JP2000243636A - 三相マルチレベルインバータ用変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一次電流歪みを低減し、二次側短絡時に生じ
る短絡機械力を小さくし、二次巻線相互間に必要な絶縁
強度を下げること。 【解決手段】 三相三脚鉄心の脚２９ａの周囲に一次巻
線１９を巻回し、さらにその外周に９個の二次巻線２０
ａ〜２０ｉを脚２９ａに沿った方向に並んだ状態に巻回
する。一次巻線１９を脚方向に対して３分割し、分割し
た一次分割巻線１９ａ、１９ｂ、１９ｃを互いに並列に
接続する。二次巻線２０ａ〜２０ｉは、＋２０°、０
°、−２０°の電圧位相を有する３個の二次巻線から構
成される３つの巻線群２８ｘ、２８ｙ、２８ｚに分けら
れる。各巻線群２８ｘ〜２８ｚにおける各３個の二次巻
線の電圧位相およびその配設順序は、同じとなるよう構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｎ個（ｎ≧２）の
交流入力単相インバータ回路を直列接続することにより
構成されるインバータユニットを三相スター結線して構
成した三相マルチレベルインバータに対し、当該各単相
インバータ回路に交流電圧を供給するための三相マルチ
レベルインバータ用変圧器に関する。

【０００２】

【従来の技術】三相マルチレベルインバータ装置は、昇
圧変圧器などを用いることなく高圧の交流電圧を直接生
成して出力するもので、例えば高圧の電動機を駆動する
ために用いられるものである。この三相マルチレベルイ
ンバータ装置は、一般に、三相マルチレベルインバータ
回路と、この三相マルチレベルインバータ回路に交流電
圧を供給するための三相変圧器とから構成されている。

【０００３】三相マルチレベルインバータ回路は、ｎ個
（ｎ≧２）の単相インバータ回路の出力端子を直列に接
続して多段構成としたインバータユニットを、さらに三
相スター結線することにより構成されている。この三相
マルチレベルインバータ回路に用いられる（３×ｎ）個
の単相インバータ回路は互いに絶縁された状態にあり、
それぞれ交流直流変換回路および単相ブリッジ構成のス
イッチング回路から構成されている。そして、インバー
タユニットについての三相スター結線の中性点は接地抵
抗を介して接地され、三相スター結線のＵ相、Ｖ相、Ｗ
相の各出力端子には例えば高い定格電圧を有する誘導電
動機の各相巻線端子が接続されるようになっている（図
２参照）。

【０００４】上記構成の三相マルチレベルインバータ回
路の制御回路は、各相のインバータユニットにおいて当
該インバータユニットを構成するｎ個の単相インバータ
回路の出力電圧が同位相となるように制御するととも
に、各相のインバータユニットが出力する出力電圧の位
相差が互いに１２０°となるように制御する。その結
果、１台の三相インバータ回路を用いた場合、または単
体の単相インバータ回路を三相スター結線した場合に比
べ、より高い三相交流電圧を容易に得ることが可能とな
る。

【０００５】さて、三相マルチレベルインバータ回路に
用いられる単相インバータ回路の対地電圧は、出力端子
に接続された単相インバータ回路において最大となり、
その対地電圧は単相インバータ回路の出力電圧のｎ倍と
なる。また、各インバータユニット間の電圧は、各イン
バータユニットにおいて出力端子に接続された単相イン
バータ回路相互間において最大となり、その電圧は単相
インバータ回路の出力電圧の（３^１／２×ｎ）倍とな
る。従って、三相マルチレベルインバータ回路を構成す
る各単相インバータ回路には、それぞれ電気的に絶縁さ
れ、且つ単相インバータに加わる電圧に耐え得るだけの
絶縁強度を有した多出力の交流電圧源が必要となる。

【０００６】この交流電圧源としては、単相インバータ
回路の個数（（３×ｎ）個）と同数の二次単巻線形の三
相変圧器、あるいは当該個数と同数の二次巻線を備えた
１台の二次多巻線形の三相変圧器などが考えられるが、
経済性の面からみて後者の二次多巻線形の三相変圧器が
用いられている。この場合、二次巻線の巻線構造につい
ても種々考えられる。しかし、例えば脚の周囲に全ての
二次巻線を径方向に順に重ねて巻回したり、各二次巻線
を脚に沿った方向（以下、脚方向と称す）に複数に分割
しその分割した各二次巻線を脚の周囲に径方向に順に重
ねて巻回したりすると、巻線数および二次口出し端子数
が増加してコスト高となってしまう。

【０００７】そこで、従来においては、図９に示す構造
の三相変圧器が用いられていた。この図９は、ｎ＝３と
した構成の三相マルチレベルインバータ回路に対して用
いられる三相変圧器の巻線構成をその１脚について示し
たものである。この図９において、三相変圧器１は、三
相三脚鉄心の脚１ａの周囲に一次巻線２を巻回し、さら
にその外周に（３×ｎ）個（＝９個）の二次巻線３ａ〜
３ｉを脚方向に並んだ状態に巻回することにより構成さ
れている。一次巻線２は、他の脚に巻回された巻線（図
示せず）との間でスター結線または三角結線された上で
例えば商用の三相交流電源に接続される。また、二次巻
線３ａ〜３ｉは、それぞれ他の脚に巻回された巻線（図
示せず）との間で三相結線された上で単相インバータ回
路に接続される。

【０００８】ここで、二次巻線３ａ、３ｄ、３ｇは、Ｕ
相のインバータユニットにおいて中性点側（低圧側）か
ら出力端子側（高圧側）に直列に設けられた３つの単相
インバータ回路に順に接続される。また、二次巻線３
ｂ、３ｅ、３ｈは、Ｖ相のインバータユニットの単相イ
ンバータ回路に対して同様に接続され、二次巻線３ｃ、
３ｆ、３ｉは、Ｗ相のインバータユニットの単相インバ
ータ回路に対して同様に接続される（図２参照）。

【０００９】ところで、単相インバータ回路の交流直流
変換回路は三相ダイオードブリッジ回路と平滑コンデン
サとから構成されている場合が多く、この場合単相イン
バータ回路の入力電流すなわち三相変圧器の二次巻線に
流れる電流は大きく歪んでしまう。そして、三相変圧器
の一次巻線に流れる電流は、各二次巻線に流れる電流を
電流変成比倍して加算したものとなるので、二次巻線に
流れる電流の歪みはそのまま一次巻線に流れる電流にも
現れてしまい、別途高調波電流に対する対策が必要とな
ってしまう。

【００１０】そこで、三相変圧器は、二次巻線の出力電
圧に所定の位相差が生じるような結線方法を用いること
により、上記電流歪みを抑制するようになっている。す
なわち、各インバータユニットを構成するｎ個の単相イ
ンバータ回路にそれぞれ接続されるｎ個の二次巻線が、
互いに（６０／ｎ）°の電圧位相差が生じるような巻線
構成とされている。例えば、図９に示す三相変圧器１
は、二次巻線３ｄ〜３ｆが三角結線とされ、二次巻線３
ａ〜３ｃが辺延三角結線とされて前記二次巻線３ｄ〜３
ｆに対してそれぞれ＋２０°の電圧位相差を有し、さら
に二次巻線３ｇ〜３ｉが辺延三角結線とされて前記二次
巻線３ｄ〜３ｆに対してそれぞれ−２０°の電圧位相差
を有するように構成されている。このように、互いに位
相差を有する二次電流の重ね合わせにより二次電流歪み
が相殺され、一次電流歪みが抑制される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来構成の三
相変圧器においては、例えば図９に示すように、一次巻
線２の中心部付近に配設された二次巻線は、一次−二次
間の結合が高くパーセントインピーダンスが小さくなり
二次電流が大きくなる。一方、一次巻線２の上下端部付
近に配設された二次巻線は、一次−二次間の結合が低く
パーセントインピーダンスが大きくなり二次電流が小さ
くなる。従って、図９において、三角結線の二次巻線３
ｄ〜３ｆに流れる電流が大きくなり、＋２０°の電圧位
相差を有する辺延三角結線の二次巻線３ａ〜３ｃに流れ
る電流と−２０°の電圧位相差を有する辺延三角結線の
二次巻線３ｇ〜３ｉに流れる電流とが小さくなる。その
結果、互いに電圧位相が異なる二次巻線の二次電流歪み
に差が生じ、二次電流歪みを相殺することができなくな
り、一次電流歪みを十分に低減することができなくな
る。

【００１２】また、一次巻線２と各二次巻線３ａ〜３ｉ
との脚方向の寸法差が非常に大きくなっている。このよ
うな構造の場合、特に一次巻線２の上下端部に近い部分
に配設された二次巻線（例えば二次巻線３ａ、３ｉ）で
短絡事故が発生すると、一次巻線２とこれら二次巻線３
ａ、３ｉとの間には脚方向に大きな反発力（短絡機械
力）が作用する。そのため、三相変圧器１は、この短絡
機械力に抗するだけの巻線保持構造が必要となり、コス
トの上昇などを招いていた。

【００１３】さらに、図９に示す三相変圧器１の二次巻
線３ａ〜３ｉの配置によれば、二次巻線３ａ、３ｂ間、
３ｂ、３ｃ間、３ｄ、３ｅ間、３ｅ、３ｆ間、３ｇ、３
ｈ間、３ｈ、３ｉ間の絶縁強度は、単相インバータ回路
の出力電圧よりも高くなるように設計する必要がある。
特に、二次巻線３ｇ、３ｈ、３ｉは、電位差が最大とな
る単相インバータ回路にそれぞれ接続されているので、
二次巻線３ｇ、３ｈ間および３ｈ、３ｉ間には特に高い
絶縁強度が必要となる。その結果、これら二次巻線間の
絶縁距離が大きくなり三相変圧器１が大型化しコストが
上昇する。また、三相変圧器１を構成する鉄心材料が増
加するので鉄損が増加し変圧器効率が低下する。

【００１４】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、第１に一次電流歪みが小さい三相
マルチレベルインバータ用変圧器を提供し、第２に二次
側短絡時に生じる短絡機械力を小さくすることにより巻
線保持構造を簡単化できる三相マルチレベルインバータ
用変圧器を提供し、第３に二次巻線相互間の絶縁距離を
小さくすることにより小形化が可能な三相マルチレベル
インバータ用変圧器を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載した三相マルチレベルインバータ用
変圧器は、ｎ個（ｎ≧２）の交流入力単相インバータ回
路を直列接続することにより構成されるインバータユニ
ットを三相スター結線して構成した三相マルチレベルイ
ンバータに対し、前記各単相インバータ回路に交流電圧
を供給するための三相マルチレベルインバータ用変圧器
において、三相三脚鉄心の各脚の周囲に、一次巻線と前
記各単相インバータにそれぞれ接続される（３×ｎ）個
の二次巻線とを巻回して構成され、前記一次巻線は、前
記脚に沿った方向に対して複数に分割されるとともにこ
れら分割された複数の巻線が並列に接続された状態とな
るように形成され、前記（３×ｎ）個の二次巻線は、前
記脚に沿った方向に並んだ状態に配設されていることを
特徴とする。

【００１６】この構成によれば、一次巻線が脚に沿った
方向に対して複数に分割され、脚に沿った方向に並んだ
各二次巻線は最も近接して配設された分割後の一次巻線
との間で結合する。これら分割された各一次巻線は並列
に接続されているので、一次巻線の脚に沿った方向の寸
法が実効的に短くなる。その結果、分割された各一次巻
線と二次巻線との寸法差が小さくなり、分割された各一
次巻線に対する二次巻線の配設位置による一次−二次間
のパーセントインピーダンスの差が小さくなる。これに
より、二次電流歪みの差が小さくなり一次電流歪みが減
少する。

【００１７】また、分割された各一次巻線と二次巻線と
の寸法差が小さくなるので、二次巻線に短絡が発生した
場合における一次、二次巻線間に作用する短絡機械力が
小さくなる。これにより、巻線の保持強度を下げること
ができ、巻線保持構造を簡単化してコストの低減、変圧
器の小型化を図ることができる。

【００１８】請求項２に記載した三相マルチレベルイン
バータ用変圧器は、三相スター結線されたインバータユ
ニットを構成する単相インバータ回路に交流電圧を供給
するための三相マルチレベルインバータ用変圧器におい
て、三相三脚鉄心の各脚の周囲に、一次巻線と前記各単
相インバータにそれぞれ接続される（３×ｎ）個の二次
巻線とを巻回して構成され、前記（３×ｎ）個の二次巻
線は、ｎ個の二次巻線から形成される３つの巻線群に分
けられた状態で前記脚に沿った方向に並んだ状態に配設
され、前記３つの巻線群は、当該巻線群を形成するｎ個
の二次巻線の電圧位相およびその配設順序について互い
に同一構成を有するとともに、これらｎ個の二次巻線
は、電圧位相が互いに（６０／ｎ）°だけ異なるような
巻線構成を有していることを特徴とする。

【００１９】この構成によれば、電圧位相が互いに（６
０／ｎ）°だけ異なるｎ個の二次巻線が一定の順序に従
って並んだ巻線群が、一次巻線の一端部から他端部に向
かって脚に沿った方向に３個配設される。つまり、同一
の電圧位相を有する３個の二次巻線は、異なる電圧位相
を有する（ｎ−１）個の二次巻線を間に挟んだ状態に分
散して配設される。このような巻線構成によれば、個々
の二次巻線と一次巻線との間の結合には粗密が生ずるも
のの、同一の電圧位相を有する３個の二次巻線について
二次巻線と一次巻線との間の結合は平均化され、何れの
電圧位相を有する二次巻線についてもほぼ同じ結合度と
なる。従って、ある電圧位相を有する３個の二次巻線に
流れる電流の和により一次側に流れる電流は、他の電圧
位相の場合であってもほぼ同じ大きさの電流となり、一
次側において電流歪みが互いに相殺されるので一次電流
歪みが減少する。

【００２０】この場合、一次巻線を、三相三脚鉄心の脚
に沿った方向に対して複数に分割するとともに、それら
分割した複数の巻線が並列に接続された状態となるよう
に形成することが好ましい（請求項３）。この構成によ
れば、上述したように二次巻線に短絡が発生した場合に
おける短絡機械力を低減できるとともに、一次電流歪み
を一層低減することができる。

【００２１】また、互いに隣接した状態で直列接続され
ている単相インバータ回路に接続される二次巻線を、互
いに隣接した状態で配設することが好ましい（請求項
４）。この構成によれば、１つのインバータユニットを
構成するｎ個の単相インバータ回路に接続されるｎ個の
二次巻線は、それぞれ対応する単相インバータ回路の接
続順序に従って隣接して配設されるので、これら隣接す
る二次巻線同士は単相インバータ回路の出力電圧に耐え
得るだけの絶縁強度を有すれば十分となる。従って、二
次巻線相互の絶縁距離を小さくすることで変圧器を小型
化することができるとともに、変圧器の鉄心材料が減る
ので鉄損が減少する。

【００２２】さらに、一次巻線を脚に沿った方向に対し
て複数に分割するとともにそれら分割した複数の巻線を
並列に接続する構成において、複数に分割された各一次
巻線毎に電流検出器を設けると良い（請求項５）。この
構成によれば、分割された各一次巻線と結合関係にある
二次巻線数が減少し、定格時における分割された各一次
巻線についての定格一次電流が低下する。つまり、二次
側で短絡が発生した場合、当該分割された各一次巻線毎
に設けた電流検出器により検出される一次電流がその定
格一次電流に比べ大きく増加する。従って、短絡の発生
を容易に且つ迅速に検出可能となり、変圧器を確実に保
護できるという効果が得られる。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の実施形態（請求項１に対応）について、図１お
よび図２を参照しながら説明する。図２には、三相マル
チレベルインバータ装置の電気的構成が概略的に示され
ている。この図２において、三相マルチレベルインバー
タ装置１１は、三相マルチレベルインバータ１２と、三
相マルチレベルインバータ用変圧器１３（以下、三相変
圧器１３と称す）とから構成されている。

【００２４】三相マルチレベルインバータ１２は、３つ
（ｎ＝３）の単相インバータ回路１４ａ、１４ｄ、１４
ｇの各出力端子を直列接続して構成したインバータユニ
ット１５ｕ、単相インバータ回路１４ｂ、１４ｅ、１４
ｈの各出力端子を直列接続して構成したインバータユニ
ット１５ｖ、および単相インバータ回路１４ｃ、１４
ｆ、１４ｉの各出力端子を直列接続して構成したインバ
ータユニット１５ｗを三相スター結線することにより構
成されている。単相インバータ回路１４ａ、１４ｂ、１
４ｃの出力端子の各一端子を接続して得られる中性点
は、接地抵抗１６を介して接地されている。また、単相
インバータ回路１４ｇ、１４ｈ、１４ｉの出力端子の各
一端子は、それぞれ出力端子１７ｕ、１７ｖ、１７ｗに
接続されている。これら出力端子１７ｕ、１７ｖ、１７
ｗには、負荷として例えば高い定格電圧を有する誘導電
動機１８の各相巻線端子が接続されている。

【００２５】各単相インバータ回路１４ａ〜１４ｉは、
例えば三相ダイオードブリッジ回路および平滑コンデン
サからなる交流直流変換回路と、高耐圧ＩＧＢＴなどの
スイッチング素子を単相ブリッジ構成としたスイッチン
グ回路とから構成されており、互いに絶縁されている。
また、図示しない制御回路は、例えばベクトル制御によ
って生成した正弦波状の変調信号に対してパルス幅変調
（ＰＷＭ）を行って転流信号を得、その転流信号を例え
ば光ケーブルによりスイッチング素子の制御端子（ゲー
ト端子）に送るようになっている。

【００２６】一方、図１には、三相変圧器１３の巻線配
置がその１脚についての縦断面図として模式的に示され
ている。この図１において、三相変圧器１３は、三相三
脚鉄心の脚１３ａの周囲に一次巻線１９を巻回し、さら
にその外周に９個（＝（３×ｎ）個）の二次巻線２０ａ
〜２０ｉを脚１３ａに沿った方向（以下、脚方向と称
す）に並んだ状態に巻回することにより構成されてい
る。一次巻線１９は脚方向に対して３分割されており、
これら分割された一次分割巻線１９ａ、１９ｂ、１９ｃ
は互いに並列に接続されている。また、一次巻線１９
は、他の脚に巻回された一次巻線（図示せず）との間で
三相スター結線（または三角結線）された上で、入力端
子２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ（図２参照）に接続されてい
る。なお、これら入力端子２１ｕ、２１ｖ、２１ｗに
は、例えば商用の三相交流電源２２が接続さている。

【００２７】二次巻線２０ａ〜２０ｉは、それぞれ他の
脚に巻回された巻線（図示せず）との間で三相結線され
た上で単相インバータ回路１４ａ〜１４ｉの入力端子に
接続されている。ここで、二次巻線２０ｄ〜２０ｆは三
角結線とされ、二次巻線２０ａ〜２０ｃは辺延三角結線
とされて前記二次巻線２０ｄ〜２０ｆに対してそれぞれ
＋２０°の電圧位相差を有し、さらに二次巻線２０ｇ〜
２０ｉは辺延三角結線とされて前記二次巻線２０ｄ〜２
０ｆに対してそれぞれ−２０°の電圧位相差を有するよ
うに構成されている。

【００２８】次に、本実施形態の作用および効果につい
て説明する。三相マルチレベルインバータ装置１１の制
御回路（図示せず）は、インバータユニット１５ｕ、１
５ｖ、１５ｗをそれぞれ構成する各３台の単相インバー
タ回路の出力電圧が同位相となるとともに、各相のイン
バータユニット１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが出力する出力
電圧の位相差が互いに１２０°となるように位相の制御
を行う。その結果、出力端子１７ｕ、１７ｖ、１７ｗに
は、単体の単相インバータ回路１４ａ〜１４ｉが出力す
る電圧の３倍の相電圧を有する三相交流電圧が得られ
る。

【００２９】図１に示す三相変圧器１３においては、一
次分割巻線１９ａと二次巻線２０ａ〜２０ｃとが結合
し、一次分割巻線１９ｂと二次巻線２０ｄ〜２０ｆとが
結合し、一次分割巻線１９ｃと二次巻線２０ｇ〜２０ｉ
とが結合している。一般に変圧器のパーセントインピー
ダンスは、二次巻線とこの二次巻線に最も近接した一次
巻線との結合度に依存して決まる。三相変圧器１３にお
いては、一次巻線１９が分割構造とされ、各一次分割巻
線１９ａ〜１９ｃと各二次巻線２０ａ〜２０ｉとの脚方
向の寸法差が小さいので、二次巻線２０ａ〜２０ｉが巻
回される脚方向の位置に起因する一次、二次間の結合度
のばらつき、すなわちパーセントインピーダンスのばら
つきが小さくなる。その結果、二次電流波形のばらつき
が減少して一次電流歪みが小さくなり、三相変圧器１３
の一次側における高調波電流の抑制効果が大きくなる。

【００３０】また、二次巻線２０ａ〜２０ｉの何れかに
おいて巻線短絡が発生すると、その短絡した二次巻線と
結合する一次分割巻線にほとんどの短絡電流が流れ、こ
れら二次巻線と一次分割巻線との間に脚方向に反発する
短絡機械力が作用する。しかし、この場合であっても、
一次分割巻線１９ａ〜１９ｃと二次巻線２０ａ〜２０ｉ
との脚方向の寸法差が小さいので、一次巻線を分割しな
い従来構成の変圧器（図９参照）に比べ短絡機械力が小
さくなる。これにより、巻線の保持強度を下げることが
でき、巻線保持構造を簡単化することができる。その結
果、三相変圧器１３の寸法および質量を低減でき、コス
トを下げることができる。

【００３１】（第２の実施形態）次に、第１の実施形態
に対して変形を加えた第２の実施形態（請求項５に対
応）について図３を参照して説明する。図３には、三相
変圧器２３の巻線配置がその１脚についての縦断面図と
して模式的に示されている。この図３において、三相変
圧器２３は、図１に示した三相変圧器１３の一次分割巻
線１９ａ〜１９ｃのそれぞれに電流検出器２４ａ〜２４
ｃを設けることにより構成されている。

【００３２】さて、二次巻線２０ａ〜２０ｉまたはこれ
ら二次巻線２０ａ〜２０ｉに接続された単相インバータ
回路１４ａ〜１４ｉなどで短絡事故が発生した場合、一
次巻線１９に流れる一次電流は以下のようになる。 一次電流＝一次定格電流×二次短絡電流／ （二次定格電流×１相当りの二次巻線の個数）…（１）

【００３３】例えば、二次短絡電流が二次定格電流の２
０倍の条件の下で、従来構成の三相変圧器１（図９参
照）と本実施形態における三相変圧器２３とを比較する
と、以下のようになる。すなわち、三相変圧器１におい
ては、１相当りの二次巻線の個数は９となり、一次巻線
２に流れる電流は一次定格電流の（２０／９）＝２．２
２倍となる。一方、三相変圧器２３においては、１相当
りの二次巻線の個数は３となり、短絡が生じた二次巻線
に対応する一次分割巻線に流れる電流は当該一次分割巻
線の定格電流の（２０／３）＝６．６６倍となる。

【００３４】つまり、従来構成の三相変圧器１は１相当
りの二次巻線数が多いために、二次側短絡時における一
次電流と一次定格電流との比が二次短絡電流と二次定格
電流との比に対し非常に小さくなっていた。これに対
し、三相変圧器２３は一次巻線１９が分割された構成を
有しているので、一次分割巻線に流れる短絡電流がその
定格電流に比べ十分に大きくなる。従って、電流検出器
２４ａ〜２４ｃにより検出した電流に基づいて容易且つ
迅速に短絡事故の検出を行うことが可能となる。その結
果、変圧器２３およびシステム全体をより確実に保護す
ることができ、より高い信頼性を得ることができる。

【００３５】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態（請求項２、４に対応）について図４および図
５を参照して説明する。なお、図４および図５におい
て、それぞれ図１および図２と同一の構成部分には同一
の符号を付し、以下異なる構成部分について説明する。

【００３６】図５には、三相マルチレベルインバータ装
置の電気的構成が概略的に示されている。この図５にお
いて、三相マルチレベルインバータ装置２５は、三相マ
ルチレベルインバータ１２と三相マルチレベルインバー
タ用変圧器２６（以下、三相変圧器２６と称す）とから
構成されている。

【００３７】図４には、三相変圧器２６の巻線配置がそ
の１脚についての縦断面図として模式的に示されてい
る。この図４において、三相変圧器２６は、三相三脚鉄
心の脚２６ａの周囲に一次巻線２７を巻回し、さらにそ
の外周に９個（＝（３×ｎ）個）の二次巻線２０ａ、２
０ｄ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｅ、２０ｈ、２０ｃ、２０
ｆ、２０ｉを脚方向に順に並んだ状態に巻回することに
より構成されている。一次巻線の結線方法、二次巻線２
０ａ〜２０ｉと単相インバータ回路１４ａ〜１４ｉとの
接続、および二次巻線２０ａ〜２０ｃ、２０ｄ〜２０
ｆ、２０ｇ〜２０ｉの結線方法は前述の変圧器１３と同
様である。

【００３８】二次巻線２０ａ〜２０ｉは、それぞれ＋２
０°、０°、−２０°の電圧位相を有する３個の二次巻
線から構成される３つの巻線群２８ｘ、２８ｙ、２８ｚ
に分けられた状態で脚方向に並んだ状態に配設されてい
る。ここで、巻線群２８ｘは二次巻線２０ａ、２０ｄ、
２０ｇから構成され、巻線群２８ｙは二次巻線２０ｂ、
２０ｅ、２０ｈから構成され、巻線群２８ｚは二次巻線
２０ｃ、２０ｆ、２０ｉから構成されている。このよう
に、脚方向に並んだ状態に配設される巻線群２８ｘ、２
８ｙ、２８ｚは、各３個の二次巻線の電圧位相およびそ
の配設順序について互いに同一構成を有するようになっ
ている。

【００３９】上記構成の三相変圧器２６によれば、同じ
電圧位相を有する３個の二次巻線はそれぞれ異なる巻線
群２８ｘ、２８ｙ、２８ｚに属し、一次巻線２７の上端
部付近、中央付近、下端部付近に分散して配設される。
その結果、例えば＋２０°の電圧位相を有する二次巻線
２０ａ、２０ｂ、２０ｃについては、二次巻線２０ｂと
一次巻線２７との結合が最も高くパーセントインピーダ
ンスが小さくなり二次電流が大きくなる。また、二次巻
線２０ａと一次巻線２７との結合が最も低くパーセント
インピーダンスが大きくなり二次電流が小さくなる。二
次巻線２０ｃと一次巻線２７との結合はこれらの中間程
度となりパーセントインピーダンスおよび二次電流も前
二者の中間程度となる。０°および−２０°の電圧位相
を有する二次巻線２０ｄ〜２０ｆおよび２０ｇ〜２０ｉ
についても同様の傾向となる。

【００４０】従って、同じ電圧位相を有する３個の二次
巻線に流れる電流により一次巻線２７に流れる一次電流
の大きさは、＋２０°、０°、−２０°の各電圧位相に
ついてほぼ等しくなる。その結果、二次電流歪みは一次
側において互いに相殺され、二次巻線に電圧位相を設け
た本来の目的である一次電流歪みの低減効果を十分に発
揮することができる。

【００４１】また、三相変圧器２６において、脚方向に
隣接して巻回される二次巻線２０ａ、２０ｄ、２０ｇ
は、それぞれインバータユニット１５ｕにおいて隣接し
て接続される単相インバータ回路１４ａ、１４ｄ、１４
ｇに接続されている。二次巻線２０ｂ、２０ｅ、２０ｈ
および二次巻線２０ｃ、２０ｆ、２０ｉについても、同
様の形態で単相インバータ回路１４ｂ、１４ｅ、１４ｈ
および単相インバータ回路１４ｃ、１４ｆ、１４ｉに接
続されている。

【００４２】このような巻線配置によれば、隣接する二
次巻線２０ａと２０ｄ、２０ｄと２０ｇ、２０ｂと２０
ｅ、２０ｅと２０ｈ、２０ｃと２０ｆ、２０ｆと２０ｉ
との各間に加わる電圧は、最大でも単体の単相インバー
タ回路１４ａ〜１４ｉの出力電圧と同じとなる。従っ
て、これらの各二次巻線間の絶縁距離を小さくして絶縁
強度を下げることが可能となり、以て変圧器２６の小形
・軽量化、低コスト化を図ることができる。また、変圧
器２６の鉄心材料の使用量が低減することにより鉄損が
減少するので、変圧器効率を高めることができる。

【００４３】（第４の実施形態）次に、第３の実施形態
に対して変形を加えた第４の実施形態（請求項３、４に
対応）について図６を参照して説明する。図６には、三
相変圧器２９の巻線配置がその１脚についての縦断面図
として模式的に示されている。この図６において、三相
変圧器２９は、上述した三相変圧器１３（図１参照）と
同様に、三相三脚鉄心の脚２９ａの周囲に一次分割巻線
１９ａ、１９ｂ、１９ｃが巻回されている。そして、こ
れら一次分割巻線１９ａ、１９ｂ、１９ｃの外周には、
上述した三相変圧器２６（図４参照）と同様に、二次巻
線２０ａ〜２０ｉが３つの巻線群２８ｘ、２８ｙ、２８
ｚに分けられた状態で脚方向に並んだ状態に配設されて
いる。

【００４４】このような巻線構成を有する三相変圧器２
９によれば、第１および第３の実施形態において述べた
作用および効果を併せ持つことができ、一次電流歪みを
一層低減することが可能となる。

【００４５】（第５の実施形態）次に、本発明の第５の
実施形態（請求項３、４に対応）について図７および図
８を参照して説明する。なお、図７および図８におい
て、それぞれ図１および図２と同一の構成部分には同一
の符号を付し、以下異なる構成部分について説明する。

【００４６】図８には、三相マルチレベルインバータ装
置の電気的構成が概略的に示されている。この図８にお
いて、三相マルチレベルインバータ装置３０は、三相マ
ルチレベルインバータ３１と三相マルチレベルインバー
タ用変圧器３２（以下、三相変圧器３２と称す）とから
構成されている。

【００４７】三相マルチレベルインバータ３１は、各イ
ンバータユニットが３台（ｎ＝３）の単相インバータ回
路から構成される三相マルチレベルインバータ１２に対
し、各インバータユニットを構成する単相インバータ回
路の数を４（ｎ＝４）としたものである。すなわち、イ
ンバータユニット３３ｕは単相インバータ回路１４ａ、
１４ｄ、１４ｇ、１４ｊから構成され、インバータユニ
ット３３ｖは単相インバータ回路１４ｂ、１４ｅ、１４
ｈ、１４ｋから構成され、インバータユニット３３ｗは
単相インバータ回路１４ｃ、１４ｆ、１４ｉ、１４ｌか
ら構成されている。

【００４８】図７には、三相変圧器３２の巻線配置がそ
の１脚についての縦断面図として模式的に示されてい
る。この図７において、三相変圧器３２は、三相三脚鉄
心の脚３２ａの周囲に一次分割巻線１９ａ、１９ｂ、１
９ｃを巻回し、さらにその外周に１２個（＝（３×ｎ）
個）の二次巻線２０ａ、２０ｄ、２０ｇ、２０ｊ、２０
ｂ、２０ｅ、２０ｈ、２０ｋ、２０ｃ、２０ｆ、２０
ｉ、２０ｌを脚方向に順に並んだ状態に巻回することに
より構成されている。これら二次巻線２０ａ〜２０ｌ
は、互いに１５°（＝（６０／ｎ）°）異なる電圧位相
を有する４個の二次巻線から構成される巻線群３４ｘ、
３４ｙ、３４ｚに分けられた状態で配設されている。そ
して、巻線群３３ｘ、３３ｙ、３３ｚは、４個の二次巻
線の電圧位相およびその配設順序について互いに同一構
成を有している。

【００４９】すなわち、二次巻線２０ａ〜２０ｌは、そ
れぞれ他の脚に巻回された巻線（図示せず）との間で辺
延三角結線され、二次巻線２０ａ〜２０ｃ、２０ｄ〜２
０ｆ、２０ｇ〜２０ｉ、２０ｊ〜２０ｌは、それぞれ三
角結線された場合に比べ＋２２．５°、＋７．５°、−
７．５°、−２２．５°の電圧位相差を有するようにな
っている。上記構成の三相変圧器３２によっても、第４
の実施形態と同様の作用および効果を得ることができ
る。

【００５０】（その他の実施形態）なお、本発明は上記
し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではな
く、以下のような拡張または変更が可能である。第１な
いし第４の実施形態はインバータユニットを構成する単
相インバータ回路の数が３（ｎ＝３）の場合を示し、第
５の実施形態はインバータユニットを構成する単相イン
バータ回路の数が４（ｎ＝４）の場合を示したが、イン
バータユニットを構成する単相インバータ回路の数ｎが
さらに増加した場合であっても三相変圧器に同様の巻線
構成を適用できる。この場合、３個ずつ分けられた二次
巻線相互の電圧位相差は（６０／ｎ）°により計算され
る値に設定すれば良い。

【００５１】各実施形態において、二次巻線２０ａ〜２
０ｉ（２０ｌ）に電圧位相差を設定するために三角結線
または辺延三角結線を用いたが、スター結線、千鳥結
線、亀甲結線などの結線方法を用いても良い。また、第
４および第５の実施形態において、一次分割巻線１９ａ
〜１９ｃのそれぞれに電流検出器２４ａ〜２４ｃを設け
ても良い。

【００５２】

【発明の効果】本発明は以上説明した通りであるので、
次のような効果を奏する。請求項１記載の三相マルチレ
ベルインバータ用変圧器によれば、一次巻線が複数に分
割されるので、分割された各一次巻線と二次巻線との寸
法差が小さくなり、二次電流歪みの差が小さくなって一
次電流歪みが低減する。また、二次巻線が短絡した際の
一次、二次巻線間に作用する短絡機械力が小さくなり、
巻線保持構造を簡単化できる。

【００５３】請求項２記載の三相マルチレベルインバー
タ用変圧器によれば、電圧位相が互いに異なる二次巻線
が一定の順序に従って並んだ巻線群が脚に沿って３個配
設されるので、同じ電圧位相を有する二次巻線が一次巻
線との配設位置関係において分散して配設される。従っ
て、異なる電圧位相を有する二次巻線相互間で二次電流
歪みが相殺され、その結果一次電流歪みが減少する。

【００５４】請求項３記載の三相マルチレベルインバー
タ用変圧器によれば、二次巻線が上記巻線群に分けられ
て配設されるとともに一次巻線が複数に分割されるの
で、一次電流歪みの抑制効果が一層大きくなる。

【００５５】請求項４記載の三相マルチレベルインバー
タ用変圧器によれば、互いに隣接した状態で直列接続さ
れている単相インバータ回路に接続される二次巻線を互
いに隣接した状態で配設したので、隣接する二次巻線同
士の絶縁強度を低減でき、絶縁距離を小さくすることで
変圧器を小型化できる。

【００５６】請求項５記載の三相マルチレベルインバー
タ用変圧器によれば、複数に分割した各一次巻線毎に電
流検出器を設けたので、最低個数の電流検出器で短絡の
発生を容易に且つ迅速に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における三相変圧器の
巻線配置を示す１脚についての縦断面図

【図２】三相マルチレベルインバータ装置の概略的な電
気的構成図

【図３】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図

【図４】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図

【図５】図２相当図

【図６】本発明の第４の実施形態を示す図１相当図

【図７】本発明の第５の実施形態を示す図１相当図

【図８】図２相当図

【図９】従来構成を示す図１相当図

【符号の説明】

１２、３１は三相マルチレベルインバータ、１３、２
３、２６、２９、３２は三相マルチレベルインバータ用
変圧器、１４ａ〜１４ｌは単相インバータ回路、１５
ｕ、１５ｖ、１５ｗ、３３ｕ、３３ｖ、３３ｗはインバ
ータユニット、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２７は
一次巻線、２０ａ〜２０ｌは二次巻線、２４ａ〜２４ｃ
は電流検出器、２８ｘ、２８ｙ、２８ｚ、３４ｘ、３４
ｙ、３４ｚは巻線群である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ個（ｎ≧２）の交流入力単相インバー
   タ回路を直列接続することにより構成されるインバータ
   ユニットを三相スター結線して構成した三相マルチレベ
   ルインバータに対し、前記各単相インバータ回路に交流
   電圧を供給するための三相マルチレベルインバータ用変
   圧器において、 三相三脚鉄心の各脚の周囲に、一次巻線と前記各単相イ
   ンバータにそれぞれ接続される（３×ｎ）個の二次巻線
   とを巻回して構成され、 前記一次巻線は、前記脚に沿った方向に対して複数に分
   割されるとともにこれら分割された複数の巻線が並列に
   接続された状態となるように形成され、 前記（３×ｎ）個の二次巻線は、前記脚に沿った方向に
   並んだ状態に配設されていることを特徴とする三相マル
   チレベルインバータ用変圧器。
2. 【請求項２】 ｎ個（ｎ≧２）の交流入力単相インバー
   タ回路を直列接続することにより構成されるインバータ
   ユニットを三相スター結線して構成した三相マルチレベ
   ルインバータに対し、前記各単相インバータ回路に交流
   電圧を供給するための三相マルチレベルインバータ用変
   圧器において、 三相三脚鉄心の各脚の周囲に、一次巻線と前記各単相イ
   ンバータにそれぞれ接続される（３×ｎ）個の二次巻線
   とを巻回して構成され、 前記（３×ｎ）個の二次巻線は、ｎ個の二次巻線から形
   成される３つの巻線群に分けられた状態で前記脚に沿っ
   た方向に並んだ状態に配設され、前記３つの巻線群は、
   当該巻線群を形成するｎ個の二次巻線の電圧位相および
   その配設順序について互いに同一構成を有するととも
   に、これらｎ個の二次巻線は、電圧位相が互いに（６０
   ／ｎ）°だけ異なるような巻線構成を有していることを
   特徴とする三相マルチレベルインバータ用変圧器。
3. 【請求項３】 一次巻線は、三相三脚鉄心の脚に沿った
   方向に対して複数に分割されるとともに、それら分割さ
   れた複数の巻線が並列に接続された状態となるように形
   成されていることを特徴とする請求項２記載の三相マル
   チレベルインバータ用変圧器。
4. 【請求項４】 互いに隣接した状態で直列接続されてい
   る単相インバータ回路に接続される二次巻線は、互いに
   隣接した状態で配設されていることを特徴とする請求項
   ２または３記載の三相マルチレベルインバータ用変圧
   器。
5. 【請求項５】 複数に分割された各一次巻線毎に電流検
   出器が設けられていることを特徴とする請求項１または
   ３記載の三相マルチレベルインバータ用変圧器。