JP7263103B2 - Device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、多直列単位変換器クラスタ、電力変換装置および無効電力補償装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to multi-series unit converter clusters, power converters and reactive power compensators.
交流電力を直流電力、または、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置として、例えば3相2レベル変換器が用いられている。3相2レベル変換器は、6つの半導体スイッチング素子を用いて構成することができ、小型化および低コスト化を図ることが出来る。 A three-phase two-level converter, for example, is used as a power converter that converts AC power to DC power or DC power to AC power. A 3-phase 2-level converter can be configured using six semiconductor switching elements, and can be miniaturized and reduced in cost.
一方、3相2レベル変換器の出力電圧波形は、入力直流電圧をVdcとしたとき、相ごとに、PWM(パルス幅変調)により+Vdc/2と-Vdc/2との2値を切替えた擬似的な交流波形となる。このため、3相2レベル変換器の出力電圧波形は、半導体スイッチング素子のスイッチングに起因する高調波電圧を含んでいる。 On the other hand, when the input DC voltage is Vdc, the output voltage waveform of the 3-phase 2-level converter is a pseudo voltage waveform that switches between +Vdc/2 and -Vdc/2 by PWM (Pulse Width Modulation) for each phase. AC waveform. Therefore, the output voltage waveform of the 3-phase 2-level converter contains harmonic voltages caused by the switching of the semiconductor switching elements.
3相2レベル変換器の出力端にリアクトルやコンデンサで構成されるフィルタを挿入することにより、スイッチングに起因する高調波成分を低減する方法が提案されている。しかしながら、電力系統に流れ出す高調波成分を、他の機器に悪影響を及ぼさないレベルまで低減させるためには、大きな容量のフィルタを用いる必要があり、電力変換装置のコスト上昇と、重量増加を招いていた。 A method has been proposed for reducing harmonic components caused by switching by inserting a filter composed of a reactor and a capacitor at the output end of a three-phase two-level converter. However, in order to reduce the harmonic components that flow into the power system to a level that does not adversely affect other devices, it is necessary to use a large-capacity filter, which increases the cost and weight of the power converter. rice field.
また、上記フィルタを小型化することを目的に、半導体スイッチング素子のスイッチングを高周波化することが検討されている。しかしながら、半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすると、スイッチングに伴うエネルギー損失が増大し、電力ロスが大きくなるのみならず、電力変換器の冷却性能を上げる必要が生じる。例えば屋外等で冷却ファンの設置が困難な環境で電力変換器を使用するときには、冷却部が大型化することとなる。 Also, in order to reduce the size of the filter, it is being studied to increase the switching frequency of the semiconductor switching element. However, if the switching frequency of the semiconductor switching element is increased, energy loss due to switching increases, power loss increases, and it becomes necessary to improve the cooling performance of the power converter. For example, when the power converter is used in an environment where it is difficult to install a cooling fan, such as outdoors, the size of the cooling unit is increased.
これに対し、モジュラー・マルチレベル変換器のように、単位変換器を多段接続し、電力系統、配電系統電圧と同等な高電圧を変換できる電力変換器の研究開発も進められている。モジュラー・マルチレベル変換器が実用化されると、多レベル化することにより出力電圧・電流波形がより正弦波に近づくため、高調波フィルタが不要になるメリットを享受することができる。さらに、各単位変換器のスイッチングタイミングをずらすことにより、同程度の高調波成分を含む出力電圧・電流を、より低周波のスイッチング周波数で実現することができ、スイッチング損失を低減することも可能になる。 On the other hand, like a modular multi-level converter, research and development of a power converter capable of converting a high voltage equivalent to the power system and distribution system voltage by connecting unit converters in multiple stages is also underway. When modular multi-level converters are put to practical use, the output voltage and current waveforms become closer to sinusoidal waves due to the multi-level conversion, and the advantage of eliminating the need for harmonic filters can be enjoyed. Furthermore, by staggering the switching timing of each unit converter, it is possible to achieve an output voltage and current containing similar harmonic components at a lower switching frequency, thus reducing switching loss. Become.
モジュラー・マルチレベル変換器を構成する単位変換器は、それぞれコンデンサを有し、すべてのコンデンサ電圧を適切な電圧に制御する必要がある。そのため、単位変換器ごとに設けられた電圧検出器によってコンデンサ電圧を検出し、その検出信号をフィードバックして各単位変換器のゲート信号を微調整するよう制御していた。したがって、制御回路は、単位変換器の数だけフィードバック制御を実行する必要があり、高調波を低減するために単位変換器の数を増やすと、電圧検出器の増大や制御回路の複雑化、演算量増大による演算周期の低下を招いていた。さらに、コンデンサ電圧を制御するためにゲート信号を微調整した結果、高調波の増大も招いていた。 Each unit converter that constitutes a modular multi-level converter has a capacitor, and it is necessary to control all capacitor voltages to appropriate voltages. Therefore, the capacitor voltage is detected by a voltage detector provided for each unit converter, and the detection signal is fed back to control to finely adjust the gate signal of each unit converter. Therefore, the control circuit needs to perform feedback control for as many unit converters as there are unit converters. An increase in the amount of data causes a reduction in the calculation cycle. In addition, fine tuning of the gate signal to control the capacitor voltage has also resulted in increased harmonics.
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、低コストで高調波の少ない小型な多直列単位変換器クラスタ、電力変換装置および無効電力補償装置を提供することを目的とする。 The embodiments of the present invention have been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a compact multi-series unit converter cluster, a power converter, and a reactive power compensator that are low in cost and have few harmonics. and
実施形態による装置は、複数のゲート信号を出力する制御部と、それぞれ、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のソースにドレインが接続された第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のドレインと前記第2スイッチング素子のソースとの間に接続されたコンデンサと、を備え、直列接続された第1乃至第Nの単位変換器と、nを1から(N-1)のいずれかの整数としたとき、第nの単位変換器の前記第1スイッチング素子のドレインと前記コンデンサとの間と、第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のドレインと前記コンデンサとの間と、を接続する経路に設けられたバランススイッチング素子を備えた第1乃至第(N-1)のバランス回路と、前記第1乃至第Nの単位変換器のうちの少なくとも1つに対して設けられ、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、を備え、前記第nの単位変換器は、前記第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のソースと前記第2スイッチング素子のドレインとの間において前記第(n+1)の単位変換器と電気的に接続され、前記制御部は、出力する複数のゲート信号のうち、前記第(n+1)の単位変換器の前記第2スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とする。 A device according to an embodiment includes a control unit that outputs a plurality of gate signals, a first switching element, a second switching element whose drain is connected to the source of the first switching element, and a a capacitor connected between the drain and the source of the second switching element, and first to N-th unit converters connected in series, and n is any one from 1 to (N-1) and between the drain of the first switching element of the n-th unit converter and the capacitor, and between the drain of the first switching element and the capacitor of the (n+1)-th unit converter, when taken as integers. , and provided for at least one of the first to N-th unit converters, and the first to (N-1)th balance circuits provided with balance switching elements provided in the paths connecting the and a voltage detector for detecting the voltage of the capacitor, wherein the n-th unit converter comprises the source of the first switching element and the drain of the second switching element of the (n+1)-th unit converter. is electrically connected to the (n+1)-th unit converter between and the control unit selects, among a plurality of output gate signals, the second switching element of the (n+1)-th unit converter A gate signal and a gate signal of the balance switching element of the n-th balance circuit are used as a common signal.
以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、第1実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置20は、三相の交流電源(若しくは交流負荷)10と図示しない直流電源(若しくは直流負荷)との間に接続されている。交流電源10は例えば商用電源である。直流電源は、例えば、太陽光発電システムや、UPS(Uninterruptible Power Supply:無停電電源装置)のような直流電源や、バッテリや、他の電力変換装置等である。
Hereinafter, power converters according to embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing one configuration example of a power converter according to a first embodiment.
The
電力変換装置20は、交流端子UT、VT、WTと、直流正端子PTと、直流負端子MTと、制御回路CTRと、U相正側アーム30Uと、U相負側アーム30Xと、V相正側アーム30Vと、V相負側アーム30Yと、W相正側アーム30Wと、W相負側アーム30Zと、リアクトルLU~LZと、を備えている。
The
交流端子UT、VT、WTは、3相交流電源10と電気的に接続される。直流正端子PTと直流負端子MTとは、図示しない直流電源と電気的に接続される。
AC terminals UT, VT, and WT are electrically connected to a three-phase
U相正側アーム30Uの一端(低電位側端)は、リアクトルLUを介して交流端子UTと電気的に接続されている。U相正側アーム30Uの他端(高電位側端)は、直流正端子PTと電気的に接続されている。
U相負側アーム30Xの一端(高電位側端)は、リアクトルLXを介して交流端子UTと電気的に接続されている。U相負側アーム30Xの他端(低電位側端)は、直流負端子MTと電気的に接続されている。
One end (low potential side end) of U-phase
One end (high potential side end) of the U-phase
V相正側アーム30Vの一端(低電位側端)は、リアクトルLVを介して交流端子VTと電気的に接続されている。V相正側アーム30Vの他端(高電位側端)は、直流正端子PTと電気的に接続されている。
V相負側アーム30Yの一端(高電位側端)は、リアクトルLYを介して交流端子VTと電気的に接続されている。V相負側アーム30Yの他端(低電位側端)は、直流負端子MTと電気的に接続されている。
One end (low potential side end) of the V-phase
One end (high potential side end) of the V-phase
W相正側アーム30Wの一端(低電位側端)は、リアクトルLWを介して交流端子WTと電気的に接続されている。W相正側アーム30Wの他端(高電位側端)は、直流正端子PTと電気的に接続されている。
W相負側アーム30Zの一端(高電位側端)は、リアクトルLXZを介して交流端子WTと電気的に接続されている。W相負側アーム30Zの他端(低電位側端)は、直流負端子MTと電気的に接続されている。
One end (low potential side end) of the W-phase
One end (high potential side end) of the W-phase
制御回路CTRは、外部から供給された指令値および電力変換装置20にて検出された各種検出値に基づいて、電力変換装置20の動作を制御する。制御回路CTRは、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)であってもよく、CPU(central processing unit)やMPU(micro processing unit)などのプロセッサを少なくとも1つと、プロセッサにより実行されるプログラムが格納されたメモリと、を備えた演算装置であってもよい。
The control circuit CTR controls the operation of the
図2は、図1に示す電力変換装置のアームの一構成例を概略的に示す図である。
ここでは、一例として、UVW各相の1つの正側アーム若しくは1つの負側アームの構成を示し、アーム(多直列単位変換器クラスタ)30としてその構成を説明する。
FIG. 2 is a diagram schematically showing one configuration example of an arm of the power converter shown in FIG.
Here, as an example, a configuration of one positive side arm or one negative side arm for each UVW phase is shown, and the configuration will be described as an arm (multi-series unit converter cluster) 30 .
アーム30は、3つの単位変換器31-33と、バランス回路B12、B23と、を備えている。
Nが正の整数であるとき、第N単位変換器は、第1Nスイッチング素子Q1pと、第1Nスイッチング素子Q1pのソース(S)にドレイン(D)が接続した第2Nスイッチング素子Q1nと、第1Nスイッチング素子Q1pのドレイン(D)と第2Nスイッチング素子Q1nのソース(S)との間に接続した第NコンデンサCと、を備えている。
Nがnであるとき、第n単位変換器は、第1nスイッチング素子Q1pのソースと前記第2nスイッチング素子Q1nのドレインとの間において第(n+1)単位変換器と電気的に接続されている。
図2では、N≦3であるときの単位変換器クラスタの構成の一例を示し、単位変換器33が第1単位変換器、単位変換器32が第2単位変換器、単位変換器31が第3単位変換器に相当する。
単位変換器31-33は、直流正端子PT若しくは直流負端子MTと、交流端子UT、VT、WTとの間において直列に接続されている。正アームにおいて、単位変換器31の一端(高電位側端)は、直流正端子PTと電気的に接続され、他端(低電位側端)は単位変換器32の一端(高電位側端)と電気的に接続される。単位変換器33の一端(高電位側端)は単位変換器32の他端(低電位側端)と電気的に接続され、単位変換器33の他端(低電位側端)はリアクトルLU、LX、LZのいずれかを介して交流端子UT、VT、WTのいずれかと電気的に接続される。
負アームにおいて、単位変換器31の一端(高電位側端)は、リアクトルLX、LY、LZのいずれかを介して、交流端子UT、VT、WTのいずれかと電気的に接続され、他端(低電位側端)は単位変換器32の一端(高電位側端)と電気的に接続される。単位変換器33の一端(高電位側端)は単位変換器32の他端(低電位側端)と電気的に接続され、単位変換器33の他端(低電位側端)は直流負端子MTと電気的に接続される。
When N is a positive integer, the N-th unit converter includes a first N- switching element Q1p and a second N- switching element Q1n whose drain (D) is connected to the source (S) of the first N- switching element Q1p. , and an Nth capacitor C connected between the drain (D) of the first N switching element Q1p and the source (S) of the second N switching element Q1n.
When N is n, the nth unit converter is electrically connected to the (n+1)th unit converter between the source of the 1n switching element Q1p and the drain of the 2nth switching element Q1n.
FIG. 2 shows an example of the configuration of the unit converter cluster when N≦3, where the
The unit converters 31-33 are connected in series between the DC positive terminal PT or the DC negative terminal MT and the AC terminals UT, VT, WT. In the positive arm, one end (high potential side end) of the
In the negative arm, one end (high potential side end) of the
単位変換器31は、スイッチング素子(第1スイッチング素子)Q1pと、スイッチング素子(第2スイッチング素子)Q1nと、コンデンサC1と、コンデンサC1の電圧を検出する電圧検出器SVと、駆動回路(第1駆動回路)DV1pと、駆動回路(第2駆動回路)DV1nと、絶縁回路(第1絶縁回路)311と、電源回路331と、を備えている。
The
スイッチング素子Q1pとスイッチング素子Q1nとは直列に接続し、スイッチング素子Q1pとスイッチング素子Q1nとの間において、直流正端子PT若しくは直流負端子MTと電気的に接続され、スイッチング素子Q1nのソースにて単位変換器32と電気的に接続されている。
The switching element Q1p and the switching element Q1n are connected in series, and are electrically connected to the DC positive terminal PT or the DC negative terminal MT between the switching element Q1p and the switching element Q1n. It is electrically connected with the
スイッチング素子Q1p、Q1nは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。スイッチング素子Q1p,Q1nは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。スイッチング素子Q1p、Q1nは、駆動回路DV1p、DV1nからの駆動信号によりその動作を制御される。
なお、スイッチング素子Q1p、Q1nとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、スイッチング素子Q1p、Q1nのソースをエミッタと読み替え、スイッチング素子Q1p、Q1nのドレインをコレクタとして読み替える。
The switching elements Q1p and Q1n are provided with self-extinguishing switching elements such as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). Self-arc-extinguishing switching elements are, for example, IEGT (injection enhanced gate transistor), GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It is possible to employ a switching element that can be electrically controlled to be on (conducting state) and off (non-conducting state). The switching elements Q1p and Q1n may include free wheel diodes connected in anti-parallel to the switching elements, if necessary. The switching elements Q1p and Q1n are controlled in operation by drive signals from drive circuits DV1p and DV1n.
When IGBTs or IEGTs are used as the switching elements Q1p and Q1n, the sources of the switching elements Q1p and Q1n are read as emitters, and the drains of the switching elements Q1p and Q1n are read as collectors.
コンデンサC1の一端(高電位側端)はスイッチング素子Q1pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC1の他端(低電位側端)はスイッチング素子Q1nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q1pのソース(低電位側端)はスイッチング素子Q1nのドレインと電気的に接続している。 One end (high potential side end) of the capacitor C1 is electrically connected to the drain of the switching element Q1p, and the other end (low potential side end) of the capacitor C1 is electrically connected to the source of the switching element Q1n. The source (low potential side end) of the switching element Q1p is electrically connected to the drain of the switching element Q1n.
電圧検出器SVは、コンデンサC1の電圧を検出し、検出した電圧の値(若しくは電圧に相当する値)を制御回路CTRへ出力する。
電源回路331は、コンデンサC1の電圧を用いて電源を生成する。電源回路331は、絶縁回路311、駆動回路DVn、および、バランス回路B12へ電源を供給している。なお、本実施形態では、電源回路331はコンデンサC1の電圧を用いて電源を生成しているが、例えば外部から電源回路331に電源が供給されてもよく、電源回路自体が外部に設けられてもよい。
The voltage detector SV detects the voltage of the capacitor C1 and outputs the detected voltage value (or the value corresponding to the voltage) to the control circuit CTR.
The
絶縁回路311は、電源回路331と駆動回路DV1pとを絶縁している。電源回路331と駆動回路DV1pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路311は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV1pは、絶縁回路311を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q1pを駆動する。
駆動回路DV1nは、電源回路331から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q1nを駆動する。
The
The drive circuit DV1p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV1n operates by being supplied with a power supply voltage from the
単位変換器32および単位変換器33は、電圧検出器SVを備えない点以外は上述の単位変換器31と同様の構成である。
すなわち、単位変換器32は、スイッチング素子(第1スイッチング素子)Q2pと、スイッチング素子(第2スイッチング素子)Q2nと、コンデンサC2と、駆動回路(第1駆動回路)DV2pと、駆動回路(第2駆動回路)DV2nと、絶縁回路(第1絶縁回路)312と、電源回路332と、を備えている。
なお、単位変換器31-33それぞれは、電圧検出器SVとは別に、コンデンサC1-C3の電圧と閾値とを比較して過電圧を検出する回路(図示せず)を備えるため、単位変換器32-33にて電圧検出器を省略しても安全性は担保される。
The
That is, the
In addition to the voltage detector SV, each of the unit converters 31-33 includes a circuit (not shown) that compares the voltage of the capacitors C1-C3 with a threshold value to detect overvoltage. Safety is ensured even if the voltage detector is omitted in -33.
スイッチング素子Q2pとスイッチング素子Q2nとは直列に接続し、単位変換器(第1単位変換器)32のスイッチング素子Q2pとスイッチング素子Q2nとの間において、単位変換器(第2単位変換器)31のスイッチング素子Q1nのドレインおよびコンデンサC1のソースと電気的に接続されている。スイッチング素子Q2nのソースは単位変換器33と電気的に接続されている。
The switching element Q2p and the switching element Q2n are connected in series, and between the switching element Q2p and the switching element Q2n of the unit converter (first unit converter) 32, the It is electrically connected to the drain of switching element Q1n and the source of capacitor C1. The source of switching element Q2n is electrically connected to
スイッチング素子Q2p、Q2nは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。スイッチング素子Q2p、Q2nは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。スイッチング素子Q2p、Q2nは、駆動回路DV1p、DV1nからの駆動信号によりその動作を制御される。
なお、スイッチング素子Q2p、Q2nとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、スイッチング素子Q2p、Q2nのソースをエミッタと読み替え、スイッチング素子Q2p、Q2nのドレインをコレクタとして読み替える。
The switching elements Q2p and Q2n are provided with self-extinguishing switching elements such as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). Self-arc-extinguishing switching elements are, for example, IEGT (injection enhanced gate transistor), GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It is possible to employ a switching element that can be electrically controlled to be on (conducting state) and off (non-conducting state). The switching elements Q2p and Q2n may include free wheel diodes connected in anti-parallel to the switching elements, if necessary. The switching elements Q2p and Q2n are controlled in operation by drive signals from drive circuits DV1p and DV1n.
When IGBTs or IEGTs are used as the switching elements Q2p and Q2n, the sources of the switching elements Q2p and Q2n are read as emitters, and the drains of the switching elements Q2p and Q2n are read as collectors.
コンデンサC2の一端(高電位側端)はスイッチング素子Q2pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC2の他端(低電位側端)はスイッチング素子Q2nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q2pのソースはスイッチング素子Q2nのドレインと電気的に接続している。 One end (high potential side end) of the capacitor C2 is electrically connected to the drain of the switching element Q2p, and the other end (low potential side end) of the capacitor C2 is electrically connected to the source of the switching element Q2n. The source of switching element Q2p is electrically connected to the drain of switching element Q2n.
電源回路332は、コンデンサC2の電圧を用いて電源を生成する。電源回路332は、絶縁回路312、駆動回路DV2n、および、バランス回路B23へ電源を供給している。なお、本実施形態では、電源回路332はコンデンサC2の電圧を用いて電源を生成しているが、例えば外部から電源回路332に電源が供給されてもよく、電源回路自体が外部に設けられてもよい。
The
絶縁回路312は、電源回路332と駆動回路DV2pとを絶縁している。電源回路332と駆動回路DV2pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路312は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV2pは、絶縁回路312を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q2pを駆動する。
駆動回路DV2nは、電源回路332から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q2nを駆動する。
The
The drive circuit DV2p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV2n operates by being supplied with the power supply voltage from the
単位変換器33は、スイッチング素子(第1スイッチング素子)Q3pと、スイッチング素子(第2スイッチング素子)Q3nと、コンデンサC3と、駆動回路(第1駆動回路)DV3pと、駆動回路(第2駆動回路)DV3nと、絶縁回路(第1絶縁回路)313と、電源回路333と、を備えている。
スイッチング素子Q3pとスイッチング素子Q3nとは直列に接続し、単位変換器(第1単位変換器)33のスイッチング素子Q3pとスイッチング素子Q3nとの間において、単位変換器(第2単位変換器)32のスイッチング素子Q2nのソースおよびコンデンサC2の他端(低電位側端)と電気的に接続されている。スイッチング素子Q3nのソースは、交流端子UT、VT、WTのいずれかと電気的に接続されている。
The
The switching element Q3p and the switching element Q3n are connected in series, and between the switching element Q3p and the switching element Q3n of the unit converter (first unit converter) 33, the It is electrically connected to the source of switching element Q2n and the other end (low potential side end) of capacitor C2. The source of switching element Q3n is electrically connected to one of AC terminals UT, VT, and WT.
スイッチング素子Q3p、Q3nは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。スイッチング素子Q3p、Q3nは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。スイッチング素子Q3p、Q3nは、駆動回路DV1p、DV1nからの駆動信号によりその動作を制御される。
なお、スイッチング素子Q3p、Q3nとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、スイッチング素子Q3p、Q3nのソースをエミッタと読み替え、スイッチング素子Q3p、Q3nのドレインをコレクタとして読み替える。
The switching elements Q3p and Q3n are provided with self-extinguishing switching elements such as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). Self-arc-extinguishing switching elements are, for example, IEGT (injection enhanced gate transistor), GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It is possible to employ a switching element that can be electrically controlled to be on (conducting state) and off (non-conducting state). The switching elements Q3p and Q3n may include free wheel diodes connected in anti-parallel to the switching elements, if necessary. The switching elements Q3p and Q3n have their operations controlled by drive signals from the drive circuits DV1p and DV1n.
When IGBTs or IEGTs are used as the switching elements Q3p and Q3n, the sources of the switching elements Q3p and Q3n are read as emitters, and the drains of the switching elements Q3p and Q3n are read as collectors.
コンデンサC3の一端(高電位側端)はスイッチング素子Q3pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC3の他端(低電位側端)はスイッチング素子Q3nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q3pのソースはスイッチング素子Q3nのドレインと電気的に接続している。 One end (high potential side end) of the capacitor C3 is electrically connected to the drain of the switching element Q3p, and the other end (low potential side end) of the capacitor C3 is electrically connected to the source of the switching element Q3n. The source of switching element Q3p is electrically connected to the drain of switching element Q3n.
電源回路333は、コンデンサC3の電圧を用いて電源を生成する。電源回路333は、絶縁回路313および駆動回路DV3nへ電源を供給している。なお、本実施形態では、電源回路333はコンデンサC3の電圧を用いて電源を生成しているが、例えば外部から電源回路333に電源が供給されてもよく、電源回路自体が外部に設けられてもよい。
The
絶縁回路313は、電源回路333と駆動回路DV3pとを絶縁している。電源回路333と駆動回路DV3pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路313は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV3pは、絶縁回路313を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q3pを駆動する。
駆動回路DV3nは、電源回路333から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q3nを駆動する。
The
The drive circuit DV3p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV3n operates by being supplied with the power supply voltage from the
バランス回路B12は、バランススイッチング素子Q12bと、駆動回路(バランススイッチ駆動回路)DV12bと、絶縁回路(第2絶縁回路)321と、を備えている。
バランススイッチング素子Q12bは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。バランススイッチング素子Q12bは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。
なお、バランススイッチング素子Q12bとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、バランススイッチング素子Q12bのソースをエミッタと読み替え、バランススイッチング素子Q12bのドレインをコレクタとして読み替える。
The balance circuit B12 includes a balance switching element Q12b, a drive circuit (balance switch drive circuit) DV12b, and an insulation circuit (second insulation circuit) 321.
The balance switching element Q12b includes a self-arc-extinguishing switching element such as a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). Examples of self arc-extinguishing switching elements include IEGT (injection enhanced gate transistor), GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor), Alternatively, a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) capable of electrically controlling ON (conducting state) and OFF (non-conducting state) of the element can be employed. The balance switching element Q12b may include a freewheeling diode connected in anti-parallel to the switching element, if necessary.
When an IGBT or an IEGT is used as the balance switching element Q12b, the source of the balance switching element Q12b is read as the emitter, and the drain of the balance switching element Q12b is read as the collector.
バランススイッチング素子Q12bのドレインは、単位変換器31のコンデンサC1の一端(高電位側端)および第1スイッチング素子Q1pのドレインと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q12bのソースは、単位変換器32のコンデンサC2の一端(高電位側端)および第1スイッチング素子Q1pのドレインと電気的に接続している。
すなわち、バランススイッチング素子Q12bは、コンデンサと第1スイッチング素子のドレインとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)32と単位変換器(第2単位変換器)31とを電気的に接続する経路に設けられている。
したがって、バランススイッチング素子Q12bがオンされる(導通する)と、コンデンサC1の一端(高電位側端)とコンデンサC2の一端(高電位側端)とが電気的に接続される。
The drain of the balance switching element Q12b is electrically connected to one end (high potential side end) of the capacitor C1 of the
That is, the balance switching element Q12b electrically connects the unit converter (first unit converter) 32 and the unit converter (second unit converter) 31 between the capacitor and the drain of the first switching element. It is provided on the connecting route.
Therefore, when the balance switching element Q12b is turned on (conducted), one end (high potential side end) of the capacitor C1 and one end (high potential side end) of the capacitor C2 are electrically connected.
絶縁回路321は、電源回路331と駆動回路DV12bとを絶縁している。電源回路331と駆動回路DV12bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路321は、たとえば、ブートストラップ回路である。 駆動回路DV12bは、絶縁回路321を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q12bを駆動する。
The
本実施形態では、バランススイッチング素子Q12bのゲート信号は、単位変換器32のスイッチング素子Q2nと共通である。すなわち駆動回路DV12bに入力されるゲート信号と、駆動回路DV2nに入力されるゲート信号とは共通である。したがって、スイッチング素子Q2nとバランススイッチング素子Q12bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC1とコンデンサC2との電圧が略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q12b is common to the switching element Q2n of the
バランス回路B23は、バランススイッチング素子Q23bと、駆動回路(バランススイッチ駆動回路)DV23bと、絶縁回路(第2絶縁回路)322と、を備えている。
バランススイッチング素子Q23bは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。バランススイッチング素子Q23bは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。
なお、バランススイッチング素子Q23bとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、バランススイッチング素子Q23bのソースをエミッタと読み替え、バランススイッチング素子Q23bのドレインをコレクタとして読み替える。
The balance circuit B23 includes a balance switching element Q23b, a drive circuit (balance switch drive circuit) DV23b, and an insulation circuit (second insulation circuit) 322.
The balance switching element Q23b includes a self arc-extinguishing switching element such as a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). Self-arc-extinguishing switching elements are, for example, IEGT (injection enhanced gate transistor), GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It is possible to employ a switching element that can be electrically controlled to be on (conducting state) and off (non-conducting state). The balance switching element Q23b may include a free wheel diode connected in anti-parallel to the switching element, if necessary.
When an IGBT or IEGT is used as the balance switching element Q23b, the source of the balance switching element Q23b is read as the emitter, and the drain of the balance switching element Q23b is read as the collector.
バランススイッチング素子Q23bのドレインは、単位変換器32のコンデンサC2の一端(高電位側端)および第1スイッチング素子Q2pのドレインと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q23bのソースは、単位変換器33のコンデンサC3の一端(高電位側端)および第1スイッチング素子Q3pのドレインと電気的に接続している。
すなわち、バランススイッチング素子Q23bは、コンデンサと第1スイッチング素子のドレインとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)33と単位変換器(第2単位変換器)32とを電気的に接続する経路に設けられている。
したがって、バランススイッチング素子Q23bがオンされる(導通する)と、コンデンサC2の一端(高電位側端)とコンデンサC3の一端(高電位側端)とが電気的に接続される。
The drain of the balance switching element Q23b is electrically connected to one end (high potential side end) of the capacitor C2 of the
That is, the balance switching element Q23b electrically connects the unit converter (first unit converter) 33 and the unit converter (second unit converter) 32 between the capacitor and the drain of the first switching element. It is provided on the connecting route.
Therefore, when the balance switching element Q23b is turned on (conducted), one end (high potential side end) of the capacitor C2 and one end (high potential side end) of the capacitor C3 are electrically connected.
絶縁回路322は、電源回路332と駆動回路DV23bとを絶縁している。電源回路332と駆動回路DV23bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路322は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV23bは、絶縁回路322を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q23bを駆動する。
The
The drive circuit DV23b operates by being supplied with the power supply voltage through the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q23bのゲート信号は、単位変換器33のスイッチング素子Q3nと共通である。すなわち駆動回路DV23bに入力されるゲート信号と、駆動回路DV3nに入力されるゲート信号とは共通である。したがって、スイッチング素子Q3nとバランススイッチング素子Q23bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、コンデンサC2とコンデンサC3とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC2とコンデンサC3との電圧が略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q23b is common to the switching element Q3n of the
図3は、図2に示すアームの動作の一例について説明するための図である。
ここでは、例えばコンデンサC1-C3の電圧をVcとしたときに、交流端子UT、VT、WTの出力電圧Voutが電圧Vcの3倍、2倍、1倍およびゼロとなるときの、単位変換器31-33のスイッチング素子Q1p-Q3nおよびバランス回路B12、B23のスイッチング素子Q12b、Q23bの導通状態を示している。図3において、「1」はスイッチング素子が導通している状態(オン状態)を示し、「0」はスイッチング素子が導通していない状態(オフ状態)を示している。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the motion of the arm shown in FIG. 2;
Here, for example, when the voltage of the capacitors C1-C3 is Vc, the output voltage Vout of the AC terminals UT, VT, WT is 3 times, 2 times, 1 time and zero of the voltage Vc. 31-33 of switching elements Q1p-Q3n and switching elements Q12b and Q23b of balance circuits B12 and B23 are shown in the conducting state. In FIG. 3, "1" indicates the state in which the switching element is conducting (ON state), and "0" indicates the state in which the switching element is not conducting (OFF state).
例えば、出力電圧が電圧Vcの3倍となるときには、スイッチング素子Q1pがオン、スイッチング素子Q1nがオフ、スイッチング素子Q2pがオン、スイッチング素子Q2nがオフ、スイッチング素子Q3pがオン、スイッチング素子Q3nがオフとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオフ、バランススイッチング素子Q23bはオフとなり、コンデンサC1-C3は互いに接続されていない状態である。 For example, when the output voltage is three times the voltage Vc, the switching element Q1p is on, the switching element Q1n is off, the switching element Q2p is on, the switching element Q2n is off, the switching element Q3p is on, and the switching element Q3n is off. Become. At this time, the switching element Q12b is turned off, the balance switching element Q23b is turned off, and the capacitors C1 to C3 are not connected to each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの2倍となるときには、スイッチング素子Q1pがオフ、スイッチング素子Q1nがオン、スイッチング素子Q2pがオン、スイッチング素子Q2nがオフ、スイッチング素子Q3pがオン、スイッチング素子Q3nがオフとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオフ、バランススイッチング素子Q23bはオフとなり、コンデンサC1-C3は互いに接続されていない状態である。 For example, when the output voltage is double the voltage Vc, the switching element Q1p is turned off, the switching element Q1n is turned on, the switching element Q2p is turned on, the switching element Q2n is turned off, the switching element Q3p is turned on, and the switching element Q3n is turned off. Become. At this time, the switching element Q12b is turned off, the balance switching element Q23b is turned off, and the capacitors C1 to C3 are not connected to each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの1倍となるときには、スイッチング素子Q1pがオフ、スイッチング素子Q1nがオン、スイッチング素子Q2pがオフ、スイッチング素子Q2nがオン、スイッチング素子Q3pがオン、スイッチング素子Q3nがオフとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオン、バランススイッチング素子Q23bはオフとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続された状態となり、コンデンサC3は他のコンデンサC1、C2と互いに接続されていない状態である。 For example, when the output voltage is 1 times the voltage Vc, the switching element Q1p is turned off, the switching element Q1n is turned on, the switching element Q2p is turned off, the switching element Q2n is turned on, the switching element Q3p is turned on, and the switching element Q3n is turned off. Become. At this time, the switching element Q12b is turned on, the balance switching element Q23b is turned off, the capacitors C1 and C2 are connected in parallel, and the capacitor C3 is not connected to the other capacitors C1 and C2. .
例えば、出力電圧がゼロとなるときには、スイッチング素子Q1pがオフ、スイッチング素子Q1nがオン、スイッチング素子Q2pがオフ、スイッチング素子Q2nがオン、スイッチング素子Q3pがオフ、スイッチング素子Q3nがオンとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオン、バランススイッチング素子Q23bはオンとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とコンデンサC3とが並列に接続された状態となる。 For example, when the output voltage becomes zero, the switching element Q1p is turned off, the switching element Q1n is turned on, the switching element Q2p is turned off, the switching element Q2n is turned on, the switching element Q3p is turned off, and the switching element Q3n is turned on. At this time, the switching element Q12b is turned on, the balance switching element Q23b is turned on, and the capacitor C1, the capacitor C2, and the capacitor C3 are connected in parallel.
上記のように、アーム30の出力が切り替わると、コンデンサC1-C3の接続状態も切り替わるため、電力変換装置が通常の動作を行うと同時にコンデンサC1-C3の電圧を均等化することができる。したがって、コンデンサC1-C3のいずれかの電圧を取得することによりコンデンサC1-C3の電圧値の制御を行うことができ、コンデンサC1-C3それぞれの電圧を検出する電圧検出器を設けて、コンデンサC1-C3の電圧を等しくするための特別な制御を行う必要がなくなる。
As described above, when the output of the
図4は、一実施形態の電力変換装置のバランス回路のバランススイッチがオンする期間と時定数との関係の例を説明するための図である。
ここでは、例えばバランススイッチング素子Q12bがオンする期間(オン期間)をTonとし、オン期間Tonと、単位変換器のコンデンサが並列接続された回路内の総抵抗と、単位変換器のコンデンサの総容量とに起因する時定数τとの関係によるバランス電流の変化の例を示している。
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of the relationship between the time constant and the period during which the balance switch of the balance circuit of the power converter according to the embodiment is turned on.
Here, for example, the period during which the balance switching element Q12b is turned on (on period) is Ton, the on period Ton, the total resistance in the circuit in which the capacitors of the unit converters are connected in parallel, and the total capacity of the capacitors of the
例えば、オン期間Tonよりも時定数τが小さいときには、バランススイッチング素子Q12bがオンしたときに大きなバランス電流(並列に接続されたコンデンサ間に流れる電流)が流れることとなり、オン期間Tonよりも時定数τが大きくなるとバランススイッチング素子Q12bがオンしているときのバランス電流の変化が小さくなる。 For example, when the time constant τ is smaller than the ON period Ton, a large balance current (current flowing between capacitors connected in parallel) flows when the balance switching element Q12b is turned ON, and the time constant τ is smaller than the ON period Ton. As τ becomes larger, the balance current changes less when the balance switching element Q12b is on.
例えば、回路に大きな電流が流れ、過大な損失が発生するなど、回路を構成する素子の不具合の原因となるため、バランススイッチング素子Q12b、Q23bがオンされる期間Tonは時定数τよりも小さいこと(Ton<τ)が望ましい。これにより、単位変換器31-33の故障を回避することができる。 For example, a large current flows through the circuit, causing an excessive loss, which causes malfunction of the elements that make up the circuit. Therefore, the period Ton during which the balance switching elements Q12b and Q23b are turned on must be smaller than the time constant τ. (Ton<τ) is desirable. This makes it possible to avoid failure of the unit converters 31-33.
図5は、図1に示す電力変換装置の制御回路の一構成例を説明するためのブロック図である。ここでは、各相の正側アームと負側アームとが、それぞれN段の単位変換器を備えているときの制御回路CTRの一構成例を概略的に示している。 FIG. 5 is a block diagram for explaining a configuration example of a control circuit of the power converter shown in FIG. 1. As shown in FIG. Here, a configuration example of the control circuit CTR when each of the positive side arm and the negative side arm of each phase is provided with N stages of unit converters is schematically shown.
制御回路CTRは、コンデンサ電圧平均値制御部41と、コンデンサ電圧バランス制御部42と、電流制御部43と、減算器44U~44Wと、加算器45X~45Zと、PWM処理部46U~46W、46X~46Zと、を備えている。
The control circuit CTR includes a capacitor voltage average
コンデンサ電圧平均値制御部41は、外部から供給されたセルコンデンサ電圧指令値と、各相アーム30の単位変換器31-33の少なくともいずれか1つにて検出されたコンデンサ電圧値(若しくは電圧相当値)と、を受信する。コンデンサ電圧平均値制御部41は、受信したコンデンサ電圧値の平均値を算出し、算出した平均値とセルコンデンサ電圧指令値との差がゼロとなる制御量を出力する。なお、コンデンサ電圧平均値制御部41は、例えば比例制御回路又は比例積分制御回路を備えていてもよい。
The capacitor voltage average
コンデンサ電圧バランス制御部42は、各相アーム30の単位変換器31-33の少なくともいずれか1つにて検出されたコンデンサ電圧値(若しくは電圧相当値)を受信し、受信した6つのコンデンサ電圧値が略等しくなるように制御量を出力する。例えば、受信した6つのコンデンサ電圧値の平均値を算出し、平均値とそれぞれのコンデンサ電圧値との差がゼロとなるように制御量を算出してもよい。また、6つのコンデンサ電圧値のいずれかの値と他のコンデンサ電圧値との差がゼロとなるように制御量を算出してもよい。なお、コンデンサ電圧バランス制御部42は、例えば比例制御回路又は比例積分制御回路を備えていてもよい。
The capacitor voltage
電流制御部43は、例えば、系統電圧値と、無効電力指令値と、有効電力指令値とを外部から受信し、コンデンサ電圧平均値制御部41から出力された制御量と、を受信する。電流制御部43は、系統電圧値およびコンデンサ電圧平均値制御部41からの制御量を用いて、入力された無効電力指令値と有効電力指令値とを実現するように各相の制御量を演算して出力する。
The
減算器44Uは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量から、電流制御部43から出力されたU相の制御量を引いた差を演算して、演算結果をU相正側アームの電圧指令値として出力する。
減算器44Vは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量から、電流制御部43から出力されたV相の制御量を引いた差を演算して、演算結果をV相正側アームの電圧指令値として出力する。
減算器44Wは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量から、電流制御部43から出力されたW相の制御量を引いた差を演算して、演算結果をW相正側アームの電圧指令値として出力する。
The subtractor 44V calculates the difference obtained by subtracting the V-phase control amount output from the
The subtractor 44W calculates the difference obtained by subtracting the W-phase control amount output from the
加算器45Xは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量と、電流制御部43から出力されたU相の制御量とを足した和を演算して、演算結果をU相負側アームの電圧指令値として出力する。
加算器45Yは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量と、電流制御部43から出力されたV相の制御量とを足した和を演算して、演算結果をV相負側アームの電圧指令値として出力する。
加算器45Zは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量と、電流制御部43から出力されたW相の制御量とを足した和を演算して、演算結果をW相負側アームの電圧指令値として出力する。
The
The
The adder 45Z calculates the sum of the control amount output from the capacitor voltage
PWM処理部46Uは、減算器44UからU相正側アームの電圧指令値を受信し、U相正側アームのN段の単位変換器それぞれのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。PWM処理部46Uは、例えばN段の単位変換器のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、電圧指令値とキャリア波の値とを比較することによりゲート信号を生成することができる。たとえば、位相シフトPWMを適用すればよい。
PWM処理部46Vは、減算器44VからV相正側アームの電圧指令値を受信し、V相正側アームのN段の単位変換器それぞれのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。PWM処理部46Vは、例えばN段の単位変換器のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、電圧指令値とキャリア波の値とを比較することによりゲート信号を生成することができる。
The
PWM処理部46Wは、減算器44WからW相正側アームの電圧指令値を受信し、W相正側アームのN段の単位変換器それぞれのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。PWM処理部46Wは、例えばN段の単位変換器のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、電圧指令値とキャリア波の値とを比較することによりゲート信号を生成することができる。
The
PWM処理部46Xは、加算器45XからU相負側アームの電圧指令値を受信し、U相負側アームのN段の単位変換器それぞれのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。PWM処理部46Xは、例えばN段の単位変換器のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、電圧指令値とキャリア波の値とを比較することによりゲート信号を生成することができる。
The
PWM処理部46Yは、加算器45YからV相負側アームの電圧指令値を受信し、V相負側アームのN段の単位変換器それぞれのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。PWM処理部46Yは、例えばN段の単位変換器のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、電圧指令値とキャリア波の値とを比較することによりゲート信号を生成することができる。
The
PWM処理部46Zは、加算器45ZからW相負側アームの電圧指令値を受信し、W相負側アームのN段の単位変換器それぞれのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。PWM処理部46Zは、例えばN段の単位変換器のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、電圧指令値とキャリア波の値とを比較することによりゲート信号を生成することができる。
制御回路CTRから出力されたゲート信号は、対応する単位変換器のスイッチング素子およびバランススイッチング素子を駆動する駆動回路に入力される。
The PWM processing unit 46Z receives the voltage command value of the W-phase negative arm from the adder 45Z, and generates and outputs gate signals for the switching elements of the N-stage unit converters of the W-phase negative arm. The PWM processing unit 46Z can generate a gate signal by comparing the voltage command value and the value of the carrier wave, for example, using the carrier wave corresponding to each of the N-stage unit converters.
A gate signal output from the control circuit CTR is input to a drive circuit that drives the switching element and the balance switching element of the corresponding unit converter.
上記本実施形態の電力変換装置20によれば、各アーム30がバランス回路B12、B23を備え、各アーム30においてバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子を単位変換器のスイッチング素子と同期して動作させることにより、アーム30にて単位変換器のコンデンサの容量を均等化させることが可能である。この構成により、電力変換装置20に含まれる単位変換器のコンデンサの電圧をすべて検出し、個々の電圧を制御する必要がなくなり、単位変換器ごとにコンデンサの電圧を検出する検出器が不要となるとともに、制御回路CTRでの演算量を軽減することができる。すなわち、本実施形態によれば、低コストで高調波の少ない小型な多直列単位変換器クラスタおよび電力変換装置を提供することができる。
According to the
図6は、第1実施形態の電力変換装置の変形例を概略的に示す図である。
この例では、バランス回路B12、B23がバランススイッチング素子Q12b、Q23bと直列に接続された抵抗器R12、R23を備えている。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a modification of the power conversion device of the first embodiment.
In this example, balance circuits B12, B23 comprise resistors R12, R23 connected in series with balance switching elements Q12b, Q23b.
バランススイッチング素子Q12bとスイッチング素子Q2nとが導通すると、コンデンサC1とコンデンサC2とが抵抗器R12を介して並列に接続される。
バランススイッチング素子Q23bとスイッチング素子Q3nとが導通すると、コンデンサC2とコンデンサC3とが抵抗器R23を介して並列に接続される。
When balance switching element Q12b and switching element Q2n become conductive, capacitor C1 and capacitor C2 are connected in parallel via resistor R12.
When balance switching element Q23b and switching element Q3n become conductive, capacitor C2 and capacitor C3 are connected in parallel via resistor R23.
上記のようにバランス回路B12、B23が抵抗器R12、R23を備える場合であっても、上述の第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 Even when the balance circuits B12 and B23 include the resistors R12 and R23 as described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
図7は、第1実施形態の電力変換装置の変形例を概略的に示す図である。
この例では、バランス回路B12、B23がバランススイッチング素子Q12b、Q23bと直列に接続されたリアクトルL12、L23を備えている。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a modification of the power converter of the first embodiment.
In this example, balance circuits B12 and B23 have reactors L12 and L23 connected in series with balance switching elements Q12b and Q23b.
バランススイッチング素子Q12bとスイッチング素子Q2nとが導通すると、コンデンサC1とコンデンサC2とがリアクトルL12を介して並列に接続される。
バランススイッチング素子Q23bとスイッチング素子Q3nとが導通すると、コンデンサC2とコンデンサC3とがリアクトルL23を介して並列に接続される。
When balance switching element Q12b and switching element Q2n become conductive, capacitor C1 and capacitor C2 are connected in parallel via reactor L12.
When balance switching element Q23b and switching element Q3n become conductive, capacitor C2 and capacitor C3 are connected in parallel via reactor L23.
上記のようにバランス回路B12、B23がリアクトルL12、L23を備える場合であっても、上述の第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 Even if the balance circuits B12 and B23 are provided with the reactors L12 and L23 as described above, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained.
次に、第2実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明において、上述の第1実施形態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。
Next, the power conversion device of the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
In addition, in the following description, the same reference numerals are given to the same configurations as in the above-described first embodiment, and the description thereof will be omitted.
図8は、第2実施形態の電力変換装置のアームの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置20は、単位変換器31-33およびバランス回路B12、B23の構成が上述の第1実施形態と異なっている。
図8では、N≦3であるときの単位変換器クラスタの構成の一例を示し、単位変換器31が第1単位変換器、単位変換器32が第2単位変換器、単位変換器33が第3単位変換器に相当する。
FIG. 8 is a diagram schematically showing one configuration example of an arm of the power converter of the second embodiment.
The
FIG. 8 shows an example of the configuration of the unit converter cluster when N≦3, where the
単位変換器31-33は、直流正端子PT若しくは直流負端子MTと、交流端子UT、VT、WTとの間において直列に接続されている。単位変換器31の一端(高電位側端)は、直流正端子PT若しくは直流負端子MTと電気的に接続され、単位変換器31の他端(低電位側端)は単位変換器32の一端(高電位側端)と電気的に接続される。単位変換器33の一端(高電位側端)は単位変換器32の他端(低電位側端)と電気的に接続され、単位変換器33の他端(低電位側端)は交流端子のいずれかと電気的に接続される。
The unit converters 31-33 are connected in series between the DC positive terminal PT or the DC negative terminal MT and the AC terminals UT, VT, WT. One end (high potential side end) of the
単位変換器31は、スイッチング素子Q1p、Q1nと、コンデンサC1と、コンデンサC1の電圧を検出する電圧検出器SVと、駆動回路DV1p、DV1nと、絶縁回路311と、電源回路331と、を備えている。
The
スイッチング素子Q1pとスイッチング素子Q1nとは直列に接続し、単位変換器(第1単位変換器)31のスイッチング素子Q1pとスイッチング素子Q1nとの間において、単位変換器(第2単位変換器)32と電気的に接続され、スイッチング素子Q1pのドレインにて直流正端子PT又は直流負端子MTと電気的に接続されている。スイッチング素子Q1p、Q1nは、駆動回路DV1p、DV1nからの駆動信号によりその動作を制御される。 The switching element Q1p and the switching element Q1n are connected in series, and between the switching element Q1p and the switching element Q1n of the unit converter (first unit converter) 31, the unit converter (second unit converter) 32 and The drain of the switching element Q1p is electrically connected to the DC positive terminal PT or the DC negative terminal MT. The switching elements Q1p and Q1n are controlled in operation by drive signals from drive circuits DV1p and DV1n.
コンデンサC1の一端(高電位側端)はスイッチング素子Q1pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC1の他端(低電位側端)はスイッチング素子Q1nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q1pのソースはスイッチング素子Q1nのドレインと電気的に接続している。 One end (high potential side end) of the capacitor C1 is electrically connected to the drain of the switching element Q1p, and the other end (low potential side end) of the capacitor C1 is electrically connected to the source of the switching element Q1n. The source of switching element Q1p is electrically connected to the drain of switching element Q1n.
電圧検出器SVは、コンデンサC1の電圧を検出し、検出した電圧の値(若しくは電圧に相当する値)を制御回路CTRへ出力する。
電源回路331は、コンデンサC1の電圧を用いて電源を生成する。電源回路331は、絶縁回路311および駆動回路DVnへ電源を供給する。
The voltage detector SV detects the voltage of the capacitor C1 and outputs the detected voltage value (or the value corresponding to the voltage) to the control circuit CTR.
The
絶縁回路311は、電源回路331と駆動回路DV1pとを絶縁している。電源回路331と駆動回路DV1pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路311は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV1pは、絶縁回路311を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q1pを駆動する。
駆動回路DV1nは、電源回路331から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q1nを駆動する。
The
The drive circuit DV1p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV1n operates by being supplied with a power supply voltage from the
単位変換器32は、スイッチング素子Q2p、Q2nと、コンデンサC2と、駆動回路DV2p、DV2nと、絶縁回路312と、電源回路332と、を備えている。
スイッチング素子Q2pとスイッチング素子Q2nとは直列に接続している。スイッチング素子Q2pのドレインは、単位変換器31のスイッチング素子Q1pのソースとスイッチング素子Q1nのドレインとに電気的に接続している。スイッチング素子Q2pのソースとスイッチング素子Q2nのドレインとにおいて、単位変換器33のスイッチング素子Q3のドレインおよびコンデンサC3の一端(高電位側端)と電気的に接続されている。スイッチング素子Q2p、Q2nは、駆動回路DV2p、DV2nからの駆動信号によりその動作を制御される。
The
The switching element Q2p and the switching element Q2n are connected in series. The drain of the switching element Q2p is electrically connected to the source of the switching element Q1p of the
コンデンサC2の一端(高電位側端)はスイッチング素子Q2pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC2の他端(低電位側端)はスイッチング素子Q2nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q2pのソースはスイッチング素子Q2nのドレインと電気的に接続している。 One end (high potential side end) of the capacitor C2 is electrically connected to the drain of the switching element Q2p, and the other end (low potential side end) of the capacitor C2 is electrically connected to the source of the switching element Q2n. The source of switching element Q2p is electrically connected to the drain of switching element Q2n.
電源回路332は、コンデンサC2の電圧を用いて電源を生成する。電源回路332は、絶縁回路312、駆動回路DV2n、および、バランス回路B12へ電源を供給する。
絶縁回路312は、電源回路332と駆動回路DV2pとを絶縁している。電源回路332と駆動回路DV2pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路312は、たとえば、ブートストラップ回路である。
The
The
駆動回路DV2pは、絶縁回路312を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q2pを駆動する。
駆動回路DV2nは、電源回路332から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q2nを駆動する。
The drive circuit DV2p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV2n operates by being supplied with the power supply voltage from the
単位変換器33は、スイッチング素子Q3p、Q3nと、コンデンサC3と、駆動回路DV3p、DV3nと、絶縁回路313と、電源回路333と、を備えている。
スイッチング素子Q3pとスイッチング素子Q3nとは直列に接続し、スイッチング素子Q3pのソースとスイッチング素子Q3nのドレインとにおいて、交流端子UT、VT、WTのいずれかと電気的に接続されている。スイッチング素子Q3pのドレインは、単位変換器32と電気的に接続されている。スイッチング素子Q3p、Q3nは、駆動回路DV3p、DV3nからの駆動信号によりその動作を制御される。
The
The switching element Q3p and the switching element Q3n are connected in series, and the source of the switching element Q3p and the drain of the switching element Q3n are electrically connected to one of AC terminals UT, VT, and WT. A drain of the switching element Q3p is electrically connected to the
コンデンサC3の一端(高電位側端)はスイッチング素子Q3pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC3の他端(低電位側端)はスイッチング素子Q3nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q3pのソースはスイッチング素子Q3nのドレインと電気的に接続している。 One end (high potential side end) of the capacitor C3 is electrically connected to the drain of the switching element Q3p, and the other end (low potential side end) of the capacitor C3 is electrically connected to the source of the switching element Q3n. The source of switching element Q3p is electrically connected to the drain of switching element Q3n.
電源回路333は、コンデンサC3の電圧を用いて電源を生成する。電源回路333は、絶縁回路313、駆動回路DV3n、および、バランス回路B23へ電源を供給する。
絶縁回路313は、電源回路333と駆動回路DV3pとを絶縁している。電源回路333と駆動回路DV3pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路313は、たとえば、ブートストラップ回路である。
The
The
駆動回路DV3pは、絶縁回路313を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q3pを駆動する。
駆動回路DV3nは、電源回路333から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q3nを駆動する。
The drive circuit DV3p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV3n operates by being supplied with the power supply voltage from the
バランス回路B12は、バランススイッチング素子Q12bと、駆動回路DV12bと、を備えている。
バランススイッチング素子Q12bのドレインは、単位変換器31のコンデンサC1の他端(低電位側端)および第2スイッチング素子Q1nのソースと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q12bのソースは、単位変換器32のコンデンサC2の他端(低電位側端)および第2スイッチング素子Q2nのソースと電気的に接続している。
すなわち、バランススイッチング素子Q23bは、コンデンサと第2スイッチング素子のソースとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)31と単位変換器(第2単位変換器)32とを電気的に接続する経路に設けられている。
The balance circuit B12 includes a balance switching element Q12b and a drive circuit DV12b.
The drain of the balance switching element Q12b is electrically connected to the other end (low potential side end) of the capacitor C1 of the
That is, the balance switching element Q23b electrically connects the unit converter (first unit converter) 31 and the unit converter (second unit converter) 32 between the capacitor and the source of the second switching element. It is provided on the connecting route.
駆動回路DV12bは、電源回路332から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q12bを駆動する。なお、本実施形態では、バランススイッチング素子Q12bは、電源回路332と基準とする電圧が同じである。すなわち、スイッチング素子Q12bのソース(IGBTの場合はエミッタ)と電源回路332との基準電位は、それぞれコンデンサC2のN側(低電位側)電位に接続されている。したがって、電源回路332から駆動回路DV12bへ電源を供給する際に、駆動回路DV12bの前段に絶縁回路を介在させる必要がない。
The drive circuit DV12b operates by being supplied with power supply voltage from the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q12bのゲート信号は、単位変換器31のスイッチング素子Q1pと共通である。すなわち駆動回路DV12bに入力されるゲート信号と、駆動回路DV1pに入力されるゲート信号とは共通である。したがって、スイッチング素子Q1pとバランススイッチング素子Q12bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)し、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC1とコンデンサC2との電圧が略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q12b is common to the switching element Q1p of the
バランス回路B23は、バランススイッチング素子Q23bと、駆動回路DV23bと、を備えている。
バランススイッチング素子Q23bのドレインは、単位変換器32のコンデンサC2の他端(低電位側端)および第2スイッチング素子Q2nのソースと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q23bのソースは、単位変換器33のコンデンサC3の他端(低電位側端)および第2スイッチング素子Q3nのソースと電気的に接続している。
すなわち、バランススイッチング素子Q23bは、コンデンサと第2スイッチング素子のソースとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)32と単位変換器(第2単位変換器)33とを電気的に接続する経路に設けられている。
The balance circuit B23 includes a balance switching element Q23b and a drive circuit DV23b.
The drain of the balance switching element Q23b is electrically connected to the other end (low potential side end) of the capacitor C2 of the
That is, the balance switching element Q23b electrically connects the unit converter (first unit converter) 32 and the unit converter (second unit converter) 33 between the capacitor and the source of the second switching element. It is provided on the connecting route.
駆動回路DV23bは、電源回路333から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q23bを駆動する。なお、本実施形態では、バランススイッチング素子Q23bは、電源回路333と基準とする電圧が同じである。したがって、電源回路333から駆動回路DV23bへ電源を供給する際に、駆動回路DV23bの前段に絶縁回路を介在させる必要がない。
The drive circuit DV23b operates by being supplied with power supply voltage from the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q23bのゲート信号は、単位変換器32のスイッチング素子Q2pと共通である。すなわち駆動回路DV23bに入力されるゲート信号と、駆動回路DV2pに入力されるゲート信号とは共通である。したがって、スイッチング素子Q2pとバランススイッチング素子Q23bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、コンデンサC2とコンデンサC3とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC2の電圧とコンデンサC3の電圧とが略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q23b is common to the switching element Q2p of the
図9は、図8に示すアームの動作の一例について説明するための図である。
ここでは、例えばコンデンサC1-C3の電圧をVcとしたときに、交流端子UT、VT、WTの出力電圧Voutが電圧Vcの3倍、2倍、1倍およびゼロとなるときの、単位変換器31-33のスイッチング素子Q1p-Q3nおよびバランス回路B12、B23のスイッチング素子Q12b、Q23bの導通状態を示している。図8において、「1」はスイッチング素子が導通している状態(オン状態)を示し、「0」はスイッチング素子が導通していない状態(オフ状態)を示している。
9 is a diagram for explaining an example of the motion of the arm shown in FIG. 8. FIG.
Here, for example, when the voltage of the capacitors C1-C3 is Vc, the output voltage Vout of the AC terminals UT, VT, WT is 3 times, 2 times, 1 time and zero of the voltage Vc. 31-33 of switching elements Q1p-Q3n and switching elements Q12b and Q23b of balance circuits B12 and B23 are shown in the conducting state. In FIG. 8, "1" indicates the state in which the switching element is conducting (ON state), and "0" indicates the state in which the switching element is not conducting (OFF state).
例えば、出力電圧が電圧Vcの3倍となるときには、スイッチング素子Q1pがオフ、スイッチング素子Q1nがオン、スイッチング素子Q2pがオフ、スイッチング素子Q2nがオン、スイッチング素子Q3pがオフ、スイッチング素子Q3nがオンとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオフ、バランススイッチング素子Q23bはオフとなり、コンデンサC1-C3は互いに接続されていない状態である。 For example, when the output voltage is three times the voltage Vc, the switching element Q1p is turned off, the switching element Q1n is turned on, the switching element Q2p is turned off, the switching element Q2n is turned on, the switching element Q3p is turned off, and the switching element Q3n is turned on. Become. At this time, the switching element Q12b is turned off, the balance switching element Q23b is turned off, and the capacitors C1 to C3 are not connected to each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの2倍となるときには、スイッチング素子Q1pがオン、スイッチング素子Q1nがオフ、スイッチング素子Q2pがオフ、スイッチング素子Q2nがオン、スイッチング素子Q3pがオフ、スイッチング素子Q3nがオンとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオン、バランススイッチング素子Q23bはオフとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続され、コンデンサC3は他のコンデンサC1、C2と互いに接続されていない状態である。 For example, when the output voltage is double the voltage Vc, the switching element Q1p is on, the switching element Q1n is off, the switching element Q2p is off, the switching element Q2n is on, the switching element Q3p is off, and the switching element Q3n is on. Become. At this time, the switching element Q12b is turned on, the balance switching element Q23b is turned off, the capacitors C1 and C2 are connected in parallel, and the capacitor C3 is not connected to the other capacitors C1 and C2.
例えば、出力電圧が電圧Vcの1倍となるときには、スイッチング素子Q1pがオン、スイッチング素子Q1nがオフ、スイッチング素子Q2pがオン、スイッチング素子Q2nがオフ、スイッチング素子Q3pがオフ、スイッチング素子Q3nがオンとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオン、バランススイッチング素子Q23bはオンとなり、コンデンサC1-C3が並列に接続された状態である。 For example, when the output voltage is 1 times the voltage Vc, the switching element Q1p is on, the switching element Q1n is off, the switching element Q2p is on, the switching element Q2n is off, the switching element Q3p is off, and the switching element Q3n is on. Become. At this time, the switching element Q12b is turned on, the balance switching element Q23b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are connected in parallel.
例えば、出力電圧がゼロとなるときには、スイッチング素子Q1pがオン、スイッチング素子Q1nがオフ、スイッチング素子Q2pがオン、スイッチング素子Q2nがオフ、スイッチング素子Q3pがオン、スイッチング素子Q3nがオフとなる。このとき、スイッチング素子Q12bはオン、バランススイッチング素子Q23bはオンとなり、コンデンサC1-C3が並列に接続された状態となる。 For example, when the output voltage becomes zero, the switching element Q1p is on, the switching element Q1n is off, the switching element Q2p is on, the switching element Q2n is off, the switching element Q3p is on, and the switching element Q3n is off. At this time, the switching element Q12b is turned on, the balance switching element Q23b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are connected in parallel.
上記のように、アーム30の出力が切り替わると、コンデンサC1-C3の接続状態も切り替わるため、電力変換装置が通常の動作を行うと同時にコンデンサC1-C3の電圧を均等化することができる。したがって、コンデンサC1-C3のいずれかの電圧を取得することによりコンデンサC1-C3の電圧値の制御を行うことができ、コンデンサC1-C3それぞれの電圧を検出する電圧検出器を設けて、コンデンサC1-C3の電圧を等しくするための特別な制御を行う必要がなくなる。
As described above, when the output of the
上述の構成以外は本実施形態の電力変換装置20は上述の第1実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の電力変換装置20によれば、各アーム30がバランス回路B12、B23を備え、各アーム30においてバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子を単位変換器のスイッチング素子と同期して動作させることにより、アーム30にて単位変換器のコンデンサの容量を均等化させることが可能である。この構成により、電力変換装置20に含まれる単位変換器のコンデンサの電圧をすべて検出し、個々の電圧を制御する必要がなくなり、単位変換器ごとにコンデンサの電圧を検出する検出器が不要となるとともに、制御回路CTRでの演算量を軽減することができる。
The
さらに本実施形態の電力変換装置20は、バランス回路B12、B23の絶縁回路が不要となり、上述の第1実施形態よりもさらに少ない構成要素にて実現することが可能である。
すなわち、本実施形態によれば、低コストで高調波の少ない小型な多直列単位変換器クラスタおよび電力変換装置を提供することができる。
Furthermore, the
That is, according to the present embodiment, it is possible to provide a compact multi-serial unit converter cluster and a power converter that are low in cost and have few harmonics.
次に、第3実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
図10は、第3実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置20は、中性点クランプ形モジュラー・マルチレベル変換器(以下、NPC-MMC(Neutral Point Clamped Modular Multilevel Converter)という。)である。
Next, the power conversion device of the third embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 10 is a diagram schematically showing one configuration example of the power converter of the third embodiment.
The
本実施形態の電力変換装置20は、直流正端子PTと、直流負端子MTと、交流端子UT、VT、WTと、を備え、交流電源10(又は交流負荷)と直流電源(又は直流負荷)との間に接続可能である。
The
電力変換装置20は、第1コンデンサCAと、第2コンデンサCBと、第1スイッチングレグL1U、L1V、L1Wと、第2スイッチングレグL2U、L2V、L2Wと、正側アーム30U、30V、30Wと、負側アーム30X、30Y、30Zと、バッファリアクトルLU、LV、LW、LX、LY、LZと、計器用変圧器22と、制御装置CTRと、を備えている。
The
第1コンデンサCAと第2コンデンサCBとは、直流正端子PTと直流負端子MTとの間において、直列に接続されている。第1コンデンサCAは、直流正端子PTと一端(高電位側端)にて電気的に接続している。第2コンデンサCBは、第1コンデンサCAの他端(低電位側端)と直流負端子MTとの間に電気的に接続している。第1コンデンサCAと第2コンデンサとの間は中性点電位となる。 The first capacitor CA and the second capacitor CB are connected in series between the DC positive terminal PT and the DC negative terminal MT. The first capacitor CA is electrically connected to the DC positive terminal PT at one end (high potential side end). The second capacitor CB is electrically connected between the other end (low potential side end) of the first capacitor CA and the DC negative terminal MT. A neutral point potential is applied between the first capacitor CA and the second capacitor.
第1スイッチングレグL1U、L1V、L1Wは、第1コンデンサCAと並列に接続している。第2スイッチングレグL2U、L2V、L2Wは、第2コンデンサCBと並列に接続している。 The first switching legs L1U, L1V, L1W are connected in parallel with the first capacitor CA. The second switching legs L2U, L2V, L2W are connected in parallel with the second capacitor CB.
なお、本実施形態の電力変換装置20では、第1コンデンサCAと第2コンデンサCBとは、三相に共有されているが、三相それぞれに2つのコンデンサが並列接続されていてもよい。
In the
第1スイッチングレグL1U、L1V、L1Wのそれぞれは、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと、第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wと、第1出力端子O1U、O1V、O1Wと、を備えている。 Each of the first switching legs L1U, L1V, L1W includes a first switching element S1U, S1V, S1W, a second switching element S2U, S2V, S2W, and a first output terminal O1U, O1V, O1W. .
なお、以下の説明において、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wおよび第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wは、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)であるものとして説明する。第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wおよび第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wは、例えばIEGT(injection Enhanced Gate transistor)の自己消弧型のスイッチング素子と、IEGTに逆並列接続された還流ダイオードとを備えていてもよい。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。例えば、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wおよび第2スイッチング素子S2U、S2V、S2WとしてIGBTを採用する場合には、以下の説明におけるドレインはコレクタであり、ソースはエミッタであるものとして読み替えることができる。 In the following description, it is assumed that the first switching elements S1U, S1V, S1W and the second switching elements S2U, S2V, S2W are MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). The first switching elements S1U, S1V, S1W and the second switching elements S2U, S2V, S2W include, for example, a self arc-extinguishing switching element such as an IEGT (injection enhanced gate transistor) and a free wheel diode connected in anti-parallel to the IEGT. may be provided. A self-arc-extinguishing switching element, such as a GTO (gate turn-off thyristor), a GCT (gate communicated turn-off thyristor), or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), can be turned on (conducting state) or off (non-conducting state). It is possible to adopt a switching element that can electrically control the conduction state). For example, when IGBTs are employed as the first switching elements S1U, S1V, S1W and the second switching elements S2U, S2V, S2W, the drain in the following description can be read as the collector and the source as the emitter. can.
第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wは、直流正端子PTとドレインにて電気的に接続する。第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wは、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wのソースとドレインにて電気的に接続し、第1コンデンサCAと第2コンデンサCBとの間に電気的に接続した中性点とソースにて電気的に接続する。第1出力端子O1U、O1V、O1Wは、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wとの間に設けられる。 The first switching elements S1U, S1V, and S1W are electrically connected to the DC positive terminal PT at drains. The second switching elements S2U, S2V, S2W are electrically connected at the source and drain of the first switching elements S1U, S1V, S1W, and electrically connected between the first capacitor CA and the second capacitor CB. Make an electrical connection at the neutral point and the source. The first output terminals O1U, O1V, O1W are provided between the first switching elements S1U, S1V, S1W and the second switching elements S2U, S2V, S2W.
第2スイッチングレグL2U、L2V、L2Wのそれぞれは、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと、第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wと、第2出力端子O2U、O2V、O2Wと、を備えている。 Each of the second switching legs L2U, L2V, L2W comprises a third switching element S3U, S3V, S3W, a fourth switching element S4U, S4V, S4W, and a second output terminal O2U, O2V, O2W. .
なお、以下の説明において、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wおよび第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wは、MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)であるものとして説明する。第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wおよび第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wは、例えばIEGT(injection Enhanced Gate transistor)の自己消弧型のスイッチング素子と、IEGTに逆並列接続された還流ダイオードとを備えていてもよい。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。例えば、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wおよび第4スイッチング素子S4U、S4V、S4WとしてIGBTを採用する場合には、以下の説明におけるドレインはコレクタであり、ソースはエミッタであるものとして読み替えることができる。 In the following description, it is assumed that the third switching elements S3U, S3V, S3W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W are MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). The third switching elements S3U, S3V, S3W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W include, for example, a self arc-extinguishing switching element such as an IEGT (injection enhanced gate transistor) and a free wheel diode connected in anti-parallel to the IEGT. may be provided. A self-arc-extinguishing switching element, such as a GTO (gate turn-off thyristor), a GCT (gate communicated turn-off thyristor), or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), can be turned on (conducting state) or off (non-conducting state). It is possible to adopt a switching element that can electrically control the conduction state). For example, when IGBTs are employed as the third switching elements S3U, S3V, S3W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W, the drain in the following description can be read as the collector and the source as the emitter. can.
第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wは、中性点とドレインにて電気的に接続する。第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wは、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wのソースとドレインにて電気的に接続し、直流負端子MTとソースにて電気的に接続する。第2出力端子O2U、O2V、O2Wは、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wとの間に設けられる。 The third switching elements S3U, S3V, and S3W are electrically connected to the neutral point and the drain. The fourth switching elements S4U, S4V, S4W are electrically connected to the sources and drains of the third switching elements S3U, S3V, S3W, and electrically connected to the DC negative terminal MT at the sources. The second output terminals O2U, O2V, O2W are provided between the third switching elements S3U, S3V, S3W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W.
第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと、第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wとは、直流正端子PTと中性点電位との間において、直列に接続されている。すなわち、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと、第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wとは第1コンデンサCAと並列に接続されている。 The first switching elements S1U, S1V, S1W and the second switching elements S2U, S2V, S2W are connected in series between the DC positive terminal PT and the neutral point potential. That is, the first switching elements S1U, S1V, S1W and the second switching elements S2U, S2V, S2W are connected in parallel with the first capacitor CA.
第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと、第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wとは、直流負端子MTと中性点電位との間において、直列に接続されている。すなわち、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと、第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wとは第2コンデンサCBと並列に接続されている。 The third switching elements S3U, S3V, S3W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W are connected in series between the DC negative terminal MT and the neutral point potential. That is, the third switching elements S3U, S3V, S3W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W are connected in parallel with the second capacitor CB.
第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと、第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wと、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと、第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wとは、例えば、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子等の自己消弧型素子である。 The first switching elements S1U, S1V, S1W, the second switching elements S2U, S2V, S2W, the third switching elements S3U, S3V, S3W, and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W are, for example, GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), etc. A self arc-extinguishing element such as a switching element that can electrically control the state).
正側アーム30U、30V、30Wと負側アーム30X、30Y、30Zとのそれぞれは、直列に接続された複数の単位変換器と、バランス回路と、を備えている。本実施形態では、正側アーム30U、30V、30Wと負側アーム30X、30Y、30Zとの構成を、上述の第1および第2実施形態の電力変換装置20におけるアーム30の構成とすることにより構成される。なお、上述の第1実施形態および第2実施形態では、アーム30は、直流端子PT、MTと交流端子UT、VT、WTとの間に接続されていたが、本実施形態ではアーム30は、出力端子O1U、O1V、O1W、O2U、O2V、O2Wと交流端子TU、TV、TWとの間に接続される。
Each of the
例えば、正側アーム30U、30V、30Wは、交流電源10と接続される交流端子TU、TV、TWと第1出力端子O1U、O1V、O1Wとの間に直列に接続した複数の単位変換器31-33と、バランス回路B12、B23と、を含む。負側アーム30X、30Y、30Zは、交流端子TU、TV、TWと第2出力端子O2U、O2V、O2Wとの間に直列に接続した複数の単位変換器31-33と、バランス回路B12、B23と、を含む。
For example, the
なお、図10に示す電力変換装置20の例では、正側アーム30U、30V、30Wと負側アーム30X、30Y、30Zとは、バッファリアクトルLU、LV、LW、LX、LY、LZを介して交流端子UT、VT、WTと電気的に接続しているが、例えば、結合リアクトルや変圧器を介して接続してもよく、直接接続してもよい。
In the example of the
計器用変圧器22は、交流負荷10と電力変換装置20との間を接続する交流ラインの交流電圧を制御回路CTRで利用可能な電圧に変換して、制御回路CTRへ出力する。
The
制御回路CTRは、外部から供給される指令値にしたがって、電力変換装置20の出力電力が所定の値となるように、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと、第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wと、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと、第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wと、正側アーム30U、30V、30Wと、負側アーム30X、30Y、30Zと、の動作を制御する。
The control circuit CTR controls the first switching elements S1U, S1V, S1W, the second switching elements S2U, S2V, Controls the operations of S2W, the third switching elements S3U, S3V, S3W, the fourth switching elements S4U, S4V, S4W, the
制御回路CTRは、例えば、CPU(central processing unit)やMPU(micro processing unit)などのプロセッサを少なくとも1つと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されるメモリと、を備え、ソフトウエアにより動作するように構成されてもよい。 The control circuit CTR includes, for example, at least one processor such as a CPU (central processing unit) or MPU (micro processing unit), and a memory in which a program executed by the processor is recorded, and is operated by software. may be configured to
図11は、第3実施形態の電力変換装置の制御回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。
ここでは、説明のために、1つの相(例えばU相)の正側アームと負側アームとのゲート信号およびスイッチング素子S1~S4のゲート信号を生成するブロックのみを示している。
FIG. 11 is a block diagram schematically showing one configuration example of the control circuit of the power converter of the third embodiment.
Here, for the sake of explanation, only blocks that generate gate signals for the positive and negative arms of one phase (eg, U phase) and gate signals for the switching elements S1 to S4 are shown.
制御回路CTRは、コンデンサ電圧平均値制御部41と、コンデンサ電圧バランス制御部42と、電流制御部43と、コンパレータCOMと、乗算器M1と、加算器AD1、AD2と、切替器SP、SNと、PWM処理部46U、46Xと、を備えている。また、制御回路CTRは、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2の電圧を検出する検出器を備えていてもよい。また、制御回路CTRは、外部の検出器にて検出された第1コンデンサC1、第2コンデンサC2の電圧値(又は電圧相当値)を取得するよう構成されてもよい。
The control circuit CTR includes a capacitor voltage average
コンデンサ電圧平均値制御部41は、例えば、セルコンデンサ電圧指令値と、セルコンデンサ電圧平均値との差がゼロとなるように制御する比例制御回路又は比例積分制御回路である。
The capacitor voltage average
コンデンサ電圧バランス制御部42は、すべてのセルコンデンサCAの電圧Vcを一致させる、つまりバランスさせる操作量を出力する。コンデンサ電圧バランス制御部42は、例えば、アーム30から供給されたコンデンサ電圧のそれぞれと、コンデンサ電圧平均値との差がゼロとなるように制御量を出力する比例制御回路又は比例積分制御回路である。また、コンデンサ電圧バランス制御部42は、例えば、正側アーム30Uの1つのコンデンサと、負側アーム30Xの1つのコンデンサとの差をゼロとする制御量を出力する比例制御回路又は比例積分制御回路であってもよい。
The capacitor voltage
電流制御部43は、例えば、系統電圧値と、無効電力指令値と、有効電力指令値とを外部から受信し、コンデンサ電圧平均値制御部41から出力された制御量を受信し、これらの値に基づいて、無効電力指令値と有効電力指令値とを実現する制御量(電圧指令値)を演算して出力する。
The
電流制御部43の出力値は、コンパレータCOMと、乗算器M1と、切替器SNの一方の入力端と、加算器AD2とに入力される。
The output value of the
コンパレータCOMは、電流制御部43から出力された制御量と基準電位とを比較して、第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wと、第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wと、第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wと、第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wとのゲート信号を出力する。
The comparator COM compares the control amount output from the
すなわち、コンパレータCOMは、電流制御部43から出力された制御量が正である(基準電圧より大きい)ときに第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wおよび第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wをオンし、電流制御部43から出力された制御量が負である(基準電圧より小さい)ときに第1スイッチング素子S1U、S1V、S1Wおよび第3スイッチング素子S3U、S3V、S3Wをオフするゲート信号を出力する。
That is, the comparator COM turns on the first switching elements S1U, S1V, S1W and the third switching elements S3U, S3V, S3W when the control amount output from the
また、コンパレータCOMは、電流制御部43から出力された制御量が負である(基準電圧より小さい)ときに第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wおよび第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wをオンし、電流制御部43から出力された制御量が正である(基準電圧より大きい)ときに第2スイッチング素子S2U、S2V、S2Wおよび第4スイッチング素子S4U、S4V、S4Wをオフするゲート信号を出力する。
Further, the comparator COM turns on the second switching elements S2U, S2V, S2W and the fourth switching elements S4U, S4V, S4W when the control amount output from the
乗算器M1は、電流制御部43から入力された制御量に-1を乗じた値を、加算器AD1および切替器SPの一方の入力端へ出力する。
加算器AD1は、乗算器M1から入力された値とコンデンサ電圧バランス制御部42から入力された値とを加算して切替器SPの他方の入力端へ出力する。
加算器AD2は、電流制御部43から入力された値と、コンデンサ電圧バランス制御部42から入力された値とを加算して、切替器SNの他方の入力端へ出力する。
Multiplier M1 multiplies the control amount input from
The adder AD1 adds the value input from the multiplier M1 and the value input from the capacitor voltage
The adder AD2 adds the value input from the
切替器SP、SNは、コンパレータCOMの出力値が切り替わるタイミングと同期して、出力値が切り替わるように構成されている。 The switches SP and SN are configured to switch their output values in synchronization with the timing at which the output value of the comparator COM switches.
例えば、切替器SPは、電流制御部43から出力された制御量が正である(基準電圧より大きい)とき、出力値(正側アームの電圧指令値)が、加算器AD1の出力値となり、電流制御部43から出力された制御量が負である(基準電圧より小さい)とき、出力値(正側アームの電圧指令値)が、乗算器M1の出力値となるように切り替わる。
For example, when the control amount output from the
また、切替器SNは、電流制御部43から出力された制御量が正である(基準電圧より大きい)とき、出力値(負側アームの電圧指令値)が、電流制御部43の出力値となり、電流制御部43から出力された制御量が負である(基準電圧より小さい)とき、出力値(負側アームの電圧指令値)が、加算器AD2の出力値となるように切り替わる。
In addition, when the control amount output from the
PWM処理部46Uは、切替器SPから入力された値を電圧指令値として、電圧指令値とキャリア波とを比較して、U相正側アーム30Uの単位変換器31-33のスイッチング素子のゲート信号を生成し、出力する。
The
PWM処理部46Xは、切替器SNから入力された値を電圧指令値として、電圧指令値とキャリア波とを比較して、負側アーム30Xの単位変換器31-33のスイッチング素子のゲート信号を生成し、出力する。
The
なお、PWM処理部46U、46Xのぞれぞれは、複数の単位変換器31-33のそれぞれに対応するキャリア波を用いて、単位変換器31-33のそれぞれに対応するゲート信号を生成することができる。
Each of the
上記本実施形態の電力変換装置20において、上述の第1実施形態および第2実施形態と同様に、各アーム30がバランス回路B12、B23を備え、各アーム30においてバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子を単位変換器のスイッチング素子と同期して動作させることにより、アーム30にて単位変換器のコンデンサの容量を均等化させることが可能である。この構成により、電力変換装置20に含まれる単位変換器のコンデンサの電圧をすべて検出し、個々の電圧を制御する必要がなくなり、単位変換器ごとにコンデンサの電圧を検出する検出器が不要となるとともに、制御回路CTRでの演算量を軽減することができる。
すなわち、本実施形態によれば、低コストで高調波の少ない小型な多直列単位変換器クラスタおよび電力変換装置を提供することができる。
In the
That is, according to the present embodiment, it is possible to provide a compact multi-serial unit converter cluster and a power converter that are low in cost and have few harmonics.
次に、第4実施形態の無効電力補償装置について図面を参照して詳細に説明する。
図12は、第4実施形態の無効電力補償装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の無効電力補償装置22は、交流端子UT、VT、WTと、U相アーム50Uと、V相アーム50Vと、W相アーム50Wと、制御回路CTRと、バッファリアクトルLU、LV、LWと、を備えている。
Next, the reactive power compensator of the fourth embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 12 is a diagram schematically showing one configuration example of a reactive power compensator according to the fourth embodiment.
The
U相アーム50Uは、一端がバッファリアクトルLUを介して交流端子UTと電気的に接続している。V相アーム50Vは、一端がバッファリアクトルLVを介して交流端子VTと電気的に接続している。W相アーム50Wは、一端がバッファリアクトルLWを介して交流端子WTと電気的に接続している。U相アーム50U、V相アーム50V、および、W相アーム50Wの他端は互いに電気的に接続されている。
One end of
U相アーム50U、V相アーム50V、および、W相アーム50Wは、それぞれ、単位変換器51-53と、バランス回路B12、B23と、を備えている。
図13は、図12に示す無効電力補償装置の各相アームの一構成例を概略的に示す図である。
ここでは、U相アーム50UとV相アーム50VとW相アーム50Wとの共通の構成をアーム50として説明する。アーム50は、単位変換器51-53と、バランス回路B12、B23と、を備えている。
Nが正の整数であるとき、第N単位変換器は、第1Nスイッチング素子のドレインにドレインが接続した第3Nスイッチング素子と、第3Nスイッチング素子のソースにドレインが接続し第2Nスイッチング素子のソースにソースが接続した第4Nスイッチング素子と、を更に備えている。
図13では、N≦3であるときの単位変換器クラスタの構成の一例を示し、例えば、単位変換器53が第1単位変換器、単位変換器52が第2単位変換器、単位変換器51が第3単位変換器に相当する。
13 is a diagram schematically showing a configuration example of each phase arm of the reactive power compensator shown in FIG. 12. FIG.
Here, the common configuration of the
When N is a positive integer, the Nth unit converter includes 3N switching elements whose drains are connected to the drains of the 1N switching elements and 2N switching elements whose drains are connected to the sources of the 3N switching elements . and a 4N switching element having a source connected to the source of the switching element.
FIG. 13 shows an example of the configuration of the unit converter cluster when N≦3. For example, the
単位変換器51は、スイッチング素子(第1スイッチング素子)Q11pと、スイッチング素子(第2スイッチング素子)Q11nと、スイッチング素子(第3スイッチング素子)Q12pと、スイッチング素子(第4スイッチング素子)Q12nと、コンデンサC1と、電圧検出器SVと、絶縁回路(第1絶縁回路)511と、電源回路531と、駆動回路(第1駆動回路)DV1pと、駆動回路(第2駆動回路)DV1nと、を備えている。
The
スイッチング素子Q11p、Q11n、Q12p、Q12nは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。スイッチング素子Q11p、Q11n、Q12p、Q12nは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。
なお、スイッチング素子Q11p、Q11n、Q12p、Q12nとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、スイッチング素子Q11p、Q11n、Q12p、Q12nのソースをエミッタと読み替え、スイッチング素子Q11p、Q11n、Q12p、Q12nのドレインをコレクタとして読み替える。
The switching elements Q11p, Q11n, Q12p, and Q12n are provided with self-arc-extinguishing switching elements such as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). Self arc-extinguishing switching elements are, for example, IEGT (injection enhanced gate transistor), GTO (gate turn-off thyristor), GTO (gate turn-off thyristor), GCT (gate communicated turn-off thyristor), or IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor), etc., can be employed that can electrically control ON (conducting state) and OFF (non-conducting state) of the element. The switching elements Q11p, Q11n, Q12p, and Q12n may include freewheeling diodes connected in anti-parallel to the switching elements, if necessary.
When IGBTs or IEGTs are used as the switching elements Q11p, Q11n, Q12p, and Q12n, the sources of the switching elements Q11p, Q11n, Q12p, and Q12n are replaced with the emitters, and the drains of the switching elements Q11p, Q11n, Q12p, and Q12n are replaced with emitters. is read as a collector.
スイッチング素子Q11pとスイッチング素子Q11nとは直列に接続し、スイッチング素子Q11pとスイッチング素子Q11nとの間において交流端子UT、VT、WTのいずれかと電気的に接続されている。 The switching element Q11p and the switching element Q11n are connected in series, and are electrically connected to one of AC terminals UT, VT, and WT between the switching element Q11p and the switching element Q11n.
スイッチング素子Q12pとスイッチング素子Q12nとは直列に接続し、スイッチング素子Q12pとスイッチング素子Q12nとの間において単位変換器52と電気的に接続されている。
Switching element Q12p and switching element Q12n are connected in series, and are electrically connected to
コンデンサC1の一端は、スイッチング素子Q11pのドレインおよびスイッチング素子Q12pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC1の他端はスイッチング素子Q11nのソースおよびスイッチング素子Q12nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q11pのソースはスイッチング素子Q11nのドレインと電気的に接続し、スイッチング素子Q12pのソースはスイッチング素子Q12nのドレインと電気的に接続している。 One end of capacitor C1 is electrically connected to the drain of switching element Q11p and the drain of switching element Q12p, and the other end of capacitor C1 is electrically connected to the source of switching element Q11n and the source of switching element Q12n. The source of switching element Q11p is electrically connected to the drain of switching element Q11n, and the source of switching element Q12p is electrically connected to the drain of switching element Q12n.
電圧検出器SVは、コンデンサC1の電圧を検出し、検出した電圧の値(若しくは電圧に相当する値)を制御回路CTRへ出力する。
電源回路531は、コンデンサC1の電圧を用いて電源を生成する。電源回路531は、絶縁回路511および駆動回路DV1nへ電源を供給している。
The voltage detector SV detects the voltage of the capacitor C1 and outputs the detected voltage value (or the value corresponding to the voltage) to the control circuit CTR.
The
絶縁回路511は、電源回路531と駆動回路DV1pとを絶縁している。電源回路531と駆動回路DV1pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路531は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV1pは、絶縁回路511を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q11p、Q12pを駆動する。
駆動回路DV1nは、電源回路531から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q11n、Q12nを駆動する。
The
The drive circuit DV1p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV1n operates by being supplied with a power supply voltage from the
単位変換器52、53は、電圧検出器SVを備えない点以外は単位変換器51と同様の構成である。
単位変換器52は、スイッチング素子(第1スイッチング素子)Q21pと、スイッチング素子(第2スイッチング素子)Q21nと、スイッチング素子(第3スイッチング素子)Q22pと、スイッチング素子(第4スイッチング素子)Q22nと、コンデンサC2と、絶縁回路(第1絶縁回路)512と、電源回路532と、駆動回路(第1駆動回路)DV2pと、駆動回路(第2駆動回路)DV2nと、を備えている。
The
The
スイッチング素子Q21pとスイッチング素子Q21nとは直列に接続し、単位変換器(第1単位変換器)52のスイッチング素子Q21pとスイッチング素子Q21nとの間において、単位変換器(第2単位変換器)51のスイッチング素子Q12pとスイッチング素子Q12nとの間に電気的に接続されている。 The switching element Q21p and the switching element Q21n are connected in series, and between the switching element Q21p and the switching element Q21n of the unit converter (first unit converter) 52, the It is electrically connected between switching element Q12p and switching element Q12n.
スイッチング素子Q22pとスイッチング素子Q22nとは直列に接続し、単位変換器(第2単位変換器)52のスイッチング素子Q22pとスイッチング素子Q22nとの間において単位変換器(第1単位変換器)53のスイッチング素子Q31pとスイッチング素子Q31nとの間にと電気的に接続されている。 The switching element Q22p and the switching element Q22n are connected in series, and switching of the unit converter (first unit converter) 53 is performed between the switching element Q22p and the switching element Q22n of the unit converter (second unit converter) 52. It is electrically connected between the element Q31p and the switching element Q31n.
コンデンサC2の一端は、スイッチング素子Q21pのドレインおよびスイッチング素子Q22pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC2の他端はスイッチング素子Q21nのソースおよびスイッチング素子Q22nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q21pのソースはスイッチング素子Q21nのドレインと電気的に接続し、スイッチング素子Q22pのソースはスイッチング素子Q22nのドレインと電気的に接続している。 One end of capacitor C2 is electrically connected to the drain of switching element Q21p and the drain of switching element Q22p, and the other end of capacitor C2 is electrically connected to the source of switching element Q21n and the source of switching element Q22n. The source of switching element Q21p is electrically connected to the drain of switching element Q21n, and the source of switching element Q22p is electrically connected to the drain of switching element Q22n.
電源回路532は、コンデンサC2の電圧を用いて電源を生成する。電源回路532は、絶縁回路512および駆動回路DV2nへ電源を供給している。
絶縁回路512は、電源回路532と駆動回路DV2pとを絶縁している。電源回路532と駆動回路DV2pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路512は、たとえば、ブートストラップ回路である。
The
The
駆動回路DV2pは、絶縁回路512を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q21p、Q22pを駆動する。
駆動回路DV2nは、電源回路532から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q21n、Q22nを駆動する。
The drive circuit DV2p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV2n operates by being supplied with a power supply voltage from the
単位変換器53は、スイッチング素子(第1スイッチング素子)Q31pと、スイッチング素子(第2スイッチング素子)Q31nと、スイッチング素子(第3スイッチング素子)Q32pと、スイッチング素子(第4スイッチング素子)Q32nと、コンデンサC3と、絶縁回路(第1絶縁回路)513と、電源回路533と、駆動回路(第1駆動回路)DV3pと、駆動回路(第2駆動回路)DV3nと、を備えている。
The
スイッチング素子Q31pとスイッチング素子Q31nとは直列に接続し、スイッチング素子Q31pとスイッチング素子Q31nとの間において、単位変換器52のスイッチング素子Q22pとスイッチング素子Q22nとの間に電気的に接続されている。
Switching element Q31p and switching element Q31n are connected in series, and are electrically connected between switching element Q22p and switching element Q22n of
スイッチング素子Q32pとスイッチング素子Q32nとは直列に接続し、スイッチング素子Q32pとスイッチング素子Q32nとの間において、他のアームの単位変換器53と電気的に接続されている。
The switching element Q32p and the switching element Q32n are connected in series, and are electrically connected to the
コンデンサC3の一端は、スイッチング素子Q31pのドレインおよびスイッチング素子Q32pのドレインと電気的に接続し、コンデンサC3の他端はスイッチング素子Q31nのソースおよびスイッチング素子Q32nのソースと電気的に接続している。なお、スイッチング素子Q31pのソースはスイッチング素子Q31nのドレインと電気的に接続し、スイッチング素子Q32pのソースはスイッチング素子Q32nのドレインと電気的に接続している。 One end of capacitor C3 is electrically connected to the drain of switching element Q31p and the drain of switching element Q32p, and the other end of capacitor C3 is electrically connected to the source of switching element Q31n and the source of switching element Q32n. The source of switching element Q31p is electrically connected to the drain of switching element Q31n, and the source of switching element Q32p is electrically connected to the drain of switching element Q32n.
電源回路533は、コンデンサC3の電圧を用いて電源を生成する。電源回路533は、絶縁回路513および駆動回路DV3nへ電源を供給している。
絶縁回路513は、電源回路533と駆動回路DV3pとを絶縁している。電源回路533と駆動回路DV3pとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路513は、たとえば、ブートストラップ回路である。
The
The
駆動回路DV3pは、絶縁回路513を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q31p、Q32pを駆動する。
駆動回路DV3nは、電源回路533から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、スイッチング素子Q23n、Q23nを駆動する。
The drive circuit DV3p operates by being supplied with the power supply voltage through the
The drive circuit DV3n operates by being supplied with the power supply voltage from the
バランス回路B12は、バランススイッチング素子Q121bと、バランススイッチング素子(第2バランススイッチング素子)Q122bと、駆動回路(バランススイッチ駆動回路)DV121b、DV122bと、絶縁回路(第3絶縁回路)5211、5212と、を備えている。
バランススイッチング素子Q121b、Q122bは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。バランススイッチング素子Q121b、Q122bは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。
なお、バランススイッチング素子Q121b、Q122bとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、バランススイッチング素子Q121b、Q122bのソースをエミッタと読み替え、バランススイッチング素子Q121b、Q122bのドレインをコレクタとして読み替える。
The balance circuit B12 includes a balance switching element Q121b, a balance switching element (second balance switching element) Q122b, drive circuits (balance switch drive circuits) DV121b and DV122b, insulation circuits (third insulation circuits) 5211 and 5212, It has
The balance switching elements Q121b and Q122b are provided with self-arc-extinguishing switching elements such as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). The self arc-extinguishing switching element is, for example, an IEGT (injection enhanced gate transistor), a GTO (gate turn-off thyristor), a GTO (gate turn-off thyristor), a GCT (gate communicated turn-off thyristor), or an IGBT (Insulated It is possible to employ a switching element such as a Gate Bipolar Transistor, which can be electrically controlled to be turned on (conducting state) and off (non-conducting state). The balance switching elements Q121b and Q122b may include free wheel diodes connected in anti-parallel to the switching elements, if necessary.
When IGBTs or IEGTs are used as the balance switching elements Q121b and Q122b, the sources of the balance switching elements Q121b and Q122b are read as emitters, and the drains of the balance switching elements Q121b and Q122b are read as collectors.
バランススイッチング素子Q121bとバランススイッチング素子Q122bとは、ソースとドレインとの位置が互いに逆になるように配置され、例えばドレイン同士が電気的に接続されている。
バランススイッチング素子Q121bの一端(ソース)は、単位変換器51のコンデンサC1の一端およびスイッチング素子Q11p、Q12pのドレインと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q121bの他端(ドレイン)は、バランススイッチング素子Q122bの一端(ドレイン)と電気的に接続されている。バランススイッチング素子Q122bの他端(ソース)は、単位変換器52のコンデンサC2の一端およびスイッチング素子Q21p、Q22pのドレインと電気的に接続している。
すなわち、バランススイッチング素子Q121b、Q122bは、第1スイッチング素子のドレインおよび第3スイッチング素子のドレインとコンデンサとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)52と単位変換器(第2単位変換器)51とを電気的に接続する経路に設けられている。
したがって、バランススイッチング素子Q121b、Q122bがオンされる(導通する)と、コンデンサC1の一端とコンデンサC2の一端とが電気的に接続される。
The balance switching element Q121b and the balance switching element Q122b are arranged such that the positions of the source and the drain are opposite to each other, and the drains are electrically connected to each other, for example.
One end (source) of the balance switching element Q121b is electrically connected to one end of the capacitor C1 of the
That is, the balance switching elements Q121b and Q122b are connected between the drain of the first switching element, the drain of the third switching element, and the capacitor, between the unit converter (first unit converter) 52 and the unit converter (second unit converter). converter) 51 is provided on a path electrically connecting to the converter) 51 .
Therefore, when the balance switching elements Q121b and Q122b are turned on (conducted), one end of the capacitor C1 and one end of the capacitor C2 are electrically connected.
なお、バランススイッチング素子Q121bは、ソースが単位変換器51のコンデンサC1の一端側、ドレインが単位変換器52のコンデンサC2の一端側となる向きに配置されていればよい。バランススイッチング素子Q122bは、ソースが単位変換器52のコンデンサC2の一端側、ドレインが単位変換器51のコンデンサC1の一端側となる向きに配置されていればよい。すなわち、バランススイッチング素子Q121bは、ソースとドレインとの配置がバランススイッチング素子Q122bと逆となるように配置されていればよく、コンデンサC1とコンデンサC2との間において、バランススイッチング素子Q121bとバランススイッチング素子Q122bとが配置される順序は図13と逆であっても構わない。
The balance switching element Q121b may be arranged so that the source is on one end side of the capacitor C1 of the
絶縁回路5211は、電源回路531と駆動回路DV121bとを絶縁している。電源回路531と駆動回路DV121bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路5211は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV121bは、絶縁回路5211を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q121bを駆動する。
The
The drive circuit DV121b operates by being supplied with the power supply voltage through the
絶縁回路5212は、電源回路532と駆動回路DV122bとを絶縁している。電源回路532と駆動回路DV122bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路5212は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV122bは、絶縁回路5212を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q122bを駆動する。
The
The drive circuit DV122b operates by being supplied with the power supply voltage through the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q121bのゲート信号は、単位変換器51のスイッチング素子Q12nのゲート信号と共通である。バランススイッチング素子Q122bのゲート信号は、単位変換器52のスイッチング素子Q21nのゲート信号と共通である。したがって、スイッチング素子Q12nとバランススイッチング素子Q121bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q21nとバランススイッチング素子Q122bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q12nとスイッチング素子Q21nとの両方が導通するタイミングでコンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC1の電圧とコンデンサC2の電圧とが略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q121b is common to the gate signal of the switching element Q12n of the
バランス回路B23は、バランススイッチング素子Q231bと、バランススイッチング素子(第2バランススイッチング素子)Q232bと、駆動回路(バランススイッチ駆動回路)DV231b、DV232bと、絶縁回路(第3絶縁回路)5221、5222と、を備えている。
バランススイッチング素子Q231b、Q232bは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。バランススイッチング素子Q231b、Q232bは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。
なお、バランススイッチング素子Q231b、Q232bとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、バランススイッチング素子Q231b、Q232bのソースをエミッタと読み替え、バランススイッチング素子Q231b、Q232bのドレインをコレクタとして読み替える。
The balance circuit B23 includes a balance switching element Q231b, a balance switching element (second balance switching element) Q232b, drive circuits (balance switch drive circuits) DV231b and DV232b, insulation circuits (third insulation circuits) 5221 and 5222, It has
The balance switching elements Q231b and Q232b are provided with self-arc-extinguishing switching elements such as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistors). The self arc-extinguishing switching element is, for example, an IEGT (injection enhanced gate transistor), a GTO (gate turn-off thyristor), a GTO (gate turn-off thyristor), a GCT (gate communicated turn-off thyristor), or an IGBT (Insulated It is possible to employ a switching element such as a Gate Bipolar Transistor, which can be electrically controlled to be turned on (conducting state) and off (non-conducting state). The balance switching elements Q231b and Q232b may include free wheel diodes connected in anti-parallel to the switching elements, if necessary.
When IGBTs or IEGTs are used as the balance switching elements Q231b and Q232b, the sources of the balance switching elements Q231b and Q232b are read as emitters, and the drains of the balance switching elements Q231b and Q232b are read as collectors.
バランススイッチング素子Q231bとバランススイッチング素子Q232bとは、ソースとドレインとの位置が互いに逆となるように配置され、例えばドレイン同士が接続されている。
バランススイッチング素子Q231bの一端(ソース)は、単位変換器52のコンデンサC2の一端およびスイッチング素子Q21p、Q22pのドレインと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q231bの他端(ドレイン)は、バランススイッチング素子Q232bの一端(ドレイン)と電気的に接続されている。バランススイッチング素子Q232bの他端(ソース)は、単位変換器53のコンデンサC3の一端およびスイッチング素子Q31p、Q32Pのドレインと電気的に接続している。
すなわち、バランススイッチング素子Q231b、Q232bは、第1スイッチング素子のドレインおよび第3スイッチング素子のドレインとコンデンサとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)53と単位変換器(第2単位変換器)52とを電気的に接続する経路に設けられている。
The balance switching element Q231b and the balance switching element Q232b are arranged such that the positions of the source and the drain are opposite to each other, and the drains are connected to each other, for example.
One end (source) of the balance switching element Q231b is electrically connected to one end of the capacitor C2 of the
That is, the balance switching elements Q231b and Q232b are arranged between the drain of the first switching element and the drain of the third switching element and the capacitor, between the unit converter (first unit converter) 53 and the unit converter (second unit converter). converter) 52.
したがって、バランススイッチング素子Q231b、Q232bがオンされる(導通する)と、コンデンサC2の一端とコンデンサC2の一端とが電気的に接続される。 Therefore, when the balance switching elements Q231b and Q232b are turned on (conducted), one end of the capacitor C2 is electrically connected to one end of the capacitor C2.
なお、バランススイッチング素子Q231bは、ソースが単位変換器52のコンデンサC2の一端側、ドレインが単位変換器53のコンデンサC3の一端側となる向きに配置されていればよい。バランススイッチング素子Q232bは、ソースが単位変換器53のコンデンサC3の一端側、ドレインが単位変換器52のコンデンサC2の一端側となる向きに配置されていればよい。すなわち、バランススイッチング素子Q231bは、ソースとドレインとの配置がバランススイッチング素子Q232bと逆となるように配置されていればよく、コンデンサC2とコンデンサC3との間において、バランススイッチング素子Q231bとバランススイッチング素子Q232bとが配置される順序は図13と逆であっても構わない。
The balance switching element Q231b may be arranged so that the source is on one end side of the capacitor C2 of the
絶縁回路5221は、電源回路532と駆動回路DV231bとを絶縁している。電源回路532と駆動回路DV231bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路5221は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV231bは、絶縁回路5221を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q231bを駆動する。
The
The drive circuit DV231b operates by being supplied with the power supply voltage through the
絶縁回路5222は、電源回路533と駆動回路DV232bとを絶縁している。電源回路533と駆動回路DV232bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路5222は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV232bは、絶縁回路5222を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q232bを駆動する。
The
The drive circuit DV232b operates by being supplied with the power supply voltage through the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q231bのゲート信号は、単位変換器52のスイッチング素子Q22nのゲート信号と共通である。バランススイッチング素子Q232bのゲート信号は、単位変換器53のスイッチング素子Q31nのゲート信号と共通である。したがって、スイッチング素子Q22nとバランススイッチング素子Q231bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q31nとバランススイッチング素子Q232bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q22nとスイッチング素子Q31nとの両方が導通するタイミングでコンデンサC2とコンデンサC3とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC2とコンデンサC3との電圧が略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q231b is common to the gate signal of the switching element Q22n of the
図14は、図13に示すアームの動作の一例について説明するための図である。
ここでは、例えばコンデンサC1-C3の電圧をVcとしたときに、交流端子UT、VT、WTの出力電圧Voutが電圧Vcの3倍、2倍、1倍、-1倍、-2倍、-3倍、およびゼロとなるときの、単位変換器51-53のスイッチング素子Q11p-Q32nおよびバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子Q121b、Q122b、Q231b、Q232bの導通状態を示している。図13において、「1」はスイッチング素子が導通している状態(オン状態)を示し、「0」はスイッチング素子が導通していない状態(オフ状態)を示している。
14 is a diagram for explaining an example of the motion of the arm shown in FIG. 13; FIG.
Here, for example, when the voltage of the capacitors C1 to C3 is Vc, the output voltage Vout of the AC terminals UT, VT, and WT is 3 times, 2 times, 1 time, -1 times, -2 times, - It shows the conduction states of the switching elements Q11p-Q32n of the unit converters 51-53 and the balance switching elements Q121b, Q122b, Q231b, Q232b of the balance circuits B12, B23 when tripled and zero. In FIG. 13, "1" indicates the state in which the switching element is conducting (ON state), and "0" indicates the state in which the switching element is not conducting (OFF state).
例えば、出力電圧が電圧Vcの3倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオフ、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオフとなり、コンデンサC1-C3は互いに接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is three times the voltage Vc, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is off, the switching element Q12n is on, the switching element Q21p is on, the switching element Q21n is off, The switching element Q22p is turned off, the switching element Q22n is turned on, the switching element Q31p is turned on, the switching element Q31n is turned off, the switching element Q32p is turned off, and the switching element Q32n is turned on. At this time, the balance switching element Q121b is on, the switching element Q122b is off, the switching element Q231b is on, the balance switching element Q232b is off, and the capacitors C1 to C3 are not connected to each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの2倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオフ、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオフとなり、コンデンサC1-C3は互いに並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is double the voltage Vc, the switching element Q11p is off, the switching element Q11n is on, the switching element Q12p is off, the switching element Q12n is on, the switching element Q21p is on, the switching element Q21n is off, The switching element Q22p is turned off, the switching element Q22n is turned on, the switching element Q31p is turned on, the switching element Q31n is turned off, the switching element Q32p is turned off, and the switching element Q32n is turned on. At this time, the balance switching element Q121b is on, the switching element Q122b is off, the switching element Q231b is on, the balance switching element Q232b is off, and the capacitors C1 to C3 are not connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの1倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオフとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続され、コンデンサC3は他のコンデンサと並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is 1 times the voltage Vc, the switching element Q11p is off, the switching element Q11n is on, the switching element Q12p is off, the switching element Q12n is on, the switching element Q21p is off, the switching element Q21n is on, The switching element Q22p is turned off, the switching element Q22n is turned on, the switching element Q31p is turned on, the switching element Q31n is turned off, the switching element Q32p is turned off, and the switching element Q32n is turned on. At this time, the balance switching element Q121b is turned on, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned on, and the balance switching element Q232b is turned off. is not connected to
例えば、出力電圧がゼロとなるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3が互いに並列に接続された状態となる。 For example, when the output voltage becomes zero, the switching element Q11p is turned off, the switching element Q11n is turned on, the switching element Q12p is turned off, the switching element Q12n is turned on, the switching element Q21p is turned off, the switching element Q21n is turned on, and the switching element Q22p is turned on. OFF, the switching element Q22n is ON, the switching element Q31p is OFF, the switching element Q31n is ON, the switching element Q32p is OFF, and the switching element Q32n is ON. At this time, the balance switching element Q121b is turned on, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned on, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの-1倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3が互いに並列に接続された状態となる。 For example, when the output voltage is -1 times the voltage Vc, the switching element Q11p is turned off, the switching element Q11n is turned on, the switching element Q12p is turned off, the switching element Q12n is turned on, the switching element Q21p is turned off, and the switching element Q21n is turned on. , the switching element Q22p is off, the switching element Q22n is on, the switching element Q31p is off, the switching element Q31n is on, the switching element Q32p is on, and the switching element Q32n is off. At this time, the balance switching element Q121b is turned on, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned on, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの-2倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオフ、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続され、コンデンサC3は他のコンデンサと並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is -2 times the voltage Vc, the switching element Q11p is turned off, the switching element Q11n is turned on, the switching element Q12p is turned off, the switching element Q12n is turned on, the switching element Q21p is turned off, and the switching element Q21n is turned on. , the switching element Q22p is on, the switching element Q22n is off, the switching element Q31p is off, the switching element Q31n is on, the switching element Q32p is on, and the switching element Q32n is off. At this time, the balance switching element Q121b is on, the switching element Q122b is on, the switching element Q231b is off, the balance switching element Q232b is on, the capacitor C1 and the capacitor C2 are connected in parallel, and the capacitor C3 is in parallel with another capacitor. is not connected to
例えば、出力電圧が電圧Vcの-3倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオフ、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオフ、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3は互いに並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is -3 times the voltage Vc, the switching element Q11p is turned off, the switching element Q11n is turned on, the switching element Q12p is turned on, the switching element Q12n is turned off, the switching element Q21p is turned off, and the switching element Q21n is turned on. , the switching element Q22p is on, the switching element Q22n is off, the switching element Q31p is off, the switching element Q31n is on, the switching element Q32p is on, and the switching element Q32n is off. At this time, the balance switching element Q121b is turned off, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned off, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are not connected in parallel with each other.
上記のように、アーム50の出力が切り替わると、コンデンサC1-C3の接続状態も切り替わるため、電力変換装置が通常の動作を行うと同時にコンデンサC1-C3の電圧を均等化することができる。したがって、コンデンサC1-C3のいずれかの電圧を取得することによりコンデンサC1-C3の電圧値の制御を行うことができ、コンデンサC1-C3それぞれの電圧を検出する電圧検出器を設けて、コンデンサC1-C3の電圧を等しくするための特別な制御を行う必要がなくなる。
As described above, when the output of the
図15は、図12に示す無効電力補償装置の制御回路の一構成例を説明するためのブロック図である。
図16は、図15に示す無効電力補償装置の制御回路の遅延回路の一構成例を説明するためのブロック図である。
15 is a block diagram for explaining a configuration example of a control circuit of the reactive power compensator shown in FIG. 12. FIG.
16 is a block diagram for explaining a configuration example of a delay circuit of a control circuit of the reactive power compensator shown in FIG. 15. FIG.
ここでは、各相のアームがN段の単位変換器を備えている例について、各単位変換器の1つのスイッチング素子のゲート信号を生成する回路の構成例を示している。
制御回路CTRは、コンデンサ電圧平均値制御部41と、コンデンサ電圧バランス制御部42と、電流制御部43と、加算器45U~45Wと、PWM処理部46U~46Wと、遅延回路47U~47Wと、を備えている。
Here, for an example in which each phase arm includes N stages of unit converters, a configuration example of a circuit for generating a gate signal for one switching element of each unit converter is shown.
The control circuit CTR includes a capacitor voltage average
コンデンサ電圧平均値制御部41は、外部から供給されたセルコンデンサ電圧指令値と、各相アーム50の単位変換器51-53の少なくともいずれか1つにて検出されたコンデンサ電圧値(若しくは電圧相当値)と、を受信する。コンデンサ電圧平均値制御部41は、受信したコンデンサ電圧値の平均値を算出し、算出した平均値とセルコンデンサ電圧指令値との差がゼロとなる制御量を出力する。なお、コンデンサ電圧平均値制御部41は、例えば比例制御回路又は比例積分制御回路を備えていてもよい。
The capacitor voltage average
コンデンサ電圧バランス制御部42は、各相アーム50の単位変換器51-53の少なくともいずれか1つにて検出されたコンデンサ電圧値(若しくは電圧相当値)を受信し、受信した3つのコンデンサ電圧値が略等しくなるように制御量を出力する。例えば、受信した3つのコンデンサ電圧値の平均値を算出し、平均値とそれぞれのコンデンサ電圧値との差がゼロとなるように制御量を算出してもよい。また、3つのコンデンサ電圧値のいずれかの値と他のコンデンサ電圧値との差がゼロとなるように制御量を算出してもよい。なお、コンデンサ電圧バランス制御部42は、例えば比例制御回路又は比例積分制御回路を備えていてもよい。
The capacitor voltage
電流制御部43は、例えば、系統電圧値と、無効電力指令値とを外部から受信し、コンデンサ電圧平均値制御部41から出力された制御量と、を受信する。電流制御部43は、系統電圧値およびコンデンサ電圧平均値制御部41からの制御量を用いて、入力された無効電力指令値を実現するように各相の制御量を演算して出力する。
The
加算器45Uは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量と、電流制御部43から出力されたU相の制御量とを足した和を演算して、演算結果をU相アームの電圧指令値として出力する。
加算器45Vは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量と、電流制御部43から出力されたV相の制御量とを足した和を演算して、演算結果をV相アームの電圧指令値として出力する。
加算器45Wは、コンデンサ電圧バランス制御部42から出力された制御量と、電流制御部43から出力されたW相の制御量とを足した和を演算して、演算結果をW相アームの電圧指令値として出力する。
The
The
PWM処理部46Uは、加算器45UからU相アームの電圧指令値を受信し、例えばキャリア波と電圧指令値とを比較して、U相アームの一つの単位変換器のスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
PWM処理部46Vは、加算器45VからV相アームの電圧指令値を受信し、例えばキャリア波と電圧指令値とを比較して、V相アームの一つの単位変換器のスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
PWM処理部46Wは、加算器45WからW相アームの電圧指令値を受信し、例えばキャリア波と電圧指令値とを比較して、W相アームの一つの単位変換器のスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
The
The
遅延回路47Uは、PWM処理部46Uから出力された一つの単位変換器のスイッチング素子へのゲート信号を遅延させて、U相アームの他の単位変換器のスイッチング素子へのゲート信号を生成し、U相アームのすべての単位変換器のスイッチング素子に対応するゲート信号を出力する。遅延回路47Uは、(N-1)の遅延回路DLYを備え、(N-1)の遅延回路DLYによる遅延時間は互いに異なっている。
The
遅延回路47Vは、PWM処理部46Vから出力された一つの単位変換器のスイッチング素子へのゲート信号を遅延させて、V相アームの他の単位変換器のスイッチング素子へのゲート信号を生成し、V相アームのすべての単位変換器のスイッチング素子に対応するゲート信号を出力する。遅延回路47Vは、(N-1)の遅延回路DLYを備え、(N-1)の遅延回路DLYによる遅延時間は互いに異なっている。
The
遅延回路47Wは、PWM処理部46Wから出力された一つの単位変換器のスイッチング素子へのゲート信号を遅延させて、W相アームの他の単位変換器のスイッチング素子へのゲート信号を生成し、W相アームのすべての単位変換器のスイッチング素子に対応するゲート信号を出力する。遅延回路47Wは、(N-1)の遅延回路DLYを備え、(N-1)の遅延回路DLYによる遅延時間は互いに異なっている。
The
図17は、図15および図16に示す無効電力補償装置の制御回路の動作の一例を説明するための図である。
例えば、PWM処理部46Uは、キャリア波と電圧指令値とを比較して、第1ゲート信号を生成して出力する。第1ゲート信号は、例えばスイッチング素子Q11pのゲート信号である。
17 is a diagram for explaining an example of the operation of the control circuit of the reactive power compensator shown in FIGS. 15 and 16. FIG.
For example, the
遅延回路47Uは、PWM処理部46Uから第1ゲート信号を受信する。遅延回路47Uは遅延時間の異なる2つの遅延回路DLYを備え、入力された第1ゲート信号を用いて2つの遅延回路DLYにより第2ゲート信号と第3ゲート信号とを生成する。第2ゲート信号は、例えばスイッチング素子Q21pのゲート信号である。第3ゲート信号は、例えばスイッチング素子Q31pのゲート信号である。
遅延回路47Uは、第1ゲート信号と第2ゲート信号と第3ゲート信号とをU相アームの単位変換器51-53に供給する。
なお、スイッチング素子Q11nのゲート信号は、第1ゲート信号を反転させた信号である。スイッチング素子Q12pのゲート信号は、電圧指令値を反転させてキャリア波と比較することにより生成することができる。スイッチング素子Q12nのゲート信号は、スイッチング素子Q12pのゲート信号を反転させた信号である。
The gate signal of the switching element Q11n is a signal obtained by inverting the first gate signal. The gate signal for the switching element Q12p can be generated by inverting the voltage command value and comparing it with the carrier wave. The gate signal of the switching element Q12n is a signal obtained by inverting the gate signal of the switching element Q12p.
他の単位変換器52、53についても、上記と同様にすべてのスイッチング素子のゲート信号を生成することが可能である。制御回路CTRから出力されたゲート信号は、対応する単位変換器のスイッチング素子およびバランススイッチング素子を駆動する駆動回路に入力される。
上記のように、各アーム50の複数の単位変換器のスイッチング素子がスイッチングするタイミングをずらすことにより、スイッチング周波数を低くすることができ、出力電圧における高調波の含有量を低く抑えることができる。
As described above, by shifting the switching timing of the switching elements of the plurality of unit converters of each
上記本実施形態の無効電力補償装置21によれば、各アーム50がバランス回路B12、B23を備え、各アーム50においてバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子を単位変換器のスイッチング素子と同期して動作させることにより、アーム50にて単位変換器のコンデンサの容量を均等化させることが可能である。この構成により、無効電力補償装置21に含まれる単位変換器のコンデンサの電圧をすべて検出し、個々の電圧を制御する必要がなくなり、単位変換器ごとにコンデンサの電圧を検出する検出器が不要となるとともに、制御回路CTRでの演算量を軽減することができる。すなわち、本実施形態によれば、低コストで高調波の少ない小型な多直列単位変換器クラスタおよび無効電力補償装置を提供することができる。
According to the
次に、上述の第4実施形態の無効電力補償装置の変形例について説明する。
図18は、図12に示す無効電力補償装置の制御回路の他の構成例を説明するためのブロック図である。
ここでは、各相のアームがN段の単位変換器を備えている例について、各単位変換器の1つのスイッチング素子のゲート信号を生成する回路の構成例を示している。
Next, a modification of the reactive power compensator of the fourth embodiment described above will be described.
18 is a block diagram for explaining another configuration example of the control circuit of the reactive power compensator shown in FIG. 12. FIG.
Here, for an example in which each phase arm includes N stages of unit converters, a configuration example of a circuit for generating a gate signal for one switching element of each unit converter is shown.
この例では、制御回路CTRは遅延回路47U、47V、47Wを備えず、PWM処理部46U、46V、46WがNのキャリア波を用いて各相アーム50のN段の単位変換器51-53へのゲート信号を生成する点以外は上述の第4実施形態と同様の構成である。
In this example, the control circuit CTR does not include the
図19は、図18に示す無効電力補償装置の制御回路の動作の一例を説明するための図である。
例えば、PWM処理部46Uは、第1キャリア波、第2キャリア波、および、第3キャリア波それぞれと電圧指令値とを比較して、第1ゲート信号と第2ゲート信号と、第3ゲート信号とを生成して出力する。第1キャリア波、第2キャリア波、および、第3キャリア波は、例えば互いに120°位相がずれた波形である。
19 is a diagram for explaining an example of the operation of the control circuit of the reactive power compensator shown in FIG. 18. FIG.
For example, the
第1ゲート信号は、第1キャリア波と電圧指令値とを比較することにより生成され、例えばスイッチング素子Q11pのゲート信号である。第2ゲート信号は、第2キャリア波と電圧指令値とを比較することにより生成され、例えばスイッチング素子Q21pのゲート信号である。第3ゲート信号は、第3キャリア波と電圧指令値とを比較することにより生成され、例えばスイッチング素子Q31pのゲート信号である。 The first gate signal is generated by comparing the first carrier wave and the voltage command value, and is the gate signal for the switching element Q11p, for example. The second gate signal is generated by comparing the second carrier wave and the voltage command value, and is the gate signal for the switching element Q21p, for example. The third gate signal is generated by comparing the third carrier wave and the voltage command value, and is a gate signal for switching element Q31p, for example.
PWM処理部46Uは、第1ゲート信号と第2ゲート信号と第3ゲート信号とをU相アームの単位変換器51-53に供給する。
なお、スイッチング素子Q11nのゲート信号は、第1ゲート信号を反転させた信号である。スイッチング素子Q12pのゲート信号は、電圧指令値を反転させて第1キャリア波と比較することにより生成することができる。スイッチング素子Q12nのゲート信号は、スイッチング素子Q12pのゲート信号を反転させた信号である。
他の単位変換器52、53についても、上記と同様にすべてのスイッチング素子のゲート信号を生成することが可能である。
The
The gate signal of the switching element Q11n is a signal obtained by inverting the first gate signal. The gate signal for the switching element Q12p can be generated by inverting the voltage command value and comparing it with the first carrier wave. The gate signal of the switching element Q12n is a signal obtained by inverting the gate signal of the switching element Q12p.
制御回路CTRから出力されたゲート信号は、対応する単位変換器のスイッチング素子およびバランススイッチング素子を駆動する駆動回路に入力される。
制御回路CTRが上記のように遅延回路47U、47V、47Wを備えない構成であっても、上述の第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
A gate signal output from the control circuit CTR is input to a drive circuit that drives the switching element and the balance switching element of the corresponding unit converter.
Even if the control circuit CTR does not include the
図20は、第5実施形態の無効電力補償装置のアームの一構成例を概略的に示す図である。図20では、N≦3であるときの単位変換器クラスタの構成の一例を示し、例えば、単位変換器53が第1単位変換器、単位変換器52が第2単位変換器、単位変換器51が第3単位変換器に相当する。
本実施形態の無効電力補償装置は、各相アーム50U、50V、50Wのバランス回路B12、B23の構成が上述の第4実施形態と異なっている。ここでは、U相アーム50UとV相アーム50VとW相アーム50Wとの共通の構成をアーム50として説明する。
また、以下の説明において、上述の第4実施形態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。
FIG. 20 is a diagram schematically showing one configuration example of an arm of the reactive power compensator of the fifth embodiment. FIG. 20 shows an example of the configuration of the unit converter cluster when N≦3. For example, the
The reactive power compensator of this embodiment differs from the above-described fourth embodiment in the configuration of the balance circuits B12 and B23 of the
Moreover, in the following description, the same reference numerals are given to the same configurations as in the above-described fourth embodiment, and the description thereof will be omitted.
バランス回路B12は、バランススイッチング素子Q121b、Q122bと、駆動回路DV121b、DV122bと、を備えている。
バランススイッチング素子Q121bの一端(ソース)は、単位変換器51のコンデンサC1の他端およびスイッチング素子Q11n、Q12nのソースと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q121bの他端(ドレイン)は、バランススイッチング素子Q122bの一端(ドレイン)と電気的に接続されている。バランススイッチング素子Q122bの他端(ソース)は、単位変換器52のコンデンサC2の他端およびスイッチング素子Q21n、Q22nのソースと電気的に接続している。
バランススイッチング素子Q121b、Q122bは、第2スイッチング素子のソースおよび第4スイッチング素子のソースとコンデンサとの間にて、単位変換器52と単位変換器51とを電気的に接続する経路に設けられている。
したがって、バランススイッチング素子Q121b、Q122bがオンされる(導通する)と、コンデンサC1の他端とコンデンサC2の他端とが電気的に接続される。
The balance circuit B12 includes balance switching elements Q121b and Q122b and drive circuits DV121b and DV122b.
One end (source) of the balance switching element Q121b is electrically connected to the other end of the capacitor C1 of the
The balance switching elements Q121b and Q122b are provided in the path electrically connecting the
Therefore, when the balance switching elements Q121b and Q122b are turned on (conducted), the other end of the capacitor C1 and the other end of the capacitor C2 are electrically connected.
なお、バランススイッチング素子Q121bは、ソースが単位変換器51のコンデンサC1の他端側、ドレインが単位変換器52のコンデンサC2の他端側となる向きに配置されていればよい。バランススイッチング素子Q122bは、ソースが単位変換器52のコンデンサC2の他端側、ドレインが単位変換器51のコンデンサC1の他端側となる向きに配置されていればよい。すなわち、バランススイッチング素子Q121bは、ソースとドレインとの配置がバランススイッチング素子Q122bと逆となるように配置されていればよく、コンデンサC1とコンデンサC2との間において、バランススイッチング素子Q121bとバランススイッチング素子Q122bとが配置される順序は図20と逆であっても構わない。
The balance switching element Q121b may be arranged so that the source is on the other end side of the capacitor C1 of the
駆動回路DV121bは、電源回路531から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q121bを駆動する。なお、本実施形態では、バランススイッチング素子Q121bは、電源回路531と基準とする電圧が同じである。したがって、電源回路531から駆動回路DV121bへ電源を供給する際に、駆動回路DV121bの前段に絶縁回路を介在させる必要がない。
The drive circuit DV121b operates by being supplied with power supply voltage from the
駆動回路DV122bは、電源回路532から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q122bを駆動する。なお、本実施形態では、バランススイッチング素子Q122bは、電源回路532と基準とする電圧が同じである。したがって、電源回路532から駆動回路DV122bへ電源を供給する際に、駆動回路DV122bの前段に絶縁回路を介在させる必要がない。
The drive circuit DV122b operates by being supplied with power supply voltage from the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q121bのゲート信号は、単位変換器52のスイッチング素子Q21pのゲート信号と共通である。バランススイッチング素子Q122bのゲート信号は、単位変換器52のスイッチング素子Q12pのゲート信号と共通である。したがって、スイッチング素子Q21pとバランススイッチング素子Q121bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q12pとバランススイッチング素子Q122bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q21pとスイッチング素子Q12pとの両方が導通するタイミングでコンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC1とコンデンサC2との電圧が略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q121b is common to the gate signal of the switching element Q21p of the
バランス回路B23は、バランススイッチング素子Q231b、Q232bと、駆動回路DV231b、DV232bと、を備えている。
バランススイッチング素子Q231bの一端(ソース)は、単位変換器52のコンデンサC2の他端およびスイッチング素子Q21n、Q22nのソースと電気的に接続している。バランススイッチング素子Q231bの他端(ドレイン)は、バランススイッチング素子Q232bの一端(ドレイン)と電気的に接続されている。バランススイッチング素子Q232bの他端(ソース)は、単位変換器53のコンデンサC3の他端およびスイッチング素子Q31n、Q32nのソースと電気的に接続している。
バランススイッチング素子Q231b、Q232bは、第2スイッチング素子のソースおよび第4スイッチング素子のソースとコンデンサとの間にて、単位変換器(第1単位変換器)53と単位変換器(第2単位変換器)52とを電気的に接続する経路に設けられている。
したがって、バランススイッチング素子Q231b、Q232bがオンされる(導通する)と、コンデンサC2の他端とコンデンサC3の他端とが電気的に接続される。
The balance circuit B23 includes balance switching elements Q231b and Q232b and drive circuits DV231b and DV232b.
One end (source) of the balance switching element Q231b is electrically connected to the other end of the capacitor C2 of the
The balance switching elements Q231b and Q232b are connected between the unit converter (first unit converter) 53 and the unit converter (second unit converter) between the source of the second switching element and the source of the fourth switching element and the capacitor. ) 52.
Therefore, when the balance switching elements Q231b and Q232b are turned on (conducted), the other end of the capacitor C2 and the other end of the capacitor C3 are electrically connected.
なお、バランススイッチング素子Q231bは、ソースが単位変換器52のコンデンサC2の他端側、ドレインが単位変換器53のコンデンサC3の他端側となる向きに配置されていればよい。バランススイッチング素子Q232bは、ソースが単位変換器53のコンデンサC3の他端側、ドレインが単位変換器52のコンデンサC2の他端側となる向きに配置されていればよい。すなわち、バランススイッチング素子Q231bは、ソースとドレインとの配置がバランススイッチング素子Q232bと逆となるように配置されていればよく、コンデンサC2とコンデンサC3との間において、バランススイッチング素子Q231bとバランススイッチング素子Q232bとが配置される順序は図20と逆であっても構わない。
The balance switching element Q231b may be arranged so that the source is on the other end side of the capacitor C2 of the
駆動回路DV231bは、電源回路532から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q231bを駆動する。なお、本実施形態では、バランススイッチング素子Q231bは、電源回路532と基準とする電圧が同じである。したがって、電源回路532から駆動回路DV231bへ電源を供給する際に、駆動回路DV231bの前段に絶縁回路を介在させる必要がない。
The drive circuit DV231b operates by being supplied with the power supply voltage from the
駆動回路DV232bは、電源回路533から電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q232bを駆動する。なお、本実施形態では、バランススイッチング素子Q232bは、電源回路533と基準とする電圧が同じである。したがって、電源回路533から駆動回路DV232bへ電源を供給する際に、駆動回路DV232bの前段に絶縁回路を介在させる必要がない。
The drive circuit DV232b operates by being supplied with power supply voltage from the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q231bのゲート信号は、単位変換器53のスイッチング素子Q31pのゲート信号と共通である。バランススイッチング素子Q232bのゲート信号は、単位変換器52のスイッチング素子Q22pのゲート信号と共通である。したがって、スイッチング素子Q31pとバランススイッチング素子Q231bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q22pとバランススイッチング素子Q232bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、スイッチング素子Q31pとスイッチング素子Q22pと両方が導通するタイミングでコンデンサC2とコンデンサC3とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC2とコンデンサC3との電圧が略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q231b is common to the gate signal of the switching element Q31p of the
図21は、図20に示すアームの動作の一例について説明するための図である。
ここでは、例えばコンデンサC1-C3の電圧をVcとしたときに、交流端子UT、VT、WTの出力電圧Voutが電圧Vcの3倍、2倍、1倍、-1倍、-2倍、-3倍、およびゼロとなるときの、単位変換器51-53のスイッチング素子Q11p-Q32nおよびバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子Q121b、Q122b、Q231b、Q232bの導通状態を示している。図13において、「1」はスイッチング素子が導通している状態(オン状態)を示し、「0」はスイッチング素子が導通していない状態(オフ状態)を示している。
21 is a diagram for explaining an example of the motion of the arm shown in FIG. 20; FIG.
Here, for example, when the voltage of the capacitors C1 to C3 is Vc, the output voltage Vout of the AC terminals UT, VT, and WT is 3 times, 2 times, 1 time, -1 times, -2 times, - It shows the conduction states of the switching elements Q11p-Q32n of the unit converters 51-53 and the balance switching elements Q121b, Q122b, Q231b, Q232b of the balance circuits B12, B23 when tripled and zero. In FIG. 13, "1" indicates the state in which the switching element is conducting (ON state), and "0" indicates the state in which the switching element is not conducting (OFF state).
例えば、出力電圧が電圧Vcの3倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオフ、スイッチング素子Q12nがオン、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオフ、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオフとなり、コンデンサC1-C3は互いに並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is three times the voltage Vc, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is off, the switching element Q12n is on, the switching element Q21p is on, the switching element Q21n is off, The switching element Q22p is turned off, the switching element Q22n is turned on, the switching element Q31p is turned on, the switching element Q31n is turned off, the switching element Q32p is turned off, and the switching element Q32n is turned on. At this time, the balance switching element Q121b is on, the switching element Q122b is off, the switching element Q231b is on, the balance switching element Q232b is off, and the capacitors C1 to C3 are not connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの2倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオフ、スイッチング素子Q22nがオン、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオフとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続され、コンデンサC3は他のコンデンサと並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is double the voltage Vc, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is on, the switching element Q12n is off, the switching element Q21p is on, the switching element Q21n is off, The switching element Q22p is turned off, the switching element Q22n is turned on, the switching element Q31p is turned on, the switching element Q31n is turned off, the switching element Q32p is turned off, and the switching element Q32n is turned on. At this time, the balance switching element Q121b is turned on, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned on, and the balance switching element Q232b is turned off. is not connected to
例えば、出力電圧が電圧Vcの1倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオフ、スイッチング素子Q32nがオン、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3が互いに並列に接続された状態となる。 For example, when the output voltage is 1 times the voltage Vc, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is on, the switching element Q12n is off, the switching element Q21p is on, the switching element Q21n is off, The switching element Q22p is on, the switching element Q22n is off, the switching element Q31p is on, the switching element Q31n is off, the switching element Q32p is off, and the switching element Q32n is on. At this time, the balance switching element Q121b is turned on, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned on, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧がゼロとなるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオン、スイッチング素子Q31nがオフ、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオン、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3が互いに並列に接続された状態となる。 For example, when the output voltage becomes zero, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is on, the switching element Q12n is off, the switching element Q21p is on, the switching element Q21n is off, and the switching element Q22p is ON, the switching element Q22n is OFF, the switching element Q31p is ON, the switching element Q31n is OFF, the switching element Q32p is ON, and the switching element Q32n is OFF. At this time, the balance switching element Q121b is turned on, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned on, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの-1倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオン、スイッチング素子Q21nがオフ、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオン、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオフ、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1とコンデンサC2とが並列に接続され、コンデンサC3は他のコンデンサと並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is -1 times the voltage Vc, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is on, the switching element Q12n is off, the switching element Q21p is on, and the switching element Q21n is off. , the switching element Q22p is on, the switching element Q22n is off, the switching element Q31p is off, the switching element Q31n is on, the switching element Q32p is on, and the switching element Q32n is off. At this time, the balance switching element Q121b is on, the switching element Q122b is on, the switching element Q231b is off, the balance switching element Q232b is on, the capacitor C1 and the capacitor C2 are connected in parallel, and the capacitor C3 is in parallel with another capacitor. is not connected to
例えば、出力電圧が電圧Vcの-2倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオン、スイッチング素子Q11nがオフ、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオフ、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオフ、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3は互いに並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is -2 times the voltage Vc, the switching element Q11p is on, the switching element Q11n is off, the switching element Q12p is on, the switching element Q12n is off, the switching element Q21p is off, and the switching element Q21n is on. , the switching element Q22p is on, the switching element Q22n is off, the switching element Q31p is off, the switching element Q31n is on, the switching element Q32p is on, and the switching element Q32n is off. At this time, the balance switching element Q121b is turned off, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned off, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are not connected in parallel with each other.
例えば、出力電圧が電圧Vcの-3倍となるときには、スイッチング素子Q11pがオフ、スイッチング素子Q11nがオン、スイッチング素子Q12pがオン、スイッチング素子Q12nがオフ、スイッチング素子Q21pがオフ、スイッチング素子Q21nがオン、スイッチング素子Q22pがオン、スイッチング素子Q22nがオフ、スイッチング素子Q31pがオフ、スイッチング素子Q31nがオン、スイッチング素子Q32pがオン、スイッチング素子Q32nがオフ、となる。このとき、バランススイッチング素子Q121bはオフ、スイッチング素子Q122bはオン、スイッチング素子Q231bはオフ、バランススイッチング素子Q232bはオンとなり、コンデンサC1-C3は互いに並列に接続されていない状態となる。 For example, when the output voltage is -3 times the voltage Vc, the switching element Q11p is turned off, the switching element Q11n is turned on, the switching element Q12p is turned on, the switching element Q12n is turned off, the switching element Q21p is turned off, and the switching element Q21n is turned on. , the switching element Q22p is on, the switching element Q22n is off, the switching element Q31p is off, the switching element Q31n is on, the switching element Q32p is on, and the switching element Q32n is off. At this time, the balance switching element Q121b is turned off, the switching element Q122b is turned on, the switching element Q231b is turned off, the balance switching element Q232b is turned on, and the capacitors C1 to C3 are not connected in parallel with each other.
上記のように、アーム50の出力が切り替わると、コンデンサC1-C3の接続状態も切り替わるため、電力変換装置が通常の動作を行うと同時にコンデンサC1-C3の電圧を均等化することができる。したがって、コンデンサC1-C3のいずれかの電圧を取得することによりコンデンサC1-C3の電圧値の制御を行うことができ、コンデンサC1-C3それぞれの電圧を検出する電圧検出器を設けて、コンデンサC1-C3の電圧を等しくするための特別な制御を行う必要がなくなる。
As described above, when the output of the
すなわち、上記本実施形態の無効電力補償装置21によれば、各アーム50がバランス回路B12、B23を備え、各アーム50においてバランス回路B12、B23のバランススイッチング素子を単位変換器のスイッチング素子と同期して動作させることにより、アーム50にて単位変換器のコンデンサの容量を均等化させることが可能である。この構成により、無効電力補償装置21に含まれる単位変換器のコンデンサの電圧をすべて検出し、個々の電圧を制御する必要がなくなり、単位変換器ごとにコンデンサの電圧を検出する検出器が不要となるとともに、制御回路CTRでの演算量を軽減することができる。
That is, according to the
さらに本実施形態の無効電力補償装置21は、バランス回路B12、B23の絶縁回路が不要となり、上述の第4実施形態よりもさらに少ない構成要素にて実現することが可能である。
すなわち、本実施形態によれば、低コストで高調波の少ない小型な多直列単位変換器クラスタおよび無効電力補償装置を提供することができる。
Furthermore, the
That is, according to this embodiment, it is possible to provide a compact multi-serial unit converter cluster and a reactive power compensator that are low in cost and have few harmonics.
図22は、実施形態の無効電力補償装置の他の構成例を概略的に示す図である。
上記第4および第5実施形態では、U相アーム50UとV相アーム50VとW相アーム50Wとが、それぞれ、単位変換器53にて互いに電気的に接続されている無効電力補償装置の構成について説明したが、無効電力補償装置の構成は上記に限定されるものではない。
FIG. 22 is a diagram schematically showing another configuration example of the reactive power compensator of the embodiment;
In the fourth and fifth embodiments, the configuration of the reactive power compensator in which the
図22に示す例では、U相アーム50Uの単位変換器53は、バッファリアクトルLVを介してV相アーム50Vの単位変換器51と電気的に接続されている。V相アーム50Vの単位変換器53は、バッファリアクトルLWを介してW相アーム50Wの単位変換器51と電気的に接続されている。W相アーム50Wの単位変換器53は、バッファリアクトルLUを介してU相アーム50Uの単位変換器51と電気的に接続されている。
In the example shown in FIG. 22,
上記構成の無効電力補償装置21であっても、上述の第4および第5実施形態のアーム50と同様の構成を備えることにより、第4および第5実施形態の無効電力補償装置と同様の効果を得ることができる。
Even the
図23は、図1に示す電力変換装置のアームの他の構成例を概略的に示す図である。
上述の複数の実施形態では、アーム30(若しくはアーム50)に含まれる全ての単位変換器のコンデンサの電圧を略等しくする構成について説明したが、アーム30(若しくはアーム50)は、例えば図23に示すように、少なくとも2つの単位変換器のコンデンサの電圧を等しくする構成を備えていれば良い。
図23では、単位変換器31-34と、バランス回路B12、B34と、電圧検出器(図示せず)と、を備えたアーム30の一構成例を示している。
複数の単位変換器31-34のそれぞれは、電圧検出器SV以外は図2に示す単位変換器31-33のそれぞれと同様の構成である。また、バランス回路B12は、図2に示すバランス回路B12と同様の構成である。
23 is a diagram schematically showing another configuration example of the arm of the power converter shown in FIG. 1. FIG.
In the above-described embodiments, the configuration in which the voltages of the capacitors of all the unit converters included in the arm 30 (or arm 50) are substantially equal has been described. As shown, it is sufficient to have a configuration that equalizes the voltages of the capacitors of at least two unit converters.
FIG. 23 shows a configuration example of
Each of the plurality of unit converters 31-34 has the same configuration as each of the unit converters 31-33 shown in FIG. 2 except for the voltage detector SV. The balance circuit B12 has the same configuration as the balance circuit B12 shown in FIG.
バランス回路B34は、バランススイッチング素子Q34bと、駆動回路(バランススイッチ駆動回路)DV34bと、絶縁回路(第2絶縁回路)323と、を備えている。
バランススイッチング素子Q34bは、例えばMOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)等の自己消弧型のスイッチング素子を備えている。自己消弧型のスイッチング素子は、例えば、IEGT(injection Enhanced Gate transistor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GTO(gate turn-off thyristor)、GCT(gate communicated turn-off thyristor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、素子のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)とを電気的に制御可能なスイッチング素子を採用することが可能である。バランススイッチング素子Q34bは、必要に応じて、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを備えてもよい。
なお、バランススイッチング素子Q34bとして、IGBTやIEGTを採用する場合には、バランススイッチング素子Q34bのソースをエミッタと読み替え、バランススイッチング素子Q34bのドレインをコレクタとして読み替える。
The balance circuit B34 includes a balance switching element Q34b, a drive circuit (balance switch drive circuit) DV34b, and an insulation circuit (second insulation circuit) 323.
The balance switching element Q34b includes a self-extinguishing switching element such as a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). The self arc-extinguishing switching element is, for example, an IEGT (injection enhanced gate transistor), a GTO (gate turn-off thyristor), a GTO (gate turn-off thyristor), a GCT (gate communicated turn-off thyristor), or an IGBT (Insulated It is possible to employ a switching element such as a Gate Bipolar Transistor, which can be electrically controlled to be turned on (conducting state) and off (non-conducting state). The balance switching element Q34b may include a freewheeling diode connected in anti-parallel to the switching element, if necessary.
When an IGBT or IEGT is used as the balance switching element Q34b, the source of the balance switching element Q34b is read as the emitter, and the drain of the balance switching element Q34b is read as the collector.
バランススイッチング素子Q34bの一端(ドレイン)は、単位変換器33のコンデンサC3の一端と電気的に接続している。バランススイッチング素子Q34bの他端(ソース)は、単位変換器34のコンデンサC4の一端と電気的に接続している。したがって、バランススイッチング素子Q34bがオンされる(導通する)と、コンデンサC3の一端とコンデンサC4の一端とが電気的に接続される。
One end (drain) of the balance switching element Q34b is electrically connected to one end of the capacitor C3 of the
絶縁回路323は、電源回路333と駆動回路DV34bとを絶縁している。電源回路333と駆動回路DV34bとは異なる基準電位にて動作する。絶縁回路323は、たとえば、ブートストラップ回路である。
駆動回路DV34bは、絶縁回路323を介して電源電圧が供給されることにより動作し、制御回路CTRから供給されるゲート信号に基づいて、バランススイッチング素子Q34bを駆動する。
The
The drive circuit DV34b operates by being supplied with the power supply voltage through the
本実施形態では、バランススイッチング素子Q34bのゲート信号は、単位変換器34のスイッチング素子Q4nと共通である。すなわち駆動回路DV34bに入力されるゲート信号と、駆動回路DV4nに入力されるゲート信号とは共通である。したがって、スイッチング素子Q4nとバランススイッチング素子Q34bとは同じタイミングで導通し(オンとなり)、コンデンサC3とコンデンサC4とが並列に接続される。このことにより、コンデンサC3の電圧とコンデンサC4の電圧とが略等しくなる。
In this embodiment, the gate signal of the balance switching element Q34b is common to the switching element Q4n of the
上記のように、図23に示す例では、単位変換器31のコンデンサC1の電圧と単位変換器32のコンデンサC2の電圧とは、バランス回路B12により略等しくなる。単位変換器33のコンデンサC3の電圧と単位変換器34のコンデンサC4の電圧とは、バランス回路B34により略等しくなる。
電圧検出器は、コンデンサC1とコンデンサC2とのいずれか一方の電圧と、コンデンサC3とコンデンサC4とのいずれか一方の電圧とを検出するように設けられ、検出した値を制御回路CTRへ供給する。
As described above, in the example shown in FIG. 23, the voltage of the capacitor C1 of the
The voltage detector is provided to detect the voltage of one of the capacitors C1 and C2 and the voltage of one of the capacitors C3 and C4, and supplies the detected values to the control circuit CTR. .
なお、この例では、バランス回路B12、B34により接続された複数の単位変換器は同期して動作させる。すなわち、単位変換器31のスイッチング素子Q1pと、単位変換器32のスイッチング素子Q2pとは、同じゲート信号により駆動される。同様に、単位変換器31のスイッチング素子Q1nと、単位変換器32のスイッチング素子Q2nとは、同じゲート信号により駆動される。単位変換器33のスイッチング素子Q3pと、単位変換器34のスイッチング素子Q4pとは、同じゲート信号により駆動される。同様に、単位変換器33のスイッチング素子Q3nと、単位変換器34のスイッチング素子Q4nとは、同じゲート信号により駆動される。上記のように複数の単位変換器31-34を駆動することにより、例えば図23に示すアームにより、0V、2Vc、4Vcの出力電圧を出力することができる。
In this example, the unit converters connected by the balance circuits B12 and B34 are synchronously operated. That is, the switching element Q1p of the
同じゲート信号で複数の単位変換器31、32を駆動すると、微妙なバラツキにより、コンデンサC1の電圧とコンデンサC2の電圧とのアンバランスが発生するが、バランス回路B12により解消することができる。複数の単位変換器33、34についても同様に、バランス回路B34によりコンデンサC3、C4の電圧のアンバランスを解消することができる。
When a plurality of
これにより、たとえば、1つのアームに含まれる単位変換器の数が増えた場合に、ゲート信号が増えることを防ぎ、制御回路CTRおよび周辺の構成を簡素化することが可能となる。
制御回路CTRは、複数のアーム30U-30Zそれぞれから、少なくとも2つのコンデンサの電圧値(若しくは電圧相当値)を受信し、受信した12の電圧値(若しくは電圧相当値)に基づいて、複数のアーム30U-30Zに含まれるコンデンサの値が等しくなるように制御量を演算することができる。したがって、図23に示すアームを備えた電力変換装置又は無効電力補償装置によれば、上述の複数の実施形態と同様の効果を得ることができる。
As a result, for example, when the number of unit converters included in one arm increases, it is possible to prevent the number of gate signals from increasing and to simplify the configuration of the control circuit CTR and its peripherals.
The control circuit CTR receives voltage values (or voltage equivalent values) of at least two capacitors from each of the plurality of
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。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
10…交流電源(又は交流負荷)、20…電力変換装置、21…無効電力補償装置、22…計器用変圧器、30…アーム、30U…U相正側アーム、30U…正側アーム、30V…V相正側アーム、30W…W相正側アーム、30X…U相負側アーム、30Y…V相負側アーム、30Z…W相負側アーム、31-33…単位変換器、41…コンデンサ電圧平均値制御部、42…コンデンサ電圧バランス制御部、43…電流制御部、44U~44W…減算器、45U~45W…加算器、45X~45Z…加算器、46U~46W…PWM処理部、46X~46Z…PWM処理部、47U~47W…遅延回路、50…アーム、50U…U相アーム、50V…V相アーム、50W…W相アーム、51-53…単位変換器、311-313、321、322、511-513、521、522…絶縁回路、331-333、531-533…電源回路、AD1、AD2…加算器、B12、B23…バランス回路、C1-C3…コンデンサ、DV12b、DV1n、DV1p、DV23b、DV2n、DV2p、DV3n、DV3p…駆動回路、M1…乗算器、Q1p-Q4n、Q11p-Q32n…スイッチング素子、Q12b、Q23b、Q121b、Q122b、Q231b、Q232b…バランススイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
それぞれ、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のソースにドレインが接続された第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のドレインと前記第2スイッチング素子のソースとの間に接続されたコンデンサと、を備え、直列接続された第1乃至第Nの単位変換器と、 a first switching element, a second switching element having a drain connected to the source of the first switching element, and a capacitor connected between the drain of the first switching element and the source of the second switching element, respectively and, first to N-th unit converters connected in series;
nを1から(N-1)のいずれかの整数としたとき、第nの単位変換器の前記第1スイッチング素子のドレインと前記コンデンサとの間と、第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のドレインと前記第nの単位変換器の前記コンデンサとの間と、を接続する経路に設けられたバランススイッチング素子を備えた第1乃至第(N-1)のバランス回路と、 When n is any integer from 1 to (N−1), between the drain of the first switching element of the n-th unit converter and the capacitor, and the (n+1)-th unit converter 1st to (N-1)th balance circuits each including a balance switching element provided on a path connecting between the drain of the first switching element and the capacitor of the nth unit converter;
前記第1乃至第Nの単位変換器のうちの少なくとも1つに対して設けられ、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、 a voltage detector provided for at least one of the first to Nth unit converters and detecting the voltage of the capacitor;
を備え、with
前記第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のソースと前記第2スイッチング素子のドレインとの間と、前記第nの単位変換器の前記第2スイッチング素子のソースとが電気的に接続され、 Between the source of the first switching element and the drain of the second switching element of the (n+1)th unit converter and the source of the second switching element of the nth unit converter are electrically connected connected and
前記制御部は、出力する複数のゲート信号のうち、前記第(n+1)の単位変換器の前記第2スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とする The control unit shares the gate signal of the second switching element of the (n+1)-th unit converter and the gate signal of the balance switching element of the n-th balance circuit among a plurality of output gate signals. be the signal of
装置。Device.
それぞれ、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のソースにドレインが接続された第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のドレインと前記第2スイッチング素子のソースとの間に接続されたコンデンサと、を備え、直列接続された第1乃至第Nの単位変換器と、 a first switching element, a second switching element having a drain connected to the source of the first switching element, and a capacitor connected between the drain of the first switching element and the source of the second switching element, respectively and, first to N-th unit converters connected in series;
nを1から(N-1)のいずれかの整数としたとき、第nの単位変換器の前記第2スイッチング素子のソースと前記コンデンサとの間と、第(n+1)の単位変換器の前記第2スイッチング素子のソースと前記コンデンサとの間と、を接続する経路に設けられたバランススイッチング素子を備えた第1乃至第(N-1)のバランス回路と、 When n is any integer from 1 to (N−1), between the source of the second switching element of the n-th unit converter and the capacitor, and the (n+1)-th unit converter first to (N−1)th balance circuits each including a balance switching element provided on a path connecting between the source of the second switching element and the capacitor;
前記第1乃至第Nの単位変換器のうちの少なくとも1つに対して設けられ、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、 a voltage detector provided for at least one of the first to Nth unit converters and detecting the voltage of the capacitor;
を備え、with
前記第nの単位変換器の前記第1スイッチング素子のソースと前記第2スイッチング素子のドレインとの間と、前記第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のドレインとが電気的に接続され、 between the source of the first switching element of the n-th unit converter and the drain of the second switching element and the drain of the first switching element of the (n+1)-th unit converter are electrically connected connected and
前記制御部は、出力する複数のゲート信号のうち、前記第nの単位変換器の前記第1スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とする The control section outputs a gate signal of the first switching element of the n-th unit converter and a gate signal of the balance switching element of the n-th balance circuit as a common signal. to be
装置。Device.
それぞれ、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のソースにドレインが接続された第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のドレインにドレインが接続された第3スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子のソースにドレインが接続され且つ前記第2スイッチング素子のソースにソースが接続された第4スイッチング素子と、記第3スイッチング素子のドレインと前記第4スイッチング素子のソースとの間に接続されたコンデンサと、を備え、直列接続された第1乃至第Nの単位変換器と、
nを1から(N-1)のいずれかの整数としたとき、第nの単位変換器の前記第3スイッチング素子のドレインと前記コンデンサとの間と、第(n+1)の単位変換器の前記第3スイッチング素子のドレインと前記コンデンサとの間と、を接続する経路に設けられた第1バランススイッチング素子および前記第1バランススイッチング素子のドレインとドレインが接続された第2バランススイッチング素子を備えた第1乃至第(N-1)のバランス回路と、
前記第1乃至第Nの単位変換器のうちの少なくとも1つに対して設けられ、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
を備え、
前記第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のソースと前記第2スイッチング素子のドレインとの間と、前記第nの単位変換器の前記第3スイッチング素子のソースと前記第4スイッチング素子のドレインとの間とが電気的に接続され、
前記制御部は、出力する複数のゲート信号のうち、前記第nの単位変換器の前記第4スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記第1バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とし、前記第(n+1)の単位変換器の前記第2スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記第2バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とする
装置。 a control unit that outputs a plurality of gate signals;
a first switching element, a second switching element whose drain is connected to the source of the first switching element, a third switching element whose drain is connected to the drain of the first switching element, and the third switching element, respectively a fourth switching element having a drain connected to the source of the element and a source connected to the source of the second switching element; and a fourth switching element connected between the drain of the third switching element and the source of the fourth switching element. 1st to N-th unit converters connected in series, comprising a capacitor;
When n is any integer from 1 to (N−1), between the drain of the third switching element of the nth unit converter and the capacitor, and the (n+1)th unit converter a first balance switching element provided in a path connecting between the drain of the third switching element and the capacitor; and a second balance switching element to which the drain and the drain of the first balance switching element are connected. first to (N−1)th balance circuits;
a voltage detector provided for at least one of the first to Nth unit converters and detecting the voltage of the capacitor;
with
Between the source of the first switching element and the drain of the second switching element of the (n+1)-th unit converter, and between the source of the third switching element of the n-th unit converter and the fourth switching element is electrically connected to the drain of the element,
The control unit shares a gate signal of the fourth switching element of the n-th unit converter and a gate signal of the first balance switching element of the n-th balance circuit among a plurality of output gate signals. and the gate signal of the second switching element of the (n+1)th unit converter and the gate signal of the second balance switching element of the nth balance circuit are used as a common signal
device .
それぞれ、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のソースにドレインが接続された第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のドレインにドレインが接続された第3スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子のソースにドレインが接続され且つ前記第2スイッチング素子のソースにソースが接続された第4スイッチング素子と、記第3スイッチング素子のドレインと前記第4スイッチング素子のソースとの間に接続されたコンデンサと、を備え、直列接続された第1乃至第Nの単位変換器と、
nを1から(N-1)のいずれかの整数としたとき、第nの単位変換器の前記第4スイッチング素子のソースと前記コンデンサとの間と、第(n+1)の単位変換器の前記第4スイッチング素子のソースと前記コンデンサとの間と、を接続する経路に設けられた第1バランススイッチング素子および前記第1バランススイッチング素子のドレインとドレインが接続された第2バランススイッチング素子を備えた第1乃至第(N-1)のバランス回路と、
前記第1乃至第Nの単位変換器のうちの少なくとも1つに対して設けられ、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
を備え、
前記第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のソースと前記第2スイッチング素子のドレインとの間と、前記第nの単位変換器の前記第3スイッチング素子のソースと前記第4スイッチング素子のドレインとの間とが電気的に接続され、
前記制御部は、出力する複数のゲート信号のうち、前記第(n+1)の単位変換器の前記第1スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記第1バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とし、前記第nの単位変換器の前記第3スイッチング素子のゲート信号と前記第nのバランス回路の前記第2バランススイッチング素子のゲート信号とを共通の信号とする
装置。 a control unit that outputs a plurality of gate signals;
a first switching element, a second switching element whose drain is connected to the source of the first switching element, a third switching element whose drain is connected to the drain of the first switching element, and the third switching element, respectively a fourth switching element having a drain connected to the source of the element and a source connected to the source of the second switching element; and a fourth switching element connected between the drain of the third switching element and the source of the fourth switching element. 1st to N-th unit converters connected in series, comprising a capacitor;
When n is any integer from 1 to (N-1), between the source of the fourth switching element of the n-th unit converter and the capacitor, and the above-mentioned a first balance switching element provided on a path connecting between the source of a fourth switching element and the capacitor; and a second balance switching element to which the drain and the drain of the first balance switching element are connected. first to (N−1)th balance circuits;
a voltage detector provided for at least one of the first to Nth unit converters and detecting the voltage of the capacitor;
with
Between the source of the first switching element and the drain of the second switching element of the (n+1)-th unit converter, and between the source of the third switching element of the n-th unit converter and the fourth switching element is electrically connected to the drain of the element,
The control unit outputs a gate signal of the first switching element of the (n+1)-th unit converter and a gate signal of the first balance switching element of the n-th balance circuit among a plurality of output gate signals. is a common signal, and the gate signal of the third switching element of the n-th unit converter and the gate signal of the second balance switching element of the n-th balance circuit are common signals
device .
前記第nのバランス回路は、前記第nの単位変換器の前記電源回路と、第2絶縁回路を介して接続され前記バランススイッチング素子を駆動するバランススイッチ駆動回路を備える
請求項1記載の装置。 Each of the first to Nth unit converters includes a power supply circuit that generates a power supply voltage using the voltage of the capacitor, and a power supply circuit that is connected to the power supply circuit via an isolation circuit to drive the first switching element. 1 drive circuit, and a second drive circuit electrically connected to the power supply circuit and driving the second switching element,
The n-th balance circuit includes a balance switch drive circuit connected to the power supply circuit of the n-th unit converter via a second insulating circuit and driving the balance switching element.
Apparatus according to claim 1 .
前記第nのバランス回路は、前記第(n+1)の単位変換器の前記電源回路と電気的に接続され前記バランススイッチング素子を駆動するバランススイッチ駆動回路を備える
請求項2記載の装置。 Each of the first to Nth unit converters includes a power supply circuit that generates a power supply voltage using the voltage of the capacitor, and a power supply circuit that is connected to the power supply circuit via an isolation circuit to drive the first switching element. 1 drive circuit, and a second drive circuit electrically connected to the power supply circuit and driving the second switching element,
The nth balance circuit includes a balance switch drive circuit electrically connected to the power supply circuit of the (n+1)th unit converter and driving the balance switching element.
3. Apparatus according to claim 2 .
前記第nのバランス回路は、第2絶縁回路を介して前記第nの単位変換器の前記電源回路と接続され前記第1バランススイッチング素子を駆動する第1バランススイッチ駆動回路と、第3絶縁回路を介して前記第(n+1)の単位変換器の前記電源回路と接続され前記第2バランススイッチング素子を駆動する第2バランススイッチ駆動回路と、を備える The n-th balance circuit includes a first balance switch drive circuit connected to the power supply circuit of the n-th unit converter via a second isolation circuit to drive the first balance switching element, and a third isolation circuit. a second balance switch drive circuit connected to the power supply circuit of the (n+1)th unit converter via and driving the second balance switching element;
請求項3記載の装置。4. Apparatus according to claim 3.
前記第nのバランス回路は、前記第nの単位変換器の前記電源回路と電気的に接続され前記第1バランススイッチング素子を駆動する第1バランススイッチ駆動回路と、前記第(n+1)の単位変換器の前記電源回路と電気的に接続され前記第2バランススイッチング素子を駆動する第2バランススイッチ駆動回路を備える The n-th balance circuit includes a first balance switch drive circuit electrically connected to the power supply circuit of the n-th unit converter and driving the first balance switching element, and the (n+1)-th unit converter. a second balance switch drive circuit electrically connected to the power supply circuit of the device and driving the second balance switching element
請求項4記載の装置。5. Apparatus according to claim 4.
請求項1又は請求項2記載の装置。3. Apparatus according to claim 1 or claim 2.
請求項3又は請求項4記載の装置。5. Apparatus according to claim 3 or claim 4.
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