JP2017017947A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 価格を低く抑え、かつ、安定した運転が可能な電力変換装置を実現する。【解決手段】 実施形態による電力変換装置は、直流電力源１を３相交流電力に変換する第１電力変換回路３Ａおよび第２電力変換回路３Ｂと、１次側巻線をオープン巻線とし、１次側巻線の一端を第１電力変換回路３Ａの交流出力ラインと接続し、１次側巻線の他端を３相交流負荷２と接続し、２次側巻線の一端を結線し、２次側巻線の他端を第２電力変換回路３Ｂの３相交流出力ラインと接続し、１次側巻線と２次側巻線との巻き数が同じである３相変圧器４と、外部から入力される指令値に従って直流電力源１から３相交流負荷２に交流電力を供給するように第１電力変換回路３Ａおよび第２電力変換回路３Ｂを制御する制御回路５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力に変換し、交流負荷に交流電力を供給する電力変換装置は、複数の半導体素子を含む電力変換回路を有している。３相電力変換回路は、各相について直流リンク間に直列に接続した１組の半導体素子を備え、半導体素子間において交流負荷へ電流を供給する交流出力ラインと電気的に接続している。

上記の電力変換装置が出力する交流電圧を高圧化する方法として、例えば、直流電力源の直流電圧を高圧化する方法がある。この方法を採用した場合、電力変換装置の半導体素子は、直流電力源の電圧に対して十分な耐圧を有するものを選定する必要がある。一般的に、高耐圧の半導体素子は高価であるため、上記方法を採用すると電力変換装置の価格も高価となる。
また、低耐圧の半導体素子を用いた電力変換装置について、出力する交流電圧を高圧化するときには、変圧器を介して交流負荷へ交流電圧を出力する方法がある。

米国特許５，６２４，５４３号

３相電力変換回路の交流出力側に３相変圧器を用いる方法には、下記の課題がある。
１点目の課題は、３相変圧器分のコストを低減することが困難である点である。３相変圧器の容量は３相電力変換回路と同じである必要があり、電力変換装置全体の価格に占める３相変圧器の割合が大きくなる。その結果、電力変換装置の価格を低く抑えることが困難になる。

２点目の課題は、３相変圧器の直流偏磁により電力変換装置の安定した運転が担保されない点である。３相交流負荷が電動機である場合には、３相電力変換回路が出力する交流周波数は、ゼロつまり直流から３相交流変圧器の定格周波数まで可変出力される。直流又は極低周波数の電力が３相変圧器に印可されると、３相変圧器に発生する磁束に直流的な偏り（直流偏磁）が発生しやすくなる。３相変圧器の磁束に直流偏磁が発生すると、磁束が偏った相の磁束が飽和しやすくなり、飽和した極性側の励磁電流の増大を招くことになる。励磁電流の増大は交流電流波形の歪につながり、交流電流波形のピーク値が、３相電力変換回路の半導体素子の定格値を超える可能性があった。そのため、電力変換装置では、電流波形のピーク値が半導体素子の定格値を超えないように過電流保護動作を行い、過電流が検出された際に電力変換装置の運転を停止させることが一般的に行われる。このため、直流偏磁の発生は電力変換装置の安定した運転を妨げる原因となる。

本発明の実施形態は、上記課題を鑑みて為されたものであって、価格を低く抑え、かつ、安定した運転が可能な電力変換装置を実現することを目的とする。

実施形態による電力変換装置は、直流電力源を３相交流電力に変換する第１電力変換回路および第２電力変換回路と、１次側巻線をオープン巻線とし、前記１次側巻線の一端を前記第１電力変換回路の交流出力ラインと接続し、前記１次側巻線の他端を３相交流負荷と接続し、２次側巻線の一端を結線し、前記２次側巻線の他端を前記第２電力変換回路の３相交流出力ラインと接続し、前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻き数が同じである３相変圧器と、外部から入力される指令値に従って前記直流電力源から３相交流負荷に交流電力を供給するように前記第１電力変換回路および第２電力変換回路を制御する制御回路と、備える。

図１は、第１実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図２は、第１実施形態の電力変換装置の３相変圧器の構成例を説明するための図である。 図３は、第１実施形態の電力変換装置の制御回路の構成を説明するための図である。 図４は、第２実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図５は、第２実施形態に係る電力変換装置の制御回路の一構成例を説明するための図である。 図６は、第３実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。 図７は、本実施形態に係る電力変換装置の制御回路の一構成例を説明するための図である。

以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して説明する。
なお、以下に説明する複数の実施形態について、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１は、第１実施形態の電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、３相電力変換装置であって、直流電力源１Ａ、１Ｂと、３相電力変換回路（第１電力変換回路）３Ａと、３相電力変換回路（第２電力変換回路）３Ｂと、３相変圧器４と、制御回路５と、電流検出器６Ｕ１〜６Ｗ１、６Ｕ２〜６Ｗ２と、磁極位置検出器７と、を備えている。

直流電力源１Ａ、１Ｂは、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を含む。直流電力源１Ａ、１Ｂから出力された直流電力は３相電力変換回路３Ａ、３Ｂへ供給される。また、直流電力源１Ａ、１Ｂは直流負荷であって、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂを介して接続された３相交流負荷２が発電する電気エネルギを充電可能である。

３相交流負荷２は、たとえば交流電動機であって、３相変圧器４から供給された電流によりトルクを発生する。交流電動機の出力軸には、負荷装置が接続されて発生したトルクが伝達される。また、交流電動機は、負荷装置の運動エネルギを電力に変換して回生運転可能である。交流電動機の回生運転による電力は３相電力変換回路３Ａ、３Ｂで直流電力へ変換されて、直流電力源１Ａ、１Ｂに充電される。

３相電力変換回路３Ａ、３Ｂそれぞれは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング回路を備えている。スイッチング回路のそれぞれは、直流リンク間に直列に接続した２つの半導体素子を有している。各相のスイッチング回路において、直列に接続した半導体素子間は、３相変圧器４へ交流電流を供給する交流出力ラインと電気的に接続している。

半導体素子は、例えばＦＥＴ（Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチを含む。半導体スイッチの動作は、後述する制御回路５により制御される。なお、図１において、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂは２レベル変換回路として記載しているが、３レベル変換回路を用いることもできる。

３相変圧器４は、３相電力変換回路３Ａから交流電力を供給する交流出力ラインを１次側巻線の一端と接続し、３相電力変換回路３Ｂから交流電力を供給する交流出力ラインを２次側巻線と接続した３相トランスである。

制御回路５は、例えば、ＣＰＵやＭＰＵ等のプロセッサと、メモリを含む。制御回路５は、外部から入力された出力指令を実現するように、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの半導体素子の駆動信号を生成する。

図２は、第１実施形態の電力変換装置の３相変圧器の構成例を説明するための図である。
３相変圧器４は、Ｕ相の鉄心と、Ｖ相の鉄心と、Ｗ相の鉄心とが両端で接続した３相共通のコアを有している。３相変圧器４の１次側巻線はオープン巻線である。３相変圧器４の１次側巻線の一端は、３相電力変換回路３Ａから電力を供給する交流出力ラインｕ１、ｖ１、ｗ１と電気的に接続している。３相変圧器４の１次側巻線の他端は、３相交流負荷２と電気的に接続している。

３相変圧器４の２次側巻線の一端はスター結線されている。３相変圧器４の２次側巻線の他端は、３相電力変換回路３Ｂから電力を供給する交流出力ラインｕ２、ｖ２、ｗ２と電気的に接続している。３相変圧器４の１次側巻線と２次側巻線との巻き数は同じである。なお、図２では３相変圧器４の２次側巻線の一端をスター結線としているが、デルタ結線とすることもできる。また図２に示す３相変圧器４では、鉄心を３相共通としているが、相毎に鉄心を分割することもできる。

３相変圧器４を上記構成とすることにより、３相変圧器４の１次側巻線には、２次側巻線に接続される３相電力変換回路３Ｂの出力電圧が出力される。３相交流負荷２に対しては、３相電力変換回路３Ｂの出力電圧に、３相変圧器４の１次側巻線電圧つまり３相電力変換回路３Ａの出力電圧が加算された電圧が印可される。結果として、本実施形態の電力変換装置は３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの２台分の出力電圧を得ることができる。このとき、３相変圧器４の電圧および電流値は３相電力変換回路１台分と等価であり、３相変圧器の容量は３相電力変換回路１台分の容量と等価となる。したがって、電力変換装置に対する３相変圧器４のコスト低減が実現できる。

図３は、第１実施形態の電力変換装置の制御回路の構成を説明するための図である。ここで示す構成は、正弦変調波を生成するための構成である。制御回路５は、生成した正弦変調波と、例えば予めメモリに記憶された三角搬送波とを比較して、ＰＷＭ信号を生成し、ＰＷＭ信号に基づいて３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの半導体素子へゲート駆動信号Ｇｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、Ｇｚを出力する。なお、以下の例では、３相電力変換回路３Ａと３相電力変換回路３Ｂとに共通の正弦変調波を生成する場合について説明する。

制御回路５は、電流検出器６Ｕ１〜６Ｗ１で検出された３相電力変換回路３Ａの出力電流値ＩｕＡ、ＩｖＡ、ＩｗＡと、電流検出器６Ｕ２〜６Ｗ２で検出された３相電力変換回路３Ｂの出力電流値ＩｕＢ、ＩｖＢ、ＩｗＢと、３相交流負荷２の磁極位置（位相角）θと、外部から入力される電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊と、を受信する。なお、３相交流負荷２の磁極位置θは、レゾルバ等の磁極位置検出器７により検出された値であってもよく、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの出力電流値から演算された推定値であってもよい。

制御回路５は、加算器８Ｕ〜８Ｗと、乗算器９Ｕ〜９Ｗと、３相／ｄｑ変換器１０と、減算器１１ｄ、１１ｑと、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑと、ｄｑ／３相変換器１３と、コンパレータ回路ＣＯＭと、を備えている。なお制御回路５は、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂが出力する電流の平均値を、外部から入力された電流指令値とするように制御する電流制御回路を含み、電流制御回路は少なくとも減算器１１ｄ、１１ｑと、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑとを含む。

加算器８Ｕ〜８Ｗは、３相変圧器４へ供給される各相の交流電流を演算する。すなわち、加算器８Ｕは、３相電力変換回路３ＡのＵ相の交流電流ＩｕＡと、３相電力変換回路３ＢのＵ相の交流電流ＩｕＢとの値を加算して出力する。加算器８Ｖは、３相電力変換回路３ＡのＶ相の交流電流ＩｖＡと、３相電力変換回路３ＢのＶ相の交流電流ＩｖＢとの値を加算して出力する。加算器８Ｗは、３相電力変換回路３ＡのＷ相の交流電流ＩｗＡと、３相電力変換回路３ＢのＷ相の交流電流ＩｗＢとの値を加算して出力する。

乗算器９Ｕ〜９Ｗは、加算器８Ｕ〜８Ｗから出力された値に０．５を乗じた演算結果を出力する。すなわち、加算器８Ｕ〜８Ｗおよび乗算器９Ｕ〜９Ｗは、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの出力電流の平均値を演算する。乗算器９Ｕは、加算器８Ｕから出力された値（ＩｕＡ＋ＩｕＢ）に０．５を乗じた演算結果を出力する。乗算器９Ｖは、加算器８Ｖから出力された値（ＩｖＡ＋ＩｖＢ）に０．５を乗じた演算結果を出力する。乗算器９Ｗは、加算器８Ｗから出力された値（ＩｗＡ＋ＩｗＢ）に０．５を乗じた演算結果を出力する。

３相／ｄｑ変換器１０は、ベクトル変換部であって、乗算器９Ｕ〜９Ｗから出力された３相出力交流電流をベクトル値であるｄ軸電流とｑ軸電流に変換し、直流電流として扱う。通常、有効電力分がｑ軸上に変換される。すなわち、３相／ｄｑ変換器１０は、出力電流の有効分と無効分とに変換し、直流換算値を算出する。

減算器１１ｄ、１１ｑは、電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊から、３相／ｄｑ変換器１０の出力値Ｉｄ、Ｉｑを減算して出力する。
ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑは、電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊に対するｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの差分がゼロとなるように制御を行う。ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑの制御対象は各軸のインダクタンス、抵抗であり、制御量は各軸の電圧となる。すなわち、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑの出力は電圧次元であり、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑは電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を出力する。

ｄｑ／３相変換器１３は、逆ベクトル変換部であって、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑで生成された電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊をＵＶＷの３相交流の電圧指令値に逆変換する。すなわちｄｑ／３相変換器１３の出力が正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷとなる。

コンパレータ回路ＣＯＭは、上記正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷと、例えば予めメモリに記憶された三角搬送波ＴＲＩとを比較する。コンパレータ回路ＣＯＭは、３相それぞれの正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷと３相共通の三角搬送波ＴＲＩを比較することにより、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの半導体素子それぞれに与えられるゲート駆動信号Ｇｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、Ｇｚを生成する。例えば、正弦変調波ＳＩＮＵと三角搬送波ＴＲＩとの大小関係において、ＳＩＮＵ＞ＴＲＩの期間においては、ゲート駆動信号Ｇｕが「１」、ゲート駆動信号Ｇｘが「０」となる。また、ＳＩＮＵ＜ＴＲＩの期間においては、ゲート駆動信号Ｇｕが「０」、ゲート駆動信号Ｇｘが「１」となる。なお、ゲート駆動信号が「１」の場合には、対応する半導体素子はオン状態となり、ゲート駆動信号が「０」の場合には、対応する半導体素子はオフ状態となる。

制御回路５を上記構成とすることにより、単一の電流制御回路で２台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｂを制御することができ、制御回路５の演算量を低減することが可能となり、制御回路５の演算能力に掛るコスト低減が実現できる。

２台の３相電力変換回路３Ａ、３ＢのＰＷＭ制御に用いる三角搬送波の位相は、１８０°つまり半周期分ずれていてもよい。この場合、３相電力変換回路３Ａには三角搬送波ＴＲＩを用い、３相電力変換回路３Ｂには三角搬送波ＴＲＩを半周期分ずらした波形を用いる。正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷは、２台の３相電力変換器３Ａ、３Ｂで共通である。上記のように３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの三角搬送波および正弦変調波を設定することにより、電力変換装置の出力電圧に含まれる高調波を低減することができる。
上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、価格を低く抑え、かつ、安定した運転が可能な電力変換装置を実現することができる。

図４は、第２実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗを更に備えている。非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは、ホール電流検出器等を採用することができる。なお、図４において、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの各相の出力交流電流を検出する電流検出器６Ｕ１〜６Ｗ１、６Ｕ２〜６Ｗ２と、磁極位置検出器７との記載は省略しているが、上述の第１実施形態と同様に電流検出器６Ｕ１〜６Ｗ１、６Ｕ２〜６Ｗ２および磁極位置検出器７を備えている。

非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは、２台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｂのそれぞれ対応する相の交流出力ラインを互いに逆極性となるように並行した状態でループに通し、並行させた２線の差電流を検出する。すなわち、非接触型電流検出器６Ｕは、３相電力変換回路３ＡのＵ相の交流出力ラインと３相電力変換回路３ＢのＵ相の交流出力ラインとを互いに逆極性となるように並行した状態でループに通し、並行させた２線の電流差（ＩｕＡ−ＩｕＢ）を検出する。同様に、非接触型電流検出器６Ｖは電流差（ＩｖＡ−ＩｖＢ）を検出する。非接触型電流検出器６Ｗは電流差（ＩｗＡ−ＩｗＢ）を検出する。非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗで検出された値は、制御回路５へ入力される。

非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗで検出された電流差は、３相変圧器４の励磁電流に相当する。一般に励磁電流は、変圧器の定格電流に対して、１％以下の小さい値である。非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗの検出レンジを励磁電流に見合う値のものを選定することにより、励磁電流を高精度に検出することが可能となる。なお、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの出力電流を検出するための電流検出器６Ｕ１〜６Ｗ１、６Ｕ２〜６Ｗ２は、その検出レンジが定格電流に見合う値となるものが選定される。したがって、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの出力電流を検出する電流検出器６Ｕ１〜６Ｗ１、６Ｕ２〜６Ｗ２と同じものを、定格の１％以下の励磁電流を検出するために利用することはＳ／Ｎ比の観点からも不適切である。

制御回路５は、非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗで検出された３相分の電流差を用いて、３相変圧器４の直流偏磁を抑制制御する。
図５は、第２実施形態に係る電力変換装置の制御回路の一構成例を説明するための図である。なお、図５に示す制御回路５において、図３に示す構成と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、制御回路５は、非接触型電流検出器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗで検出された各相の電流差ＩｕＡ−ＩｕＢ、ＩｖＡ−ＩｖＢ、ＩｗＡ−ＩｗＢを更に受信する。制御回路５は、ＰＩ制御器１４Ｕ〜１４Ｗと、減算器１５Ｕ〜１５Ｗと、加算器１６Ｕ〜１６Ｗと、を更に備えている。なお制御回路５は、非接触型電流検出器が検出する３相毎の差電流を抑制制御するように、３相毎の正弦変調波のオフセット量を調整する直流偏磁抑制制御回路を含む。直流偏磁抑制制御回路は、少なくともＰＩ制御器１４Ｕ〜１４Ｗを含む。

ＰＩ制御器１４Ｕ〜１４Ｗは、２台の３相電力変換回路の各相の電流差ＩｕＡ−ＩｕＢ、ＩｖＡ―ＩｖＢ、ＩｗＡ−ＩｗＢを受信する。ＰＩ制御器１４Ｕ〜１４Ｗは比例積分演算を行い、それぞれ正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷを補正するための正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰを出力する。

減算器１５Ｕ〜１５Ｗは、各相の正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷから各相の正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰを減算して、３相電力変換回路３Ａのための補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＡ（ＳＩＮＵ−ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ）、ＳＩＮＶＡ（ＳＩＮＶ−ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ）、ＳＩＮＷＡ（ＳＩＮＷ−ＳＩＮＷ＿ＣＭＰ）を出力する。

加算器１６Ｕ〜１６Ｗは、各相の正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷに各相の正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰを加算して、３相電力変換回路３Ｂのための補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＢ（ＳＩＮＵ＋ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ）、ＳＩＮＶＢ（ＳＩＮＶ＋ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ）、ＳＩＮＷＢ（ＳＩＮＷ＋ＳＩＮＷ＿ＣＭＰ）を出力する。

コンパレータＣＯＭは、補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＡ、ＳＩＮＶＡ、ＳＩＮＷＡと、三角搬送波ＴＲＩとを比較して、３相電力変換回路３Ａの半導体素子それぞれに与えられるゲート駆動信号Ｇｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、Ｇｚを生成する。また、コンパレータＣＯＭは、補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＢ、ＳＩＮＶＢ、ＳＩＮＷＢと、三角搬送波ＴＲＩとを比較して、３相電力変換回路３Ｂの半導体素子それぞれに与えられるゲート駆動信号Ｇｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、Ｇｚを生成する。

上記のように正弦変調波を補正することにより、励磁電流に直流成分が発生した場合に、直流成分が発生した相の電力変換回路が発生する交流出力電圧に逆極性の直流成分を重畳させ、３相変圧器の直流偏磁を各相で抑制することが可能となる。
すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、更に、励磁電流を高精度に検出することができ、励磁電流の直流成分を制御に利用することで３相変圧器の直流偏磁を抑制することができる。

図６は、第３実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、３台の３相電力変換回路（第１乃至第３電力変換回路）３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、２つの３相変圧器（第１乃至第２変圧器）４Ｂ、４Ｃと、６つの非接触型電流検出器６ＵＢ、６ＶＢ、６ＷＢ、６ＵＣ、６ＶＣ、６ＷＣと、を備えている。なお、本実施形態の電力変換装置は、上述の第１実施形態と同様に、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂ、３Ｃの各相の出力電流を検出する電流検出器と３相交流負荷２の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、備えているが、図６では省略している。

本実施形態の電力変換装置において、３台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、１つの直流電力源１を共有している。このことにより、直流電力源の部品点数を削減することが可能となり、電力変換装置のコストを低減することができる。また、複数の直流電力源のアンバランスに起因する、３相変圧器の直流偏磁の発生を抑制することが可能となる。

３相電力変換回路３Ａ、３Ｂ、３Ｃそれぞれは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング回路を備えている。スイッチング回路のそれぞれは、直流リンク間に直列に接続した２つの半導体素子を有している。各相のスイッチング回路において、直列に接続した半導体素子間は、３相変圧器４へ交流電流を供給する交流出力ラインと電気的に接続している。
半導体素子は、例えばＦＥＴ（Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチを含む。半導体スイッチの動作は、後述する制御回路５により制御される。

３相変圧器４Ｂ、４Ｃのそれぞれは、上述の第１実施形態の３相変圧器４と同様に、Ｕ相の鉄心と、Ｖ相の鉄心と、Ｗ相の鉄心とが両端で接続した３相共通のコアを有している。３相変圧器４Ｂ、４Ｃの１次側巻線はオープン巻線である。３相変圧器４Ｂの１次側巻線の一端は、３相電力変換回路３Ａから電力を供給する交流出力ラインと接続している。３相変圧器４Ｂの１次側巻線の他端は、３相変圧器４Ｃの１次側巻線の一端と接続している。３相変圧器４Ｃの１次側巻線の他端は３相交流負荷２へ接続している。

３相変圧器４Ｂの２次側巻線の一端はスター結線され、２次側巻線の他端は３相電力変換回路３Ｂから電力を供給する交流出力ラインと接続している。３相変圧器４Ｃの２次側巻線の一端はスター結線され、２次側巻線の他端は３相電力変換回路３Ｃから電力を供給する交流出力ラインと接続している。

３相変圧器４Ｂの１次側巻線と２次側巻線との巻き数は同じである。３相変圧器４Ｃの１次側巻線と２次側巻線との巻き数は同じである。なお、図２では３相変圧器４Ｂ、４Ｃの２次側巻線の一端をスター結線としているが、デルタ結線とすることもできる。また３相変圧器４Ｂ、４Ｃでは、鉄心を３相共通としているが、相毎に鉄心を分割することもできる。

非接触型電流検出器６ＵＢ、６ＶＢ、６ＷＢは、２台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｂのそれぞれ対応する相の交流出力ラインを互いに逆極性となるように並行した状態でループに通し、並行させた２線の差電流を検出する。すなわち、非接触型電流検出器６ＵＢは、３相電力変換回路３ＡのＵ相の交流出力ラインと３相電力変換回路３ＢのＵ相の交流出力ラインとを互いに逆極性となるように並行した状態でループに通し、並行させた２線の電流差（ＩｕＡ−ＩｕＢ）を検出する。同様に、非接触型電流検出器６ＶＢは電流差（ＩｖＡ−ＩｖＢ）を検出する。非接触型電流検出器６Ｗは電流差（ＩｗＡ−ＩｗＢ）を検出する。非接触型電流検出器６ＵＢ、６ＶＢ、６ＷＢで検出された値は、制御回路５へ入力される。

非接触型電流検出器６ＵＣ、６ＶＣ、６ＷＣは、２台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｃのそれぞれ対応する相の交流出力ラインを互いに逆極性となるように並行した状態でループに通し、並行させた２線の差電流を検出する。すなわち、非接触型電流検出器６ＵＣは、３相電力変換回路３ＡのＵ相の交流出力ラインと３相電力変換回路３ＣのＵ相の交流出力ラインとを互いに逆極性となるように並行した状態でループに通し、並行させた２線の電流差（ＩｕＡ−ＩｕＣ）を検出する。同様に、非接触型電流検出器６ＶＣは電流差（ＩｖＡ−ＩｖＣ）を検出する。非接触型電流検出器６ＷＣは電流差（ＩｗＡ−ＩｗＣ）を検出する。非接触型電流検出器６ＵＣ、６ＶＣ、６ＷＣで検出された値は、制御回路５へ入力される。

図７は、本実施形態に係る電力変換装置の制御回路の一構成例を説明するための図である。なお、図７において、図３および図５で説明した構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

制御回路５は、非接触型電流検出器６ＵＢ、６ＶＢ、６ＷＢで検出された各相の電流差ＩｕＡ−ＩｕＢ、ＩｖＡ−ＩｖＢ、ＩｗＡ−ＩｗＢと、非接触型電流検出器６ＵＣ、６ＶＣ、６ＷＣで検出された各相の電流差ＩｕＡ−ＩｕＣ、ＩｖＡ−ＩｖＣ、ＩｗＡ−ＩｗＣと、３相電力変換回路３Ａ〜３Ｃの各相の出力電流ＩｕＡ〜ＩｗＡ、ＩｕＢ〜ＩｗＢ、ＩｕＣ〜ＩｗＣと、３相交流負荷２の磁極位置θと、電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊と、を受信する。制御回路５は、ＰＩ制御器１７ＵＢ〜１７ＷＢ、１７ＵＣ〜１７ＷＣと、加算器１８ＵＢ〜１８ＷＢ、１８ＵＣ〜１８ＷＣと、を更に備えている。

加算器８Ｕ〜８Ｗは、３相電力変換回路３Ａ、３Ｂ、３Ｃの出力電流を相毎に加算する。加算器８Ｕは、３相電力変換回路３Ａ、３Ｖ、３ＣのＵ相の出力電流ＩｕＡ、ＩｕＢ、ＩｕＣを加算して出力する。加算器８Ｖは、３相電力変換回路３ＢのＵ相の出力電流ＩｖＡ、ＩｖＢ、ＩｖＣを加算して出力する。加算器８Ｗは、３相電力変換回路３ＣのＷ相の出力電流ＩｗＡ、ＩｗＢ、ＩｗＣを加算して出力する。

乗算器９Ｕ〜９Ｗは、加算器８Ｕ〜８Ｗから出力された値に１／３を乗じた値を出力する。すなわち、加算器８Ｕ〜８Ｗと乗算器９Ｕ〜９Ｗとは、３相電力変換回路３Ａ〜３Ｃの各相の出力電流の平均値を算出する。

３相／ｄｑ変換器１０は、ベクトル変換部であって、乗算器９Ｕ〜９Ｗから出力された３相出力交流電流をベクトル値であるｄ軸電流とｑ軸電流に変換し、直流電流として扱う。通常、有効電力分がｑ軸上に変換される。すなわち、３相／ｄｑ変換器１０は、出力電流の有効分と無効分とに変換し、直流換算値を算出する。

減算器１１ｄ、１１ｑは、電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊から、３相／ｄｑ変換器１０の出力値Ｉｄ、Ｉｑを減算して出力する。
ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑは、電流指令値Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊に対するｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの差分がゼロとなるように制御を行う。ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑの制御対象は各軸のインダクタンス、抵抗であり、制御量は各軸の電圧となる。すなわち、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑの出力は電圧次元であり、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑは電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を出力する。

ｄｑ／３相変換器１３は、逆ベクトル変換部であって、ＰＩ制御器１２ｄ、１２ｑで生成された電圧指令値Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊をＵＶＷの３相交流の電圧指令値に逆変換する。すなわちｄｑ／３相変換器１３の出力が正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷとなる。

ＰＩ制御器１７ＵＢ〜１７ＷＢは、２台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｂの各相の電流差ＩｕＡ−ＩｕＢ、ＩｖＡ―ＩｖＢ、ＩｗＡ−ＩｗＢを受信する。ＰＩ制御器１７ＵＢ〜１７ＷＢは比例積分演算を行い、それぞれ正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷを補正するための正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ＿Ｂ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ＿Ｂ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰ＿Ｂを出力する。

ＰＩ制御器１７ＵＣ〜１７ＷＣは、２台の３相電力変換回路３Ａ、３Ｃの各相の電流差ＩｕＡ−ＩｕＣ、ＩｖＡ―ＩｖＣ、ＩｗＡ−ＩｗＣを受信する。ＰＩ制御器１７ＵＣ〜１７ＷＣは比例積分演算を行い、それぞれ正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷを補正するための正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ＿Ｃ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ＿Ｃ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰ＿Ｃを出力する。

加算器１８ＵＢ〜１８ＷＢは、各相の正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷに各相の正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ＿Ｂ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ＿Ｂ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰ＿Ｂを加算して、３相電力変換回路３Ｂのための補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＢ、ＳＩＮＶＢ、ＳＩＮＷＢを出力する。

加算器１８ＵＣ〜１８ＷＣは、各相の正弦変調波ＳＩＮＵ、ＳＩＮＶ、ＳＩＮＷに各相の正弦変調波補正量ＳＩＮＵ＿ＣＭＰ＿Ｃ、ＳＩＮＶ＿ＣＭＰ＿Ｃ、ＳＩＮＷ＿ＣＭＰ＿Ｃを加算して、３相電力変換回路３Ｃのための補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＣ、ＳＩＮＶＣ、ＳＩＮＷＣを出力する。

コンパレータＣＯＭは、補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＡ、ＳＩＮＶＡ、ＳＩＮＷＡと、三角搬送波ＴＲＩとを比較して、３相電力変換回路３Ａの半導体素子それぞれに与えられるゲート駆動信号Ｇｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、Ｇｚを生成する。また、コンパレータＣＯＭは、補正後の正弦変調波ＳＩＮＵＢ、ＳＩＮＶＢ、ＳＩＮＷＢと、三角搬送波ＴＲＩとを比較して、３相電力変換回路３Ｂの半導体素子それぞれに与えられるゲート駆動信号Ｇｕ、Ｇｘ、Ｇｖ、Ｇｙ、Ｇｗ、Ｇｚを生成する。

上記本実施形態の電力変換装置によれば、電力変換装置の交流出力電圧値を単一の３相電力変換回路の３倍とすることができる。また、３相変圧器の励磁電流を高精度に検出することができ、励磁電流の直流成分を制御に利用することで３相変圧器の直流偏磁を抑制することができる。

すなわち、本実施形態の電力変換装置によれば、上述の第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、更に、励磁電流を高精度に検出することができ、励磁電流の直流成分を制御に利用することで３相変圧器の直流偏磁を抑制することができる。

なお、上記第３実施形態では、３台の電力変換回路を含む電力変換装置について説明したが、Ｎ（Ｎは２以上の正の整数）台の３相電力変換回路と、巻数が１次側と２次側で同じである（Ｎ−１）台の３相変圧器と、を備えていてもよい。

その場合、（Ｎ−１）台の３相変圧器の１次側巻線をオープン巻線とし、（Ｎ−１）台の３相変圧器の１次側巻線を直列に接続し、Ｎ台の３相電力変換回路のうちの１台の交流出力ラインと３相交流負荷との間に、直列接続されたＮの１次側巻線を接続する。（Ｎ−１）台の３相変圧器の２次側巻線の一端は結線され、他端はＮ台の３相電力変換回路のうちの他の（Ｎ−１）台の交流出力ラインにそれぞれ接続する。

更に、上記電力変換装置は、Ｎ台の３相電力変換回路が直流電力源から３相交流負荷へ交流電力を供給するように制御する制御回路と、（Ｎ−１）台の３相変圧器の１次側巻線に接続される１台の３相電力変換回路と、２次側巻線に接続される（Ｎ−１）台の３相電力変換回路の交流出力のうち、それぞれ対応する相の出力線を互いに逆極性となるように並行させ、並行させた２線の差電流を検出する複数の非接触型電流検出器と、備える。制御回路は、複数の非接触型電流検出器で検出された（Ｎ−１）組の３相分の差電流に基づいて、（Ｎ−１）台の３相変圧器の直流偏磁を抑制するようにＮ台の３相電力変換回路を制御する。このことにより、上述の第１乃至第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
上記第１乃至第３実施形態の制御回路は、例えばＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサとメモリとを含むものであって、各構成がメモリに記録されたソフトウエアにより構成されてもよい。また、制御回路の各構成が回路等を含むハードウエアにより構成されてもよい。いずれの場合であっても上述した効果と同様の効果を得ることができる。

１、１Ａ、１Ｂ…直流電力源、２…３相交流負荷、３Ａ〜３Ｃ…３相電力変換回路、４、４Ｂ、４Ｃ…３相変圧器、５…制御回路、６Ｕ〜６Ｗ、６ＵＢ〜６ＷＢ、６ＵＣ〜６ＷＣ…非接触型電流検出器、６Ｕ１〜６Ｗ１、６Ｕ２〜６Ｗ２…電流検出器、７…磁極位置検出器、８Ｕ〜８Ｗ…加算器、９Ｕ〜９Ｗ…乗算器、１０…３相／ｄｑ変換器、１１ｄ、１１ｑ…減算器、１２ｄ、１２ｑ…ＰＩ制御器、１３…ｄｑ／３相変換器、ＣＯＭ…コンパレータ回路、１４Ｕ〜１４Ｗ…ＰＩ制御器、１５Ｕ〜１５Ｗ…減算器、１６Ｕ〜１６Ｗ…加算器、１７ＵＢ〜１７ＷＢ、１７ＵＣ〜１７ＷＣ…ＰＩ制御器、１８ＵＢ〜１８ＷＢ…加算器、１８ＵＣ〜１８ＷＣ…加算器。

Claims (8)

1. 直流電力源を３相交流電力に変換する第１電力変換回路および第２電力変換回路と、
   １次側巻線をオープン巻線とし、前記１次側巻線の一端を前記第１電力変換回路の交流出力ラインと接続し、前記１次側巻線の他端を３相交流負荷と接続し、２次側巻線の一端を結線し、前記２次側巻線の他端を前記第２電力変換回路の３相交流出力ラインと接続し、前記１次側巻線と前記２次側巻線との巻き数が同じである３相変圧器と、
   外部から入力される指令値に従って前記直流電力源から３相交流負荷に交流電力を供給するように前記第１電力変換回路および第２電力変換回路を制御する制御回路と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記直流電力源を、前記２台の３相電力変換回路が共用するもの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。
3. 前記制御回路は、前記第１電力変換回路及び前記第２電力変換回路の半導体素子を、前記指令値に基づく正弦変調波と三角搬送波との比較によるＰＷＭ制御し、前記三角搬送波の位相は、前記第１電力変換回路と前記第２電力変換回路とで半周期分異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御回路は、前記第１電力変換回路および前記第２電力変換回路が出力する電流の平均値を前記指令値とするように制御する電流制御回路を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記第１電力変換回路および前記第２電力変換回路の交流出力ラインのうち、それぞれ対応する相の交流出力ラインを互いに逆極性となるように並行させ、並行させた２線の差電流を検出する非接触型電流検出器を更に備え、
   前記制御回路は、前記非接触型電流検出器で検出された差電流に基づいて前記３相変圧器の直流偏磁を抑制するように前記第１電力変換回路および前記第２電力変換回路を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記第１電力変換回路および前記第２電力変換回路のそれぞれは複数の半導体素子を含み、
   前記制御回路は、前記半導体素子を前記指令値に基づく正弦変調波と三角搬送波との比較によるＰＷＭ制御し、前記非接触型電流検出器が検出する３相毎の差電流を抑制制御するように、３相毎の前記正弦変調波のオフセット量を調整する直流偏磁抑制制御回路を含むことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
7. 直流電力源を３相交流電力に変換する第１電力変換回路、第２電力変換回路、および第３電力変換回路と、
   １次側巻線と２次側巻線との巻き数が同じである第１変圧器および第２変圧器であって、前記第１変圧器および前記第２変圧器の１次側巻線をオープン巻線とし、前記第１変圧器の１次巻線の一端を前記第１電力変換回路の交流出力ラインと接続し、前記第１変圧器の１次巻線の他端を前記第２変圧器の１次巻線の一端と接続し、前記第２変圧器の１次巻線の他端と前記３相交流負荷とを接続し、前記第１変圧器の２次側巻線の一端を結線し、前記第１変圧器の２次側巻線の他端を前記第２電力変換回路の交流出力ラインと接続し、前記第２変圧器の２次側巻線の一端を結線し、前記第２変圧器の２次側巻線の他端を前記第３電力変換回路の交流出力ラインと接続した第１変圧器および第２変圧器と、
   前記３台の３相電力変換回路が前記直流電力源から前記３相交流負荷に交流電力に供給するように制御する制御回路と、
   前記第１電力変換回路と前記第２電力変換回路との交流出力ラインのそれぞれ対応する相の出力線を互いに逆極性となるように並行させ、前記第１電力変換回路と前記第３電力変換回路との交流出力ラインのそれぞれ対応する相の出力線を互いに逆極性となるように並行させ、並行させた２線の差電流を検出する複数の非接触型電流検出器と、を備え、
   前記制御回路は、前記非接触型電流検出器で検出された差電流に基づいて前記第１変圧器および前記第２変圧器の直流偏磁を抑制するように前記第１電力変換回路、前記第２電力変換回路および前記第３電力変換回路を制御することを特徴とする電力変換装置。
8. 直流電力源を３相交流電力に変換するＮ（前記Ｎは２以上の正の整数）台の３相電力変換回路と、
   １次側巻線と２次側巻線との巻き数が同じである（Ｎ−１）台の３相変圧器であって、前記３相変圧器の１次側巻線をオープン巻線とし、前記（Ｎ−１）台の３相変圧器の１次側巻線同士を直列に接続し、前記３相電力変換回路のうちの１台の交流出力ラインと、３相交流負荷との間に直列接続された前記１次側巻線を接続し、前記（Ｎ−１）台の３相変圧器の２次側巻線を前記Ｎ台の電力変換回路のうちの他の（Ｎ−１）台の３相交流端子にそれぞれ接続した３相変圧器と、
   前記Ｎ台の３相電力変換回路が前記直流電力源から前記３相交流負荷に交流電力に供給するように制御する制御回路と、
   前記３相変圧器の１次側巻線に接続される３相電力変換回路と、２次側巻線に接続される（Ｎ−１）台の３相電力変換回路の交流出力のうち、それぞれ対応する相の出力線を互いに逆極性となるように並行させ、並行させた２線の差電流を検出する複数の非接触型電流検出器と、を備え、
   前記制御回路は、前記非接触型電流検出器で検出された（Ｎ−１）組の３相分の差電流に基づいて、前記（Ｎ−１）台の３相変圧器の直流偏磁を抑制するように前記Ｎ台の３相電力変換回路を制御することを特徴とする電力変換装置。