JP7140660B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置に関する。

様々な分野で用いられる電力変換装置において、入力される交流電圧（または交流電流）を所望の交流電圧（または交流電流）に変換するための交流－交流（ＡＣ－ＡＣ）変換を行うための構成が知られている。例えば、ＡＣ－ＤＣ変換器とＤＣ－ＡＣ変換器とを組み合わせていったん直流に変換する電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。また、例えば、サイクロンコンバータまたはマトリックスコンバータ等と呼ばれる交流－交流直接変換を行う電力変換装置も知られている（下記特許文献２参照）。

交流電力を交流電力に変換する場合、いったん直流に変換する電力変換装置は、変換段数が多くなるため効率が悪化し、損失が増大する。一方、交流－交流直接変換による電力変換装置は、変換段数が少ないため損失が少ない。しかしながら、従来のサイクロンコンバータまたはマトリックスコンバータ等は回路構成が複雑であり、回路素子を多く必要とする等により、必要以上に大型化する場合がある。例えば船舶の電気推進システムに電力変換装置を適用する場合等、電力変換装置の設置スペースには限りがある場合があるため、交流－交流直接変換による電力変換装置の小型化が望まれる。

例えば、交流－交流直接変換による電力変換装置において、入力側三相交流の各相と出力側三相交流の各相との間におけるすべての組み合わせ同士を接続する９本のアームにそれぞれアームリアクトルを設けると、９つのアームリアクトル（９つの鉄心）が必要となり、寸法、重量が大きくなる。

これに対し、下記非特許文献１には、それぞれが３つの脚部を備えた鉄心により構成される３つのリアクトルを備えた構成が開示されている。本構成においては、各リアクトルの３つの脚部のそれぞれに２つのコイルが巻き付けられ、各コイルが３つのリアクトル間でジグザグ（Zigzag）に接続されている。これにより、リアクトルの数（鉄心の数）を低減し、小型化を実現している。

特開２０１５－１２７６９号公報 特開２０１６－１６５２１３号公報

川村弥、萩原誠、赤木泰文、「高圧モータ駆動向けTSBC方式モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器に使用する交流リアクトルの検討」、平成２７年電気学会産業応用部門大会予稿集1-31、pp.I-161－I-166(2015年9月2日)

このように、上記非特許文献１のような構成による装置の小型化が提案されているが、交流－交流直接変換による電力変換装置には、さらなる小型化の余地がある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置において、性能を落とすことなく装置をより小型化することができる電力変換装置の提供を行うことである。

本発明の一態様に係る電力変換装置は、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行うための電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する制御部と、を備え、前記電力変換部は、前記入力側三相交流の各相と前記出力側三相交流の各相との間におけるすべての組み合わせ同士を接続する９本のアームと、前記９本のアームのそれぞれにおいて、それぞれキャパシタおよび複数のスイッチング素子を含み、互いに直列接続される複数のブリッジセルと、２つのアームリアクトルと、を備え、前記２つのアームリアクトルのそれぞれは、３つの脚部を有し、前記３つの脚部の一端部同士および他端部同士がそれぞれ接続されて構成される鉄心と、前記鉄心に巻き付けられる９Ｎ個（Ｎは正の整数）のコイルと、を備え、前記９Ｎ個のコイルは、前記鉄心における１つの前記脚部あたり３Ｎ個のコイルが巻き付けられるように構成され、各コイルは、前記２つのアームリアクトルのうちの第１アームリアクトルに巻き付けられた前記９Ｎ個のコイルのうちのＮ個のコイルである第１コイルと、前記２つのアームリアクトルのうちの第２アームリアクトルに巻き付けられた前記９Ｎ個のコイルのうちのＮ個のコイルである第２コイルとが、互いに直列接続されるように、前記９本のアームのうちの何れか１本のアームに直列接続され、各脚部に巻き付けられる前記３Ｎ個のコイルがそれぞれ直列接続されるアームの組み合わせは、互いに異なるように構成される。

上記構成によれば、アームリアクトルの各脚部に、互いに接続されるアームが異なる３Ｎ個（３の倍数の数）のコイルが巻き付けられる。さらに、２つのアームリアクトルにおける６つの脚部間において一の脚部に巻き付けられる３Ｎ個のコイルに接続されるアームの組み合わせが互いに異なるように構成される。このような構成により、入力側三相交流の電流成分による磁束と出力側三相交流の電流成分による磁束とが打ち消しあって各脚部に流れる磁束が小さくなる。したがって、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置において、性能を落とすことなく装置をより小型化することができる。

前記入力側三相交流の各相をＲ相、Ｓ相およびＴ相とし、前記出力側三相交流の各相をＵ相、Ｖ相およびＷ相とし、前記９本のアームを、接続される前記入力側三相交流のｘ相（ｘ＝Ｒ，Ｓ，Ｔの何れか）および接続される前記出力側三相交流のｙ相（ｙ＝Ｕ，Ｖ，Ｗの何れか）に応じてｙｘアームと表記するとき、前記第１アームリアクトルの第１脚部には、ＵＲアーム、ＷＴアームおよびＶＳアームに接続される各コイルが巻き付けられ、前記第１アームリアクトルの第２脚部には、ＶＴアーム、ＵＳアームおよびＷＲアームに接続される各コイルが巻き付けられ、前記第１アームリアクトルの第３脚部には、ＷＳアーム、ＶＲアームおよびＵＴアームに接続される各コイルが巻き付けられ、前記第２アームリアクトルの第１脚部には、ＵＲアーム、ＶＴアームおよびＷＳアームに接続される各コイルが巻き付けられ、前記第２アームリアクトルの第２脚部には、ＷＴアーム、ＵＳアームおよびＶＲアームに接続される各コイルが巻き付けられ、前記第２アームリアクトルの第３脚部には、ＶＳアーム、ＷＲアームおよびＵＴアームに接続される各コイルが巻き付けられてもよい。

前記複数のブリッジセルは、Ｈブリッジセルであってもよい。

本発明によれば、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置において、性能を落とすことなく装置をより小型化することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電力変換装置を示す概略回路図である。 図２は、Ｈブリッジセルの回路図である。 図３は、本実施の形態におけるリアクトル回路の構成を示す図である。 図４は、本実施の形態の変形例におけるリアクトル回路の構成を示す図である。 図５は、図１に示す電力変換装置が適用され得る舶用推進システムの全体的な構成を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る電力変換装置を示す概略回路図である。本実施の形態における電力変換装置５は、入力側三相交流と出力側三相交流との間で双方向に交流－交流直接変換を行うための電力変換部５１と、電力変換部５１の動作を制御する制御部５２とを有している。電力変換装置５は、所謂、モジュラーマルチレベルマトリクスコンバータ（以下、「ＭＭＭＣ」と称する）である。ＭＭＭＣは、入出力側ともに三相交流が接続され、これら三相交流間の双方向直接変換を実現することができる。

図１では、入力側三相交流の各相をＲ相、Ｓ相およびＴ相とし、出力側三相交流の各相をＵ相、Ｖ相およびＷ相とする。ただし、電力変換装置５は、三相交流間を双方向に直接に変換することができ、またその回路構成は対称性を有していることから、ここでの説明における「入力側三相交流」および「出力側三相交流」は便宜上の定義に過ぎず、例えばＵ相、Ｖ相およびＷ相を「入力側三相交流」、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相を「出力側三相交流」と定義してもよい。

電力変換部５１は、入力側三相交流の各相と出力側三相交流の各相との間におけるすべての組み合わせ同士を接続する９本のアームと、９本のアームのそれぞれにおいて、互いに直列接続される複数のブリッジセル５５を備えている。１本のアームに含まれるブリッジセル５５の個数をｎ個（ただし、ｎは正の整数）とする。

本実施の形態において、ブリッジセル５５は、Ｈブリッジセルにより構成される。図２は、Ｈブリッジセルの回路図である。図２に示すように、Ｈブリッジセル５５は、直流コンデンサＣと、この直流コンデンサＣに２つ並列に接続された半導体スイッチ群とを有する。各半導体スイッチ群は、直列接続された２つの半導体スイッチを有する。直列接続された２つの半導体スイッチの接続点が、Ｈブリッジセル５５の出力端となる。半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通すＩＧＢＴなどのスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとを有する。

入力側三相交流の１つの相には、出力側三相交流の各相に接続される３つのアームが接続される。すなわち、入力側三相交流のＲ相には、出力側三相交流のＵ相、Ｖ相およびＷ相に接続されるアームＡ_ＵＲ，Ａ_ＶＲ，Ａ_ＷＲが接続される。同様に、入力側三相交流のＳ相には、出力側三相交流のＵ相、Ｖ相およびＷ相に接続されるアームＡ_ＵＳ，Ａ_ＶＳ，Ａ_ＷＳが接続される。同様に、入力側三相交流のＴ相には、出力側三相交流のＵ相、Ｖ相およびＷ相に接続されるアームＡ_ＵＴ，Ａ_ＶＴ，Ａ_ＷＴが接続される。以下、９本のアームを、接続される入力側三相交流のｘ相（ｘ＝Ｒ，Ｓ，Ｔの何れか）および接続される出力側三相交流のｙ相（ｙ＝Ｕ，Ｖ，Ｗの何れか）に応じてｙｘアームＡ_ｙｘと表記する。

電力変換部５１は、入力側三相交流からみた場合と出力側三相交流からみた場合とで、各アームＡ_ｙｘの接続関係が対称となる回路構成を有している。入力側三相交流あるいは出力側三相交流からみて、同一の相に設けられている３個のアームＡのグループを、「スター変換器」と称する。例えば、出力側三相交流からみると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれにスター変換器が構成されており、入力側三相交流からみると、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相のそれぞれにスター変換器が構成されている。

各アームＡ_ｙｘにおいて、直列接続された複数のＨブリッジセル５５の入力側には、リアクトル回路５６が接続されている。なお、図１に示す電力変換装置５では、リアクトル回路５６は直列接続された複数のＨブリッジセル５５の入力側に設けられているが、これに代えて、リアクトル回路５６が直列接続された複数のＨブリッジセル５５の出力側に設けられていてもよい。

上述のような電力変換部５１において、各アームＡ_ｙｘに接続されるスイッチング素子の動作は、制御部５２によって制御される。制御部５２は、例えば、ＤＳＰなどのマイクロプロセッサおよびＦＰＧＡなどのロジック回路等からなる演算装置を備えている。この演算装置において内蔵メモリに格納されたプログラムが内蔵処理部によって実行されることによって、制御部５２としての機能を発揮する。制御部５２は、ＰＤ（Phase Disposition）方式のＰＷＭ制御、ＰＳ（Phase Shift）方式のＰＷＭ制御など公知の制御手法によって、各アームＡ内の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。例えば、スター変換器のうちの一つの電圧電流方程式に座標変換を施し、入出力電流制御および直流コンデンサの電圧バランスの制御を行う方法が知られている。

電力変換装置５は、入力側交流系統６０から入力される三相交流電力を、制御部５２の制御によって所望の周波数および電圧の三相交流電力に変換して、出力側交流系統６１へ出力可能に構成される。ここで、制御部５２の制御によって、出力側三相交流のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相の出力電圧および出力電流の位相は、２π／３ずつずれるように制御される。

同様に、電力変換装置５は、出力側交流系統６１から入力される三相交流電力を、制御部５２の制御によって所望の周波数および電圧の三相交流電力に変換して、入力側交流系統６０へ出力可能にも構成される。ここで、制御部５２の制御によって、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相の各相の交流入力端子へのそれぞれの出力電圧および出力電流の位相は２π／３ずつずれるように制御される。

電力変換部５１では、リアクトル回路５６が各アームＡ_ｙｘの入出力電流に作用して、電力変換を行う際に発生する電流ひずみ（高調波電流）を抑制する。

図３は、本実施の形態におけるリアクトル回路５６の構成を示す図である。リアクトル回路５６は、２つのアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂを備えている。２つのアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂのそれぞれは、３つの脚部を有する鉄心５８Ａ，５８Ｂを備えている。

第１アームリアクトル５７Ａの鉄心５８Ａは、３つの脚部５８Ａａ，５８Ａｂ，５８Ａｃを備え、３つの脚部の一端部同士および他端部同士がそれぞれ接続されて構成される。同様に、第２アームリアクトル５７Ｂの鉄心５８Ｂは、３つの脚部５８Ｂａ，５８Ｂｂ，５８Ｂｃを備え、３つの脚部の上端部同士および下端部同士がそれぞれ接続されて構成される。

鉄心５８Ａ，５８Ｂには、それぞれ９つのコイルＬが巻き付けられる。９つのコイルＬは、鉄心５８Ａ，５８Ｂにおける１つの脚部あたり３つのコイルＬが巻き付けられるように構成される。各コイルＬは、第１アームリアクトル５７Ａに巻き付けられた９つのコイルＬのうちの１つのコイルである第１コイルＬ_ｙｘ１と、第２アームリアクトル５７Ｂに巻き付けられた９つのコイルのうちの１つのコイルである第２コイルＬ_ｙｘ２とが、互いに直列接続されるように、９本のアームのうちの何れか１本のアームＡ_ｙｘに直列接続される。

さらに、リアクトル回路５６において、各脚部５８Ａａ，５８Ａｂ，５８Ａｃ，５８Ｂａ，５８Ｂｂ，５８Ｂｃに巻き付けられる３つのコイルＬがそれぞれ直列接続されるアームＡ_ｙｘの組み合わせは、互いに異なるように構成される。

より具体的には、第１アームリアクトル５７Ａの第１脚部５８Ａａには、ＵＲアームＡ_ＵＲに接続されるコイルＬ_ＵＲ１、ＷＴアームＡ_ＷＴに接続されるコイルＬ_ＷＴ１およびＶＳアームＡ_ＶＳに接続されるコイルＬ_ＶＳ１が巻き付けられる。また、第１アームリアクトル５７Ａの第２脚部５８Ａｂには、ＶＴアームＡ_ＶＴに接続されるコイルＬ_ＶＴ１、ＵＳアームＡ_ＵＳに接続されるコイルＬ_ＵＳ１およびＷＲアームＡ_ＷＲに接続されるコイルＬ_ＷＲ１が巻き付けられる。また、第１アームリアクトル５７Ａの第３脚部５８Ａｃには、ＷＳアームＡ_ＷＳに接続されるコイルＬ_ＷＳ１、ＶＲアームＡ_ＶＲに接続されるコイルＬ_ＶＲ１およびＵＴアームＡ_ＵＴに接続されるコイルＬ_ＵＴ１が巻き付けられる。

また、第２アームリアクトル５７Ｂの第１脚部５８Ｂａには、ＵＲアームＡ_ＵＲに接続されるコイルＬ_ＵＲ２、ＶＴアームＡ_ＶＴに接続されるコイルＬ_ＶＴ２およびＷＳアームＡ_ＷＳに接続されるコイルＬ_ＷＳ２が巻き付けられる。また、第２アームリアクトル５７Ｂの第２脚部５８Ｂｂには、ＷＴアームＡ_ＷＴに接続されるコイルＬ_ＷＴ２、ＵＳアームＡ_ＵＳに接続されるコイルＬ_ＵＳ２およびＶＲアームＡ_ＶＲに接続されるコイルＬ_ＶＲ２が巻き付けられる。また、第２アームリアクトル５７Ｂの第３脚部５８Ｂｃには、ＶＳアームＡ_ＶＳに接続されるコイルＬ_ＶＳ２、ＷＲアームＡ_ＷＲに接続されるコイルＬ_ＷＲ２およびＵＴアームＡ_ＵＴに接続されるコイルＬ_ＵＴ２が巻き付けられる。

上記構成によれば、２つのアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂの各脚部に、互いに接続されるアームＡ_ｙｘが異なる３つのコイルＬが巻き付けられる。さらに、２つのアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂにおける６つの脚部間において一の脚部に巻き付けられる３つのコイルＬに接続されるアームＡ_ｙｘの組み合わせが互いに異なるように構成される。このような構成により、入力側三相交流の電流成分による磁束と出力側三相交流の電流成分による磁束とが打ち消しあって各脚部に流れる磁束が小さくなる。したがって、脚部の断面積を小さくし、コイルの周長を短くしても従来の構成と同等以下の損失とすることができる。この結果、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置５において、性能を落とすことなく装置をより小型化することができる。

以下の表１は、本実施の形態におけるアームリアクトルの効果を従来の構成と比較したものである。表１においては、実施例として、上記構成に基づいて設計した場合の各値が示され、比較例１として、上記非特許文献１における構成に基づいて設計した場合の各値が示され、比較例２として、アームごとにアームリアクトルが設けられる構成に基づいて設計した場合の各値が示される。なお、表１においては、実施例および比較例１の各数値について比較例２における各値を１として規格化している。

上記表に示すように、上記実施の形態に基づくアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂを用いた実施例においては、電力変換装置５に必要なアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂの体積の合計、鉄心５８Ａ，５８Ｂの断面積、各コイルＬの断面積およびアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂの重量の合計が比較例１および比較例２に比べて小さい。そうであるにも拘らず、実施例におけるアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂの１個あたりの損失は、比較例１および比較例２に比べて小さい。さらに、比較例１および比較例２は、実施例より多くの数のアームリアクトルが必要となるため、全体の損失はより大きなものとなる。

以上より、実施例は、比較例１および比較例２に比べて、１つの電力変換装置５に必要な体積および重量を小さく抑えつつ、より損失の小さいアームリアクトルを実現できていると言える。したがって、上記表１からも、本実施の形態によって、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置５において、性能を落とすことなく装置をより小型化およびより軽量化することができることが分かる。

以下、上記構成において入力側三相交流の電流成分による磁束と出力側三相交流の電流成分による磁束とが打ち消し合って各脚部に流れる磁束が小さくなることを理論的に説明する。入力側三相交流の電流成分による磁束と出力側三相交流の電流成分による磁束とが打ち消し合った場合、一のアームＡ_ｙｘにおけるリアクトル誘起電圧Ｖ_ｘ ^ｙは循環電流成分のみによって定められると言える。したがって、以下では、本実施の形態における各リアクトル誘起電圧Ｖ_ｘ ^ｙが循環電流成分のみによって定められることを示すことで、入力側三相交流の電流成分による磁束と出力側三相交流の電流成分による磁束とが打ち消し合っていることを示す。なお、以下では、ＵＲアームＡ_ＵＲのリアクトル誘起電圧Ｖ_Ｒ ^Ｕを例示するが、他のアームＡ_ｙｘでも同様である。

ＵＲアームＡ_ＵＲには、第１コイルＬ_ＵＲ１と第２コイルＬ_ＵＲ２とが直列に接続されている。したがって、ＵＲアームＡ_ＵＲのリアクトル誘起電圧Ｖ_Ｒ ^Ｕは、以下のように表される。

ここで、ｉ_ｘ ^ｙは、ｙｘアームＡ_ｙｘを流れるアーム電流を示し、Ｌ_ＵＲ１は、第１コイルＬ_ＵＲ１の自己インダクタンスを示し、Ｌ_ＵＲ２は、第２コイルＬ_ＵＲ２の自己インダクタンスを示し、Ｍ１_ｙｘ ^ｙ’ｘ’は、第１アームリアクトル５７Ａにおける２つのコイルＬ_ｙｘ，Ｌ_ｙ’ｘ’間の相互インダクタンスを示し、Ｍ２_ｙｘ ^ｙ’ｘ’は、第２アームリアクトル５７Ｂにおける２つのコイルＬ_ｙｘ，Ｌ_ｙ’ｘ’間の相互インダクタンスを示す。

全てのコイルＬが同じインダクタンスを有すると仮定する。また、１つの脚部あたりの巻き数をＮとする。すなわち、各コイルの巻き数はＮ／３と表される。磁気抵抗をＲとし、各コイルを貫く磁束をφとする。このとき、上記式における自己インダクタンスおよび相互インダクタンスは、以下のように表される。

上記（２）式を（１）式に代入すると、以下のように表される。

各アーム電流ｉ_ｘ ^ｙを三相二相変換したときのアーム電流をｉ_ｍ ^ｎ（ｍ，ｎは、α、β、０の何れか）で表した場合、以下のような関係式が成り立つ。

ｉ_α ^α，ｉ_α ^β，ｉ_β ^α，ｉ_β ^βは、α軸およびβ軸に変換されたアーム電流を意味し、これらが各アームを流れる循環電流成分を表す。ｉ_０ ^α，ｉ_０ ^βは、入力電流成分を表し、ｉ_α ^０，ｉ_β ^０は、出力電流成分を表す。式（４）より、ｉ_α ^αは、以下のように表される。

したがって、上記（３）式は、上記（５）式を代入することにより、以下のように表される。

上述の通り、アーム電流ｉ_α ^αは、アームを流れる循環電流成分を表す。すなわち、本実施の形態において、ＵＲアームＡ_ＵＲのリアクトル誘起電圧Ｖ_Ｒ ^Ｕは、循環電流成分のみによって定められることが示された。同様に、各アームＡ_ｙｘのリアクトル誘起電圧Ｖ_ｘ ^ｙは、何れも、アームを流れる循環電流成分ｉ_α ^α，ｉ_α ^β，ｉ_β ^α，ｉ_β ^βのみによって定めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、上記実施の形態においては、入力側三相交流から順に、第１アームリアクトル５７Ａの一の第１コイルＬ_ｙｘ１、第２アームリアクトル５７Ｂの一の第２コイルＬ_ｙｘ２、および複数のブリッジセル５５が直列接続された構成を例示したが、接続順はこれに限られない。例えば、入力側三相交流から順に、複数のブリッジセル５５、第１アームリアクトル５７Ａにおける一の第１コイルＬ_ｙｘ１、および第２アームリアクトル５７Ｂにおける一の第２コイルＬ_ｙｘ２が直列接続されてもよい。また、入力側三相交流から順に、第１アームリアクトル５７Ａにおける一の第１コイルＬ_ｙｘ１、複数のブリッジセル５５、および第２アームリアクトル５７Ｂにおける一の第２コイルＬ_ｙｘ２が直列接続されてもよい。第１アームリアクトル５７Ａにおける一の第１コイルＬ_ｙｘ１と第２アームリアクトル５７Ｂにおける一の第２コイルＬ_ｙｘ２との接続順が入れ替わってもよい。

また、上記実施の形態においては、１つのアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂあたり９つのコイルＬが設けられる構成について説明したが、アームリアクトル５７Ａ，５７Ｂあたり９の倍数の数のコイルＬが設けられていてもよい。９Ｎ個（Ｎは正の整数）のコイルＬが設けられる場合、鉄心５８Ａ，５８Ｂの１つの脚部のそれぞれに、３Ｎ個のコイルＬが巻き付けられる。

この場合、各コイルは、第１アームリアクトル５７Ａに巻き付けられた９Ｎ個のコイルＬのうちのＮ個のコイルである第１コイルと、第２アームリアクトル５７Ｂに巻き付けられた９Ｎ個のコイルのうちのＮ個のコイルである第２コイルとが、互いに直列接続されるように、９本のアームＡ_ｙｘのうちの何れか１本のアームに直列接続される。さらに、各脚部に巻き付けられる３Ｎ個のコイルＬがそれぞれ直列接続されるアームＡ_ｙｘの組み合わせは、互いに異なるように構成される。

図４は、本実施の形態の変形例におけるリアクトル回路の構成を示す図である。図４の例は、Ｎ＝２の場合のリアクトル回路５６の例を示している。鉄心５８Ａ，５８Ｂには、それぞれ１８個のコイルＬが巻き付けられる。１８個のコイルＬは、鉄心５８Ａ，５８Ｂにおける１つの脚部あたり６つのコイルＬが巻き付けられるように構成される。本変形例では、各アームリアクトル５７Ａ，５７Ｂの各脚部には、同じアームＡ_ｙｘに接続されるコイルＬがＮ個ずつ（図４の場合は２つずつ）設けられ、それらが互いに直列接続される。図４の例は、図３のリアクトル回路５６の各コイルＬを２分割したものといえる。

図４の例において、より具体的には、第１アームリアクトル５７Ａの第１脚部５８Ａａには、ＵＲアームＡ_ＵＲに接続されるコイルＬ_ＵＲ１、ＷＴアームＡ_ＷＴに接続されるコイルＬ_ＷＴ１およびＶＳアームＡ_ＶＳに接続されるコイルＬ_ＶＳ１が２つずつ巻き付けられる。また、第１アームリアクトル５７Ａの第２脚部５８Ａｂには、ＶＴアームＡ_ＶＴに接続されるコイルＬ_ＶＴ１、ＵＳアームＡ_ＵＳに接続されるコイルＬ_ＵＳ１およびＷＲアームＡ_ＷＲに接続されるコイルＬ_ＷＲ１が２つずつ巻き付けられる。また、第１アームリアクトル５７Ａの第３脚部５８Ａｃには、ＷＳアームＡ_ＷＳに接続されるコイルＬ_ＷＳ１、ＶＲアームＡ_ＶＲに接続されるコイルＬ_ＶＲ１およびＵＴアームＡ_ＵＴに接続されるコイルＬ_ＵＴ１が２つずつ巻き付けられる。

また、第２アームリアクトル５７Ｂの第１脚部５８Ｂａには、ＵＲアームＡ_ＵＲに接続されるコイルＬ_ＵＲ２、ＶＴアームＡ_ＶＴに接続されるコイルＬ_ＶＴ２およびＷＳアームＡ_ＷＳに接続されるコイルＬ_ＷＳ２が２つずつ巻き付けられる。また、第２アームリアクトル５７Ｂの第２脚部５８Ｂｂには、ＷＴアームＡ_ＷＴに接続されるコイルＬ_ＷＴ２、ＵＳアームＡ_ＵＳに接続されるコイルＬ_ＵＳ２およびＶＲアームＡ_ＶＲに接続されるコイルＬ_ＶＲ２が２つずつ巻き付けられる。また、第２アームリアクトル５７Ｂの第３脚部５８Ｂｃには、ＶＳアームＡ_ＶＳに接続されるコイルＬ_ＶＳ２、ＷＲアームＡ_ＷＲに接続されるコイルＬ_ＷＲ２およびＵＴアームＡ_ＵＴに接続されるコイルＬ_ＵＴ２が２つずつ巻き付けられる。

また、これに代えて、例えば、Ｎ＝２の場合、アームＡ_ｙｘに直列接続されるコイルをＬ_ｙｘで表したとき、第１アームリアクトル５７Ａの各脚部に巻き付けられるコイルと、第２アームリアクトル５７Ｂの各脚部に巻き付けられるコイルとの関係は、以下のような組み合わせでもよい。なお、添え字が同じコイルＬ_ｙｘは、記載順に直列に接続される。
第１アームリアクトル５７Ａについて：
第１脚部５８Ａａ：Ｌ_ＵＲ，Ｌ_ＷＴ，Ｌ_ＶＳ，Ｌ_ＶＴ，Ｌ_ＵＳ，Ｌ_ＷＲ
第２脚部５８Ａｂ：Ｌ_ＶＴ，Ｌ_ＵＳ，Ｌ_ＷＲ，Ｌ_ＷＳ，Ｌ_ＶＲ，Ｌ_ＵＴ
第３脚部５８Ａｃ：Ｌ_ＷＳ，Ｌ_ＶＲ，Ｌ_ＵＴ，Ｌ_ＵＲ，Ｌ_ＷＴ，Ｌ_ＶＳ
第２アームリアクトル５７Ｂについて：
第１脚部５８Ａａ：Ｌ_ＵＲ，Ｌ_ＶＴ，Ｌ_ＷＳ，Ｌ_ＷＴ，Ｌ_ＵＳ，Ｌ_ＶＲ
第２脚部５８Ａｂ：Ｌ_ＷＴ，Ｌ_ＵＳ，Ｌ_ＶＲ，Ｌ_ＶＳ，Ｌ_ＷＲ，Ｌ_ＵＴ
第３脚部５８Ａｃ：Ｌ_ＶＳ，Ｌ_ＷＲ，Ｌ_ＵＴ，Ｌ_ＵＲ，Ｌ_ＶＴ，Ｌ_ＷＳ

また、上記実施の形態における９個のコイルＬの配置態様に関し、一の脚部内でコイルの配置順は異なっていてもよい。すなわち、一の脚部内におけるコイルＬの上下を入れ替えてもよい。例えば、図３に示す例において、第１アームリアクトル５７Ａの第１脚部５８ＡａにおけるコイルＬ_ＵＲ１とコイルＬ_ＷＴ１またはコイルＬ_ＶＳ１との位置を入れ替えてもよいし、コイルＬ_ＷＴ１とコイルＬ_ＶＳ１との位置を入れ替えてもよい。コイルの数が９Ｎ個の場合も同様である。

また、上記実施の形態における９個のコイルＬの配置態様に関し、一のアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂの各脚部間で巻き付けられるコイルの組み合わせを入れ替えてもよい。すなわち、一のアームリアクトル５７Ａ，５７Ｂにおける第１脚部に巻き付けられる３個のコイルと、第２脚部または第３脚部に巻き付けられる３個のコイルとを入れ替えてもよいし、第２脚部に巻き付けられる３個のコイルと第３脚部に巻き付けられる３個のコイルとを入れ替えてもよい。例えば、図３に示す例において、第１アームリアクトル５７Ａの第１脚部５８ＡａにおけるコイルＬ_ＵＲ１，Ｌ_ＷＴ１，Ｌ_ＶＳ１が第２脚部５８Ａｂに巻き付けられ、第１アームリアクトル５７Ａの第２脚部５８ＡｂにおけるコイルＬ_ＶＴ１，Ｌ_ＵＳ１，Ｌ_ＷＲ１が第１脚部５８Ａａに巻き付けられていてもよい。コイルの数が９Ｎ個の場合も同様である。

また、上記実施の形態においては、ブリッジセル５５としてＨブリッジセルを例示したが、これに代えて、正負両方の電圧を出力できるような他のブリッジセルをブリッジセル５５として用いてもよい。

また、電力変換部５１には、入力側三相交流または出力側三相交流の少なくとも一方において、三相交流の各相に直列に接続された高調波抑制フィルタ（図示せず）を備えていてもよい。

上記実施の形態における電力変換装置５は、従来のＭＭＭＣ等の電力変換装置が適用可能な種々の設備またはシステムに好適に適用可能である。以下に一例を示す。

図５は、本発明の一実施の形態に係る電力変換装置５が適用された舶用推進システム１の構成を示す図である。図５に示す舶用推進システム１は、減速機２１および推進プロペラ２２からなる推進装置２と、機械推進部３と、電気推進部４とを備え、機械推進部３と電気推進部４とで協調的に船舶の推進動力を得るハイブリッド推進システムである。この舶用推進システム１では、機械推進部３と電気推進部４とを用いて推進プロペラ２２を駆動し、低速時には電気推進部４のみで推進プロペラ２２を駆動し、推進力を得る。また、この舶用推進システム１では、機械推進部３で推進プロペラ２２を駆動した場合に生じた余剰電力や、減速時に推進プロペラ２２から生じる電力を舶内系統に回生させる。

機械推進部３は、推進装置２とクラッチ３１を介して接続されたディーゼルエンジン等の主機３０を含む。機械推進部３は、クラッチ３１の接続／切断を切り替えることにより、主機３０から推進装置２への回転動力を伝達したり遮断したりすることができる。

電気推進部４は、推進装置２と接続された推進用電動機４０と、推進用電動機４０を可変速制御する電力変換装置５と、電力変換装置５への電力の供給源である船内電源６とを含む。

推進用電動機４０は、電気推進時に推進装置２へ回転動力を与える電動機として機能し、機械推進時や減速時に推進装置２の回転エネルギーを利用して発電を行う発電機として機能する、発電電動機である。推進用電動機４０で発電した電力は、船内負荷７へ供給される。

船内電源６は、発電機や蓄電池などである。発電機は、ディーゼルエンジンなどの補機原動機で駆動される補機発電機を含む。また、発電機は、主機３０の回転動力を推進装置２へ伝える軸の回転を利用して発電する軸発電機（主機駆動発電機）を含んでいてもよい。船内電源６は、船内母線８と接続されており、船内電源６から船内母線８を介して船内負荷７や電力変換装置５へ電力が供給される。

電力変換装置５は、推進用電動機４０の力行と回生とを切り替え、力行時には推進用電動機４０を可変速駆動するものである。電力変換装置５は、数ｋＶ以上の高電圧（例えば、３．３ｋＶ～１１ｋＶ）を与える船内電源６と、変圧器を介さずに直結することができる。また、電力変換装置５は、双方向に電力を供給できるものであって、入力された三相交流電力を直接的に異なる三相交流電力に変換して出力することができる。電力変換部５１の入力側三相交流には船内電源６が接続され、出力側三相交流には推進用電動機４０が接続される。

電力変換装置５は、力行時には、船内電源６から入力される三相交流電力を、制御部５２の制御によって所望の周波数および電圧の三相交流電力に変換して、推進用電動機４０へ出力するように構成される。同様に、電力変換装置５は、回生時には、推進用電動機４０から入力される三相交流電力を、制御部５２の制御によって所望の周波数および電圧の三相交流電力に変換して、船内母線８を介して船内負荷７へ出力するように構成される。

上記適用例では、電力変換装置５が適用される舶用推進システム１としてハイブリッド推進システムを例示したが、これに代えて、機械推進部３がなく電気推進部４により船舶の推進動力を得る電気推進システムであってもよい。また、上記実施の形態における電力変換装置５は、例えば、陸上の発電設備、高電圧電動機駆動システム、鉄道車両向けインバータシステム等の他の設備またはシステムにも好適に適用可能である。

本発明は、入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行う電力変換装置において、性能を落とすことなく装置をより小型化するために有用である。

５ 電力変換装置
５１ 電力変換部
５２ 制御部
５５ ブリッジセル
５７Ａ，５７Ｂ アームリアクトル
５８Ａ，５８Ｂ 鉄心
５８Ａｚ，５８Ｂｚ（ｚ＝ａ，ｂまたはｃ） 脚部
Ａ_ｙｘ（ｘ＝Ｕ，ＶまたはＷ、ｙ＝Ｒ，ＳまたはＴ） ｙｘアーム
Ｌ，Ｌ_ｙｘ１，Ｌ_ｙｘ２ コイル

Claims (3)

1. 入力側三相交流と出力側三相交流との間で交流－交流直接変換を行うための電力変換部と、
   前記電力変換部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記電力変換部は、
   前記入力側三相交流の各相と前記出力側三相交流の各相との間におけるすべての組み合わせ同士を接続する９本のアームと、
   前記９本のアームのそれぞれにおいて、それぞれキャパシタおよび複数のスイッチング素子を含み、互いに直列接続される複数のブリッジセルと、
   ２つのアームリアクトルと、を備え、
   前記２つのアームリアクトルのそれぞれは、
   ３つの脚部を有し、前記３つの脚部の一端部同士および他端部同士がそれぞれ接続されて構成される鉄心と、
   前記鉄心に巻き付けられる９Ｎ個（Ｎは正の整数）のコイルと、を備え、
   前記９Ｎ個のコイルは、前記鉄心における１つの前記脚部あたり３Ｎ個のコイルが巻き付けられるように構成され、
   各コイルは、前記２つのアームリアクトルのうちの第１アームリアクトルに巻き付けられた前記９Ｎ個のコイルのうちのＮ個のコイルである第１コイルと、前記２つのアームリアクトルのうちの第２アームリアクトルに巻き付けられた前記９Ｎ個のコイルのうちのＮ個のコイルである第２コイルとが、互いに直列接続されるように、前記９本のアームのうちの何れか１本のアームに直列接続され、
   各脚部に巻き付けられる前記３Ｎ個のコイルがそれぞれ直列接続されるアームの組み合わせは、互いに異なるように構成される、電力変換装置。
2. 前記入力側三相交流の各相をＲ相、Ｓ相およびＴ相とし、前記出力側三相交流の各相をＵ相、Ｖ相およびＷ相とし、前記９本のアームを、接続される前記入力側三相交流のｘ相（ｘ＝Ｒ，Ｓ，Ｔの何れか）および接続される前記出力側三相交流のｙ相（ｙ＝Ｕ，Ｖ，Ｗの何れか）に応じてｙｘアームと表記するとき、
   前記第１アームリアクトルの第１脚部には、ＵＲアーム、ＷＴアームおよびＶＳアームに接続される各コイルが巻き付けられ、
   前記第１アームリアクトルの第２脚部には、ＶＴアーム、ＵＳアームおよびＷＲアームに接続される各コイルが巻き付けられ、
   前記第１アームリアクトルの第３脚部には、ＷＳアーム、ＶＲアームおよびＵＴアームに接続される各コイルが巻き付けられ、
   前記第２アームリアクトルの第１脚部には、ＵＲアーム、ＶＴアームおよびＷＳアームに接続される各コイルが巻き付けられ、
   前記第２アームリアクトルの第２脚部には、ＷＴアーム、ＵＳアームおよびＶＲアームに接続される各コイルが巻き付けられ、
   前記第２アームリアクトルの第３脚部には、ＶＳアーム、ＷＲアームおよびＵＴアームに接続される各コイルが巻き付けられる、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数のブリッジセルは、Ｈブリッジセルである、請求項１または２に記載の電力変換装置。

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