JPWO2021002017A1 - 3レベル電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の電力変換装置1の構成を示す図である。この電力変換装置1は、3レベル電力変換装置である。以下の説明においても、3レベル電力変換装置を電力変換装置と記載する。
リアクトル13(第1のリアクトル)は、ノードdとノードfとの間に配置される。リアクトル13の第1端子が、ノードdに接続される。リアクトル13の第2端子が、ノードfに接続される。
スイッチング素子5,8,10がスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子5,8のスイッチング動作に対して、スイッチング素子10のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子6,7は常時オフ状態となる。スイッチング素子9は常時オン状態となる。
スイッチング素子6,7,9がスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子6,7のスイッチング動作に対して、スイッチング素子9のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子5,8は常時オフ状態となる。スイッチング素子10は常時オン状態となる。スイッチング素子11,12は、交流電力指令値201の正負に関わりなく、スイッチング動作を継続する。
交流電圧が正、かつ交流電流が正の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいときの動作について説明する。
図4、図5、図6は、単相3線式動作における、交流電圧が正、かつ交流電流が正、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きい場合の電力伝送期間の電流経路を表わす図である。電力伝送期間において、スイッチング素子5,8がスイッチングによってオンとなり、スイッチング素子6,7が常時オフ状態であり、スイッチング素子9が常時オン状態であり、スイッチング素子10がスイッチングによってオフとなる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第1のスイッチングモードに設定される。
図7、図8、図9は、単相3線式動作における、交流電圧が正、かつ交流電流が正、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きい場合のデッドタイム期間の電流経路を表わす図である。デッドタイム期間において、スイッチング素子5,8がスイッチングによってオンからオフに切り替わり、スイッチング素子6,7が常時オフ状態であり、スイッチング素子9が常時オン状態であり、スイッチング素子10がオフ状態を維持している。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第1のデッドタイムモードに設定される。
図10、図11、図12は、単相3線式動作における、交流電圧が正、かつ交流電流が正、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きい場合の還流期間の電流経路を表わす図である。還流期間には、スイッチング素子5,8がオフ状態を維持し、スイッチング素子6,7が常時オフ状態であり、スイッチング素子9が常時オン状態であり、スイッチング素子10がスイッチング動作によってオフからオンに切り替わる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第2のスイッチングモードに設定される。
交流電圧が負、かつ交流電流が負の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいときの動作について説明する。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きくなる。
図13、図14、図15は、単相3線式動作における、交流電圧が負、かつ交流電流が負、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きい場合の電力伝送期間の電流経路を表わす図である。電力伝送期間において、スイッチング素子6,7がスイッチングによってオンとなり、スイッチング素子5,8が常時オフ状態であり、スイッチング素子10が常時オン状態であり、スイッチング素子9がスイッチングによってオフとなる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第3のスイッチングモードに設定される。
図16、図17、図18は、単相3線式動作における、交流電圧が負、かつ交流電流が負、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きい場合のデッドタイム期間の電流経路を表わす図である。デッドタイム期間において、スイッチング素子6,7がスイッチングによってオンからオフに切り替わり、スイッチング素子5,8が常時オフ状態であり、スイッチング素子10が常時オン状態であり、スイッチング素子9がオフ状態を維持している。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第2のデッドタイムモードに設定される。
図19、図20、図21は、単相3線式動作における、交流電圧が負、かつ交流電流が負、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも大きい場合の還流期間の電流経路を表わす図である。還流期間には、スイッチング素子6,7がオフを維持し、スイッチング素子5,8が常時オフ状態であり、スイッチング素子10が常時オン状態であり、スイッチング素子9がスイッチング動作によってオフからオンに切り替わる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第2のスイッチングモードに設定される。
交流電圧が正、かつ交流電流が正の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいときの動作について説明する。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さくなる。
図22、図23、図24は、単相3線式動作における、交流電圧が正、かつ交流電流が正、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さい場合の電力伝送期間の電流経路を表わす図である。電力伝送期間において、スイッチング素子5,8がスイッチングによってオンとなり、スイッチング素子6,7が常時オフ状態であり、スイッチング素子9が常時オン状態であり、スイッチング素子10がスイッチングによってオフとなる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第1のスイッチングモードに設定される。
図25、図26、図27は、単相3線式動作における、交流電圧が正、かつ交流電流が正、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さい場合のデッドタイム期間の電流経路を表わす図である。デッドタイム期間において、スイッチング素子5,8がスイッチングによってオンからオフに切り替わり、スイッチング素子6,7が常時オフ状態であり、スイッチング素子9が常時オン状態であり、スイッチング素子10がオフ状態を維持している。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第1のデッドタイムモードに設定される。
図28、図29、図30は、単相3線式動作における、交流電圧が正、かつ交流電流が正、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さい場合の還流期間の電流経路を表わす図である。還流期間には、スイッチング素子5,8がオフ状態を維持し、スイッチング素子6,7が常時オフ状態であり、スイッチング素子9が常時オン状態であり、スイッチング素子10がスイッチング動作によってオフからオンに切り替わる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第2のスイッチングモードに設定される。
交流電圧が負、かつ交流電流が負の場合において、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいときの動作について説明する。交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも小さいので、交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さくなる。
図31、図32、図33は、単相3線式動作における、交流電圧が負、かつ交流電流が負、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さい場合の電力伝送期間の電流経路を表わす図である。電力伝送期間において、スイッチング素子6,7がスイッチングによってオンとなり、スイッチング素子5,8が常時オフ状態、スイッチング素子10が常時オン状態、スイッチング素子9がスイッチングによってオフとなる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第3のスイッチングモードに設定される。
図34、図35、図36は、単相3線式動作における、交流電圧が負、かつ交流電流が負、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さい場合のデッドタイム期間の電流経路を表わす図である。デッドタイム期間において、スイッチング素子6,7がスイッチングによってオンからオフに切り替わり、スイッチング素子5,8が常時オフ状態であり、スイッチング素子10が常時オン状態、スイッチング素子9がオフ状態を維持している。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第2のデッドタイムモードに設定される。
図37、図38、図39は、単相3線式動作における、交流電圧が負、かつ交流電流が負、かつ交流電源17に流れる電流が交流電源18に流れる電流よりも小さい場合の還流期間の電流経路を表わす図である。還流期間には、スイッチング素子6,7がオフ状態を維持し、スイッチング素子5,8が常時オフ状態であり、スイッチング素子10が常時オン状態であり、スイッチング素子9がスイッチング動作によってオフからオンに切り替わる。スイッチング素子11,12は、スイッチングによってオンとオフとの切替えを継続している。すなわち、電力変換装置1が第2のスイッチングモードに設定される。
図40は、実施の形態2の電力変換装置1の構成を示す図である。
スイッチング素子5,8,10がスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子5,8のスイッチング動作に対して、スイッチング素子10のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子6,7とは常時オフ状態となる。スイッチング素子9は常時オン状態となる。
スイッチング素子6,7,9がスイッチングを行なう。このとき、スイッチング素子6,7のスイッチング動作に対して、スイッチング素子9のスイッチング動作は相補的である。スイッチング素子5,8は常時オフ状態となる。スイッチング素子10は常時オン状態となる。
交流電圧が正のときには、コンデンサ15の第1端子の電圧が正となり、第2端子の電圧が負となり、コンデンサ16の第2端子の電圧が正となり、第1端子の電圧が負となる。交流電流が正のときには、リアクトル13の第1端子から第2端子に電流が流れる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
交流電圧が負のときには、コンデンサ15の第1端子の電圧が負となり、第2端子の電圧が正となり、コンデンサ16の第1端子の電圧が正となり、第2端子の電圧が負となる。
まず、電力変換装置1は、電力伝送期間を開始する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、還流期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、デッドタイム期間に移行する。
次に、電力変換装置1は、電力伝送期間に戻る。
図48は、交流電源17の電力と交流電源18の電力の大小、交流電圧の符号、交流電流の符号、スイッチング素子11とスイッチング素子11のオン/オフごとの差分電流IBの経路を表わす図である。
比較器2206は、制御器2204の出力と三角波キャリアとを比較し、比較結果をスイッチング素子11の駆動信号33として出力する。
比較器3206は、制御器3204の出力と三角波キャリアとを比較し、比較結果をスイッチング素子11の駆動信号33として出力する。
比較器4206は、制御器4204の出力と三角波キャリアとを比較し、比較結果をスイッチング素子11の駆動信号33として出力する。
比較器5206は、制御器5204の出力と三角波キャリアとを比較し、比較結果をスイッチング素子11の駆動信号33として出力する。
図53には、交流電源17の電力が交流電源18の電力よりも大きい場合に、コンデンサ15の電圧(=交流電源17の電圧)が指令値となるように制御したときの複数の波形が示されている。
図54は、交流電源18の電力の方が交流電源17の電力よりも大きい場合に、コンデンサ15の電圧(=交流電源17の電圧)が指定値となるように制御したときの複数の波形が示されている。
図55は、実施の形態4の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態5.
図56は、実施の形態5の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態6.
図57は、実施の形態6の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態7.
図58は、実施の形態7の電力変換装置1の構成を示す図である。
実施の形態8.
図59は、実施の形態8の電力変換装置1の構成を示す図である。
Claims (18)
- 直流電源の正極が接続される第1のノードと第2のノードとの間に配置された第1のスイッチ回路と、前記第2のノードと第3のノードとの間に配置された第2のスイッチ回路とを含む第1レグと、
前記第1のノードと前記第3のノードとの間に配置された第1のコンデンサを含む第1のフィルタ回路と、
前記第1のノードと前記第3のノードとの間に並列に配置された第2レグおよび第3レグを含むブリッジ回路と、
前記第2レグの中点である第4のノードと前記第3レグの中点である第5のノードとの間に配置される双方向スイッチを含む第4レグを含むクランプ回路と、
前記第4のノードと接続される第1端子と、第6のノードと接続される第2端子とを有する第1のリアクトルと、前記第5のノードと接続される第1端子と、第7のノードと接続される第2端子とを有する第2のリアクトルとを含む第2のフィルタ回路とを備えた3レベル電力変換装置。 - 前記第2のフィルタ回路は、さらに、
前記第2のノードと接続される第1端子と、第8のノードと接続される第2端子とを有する第3のリアクトルとを含む、請求項1に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2レグは、
前記第1のノードと前記第4のノードとの間に配置された第1のスイッチング素子と、
前記第4のノードと前記第3のノードとの間に配置された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子と逆並列に接続された第1のダイオードと、
前記第2のスイッチング素子と逆並列に接続された第2のダイオードとを含み、
前記第3レグは、
前記第1のノードと前記第5のノードとの間に配置された第3のスイッチング素子と、
前記第5のノードと前記第3のノードとの間に配置された第4のスイッチング素子と、
前記第3のスイッチング素子と逆並列に接続された第3のダイオードと、
前記第4のスイッチング素子と逆並列に接続された第4のダイオードとを含む、請求項2に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記双方向スイッチは、
前記第4のノードと第9のノードとの間に配置された第5のスイッチング素子と、
前記第9のノードと前記第5のノードとの間に配置された第6のスイッチング素子と、
前記第5のスイッチング素子と逆並列に接続された第5のダイオードと、
前記第6のスイッチング素子と逆並列に接続された第6のダイオードとを含み、
前記第5のスイッチング素子の正極と前記第6のスイッチング素子の正極とが前記第9のノードに接続される、請求項3記載の3レベル電力変換装置。 - 前記双方向スイッチは、
前記第4のノードと第9のノードとの間に配置された第5のスイッチング素子と、
前記第9のノードと前記第5のノードとの間に配置された第6のスイッチング素子と、
前記第5のスイッチング素子と逆並列に接続された第5のダイオードと、
前記第6のスイッチング素子と逆並列に接続された第6のダイオードとを含み、
前記第5のスイッチング素子の負極と前記第6のスイッチング素子の負極とが前記第9のノードに接続される、請求項3に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記双方向スイッチは、
前記第4のノードと前記第5のノードとの間に逆並列に接続された第5のスイッチング素子および第6のスイッチング素子を含む、請求項3に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第1のスイッチ回路は、
前記第1のノードと前記第2のノードとの間に配置された第7のスイッチング素子と、
前記第7のスイッチング素子と逆並列に接続された第7のダイオードとを含み、
前記第2のスイッチ回路は、
前記第2のノードと前記第3のノードとの間に配置された第8のスイッチング素子と、
前記第8のスイッチング素子と逆並列に接続された第8のダイオードとを含み、
前記第7のスイッチング素子の負極と前記第8のスイッチング素子の正極とが前記第2のノードに接続される、請求項4〜6のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第8のノードに、第1の交流電源の第1端子と第2の交流電源の第1端子とが接続され、前記第6のノードに、前記第1の交流電源の第2端子が接続され、前記第7のノードに、前記第2の交流電源の第2端子が接続され、
前記第2のフィルタ回路は、さらに、
前記第6のノードと、前記第7のノードとの間に直列に接続された第2のコンデンサおよび第3のコンデンサを含む、請求項7に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2のコンデンサの第1端子は、前記第6のノードと接続され、前記第2のコンデンサの第2端子は、前記第8のノードに接続され、
前記第3のコンデンサの第1端子は、前記第7のノードと接続され、前記第3のコンデンサの第2端子は、前記第8のノードに接続される、請求項8に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第6のノードと第10のノードとの間に第1の交流電源が接続され、
前記第10のノードと前記第7のノードとの間に第2の交流電源が接続され、
前記第2のフィルタ回路は、さらに、
前記第6のノードと前記第8のノードとの間に配置された第2のコンデンサと、前記第8のノードと前記第7のノードとの間に配置された第3のコンデンサとを含み、
前記第8のノードと前記第10のノードとの間に配置された切替スイッチと、
単相3線式動作時において、前記切替スイッチをオンにし、単相2線式動作時において、前記切替スイッチがオフとなる、請求項7に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記単相3線式動作時において、前記第8のスイッチング素子を、前記第7のスイッチング素子と相補的なタイミングでスイッチング制御する制御回路を備える、請求項10に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記単相2線式動作時において、前記第7のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子を常にオフとする制御回路を備える、請求項10に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記第2のコンデンサの前記第1端子の電位が正、前記第2のコンデンサの前記第2端子の電位が負、前記第3のコンデンサの前記第1端子の電位が負、前記第3のコンデンサの前記第2端子の電位が正、かつ前記第1のリアクトルの前記第1端子から前記第1のリアクトルの前記第2端子へ電流が流れるときに、
前記制御回路は、
前記第5のスイッチング素子を常時オンとし、
前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子を常時オフとし、
前記第1のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子を同一のタイミングでスイッチング制御し、
前記第6のスイッチング素子を、前記第1のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子のスイッチングのタイミングと相補的なタイミングでスイッチング制御し、
前記第1のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子、および前記第6のスイッチング素子が同時にオフとなるデッドタイムを設定する、請求項11または12に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記第2のコンデンサの前記第1端子の電位が負、前記第2のコンデンサの前記第2端子の電位が正、前記第3のコンデンサの前記第1端子の電位が正、前記第3のコンデンサの前記第2端子の電位が負、かつ前記第1のリアクトルの前記第2端子から前記第1のリアクトルの前記第1端子へ電流が流れるときに、
前記制御回路は、
前記第6のスイッチング素子を常時オンとし、
前記第1のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子を常時オフとし、
前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子を同一のタイミングでスイッチング制御し、
前記第5のスイッチング素子を、前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子のスイッチングのタイミングと相補的なタイミングでスイッチング制御し、
前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、および前記第5のスイッチング素子が同時にオフとなるデッドタイムを設定する、請求項11〜13のいずれか1項に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記第2のコンデンサの電圧の検出値と、前記第2のコンデンサの電圧の指令値とに基づいて、前記第7のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子の変調率を制御する、請求項11に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記制御回路は、前記第3のコンデンサの電圧の検出値と、前記第3のコンデンサの電圧の指令値とに基づいて、前記第7のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子の変調率を制御する、請求項11に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記制御回路は、前記第1のリアクトルに流れる電流の検出値と、前記第1のリアクトルに流れる電流の指令値とに基づいて、前記第7のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子の変調率を制御する、請求項11に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記制御回路は、前記第2のリアクトルに流れる電流の検出値と、前記第2のリアクトルに流れる電流の指令値とに基づいて、前記第7のスイッチング素子および前記第8のスイッチング素子の変調率を制御する、請求項11に記載の3レベル電力変換装置。
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