JPWO2014010474A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
電力変換装置（１）は、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、直流電圧端子Ｐ、Ｎとを有し、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流電圧端子Ｐ、Ｎとの間に１以上の変換器セル（１０）が直列に接続された変換器セル直列体を有し、変換器セル（１０）は半導体素子とキャパシタを備え、直流電圧端子Ｐ、Ｎの内、大地に対して最も低い電位にある直流電圧端子と交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗとの間に、変換器セル直列体と直列に接続される第１のインダクタンス（３０１）を有する。
Description
この発明は、交流電力を直流電力に変換する、あるいは直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。
半導体電力変換器の大容量化手法としては、変換器用変圧器を用いた多重化方式が知られている。しかし、変換器用変圧器の使用は電力変換装置の重量・体積を増大させ、系統擾乱時に直流偏磁現象を引き起こす恐れがある。このため、変換器の大容量化・波形改善をトランスレスで実現するマルチレベル変換器の実用化が図られている。
交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流電圧端子Ｐ、Ｎとの間に、半導体スイッチング素子のオン／オフ制御により、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗには交流電圧を直流電圧端子Ｐ、Ｎには直流電圧を発生させる変換器セルを多直列に接続した回路構成のマルチレベル変換器が提案されている（例えば、非特許文献１）。
非特許文献１の電力変換装置の回路構成に、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流電圧端子Ｐとの間、および交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流電圧端子Ｎとの間にリアクトルを追加したマルチレベル変換器が提案されている（例えば、非特許文献２）。さらに、正極側に接続されたリアクトルと負極側に接続されたリアクトルとを磁気的に結合させたリアクトルを有するマルチレベル変換器が提案されている（例えば、非特許文献３）。
非特許文献１の電力変換装置の回路構成に、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流電圧端子Ｐとの間、および交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと直流電圧端子Ｎとの間にリアクトルを追加したマルチレベル変換器が提案されている（例えば、非特許文献２）。さらに、正極側に接続されたリアクトルと負極側に接続されたリアクトルとを磁気的に結合させたリアクトルを有するマルチレベル変換器が提案されている（例えば、非特許文献３）。
Ａ．Ｌｅｓｎｉｃａｒ，Ｒ．Ｍａｒｑｕａｒｄｔ「Ａｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ａ Ｗｉｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｎｇｅ」，Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００３ ＩＥＥＥ Ｂｏｌｏｇｎａ，Ｖｏｌｕｍｅ：３，２００３（［ＩＩ ＣＯＮＣＥＰＴ ＯＦ ＴＨＥ ＮＥＷ ＭＯＤＵＬＡＲ ＭＵＬＴＩＬＥＶＥＬ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ］、図１、２）
萩原 誠・赤木 泰文「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」，電気学会論文誌Ｄ，１２８巻，７号，ｐｐ．９５７−９６５，２００８年（９５８頁、図１、２）
萩原 誠・西村 和敏・赤木 泰文「モジュラー・マルチレベルＰＷＭインバータを用いた高圧モータドライブ 第１報：４００Ｖ，１５ｋＷミニモデルによる実験的検証」，電気学会論文誌Ｄ，１３０巻，４号，ｐｐ．５４４−５５１，２０１０年（５４５頁〜５４６頁、図１、２）
非特許文献１開示の電力変換装置は、リアクトルを有さないため、インダクタンス成分が小さく、変換器セルに流れる直流電流を制御できない。一方、非特許文献２、３開示の電力変換装置は、変換器セルを多直列に接続するという点では高電圧用途に適しているが、リアクトルは大型で重量が大きく、高電位の箇所に設置されるため、高い絶縁電圧が要求される。また、碍子などで絶縁を確保する場合は、耐震性の確保が困難となる。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、リアクトルの小型化、絶縁電圧の低減が図られ、高い耐震性を有する電力変換装置を提供することを目的とする。
この発明に係る第１の電力変換装置は、交流電圧端子と、直流電圧端子とを有し、交流電圧端子と直流電圧端子との間に１以上の変換器セルが直列に接続された変換器セル直列体を有し、変換器セルは半導体素子とキャパシタを備え、直流電圧端子の内、大地に対して最も低い電位にある直流電圧端子と交流電圧端子との間に、変換器セル直列体と直列に接続される第１のインダクタンスを有するものである。
この発明に係る第２の電力変換装置は、第１の交流電圧端子と、第２の交流電圧端子と、正極の直流電圧端子と、負極の直流電圧端子と、正極と負極の直流電圧端子の中性点とを有し、第１の交流電圧端子と正極の直流電圧端子との間と、第１の交流電圧端子と中性点との間と、第２の交流電圧端子と中性点との間と、第２の交流電圧端子と負極の直流電圧端子との間に、それぞれ１以上の変換器セルが直列に接続された変換器セル直列体を有し、変換器セルは半導体素子とキャパシタを備え、第１の交流電圧端子と中性点との間に、変換器セル直列体と直列に接続される第３のインダクタンスを有し、第２の交流電圧端子と中性点との間に、変換器セル直列体と直列に接続される第４のインダクタンスを有するものである。
この発明に係る第１の電力変換装置は、上記のように構成されているため、リアクトルを小型化でき、大地電位に近い箇所に設置できるので絶縁電圧も低減でき、絶縁が容易となり、高い耐震性を有する電力変換装置を提供することができる。
この発明に係る第２の電力変換装置は、上記のように構成されているため、リアクトルを小型化でき、大地電位に近い箇所に設置できるので絶縁電圧も低減でき、絶縁が容易となり、高い耐震性を有する電力変換装置を提供することができる。
実施の形態１．
実施の形態１は、３相交流電圧端子と直流電圧端子（Ｐ、Ｎ）との間に半導体素子とキャパシタから成る１個以上の変換器セルを直列に接続し、さらに大地に対して最も低い電位にある直流電圧端子と交流電圧端子との間に、変換器セル直列体と直列にリアクトルを接続した構成とした電力変換装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態１に係る電力変換装置１の構成、動作について、電力変換装置の主回路構成図である図１、変換器セルの回路図である図２、主回路の１相分の電流、電圧説明図である図３、他の実施例の主回路構成図である図４〜図７、リアクトルの回路図である図８に基づいて説明する。
実施の形態１は、３相交流電圧端子と直流電圧端子（Ｐ、Ｎ）との間に半導体素子とキャパシタから成る１個以上の変換器セルを直列に接続し、さらに大地に対して最も低い電位にある直流電圧端子と交流電圧端子との間に、変換器セル直列体と直列にリアクトルを接続した構成とした電力変換装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態１に係る電力変換装置１の構成、動作について、電力変換装置の主回路構成図である図１、変換器セルの回路図である図２、主回路の１相分の電流、電圧説明図である図３、他の実施例の主回路構成図である図４〜図７、リアクトルの回路図である図８に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の電力変換装置１に関する主回路構成を示す。なお、実施の形態１の電力変換装置１では、直流電圧端子Ｎを大地に接地、もしく直流電圧端子Ｐよりも大地電位に近い電位とすることを想定している。
図１の電力変換装置１は、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、直流電圧端子Ｐ、Ｎとを有しており、各々の交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、各々の直流電圧端子Ｐ、Ｎとの間には、１個以上（１〜ｎ個）の変換器セル１０が直列に接続された変換器セル直列体を有する。また、各々の交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、負極側の直流電圧端子Ｎとの間にはリアクトル３０１を有する。なお、リアクトル３０１は必ずしもリアクトルでなくてもよく、インダクタンス成分を有するもの（例えば、意図的に長いケーブルなど）でも代用可能である。
図１の電力変換装置１は、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、直流電圧端子Ｐ、Ｎとを有しており、各々の交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、各々の直流電圧端子Ｐ、Ｎとの間には、１個以上（１〜ｎ個）の変換器セル１０が直列に接続された変換器セル直列体を有する。また、各々の交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗと、負極側の直流電圧端子Ｎとの間にはリアクトル３０１を有する。なお、リアクトル３０１は必ずしもリアクトルでなくてもよく、インダクタンス成分を有するもの（例えば、意図的に長いケーブルなど）でも代用可能である。
図１において、説明および理解を容易にするために変換器セル１０について、例えば、交流電圧端子Ｕと直流電圧端子Ｐの間に設けられた変換器セル１０を１０ＰＵ１、１０ＰＵ２、・・・、１０ＰＵｎとし、交流電圧端子Ｗと直流電圧端子Ｎの間に設けられた変換器セル１０を１０ＮＷ１、１０ＮＷ２、・・・、１０ＮＷｎとしている。以下、変換器セルをまとめていう場合は、変換器セル１０と記載する。また、変換器セル直列体をいう場合は、例えば、変換器セル１０ＰＵ１、１０ＰＵ２、・・・、１０ＰＵｎから構成された変換器セル直列体は、変換器セル直列体１０ＰＵと記載する。
また、リアクトル３０１についても、例えば、交流電圧端子Ｕと直流電圧端子Ｎの間で変換器セル直列体１０ＮＵと直流電圧端子Ｎの間に設けられたリアクトルをリアクトル３０１Ｕとしている。以下、リアクトル３０１Ｕ、３０１Ｖ、３０１Ｗをまとめていう場合は、リアクトル３０１と記載する。
リアクトル３０１が、この発明における第１のインダクタンスである。
また、リアクトル３０１についても、例えば、交流電圧端子Ｕと直流電圧端子Ｎの間で変換器セル直列体１０ＮＵと直流電圧端子Ｎの間に設けられたリアクトルをリアクトル３０１Ｕとしている。以下、リアクトル３０１Ｕ、３０１Ｖ、３０１Ｗをまとめていう場合は、リアクトル３０１と記載する。
リアクトル３０１が、この発明における第１のインダクタンスである。
次に、変換器セル１０の構成、動作について、図２に基づき説明する。なお、図２において、変換器セル１０の出力方法には２種類あるため、図２（ａ）と図２（ｂ）で示している。まず、変換器セル１０の構成を説明する。
変換器セル１０は、直列接続した半導体スイッチング素子５１、５２と、この半導体スイッチング素子５１、５２と逆並列に接続される還流ダイオード５３、５４と、直列接続した半導体スイッチング素子５１、５２に並列に接続したキャパシタ５５とで構成される。
半導体スイッチング素子５１、５２と還流ダイオード５３、５４が本発明の半導体素子である。
図２（ａ）では、半導体スイッチング素子５２のコレクタとエミッタ端子が変換器セル１０の出力端子に接続されている。
図２（ｂ）では、半導体スイッチング素子５１のコレクタとエミッタ端子が変換器セル１０の出力端子に接続されている。
なお、半導体スイッチング素子５１、５２には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子が使用される。
また、キャパシタ５５は、キャパシタに限らず、電気２重層キャパシタなどのエネルギー蓄積要素であればよい。
変換器セル１０は、直列接続した半導体スイッチング素子５１、５２と、この半導体スイッチング素子５１、５２と逆並列に接続される還流ダイオード５３、５４と、直列接続した半導体スイッチング素子５１、５２に並列に接続したキャパシタ５５とで構成される。
半導体スイッチング素子５１、５２と還流ダイオード５３、５４が本発明の半導体素子である。
図２（ａ）では、半導体スイッチング素子５２のコレクタとエミッタ端子が変換器セル１０の出力端子に接続されている。
図２（ｂ）では、半導体スイッチング素子５１のコレクタとエミッタ端子が変換器セル１０の出力端子に接続されている。
なお、半導体スイッチング素子５１、５２には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子が使用される。
また、キャパシタ５５は、キャパシタに限らず、電気２重層キャパシタなどのエネルギー蓄積要素であればよい。
次に、変換器セル１０の動作を説明する。
図２（ａ）では、半導体スイッチング素子５１がオンし、半導体スイッチング素子５２がオフした場合は、変換器セル１０の出力電圧はキャパシタ５５の電圧と略等しくなり、半導体スイッチング素子５１がオフし、半導体スイッチング素子５２がオンした場合は、変換器セルの出力電圧は略零となる。
一方、図２（ｂ）は、半導体スイッチング素子５１がオンし、半導体スイッチング素子５２がオフした場合に変換器セルの出力電圧は略零となり、半導体スイッチング素子５１がオフし、半導体スイッチング素子５２がオンした場合に変換器セルの出力電圧はキャパシタ５５の電圧と略等しくなる。
図２（ａ）では、半導体スイッチング素子５１がオンし、半導体スイッチング素子５２がオフした場合は、変換器セル１０の出力電圧はキャパシタ５５の電圧と略等しくなり、半導体スイッチング素子５１がオフし、半導体スイッチング素子５２がオンした場合は、変換器セルの出力電圧は略零となる。
一方、図２（ｂ）は、半導体スイッチング素子５１がオンし、半導体スイッチング素子５２がオフした場合に変換器セルの出力電圧は略零となり、半導体スイッチング素子５１がオフし、半導体スイッチング素子５２がオンした場合に変換器セルの出力電圧はキャパシタ５５の電圧と略等しくなる。
なお、図２では、変換器セル１０が２レベル出力として説明したが、３レベル出力でも可能である。この場合、マルチレベル化が可能となり、高調波の低減や、変換器セル１０の直列数を低減できる効果がある。
次に電力変換装置１の動作と制御について説明する。
電力変換装置１の制御には、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の公知の制御方式を適用できる。例えば、非特許文献２に記載の「モジュラー・マルチレベル変換器のＰＷＭ制御方法」が適用できる。
電力変換装置１の制御には、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の公知の制御方式を適用できる。例えば、非特許文献２に記載の「モジュラー・マルチレベル変換器のＰＷＭ制御方法」が適用できる。
各変換器セル１０は、半導体スイッチング素子５１、５２をオン／オフすることにより、交流成分の電圧と直流成分の電圧とを出力する。交流電圧成分は、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される電源や機器との電力の授受を担う。このとき、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗに生じる電圧の１スイッチング周期あたりの平均電圧が、一般的な電力変換装置のＰＷＭ制御と同様に電圧指令として与えられる。
図３は、電力変換装置１の動作を説明するために、主回路の１相の例としてＵ相の電流、電圧を示した図である。
交流電圧端子Ｕに流れる電流をＩａｃ、正極側の変換器セル１０ＰＵ１、１０ＰＵ２、・・・、１０ＰＵｎの変換器セル直列体１０ＰＵを流れる電流をＩＰＵ、負極側の変換器セル１０ＮＵ１、１０ＮＵ２、・・・、１０ＮＵｎの変換器セル直列体１０ＮＵを流れる電流をＩＮＵとする。また、正極側の変換器セル１０ＰＵ１、１０ＰＵ２、・・・、１０ＰＵｎの変換器セル直列体１０ＰＵが出力する電圧をＶｃｐ、負極側の変換器セル１０ＮＵ１、１０ＮＵ２、・・・、１０ＮＵｎの変換器セル直列体１０ＮＵが出力する電圧をＶｃｎ、リアクトル３０１Ｕの端子電圧をＶＬＵ、正極Ｐと負極Ｎ間の電圧をＶｄｃ＿ｃｏｍとする。
交流電圧端子Ｕに流れる電流をＩａｃ、正極側の変換器セル１０ＰＵ１、１０ＰＵ２、・・・、１０ＰＵｎの変換器セル直列体１０ＰＵを流れる電流をＩＰＵ、負極側の変換器セル１０ＮＵ１、１０ＮＵ２、・・・、１０ＮＵｎの変換器セル直列体１０ＮＵを流れる電流をＩＮＵとする。また、正極側の変換器セル１０ＰＵ１、１０ＰＵ２、・・・、１０ＰＵｎの変換器セル直列体１０ＰＵが出力する電圧をＶｃｐ、負極側の変換器セル１０ＮＵ１、１０ＮＵ２、・・・、１０ＮＵｎの変換器セル直列体１０ＮＵが出力する電圧をＶｃｎ、リアクトル３０１Ｕの端子電圧をＶＬＵ、正極Ｐと負極Ｎ間の電圧をＶｄｃ＿ｃｏｍとする。
この場合、図３の交流電圧端子に流れる電流Ｉａｃは、略交流成分のみであり、正極側の変換器セル直列体１０ＰＵが出力する電圧Ｖｃｐの交流電圧成分と、負極側の変換器セル直列体１０ＮＵが出力する電圧Ｖｃｎの交流電圧成分とが、逆極性の対称波形であれば、この電流Ｉａｃは、正極側と負極側に略半分ずつ分流する。すなわち、正極側の変換器セル直列体１０ＰＵを流れる電流ＩＰＵの交流成分と、負極側の変換器セル直列体１０ＮＵを流れる電流ＩＮＵの交流成分は、逆極性で大きさが略等しい。
なお、変換器セル直列体１０ＰＵおよび１０ＮＵが出力する直流電圧成分は、三相でほぼ同一の零相電圧であることから、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗの線間電圧には直流電圧成分が生じず、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗには直流電流は略流れない。
なお、変換器セル直列体１０ＰＵおよび１０ＮＵが出力する直流電圧成分は、三相でほぼ同一の零相電圧であることから、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗの線間電圧には直流電圧成分が生じず、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗには直流電流は略流れない。
なお、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗに電源が接続される場合は、リアクトルや漏れインダクタンスを有する変圧器などを接続し、交流電圧端子Ｕ、Ｖ、Ｗに流れる電流が制御される。
一方、直流電圧成分は、直流電圧端子Ｐ、Ｎに接続される電源や機器との電力の授受を行う。直流電圧端子Ｐ、Ｎには、交流電圧成分は正極側変換器セルと負極側変換器セルとでキャンセルされてほとんど生じない。
図２に示すように変換器セル１０を構成するキャパシタ５５の電圧を略一定に調整するように、変換器セル１０を流れる直流電流が制御される。言い換えると、変換器セル１０の交流成分によって授受する電力と、直流成分によって授受する電力とが互いに相殺するような直流電流を流すように制御が行われる。
一方、直流電圧成分は、直流電圧端子Ｐ、Ｎに接続される電源や機器との電力の授受を行う。直流電圧端子Ｐ、Ｎには、交流電圧成分は正極側変換器セルと負極側変換器セルとでキャンセルされてほとんど生じない。
図２に示すように変換器セル１０を構成するキャパシタ５５の電圧を略一定に調整するように、変換器セル１０を流れる直流電流が制御される。言い換えると、変換器セル１０の交流成分によって授受する電力と、直流成分によって授受する電力とが互いに相殺するような直流電流を流すように制御が行われる。
ここで、直流電流は、直流電圧端子Ｐ→正極側の変換器セル直列体→負極側の変換器セル直列体→リアクトル３０１→直流電圧端子Ｎの経路で流れる。具体例として、交流電圧端子Ｕに関して説明すると、直流電圧端子Ｐ→正極側の変換器セル直列体１０ＰＵ→負極側の変換器セル直列体１０ＮＵ→リアクトル３０１Ｕ→直流電圧端子Ｎの経路で流れる。
したがって、直流電流を制御するには、直流電流が流れる経路に少なくとも１つのリアクトルやインダクタンス成分が存在していればよい。このため、非特許文献２、３で開示された電力変換装置のように、必ずしも正極側と負極側の両方にリアクトルやインダクタンス成分が必要ではなく、本実施の形態１の電力変換装置１のように負極側のリアクトル３０１のみで直流電流制御が可能である。
したがって、直流電流を制御するには、直流電流が流れる経路に少なくとも１つのリアクトルやインダクタンス成分が存在していればよい。このため、非特許文献２、３で開示された電力変換装置のように、必ずしも正極側と負極側の両方にリアクトルやインダクタンス成分が必要ではなく、本実施の形態１の電力変換装置１のように負極側のリアクトル３０１のみで直流電流制御が可能である。
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置１は、負極側にリアクトルを設けているので、リアクトルの台数を削減でき、小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
電力変換装置１では、負極側にのみインダクタンスであるリアクトル３０１を図示しているが、正極側に、半導体素子を保護するためのインダクタンス成分（例えば、ＧＣＴ適用時のアノードリアクトル）や、配線などの小さいインダクタンスが存在していても、本発明の効果は損なわれない。すなわち、負極側のインダクタンスのインダクタンス値が正極側のインダクタンスのインダクタンス値よりも大きければ、本発明の効果を見出すことができる。
電力変換装置１の正極側に、配線などの小さいインダクタンスであるリアクトル３０２を追加した主回路構成図を図４に示す。リアクトル３０１と同様に、リアクトル３０２は、３０２Ｕ、３０２Ｖ、３０２Ｗの総称である。
なお、図１の電力変換装置１と区別するため、電力変換装置２としている。また、リアクトル３０２が本発明の第２のインダクタンスである。
電力変換装置１では、負極側にのみインダクタンスであるリアクトル３０１を図示しているが、正極側に、半導体素子を保護するためのインダクタンス成分（例えば、ＧＣＴ適用時のアノードリアクトル）や、配線などの小さいインダクタンスが存在していても、本発明の効果は損なわれない。すなわち、負極側のインダクタンスのインダクタンス値が正極側のインダクタンスのインダクタンス値よりも大きければ、本発明の効果を見出すことができる。
電力変換装置１の正極側に、配線などの小さいインダクタンスであるリアクトル３０２を追加した主回路構成図を図４に示す。リアクトル３０１と同様に、リアクトル３０２は、３０２Ｕ、３０２Ｖ、３０２Ｗの総称である。
なお、図１の電力変換装置１と区別するため、電力変換装置２としている。また、リアクトル３０２が本発明の第２のインダクタンスである。
次に、実施の形態１の他の実施例である電力変換装置３について、図５に基づき説明する。
図５において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図５の電力変換装置３は、上記で説明した図１の電力変換装置１では、負極側に設置していたリアクトル３０１を、正極側にリアクトル３０３として設置したものである。すなわち、電力変換装置３の構成と電力変換装置１の構成の違いは、リアクトルの設置場所の違いであり、その他の変換器セルおよびの変換器セル直列体の構成は同じである。
ここで、例えば、交流電圧端子Ｕと直流電圧端子Ｐの間で変換器セル直列体１０ＰＵと直流電圧端子Ｐの間に設けられたリアクトルをリアクトル３０３Ｕとしている。
なお、電力変換装置３では、直流電圧端子Ｐを大地電位に接地、もしく直流電圧端子Ｎよりも大地電位に近い電位とすることを想定している。
図５において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図５の電力変換装置３は、上記で説明した図１の電力変換装置１では、負極側に設置していたリアクトル３０１を、正極側にリアクトル３０３として設置したものである。すなわち、電力変換装置３の構成と電力変換装置１の構成の違いは、リアクトルの設置場所の違いであり、その他の変換器セルおよびの変換器セル直列体の構成は同じである。
ここで、例えば、交流電圧端子Ｕと直流電圧端子Ｐの間で変換器セル直列体１０ＰＵと直流電圧端子Ｐの間に設けられたリアクトルをリアクトル３０３Ｕとしている。
なお、電力変換装置３では、直流電圧端子Ｐを大地電位に接地、もしく直流電圧端子Ｎよりも大地電位に近い電位とすることを想定している。
電力変換装置３は、電力変換装置１とはリアクトルの設置場所の違いのみであり、動作は
電力変換装置１と同じであるため、説明は省略する。
電力変換装置３は、正極側にリアクトルを設けているので、リアクトルの台数を削減でき、小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
電力変換装置１と同じであるため、説明は省略する。
電力変換装置３は、正極側にリアクトルを設けているので、リアクトルの台数を削減でき、小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
電力変換装置３では、正極側にのみインダクタンスであるリアクトル３０３を図示しているが、負極側に、半導体素子を保護するためのインダクタンス成分や、配線などの小さいインダクタンスが存在していても、本発明の効果は損なわれない。すなわち、正極側のインダクタンスのインダクタンス値が負極側のインダクタンスのインダクタンス値よりも大きければ、本発明の効果を見出すことができる。
次に、実施の形態１の他の実施例である電力変換装置４について、図６および図８（ａ）に基づき説明する。
図６において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図６の電力変換装置４は、図１の電力変換装置１の負極側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０１Ｕ、３０１Ｖ、３０１Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３０４としたものである。
図８（ａ）において、リアクトル３０４のｘ端は変換器セル直列体１０ＮＵに接続され、リアクトル３０４のｙ端は変換器セル直列体１０ＮＶに接続され、リアクトル３０４のｚ端は変換器セル直列体１０ＮＷに接続されている。リアクトル３０４は、ｘ−Ｎ間、ｙ−Ｎ間、ｚ−Ｎ間の巻線を磁気的に結合させている。
電力変換装置４は、リアクトル３０４において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを１台にするよりもさらに小型化できる。このため、電力変換装置１と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
図６において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図６の電力変換装置４は、図１の電力変換装置１の負極側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０１Ｕ、３０１Ｖ、３０１Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３０４としたものである。
図８（ａ）において、リアクトル３０４のｘ端は変換器セル直列体１０ＮＵに接続され、リアクトル３０４のｙ端は変換器セル直列体１０ＮＶに接続され、リアクトル３０４のｚ端は変換器セル直列体１０ＮＷに接続されている。リアクトル３０４は、ｘ−Ｎ間、ｙ−Ｎ間、ｚ−Ｎ間の巻線を磁気的に結合させている。
電力変換装置４は、リアクトル３０４において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを１台にするよりもさらに小型化できる。このため、電力変換装置１と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
次に、実施の形態１の他の実施例である電力変換装置５について、図７および図８（ｂ）に基づき説明する。
図７において、図１、図５と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図７の電力変換装置５は、図５の電力変換装置３の正極側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０３Ｕ、３０３Ｖ、３０３Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３０５としたものである。
図８（ｂ）において、リアクトル３０５のｘ’端は変換器セル直列体１０ＰＵに接続され、リアクトル３０５のｙ’端は変換器セル直列体１０ＰＶに接続され、リアクトル３０５のｚ’端は変換器セル直列体１０ＰＷに接続されている。リアクトル３０５は、ｘ’−Ｐ間、ｙ’−Ｐ間、ｚ’−Ｐ間の巻線を磁気的に結合させている。
電力変換装置５は、リアクトル３０５において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを１台にするよりもさらに小型化できる。このため、電力変換装置３と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
図７において、図１、図５と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図７の電力変換装置５は、図５の電力変換装置３の正極側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０３Ｕ、３０３Ｖ、３０３Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３０５としたものである。
図８（ｂ）において、リアクトル３０５のｘ’端は変換器セル直列体１０ＰＵに接続され、リアクトル３０５のｙ’端は変換器セル直列体１０ＰＶに接続され、リアクトル３０５のｚ’端は変換器セル直列体１０ＰＷに接続されている。リアクトル３０５は、ｘ’−Ｐ間、ｙ’−Ｐ間、ｚ’−Ｐ間の巻線を磁気的に結合させている。
電力変換装置５は、リアクトル３０５において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを１台にするよりもさらに小型化できる。このため、電力変換装置３と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
高電圧大容量の電力変換装置で用いられるリアクトルは、一般的に何トンもの重量物であるため、碍子などで絶縁する場合は、耐震性を確保することが困難となる。
電力変換装置１および電力変換装置４において、リアクトルを設置した側の直流電圧端子Ｎを大地に接地、もしくは他方の直流電圧端子Ｐよりも大地電位に近い電位とすれば、リアクトルの絶縁が容易になり、絶縁体の小型化や、耐震性の確保が容易になる。
また、電力変換装置３および電力変換装置５においても、リアクトルを設置した側の直流電圧端子Ｐを大地に接地、もしくは他方の直流電圧端子Ｎよりも大地電位に近い電位とすれば、リアクトルの絶縁が容易になり、絶縁体の小型化や、耐震性の確保が容易になる。
電力変換装置１および電力変換装置４において、リアクトルを設置した側の直流電圧端子Ｎを大地に接地、もしくは他方の直流電圧端子Ｐよりも大地電位に近い電位とすれば、リアクトルの絶縁が容易になり、絶縁体の小型化や、耐震性の確保が容易になる。
また、電力変換装置３および電力変換装置５においても、リアクトルを設置した側の直流電圧端子Ｐを大地に接地、もしくは他方の直流電圧端子Ｎよりも大地電位に近い電位とすれば、リアクトルの絶縁が容易になり、絶縁体の小型化や、耐震性の確保が容易になる。
以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置は、３相交流電圧端子と直流電圧端子（Ｐ、Ｎ）との間に半導体素子とキャパシタから成る１個以上の変換器セルを直列に接続し、さらに大地に対して最も低い電位にある直流電圧端子と交流電圧端子との間に、変換器セル直列体と直列にリアクトルを接続する構成としたものである。このため、リアクトルを小型化でき、大地電位に近い箇所に設置できるので絶縁電圧も低減でき、絶縁が容易となり、耐震性を向上させることができる。また、さらに耐久性の向上および省エネルギーの効果がある。
なお、実施の形態１の説明では、交流電圧端子および直流電圧端子については、実体としての端子（Ｔｅｒｍｉｎａｌ）として記載しているが、交流入出力部および直流入出力部として捉えても良い。
また、実施の形態１では交流電圧は３相交流電圧として説明したが、単相交流電圧でも４相以上の交流電圧でも良い。
なお、実施の形態１の説明では、交流電圧端子および直流電圧端子については、実体としての端子（Ｔｅｒｍｉｎａｌ）として記載しているが、交流入出力部および直流入出力部として捉えても良い。
また、実施の形態１では交流電圧は３相交流電圧として説明したが、単相交流電圧でも４相以上の交流電圧でも良い。
実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の２台の電力変換装置（例えば、電力変換装置１と電力変換装置３）を、各交流電圧端子は変圧器を介して並列に接続し、各直流電圧端子は直列に接続する構成としたものである。
以下、実施の形態２の電力変換装置の構成、動作について、電力変換装置の主回路構成図である図９、１０、他の実施例の主回路構成図である図１１、１２〜図１５、１６、リアクトルの回路図である図１７に基づいて説明する。
なお、図９、１０で以降説明する電力変換装置６の主回路構成を表している。また、図１１、１２で電力変換装置７の主回路構成を表し、図１３、１４で電力変換装置８の主回路構成を表し、図１５、１６で電力変換装置８の主回路構成を表している。
実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の２台の電力変換装置（例えば、電力変換装置１と電力変換装置３）を、各交流電圧端子は変圧器を介して並列に接続し、各直流電圧端子は直列に接続する構成としたものである。
以下、実施の形態２の電力変換装置の構成、動作について、電力変換装置の主回路構成図である図９、１０、他の実施例の主回路構成図である図１１、１２〜図１５、１６、リアクトルの回路図である図１７に基づいて説明する。
なお、図９、１０で以降説明する電力変換装置６の主回路構成を表している。また、図１１、１２で電力変換装置７の主回路構成を表し、図１３、１４で電力変換装置８の主回路構成を表し、図１５、１６で電力変換装置８の主回路構成を表している。
まず、実施の形態２の電力変換装置６の構成、動作について、図９、１０に基づいて説明する。図９、１０において、図１および図５と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
電力変換装置６の交流電圧端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と直流電圧端子Ｐ、Ｍとの間には、交流電圧端子Ｕ１を例に説明すると、１個以上（１〜ｎ個）の変換器セル２０ＰＵと１個以上（１〜ｎ個）の変換器セル２０ＭＵが直列に接続された変換器セル直列体を有する。また、各々の交流電圧端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、直流電圧端子Ｍとの間にはリアクトル３０６を有する。リアクトル３０６は、３０６Ｕ、３０６Ｖ、３０６Ｗの総称である。この交流電圧端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と直流電圧端子Ｐ、Ｍ間の構成は、電力変換装置１と同じである。
ただし、変換器セルの構成、動作は同じであるが、説明および理解を容易にするために、電力変換装置１では変換器セル１０としていたが、電力変換装置５では変換器セル２０としている。また、電力変換装置１ではリアクトル３０１としていたが、電力変換装置５ではリアクトル３０６としている。
ただし、変換器セルの構成、動作は同じであるが、説明および理解を容易にするために、電力変換装置１では変換器セル１０としていたが、電力変換装置５では変換器セル２０としている。また、電力変換装置１ではリアクトル３０１としていたが、電力変換装置５ではリアクトル３０６としている。
また、電力変換装置６の交流電圧端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流電圧端子Ｍ、Ｎとの間には、交流電圧端子Ｕ２を例に説明すると、１個以上（１〜ｎ個）の変換器セル３０ＭＵと１個以上（１〜ｎ個）の変換器セル３０ＮＵが直列に接続された変換器セル直列体を有する。また、各々の交流電圧端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と、直流電圧端子Ｍとの間にはリアクトル３０７を有する。リアクトル３０７は、３０７Ｕ、３０７Ｖ、３０７Ｗの総称である。この交流電圧端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２と直流電圧端子Ｍ、Ｎ間の構成は、電力変換装置３と同じである。
ただし、変換器セルの構成、動作は同じであるが、説明および理解を容易にするために、電力変換装置３では変換器セル１０としていたが、電力変換装置６では変換器セル３０としている。また、電力変換装置３ではリアクトル３０３としていたが、電力変換装置６ではリアクトル３０７としている。
なお、リアクトル３０６が本願発明の第３のインダクタンスであり、リアクトル３０７が本願発明の第４のインダクタンスである。
ただし、変換器セルの構成、動作は同じであるが、説明および理解を容易にするために、電力変換装置３では変換器セル１０としていたが、電力変換装置６では変換器セル３０としている。また、電力変換装置３ではリアクトル３０３としていたが、電力変換装置６ではリアクトル３０７としている。
なお、リアクトル３０６が本願発明の第３のインダクタンスであり、リアクトル３０７が本願発明の第４のインダクタンスである。
交流電圧端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、変圧器４０１を介して、交流電圧端子Ｒ、Ｓ、Ｔと接続されている。Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、変圧器４０２を介して、交流電圧端子Ｒ、Ｓ、Ｔと接続されている。
電力変換装置１の直流電圧端子Ｎは、電力変換装置３の直流電圧端子Ｐと接続され、中性点Ｍを形成する。すなわち、中性点Ｍの側にリアクトル３０６と３０７を有する。
電力変換装置１の直流電圧端子Ｎは、電力変換装置３の直流電圧端子Ｐと接続され、中性点Ｍを形成する。すなわち、中性点Ｍの側にリアクトル３０６と３０７を有する。
実施の形態２の電力変換装置６は、変圧器４０１、４０２を介して電力変換装置１と電力変換装置３を組み合わせ、変圧器４０１、４０２を介して交流電圧端子Ｒ、Ｓ、Ｔに接続したものであり、主回路の変換器セル、すなわち変換器セルを構成する半導体スイッチング素子の制御は、実施の形態１と同様に行うことができる。
なお、変圧器４０１および４０２に漏れインダクタンスを有していれば、交流電圧端子Ｒ、Ｓ、Ｔに交流電源を接続することができる。
なお、変圧器４０１および４０２に漏れインダクタンスを有していれば、交流電圧端子Ｒ、Ｓ、Ｔに交流電源を接続することができる。
電力変換装置６は、直流側が双極構成の電力変換装置として動作させることができる。 すなわち、例えば、±５００ｋＶの直流送電に適用する場合は、直流電圧端子Ｐは、＋５００ｋＶに対応し、直流電圧端子Ｎは、−５００ｋＶに対応する。中性点Ｍは、大地に接地しても良いし、接地をせずに別途、キャパシタの分圧などにより直流電圧端子Ｐ、Ｎ間の略中間電位を大地に接地してもよい。
どちらの方法でも、中性点Ｍは大地電位に略等しくなる。よって、電力変換装置６は、リアクトルの台数を削減できるほかに、リアクトルを設置する電位が大地電位に近いため、絶縁が容易であり、小型・軽量で、耐震性に優れた電力変換装置を実現することができる。
どちらの方法でも、中性点Ｍは大地電位に略等しくなる。よって、電力変換装置６は、リアクトルの台数を削減できるほかに、リアクトルを設置する電位が大地電位に近いため、絶縁が容易であり、小型・軽量で、耐震性に優れた電力変換装置を実現することができる。
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置６は、中性点Ｍ側にリアクトルを設けているので、リアクトルの台数を削減でき、小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
電力変換装置６では、中性点Ｍ側にのみインダクタンスであるリアクトル３０６、３０７を図示しているが、正極側および／または負極側に、半導体素子を保護するためのインダクタンス成分や、配線などの小さいインダクタンスが存在していても、本発明の効果は損なわれない。すなわち、中性点Ｍ側のインダクタンスのインダクタンス値が正極側、負極側のインダクタンスのインダクタンス値よりも大きければ、本発明の効果を見出すことができる。
電力変換装置６の正極側に配線などの小さいインダクタンスであるリアクトル３０８を追加し、負極側に配線などの小さいインダクタンスであるリアクトル３０９を追加した主回路構成図を図１１、１２に示す。なお、リアクトル３０８は、３０８Ｕ、３０８Ｖ、３０８Ｗの総称であり、リアクトル３０９は、３０９Ｕ、３０９Ｖ、３０９Ｗの総称である。
なお、図９、１０の電力変換装置６と区別するため、電力変換装置７としている。また、リアクトル３０８が本発明の第５のインダクタンスであり、リアクトル３０９が本発明の第６のインダクタンスである。
電力変換装置６では、中性点Ｍ側にのみインダクタンスであるリアクトル３０６、３０７を図示しているが、正極側および／または負極側に、半導体素子を保護するためのインダクタンス成分や、配線などの小さいインダクタンスが存在していても、本発明の効果は損なわれない。すなわち、中性点Ｍ側のインダクタンスのインダクタンス値が正極側、負極側のインダクタンスのインダクタンス値よりも大きければ、本発明の効果を見出すことができる。
電力変換装置６の正極側に配線などの小さいインダクタンスであるリアクトル３０８を追加し、負極側に配線などの小さいインダクタンスであるリアクトル３０９を追加した主回路構成図を図１１、１２に示す。なお、リアクトル３０８は、３０８Ｕ、３０８Ｖ、３０８Ｗの総称であり、リアクトル３０９は、３０９Ｕ、３０９Ｖ、３０９Ｗの総称である。
なお、図９、１０の電力変換装置６と区別するため、電力変換装置７としている。また、リアクトル３０８が本発明の第５のインダクタンスであり、リアクトル３０９が本発明の第６のインダクタンスである。
次に、実施の形態２の他の実施例である電力変換装置８について、図１３、１４に基づき説明する。
図１３、１４において、図９、１０と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図１３、１４の電力変換装置８は、図９、１０の電力変換装置６の中性点側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０６Ｕ、３０６Ｖ、３０６Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３１０とし、同様に中性点側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０７Ｕ、３０７Ｖ、３０７Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３１１としたものである。
ここで、電力変換装置８のリアクトル３１０は、図６の電力変換装置４のリアクトル３０４と同等であり、電力変換装置８のリアクトル３１１は図７の電力変換装置５のリアクトル３０５と同等である。
電力変換装置８は、リアクトル３１０および３１１において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを各々１台にするよりも、さらに小型化できる。このため、電力変換装置６と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
図１３、１４において、図９、１０と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図１３、１４の電力変換装置８は、図９、１０の電力変換装置６の中性点側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０６Ｕ、３０６Ｖ、３０６Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３１０とし、同様に中性点側に相毎に設置していた３台のリアクトル３０７Ｕ、３０７Ｖ、３０７Ｗを磁気的に結合させて、１台のリアクトル３１１としたものである。
ここで、電力変換装置８のリアクトル３１０は、図６の電力変換装置４のリアクトル３０４と同等であり、電力変換装置８のリアクトル３１１は図７の電力変換装置５のリアクトル３０５と同等である。
電力変換装置８は、リアクトル３１０および３１１において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを各々１台にするよりも、さらに小型化できる。このため、電力変換装置６と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
次に、実施の形態２の他の実施例である電力変換装置９について、図１５、１６および図１７に基づき説明する。
図１５、１６において、図９、１０と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図１５、１６の電力変換装置９は、図９、１０の電力変換装置６の中性点側に設置していた計６台のリアクトル３０６Ｕ、３０６Ｖ、３０６Ｗ、３０７Ｕ、３０７Ｖ、３０７Ｗをまとめて１台のリアクトル３１２としたものである。
図１７において、リアクトル３１２のＸ１端は変換器セル直列体２０ＭＵに接続され、Ｙ１端は変換器セル直列体２０ＭＶに接続され、Ｚ１端は変換器セル直列体２０ＭＷに接続されている。また、リアクトル３１２のＸ２端は変換器セル直列体３０ＭＵに接続され、Ｙ２端は変換器セル直列体３０ＭＶに接続され、Ｚ２端は変換器セル直列体３０ＭＷに接続されている。
そして、リアクトル３１２は、Ｘ１−Ｍ間、Ｙ１−Ｍ間、Ｚ１−Ｍ間、Ｘ２−Ｍ間、Ｙ２−Ｍ間、Ｚ２−Ｍ間の巻線を磁気的に結合させている。
図１５、１６において、図９、１０と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
図１５、１６の電力変換装置９は、図９、１０の電力変換装置６の中性点側に設置していた計６台のリアクトル３０６Ｕ、３０６Ｖ、３０６Ｗ、３０７Ｕ、３０７Ｖ、３０７Ｗをまとめて１台のリアクトル３１２としたものである。
図１７において、リアクトル３１２のＸ１端は変換器セル直列体２０ＭＵに接続され、Ｙ１端は変換器セル直列体２０ＭＶに接続され、Ｚ１端は変換器セル直列体２０ＭＷに接続されている。また、リアクトル３１２のＸ２端は変換器セル直列体３０ＭＵに接続され、Ｙ２端は変換器セル直列体３０ＭＶに接続され、Ｚ２端は変換器セル直列体３０ＭＷに接続されている。
そして、リアクトル３１２は、Ｘ１−Ｍ間、Ｙ１−Ｍ間、Ｚ１−Ｍ間、Ｘ２−Ｍ間、Ｙ２−Ｍ間、Ｚ２−Ｍ間の巻線を磁気的に結合させている。
電力変換装置９は、リアクトル３１２において各相に流れる電流による磁束が低減されるため、リアクトルを小型化できる効果が得られ、構造的にリアクトルを１台にするよりもさらに小型化できる。このため、電力変換装置６と比較して、さらに小型・軽量な電力変換装置を実現できる。
なお、電力変換装置９では、リアクトル３１２において、Ｘ１−Ｍ間、Ｙ１−Ｍ間、Ｚ１−Ｍ間、Ｘ２−Ｍ間、Ｙ２−Ｍ間、Ｚ２−Ｍ間のすべての巻線を磁気的に結合させたが、中性点を挟んで正極側のインダクタンスと負極側のインダクタンスのみを磁気的に結合させることもできる。
具体的には、リアクトル３１２のＸ１−Ｍ間とＹ１−Ｍ間とＺ１−Ｍ間とは磁気的に結合させず、Ｘ２−Ｍ間とＹ２−Ｍ間とＺ２−Ｍ間とも磁気的に結合させない。Ｘ１−Ｍ間とＸ２−Ｍ間とを結合させ、Ｙ１−Ｍ間とＹ２−Ｍ間とを結合させ、Ｚ１−Ｍ間とＺ２−Ｍ間とを結合させる。
具体的には、リアクトル３１２のＸ１−Ｍ間とＹ１−Ｍ間とＺ１−Ｍ間とは磁気的に結合させず、Ｘ２−Ｍ間とＹ２−Ｍ間とＺ２−Ｍ間とも磁気的に結合させない。Ｘ１−Ｍ間とＸ２−Ｍ間とを結合させ、Ｙ１−Ｍ間とＹ２−Ｍ間とを結合させ、Ｚ１−Ｍ間とＺ２−Ｍ間とを結合させる。
以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１の２台の電力変換装置（例えば、電力変換装置１と電力変換装置３）を、交流電圧端子は変圧器を介して並列に接続し、直流電圧端子は直列に接続する構成としたものである。そして、第１の交流電圧端子と正極電圧端子との間と、第１の交流電圧端子と中性点との間と、第２の交流電圧端子と中性点との間と、第２の交流電圧端子と負極電圧端子との間に、１個以上の変換器セルを直列に接続し、第１および第２の交流電圧端子と中性点との間に、それぞれ変換器セル直列体と直列にリアクトルを接続する構成とした。このため、リアクトルを小型化でき、大地電位に近い箇所に設置できるので絶縁電圧も低減でき、絶縁が容易となり、耐震性を向上させることができる。
なお、実施の形態２では交流電圧は３相交流電圧として説明したが、単相交流電圧でも４相以上の交流電圧でも良い。
なお、実施の形態２では交流電圧は３相交流電圧として説明したが、単相交流電圧でも４相以上の交流電圧でも良い。
実施の形態１および２においては、半導体スイッチング素子や還流ダイオード素子が珪素によって形成されたものを示したが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。
ワイドバンドギャップ半導体を使用すると、半導体素子の高耐圧化が可能なため、変換器セルの直列台数を低減できる。さらには、半導体スイッチングの高速化が可能なため、高調波成分がより小さい入力電流や出力電圧を得ることが可能である。
ワイドバンドギャップ半導体を使用すると、半導体素子の高耐圧化が可能なため、変換器セルの直列台数を低減できる。さらには、半導体スイッチングの高速化が可能なため、高調波成分がより小さい入力電流や出力電圧を得ることが可能である。
なお、電力変換装置に係る本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
この発明は、交流電力の直流電力への変換、あるいは直流電力の交流電力への変換に関するものであり、電力変換装置に広く適用できる。
この発明に係る第１の電力変換装置は、交流電圧端子と、直流電圧端子とを有し、交流電圧端子と直流電圧端子との間に１以上の変換器セルが直列に接続された変換器セル直列体を有し、変換器セルは半導体素子とキャパシタを備え、直流電圧端子の内、一方の直流電圧端子と交流電圧端子との間に、変換器セル直列体と直列に接続される第１のインダクタンスを有し、他方の直流電圧端子と交流電圧端子との間に、さらに変換器セル直列体と直列に接続された第１のインダクタンスよりインダクタンス値が小さい第２のインダクタンスを有するものである。
この発明に係る第２の電力変換装置は、第１の交流電圧端子と、第２の交流電圧端子と、正極の直流電圧端子と、負極の直流電圧端子と、正極と負極の直流電圧端子の中性点とを有し、第１の交流電圧端子と正極の直流電圧端子との間と、第１の交流電圧端子と中性点との間と、第２の交流電圧端子と中性点との間と、第２の交流電圧端子と負極の直流電圧端子との間に、それぞれ１以上の変換器セルが直列に接続された変換器セル直列体を有し、変換器セルは半導体素子とキャパシタを備え、第１の交流電圧端子と中性点との間に、変換器セル直列体と直列に接続される第３のインダクタンスを有し、第２の交流電圧端子と中性点との間に、変換器セル直列体と直列に接続される第４のインダクタンスを有し、第１の交流電圧端子と正極の直流電圧端子との間に、さらに変換器セル直列体と直列に接続された第３のインダクタンスよりインダクタンス値が小さい第５のインダクタンスを有し、第２の交流電圧端子と負極の直流電圧端子との間に、さらに変換器セル直列体と直列に接続された第４のインダクタンスよりインダクタンス値が小さい第６のインダクタンスを有するものである。
Claims (18)
- 交流電圧端子と、直流電圧端子とを有し、
前記交流電圧端子と前記直流電圧端子との間に１以上の変換器セルが直列に接続された変換器セル直列体を有し、
前記変換器セルは半導体素子とキャパシタを備え、
前記直流電圧端子の内、大地に対して最も低い電位にある前記直流電圧端子と前記交流電圧端子との間に、前記変換器セル直列体と直列に接続される第１のインダクタンスを有する電力変換装置。 - 前記直流電圧端子の内、大地に対して高電位にある前記直流電圧端子と前記交流電圧端子との間に、インダクタンスを有さない請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記直流電圧端子の内、大地に対して高電位にある前記直流電圧端子と前記交流電圧端子との間に、さらに前記変換器セル直列体と直列に接続された前記第１のインダクタンスよりインダクタンス値が小さい第２のインダクタンスを有する請求項１に記載の電力変換装置。
- 複数相を有する電力変換装置であって、前記複数相の各相に前記交流電圧端子、前記変換器セル直列体、および前記第１のインダクタンスを有し、
前記各相の前記第１のインダクタンスは、互いに磁気的に結合されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。 - 大地に対して最も低い電位にある前記直流電圧端子が、大地に接地されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 大地に対して最も低い電位にある前記直流電圧端子が、大地に接地されている請求項４に記載の電力変換装置。
- 前記変換器セルが備える前記半導体素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項７に記載の電力変換装置。
- 第１の交流電圧端子と、第２の交流電圧端子と、正極の直流電圧端子と、負極の直流電圧端子と、前記正極と負極の直流電圧端子の中性点とを有し、
前記第１の交流電圧端子と前記正極の直流電圧端子との間と、
前記第１の交流電圧端子と前記中性点との間と、
前記第２の交流電圧端子と前記中性点との間と、
前記第２の交流電圧端子と前記負極の直流電圧端子との間に、
それぞれ１以上の変換器セルが直列に接続された変換器セル直列体を有し、
前記変換器セルは半導体素子とキャパシタを備え、
前記第１の交流電圧端子と前記中性点との間に、前記変換器セル直列体と直列に接続される第３のインダクタンスを有し、
前記第２の交流電圧端子と前記中性点との間に、前記変換器セル直列体と直列に接続される第４のインダクタンスを有する電力変換装置。 - 前記第１の交流電圧端子と前記正極の直流電圧端子との間に、インダクタンスを有さず、
前記第２の交流電圧端子と前記負極の直流電圧端子との間に、インダクタンスを有さない
請求項９に記載の電力変換装置。 - 前記第１の交流電圧端子と前記正極の直流電圧端子との間に、
さらに前記変換器セル直列体と直列に接続された前記第３のインダクタンスよりインダクタンス値が小さい第５のインダクタンスを有し、
前記第２の交流電圧端子と前記負極の直流電圧端子との間に、
さらに前記変換器セル直列体と直列に接続された前記第４のインダクタンスよりインダクタンス値が小さい第６のインダクタンスを有する請求項９に記載の電力変換装置。 - 前記中性点は、他の前記交流電圧端子および前記正極、負極の直流電圧端子よりも大地に対して最も近い電位にある請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 前記第３のインダクタンスと前記第４のインダクタンスは、前記中性点をはさんで互いに磁気的に結合されている請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 前記第３のインダクタンスと前記第４のインダクタンスは、前記中性点をはさんで互いに磁気的に結合されている請求項１２に記載の電力変換装置。
- 複数相を有する電力変換装置であって、前記複数相の各相に前記第１の交流電圧端子、第２の交流電圧端子、前記変換器セル直列体、前記第３のインダクタンス、および前記第４のインダクタンスを有し、
前記第３のインダクタンスおよび前記第４のインダクタンスは、それぞれ各相が互いに磁気的に結合されている請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。 - 前記第１の交流電圧端子と、前記第２の交流電圧端子とが、１台以上の変圧器を介して、互いに並列に接続される請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 前記変換器セルが備える前記半導体素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項１７に記載の電力変換装置。
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