JP2016086456A - 単位交流−交流変換器および交流−交流変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】多相変圧器を用いない交流−交流変換システムにおいて、単位交流−交流変換器の多重数を増加させずに出力電圧レベル数を増加させる。【解決手段】交流の入力側および出力側に５レベル変換回路Ａ１，Ａ２を接続する。各５レベル変換回路Ａ１，Ａ２における第１コンデンサＣ１，Ｃ３の正極間，第２コンデンサＣ２，Ｃ４の負極間，第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点とＣ３，Ｃ４の共通接続点間をスイッチ体で接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、単位交流−交流変換器および交流−交流変換システムに関する。

図６は、特許文献１におけるマルチレベル電力変換器の回路図であり、多相変圧器を用いたカスケードマルチレベル電力変換器を示している。

図６に示すように、三相交流電源を多相変圧器１の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに入力する。多相変圧器１の２次側には単位インバータＩＮＶ＿Ｕ１，ＩＮＶ＿Ｕ２，ＩＮＶ＿Ｖ１，ＩＮＶ＿Ｖ２，ＩＮＶ＿Ｗ１，ＩＮＶ＿Ｗ２が接続されている。各単位インバータＩＮＶ＿Ｕ１〜ＩＮＶ＿Ｗ２は、三相全波整流ダイオードＤと、コンデンサＣと、スイッチングデバイスから構成されるフルブリッジインバータＩを備える。

なお、図６では省略されているが、実際には多相変圧器１には単位インバータＩＮＶ＿Ｖ１，ＩＮＶ＿Ｖ２，ＩＮＶ＿Ｗ１，ＩＮＶ＿Ｗ２用の２次巻線があり、ＩＮＶ＿Ｕ１，ＩＮＶ＿Ｕ２と同様に、各２次巻線と各単位インバータが接続されている。

単位インバータＩＮＶ＿Ｕ１，ＩＮＶ＿Ｖ１，ＩＮＶＷ１の出力端子の一端は中点ＮでＹ結線されている。単位インバータＩＮＶ＿Ｕ１〜ＩＮＶ＿Ｗ２のコンデンサＣの電圧をＥとすると、各スイッチングデバイスのオン・オフの組み合わせによって、単位インバータＩＮＶ＿Ｕ１〜ＩＮＶ＿Ｗ２の出力電圧は、Ｅ，０，−Ｅの３レベルを出力することができる。さらに、Ｙ結線の中点を基準に出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗへの単位インバータの多重数をＮとすると、２Ｎ＋１レベルの相電圧を負荷へ出力することができる。なお、図６の回路は、Ｎ＝２の構成の例である。

図６のマルチレベル電力変換器は多相変圧器１が必要であり、電力変換器のサイズや重量が増加するという問題点がある。この問題点を解決したのが、図７に示す交流−交流変換システムである（特願２０１３−０２４３８７）。図７に示す交流−交流変換システムは、多相変圧器を用いないため小型化が可能である。

各相の単位交流−交流変換器を任意の多重数Ｎで多重すると、入力に２Ｎ＋１レベルの相電圧を、出力に２Ｎ＋１の相電圧を出力できる。同じ電圧レベル数を出力する電力変換システムをより多重数が少ない構成で実現した方が、単位交流−交流変換器の個数を削減できる。図７に示す交流−交流変換システムは、配線数の削減、小型化，低コスト化を図ることが可能となる。

特開２００１−２３８４５５号公報

図７に示す交流−交流変換システムは、図６に示すカスケードマルチレベル変換器と比べて、小型化や低コスト化が実現できる。

しかしながら、入力および出力の相電圧は２Ｎ＋１レベルに限定される。入力電流および出力電流の高調波成分を低減させるためには、２Ｎ＋１レベルより高い相電圧レベルが望ましい。

以上示したようなことから、多相変圧器を用いない交流−交流変換システムにおいて、単位交流−交流変換器の多重数を増加させずに出力電圧レベル数を増加させることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、入力端子，出力端子のそれぞれに一端が接続された第１，第２スイッチングデバイスと、第１，第２スイッチングデバイスの直列体に対し並列に、順次直列接続された第１，第２コンデンサと、第１，第２スイッチングデバイスの直列体と第１，第２コンデンサの直列体に対し並列に、順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と第１，第２コンデンサの共通接続点との間に介挿された第１双方向スイッチと、第１，第２コンデンサの共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に介挿された第２双方向スイッチと、を備えた５レベル変換回路を交流の入力側と出力側にそれぞれ備え、入力側および出力側の５レベル変換回路の第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点を中点とし、各入力側，出力側の５レベル変換回路における第１コンデンサの各正極間，第２コンデンサの各負極間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続すると共に、各入力側，出力側の５レベル変換回路における第１，第２コンデンサの共通接続点間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続したことを特徴とする。

また、別の態様として、順次直列接続された第１〜第４スイッチングデバイスと、第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に接続された第１コンデンサと、第１スイッチングデバイスと第４スイッチングデバイス間に接続された第２コンデンサと、第１スイッチングデバイスと第２コンデンサとの共通接続点と、第４スイッチングデバイスと第２コンデンサの共通接続点との間に直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、を備えた５レベル変換回路を交流の入力側と出力側にそれぞれ備え、入力側の５レベル変換回路の第２，第３スイッチングデバイスの共通接続点を入力端子とし、出力側の５レベル変換回路の第２，第３スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子とし、入力側，出力側の５レベル変換回路の第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点を中点とし、各入力側，出力側の５レベル変換回路における第２コンデンサの各正極間，負極間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続したことを特徴とする。

さらに、その一態様として、前記単位交流−交流変換器を３相分併設し、３相分の入力側の５レベル変換回路の中点同士および出力側の５レベル変換回路の中点同士をそれぞれＹ結線またはデルタ結線で接続したことを特徴とする。

また、その一態様として、前記単位交流−交流変換器をＮ（Ｎは２以上の整数）個の多重段とし、最下段以外の入力側の５レベル変換回路の中点を次段の単位交流−交流変換器の入力端子に接続し、最下段以外の出力側の５レベル変換回路の中点を次段の単位交流−交流変換器の出力端子に接続したことを特徴とする。

さらに、その一態様として、前記のＮ（Ｎは２以上の整数）個の多重段とした単位交流−交流変換器を３相分併設し、３相分の入力側の５レベル変換回路の最下段の中点同士および出力側の５レベル変換回路の最下段の中点同士をそれぞれＹ結線またはデルタ結線で接続したことを特徴とする。

本発明によれば、多相変圧器を用いない交流−交流変換システムにおいて、単位交流−交流変換器の多重数を増加させずに出力電圧レベル数を増加させることが可能となる。

実施形態１における単位交流−交流変換器を示す回路図。 実施形態１における三相の交流−交流変換システムを示す回路図。 実施形態２における単位交流−交流変換器を示す回路図。 実施形態２における三相の交流−交流変換システムを示す回路図。 任意数の単位交流−交流変換器の多重例を示す概略図。 従来におけるカスケードマルチレベル変換器を示す回路図。 従来における交流−交流変換器を示す回路図。

以下、本願発明に係る単位交流−交流変換器および交流−交流変換システムにおける実施形態１〜４を図１〜図５に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１における単位交流−交流変換器を示す回路構成図である。

図１に示すように、入力端子ＩＮには入力側の５レベル変換回路Ａ１が接続され、出力端子ＯＵＴには出力側の５レベル変換回路Ａ２が接続されている。入力側の５レベル変換回路Ａ１は、入力端子ＩＮに一端が接続された第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２と、第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の直列体に対し並列に、順次直列接続された第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の直列体と第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の直列体に対し並列に、順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４と、第１，第２スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の共通接続点と第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点との間に介挿された第１双方向スイッチと、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の共通接続点との間に介挿された第２双方向スイッチと、を備える。第１双方向スイッチは、第５，第６スイッチングデバイスＳ５，Ｓ６を逆接続して構成され、第２双方向スイッチは第７，第８スイッチングデバイスを逆接続して構成される。

出力側の５レベル変換回路Ａ２も入力側の５レベル変換回路Ａ１と同様に構成され、第１〜第８スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８はＳ１１〜Ｓ１８に対応し、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２はＣ３，Ｃ４に対応している。入力側および出力側の５レベル変換回路Ａ１，Ａ２の第３，第４スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４とＳ１３，Ｓ１４の共通接続点を中点ＭＰ１，ＭＰ２としている。

入力側の５レベル変換回路Ａ１と出力側の５レベル変換回路Ａ２との間には、第１コンデンサＣ１，Ｃ３の正極間，第２コンデンサＣ２，Ｃ４の負極間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続する。また、第１コンデンサＣ１，Ｃ３の共通接続点と第２コンデンサＣ２，Ｃ４の共通接続点に双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続する。前記各スイッチ体は、スイッチングデバイスＳ２１とＳ２２，Ｓ２３とＳ２４，Ｓ２５とＳ２６をそれぞれ逆接続して構成されている。

ここで、第１コンデンサＣ１の印加電圧をＶＣ１，第２コンデンサＣ２の印加電圧をＶＣ２，第１コンデンサＣ３の印加電圧をＶＣ３，第２コンデンサＣ４の印加電圧をＶＣ４と定義する。

各印加電圧値をＶＣ１＝ＶＣ２＝Ｅ１，ＶＣ３＝ＶＣ４＝Ｅ２とすると、入力端子ＩＮには中点ＭＰ１を基準に２Ｅ１，Ｅ１，０，−Ｅ１，−２Ｅ１の５レベルの電圧を出力でき、出力端子ＯＵＴには中点ＭＰ２を基準に２Ｅ２，Ｅ２，０，−Ｅ２，−２Ｅ２の５レベルの電圧を出力できる。

図７に示す従来回路の場合は、多重数N＝１で、入力相電圧および出力相電圧の電圧レベル数が３であるため、本実施形態１では電圧レベル数が増加している。

また、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の印加電圧ＶＣ１，ＶＣ２は、入力側のスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８の動作によりＥ１に制御され、第１，第２コンデンサＣ３，Ｃ４の印加電圧ＶＣ３，ＶＣ４は、出力側のスイッチングデバイスＳ１１〜Ｓ１８およびスイッチ体を構成するスイッチングデバイスＳ２１〜Ｓ２６の動作によりＥ２に制御される。

表１に各スイッチングデバイスのオン・オフ状態時に発生する電圧を示す。

図２に、実施形態１における三相交流−交流変換システムを示す。図１で示した単位交流−交流変換器をＵ，Ｖ，Ｗの各相にそれぞれ１個ずつ用いる。入力側の５レベル変換回路Ａ１は、入力端子ＩＮと三相交流電源ＶＲ，ＶＳ，ＶＴとをリアクトルＬを介して接続する。また、各相の単位交流−交流変換器の中点ＭＰ１をＹ結線する。出力側の５レベル変換回路Ａ２は、出力端子ＯＵＴと負荷とを接続する。また、各相の単位交流−交流変換器の中点ＭＰ２をＹ結線する。

次に、各コンデンサの電圧制御について説明する。

（１）入力側の５レベル変換回路Ａ１の第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２のコンデンサ電圧ＶＣＵ１，ＶＣＵ２，ＶＣＶ１，ＶＣＶ２，ＶＣＷ１，ＶＣＷ２の制御
コンデンサ電圧ＶＣＵ１，ＶＣＵ２，ＶＣＶ１，ＶＣＶ２，ＶＣＷ１，ＶＣＷ２の検出値と入力電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴの検出値、および、直流電圧指令値ＶＤＣ^*を入力パラメータとして制御演算を行い、各相の単位交流−交流変換器のスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ８をオン・オフ動作させるゲート信号を出力することにより、ＶＣＵ１，ＶＣＵ２，ＶＣＶ１，ＶＣＶ２，ＶＣＷ１，ＶＣＷ２が直流電圧指令値ＶＤＣ^*となるように制御する。

なお、スイッチングデバイスをもつ交流−直流変換器において、直流電圧と入力電流の検出値より直流電圧を指令値に制御する技術は、特許第２６８５４５４号などに開示されている公知技術であるため、説明を省略する。

（２）出力側の５レベル変換回路Ａ２の第１，第２コンデンサＣ３，Ｃ４のコンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４の制御
コンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４の検出値、および、直流電圧指令値ＶＤＣ２^*を入力値として制御演算を行い、各相の単位交流−交流変換器のスイッチングデバイスＳ１１〜Ｓ２６をオン・オフ動作させるゲート信号を出力することにより、コンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４が直流電圧指令値ＶＤＣ２^*となるように制御する。また、直流電圧指令値ＶＤＣ２^*は出力相電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*に応じて演算する。

（３）出力相電圧の制御
コンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４の検出値と相出力電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*を入力パラメータとして制御演算を行い、各相の出力側の５レベル変換回路Ａ２のスイッチングデバイスＳ１１〜Ｓ１８をオン・オフ動作させるゲート信号を出力することにより、出力相電圧が出力相電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*となるように制御する。

なお、スイッチングデバイスをもつ直流−交流変換器において、直流電圧の検出値より出力相電圧を指令値に制御する技術は、特開平６−２９６３７２などに開示されている公知技術であるため、説明を省略する。

以上の制御動作により、各相の単位交流−交流変換器の出力端子ＯＵＴから、出力相電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*に制御された三相の相電圧が出力される。また各相の相電圧レベルは、５レベルの出力が可能である。なお、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の中点ＭＰ１およびＭＰ２におけるＹ結線はデルタ結線でもよい。

実施形態１の交流−交流変換器は５レベルの相電圧出力が可能であるため、入力，出力ともに３レベルの相電圧である図７の回路構成と比べて、入力電流および出力電流の高調波電流を低減できる。

また、入力電流の高調波低減は、系統電源の安定化をもたらす。さらに、出力電流の高調波低減は、モータなどの負荷の安定運転および寿命向上をもたらす。

［実施形態２］
図３は、本実施形態２における単位交流−交流変換器を示す回路構成図である。

図３に示すように、入力端子ＩＮには入力側の５レベル変換回路Ｂ１が接続され、出力端子ＯＵＴには出力側の５レベル変換回路Ｂ２が接続されている。入力側の５レベル変換回路Ｂ１は、順次直列接続された第１〜第４スイッチングデバイスＳ３１〜Ｓ３４と、第１，第２スイッチングデバイスＳ３１，Ｓ３２の共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスＳ３３，Ｓ３４の共通接続点との間に接続された第１コンデンサＣ１と、第１スイッチングデバイスＳ３１と第４スイッチングデバイスＳ３４間に接続された第２コンデンサＣ２と、第１スイッチングデバイスＳ３１と第１コンデンサＣ１との共通接続点と、第４スイッチングデバイスＳ３４と第２コンデンサＣ２の共通接続点との間に直列接続された第５，第６スイッチングデバイスＳ３５，Ｓ３６と、を備える。

出力側の５レベル電力変換回路Ｂ２も入力側と同様に構成され、第１〜第６スイッチングデバイスＳ３１〜Ｓ３６はＳ４１〜Ｓ４６に対応し、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２はＣ３，Ｃ４に対応している。第５，第６スイッチングデバイスＳ３５とＳ３６，Ｓ４５とＳ４６の共通接続点を中点ＭＰ１，ＭＰ２とする。

入力側の５レベル変換回路Ｂ１と出力側の５レベル変換回路Ｂ２との間には、第２コンデンサＣ２，Ｃ４の正極間，負極間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続する。前記各スイッチ体は、スイッチングデバイスＳ３７とＳ３９，Ｓ３８とＳ４０をそれぞれ逆接続して構成されている。

ここで、入力側の５レベル変換回路Ｂ１，出力側の５レベル変換回路Ｂ２において、第１〜第４スイッチングデバイスＳ３１〜Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４，第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４でそれぞれ３レベル変換器を構成し、第５〜第６スイッチングデバイスＳ３５〜Ｓ３６，Ｓ４５〜Ｓ４６でそれぞれ２レベル変換器を構成している。

ここで、第１コンデンサＣ１の印加電圧をＶＣ１，第２コンデンサＣ２の印加電圧をＶＣ２，第１コンデンサＣ３の印加電圧をＶＣ３，第２コンデンサＣ４の印加電圧をＶＣ４と定義する。

各印加電圧値をＶＣ１＝Ｅ１，ＶＣ２＝２Ｅ１，ＶＣ３＝Ｅ２，ＶＣ４＝２Ｅ２とすると、入力端子ＩＮには、中点ＭＰ１を基準に、２Ｅ１，Ｅ１，０，−Ｅ１，−２Ｅ１の５レベルの電圧を出力できる。

出力端子ＯＵＴには、中点ＭＰ２を基準に、２Ｅ２，Ｅ２，０，−Ｅ２，−２Ｅ２の５レベルの電圧を出力できる。

図７に示す従来回路の場合は、多重数Ｎ＝１で、入力相電圧および出力相電圧の電圧レベル数が３であるため、本実施形態２では電圧レベル数が増加している。

第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の印加電圧ＶＣ１，ＶＣ２は、入力側の５レベル変換回路Ｂ１における第１〜第６スイッチングデバイスＳ３１〜Ｓ３６の動作により、それぞれＥ１，２Ｅ１に制御される。また、出力側の５レベル変換回路Ｂ２における第１，第２コンデンサＣ３，Ｃ４の印加電圧ＶＣ３，ＶＣ４は、出力側の第１〜第６スイッチングデバイスＳ４１〜Ｓ４６およびスイッチングデバイスＳ３７，Ｓ３９およびＳ３８，Ｓ４０から成るスイッチ体の動作により、それぞれＥ２，２Ｅ２に制御される。

表２に、各スイッチングデバイスのオンオフ状態時に発生する電圧を示す。

図４に、本実施形態２における三相交流−交流変換システムを示す。図３で示した単位交流−交流変換器をＵ，Ｖ，Ｗの各相にそれぞれ１個ずつ用いる。

入力側の５レベル変換回路Ｂ１は、入力端子ＩＮと三相交流電源ＶＲ，ＶＳ，ＶＴとをリアクトルＬを介して接続する。また、各相の単位交流−交流変換器の中点ＭＰ１をＹ結線する。

出力側の５レベル変換回路Ｂ２は、出力端子ＯＵＴと負荷とを接続する。また，各相の単位交流−交流変換器の中点ＭＰ２をＹ結線する。

次に、各コンデンサの電圧制御について説明する。

（４）入力側の５レベル変換回路Ｂ１の第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２のコンデンサ電圧ＶＣＵ１，ＶＣＵ２，ＶＣＶ１，ＶＣＶ２，ＶＣＷ１，ＶＣＷ２の制御
コンデンサ電圧ＶＣＵ１，ＶＣＵ２，ＶＣＶ１，ＶＣＶ２，ＶＣＷ１，ＶＣＷ２の検出値と入力電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴの検出値、および、直流電圧指令値ＶＤＣ^*を入力パラメータとして制御演算を行い、各相の単位交流−交流変換器のスイッチングデバイスＳ３１〜Ｓ３６をオン・オフ動作させるゲート信号を出力することにより、コンデンサ電圧ＶＣＵ１，ＶＣＶ１，ＶＣＷ１が直流電圧指令値ＶＤＣ^*，コンデンサ電圧ＶＣＵ２，ＶＣＶ２，ＶＣＷ２が直流電圧指令値２ＶＤＣ^*となるように制御する。

なお、スイッチングデバイスをもつ交流−直流変換器において、直流電圧と入力電流の検出値より直流電圧を指令値に制御する技術は、特許第２６８５４５４号などに開示されている公知技術であるため、説明を省略する。

（５）出力側の５レベル変換回路Ｂ２の第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２のコンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４の制御
コンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４の検出値、および、直流電圧指令値ＶＤＣ２^*を入力値として制御演算を行い、各相の単位交流−交流変換器のスイッチングデバイスをオン・オフ動作させるゲート信号を出力することにより、コンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＶ３，ＶＣＷ３が直流電圧指令値２ＶＤＣ２^*，ＶＣＵ４，ＶＣＶ４，ＶＣＷ４が直流電圧指令値ＶＤＣ２^*となるように制御する。

また、直流電圧指令値ＶＤＣ２^*は、出力相電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*に応じて演算する。

（６）出力相電圧の制御
出力側の５レベル変換回路Ｂ２におけるコンデンサ電圧ＶＣＵ３，ＶＣＵ４，ＶＣＶ３，ＶＣＶ４，ＶＣＷ３，ＶＣＷ４の検出値と相出力電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*を入力パラメータとして制御演算を行い、各相の単位交流−交流変換器の出力側の第１〜第６スイッチングデバイスＳ４１〜Ｓ４６をオン・オフ動作させるゲート信号を出力することにより、出力相電圧が出力相電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*となるように制御する。

なお、スイッチングデバイスをもつ直流−交流変換器において、直流電圧の検出値より出力相電圧を指令値に制御する技術は、特開平６−２９６３７２号などに開示されている公知技術であるため、説明を省略する。

以上の制御動作により、各相の単位交流−交流変換器の出力端子ＯＵＴから、出力相電圧指令値ＶＵ^*，ＶＶ^*，ＶＷ^*に制御された三相の相電圧が出力される。また、各相の相電圧の電圧レベルは、５レベルの出力が可能である。なお、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の中点ＭＰ１およびＭＰ２におけるＹ結線は、デルタ結線でもよい。

実施形態２の交流−交流変換システムは５レベルの相電圧出力が可能であるため、入力，出力ともに３レベルの相電圧である図７の回路構成と比べて、入力電流および出力電流の高調波電流を低減できる。

また、入力電流の高調波低減は、系統電源の安定化をもたらす。さらに、出力電流の高調波低減は、モータなどの負荷の安定運転および寿命向上をもたらす。

［実施形態３］
実施形態１における図１の単位交流−交流変換器を、任意数Ｎで多重にした構成を図５に示す。

最上段の単位交流−交流変換器のＩＮ端子は、リアクトルＬを経て電源のＶＲもしくはＶＳもしくはＶＴに接続する。また、最上段の単位交流−交流変換器の出力端子ＯＵＴは、負荷に接続する。

最下段以外の入力側の５レベル変換回路Ａ１の中点ＭＰ１を次段の単位交流−交流変換器の入力端子ＩＮに接続する。また、最下段以外の出力側の５レベル変換回路Ａ２の中点ＭＰ２を次段の出力端子ＯＵＴに接続する。

最下段の単位交流−交流変換器の中点端子ＭＰ１は、図２と同様にＵ相，Ｖ相，Ｗ相間でＹ結線もしくはデルタ結線する。また、最下段の単位交流−交流変換器の中点端子ＭＰ２は、図２と同様にＵ相，Ｖ相，Ｗ相間でＹ結線もしくはデルタ結線する。

本実施形態３における交流−交流変換システムは、Ｎ個の単位交流−交流変換器を用いることにより、入力側に４Ｎ＋１レベルの電圧を、出力側に４Ｎ＋１レベルの電圧を出力できる。

また、図５の回路構成を図２の三相交流−交流変換システムに適用することで、三相の４Ｎ＋１レベルの相電圧が出力できる。

［実施形態４］
実施形態２における図３の単位交流−交流変換器を、実施形態３と同様に、図５に示す任意数Ｎで多重にした構成である。Ｎ個の単位交流−交流変換器を用いることにより、入力側に４Ｎ＋１レベルの電圧を、出力側にも４Ｎ＋１レベルの電圧を出力できる。

また、図５の回路構成を図４の三相交流−交流変換システムに適用することにより、三相の４Ｎ＋１レベルの相電圧が出力できる。

実施形態３および実施形態４の構成は、入力，出力ともに２Ｎ＋１レベルの相電圧である図７の回路構成と比べて、入力電流および出力電流の高調波電流を低減することができる。

入力電流の高調波低減は、系統電源の安定化をもたらす。また、出力電流の高調波低減は、モータなどの負荷の安定運転および寿命向上をもたらす。

ＩＮ…入力端子
ＯＵＴ…出力端子
Ｓ１〜Ｓ４６…スイッチングデバイス
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２…５レベル変換回路

Claims (5)

1. 入力端子，出力端子のそれぞれに一端が接続された第１，第２スイッチングデバイスと、
   第１，第２スイッチングデバイスの直列体に対して並列に、順次直列接続された第１，第２コンデンサと、
   第１，第２スイッチングデバイスの直列体と第１，第２コンデンサの直列体に対して並列に、順次直列接続された第３，第４スイッチングデバイスと、
   第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と第１，第２コンデンサの共通接続点との間に介挿された第１双方向スイッチと、
   第１，第２コンデンサの共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に介挿された第２双方向スイッチと、を備えた５レベル変換回路を交流の入力側と出力側にそれぞれ備え、
   入力側および出力側の５レベル変換回路の第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点を中点とし、
   各入力側，出力側の５レベル変換回路における第１コンデンサの各正極間，第２コンデンサの各負極間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続すると共に、
   各入力側，出力側の５レベル変換回路における第１，第２コンデンサの共通接続点間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続したことを特徴とする単位交流−交流変換器。
2. 順次直列接続された第１〜第４スイッチングデバイスと、
   第１，第２スイッチングデバイスの共通接続点と第３，第４スイッチングデバイスの共通接続点との間に接続された第１コンデンサと、
   第１スイッチングデバイスと第４スイッチングデバイス間に接続された第２コンデンサと、
   第１スイッチングデバイスと第２コンデンサとの共通接続点と、第４スイッチングデバイスと第２コンデンサの共通接続点との間に直列接続された第５，第６スイッチングデバイスと、を備えた５レベル変換回路を交流の入力側と出力側にそれぞれ備え、
   入力側の５レベル変換回路の第２，第３スイッチングデバイスの共通接続点を入力端子とし、出力側の５レベル変換回路の第２，第３スイッチングデバイスの共通接続点を出力端子とし、入力側，出力側の５レベル変換回路の第５，第６スイッチングデバイスの共通接続点を中点とし、
   各入力側，出力側の５レベル変換回路における第２コンデンサの各正極間，負極間にそれぞれ双方向に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチ体を接続したことを特徴とする単位交流−交流変換器。
3. 前記単位交流−交流変換器をＮ（Ｎは２以上の整数）個の多重段とし、最下段以外の入力側の５レベル変換回路の中点を次段の単位交流−交流変換器の入力端子に接続し、最下段以外の出力側の５レベル変換回路の中点を次段の単位交流−交流変換器の出力端子に接続したことを特徴とする請求項１または２記載の交流−交流変換システム。
4. 前記単位交流−交流変換器を３相分併設し、３相分の入力側の５レベル変換回路の中点同士および出力側の５レベル変換回路の中点同士をそれぞれＹ結線またはデルタ結線で接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の単位交流−交流変換システム。
5. 前記単位交流−交流変換器を３相分併設し、３相分の入力側の５レベル変換回路の最下段の中点同士および出力側の５レベル変換回路の最下段の中点同士をそれぞれＹ結線またはデルタ結線で接続したことを特徴とする請求項３に記載の単位交流−交流変換システム。

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