JP2000166251A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 直流電源電圧による制限を緩和して大きな交
流出力電圧を負荷に供給する。 【解決手段】 共通の直流電源２０１に接続され、かつ
１相当たりの出力電圧として３つのレベルを出力可能な
スイッチング部を３相分有する３レベルインバータ５０
１と、個別の直流電源２０２，２０３，２０４に接続さ
れ、かつ３レベルインバータ５０１の各相に対応して設
けられた単相インバータ６０２，６０３，６０４とを備
える。前記３レベルインバータ５０１の各相スイッチン
グ部の出力端子を、対応する単相インバータ６０２，６
０３，６０４の一方の交流出力端子に接続すると共に、
これらの単相インバータの各他方の交流出力端子を交流
電動機４０１に接続する。
流出力電圧を負荷に供給する。 【解決手段】 共通の直流電源２０１に接続され、かつ
１相当たりの出力電圧として３つのレベルを出力可能な
スイッチング部を３相分有する３レベルインバータ５０
１と、個別の直流電源２０２，２０３，２０４に接続さ
れ、かつ３レベルインバータ５０１の各相に対応して設
けられた単相インバータ６０２，６０３，６０４とを備
える。前記３レベルインバータ５０１の各相スイッチン
グ部の出力端子を、対応する単相インバータ６０２，６
０３，６０４の一方の交流出力端子に接続すると共に、
これらの単相インバータの各他方の交流出力端子を交流
電動機４０１に接続する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、３レベルインバー
タと単相インバータ（単相２レベルインバータまたは単
相３レベルインバータ）とを結合して構成される電力変
換装置に関し、特に、直流電源電圧に起因する出力交流
電圧の制限を緩和するようにした電力変換装置に関する
ものである。
タと単相インバータ（単相２レベルインバータまたは単
相３レベルインバータ）とを結合して構成される電力変
換装置に関し、特に、直流電源電圧に起因する出力交流
電圧の制限を緩和するようにした電力変換装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】図６は、３相交流電圧を発生するインバ
ータの従来技術を示している。同図において、２０１は
入力の直流電源（その電圧をＥd1とする）、３０１は平
滑コンデンサ、４０１はインバータの負荷となる交流電
動機、１０１〜１０６はダイオードがそれぞれ逆並列接
続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジス
タ）等のスイッチング素子である。直流電源２０１の正
極側Ｐ点と負極側Ｎ点との間には、スイッチング素子１
０１，１０２の直列回路と同１０３，１０４の直列回路
と同１０５，１０６の直列回路とが互いに並列に接続さ
れており、各直列回路内部の相互接続点がＲ相、Ｓ相、
Ｔ相の交流出力端子になっている。
ータの従来技術を示している。同図において、２０１は
入力の直流電源（その電圧をＥd1とする）、３０１は平
滑コンデンサ、４０１はインバータの負荷となる交流電
動機、１０１〜１０６はダイオードがそれぞれ逆並列接
続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジス
タ）等のスイッチング素子である。直流電源２０１の正
極側Ｐ点と負極側Ｎ点との間には、スイッチング素子１
０１，１０２の直列回路と同１０３，１０４の直列回路
と同１０５，１０６の直列回路とが互いに並列に接続さ
れており、各直列回路内部の相互接続点がＲ相、Ｓ相、
Ｔ相の交流出力端子になっている。
【０００３】図７はスイッチング素子１０１，１０２か
らなるＲ相のスイッチング状態であり、通常の動作にお
いて、（ａ）スイッチング素子１０１のオンによりＰ点
の電位を出力する場合、または（ｂ）スイッチング素子
１０２のオンによりＮ点の電位を出力する場合の何れか
一方の状態となる。
らなるＲ相のスイッチング状態であり、通常の動作にお
いて、（ａ）スイッチング素子１０１のオンによりＰ点
の電位を出力する場合、または（ｂ）スイッチング素子
１０２のオンによりＮ点の電位を出力する場合の何れか
一方の状態となる。
【０００４】このように図６、図７の回路構成は、一相
当たりの出力電圧として２個の電位を出力可能なことか
ら、２レベルインバータと呼ばれている。なお、図７で
は、説明のために図６の直流電源２０１を２個に分割
し、それぞれの相互接続点をＯ点としてある。このＯ点
は、Ｐ点とＮ点との中間電位点（仮想中性点）である。
当たりの出力電圧として２個の電位を出力可能なことか
ら、２レベルインバータと呼ばれている。なお、図７で
は、説明のために図６の直流電源２０１を２個に分割
し、それぞれの相互接続点をＯ点としてある。このＯ点
は、Ｐ点とＮ点との中間電位点（仮想中性点）である。
【０００５】次に、２レベルインバータの基本的な動作
について説明する。各相では、電圧出力の１周期中にお
いて半周期づつ図７（ａ）と図７（ｂ）の状態を交互に
繰り返す。そして、各相のスイッチング動作に１２０°
の位相差を持たせることで３相の交流電圧を発生するこ
とができる。このようにインバータを動作させた時の電
圧波形を、図８に示す。同図は、仮想中性点Ｏを基準と
した各相の出力電圧ＶR，ＶS，ＶTと、線間電圧（Ｒ−
Ｓ端子間電圧）ＶRSの波形である。
について説明する。各相では、電圧出力の１周期中にお
いて半周期づつ図７（ａ）と図７（ｂ）の状態を交互に
繰り返す。そして、各相のスイッチング動作に１２０°
の位相差を持たせることで３相の交流電圧を発生するこ
とができる。このようにインバータを動作させた時の電
圧波形を、図８に示す。同図は、仮想中性点Ｏを基準と
した各相の出力電圧ＶR，ＶS，ＶTと、線間電圧（Ｒ−
Ｓ端子間電圧）ＶRSの波形である。
【０００６】図８（ａ）の相電圧ＶRをフーリエ級数を
用いて表すと、数式１となる。
用いて表すと、数式１となる。
【０００７】
【数１】
【０００８】数式１において、基本波成分の実効値Ｖ
R(rms)を求めると、数式２となる。
R(rms)を求めると、数式２となる。
【０００９】
【数２】
【００１０】ここで、３相交流において、線間電圧と相
電圧とは図９に示す電圧ベクトルにより表される。同図
に示す電圧ベクトルＶR，ＶRSの位置関係と、上記数式
２から、線間電圧の実効値ＶRS(rms)は数式３により表
される。
電圧とは図９に示す電圧ベクトルにより表される。同図
に示す電圧ベクトルＶR，ＶRSの位置関係と、上記数式
２から、線間電圧の実効値ＶRS(rms)は数式３により表
される。
【００１１】
【数３】
【００１２】なお、数式３は、直流電源電圧をＥd1とし
た時の３相インバータの交流出力電圧の最大値を示して
いる。このため、インバータの交流出力電圧を増加させ
るには、数式３の関係を満足するように直流電圧Ｅd1を
大きくしなければならない。ここで、図７に示した２個
のスイッチング素子１０１，１０２のスイッチング状態
から明らかなように、インバータの動作中は各相のスイ
ッチング素子のうちの一方がオン状態になって導通する
ので、オフ状態にある他方の素子に直流電圧が印加され
る。通常、半導体素子では印加できる電圧の限界が定格
電圧として規定されており、この値を超えて使用した場
合には素子が破壊される危険がある。このため、インバ
ータの直流電圧は半導体素子の定格電圧よりも小さくし
なければならないので、結果として交流出力電圧が制限
されることになる。
た時の３相インバータの交流出力電圧の最大値を示して
いる。このため、インバータの交流出力電圧を増加させ
るには、数式３の関係を満足するように直流電圧Ｅd1を
大きくしなければならない。ここで、図７に示した２個
のスイッチング素子１０１，１０２のスイッチング状態
から明らかなように、インバータの動作中は各相のスイ
ッチング素子のうちの一方がオン状態になって導通する
ので、オフ状態にある他方の素子に直流電圧が印加され
る。通常、半導体素子では印加できる電圧の限界が定格
電圧として規定されており、この値を超えて使用した場
合には素子が破壊される危険がある。このため、インバ
ータの直流電圧は半導体素子の定格電圧よりも小さくし
なければならないので、結果として交流出力電圧が制限
されることになる。
【００１３】次に、図１０に示す他の従来技術について
説明する。同図において１０１〜１１２はスイッチング
素子、２０２は直流電源（その電圧をＥd2とする）、３
０２は平滑コンデンサであり、４０１は前記同様に電動
機である。
説明する。同図において１０１〜１１２はスイッチング
素子、２０２は直流電源（その電圧をＥd2とする）、３
０２は平滑コンデンサであり、４０１は前記同様に電動
機である。
【００１４】Ｒ相のスイッチング状態は、図１１に示す
ように、直流電源２０２の正側の２個のスイッチング素
子１０１，１０２をオン状態としてＰ点の電位を出力す
る（ａ）の状態と、直流電源２０２の負側の２個のスイ
ッチング素子１０３，１０４をオン状態としてＮ点の電
位を出力する（ｂ）の状態の何れか一方となる。
ように、直流電源２０２の正側の２個のスイッチング素
子１０１，１０２をオン状態としてＰ点の電位を出力す
る（ａ）の状態と、直流電源２０２の負側の２個のスイ
ッチング素子１０３，１０４をオン状態としてＮ点の電
位を出力する（ｂ）の状態の何れか一方となる。
【００１５】図１２に、図１０の回路構成による電圧波
形を示す。２個のスイッチング素子１０１，１０２また
は１０３，１０４を同時にスイッチングさせることで、
図６のインバータと同様な３相交流電圧を発生すること
ができる。この時、線間電圧の実効値ＶRS(rms)は、数
式３と同じ趣旨で数式４によって与えられる。
形を示す。２個のスイッチング素子１０１，１０２また
は１０３，１０４を同時にスイッチングさせることで、
図６のインバータと同様な３相交流電圧を発生すること
ができる。この時、線間電圧の実効値ＶRS(rms)は、数
式３と同じ趣旨で数式４によって与えられる。
【００１６】
【数４】
【００１７】図１０のインバータでは、動作中において
１個のスイッチング素子に印加される電圧は直流電源電
圧の１／２となる。このため、図６と比べて同じ半導体
素子を使用した場合には直流電圧を２倍程度に設定する
ことが可能となり、出力電圧も図６に対して２倍程度に
することができる。しかし、同時にオンまたはオフすべ
き２個のスイッチング素子に特性の違いがあると、スイ
ッチング動作時の電圧分担が不均一になり、一方の素子
に許容値を超える電圧がかかって素子の破壊を招くとい
う問題が発生する。このような問題を防ぐには、特性の
良く揃ったスイッチング素子を選別して使用するか、ま
たは駆動回路を素子特性に合わせて調整する等の特別な
作業が必要となる。
１個のスイッチング素子に印加される電圧は直流電源電
圧の１／２となる。このため、図６と比べて同じ半導体
素子を使用した場合には直流電圧を２倍程度に設定する
ことが可能となり、出力電圧も図６に対して２倍程度に
することができる。しかし、同時にオンまたはオフすべ
き２個のスイッチング素子に特性の違いがあると、スイ
ッチング動作時の電圧分担が不均一になり、一方の素子
に許容値を超える電圧がかかって素子の破壊を招くとい
う問題が発生する。このような問題を防ぐには、特性の
良く揃ったスイッチング素子を選別して使用するか、ま
たは駆動回路を素子特性に合わせて調整する等の特別な
作業が必要となる。
【００１８】次いで、図１３に示した別の従来技術につ
いて説明する。同図において、３０１，３０２は直列接
続された平滑コンデンサ、１５１〜１５６はダイオード
であり、ダイオード１５１，１５２の直列回路はスイッ
チング素子１０２，１０３の直列回路に、ダイオード１
５３，１５４の直列回路はスイッチング素子１０６，１
０７の直列回路に、ダイオード１５５，１５６の直列回
路はスイッチング素子１１０，１１１の直列回路に、そ
れぞれ並列接続されている。また、ダイオード１５１，
１５２の相互接続点、ダイオード１５３，１５４の相互
接続点、ダイオード１５５，１５６の相互接続点は、一
括してコンデンサ３０１，３０２の相互接続点に接続さ
れている。なお、他の構成要素には図１０と同一の参照
符号を付して説明を省略する。
いて説明する。同図において、３０１，３０２は直列接
続された平滑コンデンサ、１５１〜１５６はダイオード
であり、ダイオード１５１，１５２の直列回路はスイッ
チング素子１０２，１０３の直列回路に、ダイオード１
５３，１５４の直列回路はスイッチング素子１０６，１
０７の直列回路に、ダイオード１５５，１５６の直列回
路はスイッチング素子１１０，１１１の直列回路に、そ
れぞれ並列接続されている。また、ダイオード１５１，
１５２の相互接続点、ダイオード１５３，１５４の相互
接続点、ダイオード１５５，１５６の相互接続点は、一
括してコンデンサ３０１，３０２の相互接続点に接続さ
れている。なお、他の構成要素には図１０と同一の参照
符号を付して説明を省略する。
【００１９】図１４に、図１３の１相当たりのスイッチ
ング状態を示す。このインバータでは、出力電圧を正側
電位（Ｐ点）から負側電位（Ｎ点）、または負側電位か
ら正側電位に切り替える際に中性点（Ｏ点）の電位を経
由できるのでスイッチング素子１０１と１０２及び１０
３と１０４を常に同時にスイッチングする必要がなく、
図１０のインバータが持つような電圧分担の不均一によ
る問題が発生しない。このような構成のインバータは、
１相当たりの出力電圧として３つの電圧レベルを出力可
能であることから３レベルインバータと呼ばれる。な
お、この種の３レベルインバータは、例えば特開昭５６
−７４４０８８号公報に詳述されているように公知技術
である。
ング状態を示す。このインバータでは、出力電圧を正側
電位（Ｐ点）から負側電位（Ｎ点）、または負側電位か
ら正側電位に切り替える際に中性点（Ｏ点）の電位を経
由できるのでスイッチング素子１０１と１０２及び１０
３と１０４を常に同時にスイッチングする必要がなく、
図１０のインバータが持つような電圧分担の不均一によ
る問題が発生しない。このような構成のインバータは、
１相当たりの出力電圧として３つの電圧レベルを出力可
能であることから３レベルインバータと呼ばれる。な
お、この種の３レベルインバータは、例えば特開昭５６
−７４４０８８号公報に詳述されているように公知技術
である。
【００２０】図１５に、図１３に示した３レベルインバ
ータの相電圧ＶR，ＶS，ＶTと線間電圧ＶRSの波形の一
例を示す。図において、Ｔ0は零電位の出力期間であ
り、このように零電位期間Ｔ0を持つＲ相の電圧の実効
値ＶR(rms)は、数式５のようになる。
ータの相電圧ＶR，ＶS，ＶTと線間電圧ＶRSの波形の一
例を示す。図において、Ｔ0は零電位の出力期間であ
り、このように零電位期間Ｔ0を持つＲ相の電圧の実効
値ＶR(rms)は、数式５のようになる。
【００２１】
【数５】
【００２２】また、Ｒ−Ｓ線間電圧の実効値ＶRS(rms)
はＲ相電圧実効値ＶR(rms)の√３倍であることから、数
式６が成立する。
はＲ相電圧実効値ＶR(rms)の√３倍であることから、数
式６が成立する。
【００２３】
【数６】
【００２４】図１５の相電圧波形を先の図１２に示した
相電圧波形と比較すれば明らかなように、３レベルイン
バータでは零電位期間Ｔ0が存在するため、出力電圧の
実効値がその影響で小さくなる。しかし、通常の運転状
態において零電位期間Ｔ0が電圧の１周期に占める割合
は非常に小さい。このような理由から、３レベルインバ
ータの出力電圧（線間電圧の実効値ＶRS(rms)）も数式
３と同じ趣旨で次の数式７により近似することができ
る。
相電圧波形と比較すれば明らかなように、３レベルイン
バータでは零電位期間Ｔ0が存在するため、出力電圧の
実効値がその影響で小さくなる。しかし、通常の運転状
態において零電位期間Ｔ0が電圧の１周期に占める割合
は非常に小さい。このような理由から、３レベルインバ
ータの出力電圧（線間電圧の実効値ＶRS(rms)）も数式
３と同じ趣旨で次の数式７により近似することができ
る。
【００２５】
【数７】
【００２６】なお、３レベルインバータにおいてもスイ
ッチング動作中にスイッチング素子に印加される電圧は
直流電圧の１／２になるので、図１０のインバータと同
様に出力電圧を図６のインバータに対して２倍程度にす
ることができる。
ッチング動作中にスイッチング素子に印加される電圧は
直流電圧の１／２になるので、図１０のインバータと同
様に出力電圧を図６のインバータに対して２倍程度にす
ることができる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】上記のように各従来技
術では、何れにしてもインバータに使用する半導体素子
の電圧限界により直流電源の電圧が制限され、結果とし
て出力電圧も制限されてしまうという問題がある。そこ
で本発明は、３レベルインバータと単相インバータとを
組合わせることにより、必要な出力電圧を確保できるよ
うにした電力変換装置を提供しようとするものである。
術では、何れにしてもインバータに使用する半導体素子
の電圧限界により直流電源の電圧が制限され、結果とし
て出力電圧も制限されてしまうという問題がある。そこ
で本発明は、３レベルインバータと単相インバータとを
組合わせることにより、必要な出力電圧を確保できるよ
うにした電力変換装置を提供しようとするものである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、共通の直流電源に接続さ
れ、かつ１相当たりの出力電圧として３つのレベルを出
力可能なスイッチング部を２相以上有する３レベルイン
バータと、個別の直流電源に接続され、かつ前記３レベ
ルインバータの各相に対応させてその相数と同じ数だけ
設けられた単相インバータとを備え、前記３レベルイン
バータの各相スイッチング部の出力端子を、対応する相
の単相インバータの一方の交流出力端子に接続すると共
に、これらの単相インバータの各他方の交流出力端子を
交流負荷に接続したものである。
め、請求項１記載の発明は、共通の直流電源に接続さ
れ、かつ１相当たりの出力電圧として３つのレベルを出
力可能なスイッチング部を２相以上有する３レベルイン
バータと、個別の直流電源に接続され、かつ前記３レベ
ルインバータの各相に対応させてその相数と同じ数だけ
設けられた単相インバータとを備え、前記３レベルイン
バータの各相スイッチング部の出力端子を、対応する相
の単相インバータの一方の交流出力端子に接続すると共
に、これらの単相インバータの各他方の交流出力端子を
交流負荷に接続したものである。
【００２９】請求項２記載の発明は、共通の直流電源に
接続され、かつ１相当たりの出力電圧として３つのレベ
ルを出力可能なスイッチング部を２相以上有する３レベ
ルインバータと、個別の直流電源に接続され、かつ３つ
のレベルを出力可能なスイッチング部を２つ有すると共
に、前記３レベルインバータの各相に対応させてその相
数と同じ数だけ設けられた単相インバータとを備え、前
記３レベルインバータの各相スイッチング部の出力端子
を、対応する相の単相インバータの一方の交流出力端子
に接続すると共に、これらの単相インバータの各他方の
交流出力端子を交流負荷に接続したものである。
接続され、かつ１相当たりの出力電圧として３つのレベ
ルを出力可能なスイッチング部を２相以上有する３レベ
ルインバータと、個別の直流電源に接続され、かつ３つ
のレベルを出力可能なスイッチング部を２つ有すると共
に、前記３レベルインバータの各相に対応させてその相
数と同じ数だけ設けられた単相インバータとを備え、前
記３レベルインバータの各相スイッチング部の出力端子
を、対応する相の単相インバータの一方の交流出力端子
に接続すると共に、これらの単相インバータの各他方の
交流出力端子を交流負荷に接続したものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図１は、３相交流電動機を負荷とした場
合の第１実施形態であり、請求項１に記載した発明の実
施形態に相当する。同図において、５０１は図１３に示
した回路と同一構成の３相３レベルインバータであるた
め、各構成要素に同一の参照符号を付して詳細な説明を
省略するが、便宜上、半導体スイッチング素子１０１〜
１０４の直列回路をＲ相のスイッチング部、半導体スイ
ッチング素子１０５〜１０８の直列回路をＳ相のスイッ
チング部、半導体スイッチング素子１０９〜１１２の直
列回路をＴ相のスイッチング部というものとする。以下
では、この実施形態が図１３と異なる部分を中心に説明
する。
態を説明する。図１は、３相交流電動機を負荷とした場
合の第１実施形態であり、請求項１に記載した発明の実
施形態に相当する。同図において、５０１は図１３に示
した回路と同一構成の３相３レベルインバータであるた
め、各構成要素に同一の参照符号を付して詳細な説明を
省略するが、便宜上、半導体スイッチング素子１０１〜
１０４の直列回路をＲ相のスイッチング部、半導体スイ
ッチング素子１０５〜１０８の直列回路をＳ相のスイッ
チング部、半導体スイッチング素子１０９〜１１２の直
列回路をＴ相のスイッチング部というものとする。以下
では、この実施形態が図１３と異なる部分を中心に説明
する。
【００３１】図１の実施形態では、Ｒ相のスイッチング
素子１０２，１０３の相互接続点（Ｒ相出力端子）と交
流電動機４０１との間、Ｓ相のスイッチング素子１０
６，１０７の相互接続点（Ｓ相出力端子）と交流電動機
４０１との間、Ｔ相のスイッチング素子１１０，１１１
の相互接続点（Ｔ相出力端子）と交流電動機４０１との
間に、それぞれ同一構成の単相２レベルインバータであ
るＲ相ブーストインバータ６０２、Ｓ相ブーストインバ
ータ６０３、Ｔ相ブーストインバータ６０４が接続され
ている。なお、２０２，２０３，２０４は各インバータ
６０２，６０３，６０４の直流電源である。
素子１０２，１０３の相互接続点（Ｒ相出力端子）と交
流電動機４０１との間、Ｓ相のスイッチング素子１０
６，１０７の相互接続点（Ｓ相出力端子）と交流電動機
４０１との間、Ｔ相のスイッチング素子１１０，１１１
の相互接続点（Ｔ相出力端子）と交流電動機４０１との
間に、それぞれ同一構成の単相２レベルインバータであ
るＲ相ブーストインバータ６０２、Ｓ相ブーストインバ
ータ６０３、Ｔ相ブーストインバータ６０４が接続され
ている。なお、２０２，２０３，２０４は各インバータ
６０２，６０３，６０４の直流電源である。
【００３２】ブーストインバータの構成を、Ｒ相ブース
トインバータ６０２を例にとって説明する。このインバ
ータ６０２は、直流電源２０２の両端に接続された平滑
コンデンサ３０３と、その両端に接続された単相ブリッ
ジ構成のスイッチング素子１１３〜１１６とを備え、各
スイッチング素子１１３〜１１６には逆並列ダイオード
が接続されている。そして直列接続されたスイッチング
素子１１３，１１４の相互接続点（インバータ６０２の
一方の交流出力端子）が３相３レベルインバータ５０１
のＲ相出力端子に接続され、直列接続されたスイッチン
グ素子１１５，１１６の相互接続点（インバータ６０２
の他方の交流出力端子）が交流電動機４０１に接続され
ている。
トインバータ６０２を例にとって説明する。このインバ
ータ６０２は、直流電源２０２の両端に接続された平滑
コンデンサ３０３と、その両端に接続された単相ブリッ
ジ構成のスイッチング素子１１３〜１１６とを備え、各
スイッチング素子１１３〜１１６には逆並列ダイオード
が接続されている。そして直列接続されたスイッチング
素子１１３，１１４の相互接続点（インバータ６０２の
一方の交流出力端子）が３相３レベルインバータ５０１
のＲ相出力端子に接続され、直列接続されたスイッチン
グ素子１１５，１１６の相互接続点（インバータ６０２
の他方の交流出力端子）が交流電動機４０１に接続され
ている。
【００３３】他のＳ相ブーストインバータ６０３、Ｔ相
ブーストインバータ６０４も同様の接続構成であり、３
０４，３０５は平滑コンデンサ、１１７〜１２４はスイ
ッチング素子である。すなわち、スイッチング素子１１
７，１１８の相互接続点（インバータ６０３の一方の交
流出力端子）が３相３レベルインバータ５０１のＳ相出
力端子に接続され、スイッチング素子１１９，１２０の
相互接続点（インバータ６０３の他方の交流出力端子）
が交流電動機４０１に接続されているとともに、スイッ
チング素子１２１，１２２の相互接続点（インバータ６
０４の一方の交流出力端子）が３相３レベルインバータ
５０１のＴ相出力端子に接続され、スイッチング素子１
２３，１２４の相互接続点（インバータ６０４の他方の
交流出力端子）が交流電動機４０１に接続されている。
ブーストインバータ６０４も同様の接続構成であり、３
０４，３０５は平滑コンデンサ、１１７〜１２４はスイ
ッチング素子である。すなわち、スイッチング素子１１
７，１１８の相互接続点（インバータ６０３の一方の交
流出力端子）が３相３レベルインバータ５０１のＳ相出
力端子に接続され、スイッチング素子１１９，１２０の
相互接続点（インバータ６０３の他方の交流出力端子）
が交流電動機４０１に接続されているとともに、スイッ
チング素子１２１，１２２の相互接続点（インバータ６
０４の一方の交流出力端子）が３相３レベルインバータ
５０１のＴ相出力端子に接続され、スイッチング素子１
２３，１２４の相互接続点（インバータ６０４の他方の
交流出力端子）が交流電動機４０１に接続されている。
【００３４】次に、この実施形態の動作を説明する。図
２は、基本的な動作波形を示しており、同図において
（ａ）ＶR1は３相３レベルインバータ５０１から出力さ
れたＲ相の相電圧、（ｂ）ＶR2はＲ相ブーストインバー
タ６０２の出力電圧である。なお、Ｅd4，Ｅd5はそれぞ
れ直流電源２０１，２０２の電圧である。電圧ＶR1，Ｖ
R2における零電位の出力期間をそれぞれＴ0，φとする
と、各相電圧の実効値ＶR1(rms)，ＶR2(rms)は、数式５
の場合と同じ趣旨で以下の数式８、数式９によって表さ
れる。
２は、基本的な動作波形を示しており、同図において
（ａ）ＶR1は３相３レベルインバータ５０１から出力さ
れたＲ相の相電圧、（ｂ）ＶR2はＲ相ブーストインバー
タ６０２の出力電圧である。なお、Ｅd4，Ｅd5はそれぞ
れ直流電源２０１，２０２の電圧である。電圧ＶR1，Ｖ
R2における零電位の出力期間をそれぞれＴ0，φとする
と、各相電圧の実効値ＶR1(rms)，ＶR2(rms)は、数式５
の場合と同じ趣旨で以下の数式８、数式９によって表さ
れる。
【００３５】
【数８】
【００３６】
【数９】
【００３７】これらの電圧ＶR1，ＶR2を合成すると図２
（ｃ）ＶRに示すようなＲ相の相電圧波形が得られる。
このＲ相電圧の実効値ＶR(rms)は、数式１０のようにな
る。
（ｃ）ＶRに示すようなＲ相の相電圧波形が得られる。
このＲ相電圧の実効値ＶR(rms)は、数式１０のようにな
る。
【００３８】
【数１０】
【００３９】同様にしてＳ相の相電圧を求めると図２
（ｄ）ＶSのようなＲ相電圧よりも１２０°遅れた波形
となる。このため、相電圧ＶR，ＶSを合成すると、負荷
に印加される線間電圧は図２（ｅ）ＶRSに示すような波
形となる。ここで、線間電圧は相電圧に対して√３倍と
なるので、線間電圧の実効値について数式１１が成立す
る。
（ｄ）ＶSのようなＲ相電圧よりも１２０°遅れた波形
となる。このため、相電圧ＶR，ＶSを合成すると、負荷
に印加される線間電圧は図２（ｅ）ＶRSに示すような波
形となる。ここで、線間電圧は相電圧に対して√３倍と
なるので、線間電圧の実効値について数式１１が成立す
る。
【００４０】
【数１１】
【００４１】数式１１と数式６との比較から明らかなよ
うに、図１に示した電力変換装置では、負荷に対する出
力線間電圧の実効値ＶRS(rms)において、３相３レベル
インバータ単独の場合よりも数式１１の右辺第２項に示
すブーストインバータの出力分だけ高い電圧が出力可能
となる。また、図２と図１５の電圧波形を比較すれば明
白なように、出力電圧の電圧レベル数が増加したことか
ら出力高調波の低減も可能となる。
うに、図１に示した電力変換装置では、負荷に対する出
力線間電圧の実効値ＶRS(rms)において、３相３レベル
インバータ単独の場合よりも数式１１の右辺第２項に示
すブーストインバータの出力分だけ高い電圧が出力可能
となる。また、図２と図１５の電圧波形を比較すれば明
白なように、出力電圧の電圧レベル数が増加したことか
ら出力高調波の低減も可能となる。
【００４２】図３は本発明の第２実施形態を示してお
り、上記第１実施形態を基本として３相多重巻線の交流
電動機４０２を駆動する場合のものである。この実施形
態は、請求項１の発明の他の実施形態に相当する。
り、上記第１実施形態を基本として３相多重巻線の交流
電動機４０２を駆動する場合のものである。この実施形
態は、請求項１の発明の他の実施形態に相当する。
【００４３】図３において、３相３レベルインバータ５
０１（基本部１）と同一構成の３相３レベルインバータ
５０２（基本部２）を共通直流母線Ｐ’，Ｎ’，Ｏ’を
介して共通の直流電源２０１に接続し、Ｒ相〜Ｔ相のブ
ーストインバータ６０２〜６０４と同様に構成されたＡ
相、Ｂ相、Ｃ相のブーストインバータ６０５〜６０７を
用いて３相二重巻線の交流電動機４０２を駆動する。な
お、２０５〜２０７は各ブーストインバータ６０５〜６
０７に個別に設けられた直流電源である。本実施形態の
動作波形は基本的に図２と同様であり、このように３相
３レベルインバータ５０１，５０２を共通の直流電源２
０１に接続することで、電源部の簡略化が可能となる。
０１（基本部１）と同一構成の３相３レベルインバータ
５０２（基本部２）を共通直流母線Ｐ’，Ｎ’，Ｏ’を
介して共通の直流電源２０１に接続し、Ｒ相〜Ｔ相のブ
ーストインバータ６０２〜６０４と同様に構成されたＡ
相、Ｂ相、Ｃ相のブーストインバータ６０５〜６０７を
用いて３相二重巻線の交流電動機４０２を駆動する。な
お、２０５〜２０７は各ブーストインバータ６０５〜６
０７に個別に設けられた直流電源である。本実施形態の
動作波形は基本的に図２と同様であり、このように３相
３レベルインバータ５０１，５０２を共通の直流電源２
０１に接続することで、電源部の簡略化が可能となる。
【００４４】次に、図４は本発明の第３実施形態を示し
ている。この実施形態も３相交流電動機４０１を負荷と
したものであり、請求項２に記載した発明の実施形態に
相当する。図４において、３相３レベルインバータ５０
１の構成は図１と同様であるため説明を省略し、以下で
は異なる部分を中心に説明する。この実施形態では、Ｒ
相〜Ｔ相のブーストインバータ７０２〜７０４の構成が
図１、図３と異なっている。これらのブーストインバー
タ７０２〜７０４の構成は同一であるため、ここではＲ
相ブーストインバータ７０２を例にとってその構成を説
明する。
ている。この実施形態も３相交流電動機４０１を負荷と
したものであり、請求項２に記載した発明の実施形態に
相当する。図４において、３相３レベルインバータ５０
１の構成は図１と同様であるため説明を省略し、以下で
は異なる部分を中心に説明する。この実施形態では、Ｒ
相〜Ｔ相のブーストインバータ７０２〜７０４の構成が
図１、図３と異なっている。これらのブーストインバー
タ７０２〜７０４の構成は同一であるため、ここではＲ
相ブーストインバータ７０２を例にとってその構成を説
明する。
【００４５】ブーストインバータ７０２は単相３レベル
インバータであり、平滑コンデンサ９０１，９０２の直
列回路と、逆並列接続されたダイオードを有するスイッ
チング素子８０１〜８０４の直列回路（スイッチング部
という）と、同じくスイッチング素子８０５〜８０８の
直列回路（スイッチング部という）とが直流電源２０２
に対して並列に接続されている。また、ダイオード８５
１，８５２の直列回路がスイッチング素子８０２，８０
３の直列回路に対し並列に接続されると共に、ダイオー
ド８５３，８５４の直列回路がスイッチング素子８０
６，８０７の直列回路に対し並列に接続されている。更
に、平滑コンデンサ９０１，９０２の相互接続点とダイ
オード８５１，８５２の相互接続点とダイオード８５
３，８５４の相互接続点とが一括して接続され、スイッ
チング素子８０２，８０３の相互接続点（インバータ７
０２の一方の出力端子）が３相３レベルインバータ５０
１のスイッチング素子１０２，１０３の相互接続点（Ｒ
相出力端子）に接続され、スイッチング素子８０６，８
０７の相互接続点（インバータ７０２の他方の出力端
子）がＲ相出力端子として交流電動機４０１に接続され
ている。
インバータであり、平滑コンデンサ９０１，９０２の直
列回路と、逆並列接続されたダイオードを有するスイッ
チング素子８０１〜８０４の直列回路（スイッチング部
という）と、同じくスイッチング素子８０５〜８０８の
直列回路（スイッチング部という）とが直流電源２０２
に対して並列に接続されている。また、ダイオード８５
１，８５２の直列回路がスイッチング素子８０２，８０
３の直列回路に対し並列に接続されると共に、ダイオー
ド８５３，８５４の直列回路がスイッチング素子８０
６，８０７の直列回路に対し並列に接続されている。更
に、平滑コンデンサ９０１，９０２の相互接続点とダイ
オード８５１，８５２の相互接続点とダイオード８５
３，８５４の相互接続点とが一括して接続され、スイッ
チング素子８０２，８０３の相互接続点（インバータ７
０２の一方の出力端子）が３相３レベルインバータ５０
１のスイッチング素子１０２，１０３の相互接続点（Ｒ
相出力端子）に接続され、スイッチング素子８０６，８
０７の相互接続点（インバータ７０２の他方の出力端
子）がＲ相出力端子として交流電動機４０１に接続され
ている。
【００４６】なお、Ｓ相ブーストインバータ７０３、Ｔ
相ブーストインバータ７０４もＲ相ブーストインバータ
７０２と同様の構成であり、それらのＳ相出力端子、Ｔ
相出力端子が交流電動機４０１に接続されている。
相ブーストインバータ７０４もＲ相ブーストインバータ
７０２と同様の構成であり、それらのＳ相出力端子、Ｔ
相出力端子が交流電動機４０１に接続されている。
【００４７】図５は、この実施形態の動作波形図であ
る。同図の（ａ）ＶR1は３相３レベルインバータ５０１
から出力されたＲ相の相電圧であり、Ｔ01は零電位期間
である。図１の実施形態と同様に、Ｒ相電圧実効値Ｖ
R1(rms)は前記数式８で表される。また、Ｒ相ブースト
インバータ７０２として単相３レベルインバータを適用
したことにより、このインバータ７０２からは図５
（ｂ）ＶR2に示すように５つの電圧レベルを出力するこ
とができる。この図５（ｂ）において、φ1は零電位期
間であり、Ｔ01＜φ1＜φ2の関係がある。このＲ相ブー
ストインバータ７０２から出力される相電圧実効値Ｖ
R2(rms)は、数式１２によって表される。
る。同図の（ａ）ＶR1は３相３レベルインバータ５０１
から出力されたＲ相の相電圧であり、Ｔ01は零電位期間
である。図１の実施形態と同様に、Ｒ相電圧実効値Ｖ
R1(rms)は前記数式８で表される。また、Ｒ相ブースト
インバータ７０２として単相３レベルインバータを適用
したことにより、このインバータ７０２からは図５
（ｂ）ＶR2に示すように５つの電圧レベルを出力するこ
とができる。この図５（ｂ）において、φ1は零電位期
間であり、Ｔ01＜φ1＜φ2の関係がある。このＲ相ブー
ストインバータ７０２から出力される相電圧実効値Ｖ
R2(rms)は、数式１２によって表される。
【００４８】
【数１２】
【００４９】Ｒ相の相電圧ＶRはＶR1とＶR2との合成に
なるので、その波形は図５（ｃ）のようになり、実効値
は前記数式１０と同じ趣旨で数式１３によって表され
る。また、同様にしてＳ相の相電圧を求めると、（ｄ）
ＶSのようなＲ相の相電圧ＶRよりも１２０°遅れた波形
となる。このため、相電圧ＶR，ＶSを合成すると、負荷
に印加される線間電圧は（ｅ）ＶRSに示すような波形と
なり、その実効値ＶRS(rms)は数式１１と同じ趣旨で数
式１４のようになる。
なるので、その波形は図５（ｃ）のようになり、実効値
は前記数式１０と同じ趣旨で数式１３によって表され
る。また、同様にしてＳ相の相電圧を求めると、（ｄ）
ＶSのようなＲ相の相電圧ＶRよりも１２０°遅れた波形
となる。このため、相電圧ＶR，ＶSを合成すると、負荷
に印加される線間電圧は（ｅ）ＶRSに示すような波形と
なり、その実効値ＶRS(rms)は数式１１と同じ趣旨で数
式１４のようになる。
【００５０】
【数１３】
【００５１】
【数１４】
【００５２】数式１４と数式１１との比較から明らかな
ように、図４に示した電力変換装置では、出力線間電圧
の実効値について図１の実施形態よりも更に高い電圧を
出力することができる。また、図５の電圧波形から明ら
かなように、出力電圧の電圧レベル数が第１実施形態よ
りも更に増加するので、出力高調波の一層の低減が可能
となる。
ように、図４に示した電力変換装置では、出力線間電圧
の実効値について図１の実施形態よりも更に高い電圧を
出力することができる。また、図５の電圧波形から明ら
かなように、出力電圧の電圧レベル数が第１実施形態よ
りも更に増加するので、出力高調波の一層の低減が可能
となる。
【００５３】なお、上記各実施形態は、３相３レベルイ
ンバータに単相２レベルまたは３レベルインバータを組
み合わせた構成であるが、単相３レベルインバータに単
相２レベルまたは３レベルインバータを組み合わせて単
相交流負荷に電力を供給することもできる。
ンバータに単相２レベルまたは３レベルインバータを組
み合わせた構成であるが、単相３レベルインバータに単
相２レベルまたは３レベルインバータを組み合わせて単
相交流負荷に電力を供給することもできる。
【００５４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、３レベル
インバータと単相インバータとを組合せた構成により、
例えばインバータと交流負荷との間に変圧器等の昇圧装
置を用いることなく高い出力電圧を得ることができると
共に、相電圧及び線間電圧において出力できる電圧のレ
ベル数が多くなるので、高調波を低減することができ
る。また、多重巻線電動機のように多相電源を必要とす
る負荷に対しても、直流電源部の共用によってこれを簡
略化した電力変換装置を提供することができる。
インバータと単相インバータとを組合せた構成により、
例えばインバータと交流負荷との間に変圧器等の昇圧装
置を用いることなく高い出力電圧を得ることができると
共に、相電圧及び線間電圧において出力できる電圧のレ
ベル数が多くなるので、高調波を低減することができ
る。また、多重巻線電動機のように多相電源を必要とす
る負荷に対しても、直流電源部の共用によってこれを簡
略化した電力変換装置を提供することができる。
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】第１実施形態の動作波形図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図５】第３実施形態の動作波形図である。
【図６】従来技術を示す回路図である。
【図７】図６の動作説明図である。
【図８】図６の動作波形図である。
【図９】図６の各相電圧、線間電圧のベクトル図であ
る。
る。
【図１０】従来技術を示す回路図である。
【図１１】図１０の動作説明図である。
【図１２】図１０の動作波形図である。
【図１３】従来技術を示す回路図である。
【図１４】図１３の動作説明図である。
【図１５】図１３の動作波形図である。
１０１〜１２４，８０１〜８０８ スイッチング素子 １５１〜１５６，８５１〜８５４ ダイオード ２０１〜２０７ 直流電源 ３０１〜３０５，９０１，９０２ 平滑コンデンサ ４０１，４０２ 交流電動機 ５０１，５０２ ３相３レベルインバータ ６０２〜６０７，７０２〜７０４ ブーストインバータ Ｐ’，Ｎ’，Ｏ’ 共通直流母線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹川 清明 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 花澤 昌彦 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H007 BB06 CA01 CB02 CB04 CB05 CC04 CC06 CC23 DA03 DA06 EA02
Claims (2)
- 【請求項１】 共通の直流電源に接続され、かつ１相当
たりの出力電圧として３つのレベルを出力可能なスイッ
チング部を２相以上有する３レベルインバータと、 個別の直流電源に接続され、かつ前記３レベルインバー
タの各相に対応させてその相数と同じ数だけ設けられた
単相インバータとを備え、 前記３レベルインバータの各相スイッチング部の出力端
子を、対応する相の単相インバータの一方の交流出力端
子に接続すると共に、これらの単相インバータの各他方
の交流出力端子を交流負荷に接続したことを特徴とする
電力変換装置。 - 【請求項２】 共通の直流電源に接続され、かつ１相当
たりの出力電圧として３つのレベルを出力可能なスイッ
チング部を２相以上有する３レベルインバータと、 個別の直流電源に接続され、かつ３つのレベルを出力可
能なスイッチング部を２つ有すると共に、前記３レベル
インバータの各相に対応させてその相数と同じ数だけ設
けられた単相インバータとを備え、 前記３レベルインバータの各相スイッチング部の出力端
子を、対応する相の単相インバータの一方の交流出力端
子に接続すると共に、これらの単相インバータの各他方
の交流出力端子を交流負荷に接続したことを特徴とする
電力変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10341775A JP2000166251A (ja) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | 電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10341775A JP2000166251A (ja) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | 電力変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000166251A true JP2000166251A (ja) | 2000-06-16 |
Family
ID=18348678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10341775A Withdrawn JP2000166251A (ja) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | 電力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000166251A (ja) |
Cited By (16)
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-
1998
- 1998-12-01 JP JP10341775A patent/JP2000166251A/ja not_active Withdrawn
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