JP2010206966A - 電力変換スイッチ装置および電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】電源と負荷との総数が３以上のシステムに使用可能で、エネルギー損失を抑えることができる電力変換スイッチ装置および電力変換システムを提供する。
【解決手段】電力変換スイッチ装置１１が、三相装置に接続可能な３つの三相接続部２１ａ〜２１ｃと、各三相接続部２１ａ〜２１ｃの３つの端子から１つずつ選ぶときの、全ての端子の組合せについて、各組合せの３つの端子を互いに接続可能に構成されたスイッチ回路２２とを有している。スイッチ回路２２は、各組合せの３つの端子を互いに双方向スイッチで接続して成る。三相電源または三相負荷から成る三相装置１２ａ〜１２ｃが、電力変換スイッチ装置１１の各三相接続部２１ａ〜２１ｃにそれぞれ接続されている。１つ〜３つのフィルタ回路１３ａ〜１３ｃが、エネルギーの流れに対応して、任意の三相装置１２ａ〜１２ｃと電力変換スイッチ装置１１との間に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換スイッチ装置および電力変換システムに関する。

一般的な電気機器類は、１対の電源と負荷とで構成されているが、１つの装置に複数の電源もしくは複数の負荷を持つようなシステムも多く存在している。例えば、無停電電源装置(UPS)は商用電源およびバックアップ用の電源の２つの電源を有している。電源と負荷との総数が３つのシステム例として、図１３（ａ）の鉄道車両（ただし鉄道の場合は単相電源）や空調用途に用いられるものや、図１３（ｂ）の無停電電源装置(UPS)に用いられるものがある（例えば、非特許文献１〜３参照）。図１３（ａ）、（ｂ）ともに、交流電源は、キャパシタ、リアクトルを通して整流回路に接続され、整流回路によって直流電圧に変換されている。一般に整流回路は、電源電流の力率を高めるために、正弦波電流制御と直流電圧一定制御とを行っている。

図１３（ａ）に示すように、鉄道用途では、直流電圧以降に、負荷として２台の誘導電動機（IM）が接続され、それぞれインバータで駆動されている。モータ加速運転時には、交流電源からモータへ電力が供給され（力行動作）、モータの慣性モーメントが非常に大きいとき（鉄道では「だ行」運転時）には、モータのエネルギーを交流電源へ回生する動作が行われる。一方、図１３（ｂ）に示すように、UPS用途では、直流電圧以降、一方がインバータ(2)を介してFW(フライホイール,慣性体)を有するIM(誘導電動機)に接続され、もう一方がインバータ(1)を介して負荷(LOAD)に接続されている。このシステムでは、交流電源の正常時には、電源から負荷とIMとにエネルギーが供給され、IMの速度一定制御と負荷への一定電圧一定周波数(CVCF)制御とが、それぞれのインバータによって行われる。停電、瞬時電圧低下などの電源異常が生じた時には、IMがバックアップ電源として機能して、IMから負荷へエネルギーが供給される。この時、IMに接続しているインバータ(2)が整流器動作により直流電圧一定制御を行い、FWの慣性エネルギーが負荷へ供給されるため、無停電動作が実現できる。

図１３（ａ）、（ｂ）ともに、整流回路の電流通過素子数は３、インバータ(1)の電流通過素子数は３、そしてインバータ(2)の電流通過素子数は３であり、全体の電流通過素子数は９となる。整流回路およびインバータを構成する半導体素子は、それぞれ導通損失をもつため、電流通過素子数の増加によりシステムのエネルギー効率が低下している。また、図１３（ａ）、（ｂ）ともに、交流電源を一旦直流電圧に変換するため、直流部分に大容量のエネルギーバッファ（電解コンデンサ）Ｃ_ｄを有しており、電解コンデンサＣ_ｄを使用することにより、装置が大型化し、システムの寿命が低下している。

このような問題を解決するため、一対の電源・負荷を持つ電力変換器の低損失化、電解コンデンサのレス化技術として、図１４に示すような双方向スイッチ回路を用いたマトリクスコンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、図１４の構成を、電源と負荷との総数が３以上のシステムに応用したものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−３３７０２５号公報 特開２００１−２５８２５８号公報

電気学会半導体電力変換システム調査専門委員会編、「パワーエレクトロニクス回路」、オーム社、2000年11月 高橋勲、安東至、沖田美久、「三相電解コンデンサレスコンバータ／インバータの不平衡負荷補償法」、電気学会論文誌D、産業応用部門誌、1998年、Vol.118、No.11、p.1260-1265 高橋勲、安東至、伊東洋一、飴井賢治、「電解コンデンサレスコンバータ／インバータを用いた長寿命フライホイール式UPSの開発」、電気学会論文誌D、産業応用部門誌、1998年、Vol.118、No.2、p.173-178

図１４に示す特許文献１に記載の方式は、交流電源を一旦直流電圧に変換することなく、電源電圧を負荷へ直接電力変換できる方法であり、電流通過素子数が３と少なく、電解コンデンサを使用しないため、低損失であり、装置を小型化することができ、システムの寿命を延ばすことができる。しかしながら、特許文献１の方式を、電源と負荷との総数が３以上のシステムに応用した特許文献２に記載の方式では、電流通過素子数が増えるため、エネルギー損失が増大するという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、電源と負荷との総数が３以上のシステムに使用可能で、エネルギー損失を抑えることができる電力変換スイッチ装置および電力変換システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換スイッチ装置は、三相電源または三相負荷に接続可能な３つの三相接続部と、各三相接続部の３つの端子から１つずつ選ぶときの、全ての端子の組合せについて、各組合せの３つの端子を互いに接続可能に構成されたスイッチ回路とを、有することを特徴とする。

本発明に係る電力変換スイッチ装置は、各三相接続部に三相電源や三相負荷を接続することにより、電源と負荷との総数が３つのシステムに使用することができる。このとき、一つの三相接続部から他の三相接続部へ電流を流す場合、それぞれの三相接続部の各端子同士を接続するスイッチ回路の素子に電流が流れるため、電流通過素子数を３つまで減らすことができる。このため、一つの三相接続部から他の２つの三相接続部に電流を流すときには、電流通過素子数を６つまで減らすことができ、スイッチ回路でのエネルギー損失を抑えることができる。

スイッチ回路を制御することにより、任意の三相接続部から他の三相接続部へ、電流の流れを自在かつ容易に変更することができる。なお、この場合、電源電圧から負荷へ直接電力変換できるよう、電流の流れる向きに対応して、１または複数の三相接続部にフィルタ回路が接続されていることが好ましい。ここで、直接電力変換とは、電圧や電流の振幅、周波数、位相を任意に変換することである。

本発明に係る電力変換スイッチ装置で、前記スイッチ回路は、前記各組合せの３つの端子を互いに双方向スイッチで接続して成ることが好ましい。この場合、各組合せについて３つの双方向スイッチを使用し、各組合せの３つの端子のうち、２つずつをそれぞれ双方向スイッチで接続するのが好ましい。これにより、一つの三相接続部から他の２つの三相接続部に電流を流すときには、電流通過素子数を６つまで減らすことができ、エネルギー損失を抑えることができる。双方向スイッチは、オンオフの制御が容易に行えるよう、半導体やパワー半導体から成ることが好ましい。

本発明に係る電力変換システムは、本発明に係る電力変換スイッチ装置と、三相電源または三相負荷から成り、前記電力変換スイッチ装置の各三相接続部にそれぞれ接続された３つの三相装置とを、有することを特徴とする。

本発明に係る電力変換システムは、本発明に係る電力変換スイッチ装置を使用するため、エネルギー損失を抑えて、三相電源または三相負荷から成る三相装置を全部で３つ接続したシステムを構成することができる。また、スイッチ回路を制御することにより、各三相装置間での電流の流れを容易に変更することができる。なお、三相装置は、三相電源にも三相負荷にもなる三相発電機であってもよい。三相発電機は、例えば、自然エネルギーを利用した風力発電機などの発電機、誘導電動機などである。また、三相電源は、充電電池から成るときには、三相負荷にも成りうる。

本発明に係る電力変換システムは、各三相装置のうち少なくとも１つの三相装置とその三相装置が接続された三相接続部との間に接続されたフィルタ回路を、有することが好ましい。この場合、電流の流れる向きに対応して、１または複数のフィルタ回路が設けられていることが好ましい。これにより、電源電圧から負荷へ直接電力変換することができる。フィルタ回路は、ＬＣ回路から成ることが好ましい。

本発明に係る電力変換システムは、本発明に係る電力変換スイッチ装置と、前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、一つの三相接続部に接続された三相電源と、前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、他の一つの三相接続部に接続された三相負荷と、前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、残りの一つの三相接続部に接続された三相発電機と、前記三相電源とその三相電源が接続された前記一つの三相接続部との間に接続された第１フィルタ回路と、前記三相発電機とその三相発電機が接続された前記残りの一つの三相接続部との間に接続された第２フィルタ回路とを、有していてもよい。

この場合、スイッチ回路を制御することにより、少なくとも、三相電源から三相負荷および三相発電機へ電力を供給するパターン、三相発電機から三相電源および三相負荷へ電力を供給するパターン、三相発電機から三相負荷へ電力を供給するパターンの３つのパターンに変換することができる。また、各パターンのとき、第１フィルタ回路および第２フィルタ回路により、三相電源または三相発電機による電源電圧から、三相負荷または三相発電機から成る負荷へ、直接電力変換することができる。いずれのパターンでも、スイッチ回路での電流通過素子数が３つまたは６つであり、エネルギー損失を抑えることができる。

本発明に係る電力変換システムは、本発明に係る電力変換スイッチ装置と、前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、一つの三相接続部に接続された三相電源と、前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、他の一つの三相接続部に接続された三相負荷と、前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、残りの一つの三相接続部に接続された三相発電機と、前記三相電源とその三相電源が接続された前記一つの三相接続部との間に接続された第１フィルタ回路と、前記三相負荷とその三相負荷が接続された前記残りの一つの三相接続部との間に接続された第２フィルタ回路とを、有していてもよい。

この場合、スイッチ回路を制御することにより、少なくとも、三相電源から三相負荷および三相発電機へ電力を供給するパターン、三相発電機から三相負荷へ電力を供給するパターンの２つのパターンに変換することができる。また、各パターンのとき、第１フィルタ回路および第２フィルタ回路により、三相電源または三相発電機による電源電圧から、三相負荷または三相発電機から成る負荷へ、直接電力変換することができる。いずれのパターンでも、スイッチ回路での電流通過素子数が３つまたは６つであり、エネルギー損失を抑えることができる。なお、三相発電機から三相負荷へ電力を供給するとき、スイッチ回路を制御して、第１フィルタで使用されているコンデンサを利用可能にすることにより、三相発電機の慣性エネルギーが大きくとも、三相発電機の電源電圧から三相負荷へ直接電力変換することができる。

本発明によれば、電源と負荷との総数が３以上のシステムに使用可能で、エネルギー損失を抑えることができる電力変換スイッチ装置および電力変換システムを提供することができる。

本発明の実施の形態の電力変換スイッチ装置および電力変換システムを示すブロック回路図である。 図１に示す電力変換スイッチ装置のブロック回路図である。 図２に示す電力変換スイッチ装置のスイッチモジュールのブロック回路図である。 図３に示す電力変換スイッチ装置のスイッチモジュールの多方向性スイッチの回路図である。 本発明の実施例１の電力変換スイッチ装置および電力変換システムを示す回路図である。 図５に示す電力変換スイッチ装置および電力変換システムの第１の動作モードの等価回路図である。 図５に示す電力変換スイッチ装置および電力変換システムの第２の動作モードの等価回路図である。 図５に示す電力変換スイッチ装置および電力変換システムの第３の動作モードの等価回路図である。 図８に示す電力変換スイッチ装置の第３の動作モードの（ａ）スイッチモジュールの接続状態を示す回路図、（ｂ）多方向性スイッチの接続状態を示す回路図である。 本発明の実施例２の電力変換スイッチ装置および電力変換システムを示す回路図である。 図１０に示す電力変換スイッチ装置の各スイッチモジュールを示す回路図である。 図１０に示す電力変換スイッチ装置の（ａ）第１の動作モードのスイッチモジュールの接続状態を示す回路図、（ｂ）第２の動作モードのスイッチモジュールの接続状態を示す回路図である。 （ａ）従来の鉄道や空調用の電力変換システムを示す回路図、（ｂ）従来の無停電電源装置(UPS)として用いられる電力変換システムを示す回路図である。 従来の双方向スイッチ回路を用いたマトリクスコンバータを示す回路図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１２は、本発明の実施の形態の電力変換スイッチ装置および電力変換システムを示している。
図１に示すように、電力変換システム１０は、電力変換スイッチ装置１１と３つの三相装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃとフィルタ回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃとを有している。

図１および図２に示すように、電力変換スイッチ装置１１は、それぞれ３つの端子（Ａ，Ｂ，Ｃ），（Ｄ，Ｅ，Ｆ），（Ｇ，Ｈ，Ｉ）を有する３つの三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、スイッチ回路２２とを有している。図２に示すように、スイッチ回路２２は、３つのスイッチモジュールS_M1、S_M2、S_M3を有している。スイッチモジュールS_M1は、三相接続部２１ａの端子Ａと、他の２つの三相接続部２１ｂ，２１ｃの６つの端子Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉとを接続し、スイッチモジュールS_M2は、三相接続部２１ａの端子Ｂと、他の２つの三相接続部２１ｂ，２１ｃの６つの端子Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉとを接続し、スイッチモジュールS_M3は、三相接続部２１ａの端子Ｃと、他の２つの三相接続部２１ｂ，２１ｃの６つの端子Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉとを接続している。

図３に示すように、各スイッチモジュールS_M1、S_M2、S_M3は、９つの多方向性スイッチS₁₁〜S₁₉（S_M1の場合）を有している。各多方向性スイッチS₁₁〜S₁₉は、各三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃの３つの端子のうちの１つずつを接続している。図４（ａ）に示すように、各多方向性スイッチS₁₁〜S₁₉は、３つの端子のうち２つずつを互いに接続し、双方向にオン・オフできる３つの双方向スイッチS_AG、S_DA、S_GD（S₁₁の場合）を有するパワー半導体から成っている。なお、各多方向性スイッチS₁₁〜S₁₉の双方向スイッチは、図４（ｂ）および（ｃ）に示す半導体から成っていてもよい。

このように、スイッチ回路２２は、各スイッチモジュールS_M1、S_M2、S_M3の各多方向性スイッチS₁₁〜S₁₉により、各三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃの３つの端子から１つずつ選ぶときの、全ての端子の組合せについて、各組合せの３つの端子を互いに接続可能になっている。

図１に示すように、各三相装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれフィルタ回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して、電力変換スイッチ装置１１の各三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃにそれぞれ接続されている。各三相装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、三相電源、三相負荷または、三相電源にも三相負荷にもなる三相発電機から成っている。なお、一般に商用電源は、電源として機能しているが、エネルギーの流れの観点から、エネルギーが電源へ回生しているときには負荷と見ることができる。また、モータも、通常は負荷として機能しているが、システムの状態（回生動作など）によっては発電機動作としてエネルギーを放出する場合もあり、そのようなときは電源と見ることができる。

図１に示すように、各フィルタ回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれ各三相装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、その三相装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃが接続された電力変換スイッチ装置１１の三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃとの間に接続されている。各フィルタ回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、リアクトルとコンデンサとスイッチとを有するＬＣ回路から成り、スイッチのオン・オフの状態により電気等価回路を変更できるようになっている。スイッチは、機械スイッチまたは半導体スイッチから成っている。なお、フィルタ回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、電流の流れる向きに対応して、適宜の位置に、１〜３個設けられていればよく、図１に示すように必ずしも３つのフィルタ回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けられている必要はない。

次に、作用について説明する。
電力変換システム１０は、一つの三相接続部（例えば、２１ａ）から他の三相接続部（例えば、２１ｂ，２１ｃ）へ電流を流す場合、それぞれの三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃの各端子同士を接続するスイッチ回路２２の双方向スイッチ（例えば、S_AG、S_DA、S_GD）の素子に電流が流れるため、電流通過素子数を３つまで減らすことができる。このため、一つの三相接続部（例えば、２１ａ）から他の２つの三相接続部（例えば、２１ｂ，２１ｃ）に電流を流すときには、電流通過素子数を６つまで減らすことができ、スイッチ回路２２でのエネルギー損失を抑えることができる。

また、スイッチ回路２２を制御することにより、任意の三相接続部２１ａ，２１ｂまたは２１ｃから他の三相接続部２１ａ，２１ｂまたは２１ｃへ、電流の流れを自在かつ容易に変更することができる。このとき、電流の流れる向きに対応して、１または複数のフィルタ回路１３ａ，１３ｂまたは１３ｃが接続されているため、電源電圧から負荷へ直接電力変換することができる。

具体的には、図１に示すように、電源の三相装置１２ａの電圧を、フィルタ回路１３ａ→電力変換スイッチ装置１１→フィルタ回路１３ｂを介して、負荷である三相装置１２ｂへの直接電力変換と、電源の三相装置１２ａの電圧を、フィルタ回路１３ａ→電力変換スイッチ装置１１→フィルタ回路１３ｃを介して、負荷である三相装置１２ｃへの直接電力変換を、電流通過素子数がそれぞれ３、合わせて６で同時にできる。これにより、電源の三相装置１２ａのエネルギーを、負荷である三相装置１２ｂおよび１２ｃへ直接電力変換して供給することができる。

また、同様にして、三相装置１２ｂのエネルギーを、三相装置１２ａおよび１２ｃへ直接電力変換することも可能で、この場合は、電源の三相装置１２ｂの電圧を、フィルタ回路１３ｂ→電力変換スイッチ装置１１→フィルタ回路１３ａを介して、負荷である三相装置１２ａへの直接電力変換と、電源の三相装置１２ｂの電圧を、フィルタ回路１３ｂ→電力変換スイッチ装置１１→フィルタ回路１３ｃを介して、負荷である三相装置１２ｃへの直接電力変換とを、電流通過素子数がそれぞれ３、合わせて６で同時にできる。

さらに、同様にして、電源の三相装置１２ｃの電圧を、フィルタ回路１３ｃ→電力変換スイッチ装置１１→フィルタ回路１３ａを介して、負荷である三相装置１２ａへの直接電力変換と、電源の三相装置１２ｃの電圧を、フィルタ回路１３ｃ→電力変換スイッチ装置１１→フィルタ回路１３ｂを介して、負荷である三相装置１２ｂへの直接電力変換とを、電流通過素子数がそれぞれ３、合わせて６で同時にできる。

このように、電力変換システム１０は、電源と負荷との総数が３以上のシステムにおける相互の直接電力変換が可能である。エネルギーの流れも、電源から２つの負荷へ、または１つの負荷から電源と負荷へ、あるいは負荷から負荷へなど制限なく、各系統間のエネルギーの充放電を自在にできる。また、いずれの動作モードでも、電流通過素子数が少なく、電解コンデンサや変圧器などのエネルギーバッファも必要としないため、高効率で省資源である。なお、近年、リアクトルやコンデンサの体積、重量はほとんど変化していないが、半導体素子は現在もなお、小型化、集積化、低コスト化が進んでいるため、リアクトルやコンデンサを使用せず半導体素子を使用する本電力変換システム１０は有効である。

図５に示すように、実施例１の電力変換システム３０は、電力変換スイッチ装置１１と、３つの三相装置と、２つのフィルタ回路とを有している。各三相装置は、電力変換スイッチ装置１１の３つの三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃにそれぞれ接続された商用電源３２ａと、エレベータなどの負荷モータ（Motor）３２ｂと、風力発電機（Ｗ．Ｇ）３２ｃとから成っている。フィルタ回路は、商用電源３２ａと電力変換スイッチ装置１１との間に接続された第１ＬＣ回路３３ａと、風力発電機３２ｃと電力変換スイッチ装置１１との間に接続された第２ＬＣ回路３３ｃとから成っている。第１ＬＣ回路３３ａは、コンデンサC1〜C6、リアクトルL1〜L3、機械スイッチS1〜S6から成り、第２ＬＣ回路３３ｃは、コンデンサC7〜C9、機械スイッチS7〜S9から成っている。

図５に示す電力変換システム３０は、電力変換スイッチ装置１１や機械スイッチS1〜S9の接続状態を任意に変えることにより、エネルギーの流れに関して大きく３つの動作モードに分けることができる。

第１の動作モードにおける等価回路を、図６に示す。図６に示す等価回路は、図５にしめす機械スイッチS1〜S3をオフ、S4〜S6をオン、S7〜S9をオフ、電力変換スイッチ装置１１の三相接続部２１ｂの端子D〜Fと三相接続部２１ｃの端子G〜Iとの間を接続する双方向スイッチ（図３のS₁₁ではS_GD）すべてを常にオフにすることにより求められる。

このとき、双方向スイッチ(図３のS₁₁ではS_DA)のオン・オフにより、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの接続関係を制御できる。商用電源３２ａと負荷モータ３２ｂとに着目すると、図１４に示す直接電力変換回路と等価な構成と見ることができる。したがって、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの間の双方向スイッチ(図３のS₁₁ではS_DA)により入出力波形の制御が可能になる。このため、図１４に示す１電源１負荷システムにおける入出力制御法を利用して、図５に示す電力変換システム３０でも電源電流正弦波波形制御、力率制御、出力電圧の任意振幅制御、任意周波数制御も同時に実現できる。

同様にして、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｃの端子G〜Iとは、互いにスイッチ(図３のS₁₁ではS_AG)を介して接続されている。商用電源３２ａと風力発電機３２ｃとに着目すると、こちらも図１４に示す直接電力変換回路と等価な構成と見ることができる。したがって、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｃの端子G〜Iとの間の双方向スイッチ(図３のS₁₁ではS_AG)により入出力波形の制御が可能になる。商用電源３２ａから負荷モータ３２ｂへの電力変換は、電流通過素子３つで実現でき、そして商用電源３２ａから風力発電機３２ｃへの電力変換も電流通過素子３つで実現できる。

第２の動作モードにおける等価回路を、図７に示す。図７に示す等価回路は、図５に示す機械スイッチS1〜S3をオン、S4〜S6をオフ、S7〜S9をオン、電力変換スイッチ装置１１の三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの間を接続する双方向スイッチ(図３のS₁₁ではS_AD)すべてを常にオフにすることにより求められる。

このとき、双方向スイッチ(図３のS₁₁ではS_AG) のオン・オフにより、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｃの端子G〜Iとの接続関係を制御できる。風力発電機３２ｃと商用電源３２ａとに着目すると、直接電力変換回路を構成でき、風力発電機３２ｃから商用電源３２ａへエネルギーを回生することができる。さらに、双方向スイッチ(図３のS₁₁ではS_GD)のオン・オフにより、三相接続部２１ｃの端子G〜Iと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの接続関係も制御できる。これにより、風力発電機３２ｃと負荷モータ３２ｂとの直接電力変換回路を構成でき、風力発電機３２ｃのエネルギーを負荷モータ３２ｂへ直接電力変換して供給できる。この第２の動作モードでも、それぞれの電力変換は、電流通過素子３つで実現できる。

第３の動作モードにおける等価回路を、図８に示す。図８に示す等価回路は、図５に示す機械スイッチS1〜S3をオフ、S4〜S6をオン、S7〜S9をオフ、電力変換スイッチ装置１１の双方向スイッチを図９に示す状態にすることにより求められる。すなわち、図９に示すように、例えば、スイッチモジュールS_M1については、端子A、G、D〜Fと接続関係をもつ多方向性スイッチS₁₁,S₁₄,S₁₇の、双方向スイッチS_AGを常にオン、S_DAを常にオフ、S_DGをオン、オフ制御する。そして、スイッチモジュールS_M1を構成する残りの多方向性スイッチは全てオフにする。また、スイッチモジュールS_M1と同様の考え方で、スイッチモジュールS_M2を構成する多方向性スイッチについては、端子B、H、D〜Fと接続関係をもつ多方向性スイッチを、スイッチモジュールS_M3を構成する多方向性スイッチについては、端子C、I、D〜Fと接続関係をもつ多方向性スイッチを、それぞれ図９のように行い、残りのスイッチは全てオフにする。

風力発電機３２ｃと負荷モータ３２ｂとに着目すると、風力発電機３２ｃからのエネルギーは、コンデンサC4〜C6、９つの多方向性スイッチを介して負荷モータ３２ｂへ供給できる。この第３の動作モードでは、双方向スイッチのオン・オフ制御により、直接電力変換を電流通過素子数３で実現できる。

図５に示す電力変換システム３０では、図６〜８に示す３つの動作モードに対応した電力変換スイッチ装置１１および機械スイッチS1〜S9の接続の切り替えは、各系統間の電圧、電流またはモータ速度情報を用いて電子的に自動判断することにより行われる。

図５に示す電力変換システム３０は、商用電源３２ａと風力発電機３２ｃとのハイブリッドをもつ負荷モータ駆動システムに応用できる。例えば、風力が弱い時に、第１の動作モードを用いれば、商用電源３２ａから負荷モータ３２ｂへエネルギーを供給するとともに、風力発電機３２ｃのプロペラ回転数も維持できる。風力が強い時には、第２の動作モードを用いれば、風力発電機３２ｃから負荷モータ３２ｂへエネルギーを供給でき、さらに風力発電機３２ｃから商用電源３２ａへのエネルギーの回生も可能になる。商用電源３２ａの停電時には、第３の動作モードを用いて、風力発電機３２ｃから負荷モータ３２ｂへ電力を供給して負荷モータ３２ｂの運転を維持できる。このように、３つの系統(電源、負荷)の状況に応じて、それぞれの系統間を低損失で直接電力変換できる電力変換システム３０が実現できる。

図１０に示すように、実施例２の電力変換システム５０は、電力変換スイッチ装置１１と、３つの三相装置と、２つのフィルタ回路とを有している。三相装置は、電力変換スイッチ装置１１の３つの三相接続部２１ａ，２１ｂ，２１ｃにそれぞれ接続された商用電源５２ａと、抵抗、インダクタ、キャパシタなどの線形素子およびダイオード、トランジスタなどの非線形素子からなる電気回路で構成された負荷（LOAD）５２ｂと、フライホイール(FW)付き誘導電動機（IM）５２ｃとから成っている。なお、誘導電動機５２ｃは、同期電動機、永久磁石付き同期電動機でも実現できる。また、ここではモータの慣性エネルギーを大きくするために慣性モーメントの大きな慣性体を想定してフライホイールを用いているが、同様な慣性体でも実現できる。

フィルタ回路は、商用電源５２ａと電力変換スイッチ装置１１との間に接続された第１ＬＣ回路５３ａと、負荷５２ｂと電力変換スイッチ装置１１との間に接続された第２ＬＣ回路５３ｂとから成っている。第１ＬＣ回路５３ａは、コンデンサC1〜C3、リアクトルL1〜L3から成り、第２ＬＣ回路５３ｂは、コンデンサC4〜C6、リアクトルL4〜L6から成っている。このように、フィルタ回路はスイッチを有しておらず、スイッチ切り替えによる等価回路の変更はできないが、システムを簡素化することができる。また、図１１に示すように、電力変換スイッチ装置１１も、実施例１の回路と比較して簡素化することができる。

図１０に示す電力変換システム５０は、電力変換スイッチ装置１１の接続状態を任意に変えることにより、エネルギーの流れに関して大きく２つの動作モードに分けることができる。

第１の動作モードにおける電力変換スイッチ装置１１の等価回路（スイッチモジュールS_M1の場合）を、図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）に示す等価回路は、スイッチモジュールS_M1については、図１０の三相接続部２１ｃの端子Gと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの間の双方向スイッチをオフにし、スイッチモジュールS_M2については、三相接続部２１ｃの端子Hと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの間をオフにし、 スイッチモジュールS_M3については、三相接続部２１ｃの端子Iと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの間のスイッチをオフにすることで得られる。

商用電源５２ａと負荷５２ｂとに着目すると、図１４に示す直接電力変換回路と等価な構成と見ることができる。したがって、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｂの端子D〜Fとの間の双方向スイッチ(S₁₁ではS_DA)により入出力波形の制御が可能になり、商用電源５２ａを直接電力変換して負荷５２ｂへエネルギーを供給できる。また、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｃの端子G〜Iとは、互いに双方向スイッチ(S₁₁ではS_AG)を介して接続されている。商用電源５２ａとフライホイール付き誘導電動機５２ｃとに着目すると、こちらも図１４に示す直接電力変換回路と等価な構成と見ることができる。したがって、三相接続部２１ａの端子A〜Cと三相接続部２１ｃの端子G〜Iとの間の双方向スイッチ(S₁₁ではS_AG)により入出力波形の制御が可能になり、商用電源５２ａから直接電力変換してフライホイール付き誘導電動機５２ｃへエネルギーを供給できる。商用電源５２ａから負荷５２ｂへの電力変換は、電流通過素子３つで実現でき、商用電源５２ａから誘導電動機５２ｃへの電力変換も電流通過素子３つで実現できる。

第２の動作モードにおける電力変換スイッチ装置１１の等価回路（スイッチモジュールS_M1のS₁₁,S₁₄,S₁₇の場合）を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）に示す等価回路は、スイッチモジュールS_M1については、図９（ｂ）に示すように、端子A、G、D〜Fと接続関係をもつ双方向スイッチS₁₁,S₁₄,S₁₇の、S_AGを常にオン、S_DAを常にオフ、S_DGをオン、オフ制御する。図９（ｂ）はS₁₁について示しているが、S₁₄,S₁₇もS₁₁と同様の状態にする。また、スイッチモジュールS_M1を構成する残りの多方向性スイッチは、全てオフにする。さらに、スイッチモジュールS_M1同様の考え方で、スイッチモジュールS_M2を構成する多方向性スイッチについては、端子B、H、D〜Fと接続関係をもつ双方向スイッチを、スイッチモジュールS_M3を構成する多方向性スイッチについては端子C、I、D〜Fと接続関係をもつ双方向スイッチを、図９（ｂ）のように行い、残りの多方向性スイッチは全てオフにする。

誘導電動機５２ｃと負荷５２ｂとに着目すると、慣性エネルギーの大きな誘導電動機５２ｃからのエネルギーは、商用電源５２ａ側のC1〜C3、電力変換スイッチ装置１１を介して負荷５２ｂへ直接電力変換により供給される。このとき、図１４と同様に、直接電力変換を電流通過素子数３で実現できる。

図１０に示す電力変換システム５０では、図１２に示す２つの動作モードに対応した電力変換スイッチ装置１１の接続の切り替えは、各系統間の電圧、電流またはモータ速度情報を用いて電子的に自動判断することにより行われる。

図１０に示す電力変換システム５０は、フライホイール式エネルギー貯蔵を持つ無停電電源に応用できる。例えば、商用電源５２ａの正常時に第１の動作モードを用いれば、商用電源５２ａから負荷５２ｂへエネルギーを供給するとともに、誘導電動機５２ｃの回転数も維持して慣性エネルギー充電もできる。商用電源５２ａの停電時には、第２の動作モードを用い、誘導電動機５２ｃから負荷５２ｂへ電力を供給できる。なお、第１の動作モードで商用電源５２ａから誘導電動機５２ｃへのエネルギーの充放電動作を利用すれば、商用電源５２ａに流れる電流波形も制御できる。例えば、負荷５２ｂに低力率、非線形電流が流れても、商用電源５２ａ側を高力率、正弦波電流波形に制御することも可能である。このように、３つの系統(電源、負荷)の状況に応じて、それぞれの系統間を低損失で直接電力変換できる電力変換システム５０が実現できる。

以上では、三相、３つの装置の入出力について述べているが、本発明に係る電力変換スイッチ装置および電力変換システムは、単相にも多相にも応用可能であり、４つ以上の装置の入出力にも応用可能である。

１０ 電力変換システム
１１ 電力変換スイッチ装置
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 三相装置
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ フィルタ回路
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 三相接続部
２２ スイッチ回路
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ 端子
S_M1、S_M2、S_M3 スイッチモジュール
S₁₁〜S₁₉ 多方向性スイッチ
S_AG、S_DA、S_GD 双方向スイッチ

Claims (6)

1. 三相電源または三相負荷に接続可能な３つの三相接続部と、
   各三相接続部の３つの端子から１つずつ選ぶときの、全ての端子の組合せについて、各組合せの３つの端子を互いに接続可能に構成されたスイッチ回路とを、
   有することを特徴とする電力変換スイッチ装置。
2. 前記スイッチ回路は、前記各組合せの３つの端子を互いに双方向スイッチで接続して成ることを、特徴とする請求項１記載の電力変換スイッチ装置。
3. 請求項１または２記載の電力変換スイッチ装置と、
   三相電源または三相負荷から成り、前記電力変換スイッチ装置の各三相接続部にそれぞれ接続された３つの三相装置とを、
   有することを特徴とする電力変換システム。
4. 各三相装置のうち少なくとも１つの三相装置とその三相装置が接続された三相接続部との間に接続されたフィルタ回路を、有することを特徴とする請求項３記載の電力変換システム。
5. 請求項１または２記載の電力変換スイッチ装置と、
   前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、一つの三相接続部に接続された三相電源と、
   前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、他の一つの三相接続部に接続された三相負荷と、
   前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、残りの一つの三相接続部に接続された三相発電機と、
   前記三相電源とその三相電源が接続された前記一つの三相接続部との間に接続された第１フィルタ回路と、
   前記三相発電機とその三相発電機が接続された前記残りの一つの三相接続部との間に接続された第２フィルタ回路とを、
   有することを特徴とする電力変換システム。
6. 請求項１または２記載の電力変換スイッチ装置と、
   前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、一つの三相接続部に接続された三相電源と、
   前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、他の一つの三相接続部に接続された三相負荷と、
   前記電力変換スイッチ装置の３つの三相接続部のうち、残りの一つの三相接続部に接続された三相発電機と、
   前記三相電源とその三相電源が接続された前記一つの三相接続部との間に接続された第１フィルタ回路と、
   前記三相負荷とその三相負荷が接続された前記残りの一つの三相接続部との間に接続された第２フィルタ回路とを、
   有することを特徴とする電力変換システム。
   
   

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