された電力により、チョッパセル１に含まれるコンデンサ１３が充電される。このとき、３巻線トランス４から各相アーム２ａ、２ｂまでの間には充電ユニット５が介在しており、コンデンサ１３への突入電流を抑制する。
【００１６】
［１−２．詳細構成］
図２は、チョッパセル１の構成を示している。チョッパセル１は、２つのスイッチング素子１１ａ、１１ｂ、ダイオード１２ａ、１２ｂ、及びコンデンサ１３を有し、コンデンサ１３を電圧源とし、スイッチング素子１１ａ、１１ｂのオンオフ動作により所望の直流電圧を出力する。
【００１７】
具体的には、スイッチング素子１１ａ、１１ｂは、互いに直列接続されてレグを構成し、コンデンサ１３はこのレグに並列に接続されている。スイッチング素子１１ａ、１１ｂとしては、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴなどの自己消弧型素子を用いることができる。スイッチング素子１１ａ、１１ｂには、帰還ダイオード１２ａ、１２ｂが逆並列に接続されている。チョッパセル１は、スイッチング素子１１ａがオン時にコンデンサ１３の直流電圧Ｖｃを出力し、スイッチング素子１１ｂがオン時にゼロ電圧となる。
【００１８】
相アーム２は、チョッパセル１をＮ個（Ｎ≧２）直列に接続して構成されており、チョッパセル１を単位変換器として、階段状の交流電圧など任意の電圧を出力する。階段状の交流電圧の出力は、各チョッパセル１のスイッチング素子１１ａ、１１ｂのスイッチング動作のタイミングをずらすことにより行う。
【００１９】
この相アーム２は、３相の各相に設けられており、各相アーム２は、直流正側端子１０ａに接続される正側相アーム２ａと、直流負側端子１０ｂに接続される負側相アーム２ｂとから構成される。各相アーム２ａ、２ｂは３巻線トランス４を介して直列に接続されている。
【００２０】
３巻線トランス４は、３相の各相に設けられており、各相の正側相アーム２ａ及び負側相アーム２ｂと、交流系統９とを接続する。具体的には、３巻線トランス４は、１次巻線４１と、２次巻線４２と、３次巻線４３と、鉄心と、を備える。
【００２１】
各巻線４１〜４３は同一の鉄心に巻かれている。なお、巻線４１〜４３の巻方向を図１の黒点で示し、黒点が付された側を「正極性側」、黒点が付されていない側を「負極性側」と称する。
【００２２】
１次巻線４１は、その一端が交流系統９と接続され、他端が接地されている。１次巻線４１の交流系統９との接続は、電力系統の規定に応じてスター結線、デルタ結線、又は中性点接地抵抗などを介したスター結線などの接続方式を適宜選択することができる。なお、１次巻線４１と交流系統９との間には不図示の遮断器が設けられており、遮断器の投入又は遮断により、交流系統９と電力変換装置との間の接続又は遮断を切り替える。
【００２３】
２次巻線４２及び３次巻線４３は、交流系統９と接続される１次巻線４１とは絶縁されている。２次巻線４２及び３次巻線４３のターン数は等しくされている。２次巻線４２及び３次巻線４３は、負極性側が互いに接続されており逆極性になっている。このため、鉄心内に直流磁束が互いに逆向きに発生するので、同一相内で直流起電力を打ち消し合う。また、２次巻線４２及び３次巻線４３の負極性側は、共に３相間でも互いに接続されている。２次巻線４２の正極性側は、正側相アーム２ａに接続され、３次巻線４３の正極性側は、負側相アーム２ｂの正極性側に接続されている。
【００２４】
充電ユニット５は、チョッパセル１のコンデンサ１３を充電する際に用いられ、コンデンサ１３への突入電流を抑制する。充電ユニット５は、相アーム２と３巻線トランス４との間に接続されている。すなわち、各相において、正側相アーム２ａと３巻線トランス４の２次巻線４２正極性側とに正側充電ユニット５ａが接続され、負側相アーム２ｂと３巻線トランス４の３次巻線４３の正極性側とに負側充電ユニット５ｂが接続されている。各充電ユニット５ａ、５ｂの構成は同じであり、その説明は、まとめて充電ユニット５として説明する。
【００２５】
充電ユニット５は、充電抵抗５１と、この充電抵抗５１に並列に接続された断路器５２とからなる。充電抵抗５１は、チョッパセル１のコンデンサ１３を交流系統９から初期充電する場合において、その充電電流の突入過電流を抑制する抵抗である。断路器５２は、コンデンサ１３の充電完了後に充電抵抗５１をバイパスするための機器である。
【００２６】
［１−３．作用］
本実施形態の電力変換装置が備えるコンデンサの充電方法について説明する。なお、説明を簡単にするため、電力変換装置の起動時において、各チョッパセル１のコンデンサ１３は全て放電され、ゼロ電圧となっているものとする。
【００２７】
まず、各充電ユニット５ａ、５ｂの断路器５２を開放状態として上で、交流系統９と３巻線トランス４の１次巻線４１との間に設けられた遮断器を投入することで、電力変換装置を交流系統９と接続する。
【００２８】
交流系統９から、各３巻線トランス４の１次巻線４１、２次巻線４２、３次巻線４３、充電抵抗５１、相アーム２のコンデンサ１３に充電電流が流れることでコンデンサ１３が充電される。図３及び図４は、コンデンサ１３の充電経路を示す。なお、図３及び図４では、説明の便宜上、各相アーム２のチョッパセル１の数を２つとし、Ｗ相については省略している。
【００２９】
例えば、ＵＶ線間電圧が正の時、つまりＵ相電圧がＶ相電圧より高いＶａｃ＞０の時、図３に示すように、正側の経路においては、交流系統９から供給された電力により、Ｖ相のコンデンサ１３が充電される。図４に示すように、負側の経路においては、Ｕ相の負側相アーム２ｂのコンデンサ１３が充電される。また、ＵＶ線間電圧が負の時、つまりＵ相電圧がＶ相電圧より低いＶａｃ＜０の時は、逆の関係になる。すなわち、正側ではＵ相のコンデンサ１３が充電され、負側ではＶ相のコンデンサ１３が充電される。
【００３０】
交流系統９は交流電力を供給するため、正側相アーム２ａのコンデンサ１３、負側相アーム２ｂのコンデンサ１３が各相間で交互に充電される。これにより、全てのコンデンサ１３が充電される。各コンデンサ１３は、充電抵抗５１の抵抗値Ｒと電力変換装置の等価容量Ｃとで決まる時定数Ｔ＝Ｃ×Ｒ（秒）で充電される。
【００３１】
本実施形態では、３巻線トランス４の鉄心を励磁するための励磁電流は、交流系統９と３巻線トランス４の１次巻線４１との間のみを流れるため、充電抵抗５１には流れない。すなわち、従来では、交流系統と３巻線トランスの１次巻線との間に充電抵抗が設けられており、当該充電抵抗に充電電流のみならず励磁電流も流れていたため当該充電抵抗５１が発熱し、充電ユニットが大型化していた。これに対し、本実施形態では充電ユニット５を３巻線トランス４の１次巻線側ではなく、３巻線トランス４の２次巻線４２、３次巻線４３側に設けたので、充電抵抗５１が励磁電流により発熱することがない。従って、充電ユニット５を小型化することができる。また、励磁電流が充電抵抗５１に流れることによるエネルギー損失はないので、初期充電のための効率を向上させることができる。
【００３２】
全てのコンデンサ１３の充電が完了すると、電力変換装置の初期充電は完了する。その後は、各相の断路器５２を投入し、充電抵抗５１をバイパスさせ、電力変換装置を通常運転動作に移行することができる。
【００３３】
［１−４．効果］
本実施形態の電力変換装置は、直流と３相交流との間で相互に電力を変換する電力変換装置であって、直流正側端子１０ａに接続され、スイッチング素子１１ａ、１１ｂとコンデンサ１３とを含むチョッパセル１が多段接続されてなる正側相アーム２ａと、直流負側端子１０ｂに接続され、スイッチング素子１１ａ、１１ｂとコンデンサ１３とを含むチョッパセル１が多段接続されてなる負側相アーム２ｂと、正側相アーム２ａと負側相アーム２ｂとの間に接続された３巻線トランス４と、充電抵抗５１及び断路器５２が並列接続されてなる複数の充電ユニット５と、を各相に備える。３巻線トランス４は、正側相アーム２ａと接続された２次巻線４２と、負側相アーム２ｂと接続された３次巻線４３と、を有し、２次巻線４２と３次巻線４３の負極性側は、各相及び３相間で互いに接続されている。充電ユニット５は、正側相アーム２ａと２次巻線４２との間、及び、負側相アーム２ｂと３次巻線４３との間にそれぞれ接続するようにした。
【００３４】
これにより、励磁電流が充電中も充電完了後も充電抵抗５１に流れることがないので、充電ユニット５を小型化した電力変換装置を得ることができる。
【００３５】
［２．第２の実施形態］
第２の実施形態について、図５を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と基本構成は同じである。よって、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
図５は、第２の実施形態の電力変換装置の構成を示す図である。充電ユニット５は、第１の実施形態と同様に、各相の３巻線トランス４の２次巻線４２及び３次巻線４３側に設けられている点で共通するが、次の点で異なる。
【００３７】
すなわち、図５に示すように、各相の３巻線トランス４には、２次巻線４２及び３次巻線４３の負極性側を互いに接続した中性線６が設けられている。各相の充電ユニット５は、スター結線されており、各相の中性線６に接続されている。すなわち、各充電ユニット５の一端はそれぞれ中性線６に接続され、各充電ユニット５の他端はスター結線されている。
【００３８】
本実施形態は、第１の実施形態と同様に、３巻線トランス４の２次巻線４２及び３次巻線４３側に充電ユニット５を設けたので、充電ユニット５に３巻線トランス４の鉄心を励磁する励磁電流が流れることがない。そのため、充電ユニット５を小型化することが可能になる。
【００３９】
さらに、本実施形態においては、中性線６に充電ユニット５を接続したので、第１の実施形態では各相に２つの充電ユニット５を設けていたのに対し、各相で１つの充電ユニット５で済む。すなわち、第１の実施形態で６つ必要であった充電ユニット５が３つで済む。さらに充電ユニット５の電位は、対地からの電圧が直流正側端子１０ａ及び直流負側端子１０ｂ間の電圧の１／２となるので、絶縁設計が容易になる。
【００４０】
また、各相の充電ユニット５をスター結線するようにしたので、充電ユニット５の一端が一箇所で接続されるため、接続点数が少なくて済み、回路を容易に構成することができる。
【００４１】
［３．第３の実施形態］
第３の実施形態について、図６を用いて説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態と基本構成は同じである。よって、第２の実施形態と異なる点のみを説明し、第２の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４２】
図６は、第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。第３の実施形態では、各充電ユニット５がデルタ結線されている。各相の３巻線トランス４の２次巻線４２，３次巻線４３から引き出された中性線６は、それぞれ充電ユニット５間に接続されている。
【００４３】
充電ユニット５はデルタ結線されているので、スター結線されている場合と比べて、交流系統９から供給される電力が同じでも各充電ユニット５に印加される電圧が変わってくる。すなわち、スター結線では、充電ユニット５（充電抵抗５１）に印加される電圧は相電圧ａであるのに対し、デルタ結線では線間電圧ｂが印加される。従って、相電圧ａと線間電圧ｂとの関係ｂ＝（√３）×ａより充電抵抗５１に印加される電圧はデルタ結線の方が高くなる。そのため、充電ユニット５に流れる電流はデルタ結線の方が小さくなり、これに応じて充電ユニット５の充電抵抗５１の抵抗値は大きくなる。
【００４４】
このように、デルタ結線にすることにより、充電ユニット５に加わる相電圧及び充電抵抗５１に流れる相電流を変わるので、これに伴って充電抵抗５１の抵抗値を変えることができる。電力変換装置に求められる定格容量や定格電流は、例えば数百ｋＶ、数千Ａなど大きく、設計によりこれらの値が変わると充電抵抗５１に必要な抵抗値も大きく変わり、スター結線で設計した場合に設計に合う抵抗値を有する抵抗がない場合もある。このような場合に、充電ユニット５をデルタ結線とすることにより、充電抵抗５１の選択の自由度を上げることができるので、要求に合った電力変換装置を得ることができる。
【００４５】
逆に、デルタ結線からスター結線に変更する場合にも、デルタ結線で設計した場合よりもスター結線で設計した場合の方が充電抵抗５１の抵抗値が下がるので、用意できる充電抵抗５１に限りがある場合に、充電ユニット５の結線方法を変えることで、充電抵抗５１の選択の自由度が向上し、回路設計が容易になる。
【００４６】
［４．第４の実施形態］
第４の実施形態について、図７を用いて説明する。第４の実施形態は、第２の実施形態と基本構成は同じである。よって、第２の実施形態と異なる点のみを説明し、第２の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
図７は、第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。図７に示すように、第４の実施形態では、各相の３巻線トランス４には安定巻線４４が設けられている。各３巻線トランス４の安定巻線４４は、互いに直列接続されてデルタ結線を構成している。具体的には、各３巻線トランス４の安定巻線４４を符号４４ａ、４４ｂ、４４ｃで区別すると、安定巻線４４ａの一端である正極性側が他の安定巻線４４ｃの負極性側に接続され、他端である負極性側が残りの安定巻線４４ｂの正極性側に接続されている。また、安定巻線４４ｂの負極性側が安定巻線４４ｃの正極性側と接続されている。
【００４８】
本実施形態の電力変換装置により生成される正弦波に誤差が生じ、例えば３次高調波などの高調波が発生した場合には、交流系統９に当該高調波が流れると悪影響を及ぼす虞がある。これを防止するために、本実施形態では、各３巻線トランス４に安定巻線４４をさらに設け、各安定巻線４４を直列接続してデルタ結線を構成するようにした。これにより、発生した高調波を安定巻線４４で構成した閉ループを構成するデルタ結線内で循環させることで、交流系統９に流れるのを防止することができる。
【００４９】
［５．第５の実施形態］
第５の実施形態について、図８を用いて説明する。第５の実施形態は、第１の実施形態と基本構成は同じである。よって、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
図８は、第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態の電力変換装置は、三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する電力変換装置である。３相５０／６０Ｈｚの交流系統９に対して、絶縁トランスを介した無効電流の注入又は吸収を行う電力変換装置である。交流系統９の電圧が低いと無効電力を交流系統９に注入し、交流系統９の電圧が高いと無効電力を交流系統９から吸収することにより、交流系統９のインピーダンスを利用して交流系統９の電圧を調整する。
【００５１】
この無効電力変換装置は、デルタ結線部３を備える。デルタ結線部３の各相には、充電ユニット５と、充電ユニット５と直列に接続された多段階波形の相電圧を出力する相アーム２が設けられている。互いに直列接続された各相の充電ユニット５及び相アーム２は、回路部６を構成し、回路部６がデルタ結線で構成されている。
【００５２】
相アーム２は、フルブリッジセル１０が複数個直列接続されて構成されている。図９は、フルブリッジセル１０の構成を示す図である。フルブリッジセル１０は、スイッチング素子１１ａ、１１ｂが直列に接続されたレグを２つと、コンデンサ１３とが互いに並列して構成される。スイッチング素子１１ａ、１１ｂには、ダイオード１２ａ、１２ｂがそれぞれ逆並列に接続される。フルブリッジセル１０の端子は、各レグの中間位置であるスイッチング素子１１ａ、１１ｂ間から引き出されている。
【００５３】
このデルタ結線部３には、各相に３巻線トランス４が設けられている。各相の３巻線トランス４の２次巻線４２と３次巻線４３は逆極性となるように負側が互いに接続されており、各相アーム２間に２次巻線４２及び３次巻線４３が挿入されている。
【００５４】
より詳細には、各相の３巻線トランス４は、２次巻線４２の正極性側が他相の相アーム２と接続され、３次巻線４３が充電ユニット５と接続されてデルタ結線されており、充電ユニット５、相アーム２と合わせてデルタ結線部３を構成している。２次巻線４２と３次巻線４３の負極性側は、３相間でも互いに接続されている。
【００５５】
換言すれば、相アーム２と充電ユニット５が直列接続されて各相の回路部６が構成され、その一端が２次巻線４２の正極性側に接続され、他端が他相の３次巻線４３の正極性側に接続されてデルタ結線部３を構成する。本実施形態では回路部６の構成を上記のようにしたが、回路部を構成する充電ユニット５と相アーム２の直列接続関係を逆にしても良い。すなわち、３次巻線４３の正極性側に相アーム２の一端を接続し、当該相アーム２の他端に直列接続された充電ユニット５を他相の２次巻線４２の正極性側に接続するようにしても良い。
【００５６】
このように、本実施形態では、無効電力変換装置のデルタ結線部３を構成するに当たり、相アーム２と充電ユニット５が直列接続されてなる各相の回路部６は、その一端を２次巻線４２正極性側に接続され、他端を他相の３次巻線４３正極性側に接続してデルタ結線部３を構成し、充電ユニット５を交流系統９と接続される１次巻線４１から絶縁された、２次巻線４２又は３次巻線４３側に接続するようにした。
【００５７】
これにより、各３巻線トランス４の鉄心を励磁するための励磁電流が充電ユニット５の充電抵抗５１に流れることがないので、不要な発熱及びエネルギー損失を防止することができ、充電ユニット５を小型化できる。従って、全体として小型化した電力変換装置を得ることができる。
【００５８】
［６．第６の実施形態］
第６の実施形態について、図１０を用いて説明する。第６の実施形態は、第５の実施形態と基本構成は同じである。よって、第５の実施形態と異なる点のみを説明し、第５の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５９】
図１０は、第６の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。第６の実施形態では、充電ユニット５はデルタ結線部３に設けずに、各３巻線トランス４の２次巻線４２及び３次巻線４３の負極性側を接続する中性線に接続されている。充電ユニット５は、スター結線されている。
【００６０】
これにより、各相の充電ユニット５をスター結線するようにしたので、第５の実施形態と比べて、充電ユニット５の一端が一箇所で接続されるため、接続点数が少なくて済み、回路を容易に構成することができる。
【００６１】
［７．第７の実施形態］
第７の実施形態について、図１１を用いて説明する。第７の実施形態は、第６の実施形態と基本構成は同じである。よって、第６の実施形態と異なる点のみを説明し、第６の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６２】
図１１は、第７の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。第７の実施形態では、各充電ユニット５をスター結線ではなく、デルタ結線で接続するようにした。これにより、同じ電力であっても、充電ユニット５にスター結線とは異なる電圧を加えることができるので、充電ユニット５の充電抵抗５１の抵抗値も変えることができる。すなわち、充電抵抗５１の選択の自由度を向上させることができる。
【００６３】
［８．その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００６４】
例えば、第１の実施形態では、単位変換器をチョッパセル１としたが、フルブリッジセル１０としても良い。単位変換器をフルブリッジセル１０にすることにより、直流地絡事故などの事故電流を遮断することができる。
【００６５】
第４の実施形態で設けた安定巻線４４は、第５乃至７の実施形態の３巻線トランス４にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１                  チョッパセル
１０                フルブリッジセル
１０ａ              直流正側端子
１０ｂ              直流負側端子
１１ａ、１１ｂ      スイッチング素子
１２ａ、１２ｂ      ダイオード
１３                コンデンサ
２                  相アーム
２ａ                正側相アーム
２ｂ                負側相アーム
４                  ３巻線トランス
４１                １次巻線
４２                ２次巻線
４３                ３次巻線
４４                安定巻線
５                  充電ユニット
５１                充電抵抗
５２                断路器
６                  中性線
【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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