JP2015012769A - 電力変換装置および電気・機械エネルギ変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】モジュラー・マルチレベルＰＷＭインバータでは、各相に１個ずつのリアクトルを必要とするため、装置の全体の体積・重量が大きく、広い設置面積を必要とする。
【解決手段】電力変換装置１０２は、コンデンサを有して任意の電圧を出力可能な単位変換器１０５を１または複数個直列に接続したアーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗと、各アーム１０４の一端がＹ結線される第１ノードであるＰ点と回転電機１０３の中性点が接続される第２ノードであるＮ点とを備えている。各アーム１０４の他端は、回転電機１０３の各相巻線の一端に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換し、または、その逆に交流電力を直流電力に変換する電力変換装置、および、この電力変換装置を用いた電気・機械エネルギ変換システムに関する。

非特許文献１のまえがきには、「本論文では、三相ＭＭＩを用いた高圧モータドライブの実現可能性について検討する。４００Ｖ、１５ｋＶミニモデルを設計・製作し、制御法と運転特性を実証する。」と記載され、非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ）には、三相ＭＭＩの主回路構成が示されている。ＭＭＩとは、モジュラー・マルチレベルＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータの略称である。この三相ＭＭＩは、１つまたは複数の単位変換器の直列回路からなるアームとリアクトルとの直列回路を三相ブリッジ状に接続した電力変換装置である。非特許文献１のＦｉｇ．３〜５には、この三相ＭＭＩの交流出力端子に接続した交流電動機を駆動した実験結果が開示されている。

この三相ＭＭＩは、マルチレベル変換器の一種であり、ＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）、ＧＣＴ（Gate-Commutated Thyristor）などのようにオン・オフ制御可能なスイッチング素子を用いて、このスイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力可能である。

萩原誠・西村和敏・赤木泰文、「モジュラー・マルチレベルＰＷＭインバータを用いた高圧モータドライブ：第１報：４００Ｖ、１５ｋＷミニモデルによる実験的検証」、電気学会論文誌Ｄ、２０１０年４月、１３０巻、４号、ｐｐ．５４４−５５１

非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ）に示す電力変換装置は、各アームを循環する電流を抑制するため、各相に１個ずつのリアクトルを必要とする。このため、電力変換装置全体の体積・重量が大きくなり、設置面積が広くなるという虞があった。
更に、各相のアームと回転電機との間にリアクトルを設けているため、アーム電圧を直接に回転電機に印加できず、回転電機の制御性が低下する虞があった。

そこで、本発明は、リアクトル無しに回転電機とアームとを接続することを可能とする電力変換装置、および、この電力変換装置を用いた電気・機械エネルギ変換システムを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、エネルギ貯蔵要素を有して任意の電圧を出力可能な単位変換器を、１または複数個直列に接続したアームを３個以上と、各前記アームの一端がＹ結線される第１ノードと、を備えており、各前記アームの他端は、回転電機の各相巻線の一端に接続される、ことを特徴とする電力変換装置とした。

これにより、アームと回転電機の各相巻線とは、リアクトル無しに接続されているので、回転電機の制御性を向上させることができる。また、各相ごとのリアクトルが不要なので、電力変換装置全体の体積・重量をコンパクトにして、狭い面積に接地可能となる。

請求項１２に記載の発明では、エネルギ貯蔵要素を有して任意の電圧を出力可能な単位変換器を、１または複数個直列に接続したアームを３個以上と、各前記アームの一端がＹ結線される第１ノードと、を備える電力変換装置と、機械負荷が結合され、各前記アームの他端が各相巻線の一端に接続された回転電機と、を備えることを特徴とする電気・機械エネルギ変換システムとした。

これにより、電力変換装置は、回転電機の制御性を向上させ、かつ、電力変換装置全体の体積・重量をコンパクトにして狭い面積に接地可能なので、コンパクトで制御性のよい電気・機械エネルギ変換システムを提供することができる。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、リアクトル無しに回転電機とアームとを接続することを可能とする電力変換装置、および、この電力変換装置を用いた電気・機械エネルギ変換システムを提供可能である。

第１の実施形態に於ける電力変換装置を示す概略の構成図である。 双方向チョッパ回路方式の単位変換器を示す図である。 フルブリッジ回路方式の単位変換器を示す図である。 第１の実施形態に於ける回転電機の構成と動作を示す図である。 第２の実施形態に於ける電力変換装置を示す概略の構成図である。 第２の実施形態に於ける中性点引き出しリアクトルを示す図である。 第２の実施形態の変形例に於ける中性点引き出しリアクトルを示す図である。

以降、本発明を実施するための形態を、図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に於ける電力変換装置１０２を示す概略の構成図である。
図１に示すように電気・機械エネルギ変換システム１０１は、直流電源装置１０７と、電力変換装置１０２と、回転電機１０３と、機械負荷１０９とを備えている。
直流電源装置１０７は、Ｐ点とＮ点とを介して直流電力を供給するものである。直流電源装置１０７は、例えば、ダイオード整流器、サイリスタ整流器、ＰＷＭ整流器、モジュラー・マルチレベル整流器、電池、二次電池、直流電力系統などであり、直流電力を供給するものであればよい。

電力変換装置１０２は、直流電源装置１０７から、Ｐ点とＮ点とを介して供給される直流電力を交流電力に変換し、Ｕ点、Ｖ点、Ｗ点に接続した回転電機１０３を駆動するものである。回転電機１０３は、例えば三相モータである。Ｕ点は、回転電機１０３のＵ相巻線の一端である。Ｖ点は、回転電機１０３のＶ相巻線の一端である。Ｗ点は、回転電機１０３のＷ相巻線の一端である。回転電機１０３の各相巻線は、Ｙ結線されて第２ノードであるＮ点に接続されている。
この回転電機１０３は、軸１０８と機械負荷１０９とが機械的に結合される。機械負荷１０９は、軸１０８に結合されて回転駆動される。これにより、電気・機械エネルギ変換システム１０１は、直流電力として供給された電気エネルギを機械エネルギに変換することができる。

Ｕ点、Ｖ点、Ｗ点は、回転電機１０３の固定子巻線の一端である。なお、Ｕ点、Ｖ点、Ｗ点は、回転電機１０３の回転子巻線の一端であってもよく、これら回転子巻線の他端がＹ結線された中性点が、第２ノードであるＮ点に接続されていてもよい。以下の説明では、Ｕ点、Ｖ点、Ｗ点が固定子巻線の一端であるか、回転子巻線の一端であるかを特に区別せずに説明する。

次に、電力変換装置１０２の内部構成を説明する。
電力変換装置１０２は、３個のアーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗと、制御部１１１とを備えている。アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗは、エネルギ貯蔵要素であるコンデンサ２０３を有して任意の電圧を出力可能な１または複数の単位変換器１０５を直列接続して構成されている。以下、アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗを特に区別しないときには、単にアーム１０４と記載している場合がある。第１の実施形態では、回転電機１０３の相数が３相なので、アーム１０４は３個である。しかし、これに限られず、回転電機１０３の相数が４相以上であれば、その相数と同一個数のアーム１０４を備えていてもよく、３個以上であってもよい。
アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗの一端は、第１ノードであるＰ点にＹ結線される。アーム１０４ｕの他端は、Ｕ点を介して回転電機１０３のＵ相巻線の一端に接続されている。アーム１０４ｖの他端は、Ｖ点を介して回転電機１０３のＶ相巻線の一端に接続されている。アーム１０４ｗの他端は、Ｗ点を介して回転電機１０３のＷ相巻線の一端に接続されている。
回転電機１０３の中性点は、Ｕ相巻線の他端とＶ相巻線の他端とＷ相巻線の他端とが接続されているノードであり、第２ノードであるＮ点に接続されている。これにより、電力変換装置１０２は、回転電機１０３の各相巻線に交流電流を流して回転駆動させることができる。
第２ノードであるＮ点は更に、接地点１０６に接続されている。このように、回転電機１０３の中性点は、第２ノードを介して接地されるので、回転電機１０３の対地電位の直流成分を概ね零とすることができるので、漏電の虞がなくなる。

これらＰ点とＮ点には、直流電源装置１０７が接続されている。
制御部１１１は、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗを構成する１または複数の単位変換器１０５を制御するものである、制御部１１１は、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗを構成する各単位変換器１０５に接続されて、その出力電圧を制御し、よって、回転電機１０３の回転駆動を制御する。

ここで、説明の便宜のため、図１に示した電圧・電流を以下のように定義する。
Ｐ点とＮ点との間の電圧は、直流電圧Ｖｄｃである。直流電源装置１０７からＰ点に流れる電流は、直流電流Ｉｄｃである。

アーム１０４ｕは、アーム電圧Ｖｕを出力する。アーム１０４ｖは、アーム電圧Ｖｖを出力する。アーム１０４ｗは、アーム電圧Ｖｗを出力する。なお、各アーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗに含まれる各単位変換器１０５の出力電圧の和である。アーム１０４ｕからＵ点には、アーム電流Ｉｕが流れる。アーム１０４ｖからＶ点には、アーム電流Ｉｖが流れる。アーム１０４ｗからＷ点には、アーム電流Ｉｗが流れる。

印加電圧Ｖｍｕは、回転電機１０３のＵ点とＮ点との間に印加されている電圧である。印加電圧Ｖｍｖは、回転電機１０３のＶ点とＮ点との間に印加されている電圧である。印加電圧Ｖｍｗは、回転電機１０３のＷ点とＮ点との間に印加されている電圧である。

以下、図２、図３を用いて単位変換器１０５の内部構成と出力電圧の制御法の一例を説明する。
電力変換装置１０２は、単位変換器１０５として、例えば片極性の電圧を出力できる双方向チョッパ回路方式の単位変換器１０５Ｃ（図２参照）を用いることができる。これにより、電力変換装置１０２は、単位変換器１０５Ｃの入出力端子とエネルギ貯蔵要素であるコンデンサ２０３との間に介在するスイッチング素子数を最小限の１個とすることができるので、電力変換に伴うエネルギロスを少なくすることができる。
電力変換装置１０２は更に、単位変換器１０５として、両極性の電圧を出力できるフルブリッジ回路方式の単位変換器１０５Ｆ（図３参照）を用いることができる。これにより、電力変換装置１０２は、単位変換器１０５Ｆの入出力端子からエネルギ貯蔵要素であるコンデンサ２０３の正電圧と負電圧と、零電圧とを出力することができるので、この電力変換装置１０２に交流電力が供給された場合であっても、回転電機１０３を回転駆動することができる。
第１の実施形態の各アーム１０４は、すべて双方向チョッパ回路方式の単位変換器１０５Ｃ（図２参照）で構成されている。しかし、これに限られず、各アーム１０４は、すべてフルブリッジ回路方式の単位変換器１０５Ｆ（図３参照）で構成されていてもよい。各アーム１０４は更に、双方向チョッパ回路方式の単位変換器１０５Ｃ（図２参照）とフルブリッジ回路方式の単位変換器１０５Ｆ（図２参照）とが混在して構成されていてもよい。これにより、電力変換に伴うエネルギロス減少という効果と、両極性の電圧出力による入出力電圧の自由度の増大の効果とを得ることができる。

図２は、双方向チョッパ回路方式の単位変換器１０５Ｃを示す図である。
図２に示すように、単位変換器１０５Ｃは、上側のスイッチング素子２０１Ｈと環流ダイオード２０２Ｈが逆並列接続された回路と、下側のスイッチング素子２０１Ｌと環流ダイオード２０２Ｌが逆並列接続された回路と、コンデンサ２０３とを備えている。
上側のスイッチング素子２０１Ｈのコレクタには、環流ダイオード２０２Ｈのカソードが接続され、かつ、コンデンサ２０３の一端に接続されている。スイッチング素子２０１Ｈのエミッタは、環流ダイオード２０２Ｈのアノードが接続され、かつ、ａ点を介して、この単位変換器１０５Ｃの一方の入出力端子に接続されている。スイッチング素子２０１Ｈのゲートには、ゲートドライバ２０４が接続されている。

同様に、下側のスイッチング素子２０１Ｌのコレクタには、環流ダイオード２０２Ｌのカソードが接続され、かつ、ａ点に接続されている。スイッチング素子２０１Ｌのエミッタには、環流ダイオード２０２Ｌのアノードが接続され、この単位変換器１０５Ｃの他方の入出力端子に接続され、かつ、ｎ点を介してコンデンサ２０３の他端に接続されている。スイッチング素子２０１Ｌのゲートには、ゲートドライバ２０４が接続されている。ゲートドライバ２０４は、コントローラ２０５に電気的に接続されている。コントローラ２０５は、光ファイバを介して制御部１１１に接続されている。
コンデンサ２０３は、例えば電解コンデンサであり、双方向チョッパ回路方式の単位変換器１０５Ｃのエネルギ貯蔵要素である。

本明細書では、上側のスイッチング素子２０１Ｈと下側のスイッチング素子２０１Ｌ、および後記する図３に示すＸ相上側のスイッチング素子２０１ＸＨ、Ｘ相下側のスイッチング素子２０１ＸＬ、Ｙ相上側のスイッチング素子２０１ＹＨ、Ｙ相下側のスイッチング素子２０１ＹＬを総称して、単にスイッチング素子２０１と記載している場合がある。

図２に示すように、第１の実施形態では、スイッチング素子２０１としてＩＧＢＴを用いている。しかし、これに限られず、本発明は、スイッチング素子２０１として、ＧＴＯ、ＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）など、オン・オフ制御可能なパワー半導体デバイスである他の種類のスイッチング素子を用いてもよい。

出力電圧Ｖｊｋは、図２のａ点と、コンデンサ２０３の他端であるｎ点との間に印加される電圧であり、双方向チョッパ回路方式の単位変換器１０５Ｃの出力電圧である。ここでｊは、ｕ相、ｖ相、ｗ相のいずれかである。ｋは、１からＭの間の自然数であり、Ｍは各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗに含まれる単位変換器１０５Ｃの数を示している。
電流Ｉｊは、この単位変換器１０５Ｃの一方の入出力端子からａ点に流れる。ここでｊは、ｕ相、ｖ相、ｗ相のいずれかを示す記号である。

以下、出力電圧Ｖｊｋと、スイッチング素子２０１Ｈ，２０１Ｌのオン・オフ状態の関係を説明する。
上側のスイッチング素子２０１Ｈがオン、下側のスイッチング素子２０１Ｌがオフの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋは、コンデンサ電圧ＶＣｊｋと概ね等しくなるように制御可能である。
上側のスイッチング素子２０１Ｈがオフ、下側のスイッチング素子２０１Ｌがオンの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋを零と概ね等しくなるように制御可能である。

図３は、フルブリッジ回路方式の単位変換器１０５Ｆを示す図である。
図３に示すように、単位変換器１０５Ｆは、Ｘ相に、上側のスイッチング素子２０１ＸＨと環流ダイオード２０２ＸＨが逆並列接続された回路、および、下側のスイッチング素子２０１ＸＬと環流ダイオード２０２ＸＬが逆並列接続された回路を直列に接続した回路を備えている。
単位変換器１０５Ｆは、Ｙ相に、上側のスイッチング素子２０１ＹＨと環流ダイオード２０２ＹＨが逆並列接続された回路、および、下側のスイッチング素子２０１ＹＬと環流ダイオード２０２ＹＬが逆並列された回路を直列接続した回路を備え、更にＸ相回路とＹ相回路にコンデンサ２０３を並列接続している。

Ｘ相回路に於いて、上側のスイッチング素子２０１ＸＨのコレクタには、環流ダイオード２０２ＸＨのカソードが接続され、かつ、コンデンサ２０３の一端に接続されている。スイッチング素子２０１ＸＨのエミッタは、環流ダイオード２０２ＸＨのアノードが接続され、かつ、ｘ点を介して、この単位変換器１０５Ｆの一方の入出力端子に接続されている。スイッチング素子２０１ＸＨのゲートには、ゲートドライバ２０４が接続されている。
同様に、下側のスイッチング素子２０１ＸＬのコレクタには、環流ダイオード２０２ＸＬのカソードが接続され、かつ、ｘ点に接続されている。スイッチング素子２０１ＸＬのエミッタには、環流ダイオード２０２ＸＬのアノードが接続され、かつ、コンデンサ２０３の他端に接続されている。スイッチング素子２０１ＸＬのゲートには、ゲートドライバ２０４が接続されている。

Ｙ相回路に於いて、上側のスイッチング素子２０１ＹＨのコレクタには、環流ダイオード２０２ＹＨのカソードが接続され、かつ、コンデンサ２０３の一端に接続されている。スイッチング素子２０１ＹＨのエミッタは、環流ダイオード２０２ＹＨのアノードが接続され、かつ、ｙ点を介して、この単位変換器１０５Ｆの他方の入出力端子に接続されている。スイッチング素子２０１ＹＨのゲートには、ゲートドライバ２０４が接続されている。
同様に、下側のスイッチング素子２０１ＹＬのコレクタには、環流ダイオード２０２ＹＬのカソードが接続され、かつ、ｙ点に接続されている。スイッチング素子２０１ＹＬのエミッタには、環流ダイオード２０２ＹＬのアノードが接続され、かつ、コンデンサ２０３の他端に接続されている。スイッチング素子２０１ＹＬのゲートには、ゲートドライバ２０４が接続されている。
ゲートドライバ２０４は、コントローラ２０５に電気的に接続されている。コントローラ２０５は、光ファイバを介して制御部１１１に接続されている。

コンデンサ２０３は、単位変換器１０５Ｆのエネルギ貯蔵要素である。なお、これに限られず、単位変換器１０５Ｆは、コンデンサ２０３に代えて、二次電池などをエネルギ貯蔵要素として用いてもよい。
出力電圧Ｖｊｋは、ｘ点とｙ点との間に印加された電圧であり、かつ、フルブリッジ回路方式の単位変換器１０５Ｆの出力電圧である。電流Ｉｊは、単位変換器１０５Ｆの一方の入出力端子からｘ点に流れる。

以下、出力電圧Ｖｊｋと、各スイッチング素子２０１ＸＨ，２０１ＸＬ，２０１ＹＨ，２０１ＹＬのオン・オフ状態の関係を説明する。

Ｘ相の上側のスイッチング素子２０１ＸＨがオン、下側のスイッチング素子２０１ＸＬがオフ、Ｙ相の上側のスイッチング素子２０１ＹＨがオン、下側のスイッチング素子２０１ＹＬがオフの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋを零と概ね等しくなるように制御可能である。

Ｘ相の上側のスイッチング素子２０１ＸＨがオン、下側のスイッチング素子２０１ＸＬがオフ、Ｙ相の上側のスイッチング素子２０１ＹＨがオフ、下側のスイッチング素子２０１ＹＬがオンの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋをコンデンサ電圧ＶＣｊｋと概ね等しくなるように制御可能である。

Ｘ相の上側のスイッチング素子２０１ＸＨがオフ、下側のスイッチング素子２０１ＸＬがオン、Ｙ相の上側のスイッチング素子２０１ＹＨがオン、下側のスイッチング素子２０１ＹＬがオフの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋをコンデンサ電圧ＶＣｊｋの逆極性の電圧（−ＶＣｊｋ）と概ね等しくなるように制御可能である。

Ｘ相の上側のスイッチング素子２０１ＸＨがオフ、下側のスイッチング素子２０１ＸＬがオン、Ｙ相の上側のスイッチング素子２０１ＹＨがオフ、下側のスイッチング素子２０１ＹＬがオンの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋを零と概ね等しくなるように制御可能である。

以下、回転電機１０３の印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗを制御する方法および、印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗを介して回転電機１０３の運転を制御する方法を説明する。

まず、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗが出力するアーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、そのアーム１０４に含まれる１または複数の単位変換器１０５の出力電圧Ｖｊｋの和であるため、個々の単位変換器１０５の出力電圧を制御すれば、アーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御できる。

回転電機１０３の印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗ、直流電圧Ｖｄｃ、アーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは（１）〜（３）式を満足する。

回転電機１０３のＵ相の印加電圧Ｖｍｕは、（１）式に示したように、直流電圧Ｖｄｃからアーム電圧Ｖｕを減算したものとなる。

回転電機１０３のＶ相の印加電圧Ｖｍｖは、（２）式に示したように、直流電圧Ｖｄｃからアーム電圧Ｖｖを減算したものとなる。

回転電機１０３のＷ相の印加電圧Ｖｍｗは、（３）式に示したように、直流電圧Ｖｄｃからアーム電圧Ｖｗを減算したものとなる。

言い換えれば、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗは、アーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御することにより、（１）〜（３）式に基づき、任意の電圧を回転電機１０３の各相に印加することができる。制御部１１１が、直流電圧Ｖｄｃと、アーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに含まれる直流成分とが概ね等しくなるように制御すれば、回転電機１０３の印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗが、交流成分のみを含むように制御できる。以上より、制御部１１１は、回転電機１０３の印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗを可変振幅・可変周波数の三相交流電圧とするように制御可能である。

制御部１１１は、回転電機１０３の印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗを可変振幅・可変周波数の三相交流電圧に制御できるため、例えば、Ｖ／ｆ制御やベクトル制御を行うことにより、回転電機１０３のトルク、回転速度、位置などを制御可能である。

なお、本発明によれば、回転機の印加電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗの振幅を同一とした場合、非特許文献１に記載された比較例に対して、直流電圧Ｖｄｃを１／２に低減できるという効果も得られる。その理由を以下で説明する。

非特許文献１に記載の比較例では、各相に８個の単位変換器を用いており、これら８個の単位変換器を正側４個と負側４個に分け、４個の単位変換器が交流電圧を１／４ずつ分担している。直流電圧に関しては、８個の単位変換器が１／８ずつ分担している。言い換えれば、各相が備える単位変換器をＭ個とすれば、（Ｍ／２）個の単位変換器で交流電圧を分担し、Ｍ個の単位変換器で直流電圧を分担している。

本実施形態では、交流電圧と直流電圧のどちらでも、Ｍ個の単位変換器１０５で分担するように構成している。よって、同じ振幅の交流電圧を出力する場合には、比較例に対して直流電圧を１／２に低減することができる。

図１に示したように、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは正相成分と零相成分とを含んでいる。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの正相成分は、回転電機１０３内部に回転磁界を形成し、回転電機１０３のトルク、回転速度、位置などの制御に寄与するものである。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分は、各アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和の（１／３）に相当する。各アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和は、直流電流Ｉｄｃに等しい。これにより、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分は、直流電流Ｉｄｃの（１／３）に相当する。したがって、（Ｉｄｃ／３）は、零相電流として回転電機１０３を流れる。零相電流に起因して生じる回転電機１０３の磁界は、零になる。よって、零相電流は、回転電機１０３のトルク、回転速度、位置などの制御に影響しない。
以下、図４を参照して、直流電流Ｉｄｃの１／３（＝Ｉｄｃ／３）が、零相電流として回転電機１０３に流れた場合における、回転電機１０３の磁界が概ね零となることを説明する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、回転電機１０３の構成と動作とを示す図である。図４（ａ）は、回転電機１０３内部の回路図である。図４（ｂ）は、回転電機１０３の斜視図である。図４（ｃ）は、回転電機１０３の零相電流による磁界を示す図である。
図４（ａ）に示すように、回転電機１０３は、Ｕ相の巻線１０３１Ｕと、Ｖ相の巻線１０３１Ｖと、Ｗ相の巻線１０３１Ｗとを備え、これらがＹ結線されて中性点Ｎに接続されている。
図４（ｂ）に示すように、回転電機１０３は、Ｕ相の巻線１０３１Ｕと、Ｖ相の巻線１０３１Ｖと、Ｗ相の巻線１０３１Ｗとが、それぞれ空間的に１２０度ずつ異なる位置に巻かれている。これにより、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの正相成分は、回転磁界を形成することができる。
図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す回転電機１０３の回転軸に垂直な断面図であり、各巻線１０３１Ｕ，１０３１Ｖ，１０３１Ｗを示している。図４（ｃ）では更に、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに含まれる正相成分を無視し、零相成分（Ｉｄｃ／３）によって発生する磁界Ｈｕ０，Ｈｖ０，Ｈｗ０のみを示している。

Ｕ相のアーム１０４ｕと回転電機１０３のＵ相の巻線１０３１Ｕを流れるアーム電流Ｉｕの零相成分（Ｉｄｃ／３）は、Ｕ１点に於いて図を裏から表に貫く方向に流れ、Ｕ２点に於いて図を表から裏に貫く方向に流れる。Ｕ相の巻線１０３１Ｕを流れるアーム電流Ｉｕの零相成分（Ｉｄｃ／３）は、磁界Ｈｕ０を形成する。

Ｖ相のアーム１０４ｖと回転電機１０３のＶ相の巻線１０３１Ｖを流れるアーム電流Ｉｖの零相成分（Ｉｄｃ／３）は、Ｖ１点に於いて図を裏から表に貫く方向に流れ、Ｖ２点に於いて図を表から裏に貫く方向に流れる。Ｖ相の巻線１０３１Ｖを流れるアーム電流Ｉｖの零相成分（Ｉｄｃ／３）は、磁界Ｈｖ０を形成する。

Ｗ相のアーム１０４ｗと回転電機１０３のＷ相の巻線１０３１Ｗを流れるアーム電流Ｉｗの零相成分（Ｉｄｃ／３）は、Ｗ１点において図を裏から表に貫く方向に流れ、Ｗ２点に於いて図を表から裏に貫く方向に流れる。Ｗ相の巻線１０３１Ｗを流れるアーム電流Ｉｗの零相成分（Ｉｄｃ／３）は、磁界Ｈｗ０を形成する。

図４（ｃ）に示す通り、３つの巻線１０３１Ｕ，１０３１Ｖ，１０３１Ｗを流れる零相電流（Ｉｄｃ／３）が形成する磁界Ｈｕ０，Ｈｖ０，Ｈｗ０は、同じ大きさで、かつ、方向が１２０度ずつ異なるベクトルである。そのため、磁界Ｈｕ０，Ｈｖ０，Ｈｗ０のベクトル和は零となる。言い換えれば、各巻線１０３１Ｕ，１０３１Ｖ，１０３１Ｗを流れる零相電流（Ｉｄｃ／３）は、回転電機１０３に磁界を形成しない。したがって、零相電流（Ｉｄｃ／３）は、トルク、回転速度、位置などの制御には影響しない。

以上、アーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを介して回転電機１０３のトルク、回転速度、位置などを制御可能であること、および、直流電流Ｉｄｃの１／３が回転電機１０３に流れても、トルク、回転速度、位置などの制御に影響しないことを説明した。

第１の実施形態によれば、比較例（非特許文献１）で必須であった各相に１つずつのリアクトルを用いることなく、回転電機１０３を駆動する電力変換装置１０２を構成できるという効果が得られる。
更に、この電力変換装置１０２の回転電機１０３の軸１０８に、機械負荷１０９を機械的に接続すれば、回転電機１０３の機械負荷１０９を含めた電気・機械エネルギ変換システム１０１を構成できるという効果が得られる。

比較例（非特許文献１）に於いて直流端子の一端を接地した場合、回転電機の対地電位の直流成分は、直流電源装置が出力する直流電圧の１／２となってしまう。これに対して、第１の実施形態の電力変換装置１０２は、回転電機１０３の対地電位の直流成分を概ね零にすることができる。よって、回転電機１０３の絶縁耐力を確保するための絶縁体の厚みを低減できるという効果や、回転電機１０３と外部との間隔を狭くすることができるという効果が得られる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に於ける電力変換装置１０２Ａを示す概略の構成図である。図１に示す第１の実施形態の電力変換装置１０２と同一の要素には同一の符号を付与している。
図５に示す第２の実施形態の電気・機械エネルギ変換システム１０１Ａは、第１の実施形態とは異なる電力変換装置１０２Ａと、回転電機１０３Ａとを備えている。第２の実施形態の電力変換装置１０２Ａは、第１の実施形態と同様の構成に加えて、中性点引き出しリアクトル１１０を備えている。

第２の実施形態の電力変換装置１０２Ａは、１つまたは複数の単位変換器１０５を直列接続した各アーム１０４の他端を第１ノードであるＰ点にＹ結線し、各アーム１０４の他端を、回転電機１０３の各祖巻線の一端と、中性点引き出しリアクトル１１０の各相巻線の一端とに、並列に接続している。中性点引き出しリアクトル１１０の中性点は、第２ノードであるＮ点に接続されている。直流電源装置１０７は、Ｐ点とＮ点とを介して、この電力変換装置１０２Ａに直流電力を供給している。

回転電機１０３Ａは、第１の実施形態の回転電機１０３（図１参照）とは異なり、中性点を引き出していない。この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるほか、第１の実施形態とは異なり回転電機１０３の中性点を用いることなく、この回転電機１０３を駆動する電力変換装置１０２Ａを構成できる効果が得られる。これにより、回転電機１０３がＹ結線の場合に限られず、Δ結線の場合にも適用可能である。
中性点引き出しリアクトル１１０の中性点は、Ｎ点を介して接地点１０６に接続されている。このようにすることで、第１の実施形態と同様に回転電機１０３の対地電位の直流成分を概ね零とすることができると共に、中性点引き出しリアクトル１１０の対地電位を下げることができるので、漏電の虞がなくなる。

直流電流Ｉｄｃは、１／３ずつ分流して各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗを流れ、中性点引き出しリアクトル１１０を介して、第２ノードであるＮ点に流れる。なお、アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗから回転電機１０３Ａに至る電流経路には、比較例のようなリアクトルが接続されていない。

非特許文献１に記載された比較例では、アーム間を流れる循環電流を抑制するために、各相の上アームと下アームとの間にリアクトルを接続していた。それに対して、第２の実施形態の電力変換装置１０２Ａは、中性点引き出しリアクトル１１０が、循環電流を抑制するため、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗと回転電機１０３Ａの間にリアクトルを接続することは不要である。よって、アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗが出力するアーム電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを、リアクトルを介さず直接に回転電機１０３に印加できる。これにより、回転電機１０３の制御性を向上できるという効果が得られる。

中性点引き出しリアクトル１１０には、三相交流電力は通過せず、直流電力のみが通過する。よって、中性点引き出しリアクトル１１０は、正相インダクタンスを大きく設計し、零相インダクタンスを小さくすることが好適である。中性点引き出しリアクトル１１０の正相インダクタンスを大きくすることによって、各アーム１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗに流れるアーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの正相成分の大部分が、回転電機１０３Ａに流れるので、効率よく回転駆動させることができる。ただし、中性点引き出しリアクトル１１０の零相インダクタンスは、直流電流Ｉｄｃの制御に必要な最低限の値よりは大きくしなければならない。

また、中性点引き出しリアクトル１１０の零相インダクタンスを小さくすることによって、直流電流Ｉｄｃを抑え、中性点引き出しリアクトル１１０に生じる磁束を小さくすることができる。よって、中性点引き出しリアクトル１１０、および、これを用いた電力変換装置１０２Ａを小形化できるという効果が得られる。

次に、図６、図７を用いて、中性点引き出しリアクトル１１０の内部構成例を説明する。
図６は、中性点引き出しリアクトル１１０の１つの構成例である中性点引き出しリアクトル１１０Ａを示している。
中性点引き出しリアクトル１１０Ａは、Ｕ相の鉄心脚１１０１Ｕと、Ｖ相の鉄心脚１１０１Ｖと、Ｗ相の鉄心脚１１０１Ｗとを備えている。
Ｕ相の鉄心脚１１０１Ｕは、Ｕ相のＺｉｇ巻線１１０２Ｕと、Ｗ相のＺａｇ巻線１１０３Ｗとを巻回している。Ｖ相の鉄心脚１１０１Ｖは、Ｖ相のＺｉｇ巻線１１０２Ｖと、Ｕ相のＺａｇ巻線１１０３Ｕとを巻回している。同様にＷ相の鉄心脚１１０１Ｗは、Ｗ相のＺｉｇ巻線１１０２Ｗと、Ｖ相のＺａｇ巻線１１０３Ｖとを巻回している。

Ｕ相のＺｉｇ巻線１１０２Ｕの一端はＵ点に接続され、他端はＵ相のＺａｇ巻線１１０３Ｕの一端に接続されている。Ｕ相のＺａｇ巻線１１０３Ｕの他端は、Ｎ点に接続されている。Ｖ相のＺｉｇ巻線１１０２Ｖの一端はＶ点に接続され、他端はＶ相のＺａｇ巻線１１０３Ｖの一端に接続されている。Ｖ相のＺａｇ巻線１１０３Ｖの他端は、Ｎ点に接続されている。Ｗ相のＺｉｇ巻線１１０２Ｗの一端はＷ点に接続され、他端はＷ相のＺａｇ巻線１１０３Ｗの一端に接続されている。Ｗ相のＺａｇ巻線１１０３Ｗの他端は、Ｎ点に接続されている。

Ｕ相の鉄心脚１１０１Ｕに於いて、Ｕ相のＺｉｇ巻線１１０２ＵとＷ相のＺａｇ巻線１１０３Ｗとは、これらＺｉｇ巻線１１０２ＵとＺａｇ巻線１１０３Ｗとに共通して流れる零相電流に起因する起磁力が相殺するように磁気結合している。
Ｖ相の鉄心脚１１０１Ｖに於いて、Ｖ相のＺｉｇ巻線１１０２ＶとＵ相のＺａｇ巻線１１０３Ｕとは、これらＺｉｇ巻線１１０２ＶとＺａｇ巻線１１０３Ｕとに共通して流れる零相電流に起因する起磁力が相殺するように磁気結合している。
同様にＷ相の鉄心脚１１０１Ｗに於いて、Ｗ相のＺｉｇ巻線１１０２ＷとＶ相のＺａｇ巻線１１０３Ｖとは、これらＺｉｇ巻線１１０２ＷとＺａｇ巻線１１０３Ｖとに共通して流れる零相電流に起因する起磁力が相殺するように磁気結合している。

言い換えれば、中性点引き出しリアクトル１１０Ａの各Ｚｉｇ巻線１１０２Ｕ，１１０２Ｖ，１１０２Ｗと、各Ｚａｇ巻線１１０３Ｕ，１１０３Ｖ，１１０３Ｗとは、千鳥結線を構成している。中性点引き出しリアクトル１１０Ａには、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに含まれる零相電流（Ｉｄｃ／３）が流れる。よって、中性点引き出しリアクトル１１０Ａは、零相電流（Ｉｄｃ／３）に起因する起磁力を相殺し、各鉄心脚１１０１Ｕ，１１０１Ｖ，１１０１Ｗに生じる直流磁束を概ね零にできる。これにより、中性点引き出しリアクトル１１０Ａ、および、これを用いた電力変換装置１０２Ａを小形化できるという効果が得られる。

図７（ａ），（ｂ）は、中性点引き出しリアクトル１１０のもう１つの構成例である中性点引き出しリアクトル１１０Ｂを示している。
図７（ａ）に示すように、中性点引き出しリアクトル１１０Ｂは、Ｕ相の鉄心脚１１０４Ｕと、Ｖ相の鉄心脚１１０４Ｖと、Ｗ相の鉄心脚１１０４Ｗとからなる三脚鉄心１１０４を備えている。
Ｕ相の鉄心脚１１０４Ｕは、Ｕ相の巻線１１０５Ｕを巻回している。Ｕ相の巻線１１０５Ｕは、一端がＵ点に接続され、他端が中性点Ｎに接続されている。
Ｖ相の鉄心脚１１０４Ｖは、Ｖ相の巻線１１０５Ｖを巻回している。Ｖ相の巻線１１０５Ｖは、一端がＶ点に接続され、他端が中性点Ｎに接続されている。
同様に、Ｗ相の鉄心脚１１０４Ｗは、Ｗ相の巻線１１０５Ｗを巻回している。Ｗ相の巻線１１０５Ｗは、一端がＷ点に接続され、他端が中性点Ｎに接続されている。

図７（ｂ）に示すように、Ｕ相の鉄心脚１１０４Ｕと、Ｖ相の鉄心脚１１０４Ｖと、Ｗ相の鉄心脚１１０４Ｗとは、三脚鉄心１１０４を構成している。すなわち、中性点引き出しリアクトル１１０Ｂは、三脚鉄心リアクトルである。
三脚鉄心１０４を用いた場合、零相電流（Ｉｄｃ／３）に起因する起磁力によって生じる磁束は、磁気抵抗の高い鉄心外の空間を通る。このため、零相電流（Ｉｄｃ／３）に起因する磁束を小さくすることができる。よって、中性点引き出しリアクトル１１０Ｂ、および、これを用いた電力変換装置１０２Ａを小形化できるという効果が得られる。

（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のようなものがある。

（ａ） 電力変換装置１０２，１０２Ａの説明は、電力を逆方向にしても成立する。すなわち、電力変換装置１０２，１０２Ａは、回転電機１０３，１０３Ａを発電機として、その発電電力をＰ点とＮ点との間に供給してもよい。

（ｂ） 電力変換装置１０２，１０２Ａは、回転電機１０３，１０３Ａが三相であり、アーム１０４が３個である。しかし、これに限られず、電力変換装置は、回転電機が四相またはそれ以上の相数であり、この回転電機の相数分のアーム１０４を用いてもよい。

（ｃ） 第２実施形態の中性点引き出しリアクトル１１０の構成例として、千鳥結線で構成される中性点引き出しリアクトル１１０Ａ（図６参照）や、三脚鉄心を含んで構成される中性点引き出しリアクトル１１０Ｂ（図７参照）が示されている。しかし、これに限られず、中性点を引き出すことが可能な他の構成の中性点引き出しリアクトルを、電力変換装置に用いてもよい。

（ｄ） 単位変換器１０５のエネルギ貯蔵要素は、電解コンデンサに限られず、電気二重層コンデンサや、二次電池などを用いてもよい。

１０１，１０１Ａ 電気・機械エネルギ変換システム
１０２，１０２Ａ 電力変換装置
１０３，１０３Ａ 回転電機
１０３１Ｕ，１０３１Ｖ，１０３１Ｗ 巻線
１０４，１０４ｕ，１０４ｖ，１０４ｗ アーム
１０５，１０５Ｃ，１０５Ｆ 単位変換器
１０６ 接地点
１０７ 直流電源装置
１０８ 軸
１０９ 機械負荷
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ 中性点引き出しリアクトル
１１０１Ｕ，１１０１Ｖ，１１０１Ｗ 鉄心脚
１１０２Ｕ，１１０２Ｖ，１１０２Ｗ Ｚｉｇ巻線
１１０３Ｕ，１１０３Ｖ，１１０３Ｗ Ｚａｇ巻線
１１０４Ｕ，１１０４Ｖ，１１０４Ｗ 鉄心脚
１１０５Ｕ，１１０５Ｖ，１１０５Ｗ 巻線
１１１ 制御部
２０１，２０１Ｈ，２０１Ｌ，２０１ＸＨ，２０１ＸＬ，２０１ＹＨ，２０１ＹＬ スイッチング素子
２０２Ｈ，２０２Ｌ，２０２ＸＨ，２０２ＸＬ，２０２ＹＨ，２０２ＹＬ 環流ダイオード
２０３ コンデンサ （エネルギ貯蔵要素）
２０４ ゲートドライバ
Ｐ点 （第１ノード）
Ｎ点 （第２ノード）

Claims (12)

1. エネルギ貯蔵要素を有して任意の電圧を出力可能な単位変換器を、１または複数個直列に接続したアームを３個以上と、
   各前記アームの一端がＹ結線される第１ノードと、
   を備えており、
   各前記アームの他端は、回転電機の各相巻線の一端に接続される、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記回転電機の中性点が接続される第２ノードと、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記回転電機の中性点が接続される前記第２ノードは、接地される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記回転電機と並列に接続される中性点引き出しリアクトルと、
   前記中性点引き出しリアクトルの中性点が接続される第２ノードと、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記中性点引き出しリアクトルの正相インダクタンスは、零相インダクタンスよりも大きい、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記中性点引き出しリアクトルは、千鳥結線で構成される、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記中性点引き出しリアクトルの鉄心は、三脚鉄心リアクトルである、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電力変換装置。
8. 前記中性点引き出しリアクトルの中性点が接地される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
9. 前記単位変換器の一部または全部が双方向チョッパ回路である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記単位変換器の一部または全部がフルブリッジ回路である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
11. 前記単位変換器の一部が双方向チョッパ回路であり、別の一部にフルブリッジ回路である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
12. エネルギ貯蔵要素を有して任意の電圧を出力可能な単位変換器を、１または複数個直列に接続したアームを３個以上と、
    各前記アームの一端がＹ結線される第１ノードと、
    を備える電力変換装置と、
    機械負荷が結合され、各前記アームの他端が各相巻線の一端に接続された回転電機と、
    を備えることを特徴とする電気・機械エネルギ変換システム。

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