JP4793096B2 - 高圧交流直接電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧交流直接電力変換装置（マトリックスコンバータ、ＡＣ−ＡＣ直接電力変換回路）に係り、特に交流直接変換回路の直列多段接続によって高圧出力を得る高圧交流直接電力変換装置に関する。

図３は従来の高圧インバータの主回路構成例を示し、３３００Ｖ、６６００Ｖ級の高圧モータをマルチレベルＰＷＭ波形で直接駆動する（例えば、非特許文献１参照）。多重巻線変圧器ＴＦは二次側に９個の巻線を設けて各二次巻線に降圧した出力を得る。単相インバータユニットＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３は、単相インバータユニットＷ１に代表して示すように、変圧器ＴＦの二次巻線の三相出力を整流器で整流し、これを直流電源として単相構成の逆変換回路に単相交流出力を得る。単相インバータユニットＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３の各出力は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相別に多段直列接続されて相別の単相高圧出力を得、各単相高圧出力の一端を中性点Ｎとして互いに接続し、他端に得る三相高圧出力で高圧モータＭ等の負荷を駆動する。なお、各ユニットは変換回路を構成する基本単位を言う。

この高圧インバータは、各単相インバータユニットが整流器によって交流−直流変換しているため、負荷からの回生電力を電源側（変圧器ＴＦ側）に回生できない。この電源回生を可能にするには電源回生コンバータを別途必要とする。この電源回生機能をもつものとして、単相マトリックスコンバータを多段接続して高圧出力を得る高圧マトリックスコンバータが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。

この高圧マトリックスコンバータの主回路構成を図４に示す。同図では図３の単相インバータユニットＵ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３に代えて、単相マトリックスコンバータユニットＭｘＣを配置する。単相マトリックスコンバータユニットＭｘＣは、三相交流から直接に単相交流を得るもので、三相入力と単相出力との間に双方向スイッチＳ１〜Ｓ６と入力フィルタＡＣＦｉｌｔｅｒ（入力ＬＣフィルタ）で構成され、双方向スイッチをＰＷＭ制御することで任意の周波数および電圧の単相出力を負荷に供給し、負荷の回生時には電源側に電力を回生させることができる。

なお、図３および図４共に、多重巻線変圧器ＴＦは、電源側高調波電流を低減するために、各二次巻線には位相差を持たせる。
デッドタイムの影響を考慮した高圧電動機直接駆動用多重ＰＷＭ制御法、電気学会論文誌Ｄ，１２６巻１号，頁１〜９（２００６） 特開２００５−４５９９９号公報 高圧マトリックスコンバータによるモータドライブ、電気学会金属産業研究会資料ＭＩＤ−０５−２４（２００５）

従来の高圧インバータや高圧マトリックスコンバータは、単相インバータユニット（図３）または単相マトリックスコンバータユニット（図４）を直列多段接続する主回路構成とし、各ユニットの電源側は変圧器の個別の二次巻線から交流電力を取り出す構成としている。このような構成では、少なくとも９台のユニットを必要とし、さらに９個の二次側変圧器（２７個の二次巻線）を必要とし、装置構成が大型化、複雑化する。

さらに、図３の構成ではユニット毎に整流器と平滑コンデンサを必要とし、図４の構成ではユニット毎にＬＣフィルタを必要とし、装置の大型化、コストアップを招く。

本発明の目的は、変圧器およびＬＣフィルタも含めて主回路構成を簡単化できる高圧交流直接電力変換装置を提供することにある。

前記の課題を解決するための本発明は、以下の構成を特徴とする。

（１）複数の二次巻線を設けた多重巻線変圧器から入力した電圧および周波数を任意の電圧および周波数に直接変換し出力する交流直接変換回路と、
前記二次巻線と交流直接変換回路との間にＬＣフィルタを設け、前記交流直接変換回路を多段接続するとともに各交流直接変換回路の双方向スイッチの制御によって負荷を高圧で直接駆動する高圧の交流電力を直接変換する装置であって、
前記各交流直接変換回路の多段接続は、
電源側を各段毎に２並列接続し、
最低電圧段の一方の前記交流直接変換回路は反電源側の各相端を相互接続し、
最高電圧段の一方の前記交流直接変換回路は反電源側を負荷に接続し、
最低電圧段と最高電圧段の間に位置する各段は、一方の前記交流直接変換回路の反電源側を前段の他方の前記交流直接変換回路の反電源側に相互接続し、他方の前記交流直接変換回路の反電源側を次段の他方の前記交流直接変換回路の反電源側に相互接続した構成を特徴とする。

（２）前記交流直接変換回路は、多相入力多相出力とすることを特徴とする。

（３）前記多重巻線変圧器の各二次巻線は互いに位相差を持たせて入力高調波を抑制する構成を特徴とする。

（４）前記各交流直接変換回路は単体で入力正弦波化し、前記多重巻線変圧器の各二次巻線は同じ位相にして入力高調波を抑制する構成を特徴とする。

（５）前記２並列接続の交流直接変換回路を基本単位構成とし、その制御装置を前記基本単位内で共通化した構成を特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、高圧交流直接電力変換装置において、変圧器およびＬＣフィルタも含めて主回路構成を簡単化できる。

具体的には、
（１）汎用的な多相入力／多相出力マトリックス結線された半導体スイッチングデバイスモジュールが利用できる。

（２）従来方式に比べて、スイッチングデバイス数は同数で実現できる。

（３）変換回路の並列接続でＬＣフィルタを共用化するため、ＬＣフィルタ数が従来方式に比べて削減できる。

（４）ＬＣフィルタの共用化に加え、並列接続する変換回路のキャリア位相をずらして電流リプルを相殺する制御をすることでＬＣフィルタの容量・大きさの低減が期待できる。

（５）従来方式に比べて、多重巻線変圧器の二次巻線数を削減できる。

（６）従来方式と異なり、出力側も３相結線であるため、入力電流ＰＷＭ制御の際に、切り刻む元となる出力電流に相の選択自由度が生まれ、変換回路単体で入力正弦波化が実現できる。

（７）入力多重巻線変圧器の二次側設計が簡単になり、変圧器の構造・コスト・大きさ的に更なるメリットとなる。

（８）並列ユニット間の配線や制御装置を共通化することができ、配線インダクタンスの減少や制御装置の共通化が実現できる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す高圧交流直接電力変換装置の主回路構成図であり、３相の交流直接電力変換回路を使用した例で、以下図１の主回路構成を基に説明をする。

多重巻線変圧器ＴＦは位相差を与えた３個の二次巻線をもつ構成とし、各二次巻線はそれぞれＬＣフィルタを通して２並列接続の交流直接電力変換回路ＭＣ１ＡとＭＣＩＢ、ＭＣ２ＡとＭＣ２Ｂ、ＭＣ３ＡとＭＣ３Ｂの電源側に接続される。ＬＣフィルタは変換回路と交流電源との間の入出力電流に対する高調波抑制を行うものである。

２並列接続の変換回路ＭＣ１ＡとＭＣＩＢ、ＭＣ２ＡとＭＣ２Ｂ、ＭＣ３ＡとＭＣ３Ｂは、ＭＣ１Ａに代表して示すように、３相−３相交流直接変換回路構成とする。２並列接続の変換回路ＭＣ１ＡとＭＣＩＢは、電源側の三相端子を同じ相別に並列接続し、上段のＭＣ１Ａの負荷側の三相端を互いに接続して中性点Ｎとし、下段のＭＣ１Ｂの負荷側の三相端子を次段のＭＣ２Ａの負荷側の三相端子に直列接続した２回路直列接続構成とする。

同様に、２並列接続の変換回路ＭＣ２ＡとＭＣ２Ｂ、ＭＣ３ＡとＭＣ３Ｂは、それぞれ２回路直列接続構成とし、上段の変換回路ＭＣ２Ａ、ＭＣ３Ａは負荷側の三相端子をそれぞれ上段のＭＣ１Ｂ、ＭＣ２Ｂの負荷側の三相端子と直列接続し、最下段の変換回路ＭＣ３Ｂの負荷側の三相端子は負荷Ｌｏａｄに接続する。

本実施形態の主回路構成によれば、以下の利点・特徴が得られる。

（１）汎用的な３相／３相マトリックス結線された半導体スイッチングデバイスモジュールが利用できる。

（２）スイッチングデバイス数は図４と同数で実現できる。

（３）２並列接続となる変換回路に対してＬＣフィルタを共用化するため、入力ＬＣフィルタ数が、図４に比べて削減できる。

（４）ＬＣフィルタの共用化に加え、２並列接続の変換回路のキャリア位相をずらして電流リプルを相殺することでＬＣフィルタの容量・大きさの低減が期待できる。

（５）図４に比べて、多重巻線変圧器ＴＦの二次巻線数を削減できる。

（６）図４と異なり、変換回路の負荷側も３相結線であるため、入力電流ＰＷＭ制御の際に、切り刻む元となる出力電流に相の選択自由度が生まれ、変換回路単体で入力正弦波化が実現できる。

（実施形態２）
実施形態１では、多重巻線変圧器の二次側に位相差を与えて入力高調波抑制を図るが、上記（６）の特徴・利点を用いれば、二次側に位相差を与えなくても３相／３相交流直接変換回路毎に入力正弦波化ができる。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、多重巻線変圧器の二次側に位相差を与えることなく、同じ位相にした二次巻線をもつ構成にして入力高調波抑制を図ることができる。

本実施形態によれば、多重巻線変圧器の二次側設計が簡単になり、多重巻線変圧器の構造・コスト・大きさ的に更なるメリットとなる。

（実施形態３）
実施形態１、２において、３相／３相交流直接電力変換回路ＭＣ１Ａ、ＭＣＩＢ、ＭＣ２Ａ、ＭＣ２Ｂ、ＭＣ３Ａ、ＭＣ３Ｂがそれぞれ単体で基本単位（セル化）構成とするのではなく、２並列接続の変換回路ＭＣ１ＡとＭＣＩＢ、ＭＣ２ＡとＭＣ２Ｂ、ＭＣ３ＡとＭＣ３Ｂを基本単位構成（図１の点線ブロックの構成）として制御ＣＰＵの共通化、構造の共通化を図る。

本実施形態によれば、変換回路ユニット間の配線や制御装置を共通化することができ、配線インダクタンスの減少や制御装置の共通化が実現できる。

本発明の実施形態１を示す高圧交流直接電力変換装置の主回路構成図。 本発明の実施形態２を示す高圧交流直接電力変換装置の主回路構成図。 従来の高圧インバータの主回路構成例。 従来の高圧マトリックスコンバータの主回路構成図。

符号の説明

ＴＦ 多重巻線変圧器
ＬＣｆｉｌｔｅｒ ＬＣフィルタ
ＭＣ１Ａ、ＭＣＩＢ 交流直接電力変換回路
ＭＣ２Ａ、ＭＣ２Ｂ 交流直接電力変換回路
ＭＣ３Ａ、ＭＣ３Ｂ 交流直接電力変換回路
Ｌｏａｄ 負荷

Claims (5)

1. 複数の二次巻線を設けた多重巻線変圧器から入力した電圧および周波数を任意の電圧および周波数に直接変換し出力する交流直接変換回路と、
   前記二次巻線と交流直接変換回路との間にＬＣフィルタを設け、前記交流直接変換回路を多段接続するとともに各交流直接変換回路の双方向スイッチの制御によって負荷を高圧で直接駆動する高圧の交流電力を直接変換する装置であって、
   前記各交流直接変換回路の多段接続は、
   電源側を各段毎に２並列接続し、
   最低電圧段の一方の前記交流直接変換回路は反電源側の各相端を相互接続し、
   最高電圧段の一方の前記交流直接変換回路は反電源側を負荷に接続し、
   最低電圧段と最高電圧段の間に位置する各段は、一方の前記交流直接変換回路の反電源側を前段の他方の前記交流直接変換回路の反電源側に相互接続し、他方の前記交流直接変換回路の反電源側を次段の他方の前記交流直接変換回路の反電源側に相互接続した構成を特徴とする高圧交流直接電力変換装置。
2. 前記交流直接変換回路は、多相入力多相出力とすることを特徴とする請求項１に記載の高圧交流直接電力変換装置。
3. 前記多重巻線変圧器の各二次巻線は互いに位相差を持たせて入力高調波を抑制する構成を特徴とする請求項１または２に記載の高圧交流直接電力変換装置。
4. 前記各交流直接変換回路は単体で入力正弦波化し、前記多重巻線変圧器の各二次巻線は同じ位相にして入力高調波を抑制する構成を特徴とする請求項１または２に記載の高圧交流直接電力変換装置。
5. 前記２並列接続の交流直接変換回路を基本単位構成とし、その制御装置を前記基本単位内で共通化した構成を特徴とする請求項１または２に記載の高圧交流直接電力変換装置。

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