(57)【要約】【課題】複雑な制御ブロックを用いずに、第３ｍ次調波成分を低減して歪みのない線間電圧を三相交流負荷に供給する電力変換装置を提供する。【解決手段】相ごとに直列接続された単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチが接続され、全てのセルの健全時に全てのスイッチをオフし、各相の交流出力電圧が基本波成分に第３ｍ次調波成分（ｍ：自然数）を重畳した第１の交流電圧になるように制御される電力変換装置において、第１の相回路に属する単相出力セルが故障した時に、そのセルの出力端子間のスイッチをオンすると共に、所定値以上の線間電圧を出力させる場合に、第２，第３の相回路の出力電圧が、第１の交流電圧と、その基本波成分に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角６０°となる第２の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するＮ台（Ｎは２以上の自然数）の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第１〜第３の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、
前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第３ｍ次調波成分（ｍは自然数）を重畳した第１の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
第１の相回路に属するＬ台（ＬはＮ未満の自然数）の単相出力セルが故障した時に、故障したＬ台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチを全てオンし、
前記第１の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第１〜第３の相回路から前記第１の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第２，第３の相回路から出力させる場合には、
前記第２，第３の相回路の出力電圧が、
前記第１の交流電圧と、前記第１の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角６０°となる基本波成分を有する第２の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記第２の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第１の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、前記第２の相回路では電気角で＋１５０°の位相差を有し、前記第３の相回路では電気角で−１５０°の位相差を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
前記所定値が、前記第１の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{（Ｎ−Ｌ）／Ｎ｝倍であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するＮ台（Ｎは２以上の自然数）の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第１〜第３の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、
前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第３ｍ次調波成分（ｍは自然数）を重畳した第１の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
前記第１の相回路に属するＬ１台（Ｌ１はＮ未満の自然数）の単相出力セルと前記第２の相回路に属するＬ２台（Ｌ２はＬ１未満の自然数）の単相出力セルとが故障した時に、故障した全ての単相出力セルの出力端子の前記スイッチをオンすると共に、単相出力セルが故障していない健全な第３の相回路におけるＬ２台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチをオンし、
前記第１の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第１〜第３の相回路から前記第１の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第２，第３の相回路から出力させる場合には、
前記第２の相回路及び前記第３の相回路の出力電圧が、
前記第１の交流電圧と、前記第１の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角６０°となる基本波成分としての第２の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載した電力変換装置において、
前記第２の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第１の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、他の一つの相回路では電気角で＋１５０°の位相差を有し、残りの一つの相回路では電気角で−１５０°の位相差を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載した電力変換装置において、
前記所定値が、第１の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{（Ｎ−Ｌ１）／Ｎ｝倍であることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台の単相出力セルを用いて三相交流電圧を出力する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数台の単相出力セルの直列接続回路を三相分備えることにより高圧の三相交流を出力し、何れかの単相出力セルが故障した際に健全な単相出力セルを用いて運転を継続するようにした電力変換装置が、例えば特許文献１に記載されている。
図１１は、特許文献１に記載された単相出力セルの回路構成図である。図１１において、１００は単相出力セル、１１０は三相交流電圧が入力される整流回路、１２０は直流中間回路のコンデンサ直列回路、１３０は半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなる単相２レベルのインバータ回路、１４０はインバータ回路１３０の出力端子間をバイパス（短絡）させるバイパス回路、１５１，１５２は単相交流電圧の出力端子、２００はインバータ回路１３０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御によりオンオフするための制御回路である。
【０００３】
図１２は、上記単相出力セル１００を複数台接続して構成された電力変換装置を示している。図１２において、３００は三相交流電源、４００は電源変圧器であり、この電源変圧器４００に接続されたＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５，Ｃ１〜Ｃ５は、それぞれが前記単相出力セル１００に相当している。以下では、単相出力セルの符号としてＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５，Ｃ１〜Ｃ５を用いるものとする。
【０００４】
単相出力セルＡ１〜Ａ５の出力端子は、共通接続点Ｎと三相モータ等の負荷５００の入力端子Ａとの間に直列に接続され、同様に、単相出力セルＢ１〜Ｂ５の出力端子、単相出力セルＣ１〜Ｃ５の出力端子も共通接続点Ｎと入力端子Ｂ，Ｃとの間にそれぞれ直列に接続されている。
これにより、電力変換装置から負荷５００に三相交流電圧が印加される。
【０００５】
特許文献１には、例えばＡ相の単相出力セルＡ４，Ａ５が故障した場合、単相出力セルＡ４，Ａ５の出力端子間を図１１のバイパス回路１４０により短絡したうえで、図１３に示すように、各相の出力電圧の位相差を健全時の電気角１２０°ずつから１３２．５°，９５°，１３２．５°にそれぞれずらすことにより、線間電圧ＶＡＣ，ＶＢＡ，ＶＣＢの位相差を１２０°に保つ技術が記載されている。なお、この技術を第１の従来技術という。
【０００６】
すなわち、Ａ相の単相出力セルＡ４，Ａ５が故障した場合、他のＢ相、Ｃ相についてもそれぞれ二つの単相出力セル、例えばＢ４，Ｂ５，Ｃ４，Ｃ５の出力端子間を短絡すれば、線間電圧ＶＡＣ，ＶＢＡ，ＶＣＢの位相差を１２０°に維持することができるが（特許文献１の図４を参照）、各相の出力電圧及び線間電圧は大きく減少する。
一方、単相出力セルＡ４，Ａ５が故障した場合に、他相の単相出力セルの出力端子間を短絡せずに各相の出力電圧の位相差を１２０°のままで運転した場合には、線間電圧ＶＡＣ，ＶＢＡ，ＶＣＢの位相差が１２０°からずれることになり（特許文献１の図３を参照）、負荷５００に悪影響を与える。
このため、前述した第１の従来技術では、図１３に示したごとく各相の出力電圧の位相差を１２０°からずらすことにより、線間電圧ＶＡＣ，ＶＢＡ，ＶＣＢの位相差を１２０°に維持しながら出力電圧の低下を極力抑え、電圧利用率が低下するのを防止している。
【０００７】
また、特許文献１には、図１４に示す制御ブロックを用いて第１の従来技術とほぼ同様の作用を実現できることが記載されている。この技術を、第２の従来技術という。
第２の従来技術では、図１４に示すように、各相に対する正弦波電圧指令ＶＡ＊，ＶＢ＊，ＶＣ＊に大きさを調整可能なゲインＫＡ，ＫＢ，ＫＣをそれぞれ乗じて電圧指令ＵＡ＊，ＵＢ＊，ＵＣ＊を生成し、これらのうちの最大値、最小値を最大値選択手段６０１、最小値選択手段６０２によりそれぞれ選択する。そして、最大値と最小値との平均値を加算器６０３及び除算器６０４により求め、この平均値を加算器６０５〜６０７にて元の電圧指令ＵＡ＊，ＵＢ＊，ＵＣ＊から減算することにより、ＰＷＭ演算用の各相電圧指令ＥＡ＊，ＥＢ＊，ＥＣ＊を生成する。
【０００８】
この従来技術においては、例えばＡ相において何台かの単相出力セルが故障してこれらの出力端子間を短絡する場合には、その故障した台数（言い換えればＡ相の健全な単相出力セルの台数）に応じてＡ相のゲインＫＡのみを大きくする。これにより、ＵＡ＊のピーク値はＵＢ＊，ＵＣ＊のピーク値に比べて大きくなり、最大値と最小値との平均値を元の電圧指令ＵＡ＊，ＵＢ＊，ＵＣ＊から減算した結果、各相電圧指令ＥＡ＊，ＥＢ＊，ＥＣ＊の位相差は１２０°からずれるが、ピーク値はほぼ等しくなる。
この時の各相の出力電圧のベクトル図は、図１３と同様に、基点Ｎの位置が正三角形の中心から上にずれた状態となり、線間電圧ＶＡＣ，ＶＢＡ，ＶＣＢの位相差を１２０°に保つことができる。
【０００９】
更に、特許文献２にも、ある相の直列接続された複数台の単相出力セルのうち、ｘ台の単相出力セルが故障した場合にその出力端子間を短絡すると共に、他相の全ての単相出力セルの運転を継続し、図１５に示すように、各相の出力電圧の位相差を元の電気角１２０°からずらしてθＶＵ，θＷＶ，θＵＷとする制御方法が記載されている。なお、図１５において、Ｎ’は故障発生前に位相差が１２０°である時の各相出力電圧ベクトルの基点であり、Ｎは位相差をずらした後の各相出力電圧ベクトルの基点である。この技術を、第３の従来技術という。
この従来技術においても、故障発生相に合わせて他相でもｘ台の単相出力セルの出力端子間を短絡する場合に比べて、各相の出力電圧を増加させることができ、また、線間電圧の位相差を１２０°に保つことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−６０１４２号公報／特許第４５５３１６７号公報（段落［０００５］〜［０００７］，［００１３］，［００２０］、図１ａ，図１ｂ，図５ａ，図７）
【特許文献２】特開２０１１−２５０５３４号公報／特許第５６７６９１９号（段落［００１５］〜［００２９］、図３〜図６等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１，２等に記載された電力変換装置では、全ての単相出力セルが故障していない健全時に三相出力の線間電圧を大きくするため、数式１に示すように、相電圧に基本波成分だけでなく、第３ｍ次調波成分（ｍは自然数）を重畳することがしばしば行われている。なお、数式１において、ωは基本波の角周波数、Ａ１は基本波成分の振幅、Ａ３ｍは第３ｍ次調波成分の振幅、Ｂ１は基本波成分の位相、Ｂ３ｍは第３ｍ次調波成分の位相を表し、θは三つの相で互いに１２０°ずれた値とする。
【数１】
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【００１２】
この数式１の第３ｍ次調波成分は、例えば、θ＝０°とθ＝１２０°の場合に、数式２に示すように等しくなる。このため、二つの相電圧を減算して得られる線間電圧には、第３ｍ次調波成分が含まれない基本波成分だけを残すことができる。
［数式２］
Ａ３ｍ・ｓｉｎ｛３ｍ(ωｔ＋Ｂ３ｍ＋１２０°）｝＝Ａ３ｍ・ｓｉｎ｛３ｍ(ωｔ＋Ｂ３ｍ＋ｍ×３６０°）｝＝Ａ３ｍ・ｓｉｎ｛３ｍ(ωｔ＋Ｂ３ｍ）｝
【００１３】
しかし、第１の従来技術や第３の従来技術では、各相の出力電圧の位相差が１２０°ではなくなるため、相電圧に第３ｍ次調波成分を重畳すると、数式２により説明したように第３ｍ次調波成分を線間電圧で相殺することができなくなり、線間電圧にも第３ｍ次調波成分が重畳して電圧歪みを生じるという問題点があった。
【００１４】
また、第２の従来技術によれば、単位出力セルの健全時に図１３の制御ブロックに従って制御することにより、結果として、数式１のような第３ｍ次調波成分を相電圧に重畳することができると共に、負荷５００に与える出力電圧を大きくすることが可能になる。
しかし、単相出力セルに故障が発生し、その出力端子間を短絡して他の単相出力セルによって運転を継続する場合には、特許文献１の段落[００２８]に「……大体の場合において許容可能な、小さな歪みを持ちこむ。」と記載されているように、第１，第２の従来技術と同様に線間電圧で第３ｍ次調波成分を打ち消すことができなくなり、負荷への供給電圧が歪んでしまう。
このため、特許文献１では、図１６に示す制御ブロックを用いて、線間電圧に含まれる第３ｍ次調波成分を打ち消している。なお、この図１６において、６０８は除算器、６０９は積分器であり、その他の部分については図１４と同一の符号を付してある。
【００１５】
図１６の制御ブロックでは、積分器６０９を含むフィードバックループにより求めた値を正弦波電圧指令ＶＡ＊，ＶＢ＊，ＶＣ＊から減算し、更にゲインＫＡ，ＫＢ，ＫＣをそれぞれ乗じて電圧指令ＵＡ＊，ＵＢ＊，ＵＣ＊を生成するものであるが、図１４に比べて複雑なフィードバック制御系を追加する必要があり、その調整も必要になるという問題があった。
【００１６】
そこで、本発明の解決課題は、相電圧に第３ｍ次調波成分を重畳することにより基本波成分のみの時よりも大きい線間電圧を出力させる場合において、複雑な制御ブロックを必要とせずに、第３ｍ次調波成分を低減して歪みのない線間電圧を出力可能とした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、三つの相回路のうち、故障によって健全な単相出力セルの台数が最小となった相回路に合わせて、各相の出力電圧を基本波成分の位相が互いに１２０°ずれているバランスした電圧（第１の交流電圧）とし、このバランスした電圧以上の電圧については、故障した相回路以外の二つの相回路によるＶ結線相当の動作を行わせることによって三相の交流電圧（第２の交流電圧）を発生させ、電力変換装置全体として、これらの第１，第２の交流電圧を加算して出力させるという着想に基づいている。
このような電圧発生方法は、図１３や図１５のように、一つの相回路における各セルの出力電圧位相を全て等しくし、相回路の電圧ベクトルが一直線状になるように制御して出力電圧を最大化する従来技術とは、基本的に相違している。
本発明においては、三つの相回路（第１〜第３の相回路）により発生させるバランスした第１の交流電圧に関しては、相電圧として基本波成分に第３ｍ次調波成分を重畳した場合でも、線間電圧に歪みを生じることなく、相電圧を基本波成分のみとする場合よりも大きな線間電圧を出力させることができる。また、故障した単相出力セルが属する相回路が出力可能な所定値以上の電圧を出力させる場合には、故障した単相出力セルが属する相回路以外の二つの相回路によりＶ結線相当の動作させた場合と同等の第２の交流電圧を加算するため、その加算した結果としても電圧歪みのない線間電圧を発生させることができる。
【００１８】
すなわち、請求項１に係る発明は、半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するＮ台（Ｎは２以上の自然数）の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第１〜第３の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第３ｍ次調波成分（ｍは自然数）を重畳した第１の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
第１の相回路に属するＬ台（ＬはＮ未満の自然数）の単相出力セルが故障した時に、故障したＬ台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチを全てオンし、
前記第１の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第１〜第３の相回路から前記第１の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第２，第３の相回路から出力させる場合には、
前記第２，第３の相回路の出力電圧が、
前記第１の交流電圧と、前記第１の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角６０°となる基本波成分を有する第２の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御するものである。
【００１９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記第２の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第１の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、前記第２の相回路では電気角で＋１５０°の位相差を有し、前記第３の相回路では電気角で−１５０°の位相差を有することを特徴とする。
本発明では、第２，第３の相回路のＶ結線相当の動作により電圧を発生する際に、第１の相回路の交流出力電圧の基本波成分に対して±１５０°の位相差を設けることにより、第２の交流電圧を加算する前の三相がバランスした相電圧（第１の交流電圧）の基本波成分と、Ｖ結線相当の動作により発生する三相の相電圧との位相を一致させることができる。これにより、両者の位相を一致させない場合に比べて、第１，第２の交流電圧を加算した時の電圧を大きくすることができる。
【００２０】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電力変換装置において、前記所定値が、前記第１の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{（Ｎ−Ｌ）／Ｎ｝倍であることを特徴とする。
三相でバランスした電圧を発生できるのは、第１の相回路の最大出力電圧の{（Ｎ−Ｌ）／Ｎ｝倍であるから、その電圧までは三相でバランスした電圧を発生させれば、{（Ｎ−Ｌ）／Ｎ｝倍未満を所定値とする場合よりも出力電圧を大きくすることができる。
【００２１】
請求項４に係る発明は、半導体スイッチング素子の動作により直流電圧を単相交流電圧に変換するＮ台（Ｎは２以上の自然数）の単相出力セルの交流出力端子を全て直列接続して一相分の相回路を構成し、三相分に相当する第１〜第３の前記相回路の各一端が共通接続され、かつ、各他端が三相交流負荷の入力端子にそれぞれ接続された電力変換装置であって、
前記単相出力セルの出力端子間にバイパス用のスイッチがそれぞれ接続され、故障していない健全な前記単相出力セルの前記スイッチをオフすると共に、前記相回路の出力電圧が、基本波成分に第３ｍ次調波成分（ｍは自然数）を重畳した第１の交流電圧となるように前記半導体スイッチング素子を制御可能とした電力変換装置において、
前記第１の相回路に属するＬ１台（Ｌ１はＮ未満の自然数）の単相出力セルと前記第２の相回路に属するＬ２台（Ｌ２はＬ１未満の自然数）の単相出力セルとが故障した時に、故障した全ての単相出力セルの出力端子の前記スイッチをオンすると共に、単相出力セルが故障していない健全な第３の相回路におけるＬ２台の単相出力セルの出力端子間の前記スイッチをオンし、
前記第１の相回路が出力可能な電圧の所定値までは、前記第１〜第３の相回路から前記第１の交流電圧を出力させ、
前記所定値を超える電圧を前記第２，第３の相回路から出力させる場合には、
前記第２の相回路及び前記第３の相回路の出力電圧が、
前記第１の交流電圧と、前記第１の交流電圧の基本波に対して少なくとも一方の位相が異なり、かつ両者の大きさが等しく、互いの位相差が電気角６０°となる基本波成分としての第２の交流電圧と、を加算した電圧となるように制御するものである。
本発明においては、Ｌ１台の単相出力セルが故障した第１の相回路以外の第２，第３の相回路により、（Ｌ１−Ｌ２）台の単相出力セルの出力電圧分によるＶ結線相当の動作が可能になり、電圧歪みのない線間電圧を発生させることができる。
【００２２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載した電力変換装置において、前記第２の交流電圧として加算される基本波成分の電圧は、前記第１の相回路の交流出力電圧の基本波成分の位相を基準にして、他の一つの相回路では電気角で＋１５０°の位相差を有し、残りの一つの相回路では電気角で−１５０°の位相差を有するものであり、これによって請求項２と同様の作用を得ることができる。
【００２３】
請求項６に係る発明は、請求項４または請求項５に記載した電力変換装置において、前記所定値が、第１の相回路に属する全ての単相出力セルの健全時における最大出力電圧の{（Ｎ−Ｌ１）／Ｎ｝倍であることを特徴としており、これによって請求項３と同様の作用を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、各相電圧に第３ｍ次調波成分を重畳して基本波成分のみの時よりも大きい線間電圧を出力させる場合において、複雑な制御ブロックを必要とせずに、第３ｍ次調波成分を低減して歪みのない線間電圧を出力させることができる。
このため、例えば負荷が三相交流モータである場合でも、その出力トルクに第３ｍ次調波成分に起因するトルクリプルが発生することはない。従って、トルクリプルに伴う機械系の振動が発生するおそれもなく、機械系に対する悪影響や騒音等も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態における制御装置の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図及び波形図である。
【図４】本発明の実施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図である。
【図５】図４（ｂ）に示した電圧ベクトルの要素を示すベクトル図である。
【図６】図４（ｂ）に示した電圧ベクトルの他の要素を示すベクトル図である。
【図７】本発明の実施形態の動作を説明するための電圧指令の波形図である。
【図８】本発明の実施形態の動作を説明するための線間電圧の波形図である。
【図９】本発明の他の施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図である。
【図１０】本発明の更に他の実施形態の動作を説明するための電圧のベクトル図である。
【図１１】特許文献１に記載された単相出力セルの構成図である。
【図１２】特許文献１に記載された電力変換装置の全体構成図である。
【図１３】第１の従来技術の説明図である。
【図１４】第２の従来技術を示す制御ブロック図である。
【図１５】第３の従来技術の説明図である。
【図１６】特許文献１に記載された他の制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。図１において、Ｕ１〜Ｕ４はＵ相の単相出力セルであり、その出力端子は、共通接続点Ｏと三相モータ等の負荷ＭのＵ相端子との間に直列に接続されている。同様に、Ｖ相の単相出力セルＶ１〜Ｖ４の出力端子は共通接続点Ｏと負荷ＭのＶ相端子との間に直列に接続され、Ｗ相の単相出力セルＷ１〜Ｗ４の出力端子は共通接続点Ｏと負荷ＭのＷ相端子との間に直列に接続されている。また、単相出力セルＵ１〜Ｕ４の出力端子間、同Ｖ１〜Ｖ４の出力端子間、同Ｗ１〜Ｗ４の出力端子間には、バイパス回路を構成する短絡用のスイッチＳＵ１〜ＳＵ４，ＳＶ１〜ＳＶ４，ＳＷ１〜ＳＷ４がそれぞれ接続されている。
【００２７】
単相出力セルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４の構成は全て同一である。例えば、Ｕ相の単相出力セルＵ１について説明すると、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるブリッジ回路を直流電源Ｂの両端に接続することにより、単相２レベルインバータが構成されている。
なお、各相において直列接続される単相出力セルの台数は、図示例に何ら限定されるものではない。
【００２８】
図２は、この実施形態における制御装置の構成図であり、単相出力セルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４のスイッチング素子をオンオフ制御して負荷Ｍに所望の三相交流電圧を供給するためのものである。
図２において、セルバイパス指令部１０には各単相出力セルの故障情報が入力されている。何れのセルも故障していない場合には、セルバイパス指令部１０から全ての単相出力セルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４にオフ指令が与えられ、全てのスイッチＳＵ１〜ＳＵ４，ＳＶ１〜ＳＶ４，ＳＷ１〜ＳＷ４が開放される。また、何れかの単相出力セルが故障した場合には、当該セルの出力端子間に接続されたスイッチを閉じて短絡させるためのオン指令が、セルバイパス指令部１０から出力される。
【００２９】
更に、セルバイパス指令部１０からは、相電圧演算部２０に対してセルバイパス情報が出力される。このセルバイパス情報は、故障によりバイパスされた単相出力セルを特定する情報であり、言い換えれば、何れのセルも故障していない場合には、バイパスされるセルがないことを示す情報を含んでいる。
【００３０】
図２における負荷電圧指令部４０は、負荷Ｍに出力する三相交流電圧（線間電圧）の振幅指令Ｖ＊及び角周波数指令ω＊を出力する。
また、前記相電圧演算部２０は、Ｕ相制御部３０Ｕ、Ｖ相制御部３０Ｖ、Ｗ相制御部３０Ｗに対して、第１の交流電圧の振幅指令ＶＵ１＊，ＶＶ１＊，ＶＷ１＊、角周波数指令ω＊、第２の交流電圧の振幅指令ＶＵ２＊，ＶＶ２＊，ＶＷ２＊、角周波数指令ω＊、第１の交流電圧の基本波成分に対する第２の交流電圧の位相差指令αＵ２＊，αＶ２＊，αＷ２＊を出力する。
【００３１】
ここで、第１の交流電圧は、図３（ａ）の電圧ベクトル図に示すように、各相の位相差が１２０°となるような相電圧であり、例えば、図３（ｂ）に示すごとく、基本波成分に第３ｍ次調波成分（ｍは自然数）を重畳して得たほぼ台形波状の各相電圧指令に基づいている。この台形波の基本波成分は、波高値が同じ正弦波形に比べて、約１．１５５倍にできるという利点がある。なお、図３（ａ）におけるＥは、各相の１台の単相出力セルによる出力電圧ベクトルを示す。
一方、第２の交流電圧は、基本波成分が正弦波状である各相電圧指令に基づいている。
本実施形態では、線間電圧を大きくするために、単相出力セルの健全時に所定の振幅指令ＶＵ１＊，ＶＶ１＊，ＶＷ１＊及び角周波数指令ω＊に従って電力変換装置から第１の交流電圧を出力させることとし、第２の交流電圧については、振幅指令ＶＵ２＊，ＶＶ２＊，ＶＷ２＊を全て“０”として第１の交流電圧への加算を不要としている。
【００３２】
Ｕ相制御部３０Ｕは、Ｕ相電圧指令発生部３１Ｕ，３２Ｕ、加算器３３Ｕ、ＰＷＭ信号発生部３４Ｕを備え、Ｖ相制御部３０Ｖは、Ｖ相電圧指令発生部３１Ｖ，３２Ｖ、加算器３３Ｖ、ＰＷＭ信号発生部３４Ｖを備え、Ｗ相制御部３０Ｗは、Ｗ相電圧指令発生部３１Ｗ，３２Ｗ、加算器３３Ｗ、ＰＷＭ信号発生部３４Ｗを備えている。
【００３３】
これらのうち、例えばＵ相制御部３０Ｕでは、台形波を発生するＵ相電圧指令発生部３１Ｕの出力と正弦波（基本波成分）を発生するＵ相電圧指令発生部３２Ｕの出力とが加算器３３Ｕにより加算され、最終的なＵ相電圧指令としてＰＷＭ信号発生部３４Ｕに入力される。
他のＶ相制御部３０Ｖ、Ｗ相制御部３０Ｗについても、対象となる相回路が異なるだけであり、機能としてはＵ相制御部３０Ｕと同様である。
【００３４】
前述したように、全ての単相出力セルが健全である時は、第２の交流電圧として加算する基本波成分は不要であるため、全相の振幅指令ＶＵ２＊，ＶＶ２＊，ＶＷ２＊が“０”になり、Ｕ相電圧指令発生部３２Ｕ、Ｖ相電圧指令発生部３２Ｖ、Ｗ相電圧指令発生部３２Ｗの出力も全て“０”になる。従って、ＰＷＭ信号発生部３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗには、Ｕ相電圧指令発生部３１Ｕ、Ｖ相電圧指令発生部３１Ｖ、Ｗ相電圧指令発生部３１Ｗが発生した図３（ｂ）の台形波状の電圧指令（第１の交流電圧に対応）がそれぞれ入力される。
【００３５】
ＰＷＭ信号発生部３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗは、上記台形波状の電圧指令に基づいて単相出力セルＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート信号を発生する。これらのゲート信号を用いて各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御することにより、負荷Ｍに対して、図３（ａ）のごとく三相がバランスした交流電圧を供給することができる。
【００３６】
次に、Ｕ相の１台の単相出力セル、例えば図１における単相出力セルＵ４だけが故障した場合（請求項１におけるＬ＝１の場合）の動作を説明する。
この場合には、単相出力セルＵ４の故障情報が入力されたセルバイパス指令部１０からスイッチＳＵ４にオン指令が出力され、セルＵ４の出力端子間を短絡する。また、他のスイッチＳＵ１〜ＳＵ３、ＳＶ１〜ＳＶ４、ＳＷ１〜ＳＷ４にはオフ指令を与え、これらの全てを開放する。また、セルバイパス指令部１０は、単相出力セルＵ４の出力をバイパスさせる旨のセルバイパス情報を相電圧演算部２０に出力する。
【００３７】
相電圧演算部２０は、上記セルバイパス情報と、負荷電圧指令部４０から送られた線間電圧の振幅指令Ｖ＊及び角周波数指令ω＊とに基づき、例えば図４（ａ）または（ｂ）に示す電圧ベクトルが得られるように、第１の交流電圧の振幅指令ＶＵ１＊〜ＶＷ１＊や基本波角周波数指令ω＊、Ｖ相，Ｗ相のＶ結線動作相当の第２の交流電圧の振幅指令ＶＶ２＊，ＶＷ２＊、角周波数指令ω＊、及び、Ｕ相の第１の交流電圧の基本波成分に対する第２の交流電圧の位相差指令αＶ２＊，αＷ２＊を演算して出力する。
この際、Ｕ相の単相出力セルＵ４の出力はバイパスされているので、Ｕ相に対する第２の交流電圧の振幅指令ＶＵ２＊は、図４（ａ），（ｂ）の何れの場合も“０”である。
【００３８】
なお、図４（ａ）における電圧ベクトルＶａＶ’，ＷａＷ’の大きさはＥ２’で等しく、その位相差は６０°であり、図４（ｂ）における電圧ベクトルＶａＶ，ＷａＷの大きさはＥ２で等しく、その位相差は６０°である。
ここで、図４（ａ），（ｂ）における電圧ベクトルＶａＶ’，ＷａＷ’及びＶａＶ，ＷａＷは、故障したＵ相の単相出力セルＵ４に対応するＶ相の単相出力セルＶ４の出力電圧ベクトルの振幅及び位相角を、Ｖ相の他の単相出力セルＶ１〜Ｖ３の出力電圧ベクトルと異ならせ、かつ、Ｕ相の単相出力セルＵ４に対応するＷ相の単相出力セルＷ４の出力電圧ベクトルの振幅及び位相角を、Ｗ相の他の単相出力セルＷ１〜Ｗ３の出力電圧ベクトルと異ならせたものである。
【００３９】
図４（ａ）と図４（ｂ）との相違点は、図４（ａ）の場合には、Ｕ相の第１の交流電圧の基本波成分を基準にした電圧ベクトルＶａＶ’，ＷａＷ’の位相差指令αＶ２＊，αＷ２＊が何れも±１５０°ではなく、図４（ｂ）の場合には、電圧ベクトルＶａＶの位相差指令αＶ２＊が−１５０°、電圧ベクトルＷａＷの位相差指令αＷ２＊が＋１５０°になっている点である。
この図４（ｂ）の電圧ベクトルは、図５，図６に示す電圧ベクトルを加算した形になっている。すなわち、図５は、故障によって健全な単相出力セルの台数が最小（３台）となったＵ相に合わせて、全ての相の単相出力セルＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３を動作させた場合に出力される電圧ベクトルを示し、図６は、Ｖ相の単相出力セルＶ４とＷ相の単相出力セルＷ４とによりＶ結線相当の動作をさせた状態の電圧ベクトルに相当している。
【００４０】
図５，図６によれば、何れも三相で電圧がバランスしているため、これらの電圧ベクトルを合成して得られる図４（ｂ）においても、三相でバランスした線間電圧が出力されるようになり、歪みのない三相交流電圧を得ることができる。
なお、図４（ａ）の電圧ベクトルは、図６に示したＶ結線相当の電圧ベクトルが、若干回転している場合である。また、図６の相電圧相当と図５の相電圧とは三相とも電圧ベクトルの方向が一致しているので、図４（ａ），（ｂ）において電圧の大きさがＥ２＝Ｅ２’である時には、図４（ａ）よりも、図４（ｂ）のように電圧ベクトルＶａＶの位相差指令αＶ２＊を−１５０°、電圧ベクトルＷａＷの位相差指令αＷ２＊を＋１５０°とした場合の方が、線間電圧を大きくすることができる。この実施形態は、請求項２に係る発明に相当する。
【００４１】
図７（ａ）は、図４（ｂ）に示したような電圧ベクトルを実現する場合の、図２におけるＵ相電圧指令発生部３１Ｕ，Ｖ相電圧指令発生部３１Ｖ，Ｗ相電圧指令発生部３１Ｗの出力波形（台形波指令）、及び、Ｖ相電圧指令発生部３２Ｖ，Ｗ相電圧指令発生部３２Ｗの出力波形（加算正弦波指令）を示している。また、図７（ｂ）は、図２における各相の加算器３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの出力波形（図７（ａ）の台形波指令及び加算正弦波指令を相ごとに加算した波形）を示している。
これらの波形は、線間電圧を最大にする場合の波形であり、各相について単相出力セルの直列接続数Ｎ＝４の状態でＵ相の１台の単相出力セルが故障し、その出力端子間をバイパスさせていることから、図７（ｂ）の波形では、Ｕ相電圧指令の波高値は、０．７５［ＰＵ］であり、Ｖ相，Ｗ相の電圧指令の波高値である１．０［ＰＵ］の３／４になっている。
【００４２】
また、図８は、図７の各相電圧指令によって得られる負荷Ｍの線間電圧を示す波形図である。この図８によれば、電圧波形に歪みがなく、その大きさは、全ての単相出力セルの健全時に比べて８７．５％（＝１．７５／２．００）になっている。
【００４３】
更に、図９は、単相出力セルの直列接続数Ｎ＝４で、Ｕ相の２台の単相出力セルが故障した場合（請求項１におけるＬ＝２の場合）の電圧ベクトル図である。
例えば、Ｕ相の単相出力セルＵ１，Ｕ２が故障した場合には、図２におけるセルバイパス指令部１０が各セルＵ１，Ｕ２のスイッチＳＵ１，ＳＵ２を短絡するようにオン指令を出力すると共に、相電圧演算部２０は、図９の電圧ベクトルに相当する各指令を発生する。すなわち、例えばＶ相の単相出力セルＶ１，Ｖ２による電圧ベクトルＶｂＶの位相差指令αＶ２＊を−１５０°、Ｗ相の単相出力セルＷ１，Ｗ２による電圧ベクトルＷｂＷの位相差指令αＷ２＊を＋１５０°とする。
【００４４】
また、図１０は、単相出力セルの直列接続数Ｎ＝４で、Ｕ相の単相出力セルが２台、Ｖ相の単相出力セルが１台故障した場合（請求項４におけるＬ１＝２，Ｌ２＝１の場合）の電圧ベクトル図である。この場合には、セルバイパス指令部１０がＵ相及びＶ相の故障したセルのスイッチを短絡するようにオン指令を出力すると共に、相電圧演算部２０は、図１０の電圧ベクトルに相当する各指令を発生する。すなわち、例えばＶ相の健全な１台の単相出力セルによる電圧ベクトルＶｃＶの位相差指令αＶ２＊を−１５０°、Ｗ相の１台の単相出力セルによる電圧ベクトルＷｃＷの位相差指令αＷ２＊を＋１５０°とする。
これらの実施形態は、請求項４〜６に係る発明に相当する。
【００４５】
なお、図１３に示した第１の従来技術では、単相出力セルの健全時の相電圧に第３ｍ次調波成分を重畳することによって線間電圧を大きくしても、単相出力セルの故障によるバイパス時に線間電圧の電圧歪みを生じさせないためには、第３ｍ次調波成分の重畳を中止する必要がある。
例えば、単相出力セルの健全時に、各相電圧波形が図３（ｂ）のような台形波状であった場合、この波形を正弦波状に変えることにより、線間電圧の基本波成分は（１／１．１５５）倍に低下してしまう。この低下分を考慮すると、図１２に示したような制御方法によりセルの直列接続数Ｎ＝４で１台の単相出力セルが故障した場合には、健全時の７９％までしか電圧を出力することができない。
これと同条件の場合、本発明では、図８の説明箇所でも述べたように、健全時の８７．５％まで線間電圧を出力可能であるため、セルバイパス時の出力電圧範囲を図１２の従来技術よりも拡大することができる。
ちなみに、前述した特許文献２では、健全時を含めて、第３ｍ次調波成分を重畳することにより線間電圧を大きくすることについては特に言及されていない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、各種の三相交流負荷に対して高電圧を供給する交流電源装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
Ｑ１〜Ｑ４：半導体スイッチング素子
Ｂ：直流電源
Ｕ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４：単相出力セル
ＳＵ１〜ＳＵ４，ＳＶ１〜ＳＶ４，ＳＷ１〜ＳＷ４：スイッチ（バイパス回路）
１０：セルバイパス指令部
２０：相電圧演算部
３０Ｕ：Ｕ相制御部
３０Ｖ：Ｖ相制御部
３０Ｗ：Ｗ相制御部
３１Ｕ，３２Ｕ：Ｕ相電圧指令発生部
３１Ｖ，３２Ｖ：Ｖ相電圧指令発生部
３１Ｗ，３２Ｗ：Ｗ相電圧指令発生部
３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ：加算器
３４Ｕ：Ｕ相ＰＷＭ信号発生部
３４Ｖ：Ｖ相ＰＷＭ信号発生部
３４Ｗ：Ｗ相ＰＷＭ信号発生部
４０：負荷電圧指令部
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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