JP5360125B2 - 直列多重電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列多重電力変換装置に関する。

直列多重電力変換装置は、電力変換セルを直列に複数段接続した相を複数設けた電力変換装置である。直列多重電力変換装置として、例えば、電力変換セルとしてセルインバータと呼ばれる低電圧単相インバータにより構成し、所定の高圧および大容量出力を直接得る直列多重インバータがある。

かかる直列多重電力変換装置において、電力変換セルを直列接続されてなる相側の相電流を検出し、過電流保護を行う技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０６０８１号公報

しかしながら、従来の直列多重電力変換装置では、相電流に基づいて相単位で電流制限を行って、過電流保護を行う。そのため、相単位で運転が停止してしまい、電力変換を継続して行うことができないという課題があった。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、過電流保護を行いつつも電力変換を継続して行うことができる直列多重電力変換装置を提供することを目的とする。

本願の開示する直列多重電力変換装置は、一つの態様において、電力変換セルを直列に複数段接続した相を複数備え、前記電力変換セルのそれぞれは、複数のスイッチング素子を有する電力変換部と、前記相側の電流を検出する電流検出部と、を備え、前記電流検出部による検出結果に基づいて、前記電力変換セル単位で電力変換動作を停止し、前記電力変換動作の停止は、前記電力変換部の出力端子間が導通状態になるように前記電力変換部の前記スイッチング素子を制御することによって行うことを特徴とする。

本願の開示する直列多重電力変換装置の一つの態様によれば、過電流保護を行いつつも電力変換を継続して行うことができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成を示す図である。 図２は、図１に示す電力変換セルの構成を示す図である。 図３Ａは、電力変換セルの電力変換動作によって生成される相電圧の一例を示す図である。 図３Ｂは、電力変換セルの電力変換動作によって生成される相電圧の一例を示す図である。 図３Ｃは、電力変換セルの電力変換動作によって生成される相電圧の一例を示す図である。 図４は、図２に示す電力変換部の構成の一例を示す図である。 図５Ａは、図４に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態の一例を示す図である。 図５Ｂは、図４に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態の一例を示す図である。 図６は、図４に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態での端子間の電流の流れを示す図である。 図７は、図２に示す電力変換部の他の構成の一例を示す図である。 図８Ａは、図７に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態の一例を示す図である。 図８Ｂは、図７に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態の一例を示す図である。 図８Ｃは、図７に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態の一例を示す図である。 図９は、図７に示す電力変換部において電力変換動作を停止した状態の一例を示す図である。 図１０は、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成を示す図である。

以下に、本願の開示する直列多重電力変換装置のいくつかの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成を示す図、図２は電力変換セルの構成の一例を示す図、図３Ａ〜図３Ｃは、電力変換セルの電力変換動作によって形成される相電圧の一例を示す図である。なお、図３Ａ〜図３Ｃにおいて、時間軸である横軸は互いに同一スケールである。

図１に示すように、直列多重電力変換装置１は、３相交流電源２と交流電動機３との間に設けられる。かかる直列多重電力変換装置１は、変圧器１０と、電力変換ブロック２０と、制御部３０とを備える。

変圧器１０は、一次巻線１１と複数の二次巻線１２を備えており、一次巻線１１に３相交流電源２が接続される。一方、複数の二次巻線１２のそれぞれに電力変換ブロック２０の電力変換セル２１ａ〜２１ｉ（以下において、電力変換セル２１と総称する）が接続される。

なお、各電力変換セル２１が直流電力から交流電力へ変換を行う電力変換セルである場合、変圧器１０に代えて、例えば、直流電源が各電力変換セル２１に接続される。また、各電力変換セル２１が交流電力から交流電力へ変換を行う電力変換セルである場合であっても、例えば、３相交流電源２側の定格電圧値と交流電動機３側の定格電圧値との関係によっては、変圧器１０を介さずに３相交流電源２へ直接接続できる。

電力変換ブロック２０は、位相差が１２０度となるＵ相、Ｖ相、Ｗ相をＹ結線で接続して形成される。具体的には、電力変換ブロック２０は、上述したように電力変換セル２１ａ〜２１ｉを備える。そして、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、それぞれ３つの電力変換セル２１を直列に複数段接続して形成される。すなわち、Ｕ相は、直列に接続した３つの電力変換セル２１ａ〜２１ｃを備え、Ｖ相は、直列に接続した３つの電力変換セル２１ｄ〜２１ｆを備え、Ｗ相は、直列に接続した３つの電力変換セル２１ｇ〜２１ｉを備える。

制御部３０は、各電力変換セル２１に対して、制御信号を出力する。これにより、各電力変換セル２１において、制御信号に基づいた電力変換動作が行われる。なお、制御部３０は、制御信号として、例えば、ＰＷＭ信号を出力する。

次に、電力変換セル２１の構成を説明する。図２に示すように、電力変換セル２１は、セルコントローラ２２と、電力変換部２３とを備える。セルコントローラ２２は、制御部３０から出力される制御信号に基づいて電力変換部２３を制御する。電力変換部２３は、セルコントローラ２２の制御によって端子ｃ１〜ｃ３（以下、端子ｃとも記載する）と端子ａ，ｂとの間で電力変換動作を行う。

さらに、電力変換セル２１は、端子ａ，ｂとの間に流れる電流を検出する電流検出部２４を備える。これにより、電力変換セル２１毎に相電流を検出することが可能となる。具体的には、電力変換セル２１ａ〜２１ｃは、それぞれＵ相の電流を検出し、電力変換セル２１ｄ〜２１ｆは、それぞれＶ相の電流を検出し、電力変換セル２１ｇ〜２１ｉは、それぞれＷ相の電流を検出する。

かかる電流検出部２４による検出結果に基づいて、セルコントローラ２２は、電力変換セル２１の電力変換動作を停止する。具体的には、セルコントローラ２２は、制御部３０から出力される制御信号に基づいて電力変換部２３を制御している状態で、電流検出部２４によって所定の閾値以上の電流値が検出された場合、過電流の状態であると判定し、電力変換部２３の制御を停止する。

また、電力変換セル２１の電流検出部２４による検出結果は、制御部３０へ通知される。電流検出部２４は、所定の閾値以上の電流値を検出した場合、Ｈレベルの検出信号を出力し、所定の閾値未満の電流値を検出した場合、Ｌレベルの検出信号を出力する。

制御部３０は、電力変換セル２１からＨレベルの検出信号を取得した場合、Ｈレベルの検出信号を出力した電力変換セル２１が属する相のその他の電力変換セル２１へ出力する制御信号を変更する。例えば、Ｕ相に属する電力変換セル２１ａ〜２１ｃの全てが電力変換動作を実行している場合、電力変換セル２１ａ〜２１ｃによって形成されるＵ相合成電圧は、例えば、図３Ａに示す状態となる。

かかる状態において、電力変換セル２１ａが過電流の検出によって電力変換動作を停止したとする。この場合、電力変換セル２１ｂ，２１ｃによって形成されるＵ相合成電圧は、例えば、図３Ｂに示す状態となる。そのため、Ｕ相において電力が図３Ａに示す状態に比べ、減少する。

そこで、制御部３０は、電力変換セル２１ａが属する相のその他の電力変換セル２１ｂ，２１ｃへ出力する制御信号を変更する。具体的には、制御部３０は、電力変換セル２１ａの電力変換動作が停止した場合において、電力変換セル２１ｂ，２１ｃによって形成されるＵ相合成電圧の平均値を図３Ｂに示すＵ相合成電圧の平均値よりも大きくする制御信号を電力変換セル２１ｂ，２１ｃへ出力する。これにより、電力変換動作を停止した電力変換セル２１ａが属するＵ相において、電力変換セル２１ｂ，２１ｃによって変換される電力量を図３Ｂに示す状態よりも増加させることができる。

例えば、制御部３０は、電力変換セル２１ａの電力変換動作が停止した場合において、図３Ｃに示すように、電力変換セル２１ｂ，２１ｃによって形成されるＵ相合成電圧の平均値を図３Ａに示すＵ相合成電圧の平均値と同等にする制御信号を電力変換セル２１ｂ，２１ｃへ出力することができる。これにより、電力変換動作が停止した電力変換セル２１ａが属するＵ相において、電力変換セル２１ｂ，２１ｃによって変換される電力量を図３Ａに示す状態と同等にすることができる。

ここでは、電力変換セル２１ａが過電流の検出によって電力変換動作を停止する例を示したが、電力変換セル２１ｂ，２１ｃが過電流の検出によって電力変換動作を停止する場合も制御部３０によって同様に制御される。また、ここでは、Ｕ相に対する制御について説明したが、Ｖ相やＷ相に対する制御も制御部３０によってＵ相に対する制御と同様に行われる。このように、制御部３０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相において、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の存否に応じて、電力変換セル２１へ出力する制御信号を変更する。

なお、上述においては、図３Ａに示す状態から図３Ｃに示す状態へ移行するようにしたが、図３Ｂに示す状態を維持するようにしてもよい。すなわち、制御部３０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相において、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の存否に依存しない制御信号を電力変換セル２１へ出力することもできる。このようにすることで、変換する電力量の減少が生じるものの、制御部３０による処理負荷を軽減することができる。

このように、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置１では、電力変換セル２１単位で電力変換動作を停止する。そのため、電力変換セル２１単位で過電流保護を行いつつも、電力変換動作を停止していない残りの電力変換セル２１によって運転を継続することができる。なお、上述においては、各電力変換セル２１のセルコントローラ２２が、電流検出部２４による検出結果に基づいて、電力変換動作を停止するようにしたが、これに限られない。例えば、制御部３０が、電流検出部２４による検出結果に基づいて、電力変換セル２１の電力変換動作を停止させることもできる。すなわち、制御部３０は、電力変換セル２１からＨレベルの検出信号を取得した場合、当該Ｈレベルの検出信号を出力した電力変換セル２１に対して電力変換動作の停止を要求する制御信号（以下、動作停止信号と記載する）を出力して電力変換動作を停止させることができる。

直列多重電力変換装置１では、電力変換セル２１間を接続するケーブルに含まれる配線インダクタンスの影響や電力変換セル２１を構成する素子のバラツキなどが存在することから、同一相に属する電力変換セル２１であっても、流れる電流は同一ではない。したがって、同一相に属する電力変換セル２１であっても、ある時点では、過電流の状態と判定される電力変換セル２１と過電流の状態と判定されない電力変換セル２１が存在する。

そこで、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置１では、電力変換セル２１単位で過電流の状態であるか否かを判定し、かかる判定によって電力変換セル２１単位で電力変換動作を停止する。これにより、過電流保護を行いつつも、電力変換動作を停止した電力変換セル２１が属する相と同一の相に属する残りの電力変換セル２１によって電力変換動作を継続することができる。

過電流による電力変換動作の停止を電力変換セル２１単位で行う処理は、例えば、交流電動機３の回転子を加速する加速動作の際に有効である。加速動作では、過大な電流が一時的に流れることから、かかる過大な電流により相単位で電力変換動作が停止した場合、電力変換を継続することができない。しかし、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置１では、電力変換セル２１単位で電力変換動作を停止して過電流保護を行う。そのため、直列多重電力変換装置１では、過電流保護を行いつつも、電力変換を継続することができる。

また、各電力変換セル２１は、電流検出部２４によって検出された電流値の情報（以下、検出電流情報と記載する）を制御部３０へ出力する。制御部３０は、各電力変換セル２１から出力される検出電流情報に基づいて、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の数が相間で一致するか否かを判定する。制御部３０は、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の数が相間で一致しないと判定した場合、電力変換動作を停止していない一部の電力変換セル２１の電力変換動作を停止して、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の数を相間で一致させる。

例えば、電力変換セル２１ａ〜２１ｉのいずれも電力変換動作を停止していない状態から、Ｕ相に属する電力変換セル２１ａが過電流の検出によって電力変換動作を停止したとする。この場合、制御部３０は、Ｖ相に属する一つの電力変換セル２１およびＷ相に属する一つの電力変換セル２１の電力変換動作を停止する。

具体的には、制御部３０は、電力変換動作を停止させる電力変換セル２１に対して、動作停止信号を出力する。各電力変換セル２１は、動作停止信号に基づいて電力変換部２３を制御することで、電力変換動作を停止する。このように、電力変換動作が停止される電力変換セル２１の数を相間で一致させることで、相間の電力変換バランスを保持することができる。

また、制御部３０は、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の数を相間で一致させる場合に、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の位置関係を相間で一致させる。例えば、電力変換セル２１ａが過電流の検出によって電力変換動作を停止したとする。電力変換動作を停止した電力変換セル２１ａの相内の位置は、中性点Ｎから一段目の位置Ｕ１（図１参照）であり、また、かかる位置Ｕ１に対応するＶ相およびＷ相の位置は、中性点Ｎから一段目の位置Ｖ１および位置Ｗ１（図１参照）である。

したがって、例えば、電力変換セル２１ａが過電流の検出によって電力変換動作を停止した場合、制御部３０は、電力変換セル２１ａと相内の位置が一致する位置Ｖ１の電力変換セル２１ｄおよび位置Ｗ１の電力変換セル２１ｇの電力変換動作を停止する。このように、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の位置関係を相間で一致させることで、相間の電力変換バランスをより精度よく保持することが可能となる。

ここで、電力変換部２３の構成について、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、電力変換部２３の例として、図４にインバータの構成の一例を示し、図７にマトリクスコンバータの構成の一例を示す。

まず、電力変換部２３としてインバータを用いる場合の例について、図４を参照して説明する。図４に示すインバータは、コンバータ回路４１と、コンデンサＣ１と、インバータ回路４２とを備える。コンバータ回路４１は、３相交流電源２から変圧器１０を介して端子ｃへ入力される３相交流電圧を直流電圧へ整流する。コンデンサＣ１は、コンバータ回路４１によって整流された直流電圧を平滑する。

なお、ここでは、コンバータ回路４１として全波整流回路を一例に挙げて説明したが、コンバータ回路４１はこれに限られるものではなく、スイッチング素子によって構成し、交流電力を直流電力に整流するようにスイッチング素子を制御してもよい。

インバータ回路４２は、コンデンサＣ１によって平滑された直流電圧をスイッチングして電流を端子ａ，ｂへ出力する。かかるインバータ回路４２は、４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を備える。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４として、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチが用いられる。

そして、セルコントローラ２２によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン／オフのタイミングを調整することによって、端子ａと端子ｂとの間に所望の電流を流す。なお、インバータ回路４２では、高圧側のスイッチング素子Ｑ１と低圧側のスイッチング素子Ｑ２とが直列に接続され、同様に、高圧側のスイッチング素子Ｑ３と低圧側のスイッチング素子Ｑ４とが直列に接続される。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の出力端子間には、それぞれ高圧側をアノード端子とする環流ダイオードＤ１〜Ｄ４が並列に接続される。

電流検出部２４によって所定の閾値以上の電流値が検出された場合、または、制御部３０からセルコントローラ２２へ動作停止信号が出力された場合、セルコントローラ２２は、電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作のいずれかを選択して実行する。電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作のいずれかを選択するかの情報は、例えば、図示しない設定手段への入力によって予め設定される。セルコントローラ２２は、このように設定された情報に基づいて、電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作のいずれを選択する。

電位差ゼロ出力動作を選択する場合、セルコントローラ２２は、端子ａと端子ｂとの間の電位差が略ゼロになるように、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン／オフを制御する。図５Ａおよび図５Ｂに、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにした状態を示す。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいては、説明を分かり易くするために、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の状態を一般的な回路記号で簡易的に表し、環流ダイオードＤ１〜Ｄ４は省略している。

セルコントローラ２２は、電位差ゼロ出力動作を選択する場合、例えば、図５Ａに示すように、高圧側の全てのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３をオンにし、低圧側の全てのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４をオフにすることによって、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにする。この場合、端子ｂから端子ａへの方向の電流は、環流ダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ３を通過する経路で流れ、端子ａから端子ｂへの方向の電流は、環流ダイオードＤ３およびスイッチング素子Ｑ１を通過する経路で流れる。このように、電力変換セル２１において電力変換動作を停止した場合、端子ａと端子ｂとの間が導通状態となる。

したがって、かかる電力変換動作を停止した電力変換セル２１が属する相において、他の電力変換セル２１が電力変換動作している場合には、当該他の電力変換セル２１の電力変換動作に影響を与えることなく、電力変換動作を継続することができる。

すなわち、相単位での電力変換動作の停止ではなく、電力変換セル２１での電力変換動作の停止を実現することができる。例えば、Ｕ相の電力変換セル２１ａが電力変換動作を停止した場合、電力変換セル２１ａは導通状態になるため、Ｕ相に属する他の電力変換セル２１ｂ，２１ｃの電力変換動作に影響を与えない。これにより、Ｕ相における電力変換動作を継続することができる。

また、セルコントローラ２２は、図５Ｂに示すように、高圧側の全てのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３をオフにし、低圧側の全てのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４をオンにすることによって、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにすることもできる。

この場合、端子ｂから端子ａへの方向の電流は、スイッチング素子Ｑ２および環流ダイオードＤ４を通過する経路で流れ、端子ａから端子ｂへの方向の電流は、スイッチング素子Ｑ４および環流ダイオードＤ２を通過する経路で流れる。このように、電力変換セル２１において電力変換動作を停止した場合、端子ａと端子ｂとの間が導通状態となる。したがって、図５Ｂに示す場合も、図５Ａに示す場合と同様に、相単位での電力変換動作の停止ではなく、電力変換セル２１単位で電力変換動作の停止を実現することができる。

なお、セルコントローラ２２は、図５Ａに示す状態と図５Ｂに示す状態のいずれかを選択することができるが、例えば、動作停止信号が入力される毎に、図５Ａに示すスイッチ制御と、図５Ｂに示すスイッチ制御を交互に繰り返すこともできる。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち一部のスイッチング素子に集中して電流が流れることを防止することができる。

次に、セルコントローラ２２において、全スイッチオフ動作を選択する場合の動作を説明する。図６は、全スイッチオフ動作の状態を示す図である。なお、図６においては、説明を分かり易くするために、図５Ａおよび図５Ｂと同様に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の状態を一般的な回路記号で簡易的に表す。

スイッチオフ動作を選択する場合、図６に示すように、セルコントローラ２２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を全てオフにする制御を行う。この場合、図６に示すように、端子ｂから端子ａへの方向の電流は、環流ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、環流ダイオードＤ４の経路で流れる。

また、端子ａから端子ｂへの方向の電流は、環流ダイオードＤ３、コンデンサＣ１、環流ダイオードＤ２の経路で流れる。したがって、全スイッチオフ動作の場合も、電位差ゼロ出力動作の場合と同様に、相単位での電力変換動作の停止ではなく、電力変換セル２１単位で電力変換動作の停止を実現することができる。

なお、図５Ａ、図５Ｂおよび図６に示す例では、電力変換セル２１において電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作を行って端子ａと端子ｂとの間の導通状態を形成するようにしたが、導通状態の形成はこれに限られない。例えば、電力変換セル２１が電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作を行うことができない構成である場合、端子ａと端子ｂとの間に別途スイッチを設け、かかるスイッチを、電力変換動作を停止する際にオン（短絡状態）にすることで、端子ａと端子ｂとの間の導通状態を形成することもできる。

また、上述した例では、設定された情報に基づいて、電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作のいずれかを選択するようにしたが、選択方法はこれに限られない。例えば、電流検出部２４において第１閾値以上第２閾値未満の電流を検出した場合に、セルコントローラ２２が電位差ゼロ出力動作を実行し、電流検出部２４において第２閾値以上の電流を検出した場合に、セルコントローラ２２が全スイッチオフ動作を実行してもよい。また、電流検出部２４において第１閾値以上第２閾値未満の電流を検出した場合に、セルコントローラ２２が全スイッチオフ動作を実行し、電流検出部２４において第２閾値以上の電流を検出した場合に、セルコントローラ２２が電位差ゼロ出力動作を実行してもよい。また、セルコントローラ２２は、電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作を交互に行うようにすることもできる。

次に、電力変換部２３としてマトリクスコンバータを用いる場合の例について、図７を参照して説明する。図７に示す電力変換部２３は、単相マトリクスコンバータ本体５０と、フィルタ５１と、スナバ回路５２とを備える単相マトリクスコンバータである。

単相マトリクスコンバータ本体５０は、双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆ（以下、双方向スイッチ５３と総称する）を備える。双方向スイッチ５３ａ〜５３ｃの一端には電力変換部２３の端子ｂが接続され、双方向スイッチ５３ｄ〜５３ｆの一端には電力変換部２３の端子ａが接続される。

そして、双方向スイッチ５３ａの他端は双方向スイッチ５３ｄの他端に接続され、さらにフィルタ５１を介して端子ｃ１に接続される。同様に、双方向スイッチ５３ｂの他端は双方向スイッチ５３ｅの他端に接続され、さらにフィルタ５１を介して端子ｃ２に接続される。また、双方向スイッチ５３ｃの他端は双方向スイッチ５３ｆの他端に接続され、さらにフィルタ５１を介して端子ｃ３に接続される。

双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆは、例えば、単一方向のスイッチング素子を逆方向に並列接続した２素子から構成することができる。スイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチが用いられる。そして、かかる半導体スイッチのゲートに信号を入力して各半導体スイッチのオン／オフを制御することで、通電方向が制御される。

フィルタ５１は、単相マトリクスコンバータ本体５０のスイッチングによって発生する高調波電流を低減するためのフィルタであり、コンデンサＣ１１ａ〜Ｃ１１ｃと、インダクタンスＬ１ａ〜Ｌ１ｃを備える。インダクタンスＬ１ａ〜Ｌ１ｃは、単相マトリクスコンバータ本体５０と端子ｃ１，ｃ２，ｃ３との間に接続され、コンデンサＣ１１ａ〜Ｃ１１ｃは、それぞれの一端が端子ｃ１，ｃ２，ｃ３に接続され、他端が共通に接続される。

スナバ回路５２は、入力側全波整流回路５４と、出力側全波整流回路５５と、コンデンサＣ１２と、放電回路５６とを備える。かかるスナバ回路５２は、単相マトリクスコンバータ本体５０の端子間に発生するサージ電圧を入力側全波整流回路５４および出力側全波整流回路５５によって直流電圧へ変換してコンデンサＣ１２に蓄積し、当該蓄積した直流電圧を放電回路５６によって放電する。なお、放電回路５６による放電は、コンデンサＣ１２の電圧が所定値以上の電圧となった場合にセルコントローラ２２の制御によって実行される。

かかる構成の電力変換部２３において、セルコントローラ２２によって双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆのオン／オフのタイミングを調整することによって、端子ａと端子ｂとの間に所望の電流を流す。これにより、電力変換部２３による電力変換動作が実行される。

一方、制御部３０からセルコントローラ２２へ動作停止信号が出力された場合、セルコントローラ２２は、電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作のいずれかを選択して実行する。なお、電位差ゼロ出力動作および全スイッチオフ動作の選択方法は、上述したインバータの場合の選択方法と同様である。

セルコントローラ２２は、電位差ゼロ出力動作を選択する場合、端子ａと端子ｂとの間の電位差が略ゼロになるように、双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆのオン／オフを制御する。図８Ａ〜図８Ｃに、端子ａと端子ｂとの間の電位差をゼロにした状態を示す。なお、図８Ａ〜図８Ｃにおいては、説明を分かり易くするために、双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆの状態を一般的な回路記号で簡易的に表す。

例えば、図８Ａに示すように、セルコントローラ２２は、端子ｃ１に接続された双方向スイッチ５３ａ，５３ｄを通電方向が双方向になるようにオンにし、その他の端子ｃ２，ｃ３に接続された双方向スイッチ５３ｂ，５３ｃ，５３ｅ，５３ｆをいずれの通電方向もオフにする。この場合、端子ａと端子ｂとの間に流れる電流は、双方向スイッチ５３ａおよび双方向スイッチ５３ｄを通過する経路で流れる。これにより、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにすることができる。

また、図８Ｂに示すように、セルコントローラ２２は、端子ｃ２に接続された双方向スイッチ５３ｂ，５３ｅを通電方向が双方向になるようにオンにし、その他の端子ｃ１，ｃ３に接続された双方向スイッチ５３ａ，５３ｃ，５３ｄ，５３ｆをいずれの通電方向もオフにすることもできる。これによっても、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにすることができる。

また、図８Ｃに示すように、セルコントローラ２２は、端子ｃ３に接続された双方向スイッチ５３ｃ，５３ｆを通電方向が双方向になるようにオンにし、その他の端子ｃ１，ｃ２に接続された双方向スイッチ５３ａ，５３ｂ，５３ｄ，５３ｅをいずれの通電方向もオフにすることもできる。これによっても、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにすることができる。

このように、セルコントローラ２２は、図８Ａ〜図８Ｃに示す状態のいずれによっても、端子ａと端子ｂとの間の電位差を略ゼロにすることができるが、電位差ゼロ出力動作する時間が継続する場合、オンにする双方向スイッチ５３に負担がかかる。そこで、セルコントローラ２２は、所定時間毎に、接続状態を変更する。これにより、双方向スイッチ５３への負担を軽減することができる。

例えば、所定期間毎に、図８Ａに示す制御状態から図８Ｂに示す制御状態へ、図８Ｂに示す制御状態から図８Ｃに示す制御状態へ、図８Ｃに示す制御状態から図８Ａに示す制御状態へと順次制御状態を切り替える。これにより、双方向スイッチ５３ａ，５３ｄ、双方向スイッチ５３ｂ，５３ｅ、双方向スイッチ５３ｃ，５３ｆの順に電流が流れる双方向スイッチ５３を切り替えることが可能となる。

次に、セルコントローラ２２において、全スイッチオフ動作を選択する場合の動作を説明する。図９は、全スイッチオフ動作の状態を示す図である。なお、図９においては、説明を分かり易くするために、図８に示す例と同様に、双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆの状態を一般的な回路記号で簡易的に表す。

図９に示すように、全スイッチオフ動作を選択する場合、セルコントローラ２２は双方向スイッチ５３ａ〜５３ｆをいずれの通電方向もオフにする制御を行う。この場合、端子ｂから端子ａへの方向の電流は、図９に示すように、ダイオード５７ａ、コンデンサＣ１２、ダイオード５７ｃの経路で流れる。

また、端子ａから端子ｂへの方向の電流は、ダイオード５７ｂ、コンデンサＣ１２、ダイオード５７ｄの経路で流れる。したがって、全スイッチオフ動作の場合も、電位差ゼロ出力動作の場合と同様に、相単位での電力変換動作の停止ではなく、電力変換セル２１単位で電力変換動作の停止を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置について説明する。第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置は、上述した第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置１に対して、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の位置関係を相間で一致させる処理（以下、相間セル数一致処理と記載する）を行う構成が異なる。すなわち、第１の実施形態に係る直列多重電力変換装置１では、相間セル数一致処理を制御部３０によって実現したが、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置では、制御部３０を介さずに、相間セル数一致処理を行う。

図１０は、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置の構成の一部を示す図である。なお、図１０では、説明を分かり易くするために、電力変換セル２１ａ，２１ｄ，２１ｇに関係する構成のみを示しており、その他の構成は省略している。

図１０に示すように、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置１ａは、論理積回路６０ａ，６０ｄ，６０ｇ（以下、論理積回路６０と総称する）を備える。各論理積回路６０は、Ｕ相の位置Ｕ１にある電力変換セル２１ａの電流検出部２４から出力される検出信号Ｓａ、Ｖ相の位置Ｖ１にある電力変換セル２１ｄの電流検出部２４から出力される検出信号Ｓｄ、Ｗ相の位置Ｗ１にある電力変換セル２１ｇの電流検出部２４から出力される検出信号Ｓｇを入力する。

各論理積回路６０は、３つの検出信号Ｓａ，Ｓｄ，ＳｇのいずれかがＨレベルの信号である場合に、Ｈレベルの信号を出力する。セルコントローラ２２は、論理積回路６０からＨレベルの信号が出力された場合に、電力変換動作を停止する。そのため、電力変換セル２１ａ，２１ｄ，２１ｇのいずれかの電流検出部２４からＨレベルの信号が出力された場合に、電力変換セル２１ａ，２１ｄ，２１ｇにおいて電力変換動作が停止する。

例えば、電力変換セル２１ａの電流検出部２４から出力される検出信号ＳａがＨレベルの信号であり、電力変換セル２１ｄ，２１ｇの電流検出部２４から出力される検出信号Ｓｄ，ＳｇがＬレベルの信号であるとする。この場合、Ｈレベルである検出信号Ｓａが各論理積回路６０ａ，６０ｄ，６０ｇへ入力されるため、各論理積回路６０ａ，６０ｄ，６０ｇからはＨレベルの信号が出力される。そのため、電力変換セル２１ａ，２１ｄ，２１ｇにおいて電力変換動作が停止する。

なお、図１０では、電力変換セル２１ａ，２１ｄ，２１ｇに関係する構成のみを示して説明したが、中性点Ｎから２番目の位置Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２（図１参照）にある電力変換セル２１ｂ，２１ｅ，２１ｈや中性点Ｎから３番目の位置Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３（図１参照）にある電力変換セル２１ｃ，２１ｆ，２１ｉについても同様に構成される。

すなわち、電力変換セル２１ｂ，２１ｅ，２１ｈのいずれかにおいて電流検出部２４からＨレベルの信号が出力された場合、電力変換セル２１ｂ，２１ｅ，２１ｈにおいて電力変換動作が停止する。また、電力変換セル２１ｃ，２１ｆ，２１ｉのいずれかにおいて電流検出部２４からＨレベルの信号が出力された場合、電力変換セル２１ｃ，２１ｆ，２１ｉにおいて電力変換動作が停止する。

このように、第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置１ａでは、各電力変換セル２１は、他の相に属し、相における位置関係が互いに一致する電力変換セル２１の電流検出部２４での検出結果に基づいて、電力変換動作を停止する。そのため、制御部３０による制御を行わずに、電力変換動作を停止する電力変換セル２１の位置関係を相間で一致させることができる。なお、図１０に示す例では、論理積回路６０を電力変換セル２１内に配置したが、電力変換セル２１外に配置してもよい。

以上のように、第１および第２の実施形態に係る直列多重電力変換装置１，１ａでは、相単位ではなく、電力変換セル２１単位で電力変換動作を停止するようにしている。そのため、一部の電力変換セル２１で過電流保護が行われた場合であっても、電力変換動作を停止されていない残りの電力変換セル２１によって運転を継続することができる。

なお、第１および第２の実施形態においては、３相交流電源２から交流電動機３へ電力変換を行うこととして説明したが、これに限られるものではない。例えば、３相交流電源２を電力系統に代え、交流電動機３を交流発電機に代えた構成、すなわち、交流発電機によって発電した電力を電力系統へ出力する直列多重電力変換装置であっても同様に適用することができる。この場合、例えば、電力変換セル２１がインバータである場合には、端子ｃ側にインバータ回路を配置し、端子ａ，ｂ側にコンバータ回路を配置する。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１，１ａ 直列多重電力変換装置
２ ３相交流電源
３ 交流電動機
２０ 電力変換ブロック
３０ 制御部
２１，２１ａ〜２１ｉ 電力変換セル
２２ セルコントローラ
２３ 電力変換部（インバータ，マトリクスコンバータ）
２４ 電流検出部

Claims (11)

1. 電力変換セルを直列に複数段接続した相を複数備え、
   前記電力変換セルのそれぞれは、
   複数のスイッチング素子を有する電力変換部と、
   前記相側の電流を検出する電流検出部と、を備え、
   前記電流検出部による検出結果に基づいて、前記電力変換セル単位で電力変換動作を停止し、
   前記電力変換動作の停止は、前記電力変換部の出力端子間が導通状態になるように前記電力変換部の前記スイッチング素子を制御することによって行う
   ことを特徴とする直列多重電力変換装置。
2. 前記電力変換セルのそれぞれは、
   前記電流検出部による検出結果に基づいて、電力変換動作を停止するセルコントローラを備えたことを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
3. 前記電流検出部による検出結果に基づいて、前記電力変換セル単位で電力変換動作を停止する制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
4. 前記各相に属する前記複数の電力変換セルのそれぞれに対して制御信号を出力して、当該制御信号に基づいた電力変換動作を前記電力変換セルに行わせる制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記各相において、前記電力変換動作を停止する電力変換セルの存否に応じて前記制御信号を変更することを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
5. 前記各相に属する前記複数の電力変換セルのそれぞれに対して制御信号を出力して、当該制御信号に基づいた電力変換動作を前記電力変換セルに行わせる制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記各相において、前記電力変換動作を停止する電力変換セルの存否に応じた前記制御信号の変更を行わないことを特徴とする請求項１に記載の直列多重電力変換装置。
6. 前記検出結果に基づいて前記電力変換動作を停止する電力変換セルの数が相間で一致しない場合、電力変換動作が停止されていない一部の電力変換セルの電力変換動作を停止して、前記電力変換動作を停止する電力変換セルの数を相間で一致させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の直列多重電力変換装置。
7. 前記電力変換動作を停止する電力変換セルの位置関係を相間で一致させることを特徴とする請求項６に記載の直列多重電力変換装置。
8. 前記電力変換セルのそれぞれは、
   他の相に属し、相における位置関係が互いに一致する一つの電力変換セルにおける前記検出結果に基づいて、電力変換動作を停止することを特徴とする請求項２に記載の直列多重電力変換装置。
9. 前記制御部は、
   一つの電力変換セルが電力変換動作を停止する場合、当該停止する電力変換セルと相における位置関係が互いに一致する他の相に属する電力変換セルの電力変換動作を停止することを特徴とする請求項３に記載の直列多重電力変換装置。
10. 前記電力変換セルは、インバータであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の直列多重電力変換装置。
11. 前記電力変換セルは、マトリクスコンバータであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の直列多重電力変換装置。

Images