JP6921727B2 - 電力変換装置及びランキンサイクルシステム - Google Patents

Description

本開示は、回転機の駆動制御、電源装置などに用いられるマルチレベルインバータを用いた電力変換装置及びランキンサイクルシステムに関する。

従来のこの種の電力変換装置としては、１対の直列接続されたコンデンサで中性点を生成し、３レベルをスイッチングして出力する３レベルインバータが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に記載された従来の電力変換装置の構成を示すものである。

図６に示すように、従来の電力変換装置は、正負の直流母線間に直列接続され中性点が第二線に接続される正側母線コンデンサ１０１、負側母線コンデンサ１０２および、正負の直流母線間に直列接続されるスイッチ素子１０３、１０４ならびに、スイッチ素子１０３、１０４の接続点と中性点１０５との間に接続されるリアクトル１０６を有するバランス回路１０７などを備える。この電力変換装置は、正側母線コンデンサ１０１と負側母線コンデンサ１０２との間の電圧差に応じてスイッチ素子１０３あるいは１０４のうちの何れか一方を動作させることで、電圧をバランスさせながらインバータ１０８を３レベル出力するように構成されている。

特開２０１４−３３５６５号公報

特許文献１に示された従来の電力変換装置は、インバータの中性点電圧を固定するように制御して、レベル数増加によるコモンモード成分を低減することで漏れ電流を低減している。しかしながら、中性点を固定するように制御された電圧に基づくパルス幅変調によって出力電圧を制御すると、中性点電圧をスイッチングする期間が存在するために、主機側の漏れ電流抑制効果が限定的になると同時に、電力変換装置内部の補機側に対しては漏れ電流の低減効果を有しないという課題がある。

従来の課題を解決するために、本開示は、直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧および前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を入力して駆動するインバータ回路と、前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記中間電圧が前記インバータ回路に接続する負荷の指令電圧および前記インバータ回路の降下電圧を合計した設定電圧となるように制御する制御装置と、を備える電力変換装置を提供する。

本構成によって、コンバータ回路で生成した中間電圧は、補機側に相当するインバータ回路に接続する負荷の指令電圧およびインバータ回路の降下電圧を合計した電圧となるように制御され、マルチレベルインバータ回路は直流入力電圧と中間電圧とをスイッチングして出力電圧を生成すると同時に、中間電圧はインバータ回路の入力電圧として供給され
、インバータ回路の負荷に対して必要最低限の中間電圧で交流電圧を出力することができる。

本開示に係る技術によれば、マルチレベルインバータ回路はレベル数に応じた電圧変化率が抑制されるため、主機側の漏れ電流抑制ができると同時に、補機側のインバータ回路に接続された負荷は直流電圧よりも低い必要最低限の安定した中間電圧で駆動されることで漏れ電流の抑制を可能とすることができる。

本開示の実施の形態１における電力変換装置の構成図 本開示の実施の形態１における制御装置の第１制御部の制御ブロック図 本開示の実施の形態１における制御装置の第２制御部の制御ブロック図 本開示の実施の形態１における制御装置の第３制御部の制御ブロック図 本開示の実施の形態１における電力変換装置の各部の動作波形を示す図 本開示の実施の形態２におけるランキンサイクルシステムの構成図 本開示の実施の形態２における電力変換装置の各部の動作波形を示す図 特許文献１における従来の電力変換装置の構成図

＜本発明者の検討に基づく知見＞
特許文献１に示す従来の電力変換装置では、主機に相当するマルチレベルインバータ出力のコモンモード成分のみが低減される。すなわち、主機に相当する部分に接続された負荷における漏れ電流のみが低減される。しかし、この従来の電力変換装置内部の補機側に接続された負荷に対しては、漏れ電流の低減効果を有さないという課題があることを、本発明者は発見した。これに関して本発明者は、コンバータ回路で生成した中間電圧が、主機に相当するマルチレベルインバータ回路の中間電圧、及び、補機に相当するインバータ回路の入力電圧、の両方の電圧として併用されることに着目した。すなわち、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制されるが、同時に、インバータ回路に接続された負荷はマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、インバータ回路に接続された負荷も電圧変化率が抑制される。したがって、マルチレベルインバータ回路による入出力電力及びインバータ回路による入出力電力の影響を受けて変動する中間電圧を、所望の設定電圧となるように制御することができれば、これら両方の負荷は、同時に電圧変化率が抑制され、漏れ電流を抑制することができる。

更に、本発明者は、実際のインバータ回路においては一定の電圧降下が発生することに着目した。すなわち、前記所望の設定電圧を、インバータ回路の降下電圧を考慮して設定すれば、インバータ回路に接続する負荷の指令電圧を必要最低限の電圧に設定することができ、補機側の漏れ電流をさらに抑制することができる。

以上を踏まえ、本発明者は、中間電圧を、インバータ回路に接続された負荷の指令電圧とインバータ回路の降下電圧とを合計した所望の設定電圧となるように制御してインバータ回路に供給することで、インバータ回路に接続された負荷を必要最低限の安定した電圧で駆動し、漏れ電流を低減することができる電力変換装置を検討した。

なお、本明細書における中間電圧とは、絶対値でみたときに、最大電圧よりも小さい任意の電圧のことを示す。例えば、最大電圧をＶmax とすると、中間電圧は０よりも大きくＶmax 未満の電圧のことを指す。典型的な例としては、中間電圧を０からＶmax の範囲で、インバータ回路に接続する負荷の指令電圧とインバータ回路の降下電圧とを合計した電
圧とすることができる。

本開示の第１態様は、
直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、
前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧および前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記中間電圧が前記インバータ回路に接続する負荷の指令電圧および前記インバータ回路の降下電圧を合計した設定電圧となるように制御する制御装置と、
を備える電力変換装置を提供する。

第１態様によれば、コンバータ回路で生成した中間電圧はインバータ回路に接続する負荷の指令電圧およびインバータ回路の降下電圧を合計した電圧となるように制御され、マルチレベルインバータ回路は直流入力電圧と中間電圧とをスイッチングして出力電圧を生成すると同時に、中間電圧はインバータ回路の入力電圧として供給される。これによりインバータ回路の負荷に対して必要最低限の中間電圧で交流電圧を出力することとなるため、マルチレベルインバータ回路は、レベル数に応じた電圧変化率の抑制による漏れ電流抑制ができると同時に、インバータ回路に接続された負荷は直流電圧よりも低い必要最低限の安定した中間電圧での駆動によって漏れ電流の抑制を可能とすることができる。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記コンバータ回路は、
複数の前記中間電圧を生成し、
前記インバータ回路は、
前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
電力変換装置を提供する。

第２態様によれば、複数の中間電圧の中から適切な電圧が選択され、コンバータ回路の電圧調整幅を制限することができ、インバータ回路への電圧供給をより安定化することができる。

本開示の第３態様は、
第１態様または第２態様の電力変換装置と、
作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第３交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
前記発電機から出力された前記第３交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
を有し、
前記電力供給装置は、
前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
前記インバータ回路は、
入力される前記中間電圧を前記第２交流電圧に変換し、前記第２交流電圧を前記モータに供給する、
ランキンサイクルシステムを提供する。

第３態様によれば、コンバータ回路で生成した中間電圧は、マルチレベルインバータ回路の中間電圧、及びインバータ回路の入力電圧の両方の電圧として併用される。そして、マルチレベルインバータ回路に接続された、例えば商用電源などの負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時に、インバータ回路に接続された負荷であるモータはインバータ回路の負荷に対して必要最低限の中間電圧で駆動することとなるため、これら両方の負荷は同時に電圧変化率が抑制され、漏れ電流を抑制することができる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における電力変換装置１の構成図である。図１において、電力変換装置１は、マルチレベルインバータ回路２、中間電圧を生成するコンバータ回路３、中間電圧を入力して駆動するように接続したインバータ回路４、およびマルチレベルインバータ回路２とコンバータ回路３とインバータ回路４とを制御する制御装置５を備えている。電力変換装置１には直流電源が接続されている。直流電源は、コンバータ回路３及びマルチレベルインバータ回路２に対して直流電圧を供給する。なお、図１では、直流電源は、電力変換装置１の外部に配置されているが、電力変換装置１の内部に配置されていてもよい。

マルチレベルインバータ回路２は、３レベルとなっており、スイッチング素子６ａ〜６ｈ（例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいはＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor））、ダイオード７ａ〜７ｄで構成されている。

コンデンサ８ａは直流電圧の平滑用として配置され、コンデンサ８ｂは交流出力の波形整形用として配置され、さらに、コンデンサ８ｃは中間電圧の平滑用として配置されている。また、インダクタ９ａおよび９ｂは、コンデンサ８ｂと共に交流出力の波形整形用として配置されている。

ここで、マルチレベルインバータ回路２の出力は、一般負荷に供給される。コンバータ回路３は、スイッチング素子６ｉおよび６ｊと、インダクタ９ｃとによって構成されている。インバータ回路４は、スイッチング素子６ｋ〜６ｐで構成されており、負荷としてモータ１０を接続している。

また、図１で制御装置５から伸びている矢印は、各回路に対する駆動信号とその信号数量とを示している。

図２Ａ〜図２Ｃは、制御装置５に含まれる、第１制御部５１、第２制御部５２、及び第３制御部５３のそれぞれの制御ブロックの一例を示す図である。制御装置５は、インバータ回路４による入出力電力とマルチレベルインバータ回路２による入出力電力との影響を受けて変動する中間電圧が所望の設定電圧となるようにコンバータ回路３を制御する。ここで、所望の設定電圧とはインバータ回路４に接続されたモータ１０を駆動するための指令電圧およびインバータ回路４の降下電圧を合計した電圧となるように制御する。制御装置５は、図２Ａに示す、インバータ回路４を制御する制御ブロックである第１制御部５１と、図２Ｂに示す、マルチレベルインバータ回路２を制御する制御ブロックである第２制御部５２と、図２Ｃに示す、コンバータ回路３を制御する制御ブロックである第３制御部５３と、を有するように構成されている。

図２Ａの第１制御部５１は、以下のように動作する。モータ１０の指令回転数（rpm_ref）と実際の回転数（rpm_t）との偏差が比例積分制御器に入力され、ｑ軸電流指令（Iq_ref）が演算される。演算されたｑ軸電流指令と実際のｑ軸電流（Iq_t）との偏差を演算して、演算した偏差に基づいてｑ軸電圧指令（Vq_ref）が演算される。また、ｄ軸電圧指令（Vd_ref）はゼロが入力される。入力されたｑ軸電圧指令、ｄ軸電圧指令は、２相／３相変換部にて３相変換され、変調信号生成部にてインバータ回路４の入力電圧である中間電圧の検出値（Vc_t）によって除算され、変調率が演算される。演算された変調率と搬送波（例えば、モータ１０の回転周波数よりも充分に早い周期で動作する三角波）とを搬送波比較部にて比較することにより駆動信号を生成し、スイッチング素子６ｋ〜６ｐをスイッチングする。

図２Ｂの第２制御部５２は、以下のように動作する。出力の変調率指令（出力電圧指令をコンデンサ８ａの電圧検出値で除算した結果）（m_ref）が入力される。入力された変調率指令は、搬送波（ｃａｒｒｙ１）と比較した結果に応じてスイッチング素子６ａ、６ｃをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、入力された変調率指令は、搬送波（ｃａｒｒｙ２）と比較した結果に応じてスイッチング素子６ｂ、６ｄをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。さらに、入力された変調率指令の符号反転信号を生成して、反転した変調率指令と搬送波（ｃａｒｒｙ１）を比較した結果に応じてスイッチング素子６ｅ、６ｇをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。さらに、反転した変調率指令と搬送波（ｃａｒｒｙ２）を比較した結果に応じてスイッチング素子６ｆ、６ｈをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。

図２Ｃの第３制御部５３は、以下のように動作する。インバータ回路４の出力の変調率生成におけるｑ軸電圧指令（Vq_ref）とｄ軸電圧指令（Vd_ref）とのそれぞれの平方の和の平方根を演算してベクトル和を生成する。最大値をコンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）、最小値をゼロ電圧として制限器を通して指令電圧を制限する。制限した指令電圧に対して、インバータ回路４のスイッチング素子６ｋ〜６ｐの電圧降下分（ＩＧＢＴの場合はＶｃｅ、ＭＯＳＦＥＴの場合はＶｄｓに相当）の２倍電圧（Ｖｄｅｖ）を加算し、コンデンサ８ｃの実際の電圧（Vc_t）との偏差を演算する。演算した偏差は比例積分制御器（ＰＩ）に入力され、充電電流指令値（Ic_ref）が演算される。演算された電流指令と実際の電流検出値（Ic_t）との偏差が比例積分制御器に入力されて指令電圧（Vc_ref）が演算され、コンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）で除算することで充電側のスイッチング素子６ｉの変調率指令（m_pnc）が演算される。得られた変調率指令を搬送波（ｃａｒｒｙ３）との比較結果によって、スイッチング素子６ｉを制御するように、判定信号をドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、スイッチング素子６ｊは、コンデンサ８ｃの実際の電圧検出値（Vc_t）が指令電圧（Vc_ref）に対して高い場合にスイッチング素子６ｉの反転信号によってスイッチングするように、判定信号をドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。このようにして、コンデンサ８ｃに対して充電を制御するスイッチング素子６ｉ及びコンデンサ８ｃに対して放電を制御するスイッチング素子６ｊが、それぞれスイッチング制御され、コンバータ回路３で生成される中間電圧を、インバータ回路４に接続された負荷（本実施の形態の場合はモータ１０に相当）の指令電圧、およびインバータ回路４の降下電圧を合計した電圧となるように制御することができる。

上記構成により、動作させた場合の各部の波形について図３に示す。（ａ）はコンデン
サ８ｂの電圧（すなわちマルチレベルインバータ回路２の出力電圧）およびマルチレベルインバータ回路２の出力電流の波形、（ｂ）はコンデンサ８ａ、８ｄの電圧の波形、（ｃ）はマルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧の波形、（ｄ）はモータ１０の回転数変化の波形、（ｅ）はモータ１０の相電流の波形をそれぞれ示している。（ｂ）と（ｄ）に示す波形より、コンデンサ８ｄの電圧は、モータ１０の回転数上昇と共にｑ軸電圧指令が上がるため、コンデンサ８ｄの電圧が上昇するように制御されている。（ｃ）の波形より、マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧は一般負荷へ正弦波電圧を供給するように中間電圧の変動に応じた変調が行われている。また、（ｅ）の波形より、モータ１０では概ね正弦波状の相電流が通電されている。

かかる構成によれば、コンバータ回路３で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路２の中間電圧として供給されると同時に、インバータ回路４の駆動電圧として供給されており、中間電圧が生成されたことでマルチレベルインバータ回路２として複数レベルで出力電圧を生成することができる。同時に、中間電圧はインバータ回路４の出力電圧の指令値に対して、インバータ回路４の電圧降下分を加算した電圧に制御されることから、必要最小限の電圧でインバータ回路４を駆動することができる。

したがって、マルチレベルインバータ回路２に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合に直流電源の電圧よりも低い中間電圧をスイッチングすることにより電圧変化を軽減することになる。同時に、インバータ回路４に接続された負荷（本実施の形態の場合、モータ１０が該当）は、マルチレベルインバータ回路２に接続されたコンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧（コンデンサ８ｄの電圧）で駆動することとなる。このため、この電力変換装置に接続された２つの負荷に対する出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷における漏れ電流を抑制することができる。

なお、本実施の形態において、マルチレベルインバータ回路２は、３レベル構成としたが、その他のレベル数（例えば５レベルなど）であってもよい。

また、マルチレベルインバータ回路２は、ダイオードクランプ方式の３レベルインバータ構成としたが、その他の構成（例えばＲＢＩＧＢＴ（Reverse Blocking Insurated Gate Bipolar Transistor）を用いたＮＰＣ（Neutral Point Clamped）構成）としてもよい。

また、本実施の形態では、コンバータ回路３が図１のように１つの中間電圧を生成する例を示したが、図１記載のコンバータ回路３の構成を有する回路を複数設置し、制御装置５によってそれぞれ所望の中間電圧を生成するように適切に制御することにより、複数の中間電圧を生成することでコンデンサ８ｃの電圧変化幅を抑制して、より適した電圧に制御することもできる。この場合、インバータ回路４は、複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動し、マルチレベルインバータ回路２は、中間電圧の生成数に応じてスイッチング素子６を直列に多段接続して駆動する。これにより、複数の中間電圧の中から、インバータ回路に接続された負荷に応じて適切な電圧を選択することができるとともに、マルチレベルインバータ回路２は、中間電圧の生成数に応じて多レベル化することができる。

さらに、図２Ａ〜図２Ｃに、制御装置５の内部の各部の具体的な制御ブロックを示したが、本開示における一例であり、これに限定されるものではない。

また、マルチレベルインバータ回路２、コンバータ回路３、およびインバータ回路４はＭＯＳＦＥＴを使用したが、その他のパワーデバイス（例えばＩＧＢＴ等）であってもよい。いずれもこれに限定されるものではない。

（実施の形態２）
図４は、本開示の実施の形態２におけるランキンサイクルシステム２１の構成図である。ランキンサイクルシステム２１は、電力変換装置１とランキンサイクル装置１１とを用いて構成される。なお、図４において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図４は、一例として、工場において例えば燃焼ガスにより排出される排熱をランキンサイクル装置１１に用いて発電を行う発電装置として動作するランキンサイクルシステム２１を示す。

ランキンサイクル装置１１は、ポンプ１２と、ポンプ１２を駆動する動力源としてのモータ１０と、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する熱交換器としての蒸発器１３と、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機１４と、膨張機１４に接続された発電機１５と、膨張機１４から吐出された作動流体を冷却水等と熱交換させることによって作動流体を冷却する凝縮器１６と、開度の適宜変更を可能とし作動流体の流量を調整できるバイパス弁１７と、膨張機１４の入口温度を計測する温度センサ１８と、で構成される。ポンプ１２、蒸発器１３、膨張機１４、凝縮器１６は複数の配管によってこの順に環状に接続されて、ランキンサイクル流路を構成している。バイパス弁１７は膨張機１４をバイパスする流路上に配置されている。また、電力変換装置１は、発電機１５で発電された交流電力を直流電力に変換する三相コンバータ回路１９を備える。三相コンバータ回路１９は、この直流電力をコンデンサ８ａに供給するように接続される。さらに、電力変換装置１は、三相コンバータ回路１９からの直流電力出力に余剰分が発生した場合に、電力消費させるブレーキ回路２０を備えている。また、ランキンサイクル装置１１のモータ１０は、電力変換装置１のインバータ回路４によって駆動される。制御装置５は、実施の形態１と同様に、インバータ回路４を制御する第１制御部５１と、マルチレベルインバータ回路２を制御する第２制御部５２と、コンバータ回路３を制御する第３制御部５３と、を備えるとともに、本実施の形態においては、三相コンバータ回路１９を制御する第４制御部５４及びブレーキ回路２０を制御する第５制御部５５も有する。

実施の形態１では、電力変換装置１に直流電源を接続したが、本実施の形態２では、三相コンバータ回路１９が、電力供給装置である直流電源として、コンバータ回路３及びマルチレベルインバータ回路２に対して直流電圧を供給する。なお、図４では、電力供給装置として動作する三相コンバータ回路１９は、電力変換装置１の内部に配置されているが、電力変換装置１の外部に配置されていてもよい。同様に、図４では、ブレーキ回路２０は、電力変換装置１の内部に配置されているが、電力変換装置１の外部に配置されていてもよい。

以下、上記構成における動作について説明する。始動時、別電源（例えば、図示した直流電源）から電力を受電する。その受電電力によってコンバータ回路３が中間電圧を生成するように動作し、モータ１０を駆動するように制御する。

一方、膨張機１４は、温度センサ１８の指示値が所定の温度を超えるまで、停止を保持するように制御する。バイパス弁１７は、温度センサ１８の温度に基づいて、開度を制御する。これによって、バイパス弁１７の経路の作動流体の流量が調整される。

始動後、蒸発器１３による熱エネルギー吸収によって作動流体の温度が所定の温度条件となった場合に膨張機１４の停止制御を解除し、始動すなわち発電を開始するように制御する。膨張機１４の停止の保持は、三相コンバータ回路１９にて制御される。三相コンバータ回路１９の動作は、制御装置５によって制御される。

その後、発電電力が上昇し、インバータ回路４の必要電力を超えることで、コンデンサ８ａの電圧が上昇する。これに対して、マルチレベルインバータ回路２がコンデンサ８ａの電圧が概ね一定となるように動作することで、一般負荷に電力を出力する。

また、一般負荷が遮断、あるいは軽負荷へ変化した際に供給電圧が上昇して、マルチレベルインバータ回路２が出力抑制状態となった場合には、ブレーキ回路２０がスイッチングを開始し、内部で消費するように動作する。ブレーキ回路２０の動作は、制御装置５によって制御される。

上記構成により動作させた場合の各部の波形について図５に示す。図５では、始動後のコンデンサ８ａの電圧が上昇して直流電源の電圧に安定してからの挙動を示している。（ａ）は一般負荷への出力電圧およびマルチレベルインバータ回路２からの出力電流の波形、（ｂ）は発電機１５からの発電電力の波形、（ｃ）はコンデンサ８ａおよび８ｃの電圧の波形、（ｄ）はマルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧の波形、（ｅ）は発電機１５のロータおよびポンプ１２を駆動するモータ１０の回転数変化の波形、（ｆ）はモータ１０の相電流の波形、（ｇ）は発電機１５の相電流の波形をそれぞれ示している。各部の波形より、（ａ）では、負荷への出力電圧、および出力電流が正弦波状に安定した出力となっている。（ｂ）と（ｅ）に示す波形より、発電機１５の回転数上昇と共に発電電力が上昇していることが分かる。（ｃ）の波形より、コンデンサ８ｃの電圧は、ポンプ１２を駆動するモータ１０の回転数上昇と共にｑ軸電圧指令が上がるため、電圧上昇するように制御されている。（ｄ）の波形より、マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧は一般負荷へ正弦波電圧を供給するように中間電圧の変動に応じた変調が行われている。また、（ｆ）、（ｇ）の波形より、モータ１０の相電流および発電機１５の相電流は概ね正弦波状で通電されている。

かかる構成によれば、コンバータ回路３で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路２の中間電圧として供給されると同時に、インバータ回路４の駆動電圧として供給されており、中間電圧が生成されたことでマルチレベルインバータ回路２として複数レベルで出力電圧を生成することができる。同時に、中間電圧はインバータ回路４の出力電圧の指令値に対して、インバータ回路４の電圧降下分を加算した電圧に制御されることから、必要最小限の電圧でインバータ回路４を駆動することができる。

したがって、マルチレベルインバータ回路２に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合に直流電源の電圧よりも低い中間電圧をスイッチングすることにより電圧変化を軽減することになる。同時に、インバータ回路４に接続された、ポンプ１２を駆動するモータ１０は、マルチレベルインバータ回路２に接続されたコンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧（コンデンサ８ｄの電圧）で駆動することとなる。このため、モータ１０は必要最小限の低電圧で駆動され、電圧変化率の抑制に伴なって漏れ電流を抑制することができる。同様に、マルチレベルインバータ回路２に接続された一般負荷に対しても同様に複数レベルで出力電圧が生成されることによって電圧変化率が抑制され、一般負荷における漏れ電流を同時に抑制することができる。

特に、本実施の形態２のように、ポンプ１２によって作動流体が液冷媒としてランキンサイクル流路を循環する場合であって、駆動するモータ１０がポンプ１２の内部に配置されている場合、液冷媒の充填量によってはモータ１０の巻線は液冷媒に浸漬された状態となり得るため、液冷媒の誘電率によって寄生容量が大きくなり、漏れ電流が増大することがある。

本実施の形態によれば、この漏れ電流の増大を抑制するべく、ポンプ１２を駆動するモータ１０の必要最小限の低電圧で駆動することになるため、漏れ電流を抑制することがで
きる。また、同時に、この低電圧は、マルチレベルインバータ回路２の中間電圧としても供給されていることから一般負荷への出力電圧はマルチレベル化され、電圧変化率を低減することが可能となり、スイッチングによる漏れ電流を低減することができる。

なお、本実施の形態のランキンサイクル装置１１は、工場の燃焼ガスから排熱を回収するとしたが、これに限るものではない。ランキンサイクルにより熱を回収できる媒体であれば、工場の燃焼ガスでなくてもよい。

また、図４においては、ポンプ１２の外部にモータ１０を配置する状態を示したが、ポンプ１２の筐体の内部にモータ１０を配置してもよい。ポンプ機構とモータ機構とをあわせてポンプと称することもある。

また、図４においては、膨張機１４の外部に発電機１５を配置する状態を示したが、膨張機１４の筐体の内部に発電機１５を配置してもよい。膨張機構と発電機構とをあわせて膨張機と称することもある。

さらに、図４においては、マルチレベルインバータ回路２の出力側に一般負荷を配置する一例を示したが、商用電源に接続して系統連系インバータとして動作する構成としてもよい。

また、マルチレベルインバータ回路２を系統連系インバータとする場合、始動時に別途直流電源を備えることなく、マルチレベルインバータ回路２をコンバータ動作させて、商用電源から受電する構成としてもよい。

なお、本明細書において、所望の設定電圧とは、予め設定された電圧のことを意味する。この予め設定された電圧とは、特定の電圧値のみを指すだけでなく、予め設定された所定の範囲に含まれる任意の電圧（すなわち、予め設定された範囲の電圧）のことを意味することも含む。

以上のように、本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時にインバータ回路に接続されたポンプ駆動用のモータは必要最小限の低電圧で駆動することとなるため、電力変換装置に接続された２つの負荷への出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷におけるスイッチングによる漏れ電流を抑制することができる。

本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路を主機用電力変換器（例えば、大型送風機用のインバータ、あるいは電力系統に発電電力を出力するような系統連系インバータ）として使用し、インバータ回路を補機用としての負荷（例えば、接地容量の大きなモータなど）に接続するような用途に対して適用できる。

１ 電力変換装置
２ マルチレベルインバータ回路
３ コンバータ回路
４ インバータ回路
５ 制御装置
６ａ スイッチング素子
６ｂ スイッチング素子
６ｃ スイッチング素子
６ｄ スイッチング素子
６ｅ スイッチング素子
６ｆ スイッチング素子
６ｇ スイッチング素子
６ｈ スイッチング素子
６ｉ スイッチング素子
６ｊ スイッチング素子
６ｋ スイッチング素子
６ｌ スイッチング素子
６ｍ スイッチング素子
６ｎ スイッチング素子
６ｏ スイッチング素子
６ｐ スイッチング素子
７ａ ダイオード
７ｂ ダイオード
７ｃ ダイオード
７ｄ ダイオード
８ａ コンデンサ
８ｂ コンデンサ
８ｃ コンデンサ
８ｄ コンデンサ
９ａ インダクタ
９ｂ インダクタ
９ｃ インダクタ
１０ モータ
１１ ランキンサイクル装置
１２ ポンプ
１３ 蒸発器
１４ 膨張機
１５ 発電機
１６ 凝縮器
１７ バイパス弁
１８ 温度センサ
１９ 三相コンバータ回路
２０ ブレーキ回路
２１ ランキンサイクルシステム
５１ 第１制御部
５２ 第２制御部
５３ 第３制御部
５４ 第４制御部
５５ 第５制御部
１０１ 正側母線コンデンサ
１０２ 負側母線コンデンサ
１０３ スイッチ素子
１０４ スイッチ素子
１０５ 中性点
１０６ リアクトル
１０７ バランス回路
１０８ インバータ

Claims (3)

1. 直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、
   前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧および前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
   前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
   前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記中間電圧が前記インバータ回路に接続する負荷の指令電圧および前記インバータ回路の降下電圧を合計した設定電圧となるように制御する制御装置と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記コンバータ回路は、
   複数の前記中間電圧を生成し、
   前記インバータ回路は、
   前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置と、
   作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第３交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
   前記発電機から出力された前記第３交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
   を有し、
   前記電力供給装置は、
   前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
   前記インバータ回路は、
   入力される前記中間電圧を前記第２交流電圧に変換し、前記第２交流電圧を前記モータに供給する、
   ランキンサイクルシステム。

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