JP5440266B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、単相３レベルインバータを直列接続する構成を有する電力変換装置に関する。

この種の電力変換装置としては、例えば、順変換部及び逆変換部を有する単相インバータセルＵ１〜Ｕ６、Ｖ１〜Ｖ６、Ｗ１〜Ｗ６を複数直列に接続し、各単相インバータセルの順変換部に２つの入力トランスを介して交流電力を入力し、且つ盤内に収納された高圧インバータ装置において、各単相インバータセルを盤内に設けた絶縁支持枠によって絶縁距離を取って引き出し自在に支持し、２つの入力トランスから各単相インバータセルへの配線及び各単相インバータセル間の配線を盤内の前面により支持固定し、各単相インバータセルを構成する半導体スイッチング素子を制御するコントローラへの信号線である光ケーブルを絶縁支持枠により支持固定するようにした高圧インバータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような高圧インバータ装置に使用する単相インバータセルとしては、図１１に示すように、単相３レベルインバータセルが適用されている。この単相３レベルインバータセルは、第一交流入力端子１０１に接続された第一順変換器１０２と、この第一順変換器１０２の出力側に接続された第一の平滑コンデンサ１０３と、第二交流入力端子１０４に接続された第二順変換器１０５と、この第二順変換器１０５の出力側に接続された第二の平滑コンデンサ１０６とを有する直流変換部１０７を有する。この直流変換部１０７では、第一順変換器１０２及び第二順変換器１０５が直列に接続されると共に、平滑コンデンサ１０３及び１０６が直列に接続されることにより、平滑コンデンサ１０３及び１０６の直列回路から高電位出力ラインＬｐ、中性点ラインＬｍ及び低電位出力ラインＬｎが導出されている。

そして、高電位出力ラインＬｐと第一交流出力端子１０８との間に２つのスイッチング素子を直列に接続した上スイッチングアーム１０９が接続されている。また、第一交流出力端子１０８と低電位出力ラインＬｎとの間に２つのスイッチング素子を直列に接続した下スイッチングアーム１１０が接続されている。さらに、上スイッチングアーム１０９及び下スイッチングアーム１１０の接続中点と中性点ラインＬｍとの間にダイオード１１１及び１１２が接続されている。

同様に、高電位出力ラインＬｐと第二交流出力端子１１４との間に上スイッチングアーム１０９と同様の構成を有する上スイッチングアーム１１５が接続されている。また、第二交流出力端子１１４と低電位出力ラインＬｎとの間に下スイッチングアーム１１０と同様の構成を有する下スイッチングアーム１１６が接続されている。さらに、上スイッチングアーム１１５及び下スイッチングアーム１１６の接続中点と中性点ラインＬｍとの間にダイオード１１７及び１１８が接続されている。

そして、上記構成を有する単相３レベルインバータセルＳ１及びＳ２が図１２に示すように、交流電源１１９に一次側巻線が接続された変圧器１２０の二次側巻線１２１，１２２及び１２３，１２４に、それぞれ第一交流入力端子１０１及び第二交流入力端子１０４を接続する関係で接続されている。また、単相３レベルインバータセルＳ１の第二交流出力端子１１４が単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流出力端子１０８に接続されている。

特開２００６−２５４６７３号公報

しかしながら、図１１及び図１２に示す従来例にあっては、交流電源１１９に一次巻線が接続された変圧器１２０の二次側巻線１２１，１２２及び１２３，１２４に単相３レベルインバータセルＳ１及びＳ２の第一入力端子１０１及び第二入力端子１０４を接続するようにしているので、単相３レベルインバータセルＳ１及びＳ２の動作モードによっては隣接する二次側巻線間に印加される電圧が、前述した平滑コンデンサ１０３及び１０６の端子間電圧をＥｄｃとしたときに、４Ｅｄｃにも達する高電圧となる場合があり、二次側巻線間で最高電圧に応じた絶縁を確保する必要があり、変圧器の寸法が大型化するという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、複数の単相３レベルインバータセルを接続する変圧器の隣接する二次巻線間に高電圧が印加されることを抑制して絶縁構造を簡素化して変圧器を小型化することが可能な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、本発明の一の形態に係る電力変換装置は、交流が入力される第一交流入力端子及び第二交流入力端子と、単相交流を出力する第一交流出力端子及び第二交流出力端子とを有する複数Ｎ個の単相３レベルインバータセルを備え、
一つの一次巻線と複数２Ｎの二次巻線とを有する変圧器の二次巻線を前記Ｎ個の単相３レベルインバータの第一及び第二の交流入力端子に接続し、当該Ｎ個の単相３レベルインバータセルの交流出力端子を直列接続した構成を有する。

さらに、前記交流出力端子を直列接続された前記Ｎ個の単相３レベルインバータセルを接続順に第一セル、第二セル、第三セル、……、第Ｎセルとし、前記変圧器の二次巻線の構造的な位置の順に第一の二次巻線、第二の二次巻線、第三の二次巻線、……第２Ｎ−１の二次巻線、第２Ｎの二次巻線とする。
そして、前記変圧器の二次巻線と前記単相３レベルインバータセルとの接続関係は、
第Ｍ（Ｍは１〜Ｎの整数）セルの２つの交流入力端子には、第２Ｍ−１及び第２Ｍの二次巻線を接続する。その接続方法として、第一の接続方法及び第二の接続方法があり、これらの何れかを選択する。

第一の接続方法は、Ｍが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続する。一方、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続する。
第二の接続方法は、Ｍが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続する。一方、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続する。

また、上記構成を有する複数Ｎ個×Ｋ相分の単相３レベルインバータセルの第一及び第二交流入力端子を、一つの一次巻線と複数２Ｎ個×Ｋ相分の二次巻線とを有する変圧器の二次巻線に接続し、Ｋ相分それぞれ当該Ｎ個の単相３レベルインバータセルの交流出力端子を直列接続したＫ組の回路のそれぞれ一方の出力端子を共通接続するとともに他方の出力端子を各出力としてＫ相の高電圧を出力する電力変換装置を構成する。

さらに、前記交流出力端子を共通接続された前記Ｎ個の単相３レベルインバータセルを接続順に第一セル、第二セル、第三セル、……、第Ｎセルとし、前記変圧器の二次巻線の構造的な位置をＫ相分それぞれ順に第一の二次巻線、第二の二次巻線、第三の二次巻線、……第２Ｎ−１の二次巻線、第２Ｎの二次巻線とする。
そして、前記変圧器の二次巻線と前記単相３レベルインバータセルとの接続関係は、
第Ｍ（Ｍは１〜Ｎの整数）セルの２つの交流入力端子には、第２Ｍ−１及び第２Ｍの二次巻線を接続する。その接続方法として、第三の接続方法及び第四の接続方法があり、これらの何れかを選択する。

第三の接続方法は、Ｍが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続する。一方、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続する。
第四の接続方法は、Ｍが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続する。一方、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続する。

前述した単相３レベルインバータセルは、以下のように構成する。すなわち、前記第一交流入力端子から入力される交流電圧を直流に変換する第一の順変換器と、該順変換器の出力電圧を平滑する第一の平滑コンデンサと、前記第二交流入力端子から入力される交流電圧を直流に変換する第二の順変換器と、該順変換器の出力電圧を平滑する第二の平滑コンデンサとを有し、前記第一の平滑コンデンサの低電位側と第二の平滑コンデンサの高電位側を接続して、高電位側、中性点及び低電位側を有する直流直列回路を形成する。この直流直列回路の高電位側と第一交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と逆並列のダイオードとの並列回路を２個直列に接続した上アームを接続する。また、前記第一交流出力端子と前記低電位側との間に、半導体スイッチング素子と逆並列ダイオードとの並列回路を２個直列接続した下アームを接続する。さらに、前記各アームの２個の直列回路のそれぞれの中間接続点と前記中性点との間にそれぞれダイオードを接続する。これら上アーム及び下アームとダイオードとで第一の出力回路を構成する。

一方、前記高電位側と前記第二交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と逆並列のダイオードとの並列回路を２個直列に接続した上アームを接続する。また、前記第二交流出力端子と前記低電位側との間に、半導体スイッチング素子と逆並列ダイオードとの並列回路を２個直列接続した下アームを接続する。さらに、前記各アームの２個の直列回路の夫々の中間接続点と、前記中性点との間にそれぞれダイオードを接続する。これら上アーム及び下アームとダイオードとで第二の出力回路を形成する。
そして、第一及び第二の順変換器と、第一及び第二の平滑コンデンサと、第一及び第二の出力回路で単相３レベルインバータセルを構成する。

本発明によれば、上記のように、複数の単相３レベルインバータセルの交流入力端子を変圧器の二次側に接続し、交流出力端子を直列に接続して高電圧を発生させる電力変換装置において、第一の接続方法及び第二の接続方法の何れかを選択することにより、変圧器の隣接する二次巻線間に高電圧が印加されることを抑制し、絶縁構造を簡素化して変圧器を小型化することができる。

本発明の第１の実施形態を示す電力変換装置を示すブロック図である。 図１の単相３レベルインバータセルの具体的構成を示す回路図である。 従来例と同様の接続を行った場合の電力変換装置を示すブロック図である。 従来例の単相３レベルインバータセルの一方の第二出力端子と他方の第一出力端子の出力電位の組み合わせを示す説明図である。 図３における第１〜第３の出力電位の組み合わせに対応するセル入力端子間電圧モデル及び各入力端子間電圧を示す説明図である。 図３における第４〜第６の出力電位の組み合わせに対応するセル入力端子間電圧モデル及び各入力端子間電圧を示す説明図である。 図３における第７〜第９の出力電位の組み合わせに対応するセル入力端子間電圧モデル及び各入力端子間電圧を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態を示すブロック図である。 従来の単列３レベルインバータセルの具体的構成を示す回路図である。 従来例の電力変換装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、単相出力の回路を例として説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示す電力変換装置のブロック図である。図中、１は交流電源であって、この交流電源１から出力される交流電力が変圧器２の一次巻線Ｌｆに入力される。変圧器２の二次側には、４つの二次巻線Ｌｓ１〜Ｌｓ４が設けられている。そして、二次巻線Ｌｓ１及びＬｓ２に第一の単相３レベルインバータセルＳ１が接続され、二次巻線Ｌｓ３及びＬｓ４に第二の単相３レベルインバータセルＳ２が接続されている。

単相３レベルインバータセルＳ１は、第一交流入力端子１１及び第二交流入力端子１２と第一交流出力端子１５及び第二交流出力端子１６とを有する。また、単相３レベルインバータセルＳ２は第一交流入力端子１３及び第二交流入力端子１４と第一交流出力端子１７及び第二交流出力端子１８とを有する。
そして、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一入力端子１１及び第二入力端子１２が変圧器２の二次巻線Ｌｓ１及びＬｓ２に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３が変圧器の二次巻線Ｌｓ４に接続され、第二交流入力端子１４が変圧器の二次巻線Ｌｓ３に接続されている。

さらに、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第二交流出力端子１６が第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第１交流出力端子１７に直列に接続されている。
第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流出力端子１５及び第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第二交流出力端子１８が図示しない電動モータ等の単相負荷に接続されている。
そして、各単相３レベルインバータセルＳ１は、図２に示すように構成されている。すなわち、第一交流入力端子１１が交流を直流に変換する第一の順変換器２１に接続され、第二交流入力端子１２が交流を直流に変換する第二の順変換器２２に接続されている。第一の順変換器２１の出力側には第一の平滑コンデンサ２３が接続され、第二の順変換器２２の出力側には第二の平滑コンデンサ２４が接続されている。

そして、第一の順変換器２１及び第二の順変換器２２が直列に接続されていると共に、第一の平滑コンデンサ２３及び第二の平滑コンデンサ２４が直列に接続されて直流変換部２５が構成されている。この直流変換部２５からは、第一の順変換器２１の正極出力側と平滑コンデンサ２３との接続点から高電位側ラインＬｐが導出され、第一及び第二の平滑コンデンサ２３及び２４の接続点から中性点ラインＬｍが導出され、第二の順変換器２２の負極側と第二の平滑コンデンサ２４との接続点から低電位側ラインＬｎが導出されている。

そして、高電位側ラインＬｐと第一の交流出力端子１５との間に上スイッチングアーム３０が接続されている。この上スイッチングアーム３０は、高電位側ラインＬｐに接続された半導体スイッチング素子３１と逆並列ダイオード３２との並列回路と、半導体スイッチング素子３３と逆並列ダイオード３４との並列回路とが直列に接続された構成を有する。
また、第一の交流出力端子１５と低電位側ラインＬｎとの間に下スイッチングアーム３６が接続されている。この下スイッチングアーム３６は、第一の交流出力端子１５に接続された半導体スイッチング素子３７と逆並列ダイオード３８との並列回路と、半導体スイッチング素子３９と逆並列ダイオード４０との並列回路とが直列に接続された構成を有する。

さらに、高電位側ラインＬｐと第二の交流出力端子１６との間に、上スイッチングアーム５０が接続されている。この上スイッチングアーム５０は、高電位側ラインＬｐに接続された半導体スイッチング素子５１と逆並列ダイオード５２との並列回路と、半導体スイッチング素子５３と逆並列ダイオード５４との並列回路とが直列に接続された構成を有する。
また、第二交流出力端子１６と低電位側ラインＬｎとの間に下スイッチングアーム５６が接続されている。この下スイッチングアーム５６は、第二の交流出力端子１６に接続された半導体スイッチング素子５７と逆並列ダイオード５８との並列回路と、半導体スイッチング素子５９と逆並列ダイオード６０との並列回路とが直列に接続された構成を有する。

さらに、中性点ラインＬｍと上スイッチングアーム３０の並列回路の接続点との間にダイオード６１が接続され、中性点ラインＬｍと下スイッチングアーム３６の並列回路の接続点との間にダイオード６２が接続されている。
さらにまた、中性点ラインＬｍと上スイッチングアーム５０の並列回路の接続点との間にダイオード６３が接続され、中性点ラインＬｍと下スイッチングアーム５６の並列回路の接続点との間にダイオード６４が接続されている。なお、半導体スイッチング素子としてはＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を適用することができる。

また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２も図２と同様の構成を有する。
そして、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１を変圧器２の第１番目の二次巻線Ｌｓ１に接続し、第二交流入力端子１２を変圧器の第２番目の二次巻線Ｌｓ２に接続し、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３を変圧器２の第４番目の二次巻線Ｌｓ４に接続し、第二交流入力端子１４を変圧器２の第３番目の二次巻線Ｌｓ３に接続することにより、変圧器２の隣接する二次巻線間に高電圧が印加されることを抑制するようにしている。

すなわち、前述した従来例の図８と同様に、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一及び第二の交流入力端子１１及び１２を変圧器２の第１番目及び第２番目の二次巻線Ｌｓ１及びＬｓ２に接続し、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一及び第二の交流入力端子１３及び１４を変圧器２の第３番目及び第４番目の二次巻線Ｌｓ３及びＬｓ４と接続する場合には、第一の単相３レベルインバータセルＳ１及び第二の単相３レベルインバータセルＳ２の動作モードによる出力電位の組み合わせは、図４に示す９通りとなる。すなわち、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の出力端子１６の出力電位が高電位であるＰであるときに、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の出力端子１７の出力電位は高電位であるＰ、中性電位であるＭ及び低電位であるＮの３通りとなる。同様に、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の出力端子１６の出力電位が中性電位であるＭであるとき及び低電位Ｎであるときにも、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の出力端子１７の出力電位は高電位であるＰ、中性電位であるＭ及び低電位であるＮの３通りとなる。

これらの出力電位の組み合わせ毎の単相３レベルインバータセルの入力端子間電圧モデル及び入力端子間電圧は、第一及び第二の平滑コンデンサ２３及び２４の端子間電圧をＥｄｃとすると、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第二交流出力端子１６の出力電位が高電位Ｐであるときには、図５（ａ）〜（ｃ）に示す組み合わせとなる。
このとき、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一出力端子１７の出力電位が高電位Ｐである場合には、図５（ａ）に示す接続関係となり、入力端子間電圧は、入力端子１１〜１３間の端子間電圧はＥｄｃとなり、入力端子１１〜１４間の端子間電圧は２Ｅｄｃとなり、入力端子１２〜１３間の端子間電圧は２Ｅｄｃとなり、入力端子１２〜１４間の端子間電圧はＥｄｃとなる。

また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の出力端子１７の出力電位が中性電位Ｍであるときには、図５（ｂ）に示す接続関係となり、入力端子電圧は入力端子１１〜１３間で２Ｅｄｃ、入力端子１１〜１４間でＥｄｃ、入力端子１２〜１３間で２Ｅｄｃ、入力端子１２〜１４間で２Ｅｄｃとなる。
さらに、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の出力端子１７の出力電位が低電位Ｎであるときには、図５（ｃ）に示す接続関係となり、入力端子電圧は入力端子１１〜１３間で３Ｅｄｃ、入力端子１１〜１４間で２Ｅｄｃ、入力端子１２〜１３間で４Ｅｄｃ、入力端子１２〜１４間で３Ｅｄｃとなる。

その他の電位組み合わせも図６（ａ）〜（ｃ）及び図７（ａ）〜（ｃ）に示すようになり、結局、入力端子間電圧が最大４Ｅｄｃとなるのは、図５（ｃ）の組み合わせと図７（ａ）の組み合わせとの２つのみである。
すなわち、図５（ｃ）では、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第二交流出力端子１６が高電位Ｐであり、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流出力端子１７が低電位Ｎとなる組み合わせであり、このときの入力端子１２〜１３間の入力端子間電圧が４Ｅｄｃとなる。また、図７（ａ）では、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第二出力端子１６が低電位Ｎであり、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一出力端子１７が高電位Ｐとなる組み合わせであり、このときの入力端子１１〜１４間の入力端子間電圧が最高電圧４Ｅｄｃとなる。

ここで、図７（ａ）の場合には、入力端子１１〜１４間であり、変圧器２の二次巻線で見れば、第１番目のＬｓ１と第４番目のＬｓ４との間であり、隣接する二次巻線に高電圧が印加されるものではないので、問題はない。しかしながら、図５（ｃ）の場合には、入力端子１２〜１３間であって隣接しており、変圧器２の二次巻線も隣接する第２番目のＬｓ２と第３番目のＬｓ３との間に高電圧が印加されることになる。このため、端子間電圧４Ｅｄｃに対応する耐電圧値を必要として高い絶縁性を確保する必要があり、このままでは変圧器２の高さが高くなってしまい大型化する。

このため、本実施形態では、最大の端子間電圧４Ｅｄｃを生じる入力端子間が２つであり、実際に問題となる入力端子間は入力端子１２〜１３であることから、入力端子１３を変圧器２の第４番目の二次巻線Ｌｓ４に接続し、入力端子１４を第３番目の二次巻線Ｌｓ３に接続することにより、前述した図５（ｃ）のように、入力端子１２及び１３間の端子間電圧が４Ｅｄｃとなっても、変圧器２側では隣接する二次巻線間に高電圧が印加されることを防止し、隣接する二次巻線Ｌｓ２及びＬｓ３間の端子間電圧を４Ｅｄｃから３Ｅｄｃに抑制することができる。
このため、変圧器２の隣接する二次巻線間に必要な耐電圧値を小さくすることができ、変圧器２の高さが高くなることを防止して、電力変換装置全体の構成を小型化することができる。

この第１の実施形態では、直列に接続する単相３レベルインバータセルが２つであ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、直列に接続する単相３レベルインバータセルがＮ（Ｎは正の整数）個であり、変圧器２の二次巻線の数が２Ｎ個であるものとした場合には、以下のようになる。すなわち、第Ｍ番目の単相３レベルインバータセルのＭが奇数であるセルについては、第２Ｍ−１番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第一交流入力端子に接続する。また、第２Ｍ番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第二交流入力端子に接続する。一方、Ｍが偶数である単相３レベルインバータセルについては、第２Ｍ−１番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第二交流入力端子に接続する。また、第Ｍ番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第一交流入力端子に接続することで第一の接続方法を実施することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図８について説明する。
この第２の実施形態では、上述した第１の実施形態とは逆に、第一の単相３レベルインバータセルＳ１については、第一交流入力端子１１を変圧器２の第２番目の二次巻線Ｌｓ２に接続し、第二交流入力端子１２を変圧器２の第１番目の二次巻線Ｌｓ１に接続する。一方、第二の単相３レベルインバータセルＳ２については、第一交流入力端子１３を変圧器２の第３番目の二次巻線Ｌｓ３に接続し、第二交流入力端子１４を変圧器の第４番目の二次巻線Ｌｓ４に接続する第２の接続方法とされている。

この第２の実施形態によると、第１の単相３レベルインバータセルＳ１側で第一交流入力端子１１及び第二交流入力端子１２の接続先となる変圧器２の二次巻線を入れ替えたので、前述した第１の実施形態と同様に、図５（ｃ）における入力端子間電圧が最高値の４Ｅｄｃとなる入力端子１２及び１３の接続先となる二次巻線がＬｓ１とＬｓ３となって隣接する二次巻線間に高電圧が印加されることはなく、耐電圧値を抑制して変圧器の高さが高くなることを防止することができる。

この第２の実施形態では、直列に接続する単相３レベルインバータセルが２つであ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、直列に接続する単相３レベルインバータセルがＮ（Ｎは正の整数）個であり、変圧器２の二次巻線の数が２Ｎ個であるものとした場合には、以下のようになる。すなわち、第Ｍ番目の単相３レベルインバータセルのＭが奇数であるセルについては、第２Ｍ−１番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第二交流入力端子に接続する。また、第２Ｍ番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第一交流入力端子に接続する。一方、Ｍが偶数である単相３レベルインバータセルについては、第２Ｍ−１番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第一交流入力端子に接続する。また、第Ｍ番目の二次巻線を単相３レベルインバータセルの第二交流入力端子に接続することで第二の接続方法を実施することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図９について説明する。
この第３の実施形態では、複数Ｎ個×Ｋ相分の単相３レベルインバータセルを備えたものであり、Ｎ＝２，Ｋ＝３の回路を示すものである。
すなわち、第３の実施形態では、電力変換装置が、図９に示すように、第１の実施形態における単相３レベルインバータセルＳ１及びＳ２をそれぞれ有する３つの第一相電力変換部ＰＴ１、第二相電力変換部ＰＴ２及び第三相電力変換部ＰＴ３を備えている。

そして、第一相電力変換部ＰＴ１については、前述した第１の実施形態と同様に第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１及び第二交流入力端子１２が変圧器２の二次巻線Ｌｓ１１及びＬｓ１２に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３が変圧器の二次巻線Ｌｓ１４に接続され、第二交流入力端子１４が変圧器の二次巻線Ｌｓ１３に接続されている。

同様に、第二相電力変換部ＰＴ２についても、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１及び第二交流入力端子１２が変圧器２の二次巻線Ｌｓ２１及びＬｓ２２に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３が変圧器の二次巻線Ｌｓ２４に接続され、第二交流入力端子１４が変圧器の二次巻線Ｌｓ２３に接続されている。
さらに、第三相電力変換部ＰＴ３についても、第一の単相交流３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１及び第二交流入力端子１２が変圧器２の二次巻線Ｌｓ３１及びＬｓ３２に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３が変圧器の二次巻線Ｌｓ３４に接続され、第二交流入力端子１４が変圧器の二次巻線Ｌｓ３３に接続されている。

さらに、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３の第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第二出力端子１６と第二の単相３ベルインバータセルＳ２の第一出力端子１７とが接続され、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３の第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第二出力端子１８が互いに共通接続されている。
また、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３の第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一出力端子１５が図示しない３相電動モータ等の３相負荷に接続されている。

この第３の実施形態によると、各相電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３のそれぞれが前述した第１の実施形態と同様の構成を有するので、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記第３の実施形態においては、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３のそれぞれについて前述した第１の実施形態と同様に、直列に接続する単相３レベルインバータセルがＮ（Ｎは正の整数）個とし、変圧器２の二次巻線の数が２Ｎ個として、第一の接続方法を実施することができる。
また、上記第３の実施形態においては、相数を三相とした場合について説明したが、これに限らず、四相以上の任意相数とすることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図１０について説明する。
この第４の実施形態は、前述した第３の実施形態と同様に、複数Ｎ個×Ｋ相分の単相３レベルインバータセルを備えたものであり、Ｎ＝２，Ｋ＝３の回路を示すものである。
すなわち、第４の実施形態では、電力変換装置が、図１０に示すように、前述した第３の実施形態と同様に、第１の実施形態における単相３レベルインバータセルＳ１及びＳ２をそれぞれ有する３つの第一相電力変換部ＰＴ１、第二相電力変換部ＰＴ２及び第三相電力変換部ＰＴ３を備えている。

そして、第一相電力変換部ＰＴ１については、前述した第２の実施形態と同様に第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１が変圧器２の第２番目の二次巻線Ｌｓ１２に接続され、第二交流入力端子１２が変圧器の第１番目の二次巻線Ｌｓ１１に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３及び１４がそれぞれ変圧器の第３番目及び第４番目の二次巻線Ｌｓ１３及びＬｓ１４に接続されている。

同様に、第二相電力変換部ＰＴ２についても、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１が変圧器２の第６番目の二次巻線Ｌｓ２２に接続され、第二交流入力端子１２が変圧器の第５番目の二次巻線Ｌｓ２１に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３及び１４がそれぞれ変圧器の第７番目及び第８番目の二次巻線Ｌｓ２３及びＬｓ２４に接続されている。

さらに、第三相電力変換部ＰＴ３についても、第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一交流入力端子１１が変圧器２の第１０番目の二次巻線Ｌｓ３２に接続され、第二交流入力端子１２が変圧器の第９番目の二次巻線Ｌｓ３１に接続されている。また、第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第一交流入力端子１３及び１４がそれぞれ変圧器の第１１番目及び第１２番目の二次巻線Ｌｓ３３及びＬｓ３４に接続されている。

さらに、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３の第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第二出力端子１６と第二の単相３ベルインバータセルＳ２の第一出力端子１７とが接続され、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３の第二の単相３レベルインバータセルＳ２の第二出力端子１８が互いに共通接続されている。
また、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３の第一の単相３レベルインバータセルＳ１の第一出力端子１５が図示しない３相電動モータ等の３相負荷に接続されている。

この第４の実施形態によると、各相電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３のそれぞれが前述した第２の実施形態と同様の構成を有するので、前述した第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記第４の実施形態においては、各電力変換部ＰＴ１〜ＰＴ３のそれぞれについて前述した第１の実施形態と同様に、直列に接続する単相３レベルインバータセルがＮ（Ｎは正の整数）個とし、変圧器２の二次巻線の数が２Ｎ個として、第二の接続方法を実施することができる。

また、上記第４の実施形態においては、相数を三相とした場合について説明したが、これに限らず、四相以上の任意相数とすることができる。
また、単相３レベルインバータセルの構成は、上記構成に限定されるものではなく、各上スイッチングアーム及び下スイッチングアームの半導体スイッチング素子数は任意の偶数に設定することができ、さらにダイオード６１〜６４に代えて所望時に導通制御されるスイッチ回路を適用することもできる。

１…交流電源、２…変圧器、Ｌｆ…一次巻線、Ｌｓ１〜Ｌｓ４…二次巻線、Ｓ１，Ｓ２…単相３レベルインバータセル、１１…第一交流入力端子、１２…第二交流入力端子、１３…第一交流入力端子、１４…第二交流入力端子、１５…第一交流出力端子、１６…第二交流出力端子、１７…第一交流出力端子、１８…第二交流出力端子、２１…第一の順変換器、２２…第二の順変換器、２３…第一の平滑コンデンサ、２４…第二の平滑コンデンサ、２５…直流変換部、Ｌｐ…高電位側ライン、Ｌｍ…中性点ライン、Ｌｎ…低電位側ライン、３０…上スイッチングアーム、３１，３３…半導体スイッチング素子、３２，３４…逆並列ダイオード、３６…下スイッチングアーム、３７，３９…半導体スイッチング素子、３８，４０…逆並列ダイオード、５０…上スイッチングアーム、５１，５３…半導体スイッチング素子、５２，５４…逆接続ダイオード、５６…下スイッチングアーム、５７，５９…半導体スイッチング素子、５８，６０…逆接続ダイオード、６１〜６４…ダイオード、ＰＴ１…第一相電力変換部、ＰＴ２…第二相電力変換部、ＰＴ３…第三相電力変換部、Ｌｓ１１〜Ｌｓ１４、Ｌｓ２１〜Ｌｓ２４、Ｌｓ３１〜Ｌｓ３４…二次巻線

Claims (5)

1. 交流が入力される第一交流入力端子及び第二交流入力端子と、単相交流を出力する第一交流出力端子及び第二交流出力端子とを有する複数Ｎ個の単相３レベルインバータセルを備え、
   一つの一次巻線と複数２Ｎの二次巻線とを有する変圧器の二次巻線を前記Ｎ個の単相３レベルインバータの第一及び第二の交流入力端子に接続し、当該Ｎ個の単相３レベルインバータセルの交流出力端子を直列接続し、
   前記交流出力端子を直列接続された前記Ｎ個の単相３レベルインバータセルを接続順に第一セル、第二セル、第三セル、……、第Ｎセルとし、前記変圧器の二次巻線の構造的な位置の順に第一の二次巻線、第二の二次巻線、第三の二次巻線、……第２Ｎ−１の二次巻線、第２Ｎの二次巻線とした場合、
   前記変圧器の二次巻線と前記単相３レベルインバータセルとの接続関係は、
   第Ｍ（Ｍは１〜Ｎの整数）セルの２つの交流入力端子には、第２Ｍ−１及び第２Ｍの二次巻線を接続し、その接続方法としてＭが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続することを特徴とする電力変換装置。
2. 交流が入力される第一交流入力端子及び第二交流入力端子と、単相交流を出力する第一交流出力端子及び第二交流出力端子とを有する複数Ｎ個の単相３レベルインバータセルを備え、
   一つの一次巻線と複数２Ｎの二次巻線とを有する変圧器の二次巻線を前記Ｎ個の単相３レベルインバータの第一及び第二の交流入力端子に接続し、当該Ｎ個の単相３レベルインバータセルの交流出力端子を直列接続し、
   前記交流出力端子を直列接続された前記Ｎ個の単相３レベルインバータセルを接続順に第一セル、第二セル、第三セル、……、第Ｎセルとし、前記変圧器の二次巻線の構造的な位置の順に第一の二次巻線、第二の二次巻線、第三の二次巻線、……第２Ｎ−１の二次巻線、第２Ｎの二次巻線とした場合、
   前記変圧器の二次巻線と前記単相３レベルインバータセルとの接続関係は、
   第Ｍ（Ｍは１〜Ｎの整数）セルの２つの交流入力端子には、第２Ｍ−１及び第２Ｍの二次巻線を接続し、その接続方法としてＭが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続することを特徴とする電力変換装置。
3. 交流が入力される第一交流入力端子及び第二交流入力端子と、単相交流を出力する第一交流出力端子及び第二交流出力端子とを有する複数Ｎ個×Ｋ相分の単相３レベルインバータセルを備え、
   一つの一次巻線と複数２Ｎ×Ｋの二次巻線とを有する変圧器の二次巻線をＫ相分それぞれ前記Ｎ個の単相３レベルインバータの第一及び第二の交流入力端子に接続し、当該Ｎ個の単相３レベルインバータセルの交流出力端子を直列接続したＫ組の回路のそれぞれ一方の出力端子を共通接続するとともに他方の出力端子を各出力としてＫ相出力し、
   前記交流出力端子を共通接続された前記Ｎ個の単相３レベルインバータセルを接続順に第一セル、第二セル、第三セル、……、第Ｎセルとし、前記変圧器の二次巻線の構造的な位置をＫ相分それぞれ順に第一の二次巻線、第二の二次巻線、第三の二次巻線、……第２Ｎ−１の二次巻線、第２Ｎの二次巻線とした場合、
   前記変圧器の二次巻線と前記単相３レベルインバータセルとの接続関係は、
   第Ｍ（Ｍは１〜Ｎの整数）セルの２つの交流入力端子には、第２Ｍ−１及び第２Ｍの二次巻線を接続し、その接続方法としてＭが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続することを特徴とする電力変換装置。
4. 交流が入力される第一交流入力端子及び第二交流入力端子と、単相交流を出力する第一交流出力端子及び第二交流出力端子とを有する複数Ｎ個×Ｋ相分の単相３レベルインバータセルを備え、
   一つの一次巻線と複数２Ｎ×Ｋの二次巻線とを有する変圧器の二次巻線をＫ相分それぞれ前記Ｎ個の単相３レベルインバータの第一及び第二の交流入力端子に接続し、当該Ｎ個の単相３レベルインバータセルの交流出力端子を直列接続したＫ組の回路のそれぞれ一方の出力端子を共通接続するとともに他方の出力端子を各出力としてＫ相出力し、
   前記交流出力端子を共通接続された前記Ｎ個の単相３レベルインバータセルを接続順に第一セル、第二セル、第三セル、……、第Ｎセルとし、前記変圧器の二次巻線の構造的な位置をＫ相分それぞれ順に第一の二次巻線、第二の二次巻線、第三の二次巻線、……第２Ｎ−１の二次巻線、第２Ｎの二次巻線とした場合、
   前記変圧器の二次巻線と前記単相３レベルインバータセルとの接続関係は、
   第Ｍ（Ｍは１〜Ｎの整数）セルの２つの交流入力端子には、第２Ｍ−１及び第２Ｍの二次巻線を接続し、その接続方法としてＭが奇数のセルについては第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、Ｍが偶数のセルについては、第２Ｍ−１の二次巻線をセルの第一交流入力端子に接続し、第２Ｍの二次巻線をセルの第二交流入力端子に接続することを特徴とする電力変換装置。
5. 前記単相３レベルインバータセルは、前記第一交流入力端子から入力される交流電圧を直流に変換する第一の順変換器と、該順変換器の出力電圧を平滑する第一の平滑コンデンサと、前記第二交流入力端子から入力される交流電圧を直流に変換する第二の順変換器と、該順変換器の出力電圧を平滑する第二の平滑コンデンサとを有し、前記第一の平滑コンデンサの低電位側と第二の平滑コンデンサの高電位側を接続して、高電位側、中性点及び低電位側を有する直流直列回路を形成し、該直流直列回路の高電位側と前記第一交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と逆並列のダイオードとの並列回路を２個直列に接続した上アームと、前記第一交流出力端子と前記低電位側との間に、半導体スイッチング素子と逆並列ダイオードとの並列回路を２個直列接続した下アームと、前記各アームの２個の直列回路のそれぞれの中間接続点と前記中性点との間にそれぞれ接続したダイオードからなる第一の出力回路と、
   前記高電位側と前記第二交流出力端子との間に、半導体スイッチング素子と逆並列のダイオードとの並列回路を２個直列に接続した上アームと、前記第二交流出力端子と前記低電位側との間に、半導体スイッチング素子と逆並列ダイオードとの並列回路を２個直列接続した上アームと、第二交流出力端子と前記低電位側との間に、半導体スイッチング素子と逆並列ダイオードとの並列回路を２個直列接続した下アームと、前記各アームの２個の直列回路の夫々の中間接続点と、前記中性点との間に夫々接続したダイオードとからなる第二の出力回路と
   を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換装置。

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