JP2016214009A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】多重インバータ構成で、１台のインバータセルの故障時に、低次の入力電流高調波を低減できる電力変換装置を提供する。【解決手段】単相インバータで構成される３台以上のセルを直列に接続した３組の直列回路ＳＣｕ〜ＳＣｗを、多巻線変圧器のＮ個の電圧位相差を有する３組の二次側巻線に接続し、各セルの出力側に短絡スイッチを設け、セルの故障時に該当するセルの短絡スイッチをオン制御する統括制御装置３０を備え、統括制御装置は、故障したセルの属する直列回路の正常なセルによる第１群と、故障したセルを含まない２つの直列回路のうち故障したセルの電圧位相が同じ２つのセルによる第２群と、残りのセルの第３群とに分け、第１群のセルの出力電圧を等しい等電圧に制御し、第２群及び前記第３群の少なくとも一方の出力電圧を等電圧と異なる電圧に制御する。【選択図】図１
Description
本発明は、多重インバータ装置構成を有する電力変換装置に関する。
この種の多重インバータ装置構成を有する電力変換装置としては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載された構成が知られている。
特許文献１に記載された従来例では、図７に示すように、複数の２次巻線を持つ入力変圧器１０１と、単位インバータセル１０２を複数個ｎ段（例えばｎ＝３）直列接続してＵ相回路１０３Ｕ、Ｖ相回路１０３Ｖ及びＷ相回路１０３Ｗを構成し、入力変圧器１０１と組み合わせて３相負荷に電力を供給する多重インバータ装置である。そして、入力変圧器１０１は３ｎ（例えば３ｎ＝９）組の多相巻線を２次側に有し、ｎ段の各相の単位インバータセルには各相で位相がずれた変圧器１０１の２次巻線を接続して構成した多重インバータ装置を構成している。
特許文献１に記載された従来例では、図７に示すように、複数の２次巻線を持つ入力変圧器１０１と、単位インバータセル１０２を複数個ｎ段（例えばｎ＝３）直列接続してＵ相回路１０３Ｕ、Ｖ相回路１０３Ｖ及びＷ相回路１０３Ｗを構成し、入力変圧器１０１と組み合わせて３相負荷に電力を供給する多重インバータ装置である。そして、入力変圧器１０１は３ｎ（例えば３ｎ＝９）組の多相巻線を２次側に有し、ｎ段の各相の単位インバータセルには各相で位相がずれた変圧器１０１の２次巻線を接続して構成した多重インバータ装置を構成している。
ここで、単位インバータセル１０２は、図８に示すように、入力される３相交流を直流に変換する６個のダイオードで構成された順変換部１０５と、この順変換部１０５で変換された直流を単相交流に変換する４個の半導体スイッチング素子で構成された逆変換部１０６とを少なくとも備えた単相インバータの構成を有する。
この多重インバータ装置では、出力各相のｎ段目の３台あるインバータセルの入力端子には、変圧器の二次側巻線の電圧位相が電気角２０°ずつずれた端子が接続され、電力変換装置全体としては１８パルス整流相当の入力電流高調波低減を図るようにしている。
この多重インバータ装置では、出力各相のｎ段目の３台あるインバータセルの入力端子には、変圧器の二次側巻線の電圧位相が電気角２０°ずつずれた端子が接続され、電力変換装置全体としては１８パルス整流相当の入力電流高調波低減を図るようにしている。
そして、単位インバータセルが故障した際に、そのインバータセルをバイパスさせるスイッチを単位インバータセルの出力側に設けるようにしている。
この場合、１台のインバータセル故障した際には、そのインバータが属するｎ段目の３台あるインバータセルの出力側に設けたスイッチをオンしてバイパスさせ、他のインバータセルを運転して動作させることが記載されている。これにより、１台のインバータセルが故障した時にも、１８パルス整流相当の入力電流高調波低減を保ったままの部分運転を実現できるとしている。この従来例では、インバータセルの直列数が３であり、３種類ある変圧器二次側巻線の電圧位相（０°，２０°，４０°）のそれぞれに接続された運転されるインバータセルの台数が、故障のない健全時には３台ずつであり、１台のインバータセルが故障したときには２台ずつと同数であるため、何れの場合にも、１８パルス整流相当の入力電流高調波低減が実現できる。
この場合、１台のインバータセル故障した際には、そのインバータが属するｎ段目の３台あるインバータセルの出力側に設けたスイッチをオンしてバイパスさせ、他のインバータセルを運転して動作させることが記載されている。これにより、１台のインバータセルが故障した時にも、１８パルス整流相当の入力電流高調波低減を保ったままの部分運転を実現できるとしている。この従来例では、インバータセルの直列数が３であり、３種類ある変圧器二次側巻線の電圧位相（０°，２０°，４０°）のそれぞれに接続された運転されるインバータセルの台数が、故障のない健全時には３台ずつであり、１台のインバータセルが故障したときには２台ずつと同数であるため、何れの場合にも、１８パルス整流相当の入力電流高調波低減が実現できる。
また、特許文献２に記載された従来例では、１台のインバータセルが故障した際に、そのインバータセルの出力を短絡させてバイパスし、他のインバータセルを用いて部分運転することが開示されている。しかし、この部分運転する際の電流高調波低減に関しては考慮されていない。
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、インバータセルの直列数が４以上であるときに、１台のインバータセルが故障した場合には、健全時に対して入力電流高調波の低次成分が大幅に増加するという課題がある。
これについて、インバータセルが５直列で計１５台の場合を例にとって図９を伴って説明する。この場合、変圧器二次側巻線の電圧位相としては、５種類（０°，１２°，２４°，３６°，４８°）のものを３組設けることになり、３組の電圧位相が異なる二次巻線にＵ相インバータセルＵ１０１、Ｖ相インバータセルＶ１０１、Ｗ相インバータセルＷ１０１、Ｕ相インバータセルＵ１０２、Ｖ相インバータセルＶ１０２，Ｗ相インバータセルＷ１０２、Ｕ相インバータセルＵ１０３・・・Ｗ相インバータセルＷ１０５の順番で接続する。ここで、同一符号のインバータセル３台で１つのセル枠を形成し、５つのセル枠が形成される。故障したインバータセルがない健全時には、３０パルス整流相当の入力電流高調波を低減した電力変換装置を実現できる。そして、１台のインバータセル例えばＵ１０２が故障した場合、図９で点線で囲んだ故障したインバータセルＵ１０２を含む同一セル枠の３台のインバータセルＵ１０２、Ｖ１０２及びＷ１０２の出力をバイパスして、残り１２台のインバータセルで運転を継続することになるが、この特許文献１に記載された従来例の考え方では、変圧器二次側巻線の５種類の電圧位相のうち、
１）同じ電圧位相の変圧器二次側巻線に接続され、運転されるインバータセルが２台のものすなわち３６°、４８°及び０°の３種類の電圧位相（故障したインバータセルが属するｎ（＝２）段目の３台を停止するため）
２）同じ電圧位相の変圧器二次側巻線に接続され、運転されるインバータセルが３台のものすなわち１２°及び２４°の２種類の電圧位相
となり、１）と２）とで異なる運転インバータセル台数となるため、健全時のような３０パルス整流相当とはできず、低次の入力電流高調波が増加することになる。
これについて、インバータセルが５直列で計１５台の場合を例にとって図９を伴って説明する。この場合、変圧器二次側巻線の電圧位相としては、５種類（０°，１２°，２４°，３６°，４８°）のものを３組設けることになり、３組の電圧位相が異なる二次巻線にＵ相インバータセルＵ１０１、Ｖ相インバータセルＶ１０１、Ｗ相インバータセルＷ１０１、Ｕ相インバータセルＵ１０２、Ｖ相インバータセルＶ１０２，Ｗ相インバータセルＷ１０２、Ｕ相インバータセルＵ１０３・・・Ｗ相インバータセルＷ１０５の順番で接続する。ここで、同一符号のインバータセル３台で１つのセル枠を形成し、５つのセル枠が形成される。故障したインバータセルがない健全時には、３０パルス整流相当の入力電流高調波を低減した電力変換装置を実現できる。そして、１台のインバータセル例えばＵ１０２が故障した場合、図９で点線で囲んだ故障したインバータセルＵ１０２を含む同一セル枠の３台のインバータセルＵ１０２、Ｖ１０２及びＷ１０２の出力をバイパスして、残り１２台のインバータセルで運転を継続することになるが、この特許文献１に記載された従来例の考え方では、変圧器二次側巻線の５種類の電圧位相のうち、
１）同じ電圧位相の変圧器二次側巻線に接続され、運転されるインバータセルが２台のものすなわち３６°、４８°及び０°の３種類の電圧位相（故障したインバータセルが属するｎ（＝２）段目の３台を停止するため）
２）同じ電圧位相の変圧器二次側巻線に接続され、運転されるインバータセルが３台のものすなわち１２°及び２４°の２種類の電圧位相
となり、１）と２）とで異なる運転インバータセル台数となるため、健全時のような３０パルス整流相当とはできず、低次の入力電流高調波が増加することになる。
同様に考えると、特許文献１に記載された方法では、１台のインバータセル故障時に低次の入力電流高調波が増加しないのは、出力相の３とインバータセルの直列数が等しい３直列の場合だけである。４直列以上になると、健全時に比べて、入力電流高調波の低次成分が大幅に増加するという問題がある。
また、特許文献２では、部分運転する際の入力電流高調波低減を考慮していないため、同様に、大きな低次の入力電流高調波が発生するという課題がある。
また、特許文献２では、部分運転する際の入力電流高調波低減を考慮していないため、同様に、大きな低次の入力電流高調波が発生するという課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、３直列以上の多重インバータ構成を有する場合に、１台のインバータセルの故障時に、低次の入力電流高調波の低減を行うことができる電力変換装置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、本発明の一態様に係る電力変換装置は、三相交流入力を直流出力に変換する順変換部と、この順変換部の直流出力を単相交流出力に変換して出力する逆変換部とを少なくとも有するＮ（Ｎは３以上の正の整数）台のインバータセルを直列に接続した３組の直列回路と、三相交流が入力される一次側巻線と、それぞれ電気角（６０／Ｎ）°間隔で電気角０°を含むＮ個の電圧位相差を有する３組の二次側巻線とを有し、３組の二次側巻線に３組の直列回路を個別に接続する多巻線変圧器と、各インバータセルの出力側に設けた短絡スイッチと、インバータセルの故障時に該当するインバータセルの短絡スイッチをオン制御する統括制御装置とを備え、統括制御装置は、一つの故障したインバータセルの短絡スイッチをオン制御したときに、その故障したインバータセルの属する直列回路の正常なインバータセルによる第１群と、故障したインバータセルを含まない２つの直列回路のうち故障したインバータセルの電圧位相が同じ２つのインバータセルによる第２群と、残りのインバータセルの第３群とに分け、第１群のインバータセルの出力電圧を等しい等電圧に制御し、第２群及び前記第３群の少なくとも一方の出力電圧を等電圧と異なる電圧に制御する。
本発明の一態様によれば、インバータセルが１台故障した場合でも、低次の入力電流高調波を低減した部分運転が可能となる。
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものである。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
〔第１の実施形態〕
まず、本発明の一態様を表す電力変換装置の第１の実施形態について説明する。
電力装置は、図１に示すように、一次側巻線に系統電源１０が接続された多重巻線の三相変圧器により構成された多巻線変圧器１１を有し、この多巻線変圧器１１で系統電圧の絶縁と降圧を行う。この多巻線変圧器１１の二次側巻線は、一次側の高調波電流を抑制する目的で、互いに電圧位相をずらして３組設けられている。
まず、本発明の一態様を表す電力変換装置の第１の実施形態について説明する。
電力装置は、図１に示すように、一次側巻線に系統電源１０が接続された多重巻線の三相変圧器により構成された多巻線変圧器１１を有し、この多巻線変圧器１１で系統電圧の絶縁と降圧を行う。この多巻線変圧器１１の二次側巻線は、一次側の高調波電流を抑制する目的で、互いに電圧位相をずらして３組設けられている。
この第１の実施形態では、多巻線変圧器１１の二次巻線の電圧位相がＮ（Ｎは３以上の正の整数）種類（０°，＋（６０／Ｎ）°，＋２（６０／Ｎ）°，・・・，＋（Ｎ−１）（６０／Ｎ）°）で、各電圧位相は３巻線ずつ設けたＮ直列多重インバータ構成である。ここで、Ｕ相用二次巻線Ｌｕ１〜ＬｕＮ及びＷ相用二次巻線Ｌｗ１〜ＬｗＮについては一次巻線に時計方向に順次電気角が大きくなるように設定され、Ｖ相用二次巻線Ｌｖ１〜ＬｖＮについては、一次巻線に時計方向に順次電気角が小さくなるように設定されている。
この多巻線変圧器１１の二次巻線Ｌｕ１〜ＬｕＮ、Ｌｖ１〜ＬｖＮ及びＬｗ１〜ＬｗＮには、Ｕ相直列回路ＳＣｕを構成するＮ台直列に接続したＵ相用のインバータセルＵ１，Ｕ２，……ＵＮ、Ｖ相直列回路ＳＣｖを構成するＮ台直列に接続したＶ相用のインバータセルＶ１，Ｖ２，……ＶＮ及びＷ相直列回路ＳＣｗを構成するＮ台直列に接続したＷ相用のインバータセルＷ１，Ｗ２，……ＷＮが接続されている。各相の直列回路ＳＣｕ、ＳＣｖ及びＳＣｗの出力は例えば交流誘導電動機１２に接続されている。
各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮは、インバータセルＵ１を代表として説明すると、図１に示すように、多巻線変圧器１１の２次側から供給される三相交流入力を直流出力に変換するダイオードコンバータで構成される順変換部２１と、この順変換部２１の直流出力を平滑化するコンデンサ２２と、このコンデンサ２２の両端間に並列に接続された単相インバータで構成される逆変換部２３とを備えている。
順変換部２１は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に例えば６個のダイオードＤ１〜Ｄ６が２つずつ直列に接続されて全波整流回路を構成している。
また、逆変換部２３は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に接続された例えばＩＧＢＴで構成される４個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を２つずつ直列に接続して正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された構成を有する。各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、ダイオードＤ７〜Ｄ１０が逆並列に接続されている。
また、逆変換部２３は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に接続された例えばＩＧＢＴで構成される４個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を２つずつ直列に接続して正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された構成を有する。各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、ダイオードＤ７〜Ｄ１０が逆並列に接続されている。
そして、逆変換部２３を構成する一方の半導体スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の接続点が他相のインバータセルＶ１及びＷ１側に接続され、他方の半導体スイッチング素子Ｑ３及びＱ４の接続点が直列に接続された同相のインバータセルＵ２の逆変換部２３における一方の半導体スイッチング素子Ｑ１及びＱ２間に接続されている。
逆変換部２３を構成する各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、内部の制御回路２４に入力されるセル出力電圧指令に出力電圧が一致するようにスイッチング制御される。
逆変換部２３を構成する各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、内部の制御回路２４に入力されるセル出力電圧指令に出力電圧が一致するようにスイッチング制御される。
さらに、最終段のインバータセルＵＮ、ＶＮ及びＷＮの他方の半導体スイッチ素子Ｑ３及びＱ４の接続点が負荷としての例えば交流誘導電動機１２に接続されている。
各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮの逆変換部２３の出力側となる半導体スイッチ素子Ｑ３及びＱ４の接続点と半導体スイッチ素子Ｑ１及びＱ２の接続点との間に各インバータセルの外側にバイパス用の短絡スイッチＳＷｕ１〜ＳＷｕＮ、ＳＷｖ１〜ＳＷｖＮ及びＳＷｗ１〜ＳＷｗＮが接続されている。
各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮの逆変換部２３の出力側となる半導体スイッチ素子Ｑ３及びＱ４の接続点と半導体スイッチ素子Ｑ１及びＱ２の接続点との間に各インバータセルの外側にバイパス用の短絡スイッチＳＷｕ１〜ＳＷｕＮ、ＳＷｖ１〜ＳＷｖＮ及びＳＷｗ１〜ＳＷｗＮが接続されている。
各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮの制御回路２４には、電力変換装置全体を制御する統括制御装置３０から各相の電力指令が入力され、各短絡スイッチＳＷｕ１〜ＳＷｕＮ、ＳＷｖ１〜ＳＷｖＮ及びＳＷｗ１〜ＳＷｗＮは統括制御装置３０によってインバータセルの故障時にオン制御される。
この統括制御装置３０は、全てのインバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮが正常である健全時には、交流誘導電動機１２を駆動制御するＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相出力電圧指令Ｖｖ＊及びＷ相出力電圧指令Ｖｗ＊に各相のインバータセル数である１／Ｎを乗算した値Ｖｕ＊／Ｎ、Ｖｖ＊／Ｎ及びＶｗ＊／Ｎを各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮに対するセル出力電圧指令Ｖｕ１〜ＶｕＮ、Ｖｖ１〜ＶｖＮ、Ｖｗ１〜ＶｗＮとして算出し、算出したセル出力電圧指令Ｖｕ１〜ＶｕＮ、Ｖｖ１〜ＶｖＮ、Ｖｗ１〜ＶｗＮを各インバータの制御回路２４に出力する。このため、電力変換装置は、健全時にＮ×６パルス整流相当の入力電流高調波低減を実現している。
この統括制御装置３０は、全てのインバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮが正常である健全時には、交流誘導電動機１２を駆動制御するＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相出力電圧指令Ｖｖ＊及びＷ相出力電圧指令Ｖｗ＊に各相のインバータセル数である１／Ｎを乗算した値Ｖｕ＊／Ｎ、Ｖｖ＊／Ｎ及びＶｗ＊／Ｎを各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮに対するセル出力電圧指令Ｖｕ１〜ＶｕＮ、Ｖｖ１〜ＶｖＮ、Ｖｗ１〜ＶｗＮとして算出し、算出したセル出力電圧指令Ｖｕ１〜ＶｕＮ、Ｖｖ１〜ＶｖＮ、Ｖｗ１〜ＶｗＮを各インバータの制御回路２４に出力する。このため、電力変換装置は、健全時にＮ×６パルス整流相当の入力電流高調波低減を実現している。
また、統括制御装置３０は、インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮの何れか１つに故障が発生したことを検出したときに、故障したインバータセルＸｉ（Ｘ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ＝１〜Ｎ）に対する短絡スイッチＳＷｘｉ（ｘ＝ｕ，ｖ，ｗ、ｉ＝１〜Ｎ）をオン状態に制御するスイッチ信号を出力するとともに、故障したインバータセルＸｉを除く正常なインバータセルに対する故障時のセル電圧指令を生成し、生成した故障時のセル電圧指令を各インバータセルＵ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮ中の故障したインバータセルＸｉを除く各インバータの制御回路２４に出力する。
ここで、統括制御装置３０による故障時のセル電圧指令の生成は、以下のようにして行う。
まず、故障した１台のインバータセルＸｉの属する直列回路の正常な（Ｎ−１）台のインバータセルで構成される第１群と、前記故障したインバータセルを含まない２つの直列回路のうち前記故障したインバータセルＸｉと入力電圧位相が同じ２つのインバータセルで構成される第２群と、残りのインバータセルで構成される第３群とに分類する。
まず、故障した１台のインバータセルＸｉの属する直列回路の正常な（Ｎ−１）台のインバータセルで構成される第１群と、前記故障したインバータセルを含まない２つの直列回路のうち前記故障したインバータセルＸｉと入力電圧位相が同じ２つのインバータセルで構成される第２群と、残りのインバータセルで構成される第３群とに分類する。
例えば、図１に示すように、Ｕ相直列回路ＳＣｕの電圧位相が（６０／Ｎ）°のインバータセルＵ２が故障したものとすると、第１群は故障したインバータセルＵ２を含むＵ相直列回路ＳＣｕの正常なインバータセルＵ１、Ｕ３〜ＵＮの（Ｎ−１）台で構成される。
また、第２群は、故障したインバータセルＵ２を含まないＶ相直列回路ＳＣｖの電圧位相が（６０／Ｎ）°のインバータセルＶ（Ｎ−１）及びＷ相直列回路ＳＣｗの電圧位相が（６０／Ｎ）°のインバータセルＷ２の２台で構成される。
また、第２群は、故障したインバータセルＵ２を含まないＶ相直列回路ＳＣｖの電圧位相が（６０／Ｎ）°のインバータセルＶ（Ｎ−１）及びＷ相直列回路ＳＣｗの電圧位相が（６０／Ｎ）°のインバータセルＷ２の２台で構成される。
さらに、第３群は残りのインバータセルＶ１〜Ｖ（Ｎ−２）、ＶＮ及びＷ１、Ｗ３〜ＷＮの（Ｎ−１）台で構成される。
故障したインバータセルＵ２については、短絡スイッチＳＷｕ２をオン状態とすると共に、制御装置２４からの逆変換部２３への制御信号の出力を停止させる。
このため、Ｕ相直列回路ＳＣｕでは正常な（Ｎ−１）台のインバータセルＵ１、Ｕ３〜ＵＮが駆動され、Ｖ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗでは、それぞれ正常なＮ台のインバータＶ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮが駆動されることになる。
故障したインバータセルＵ２については、短絡スイッチＳＷｕ２をオン状態とすると共に、制御装置２４からの逆変換部２３への制御信号の出力を停止させる。
このため、Ｕ相直列回路ＳＣｕでは正常な（Ｎ−１）台のインバータセルＵ１、Ｕ３〜ＵＮが駆動され、Ｖ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗでは、それぞれ正常なＮ台のインバータＶ１〜ＶＮ及びＷ１〜ＷＮが駆動されることになる。
また、三相出力をＵ，Ｖ，Ｗ相とし、電圧位相が同じ二次巻線に接続されるＵ，Ｖ及びＷ相の３台のインバータセルを同一グループとすると、第１グループ〜第Ｎグループが形成される。
１台のインバータセルが故障したときに、入力電流高調波の低次成分を健全時から増加させることなく、部分運転するには、故障したインバータセルＵ２を含むＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２を含まないＶ相直列回路ＳＣｖ（又はＷ相直列回路ＳＣｗ）とのトータル出力電圧を等しくする必要がある。
１台のインバータセルが故障したときに、入力電流高調波の低次成分を健全時から増加させることなく、部分運転するには、故障したインバータセルＵ２を含むＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２を含まないＶ相直列回路ＳＣｖ（又はＷ相直列回路ＳＣｗ）とのトータル出力電圧を等しくする必要がある。
このためには、第１群のインバータセルの出力電圧（基本波）の大きさをＥ、第２群のインバータセルの出力電圧（基本波）の大きさをαＥ、第３群の出力電圧（基本波）の大きさをβＥとすると、Ｕ相直列回路ＳＣｕは第１群のインバータセル（Ｎ−１）台で構成され、Ｖ相直列回路ＳＣｖ（又はＷ相直列回路ＳＣｗ）は第２群のインバータセルを１台、第３群のインバータセルを（Ｎ−１）台含んでいることから下記（１）式が成立する必要がある。
Ｅ×（Ｎ−１）台＝αＥ×１台＋βＥ×（Ｎ−１）台 ・・・（１）
この式（１）からα及びβの関係は、下記式（２）で表される。
α＝（Ｎ−１）（１−β） ・・・（２）
また、１台のインバータセルが故障した時に、低次の入力電流高調波を増加させないようにするには、故障したインバータセルＵ２を含む故障グループ（第２グループ）の正常な２台のインバータセルＶ（Ｎ−１），Ｗ２と、それ以外の正常グループの３台のインバータセル（Ｕ１，ＶＮ，Ｗ１：Ｕ３，Ｖ（Ｎ−２），Ｗ３：Ｕ４，Ｖ（Ｎ−３），Ｗ４：・・・：ＵＮ，Ｖ１，ＷＮ）の合計の出力有効電力を等しくする必要がある。
この式（１）からα及びβの関係は、下記式（２）で表される。
α＝（Ｎ−１）（１−β） ・・・（２）
また、１台のインバータセルが故障した時に、低次の入力電流高調波を増加させないようにするには、故障したインバータセルＵ２を含む故障グループ（第２グループ）の正常な２台のインバータセルＶ（Ｎ−１），Ｗ２と、それ以外の正常グループの３台のインバータセル（Ｕ１，ＶＮ，Ｗ１：Ｕ３，Ｖ（Ｎ−２），Ｗ３：Ｕ４，Ｖ（Ｎ−３），Ｗ４：・・・：ＵＮ，Ｖ１，ＷＮ）の合計の出力有効電力を等しくする必要がある。
ここで、故障グループは、第２群のインバータセル２台で構成される。一方、正常グループは、必ず第１群のインバータセルＵ１，Ｕ３〜ＵＮ中の１台と、第３群のインバータセルＶ１〜Ｖ（Ｎ−２），ＶＮ中の１台及びＷ１，Ｗ３〜ＷＮ中の１台の計２台とを含むことになる。
このため、故障グループと正常グループの合計の出力有効電力を等しくするには、第１群のインバータセルの出力有効電力をＷとしたときに、下記式（３）が成立する必要がある。
このため、故障グループと正常グループの合計の出力有効電力を等しくするには、第１群のインバータセルの出力有効電力をＷとしたときに、下記式（３）が成立する必要がある。
αＷ×２台＝Ｗ×１台＋βＷ×２台 ・・・（３）
この式（３）からαとβとの関係は、下記式（４）で表される。
２α＝１＋２β ・・・（４）
なお、各インバータセルの出力電流の大きさは等しいので、インバータセル出力の有効電力はインバータセル出力電圧に比例する。
この式（３）からαとβとの関係は、下記式（４）で表される。
２α＝１＋２β ・・・（４）
なお、各インバータセルの出力電流の大きさは等しいので、インバータセル出力の有効電力はインバータセル出力電圧に比例する。
このように、故障グループと正常グループとの出力有効電力を等しくすると、多巻線変圧器１１の二次巻線を流れる電流の合計アンペアターンを等しくできるので、これにより低次の入力電流高調波を低減することができる。
式（２）及び式（４）からα及びβを求めると、下記式（５）及び式（６）となる。
α＝３(Ｎ−１)／(２Ｎ) ・・・（５）
β＝(２Ｎ−３)／(２Ｎ) ・・・（６）
これら式（５）及び式（６）を満足させることにより、入力電流高調波の低次成分を健全時から増加させることなく１台のインバータセルの故障時でも部分運転することができる。
式（２）及び式（４）からα及びβを求めると、下記式（５）及び式（６）となる。
α＝３(Ｎ−１)／(２Ｎ) ・・・（５）
β＝(２Ｎ−３)／(２Ｎ) ・・・（６）
これら式（５）及び式（６）を満足させることにより、入力電流高調波の低次成分を健全時から増加させることなく１台のインバータセルの故障時でも部分運転することができる。
ここで、α，βが等しくなる条件は、式（５）及び式（６）を解くとＮ＝０の時だけであり、この実施形態で想定しているＮが３以上の整数の場合には、常にα≠βが成立する。
このため、第１群〜第３群において、同一の群のインバータセルの出力電圧の大きさを同一とし、異なる群の出力の大きさを少なくとも１つの群は異なるようにすることが、１台のインバータセルが故障したときにも、他のインバータセルで部分運転する際に低次の入力電流高調波を低減する必要条件となる。
このため、第１群〜第３群において、同一の群のインバータセルの出力電圧の大きさを同一とし、異なる群の出力の大きさを少なくとも１つの群は異なるようにすることが、１台のインバータセルが故障したときにも、他のインバータセルで部分運転する際に低次の入力電流高調波を低減する必要条件となる。
したがって、上述した式（５）及び式（６）を満足させる、すなわち、第１群のインバータセルの出力電圧の大きさをＥとすると、第２群のインバータセルの出力電圧の大きさを〔３（Ｎ−１）／２Ｎ〕Ｅとし、第３群の１台のインバータセルの出力電圧の大きさを〔（２Ｎ−３）／２Ｎ〕Ｅとすることにより、健全時と同等の入力電流高調波低減効果を発揮することができる。
よって、第１の実施形態のように、二次巻線の種類がＮである場合に、例として電圧位相差（６０／Ｎ）°の変圧器二次側巻線に接続されているインバータセルＵ２が故障した時には、統括制御装置３０で、図２に示すように、故障したインバータセルＵ２の逆変換部２３の出力側に接続された短絡スイッチＳＷｕ２をオン状態に制御するとともに、インバータセルＵ２の制御回路２４へのセル出力電圧指令Ｖｕ２の出力を停止してインバータセルＵ２の運転を停止する。
また、統括制御装置３０によって、他のインバータセルの逆変換部２３の出力側に設けた短絡スイッチはオフ状態に制御される。
さらに、統括制御装置３０は、Ｕ相直列回路ＳＣｕが、故障したインバータセルＵ２が属している相であるため第１群として設定され、正常な残り（Ｎ−１）台のインバータセルＵ１及びＵ３〜ＵＮに対してＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊を、乗算器３０ａを用いて１／（Ｎ−１）の等出力電圧指令Ｖｕ＊／（Ｎ−１）にし、これをインバータセルＵ１及びＵ３〜ＵＮにセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜ＶｕＮとして出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｕ相直列回路ＳＣｕが、故障したインバータセルＵ２が属している相であるため第１群として設定され、正常な残り（Ｎ−１）台のインバータセルＵ１及びＵ３〜ＵＮに対してＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊を、乗算器３０ａを用いて１／（Ｎ−１）の等出力電圧指令Ｖｕ＊／（Ｎ−１）にし、これをインバータセルＵ１及びＵ３〜ＵＮにセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜ＶｕＮとして出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｖ相直列回路ＳＣｖが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＶ（Ｎ−１）を第２群として設定し、制御回路２４へＶ相出力電圧指令Ｖｖ＊のＵ相用の運転しているインバータセルの等出力電圧指令の大きさと等しい等出力電圧指令Ｖｖ＊／（Ｎ−１）を乗算器３０ａを用いて算出し、算出した等出力電圧指令Ｖｖ＊／（Ｎ−１）をα〔＝３（Ｎ−１）／２Ｎ〕倍したものを、乗算器３０ｂを用いて算出し、これをインバータセルＶ（Ｎ−１）に対するセル出力電圧指令Ｖｖ（Ｎ−１）として制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｖ相直列回路ＳＣｖの残りのインバータセルＶ１〜Ｖ（Ｎ−２）及びＶＮについては第３群として設定し、乗算器３０ａで算出したＶ相出力電圧指令Ｖｖ＊の等出力電圧指令Ｖｖ＊／（Ｎ−１）をβ〔＝（２Ｎ−３）／２Ｎ〕倍したものを、乗算器３０ｃを用いて算出し、これをインバータセルＶ１〜Ｖ（Ｎ−２）及びＶＮに対するセル出力電圧指令Ｖｖ１〜Ｖｖ（Ｎ−２）及びＶｖＮとしてインバータセルＶ１〜Ｖ（Ｎ−２）及びＶＮの制御回路２４へ出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＷ２を第２群として設定し、Ｗ相出力電圧指令Ｖｗ＊のＵ相用の運転しているインバータセルの等出力電圧指令の大きさと等しい等出力電圧指令Ｖｗ＊／（Ｎ−１）を乗算器３０ａで算出し、算出した等電圧指令Ｖｗ＊／（Ｎ−１）をα〔＝３（Ｎ−１）／２Ｎ〕倍したものを、乗算器３０ｂを用いて算出し、これをインバータセルＷ２に対するセル出力電圧指令Ｖｗ２として制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗの残りのインバータセルＷ１，Ｗ３〜ＷＮについては第３群として設定し、乗算器３０ａで算出したＷ相出力電圧指令Ｖｗ＊の等出力電圧指令Ｖｗ＊／（Ｎ−１）をβ〔＝（２Ｎ−３）／２Ｎ〕倍したものを、乗算器３０ｃを用いて算出し、これをインバータセルＷ１及びＷ３〜ＶＮに対するセル出力電圧指令Ｖｗ１及びＶｗ３〜ＶｗＮとしてインバータセルＷ１及びＷ３〜ＷＮの制御回路２４へ出力する。
このようにすることにより、故障したインバータセルＵ２の属するＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２が属さないＶ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗの出力電圧の大きさを一致させることができると共に、インバータセルを同一電圧位相でグループ化したときに、故障グループ（Ｕ２，Ｖ（Ｎ−１），Ｗ２）と正常グループ（Ｕ２，Ｖ（Ｎ−１），Ｗ２以外のグループ）との出力有効電力を等しくすることができ、健全時と同じＮ×６パルス整流相当の入力電流高調波低減効果を発揮することができる。すなわち、Ｎ×６パルス整流では、Ｎ×６×ｎ±１（ｎは正の整数）で表される（Ｎ×６×１−１）次、（Ｎ×６×１＋１次、（Ｎ×６×２−１）次，（Ｎ×６×２＋１）次・・・）の入力電流高調波が発生することになる。したがって、（Ｎ×６×１−２）次以下の入力電流高調波を低減することができる。このため、高調波電流の増加に伴う電力設備への悪影響（例えば、高調波低減フィルタの焼損など）を招くことなく、部分運転が可能になる。
（第1実施例）
次に、第１の実施形態における二次巻線の種類数Ｎを５とした場合の第1実施例を図３及び図４を伴って説明する。
この第1実施例では、Ｎ＝５とした５直列多重インバータ構成であり、多巻線変圧器１１の三相の各相に対応する二次側巻線Ｌｕ１〜Ｌｕ５、Ｌｖ１〜Ｌｖ５及びＬｗ１〜Ｌｗ５は、１相分が電気角６０°を直列数Ｎ＝５で除した電気角１２°ずつずれた０°，１２°，２４°，３６°，４８°の５種類の電圧位相を有する。ここで、Ｕ相用二次巻線Ｌｕ１〜Ｌｕ５及びＷ相用二次巻線Ｌｗ１〜Ｌｗ５については一次巻線に時計方向に順次電気角が大きくなるように設定され、Ｖ相用二次巻線Ｌｖ１〜Ｌｖ５については、一次巻線に時計方向に順次電気角が小さくなるように設定されている。
次に、第１の実施形態における二次巻線の種類数Ｎを５とした場合の第1実施例を図３及び図４を伴って説明する。
この第1実施例では、Ｎ＝５とした５直列多重インバータ構成であり、多巻線変圧器１１の三相の各相に対応する二次側巻線Ｌｕ１〜Ｌｕ５、Ｌｖ１〜Ｌｖ５及びＬｗ１〜Ｌｗ５は、１相分が電気角６０°を直列数Ｎ＝５で除した電気角１２°ずつずれた０°，１２°，２４°，３６°，４８°の５種類の電圧位相を有する。ここで、Ｕ相用二次巻線Ｌｕ１〜Ｌｕ５及びＷ相用二次巻線Ｌｗ１〜Ｌｗ５については一次巻線に時計方向に順次電気角が大きくなるように設定され、Ｖ相用二次巻線Ｌｖ１〜Ｌｖ５については、一次巻線に時計方向に順次電気角が小さくなるように設定されている。
統括制御装置３０は、全てのインバータセルＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５及びＷ１〜Ｗ５が正常である健全時には、交流誘導電動機１２を駆動制御するＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相出力電圧指令Ｖｖ＊及びＷ相出力電圧指令Ｖｗ＊に各相のインバータセル数である１／Ｎすなわち１／５を乗算した値を各インバータセルＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５及びＷ１〜Ｗ５に対するセル出力電圧指令Ｖｕ１〜Ｖｕ５、Ｖｖ１〜Ｖｖ５、Ｖｗ１〜Ｖｗ５として算出し、算出したセル出力電圧指令Ｖｕ１〜Ｖｕ５、Ｖｖ１〜Ｖｖ５、Ｖｗ１〜Ｖｗ５を各インバータセルＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５及びＷ１〜Ｗ５の制御回路２４に出力する。このため、電力変換装置は、健全時に３０パルス整流相当の入力電流高調波低減を実現している。
一方、第１の実施形態と同様にインバータセルＵ２が故障したものとすると、統括制御装置３０で、図４に示すように、故障したインバータセルＵ２の逆変換部２３の出力側に接続された短絡スイッチＳＷｕ２をオン状態に制御するとともに、インバータセルＵ２の制御回路２４へのセル出力電圧指令Ｖｕ２の出力を停止してインバータセルＵ２の運転を停止する。
また、統括制御装置３０によって、他のインバータセルの逆変換部２３の出力側に設けた短絡スイッチはオフ状態に制御される。
さらに、統括制御装置３０は、Ｕ相直列回路ＳＣｕが、故障したインバータセルＵ２が属している相であるため第１群として設定し、正常な残り４台のインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５に対してＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊を、乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）＝１／（５−１）＝１／４倍して等出力電圧指令Ｖｕ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｕ＊／４をセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜Ｖｕ５としてインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５の制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｕ相直列回路ＳＣｕが、故障したインバータセルＵ２が属している相であるため第１群として設定し、正常な残り４台のインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５に対してＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊を、乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）＝１／（５−１）＝１／４倍して等出力電圧指令Ｖｕ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｕ＊／４をセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜Ｖｕ５としてインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５の制御回路２４へ出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｖ相直列回路ＳＣｖが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＶ４を第２群として設定し、乗算器３０ａで算出した等出力電圧指令Ｖｖ＊／４を乗算器３０ｂでα＝１．２（〔α＝３（５−１）／２・５〕）倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｖ４としてインバータセルＶ４の制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｖ相直列回路ＳＣｖの残りのインバータセルＶ１〜Ｖ３及びＶ５については第３群として設定し、乗算器３０ａで算出した等出力電圧指令Ｖｖ＊／４を乗算器３０ｃでβ＝０．７（β＝〔（２・５−３）／２・５〕）倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｖ１〜Ｖｖ３及びＶｖ５としてインバータセルＶ１〜Ｖ３及びＶ５の制御回路２４へ出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＷ２を第２群として設定し、Ｗ相出力電圧指令Ｖｗ＊に乗算器３０ａで１／４を乗算することにより、Ｕ相用の運転しているインバータセルの出力電圧指令の大きさと等しい等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を乗算器３０ｂでα＝１．２（〔α＝３（５−１）／２・５〕）倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｗ２としてインバータセルＷ２の制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗの残りのインバータセルＷ１及びＷ３〜Ｗ５については第３群として設定し、乗算器３０ａで算出した等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を乗算器３０ｃでβ＝０．７（β＝〔（２・５−３）／２・５〕）倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｗ１及びＶｗ３〜Ｖｗ５としてインバータセルＷ１及びＷ３〜Ｗ５の制御回路２４へ出力する。
このようにすることにより、故障したインバータセルＵ２の属するＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２が属さないＶ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗの出力電圧を一致させることができると共に、故障グループ（第２グループ）と正常グループ（第１グループ、第３グループ〜第５グループ）との出力有効電力を等しくすることができ、健全時と同じ３０パルス整流相当の入力電流高調波低減効果を発揮することができる。すなわち、３０パルス整流では、３０ｎ±１（ｎは正の整数）で表される２９次、３１次、５９次，６１次・・・）の入力電流高調波が発生することになり、２８次以下の入力電流高調波を低減することができる。このため、高調波電流の増加に伴う電力設備への悪影響（例えば、高調波低減フィルタの焼損など）を招くことなく、部分運転が可能になる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の一態様である電力変換装置の第２の実施形態について図５を伴って説明する。
この第２の実施形態では、１台のインバータセルが故障した時に、故障したインバータセルが属する直列回路と、故障したインバータセルが属さない直列回路との出力電圧を一致させると共に、故障グループと正常グループとの出力有効電力を等しくするようにして、健全時に比べて入力電流高調波の低次成分を増加させないようにした前述した第１の実施形態の条件を緩和し、特許文献１に記載された従来例よりも低次の入力電流高調波を同等あるいは低減する条件としたものである。
次に、本発明の一態様である電力変換装置の第２の実施形態について図５を伴って説明する。
この第２の実施形態では、１台のインバータセルが故障した時に、故障したインバータセルが属する直列回路と、故障したインバータセルが属さない直列回路との出力電圧を一致させると共に、故障グループと正常グループとの出力有効電力を等しくするようにして、健全時に比べて入力電流高調波の低次成分を増加させないようにした前述した第１の実施形態の条件を緩和し、特許文献１に記載された従来例よりも低次の入力電流高調波を同等あるいは低減する条件としたものである。
すなわち、特許文献１に記載された従来例では１台のインバータセルが故障した場合に、故障したインバータセルを含む同一セル枠の全てのインバータセルを停止させることにより、同一電圧位相のグループで健全時に３台のインバータセルで運転するところを故障時に２台のインバータセルで運転することになり、出力有効電力が健全時の２／３に低下する。
この特許文献１に記載された従来例と同等または従来例より低減するためには、故障したインバータセルが属する故障グループで運転する２台のインバータセルの合計の出力有効電力とそれ以外の直列回路で運転する３台のインバータセルの合計の出力有効電力の比が特許文献１に記載された従来例の場合の出力有効電力の比である２／３以上とし１未満の値にすれば低次の入力電流高調波を従来例と同等とするか従来例より低次の入力電流高調波を低減することができる。
すなわち、第１の実施形態では、故障したインバータセルが属する故障グループで運転する２台のインバータセルの合計の出力有効電力とそれ以外の正常グループで運転する３台のインバータセルの合計の出力有効電力の比は、前述した式（４）の両辺を（１＋２β）で除して、両者の比とすることにより、下記式（７）で表すことができる。
２α／（１＋２β）＝１ ・・・（７）
低次の入力電流高調波を特許文献１に記載された従来例と同等とするか従来例よりも低次の入力電流高調波を低減する条件を緩和するためには、式（７）の左辺が１未満で従来例の出力有効電力の比２／３以上の範囲内であればよいので、条件を満たす不等式は下記式（８）となる。
２α／（１＋２β）＝１ ・・・（７）
低次の入力電流高調波を特許文献１に記載された従来例と同等とするか従来例よりも低次の入力電流高調波を低減する条件を緩和するためには、式（７）の左辺が１未満で従来例の出力有効電力の比２／３以上の範囲内であればよいので、条件を満たす不等式は下記式（８）となる。
２／３≦〔２α／（１＋２β）〕＜１ ・・・（８）
さらに、前述した式（２）を満足することにすれば、トータルの出力電圧は三相でバランスさせることができる。そこで、式（２）を式（７）に代入して、αに関する不等式とすると、下記式（９）が求まる。
３（Ｎ−１）／（３Ｎ−１）≦α＜３（Ｎ−１）／２Ｎ ・・・（９）
したがって、この式（９）を満足するαを設定し、設定したαを前記式（２）に代入してβを算出することにより、低次の入力電流高調波を前述した特許文献１に記載された従来例と同等とするか従来例より低次の入力電流高調波を低減することができる。
さらに、前述した式（２）を満足することにすれば、トータルの出力電圧は三相でバランスさせることができる。そこで、式（２）を式（７）に代入して、αに関する不等式とすると、下記式（９）が求まる。
３（Ｎ−１）／（３Ｎ−１）≦α＜３（Ｎ−１）／２Ｎ ・・・（９）
したがって、この式（９）を満足するαを設定し、設定したαを前記式（２）に代入してβを算出することにより、低次の入力電流高調波を前述した特許文献１に記載された従来例と同等とするか従来例より低次の入力電流高調波を低減することができる。
この第２の実施形態の回路構成は、第１の実施形態における図１と全く同じ回路構成となる。
そして、第１の実施形態と同様に、インバータセルＵ２が故障した場合を例にとって説明すると、統括制御装置３０で、前述した式（９）を満足するαを算出し、算出したαを前述した式（２）に代入してβを算出し、算出されたαとβとを用いて図５に示すように、出力電圧指令を算出すればよいことになる。
そして、第１の実施形態と同様に、インバータセルＵ２が故障した場合を例にとって説明すると、統括制御装置３０で、前述した式（９）を満足するαを算出し、算出したαを前述した式（２）に代入してβを算出し、算出されたαとβとを用いて図５に示すように、出力電圧指令を算出すればよいことになる。
すなわち、故障したインバータセルＵ２が属するＵ相直列回路ＳＣｕでは、故障したインバータセルＵ２を除く正常なインバータセルＵ１及びＵ３〜ＵＮを第１群として設定し、各インバータセルＵ１及びＵ３〜ＵＮの制御回路２４に対して、Ｕ相出力電圧指令Ｖｕ＊を乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）倍したセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜ＶｕＮを算出し、これを制御回路２４へ出力する。
また、Ｖ相直列回路ＳＣｖでは、故障したインバータセルＵ２が属さないので、故障したインバータセルＵ２と変圧器二次側巻線の電圧位相が同じインバータセルＶ（Ｎ−１）を第２群として設定し、Ｖ相出力電圧指令Ｖｖ＊を乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）倍して等出力電圧指令Ｖｖ＊／（Ｎ−１）を算出した後、乗算器３０ｂで、等出力電圧指令値Ｖｖ＊／（Ｎ−１）をα倍してセル出力電圧指令Ｖｖ（Ｎ−１）を算出し、これをインバータセルＶ（Ｎ−１）の制御回路２４へ出力し、残りのインバータセルＶ１〜Ｖ（Ｎ−２）及びＶＮに対して、乗算器３０ａから出力される等出力電圧指令Ｖｕ＊／（Ｎ−１）を乗算器３０ｃでβ倍してセル出力電圧指令Ｖｖ１〜Ｖｖ（Ｎ−２）及びＶｖＮを算出し、これらを各インバータセルの制御回路２４へ出力する。
同様に、Ｗ相直列回路ＳＣｗでは、故障したインバータセルＵ２が属さないので、故障したインバータセルＵ２と変圧器二次側巻線の電圧位相が同じインバータセルＷ２を第２群として設定し、インバータセルＷ２の制御回路２４に対して、Ｗ相出力電圧指令Ｖｗ＊を乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）倍して等出力電圧指令Ｖｗ＊／（Ｎ−１）を算出した後、乗算器３０ｂで、等出力電圧指令Ｖｗ＊／（Ｎ−１）をα倍してセル出力電圧指令Ｖｗ２を算出してこれをインバータセルＷ２の制御回路２４へ出力し、残りのインバータセルＷ１及びＷ３〜ＷＮの制御回路２４に対して、乗算器３０ａから出力される等出力電圧指令Ｖｗ＊／（Ｎ−１）を乗算器３０ｃでβ倍してセル出力電圧指令Ｖｗ１及びＶｗ３〜ＶｗＮを算出し、これらを各インバータセルの制御回路２４へ出力する。
このようにすることにより、故障したインバータセルＵ２の属するＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２が属さないＶ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗの出力電圧を一致させることができると共に、インバータセルを同一電圧位相でグループ化したときに、故障グループ（Ｕ２，Ｖ（Ｎ−１），Ｗ２）と正常グループ（Ｕ２，Ｖ（Ｎ−１），Ｗ２以外のグループ）とのそれぞれの合計の出力有効電力の比を特許文献１の従来例より１に近づけることができ、この従来例に比べ入力電流高調波を同等あるいは低減できる。
したがって、故障したインバータセルＵ２のみをバイパスして部分運転している時に、低次の入力電流高調波を前述した特許文献１に記載された従来例に対して同等とするか従来例より低減することができる。このため、高調波電流の増加に伴う電力設備への悪影響（例えば、高調波低減フィルタの焼損など）を低減した、部分運転が可能になる。
（第２実施例）
第２の実施形態における二次巻線の種類数Ｎを５とした場合の第２実施例について図６を伴って説明する。
この実施例２では、Ｎ＝５とした５直列多重インバータ構成であり、回路構成としては前述した実施例１の図３と同様の構成を有するので、その詳細説明はこれを省略する。
第２の実施形態における二次巻線の種類数Ｎを５とした場合の第２実施例について図６を伴って説明する。
この実施例２では、Ｎ＝５とした５直列多重インバータ構成であり、回路構成としては前述した実施例１の図３と同様の構成を有するので、その詳細説明はこれを省略する。
この第２の実施例では、総括制御装置３０は、全てのインバータセルＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５及びＷ１〜Ｗ５が正常である健全時には、交流誘導電動機１２を駆動制御するＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相出力電圧指令Ｖｖ＊及びＷ相出力電圧指令Ｖｗ＊に各相のインバータセル数である１／Ｎすなわち１／５を乗算した値を各インバータセルＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５及びＷ１〜Ｗ５に対するセル出力電圧指令Ｖｕ１〜Ｖｕ５、Ｖｖ１〜Ｖｖ５、Ｖｗ１〜Ｖｗ５として算出し、算出したセル出力電圧指令Ｖｕ１〜Ｖｕ５、Ｖｖ１〜Ｖｖ５、Ｖｗ１〜Ｖｗ５を各インバータセルＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５及びＷ１〜Ｗ５の制御回路２４に出力する。このため、電力変換装置は、健全時に３０パルス整流相当の入力電流高調波低減を実現している。
一方、第１の実施形態と同様にインバータセルＵ２が故障したものとすると、統括制御装置３０で、図３に示すように、故障したインバータセルＵ２の逆変換部２３の出力側に接続された短絡スイッチＳＷｕ２をオン状態に制御するとともに、インバータセルＵ２の制御回路２４へのセル出力電圧指令Ｖｕ２の出力を停止してインバータセルＵ２の運転を停止する。
また、統括制御装置３０によって、他のインバータセルの逆変換部２３の出力側に設けた短絡スイッチはオフ状態に制御される。
また、統括制御装置３０は、二次巻線の種類数Ｎが５であるので、前述した式（９）にＮ＝５を代入することにより、αの選択範囲は、
０．８６≦α＜１．２ ・・・（１０）
となる。
また、統括制御装置３０は、二次巻線の種類数Ｎが５であるので、前述した式（９）にＮ＝５を代入することにより、αの選択範囲は、
０．８６≦α＜１．２ ・・・（１０）
となる。
ここで、αとして例えば１．１を選択すると、このα＝１．１を式（２）に代入することにより、βは０．７２５となる。
さらに、統括制御装置３０は、Ｕ相直列回路ＳＣｕが、故障したインバータセルＵ２が属している相であるため第１群として設定し、正常な残り４台のインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５に対してＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊を、乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）＝１／（５−１）＝１／４倍して等出力電圧指令Ｖｕ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｕ＊／４をセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜Ｖｕ５としてインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５の制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｕ相直列回路ＳＣｕが、故障したインバータセルＵ２が属している相であるため第１群として設定し、正常な残り４台のインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５に対してＵ相出力電圧指令Ｖｕ＊を、乗算器３０ａで１／（Ｎ−１）＝１／（５−１）＝１／４倍して等出力電圧指令Ｖｕ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｕ＊／４をセル出力電圧指令Ｖｕ１及びＶｕ３〜Ｖｕ５としてインバータセルＵ１及びＵ３〜Ｕ５の制御回路２４へ出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｖ相直列回路ＳＣｖが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＶ４を第２群として設定し、乗算器３０ａで算出した等出力電圧指令Ｖｖ＊／４を乗算器３０ｂでα＝１．１倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｖ４としてインバータセルＶ４の制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｖ相直列回路ＳＣｖの残りのインバータセルＶ１〜Ｖ３及びＶ５については第３群として設定し、乗算器３０ａで算出した等出力電圧指令Ｖｖ＊／４を乗算器３０ｃでβ＝０．７２５倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｖ１〜Ｖｖ３及びＶｖ５としてインバータセルＶ１〜Ｖ３及びＶ５の制御回路２４へ出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＷ２を第２群として設定し、Ｗ相出力電圧指令Ｖｗ＊を乗算器３０ａで１／４を乗算することにより、Ｕ相用の運転しているインバータセルの出力電圧指令の大きさと等しい等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を乗算器３０ｂでα＝１．１倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｗ２としてインバータセルＷ２の制御回路２４へ出力する。
また、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗが故障したインバータセルＵ２が属さない相であると判断し、故障したインバータセルＵ２と同じ変圧器二次側巻線の電圧位相であるインバータセルＷ２を第２群として設定し、Ｗ相出力電圧指令Ｖｗ＊を乗算器３０ａで１／４を乗算することにより、Ｕ相用の運転しているインバータセルの出力電圧指令の大きさと等しい等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を算出し、この等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を乗算器３０ｂでα＝１．１倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｗ２としてインバータセルＷ２の制御回路２４へ出力する。
さらに、統括制御装置３０は、Ｗ相直列回路ＳＣｗの残りのインバータセルＷ１及びＷ３〜Ｗ５については第３群として設定し、乗算器３０ａで算出した等出力電圧指令Ｖｗ＊／４を乗算器３０ｃでβ＝０．７２５倍し、これをセル出力電圧指令Ｖｗ１及びＶｗ３〜Ｖｗ５としてインバータセルＷ１及びＷ３〜Ｗ５の制御回路２４へ出力する。
このようにすることにより、故障したインバータセルＵ２の属するＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２が属さないＶ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗとの出力電圧を一致させることができると共に、故障グループと正常グループとの出力有効電力を等しくすることができ、従来例より良い入力電流高調波低減効果を発揮することができる。このため、高調波電流の増加に伴う電力設備への悪影響（例えば、高調波低減フィルタの焼損など）を低減した、部分運転が可能になる。ここで、αを０．８６に設定することにより、三相の電圧バランスをとりながら従来例相当の入力電流高調波低減効果を発揮することが可能となる。
このようにすることにより、故障したインバータセルＵ２の属するＵ相直列回路ＳＣｕと、故障したインバータセルＵ２が属さないＶ相直列回路ＳＣｖ及びＷ相直列回路ＳＣｗとの出力電圧を一致させることができると共に、故障グループと正常グループとの出力有効電力を等しくすることができ、従来例より良い入力電流高調波低減効果を発揮することができる。このため、高調波電流の増加に伴う電力設備への悪影響（例えば、高調波低減フィルタの焼損など）を低減した、部分運転が可能になる。ここで、αを０．８６に設定することにより、三相の電圧バランスをとりながら従来例相当の入力電流高調波低減効果を発揮することが可能となる。
なお、上記第１及び第２の実施形態では、交流誘導電動機１２を駆動する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、交流同期電動機を駆動する場合にも本発明を適用することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態では、インバータセルの順変換部２１をダイオードで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、自己消弧デバイスを用いた自励式の整流器などを使用するようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態では、インバータセルの順変換部２１をダイオードで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、自己消弧デバイスを用いた自励式の整流器などを使用するようにしてもよい。
さらに、上記第１及び第２の実施形態では、セル出力電圧指令を乗算器３０ａ〜３０ｃで形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、マイクロコンピュータ等の演算処理装置を適用して演算処理によってセル出力電圧指令を算出するようにしてもよい。
さらに、上記第１及び第２の実施形態では、多巻線変圧器１１の二次巻線Ｌｖ１〜ＬｖＮの電圧位相が他の二次巻線Ｌｕ１〜ＬｕＮ及びＬｗ１〜ＬｗＮに対して逆方向に電圧位相を変化させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、Ｕ相用の二次巻線Ｌｕ１〜ＬｕＮ又はＷ相用の二次巻線Ｌｗ１〜ＬｗＮを他相の二次巻線とは逆方向に電圧位相を変化させるようにしてもよく、各相の二次巻線の電圧位相の変化する方向を時計方向又は反時計方向に全て揃えるようにしてもよい。
さらに、上記第１及び第２の実施形態では、多巻線変圧器１１の二次巻線Ｌｖ１〜ＬｖＮの電圧位相が他の二次巻線Ｌｕ１〜ＬｕＮ及びＬｗ１〜ＬｗＮに対して逆方向に電圧位相を変化させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、Ｕ相用の二次巻線Ｌｕ１〜ＬｕＮ又はＷ相用の二次巻線Ｌｗ１〜ＬｗＮを他相の二次巻線とは逆方向に電圧位相を変化させるようにしてもよく、各相の二次巻線の電圧位相の変化する方向を時計方向又は反時計方向に全て揃えるようにしてもよい。
１０…系統電源、１１…多巻線変圧器、１２…交流誘導電動機、Ｕ１〜ＵＮ、Ｖ１〜ＶＮ、Ｗ１〜ＷＮ…インバータセル、２１…順変換部、２２…コンデンサ、２３…逆変換部、２４…制御回路、３０…統括制御装置、３０ａ〜３０ｃ…乗算器
Claims (3)
- 三相交流入力を直流出力に変換する順変換部と、該順変換部の直流出力を単相交流出力に変換して出力する逆変換部とを少なくとも有するＮ（Ｎは３以上の正の整数）台のインバータセルを直列に接続した３組の直列回路と、
三相交流が入力される一次側巻線と、それぞれ電気角（６０／Ｎ）°間隔で電気角０°を含むＮ個の電圧位相差を有する３組の二次側巻線とを有し、前記３組の二次側巻線に前記３組の直列回路を個別に接続する多巻線変圧器と、
前記各インバータセルの出力側に設けた短絡スイッチと、
前記インバータセルの故障時に該当するインバータセルの短絡スイッチをオン制御する統括制御装置とを備え、
前記統括制御装置は、一つの故障したインバータセルの短絡スイッチをオン制御したときに、当該故障したインバータセルの属する直列回路の正常なインバータセルによる第１群と、前記故障したインバータセルを含まない２つの直列回路のうち前記故障したインバータセルの電圧位相が同じ２つのインバータセルによる第２群と、残りのインバータセルの第３群とに分け、前記第１群のインバータセルの出力電圧を等しい等電圧に制御し、前記第２群及び前記第３群の少なくとも一方のインバータセルの出力電圧を前記等電圧と大きさが異なる電圧に制御することを特徴とする電力変換装置。 - 前記統括制御装置は、前記第１群の各インバータセルの出力電圧をＥとしたとき、前記第２群の各インバータセルの出力電圧の大きさを〔３（Ｎ−１）／２Ｎ〕Ｅに制御し、前記３群の各インバータセルの出力電圧の大きさを〔（２Ｎ−３）／２Ｎ〕Ｅに制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記統括制御装置は、前記第１群の１台のインバータセルの出力電圧をＥとし、前記第２群の１台のインバータセルの出力電圧をαＥとし、前記第３群の１台のインバータセルの出力電圧をβＥとしたとき、
α＝（Ｎ−１）（１−β）
３（Ｎ−１）／（３Ｎ−１）≦α＜３（Ｎ−１）／２Ｎ
の関係を満足させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2015097579A JP2016214009A (ja) | 2015-05-12 | 2015-05-12 | 電力変換装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015097579A JP2016214009A (ja) | 2015-05-12 | 2015-05-12 | 電力変換装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016214009A true JP2016214009A (ja) | 2016-12-15 |
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ID=57353631
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2015097579A Pending JP2016214009A (ja) | 2015-05-12 | 2015-05-12 | 電力変換装置 |
Country Status (2)
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| CN (1) | CN106160540A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2015
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|---|---|---|---|---|
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| WO2020136698A1 (ja) * | 2018-12-25 | 2020-07-02 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
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