JP5047210B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、特に交流を直流に変換するとともに直流を交流に変換して回収することができる電力変換装置に関する。

入力側を６パルスダイオード整流回路で構成した２レベル電力変換装置では、交流電源に６パルスダイオード整流回路を接続し直流電力を得て、２レベルインバータを介して交流モータに電力を供給し、また回生運転のために直流回路を回生コンバータ及び交流リアクトルを介して交流電源に接続し、回生運転に対応している。なお、回生コンバータは２レベルインバータと同様の構成である。

また、回生コンバータを構成する自己消弧型スイッチング素子は、交流電源電圧に同期してオンオフし、いわゆる１２０度通電動作をする。この構成では、力行運転時は、主として交流電源→６パルスダイオード整流回路→直流回路→２レベルインバータ→交流モータという経路を電力が通過する。一方、回生運転時は、交流モータ→２レベルインバータ→直流回路→回生コンバータ→交流リアクトル→交流電源という経路を電力が通過する（例えば、特許文献１参照）。

ところで、近年、高電圧・大容量の交流モータの可変速駆動の適用分野が拡大しており、高調波を抑制するために、入力側を１２パルスダイオード整流回路で構成し、直流から交流へ電力変換を行い交流モータを駆動するインバータとして３レベルインバータを用いたいという要請がある。このような要請を満たす３レベルインバータを用いた３レベル電力変換装置として、例えば図１０に示すような３レベル電力変換装置が考えられる。図１０において、入力トランス２は、例えばＹ／Ｙ／Δ結線された３つの巻線を有しており、Ｙ及びΔ結線された二つの二次巻線２ａ，２ｂにはそれぞれ６パルスダイオード整流回路２１の交流側及び６パルスダイオード整流回路２２の交流側が接続される。６パルスダイオード整流回路２１，２２は、それぞれ６個の整流ダイオードＤＲ１〜ＤＲ６，ＤＲ７〜ＤＲ１２が三相フルブリッジ結線された三相全波整流回路である。そして、２台の６パルスダイオード整流回路２１，２２の直流出力側を直列接続して直流出力直列回路を形成することにより、１２パルスダイオード整流回路２０が構成されている。

３レベルインバータ３０は、スイッチ３１が２個直列接続された６つの直列スイッチ回路が三相フルブリッジ接続されている。なお、上記スイッチ３１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの自己消弧型スイッチング素子と、当該素子と逆並列接続されるダイオードとを有する。また、各直列スイッチ回路のスイッチ３１同士の接続点は、一方向導通装置としてのダイオード３２を介して後述の直流回路４０のＣ電位（中間）端子４２に接続されている。

直流回路４０は、Ｐ電位端子４１、Ｃ電位端子４２、Ｎ電位端子４３、正極側直流コンデンサ４５及び負極側直流コンデンサ４６を有する。正極側直流コンデンサ４５はＰ電位端子４１−Ｃ電位端子４２間に接続され、負極側直流コンデンサ４６は、Ｃ電位端子４２−Ｎ電位端子４３間に接続されている。１２パルスダイオード整流回路２０の直流出力直列回路の正極側と負極側は、それぞれ直流回路４０のＰ電位端子４１とＮ電位端子４３に接続されている。また、３レベルインバータ３０の直流側は直流回路４０のＰ電位端子４１、Ｎ電位端子４３に接続され、交流側は交流モータ９に接続されている。そして、各直列スイッチ回路の２個のスイッチ３１が直列に接続された中間点である接続点は、それぞれ一方向導通装置としてのダイオード３２を介して中間端子であるＣ電位端子４２に接続されている。

回生コンバータ５はスイッチＳ２１〜Ｓ３２を有する。それぞれ２直列接続して構成され、これらが三相フルブリッジ結線されている。回生コンバータ５の各相直列スイッチ回路はスイッチＳ２１，Ｓ２２、スイッチＳ２３，Ｓ２４、スイッチＳ２５，Ｓ２６、スイッチＳ２７，Ｓ２８、スイッチＳ２９，Ｓ３０、スイッチＳ３１，Ｓ３２をそれぞれ２直列接続して構成され、これらが三相フルブリッジ結線されている。回生コンバータ５の直流側は直流回路４０に接続され、交流側は回生用トランス６を介して交流電源１に接続されている

なお、回生コンバータ５の交流側を回生用トランス６を設けて交流電源１に接続しているのは、次の理由による。６パルスダイオード整流回路２１と６パルスダイオード整流回路２２とは、その直流出力側が直列接続されて直流回路４０のＰ電位端子４１及びＮ電位端子４３に接続されているので、６パルスダイオード整流回路２１はほぼＰ電位端子４１とＣ電位端子４２との間の電圧に相当する電圧で動作し、６パルスダイオード整流回路２１はほぼＣ電位端子４２とＮ電位端子４３との間の電圧に相当する電圧で動作する。一方、回生コンバータ５の直流側はＰ電位端子４１及びＮ電位端子４３に接続されているので、Ｐ電位とＮ電位との間の電圧で動作するので、回生コンバータ５の交流側の電位は６パルスダイオード整流回路２１及び６パルスダイオード整流回路２２の交流側の電位と異なる。このため、絶縁しないで直接は入力トランス２の二次巻線２ａあるいは二次巻線２ｂに接続することはできないためである。

また、詳細は図示していないが、スイッチＳ２１〜Ｓ３２を直列接続する場合、各スイッチの電圧分担をバランスさせる装置を設ける必要がある。具体的には、分圧コンデンサや分圧抵抗を各スイッチと並列に接続する。なお、回生コンバータ５を構成するスイッチＳ２１〜Ｓ３２と、３レベルインバータ３０を構成するスイッチ３１の耐電圧を同様とする場合を想定している。回生コンバータ５は、その図示しない直流側の正極側直流端子が直流回路４０のＰ電位端子４１に、直流側の負極側直流端子が直流回路４０のＮ電位端子４３にそれぞれ接続されている。回生コンバータ５の交流側は、回生用トランス６を介して交流電源１に接続されている。

特開昭６０−２２９６７７号公報（明細書の第１頁右下欄第７行〜第９行及び第１図）

従来の電力変換装置としての３レベル電力変換装置は以上のように構成され、回生コンバータ５を入力トランス２の二次巻線２ａ，２ｂに接続することはできないので、回生用トランス６を別途準備する必要がある。この場合、回生用トランス６は、回生電力を通流させる機能、および交流電源１の電圧と回生コンバータ５の出力電圧を整合させる機能を有することになる。電力変換装置としては、入力トランス２の設置スペースに加えて、回生用トランス６を設置するスペースが必要であり、装置が大型化するという問題点が生じる。さらに、システムとしては、一般的に回生電力が力行電力を上回ることはなく、回生運転のためだけに別途トランスを準備することは冗長であり、装置の大形化、重量の増加を招き、不利となる。

さらに、回生コンバータ５をいわゆる６パルス運転する場合、回生運転時に交流電源１側に流出する高調波による影響が懸念される。回生コンバータ５をＰＷＭ運転することによって影響を緩和することが可能であるが、回生コンバータ５を構成するスイッチＳ２１〜Ｓ３２の損失増大という別の問題点が生じる。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、装置の大形化や重量増加を避けることのできる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換装置においては、
整流回路と直流回路と電力変換器と回生コンバータ装置とを有する電力変換装置であって、
整流回路は、第１及び第２の三相全波整流回路を有し、第１及び第２の三相全波整流回路の交流入力側は交流電源に接続された変圧器の第１及び第２の二次巻線にそれぞれ接続され、第１及び第２の三相全波整流回路の直流出力側が直列に接続されて直流出力直列回路を形成するものであって、交流電源の交流を整流して直流を出力するものであり、
直流回路は、正極直流端子と負極直流端子とコンデンサとを有し、コンデンサが正極直流端子と負極直流端子との間に接続されたものであって、正極直流端子及び負極直流端子は直流出力直列回路の正極側及び負極側にそれぞれ接続されたものであり、
電力変換器は、複数の電力変換器用スイッチング手段を有し、直流回路に接続され電力変換器用スイッチング手段を開閉制御して整流回路の直流を交流に変換して交流回転電機に供給して電動機として動作させるとともに、交流回転電機が発電機として動作するとき交流回転電機の出力を整流して直流回路へ出力するものであり、
回生コンバータ装置は、正極側端子と負極側端子と第１及び第２の回生コンバータとを有し、第１及び第２の回生コンバータは複数の回生コンバータ用スイッチング手段が三相フルブリッジ接続され、その直流側が直列に接続されて回生コンバータ直列回路を形成し、回生コンバータ直列回路の正極側及び負極側が正極側及び負極側端子にそれぞれ接続されたものであって、正極側及び負極側端子が直流回路の正極及び負極直流端子にそれぞれ接続され、第１及び第２の回生コンバータの交流側が変圧器の第１及び第２の二次巻線にそれぞれ接続されたものである。

この発明は、
整流回路と直流回路と電力変換器と回生コンバータ装置とを有する電力変換装置であって、
整流回路は、第１及び第２の三相全波整流回路を有し、第１及び第２の三相全波整流回路の交流入力側は交流電源に接続された変圧器の第１及び第２の二次巻線にそれぞれ接続され、第１及び第２の三相全波整流回路の直流出力側が直列に接続されて直流出力直列回路を形成するものであって、交流電源の交流を整流して直流を出力するものであり、sr
直流回路は、正極直流端子と負極直流端子とコンデンサとを有し、コンデンサが正極直流端子と負極直流端子との間に接続されたものであって、正極直流端子及び負極直流端子は直流出力直列回路の正極側及び負極側にそれぞれ接続されたものであり、
電力変換器は、複数の電力変換器用スイッチング手段を有し、直流回路に接続され電力変換器用スイッチング手段を開閉制御して整流回路の直流を交流に変換して交流回転電機に供給して電動機として動作させるとともに、交流回転電機が発電機として動作するとき交流回転電機の出力を整流して直流回路へ出力するものであり、
回生コンバータ装置は、正極側端子と負極側端子と第１及び第２の回生コンバータとを有し、第１及び第２の回生コンバータは複数の回生コンバータ用スイッチング手段が三相フルブリッジ接続され、その直流側が直列に接続されて回生コンバータ直列回路を形成し、回生コンバータ直列回路の正極側及び負極側が正極側及び負極側端子にそれぞれ接続されたものであって、正極側及び負極側端子が直流回路の正極及び負極直流端子にそれぞれ接続され、第１及び第２の回生コンバータの交流側が変圧器の第１及び第２の二次巻線にそれぞれ接続されたものであるので、
交流回転電機が発電機として動作するとき交流回転電機の出力を整流して直流回路へ出力し、回生コンバータ装置から変圧器の第１及び第２の二次巻線を介して交流電源に送ることができるので、交流電源へ電力を送るために専用の変圧器を設けることを要さず、装置の大形化や重量増加を避けることができる。

この発明の実施の形態１である３レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。 図１の回生コンバータを構成するスイッチのオンオフ信号を示す波形図である。 この発明の実施の形態２である３レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。 三相構成の３レベルインバータの出力電圧電流波形と直流電圧波形である。 実施の形態２の３レベル電力変換装置の利点を説明するための説明図である。 実施の形態１と実施の形態２における３レベルインバータの出力電圧電流波形、入力トランス二次側電流波形、電源電流波形を示す波形図である。 実施の形態１と実施の形態２における３レベル電力変換装置の入力トランス二次側電流と電源電流のＦＦＴ結果である。 実施の形態３である５レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。 変形例である２レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。 従来の３レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１、図２は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は３レベル電力変換装置の構成を示す構成図、図２は回生コンバータのスイッチのオンオフ信号を示す波形図である。図１において、３レベル電力変換装置１００は次のように構成されている。整流回路としての１２パルスダイオード整流回路２０は、第１及び第２の三相全波整流回路としての６パルスダイオード整流回路２１，２２及び直流回路４０を有する。６パルスダイオード整流回路２１，２２は、それぞれ６個の整流素子としての整流ダイオードＤＲ１〜ＤＲ６，ＤＲ７〜ＤＲ１２が三相フルブリッジ結線された三相全波整流回路である。

そして、２台の６パルスダイオード整流回路２１，２２の直流側が直列接続され直流出力直列回路が形成されている。６パルスダイオード整流回路２１及び２２の交流側は、変圧器としての入力トランス１８のＹ及びΔ結線された二つの二次巻線１８ａ，１８ｂにそれぞれ接続される。なお、入力トランス１８は、Ｙ結線された一次側巻線が交流電源１に接続されている。

電力変換器としての３レベルインバータ３０は、直列接続された偶数個この実施の形態では２個の電力変換用スイッチング手段としてのスイッチ３１を有する６つの直列スイッチ回路が三相フルブリッジ結線されている。各直列スイッチ回路の２個のスイッチ３１が直列に接続された中間点である接続点は、それぞれ一方向導通装置としてのダイオード３２を介して後述の直流回路４０の中間端子であるＣ電位端子に接続されている。なお、スイッチ３１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの自己消弧型スイッチング素子と、当該素子と逆並列接続されるダイオードとを有する。３レベルインバータ３０の交流側は、交流回転電機としての交流モータ９に接続されている。

直流回路４０は、正極直流端子としてのＰ電位端子４１、中間端子としてのＣ（中間）電位端子４２、負極直流端子としてのＮ電位端子４３、コンデンサとしての正極側直流コンデンサ４５及び負極側直流コンデンサ４６を有する。正極側直流コンデンサ４５はＰ電位端子４１とＣ電位端子４２との間に接続され、負極側直流コンデンサ４６は、Ｃ電位端子４２とＮ電位端子４３との間に接続されている。１２パルスダイオード整流回路２０の直流出力直列回路の正極側は直流回路４０のＰ電位端子４１に接続され、１２パルスダイオード整流回路２０の直流出力直列回路の負極側は直流回路４０のＮ電位端子４３に接続されている。また、３レベルインバータ３０の直流側の正極及び負極は直流回路４０のＰ電位端子４１、Ｎ電位端子４３に接続され、交流側は交流モータ９に接続されている。なお、交流モータ９は、例えば図示しないファンやポンプなどを駆動するために用いられる。

回生コンバータ装置５０は、回生コンバータ５１，５２、正極側端子としてのＰコンバータ端子５４、中間端子としてのＣ（中間）コンバータ端子５５、負極側端子としてのＮコンバータ端子５６を有する。回生コンバータ５１及び回生コンバータ５２は、それぞれ６個の回生コンバータ用スイッチング手段としてのスイッチＳ１〜Ｓ６，Ｓ７〜Ｓ１２が三相フルブリッジ結線された三相２レベル変換器である。回生コンバータ５１の交流側は、インダクタンス要素としての交流リアクトル６１を介して入力トランス１８のＹ結線された二次巻線１８ａに接続されている。

回生コンバータ５２の交流側は、インダクタンス要素としての交流リアクトル６２を介して入力トランス１８のΔ結線された二次巻線１８ｂに接続されている。回生コンバータ５１及び回生コンバータ５２の各直流側は直列に接続され、回生コンバータ直列回路を形成している。そして、この回生コンバータ直列回路の正極側がＰコンバータ端子５４に接続され、回生コンバータ直列回路の負極側がＮコンバータ端子５６に接続されている。回生コンバータ５１の直流側と回生コンバータ５２の直流側との接続点がＣコンバータ端子５５に接続されている。そして、回生コンバータ装置５０のＰコンバータ端子５４は直流回路４０のＰ電位端子４１と接続され、Ｃコンバータ端子５５は直流回路４０のＣ電位端子４２と接続され、Ｎコンバータ端子５６は直流回路４０のＮ電位端子４３とそれぞれ接続されている。

次に、動作を説明する。力行運転時は、入力トランス１８で降圧された交流電力は１２パルスダイオード整流回路２０によって直流電力に変換される。変換された直流電力は、直流回路４０で平滑化された後、３レベルインバータ３０へ供給され、交流に変換されて交流モータ９に供給され、交流モータ９は例えば図示しないファンを駆動する。なお、３レベルインバータ３０へ供給される電力の一部は、回生コンバータ５１と回生コンバータ５２を通して供給されることになる。ただし、交流リアクトル６１，６２によって限流されるため、その電力量は問題にはならない。

なお、直流回路４０の正極側直流コンデンサ４５の電圧Ｖｐｃと、負極側直流コンデンサ４６の電圧Ｖｃｎは、平均的にはバランスするように制御される。この電圧バランス制御機能は３レベルインバータ３０に付加されている。一方、瞬時的には、電圧Ｖｐｃと電圧Ｖｃｎはバランスしない。これは三相構成の３レベルインバータに起因する事象で、それぞれインバータ出力周波数の３倍周波数で変動する。このとき、直流回路４０のＰ電位端子４１とＮ電位端子４３間の電圧（Ｖｐｃ＋Ｖｃｎ）は瞬時的にもほぼ一定値である。

一方、回生運転時は、例えば図示しないエレベータの籠の慣性により発生する回生エネルギーは、交流モータ９が発電機として動作することにより交流電力に変換され、３レベルインバータ３０によって直流電力に変換される。変換された直流電力は、直流回路４０で平滑化された後、回生コンバータ５１と回生コンバータ５２によって交流電力に変換され、交流リアクトル６１，６２を介して入力トランス１８の二次巻線１８ａ，１８ｂへ送られる。送られた交流電力は、入力トランス１８で昇圧されて交流電源１へ戻される。

次に、回生コンバータ５１を構成するスイッチＳ１〜Ｓ６と、回生コンバータ５２を構成するスイッチＳ７〜Ｓ１２のオンオフ信号について説明する。図２（ａ）に交流電源の相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの電圧波形を、図２（ｂ）及び（ｃ）にスイッチＳ１〜Ｓ６およびスイッチＳ７〜Ｓ１２のオンオフ信号を示す。図１に示す入力トランス１８では、一次側相電圧位相に対して、Ｙ結線された二次巻線１８ａの相電圧は同位相、Δ結線された二次巻線１８ｂの相電圧は３０度遅れ位相となる。スイッチＳ１〜Ｓ６およびスイッチＳ７〜Ｓ１２の通電幅はともに１２０度であり、スイッチＳ１〜Ｓ６に対してスイッチＳ７〜Ｓ１２は３０度遅れ位相でオンオフする。

回生コンバータ５１と回生コンバータ５２に使用するスイッチＳ１〜Ｓ１２へ要求される耐電圧仕様は、３レベルインバータ３０に使用するスイッチのそれと同様であり、スイッチを直列接続して耐電圧を確保する必要はない。
また、回生電力は、交流リアクトル６１，６２を介して入力トランス１８によって交流電源に戻すので、別途回生用トランスを準備する必要はない。
従って、別途回生用トランスを設ける必要がなく、装置の大形化や重量増を避けることができる。

実施の形態２．
図３〜図７は、実施の形態２を示すものであり、図３は３レベル電力変換装置の構成を示す構成図、図４は三相構成の３レベルインバータの出力電圧及び出力電流波形と直流電圧波形を示す波形図、図５は図３の３レベル電力変換装置の利点を説明するための説明図である。図６は図１と図３の３レベルインバータの出力電圧及び出力電流波形、入力トランスの二次側電流波形、電源電流波形を示す波形図である。図７は図１と図３の３レベル電力変換装置における入力トランスの二次側電流と電源電流のＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）結果である。

ここで、実施の形態１である図１の３レベル電力変換装置１００と図３における３レベル電力変換装置２００との差異を説明する。図３において、変圧器としての入力トランス２は、実施の形態１における入力トランス１８と仕様が異なり、図１０に示した従来のものと同様のものであるが、その理由は後で説明する。また、回生コンバータ装置１５０は、図１に示した実施の形態１における回生コンバータ装置５０にコンバータ側コンデンサとしてのコンデンサ７１，７２及び一方向導通装置としての逆流防止ダイオード７５，７６を加えたものである。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同様符号を付して説明を省略する。

回生コンバータ装置１５０のＰコンバータ端子５４とＣコンバータ端子５５の端子間には、コンデンサ７１が接続されている。また、回生コンバータ装置１５０のＣコンバータ端子５５とＮコンバータ端子５６の端子間には、コンデンサ７２が接続されている。回生コンバータ装置１５０のＰコンバータ端子５４は逆流防止ダイオード７５を介して直流回路４０のＰ電位端子４１に接続されている。

回生コンバータ装置１５０のＮコンバータ端子５６は、逆流防止ダイオード７６を介して直流回路４０のＮ電位端子４３に接続されている。回生コンバータ装置１５０のＣコンバータ端子５５は、回生コンバータ５１の図示しない負極側端子及び回生コンバータ５２の図示しない正極側端子とは接続されているが、直流回路４０のＣ電位端子４２とは接続されていない。また、回生コンバータ５１と回生コンバータ５２を構成するスイッチＳ１〜Ｓ１２のオンオフ信号は、本実施の形態の場合、力行運転中は常時オフとし、回生コンバータ装置５０を通して電流が流れないようにしている。

この実施の形態における利点を以下に説明する。
実施の形態１において説明したように、３レベルインバータ３０の直流回路４０の正極側直流コンデンサ４５の電圧Ｖｐｃと、負極側直流コンデンサ４６の電圧Ｖｐｃは、平均的にはバランスするように制御される。この電圧バランス制御機能は３レベルインバータ３０に付加されている。一方、瞬時的には、電圧Ｖｐｃと電圧Ｖｃｎはバランスしない。これは三相構成の３レベルインバータに起因する事象で、それぞれインバータ出力周波数の３倍周波数で変動する。

このとき、直流回路４０のＰ電位端子４１とＮ電位端子４３間の電圧（Ｖｐｃ＋Ｖｃｎ）は瞬時的にもほぼ一定値である。従って、直流回路４０のＣ電位端子４２が、３レベルインバータ３０の出力周波数の３倍周波数で変動することになる。具体例として、図４に３レベルインバータ３０の出力電圧Ｖｏ、出力電流Ｊｏ、電圧（Ｖｐｃ＋Ｖｃｎ），Ｖｐｃ，Ｖｃｎのシミュレーション波形を示す。この図４の例では、３レベルインバータ３０の出力周波数は４０Ｈｚである。電圧（Ｖｐｃ＋Ｖｃｎ）は瞬時的にほぼ一定値であるが、電圧Ｖｐｃと電圧Ｖｃｎの瞬時値は４０Ｈｚの３倍の１２０Ｈｚで変動していることがわかる。

従来の図１０の３レベル電力変換装置の場合、２台の６パルスダイオード整流回路２１，２２にて構成される１２パルスダイオード整流回路２０から見た直流電圧は、直流回路４０のＰ電位端子４１とＮ電位端子４３間の電圧（Ｖｐｃ＋Ｖｃｎ）となる。従って、１２パルスダイオード整流回路２０側は、Ｃ電位端子４２の電位の変動の影響を受けない。
一方、実施の形態１である図１の３レベル電力変換装置１００では、１２パルスダイオード整流回路２０から見た直流電圧は、同様に直流回路４０のＰ電位端子４１とＮ電位端子４３間の電圧（Ｖｐｃ＋Ｖｃｎ）となる。しかし、回生コンバータ５１の負極側と回生コンバータ５２の正極側とは共通にＣコンバータ端子５５に接続され、Ｃコンバータ端子５５は直流回路４０のＣ電位端子４２に接続されている。

ここで、図１において、スイッチＳ１〜Ｓ１２を構成する自己消弧型スイッチング素子であるＩＧＢＴをあえて削除してみる。削除した場合の回路図が図５であり、これは図１においてスイッチＳ１〜Ｓ１２へ常時オフ信号を与えた場合と等価である。図５の回生コンバータ装置１５０の状態を見ると、回生コンバータ５１，５２は直列接続された２台の６パルスダイオード整流回路を構成し、その中間点がＣコンバータ端子５５に接続された形となっており、そのＣコンバータ端子５５が直流回路４０のＣ電位端子４２と接続されている。このため、直流回路４０のＣ電位端子４２変動の影響が、回生コンバータ５１と回生コンバータ５２を介して入力トランス１８および交流電源１側に現れることになる。

具体的な影響を、シミュレーション波形とＦＦＴ結果を用いて説明する。比較対象は、図１の３レベル電力変換装置１００と図３に示す３レベル電力変換装置２００であり、３レベルインバータ３０の出力周波数は４０Ｈｚで力行運転を行う。また、電源周波数は５０Ｈｚとし、回生コンバータ５１，５２のスイッチＳ１〜Ｓ１２には常時オフ信号を与えてスイッチＳ１〜Ｓ１２をオフにしておく。

図６に、シミュレーション波形を示す。図６（ａ）及び（ｄ）に示すように、３レベルインバータ３０の出力電圧Ｖｏ及び電流Ｊｏの波形は、３レベル電力変換装置１００と３レベル電力変換装置２００とで同様である。一方、入力トランス１８の二次側電流Ｊｔ２の波形を図６（ｂ）に、入力トランス２の二次側電流Ｊｔ２の波形を図（ｅ）に示すが、図のように大きく異なる。また、電源電流Ｊｔ１の波形を、図６（ｃ）及び（ｆ）に示すが、３レベル電力変換装置１００の場合は周期毎の波形が若干異なっている。

次に、図７に入力トランス１８，２の二次側電流Ｊｔ２と電源電流Ｊｔ１のＦＦＴ結果を示す。図７のＦＦＴ結果によると、図７（ａ）及び（ｃ）に示すように入力トランス１８，２の二次側電流Ｊｔ２においては、３レベル電力変換装置２００の場合は３レベル電力変換装置１００の二次側電流Ｊｔ２に比べて５次調波（２５０Ｈｚ）Ｈ５が３０％程度小さくなる（図５（ａ）及び（ｃ））。７次調波Ｈ７は、３レベル電力変換装置１００の二次側電流Ｊｔ２に比べて若干大きいが、５次調波よりも低次側に高調波成分が現れていない（図７（ｄ））。また、電源電流Ｊｔ１についても、図７（ｂ）及び（ｄ）に示すように３レベル電力変換装置２００の場合には、１２パルスダイオード整流回路２０の特性高調波である１１次（５５０Ｈｚ）Ｈ１１よりも低次側に高調波成分は現れていないが、３レベル電力変換装置１００の場合は低次側に高調波成分が現れている。

ここで、本発明のように力行運転時の電力を１２パルスダイオード整流回路２０に通流し、回生運転時の電力を回生コンバータ装置５０，１５０に通流する構成は、力行電力＞回生電力となるシステム、あるいは力行電力＝回生電力かつ力行運転時間＞回生運転時間となるシステムへ適用するのが一般的であると言える。上記に該当しないシステムにおいては、３レベルインバータ３０と同様の構成のものを整流回路として使用する場合が多い。

３レベル電力変換装置２００のシミュレーション波形（図６（ｄ）〜（ｆ））及びＦＦＴ結果（図７（ｃ），（ｄ））は、回生コンバータ装置１５０を接続しない場合のそれと同様である。つまり、力行運転を考慮すると、入力トランス２は回生コンバータ装置１５０の有無によらず従来の入力トランス２（図１０）と同様仕様のものが適用可能となる。一方、３レベル電力変換装置１００については、従来の入力トランス２（図１０）に比し回生コンバータ装置５０を付加したことを考慮した入力トランス１８の設計が必要になる。

つまり、実施の形態２によれば、入力トランス２は回生コンバータ装置１５０の有無によらず従来の入力トランス２（図１０）と同様仕様のものが適用可能となる。一方、図１における３レベル電力変換装置１００の入力トランス１８については、従来の入力トランス２（図１０）に比し回生コンバータ装置５０の交流側を入力トランス１８の二次側に接続したことを考慮した入力トランス１８の設計が必要になる。これは、力行運転だけが可能であった装置に回生コンバータを付加すれば、入力トランスは変更せずに回生運転が可能になることを意味し、機能拡張への柔軟性という利点をもたらす。
また、電源高調波については、回生コンバータ装置１５０を接続してもその特性が変化しないので、追加の高調波対策の必要が生じることはない。

実施の形態３．
図８は実施の形態３である５レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。図９は変形例である２レベル電力変換装置の構成を示す構成図である。上記実施の形態１及び２では、３レベルインバータ３０を使用する例について説明を行った。しかし、インバータは、３レベルインバータ３０に限定されるものではない。１２パルスダイオード整流回路２０とマルチレベルインバータとを組み合わせた各種の電力変換装置に適用可能である。

図８において、５レベル電力変換装置３００は、５レベルインバータ３３０及び実施の形態１で説明した構成の回生コンバータ装置５０を有し、５レベルインバータ３３０に回生コンバータ装置５０が接続されている。５レベルインバータ３３０は、３つのインバータ回路３３１を有する。インバータ回路３３１は、直列接続された２個のスイッチ３１を有する４つの直列スイッチ回路が単相フルブリッジ結線されている。インバータ回路３３１の直流側の図示しない正極及び負極端子は、Ｐ電位端子４１及びＮ電位端子４３にそれぞれ接続されている。回生コンバータ装置５０の動作については、図１に示した回生コンバータ装置５０と同様である。

５レベルインバータ３３０の交流側は、一方の端子が他の二つのインバータ回路３３１の交流側と共通にＹ状に接続され、他方の端子が交流モータ９の図示しない電機子巻線に接続されている。インバータ回路３３１は、インバータとして動作するときは、直流回路４０の直流を単相交流に変換し、３つのインバータ回路３３１にて、交流モータ９に三相交流を供給する。また、各直列スイッチ回路の２個のスイッチ３１が直列に接続される接続点は、それぞれダイオード３２を介して直流回路４０のＣ電位端子４２に接続されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同様符号を付して説明を省略する。

また、変形例である図９において、２レベル電力変換装置４００は、２レベルインバータ４３０及び実施の形態２で説明した構成の回生コンバータ装置１５０を有し、２レベルインバータ４３０の直流側に回生コンバータ装置１５０が接続されている。２レベルインバータ４３０は、直列接続された２個のスイッチ３１を有する６つの直列スイッチ回路が三相フルブリッジ結線されて構成されている。そして、２レベルインバータ４３０の直流側の図示しない正極及び負極端子は、Ｐ電位端子４１及びＮ電位端子４３にそれぞれ接続されている。また、交流側は交流モータ９に接続されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同様符号を付して説明を省略する。回生コンバータ装置１５０の動作については、図３に示した回生コンバータ装置１５０と同様である。

１ 交流電源、９ 交流モータ、２，１８ 入力トランス、
２ａ，２ｂ，１８ａ，１８ｂ 二次巻線、２０ １２パルスダイオード整流器、
２１，２２ ６パルスダイオード整流器、
３０，２３０，３３、４３０ ３レベルインバータ、４０ 直流回路、
４１，４２，４３ Ｐ，Ｃ，Ｎ各電位端子、４５，４６ 正極側及び負極側直流コンデンサ、５０，１５０ 回生コンバータ装置、５１，５２ 回生コンバータ、
５４，５５，５６ Ｐ，Ｃ，Ｎ各コンバータ端子、
７１，７２ コンデンサ、７５，７６ 逆流防止ダイオード、
１００，２００，３００，４００ ３レベル電力変換装置、
ＤＲ１〜ＤＲ１２ 整流ダイオード、Ｓ１〜Ｓ１２ スイッチ。

Claims (3)

1. 整流回路と直流回路と電力変換器と回生コンバータ装置とを有する電力変換装置であって、
   上記整流回路は、第１及び第２の三相全波整流回路を有し、上記第１及び第２の三相全波整流回路の交流入力側は交流電源に接続される変圧器の第１及び第２の二次巻線にそれぞれ接続され、上記第１及び第２の三相全波整流回路の直流出力側が直列に接続されて直流出力直列回路を形成するものであって、上記交流電源の交流を整流して直流を出力するものであり、
   上記直流回路は、正極直流端子と負極直流端子とコンデンサとを有し、上記コンデンサが上記正極直流端子と上記負極直流端子との間に接続されたものであって、上記正極直流端子及び上記負極直流端子は上記直流出力直列回路の正極側及び負極側にそれぞれ接続されたものであり、
   上記電力変換器は、複数の電力変換器用スイッチング手段を有し、上記直流回路に接続され上記電力変換器用スイッチング手段を開閉制御して上記整流回路の上記直流を交流に変換して交流回転電機に供給して電動機として動作させるとともに、上記交流回転電機が発電機として動作するとき上記交流回転電機の出力を整流して上記直流回路へ出力するものであり、
   上記回生コンバータ装置は、正極側端子と負極側端子と第１及び第２の回生コンバータとを有し、上記第１及び第２の回生コンバータは複数の回生コンバータ用スイッチング手段が三相フルブリッジ接続され、その直流側が直列に接続されて回生コンバータ直列回路を形成し、上記回生コンバータ直列回路の正極側及び負極側が上記正極側及び負極側端子にそれぞれ接続されたものであって、上記正極側及び負極側端子が上記直流回路の上記正極及び負極直流端子にそれぞれ接続され、上記第１及び第２の回生コンバータの交流側が上記変圧器の第１及び第２の二次巻線にそれぞれ接続されたものである
   電力変換装置。
2. 上記回生コンバータ装置は、第１及び第２のコンバータ側コンデンサ並びに第１及び第２の一方向導通装置とを有するものであって、
   上記第１及び第２のコンバータ側コンデンサが上記第１及び第２のコンバータの直流側にそれぞれ接続され、上記正極側端子が上記第１の一方向導通装置を介して上記直流回路の上記正極直流端子に接続され、上記負極側端子が上記第２の一方向導通装置を介して上記直流回路の上記負極直流端子に接続されたものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記回生コンバータ装置は、上記回生コンバータ用スイッチング手段を上記交流電源の電圧の変化に同期して電気角で１２０度の間通電するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

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