特許 5902761 マルチレベル高圧インバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5902761

(24)【登録日】2016年3月18日

(45)【発行日】2016年4月13日

(54)【発明の名称】マルチレベル高圧インバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20160331BHJP

   H02M 7/487 20070101ALI20160331BHJP

   H02M 7/49 20070101ALI20160331BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/483

   H02M7/487

   H02M7/49

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-136607(P2014-136607)

(22)【出願日】2014年7月2日

(65)【公開番号】特開2015-15884(P2015-15884A)

(43)【公開日】2015年1月22日

【審査請求日】2014年7月2日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0076943

(32)【優先日】2013年7月2日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】593121379

【氏名又は名称】エルエス産電株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＬＳＩＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100165191

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 章

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】ヨ アンノ

【審査官】 宮地 将斗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０７４７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５２４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００７２８２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−２２３７３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相電源が供給されて三相電動機に三相電圧を出力するマルチレベル高圧インバータにおいて、
少なくとも１つの単位電力セルが直列に接続されて１つの相電圧を出力し、各相電圧を出力する単位電力セルが１つのレベルを形成してマルチレベルを構成する、複数の単位電力セルと、
前記１つのレベルを形成する３つの単位電力セルに前記三相電源を変換して供給するモジュール型移相変圧器と、を含み、
前記モジュール型移相変圧器は、複数のモジュールを有し、
前記複数の単位電力セルのそれぞれは、前記モジュール型移相変圧器からの出力を受信して整流する整流部と、前記整流部により整流された出力を平滑する平滑部と、２つのペアのスイッチを用いて、出力端に３レベルの離散した電圧を出力するインバータ部と、を含み、
前記２つのペアのスイッチの１つのペアの１つのスイッチから正の電圧が生成され、前記２つのペアのスイッチの前記１つのペアのその他のスイッチから負の電圧が生成され、
前記インバータ部は、３レベルのＴ形ＮＰＣ形式を有する、マルチレベル高圧インバータ。

【請求項2】

前記モジュール型移相変圧器は、１次側巻線の移相角が、前記モジュール型移相変圧器の数、前記モジュール型移相変圧器の２次側出力数、及び前記単位電力セルの前記整流部のパルス数に基づいて決定される、請求項１に記載のマルチレベル高圧インバータ。

【請求項3】

三相電源が供給されて三相電動機に三相電圧を出力する高圧インバータにおいて、
１つの相電圧を出力する三相の単位電力セルと、
前記三相の単位電力セルのいずれかの単位電力セルに前記三相電源を変換して供給するモジュール型移相変圧器と、を含み、
前記モジュール型移相変圧器は、前記単位電力セルの数に対応して構成され、
前記単位電力セルは、前記モジュール型移相変圧器からの出力を受信して整流する整流部と、前記整流部により整流された出力を平滑する平滑部と、２つのペアのスイッチを用いて、出力端に３レベルの離散した電圧を出力するインバータ部と、を含み、
前記２つのペアのスイッチの１つのペアの１つのスイッチから正の電圧が生成され、前記２つのペアのスイッチの前記１つのペアのその他のスイッチから負の電圧が生成され、
前記インバータ部は、３レベルのＴ形ＮＰＣ形式を有する、高圧インバータ。

【請求項4】

前記モジュール型移相変圧器は、１次側巻線の移相角が、前記モジュール型移相変圧器の数、前記モジュール型移相変圧器の２次側出力数、及び前記単位電力セルの前記整流部のパルス数に基づいて決定される、請求項３に記載の高圧インバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マルチレベル高圧インバータ（multi-level medium-voltage inverter）に関する。

【背景技術】

【0002】

マルチレベル高圧インバータは、入力される線間電圧の実効値が６００Ｖ以上のインバータであって、相電圧を複数レベルに変換して出力することができる。高圧インバータは、一般的に数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するのに用いられ、主にファン、ポンプ、圧縮機、牽引（トラクション）、昇降（ホイスト）、コンベアなどの分野において用いられている。

【0003】

通常の電圧形高圧インバータとしては、カスケードＨブリッジインバータ（Cascaded H-bridge inverter）や、これを変形したカスケードＮＰＣインバータ（Cascaded Neutral Point Clamped inverter）が使用されている。近年使用され始めたカスケードＮＰＣインバータは、カスケードＨブリッジインバータに比べて体積が小さいという点で脚光を浴びている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

様々な分野に適用されているマルチレベル高圧インバータには、より小さい素子で構成され、より高い効率性を有することが要求される。

【0005】

本発明が解決しようとする技術的課題は、単位電力セルをカスケードＴ形ＮＰＣインバータ（Cascaded T-type Neutral Point Clamped Inverter）で構成することにより、導通損失が少ないことから放熱設計に有利であり、要求される電力半導体素子が少ない、マルチレベル高圧インバータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記技術的課題を解決するために、三相電源が供給されて三相電動機に三相電圧を出力する本発明の一態様によるマルチレベル高圧インバータは、少なくとも１つの単位電力セルが直列に接続されて１つの相電圧を出力し、各相電圧を出力する単位電力セルが１つのレベルを形成してマルチレベルを構成する、複数の前記単位電力セルと、前記１つのレベルを形成する３つの単位電力セルに前記三相電源を変換して供給するモジュール型移相変圧器とを含み、前記モジュール型移相変圧器は、前記マルチレベルに対応して構成されるようにしてもよい。

【0007】

本発明の一実施形態において、前記モジュール型移相変圧器は、１次側巻線の移相角が、前記モジュール型移相変圧器の数、前記モジュール型移相変圧器の２次側出力数、及び前記単位電力セルの整流部のパルス数に基づいて決定されるようにしてもよい。

【0008】

本発明の一実施形態において、前記単位電力セルは、前記モジュール型移相変圧器の出力を受信して整流する前記整流部と、前記整流部が整流したＤＣ電圧を平滑する平滑部と、ダイオードと電力用半導体の並列接続により構成される複数のスイッチ部がカスケードＴ形ＮＰＣ形式で構成されるインバータ部とを含んでもよい。

【0009】

また、上記技術的課題を解決するために、三相電源が供給されて三相電動機に三相電圧を出力する本発明の他の態様による高圧インバータは、１つの相電圧を出力する三相の単位電力セルと、前記三相の単位電力セルのいずれかの単位電力セルに前記三相電源を変換して供給するモジュール型移相変圧器とを含み、前記モジュール型移相変圧器は、前記単位電力セルの数に対応して構成されるようにしてもよい。

【0010】

本発明の一実施形態において、前記モジュール型移相変圧器は、１次側巻線の移相角が、前記モジュール型移相変圧器の数、前記モジュール型移相変圧器の２次側出力数、及び前記単位電力セルの整流部のパルス数に基づいて決定されるようにしてもよい。

【0011】

本発明の一実施形態において、前記単位電力セルは、前記モジュール型移相変圧器の出力を受信して整流する前記整流部と、前記整流部が整流したＤＣ電圧を平滑する平滑部と、ダイオードと電力用半導体の並列接続により構成される複数のスイッチ部がカスケードＴ形ＮＰＣ形式で構成されるインバータ部とを含んでもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明においては、マルチレベル高圧インバータの入力端に用いられる移相変圧器の構造をモジュール化することにより、システム設計時の自由度を高めてシステム全体の体積及び重量を減少させ、従って、システム全体の冗長性を増加させることができるという効果がある。

【0013】

また、本発明においては、インバータ部をカスケードＴ形ＮＰＣ構造に構成し、導通する電力用半導体の平均数を減らすことにより、導通損失を低減し、従って、放熱設計を容易にしてシステム全体の体積及びコストを低減することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。

【図2】図１の単位電力セルの詳細回路図である。

【図3】本発明の第２実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。

【図4】図３の単位電力セルの詳細回路図である。

【図5】本発明の第３実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。

【図6】本発明の第４実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。

【図7A】出力極電圧が０、出力電流が正の場合における電力用半導体の導通を示す図である。

【図7B】出力極電圧がＥ、出力電流が正の場合における電力用半導体の導通を示す図である。

【図7C】出力極電圧が−Ｅ、出力電流が正の場合における電力用半導体の導通を示す図である。

【図7D】出力極電圧が０、出力電流が負の場合における電力用半導体の導通を示す図である。

【図7E】出力極電圧がＥ、出力電流が負の場合における電力用半導体の導通を示す図である。

【図7F】出力極電圧が−Ｅ、出力電流が負の場合における電力用半導体の導通を示す図である。

【図8】従来のマルチレベル高圧インバータの構成図である。

【図9】図８の各単位電力セルの構成図である。

【図10A】図９のインバータ部の動作の一例を示す図である。

【図10B】図９のインバータ部の動作の他の例を示す図である。

【図10C】図９のインバータ部の動作のさらに他の例を示す図である。

【図10D】図９のインバータ部の動作のさらに他の例を示す図である。

【図10E】図９のインバータ部の動作のさらに他の例を示す図である。

【図10F】図９のインバータ部の動作のさらに他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明は、様々な変更が可能であり、様々な実施形態を有するが、特定の実施形態を図面に示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

【0016】

以下、添付図面を参照して、従来のマルチレベル高圧インバータの構成を説明し、本発明の好ましい一実施形態を詳細に説明する。

【0017】

図８は従来のマルチレベル高圧インバータの構成図であり、図９は図８の各単位電力セルの構成図である。

【0018】

図８に示すように、従来のマルチレベル高圧インバータは、入力三相電源１０２、三相電動機１０３、移相変圧器１０４及び単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆを含む。

【0019】

入力三相電源１０２は、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の電圧を印加する。三相電動機１０３は、インバータシステムの負荷である。移相変圧器１０４は、１次側巻線が三相Ｙ結線の形態を有し、２次側巻線は１次側巻線に対して−１５度、０度、１５度、３０度の位相差を有する巻線が３つずつの計１２個の巻線で構成される。２次側巻線の構造は、単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの電力セル数に応じて決定される。

【0020】

単位電力セル１０５ａ〜１０５ｆの各出力電圧は５レベルである。負荷として動作する三相電動機１０３には、１相当たり２つの単位電力セルが接続され、必要に応じて単位電力セルの数は増加させることができる。単位電力セル１０５ａ、１０５ｂは直列に接続されて負荷の三相電動機１０３のａ相電圧を出力し、単位電力セル１０５ｃ、１０５ｄはｂ相電圧を出力し、単位電力セル１０５ｅ、１０５ｆはｃ相電圧を出力する。単位電力セル１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅは、移相変圧器１０４の出力のうち−１５度及び０度の位相を有する出力に接続され、単位電力セル１０５ｂ、１０５ｄ、１０５ｆは、移相変圧器１０４の出力のうち１５度及び３０度の位相を有する出力に接続される。

【0021】

図９に示すように、単位電力セルは、ダイオード整流部２０１、平滑部２０２、及び出力電圧を合成するインバータ部２０３を備える。ダイオード整流部２０１には２つの三相電源が入力され、その入力電源は図８に示す移相変圧器１０４の出力電圧である。ダイオード整流部２０１の出力は直列に接続された２つの直流リンクコンデンサである平滑部２０２に入力され、その２つの直流リンクコンデンサは同じキャパシタンスを有する。インバータ部２０３は、出力電圧を合成するためのものであって、出力線間電圧が５レベルとなる。

【0022】

インバータ部２０３の１つのレグは、４つのスイッチ部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄが直列に接続されており、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄの動作に基づいて出力電圧が決定される。

【0023】

スイッチ部２０３ａ、２０３ｃのスイッチング動作は互いに相補的（complementary）であり、スイッチ部２０３ｂ、２０３ｄのスイッチング動作も互いに相補的である。つまり、直列に接続された平滑部２０２のコンデンサの電圧をそれぞれＥと定義すると、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂがオンになった場合は、スイッチ部２０３ｃ、２０３ｄがオフになり、このとき出力される極電圧（pole voltage）はＥとなる。

【0024】

また、スイッチ部２０３ａ、２０３ｃがオンになった場合は、スイッチ部２０３ｂ、２０３ｄがオフになり、このとき出力される極電圧は０となる。同様に、スイッチ部２０３ａ、２０３ｂがオフになった場合は、スイッチ部２０３ｃ、２０３ｄがオンになり、このとき出力される極電圧は−Ｅとなる。

【0025】

このように決定される出力極電圧を用いる場合、各単位電力セルの出力線間電圧は２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルを有する。各単位電力セルの出力線間電圧が５レベルを有することから、図８の単位電力セル１０５ａ、１０５ｂが合成できる電圧は、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅの９レベルを有し、負荷の三相電動機１０３の出力線間電圧は、８Ｅ、７Ｅ、６Ｅ、５Ｅ、４Ｅ、３Ｅ、２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ、−３Ｅ、−４Ｅ、−５Ｅ、−６Ｅ、−７Ｅ、−８Ｅの１７レベルを有する。

【0026】

図１０Ａ〜図１０Ｆは図９のインバータ部の動作を示す図であって、出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定された場合における電流の方向に応じた電力用半導体の導通を示すものである。

【0027】

図１０Ａは出力極電圧が０、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示し、図１０Ｂは出力極電圧がＥ、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示し、図１０Ｃは出力極電圧が−Ｅ、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示す。

【0028】

図１０Ａでは１つのダイオード及び１つのスイッチ部が導通し、図１０Ｂでは２つのスイッチ部が導通し、図１０Ｃでは２つのダイオードが導通することが分かる。

【0029】

図１０Ｄは出力極電圧が０、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示し、図１０Ｅは出力極電圧がＥ、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示し、図１０Ｆは出力極電圧が−Ｅ、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示す。

【0030】

図１０Ｄでは１つのダイオード及び１つのスイッチ部が導通し、図１０Ｅでは２つのダイオードが導通し、図１０Ｆでは２つのスイッチ部が導通することが分かる。

【0031】

次に、図８の移相変圧器１０４の動作を説明する。

【0032】

移相変圧器１０４は、電気的に絶縁された三相電源を入力三相電源１０２から各単位電力セルに供給する。ここで、移相変圧器１０４の１次側巻線はＹ結線（ワイ結線）又はΔ結線（デルタ結線）であり、２次側巻線は１次側から移相した電源を出力し、このとき単位電力セルの要求に応じた適切な大きさの電圧を出力する。

【0033】

移相変圧器１０４の２次側出力は、単位電力セルのダイオード整流部２０１の数と同じであり、次の関係を有する。

【数1】

【0034】

ここで、Ｎ_secは移相変圧器１０４の２次側出力数であり、Ｎ_unitは負荷の三相電動機１０３の各相に接続される単位電力セルの１相当たりの数であり、Ｎ_diodeは１つの単位電力セルに設けられているダイオード整流部２０１の数である。

【0035】

例えば、図８のような構造では、Ｎ_unitが２であり、Ｎ_diodeが２であるので、Ｎ_secは１２となる。

【0036】

移相変圧器１０４の２次側巻線の移相角は、次の関係から求められる。

【数2】

【0037】

ここで、α_secは２次側巻線間の移相角である。例えば、図８のようにＮ_secが１２であると、２次側巻線間の移相角は１５度となる。このようにして求められた２次側巻線間の移相角により、それぞれの２次側巻線の出力電圧は、１次側入力電源電圧に対して移相角だけ移相する。

【0038】

このような従来のマルチレベル高圧インバータの入力端の移相変圧器は、１次側に１つの三相電源のみ接続され、２次側に全ての単位電力セルが接続される構造である、単一ユニットで構成される。

【0039】

このような単一ユニット構造の移相変圧器においては、要求される出力が１つの変圧器により満たされなければならないので、変圧器自体の体積及び重量が増加するだけでなく、機構設計上の自由度がないことからシステム全体の体積を増加させるという問題があり、変圧器の１次側巻線又は２次側巻線に問題が生じるとシステム全体の運転が不可能になるという問題があった。

【0040】

また、従来の単位電力セルは、インバータ部が４つのダイオードと８つの能動スイッチ（active switch）とから構成されており、電圧合成時、常に２つの電力用半導体が導通するので、インバータ部の損失が相対的に大きいという問題があった。

【0041】

本発明においては、単一ユニットで構成されたマルチレベル高圧インバータの移相変圧器の構造をモジュール化することにより、機構設計上の自由度を提供し、システム全体の体積及び重量を低減する。また、モジュール化した移相変圧器を用いることにより、１つの変圧器モジュールが故障しても、負荷電動機は出力が減少した状態で連続的に運転することができるという利点がある。

【0042】

また、本発明においては、従来の単位電力セルに比べて導通損失を低減できるカスケードＴ形ＮＰＣインバータを提案する。

【0043】

図１は本発明の第１実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。本発明の第１実施形態によるマルチレベル高圧インバータ４１は、三相電源４２から実効値が６００Ｖ以上の線間電圧が印加され、三相電動機４３に三相電圧を出力する。

【0044】

同図に示すように、本発明の第１実施形態によるマルチレベル高圧インバータ４１は、複数の単位電力セル４５と移相変圧器４４とを含む。本発明においては、１相当たり２レベルの単位電力セルが配置された例を説明するが、単位電力セルの数がこれに限定されるものではないことは自明である。

【0045】

本実施形態の移相変圧器４４は、２つのモジュール４４ａ、４４ｂから構成される。ただし、単位電力セル４５が２レベルであるので２つのモジュールから構成されるものを示すが、モジュールの数は単位電力セルのレベルによって決定される。

【0046】

第１モジュール４４ａは、１次側巻線が三相Ｙ結線で構成され、２次側巻線はＹ結線とΔ結線とで構成され、０度と３０度とに移相する。第２モジュール４４ｂは、１次側巻線が移相したＺ結線で構成され、２次側巻線は第１モジュール４４ａと同じ構造で構成される。移相変圧器４４は、２次側巻線の数に応じて１次側巻線及び２次側巻線の位相を変更してもよい。

【0047】

単位電力セル４５の出力電圧は５レベルにしてもよい。本発明の第１実施形態においては、負荷の三相電動機４３に１相当たり２つの単位電力セルが接続され、必要に応じて単位電力セルの数を増加させることができることは前述した通りである。

【0048】

第１単位電力セル４５ａ及び第２単位電力セル４５ｂは直列に接続されて負荷の三相電動機４３のａ相電圧を出力し、第３単位電力セル４５ｃ及び第４単位電力セル４５ｄはｂ相電圧を出力し、第５単位電力セル４５ｅ及び第６単位電力セル４５ｆはｃ相電圧を出力する。

【0049】

第１単位電力セル４５ａ、第３単位電力セル４５ｃ及び第５単位電力セル４５ｅは第１モジュール４４ａの出力に接続され、第２単位電力セル４５ｂ、第４単位電力セル４５ｄ及び第６単位電力セル４５ｆは第２モジュール４４ｂの出力に接続される。

【0050】

図２は図１の単位電力セルの詳細回路図であり、第１〜第６単位電力セル４５ａ〜４５ｆの構成は同じであるので、以下、「単位電力セル４５」と称してまとめて説明する。

【0051】

同図に示すように、本実施形態の単位電力セル４５は、整流部５１、平滑部５２及びインバータ部５３を含む。

【0052】

整流部５１は、２つの三相ダイオード整流器で構成され、移相変圧器４４の第１モジュール４４ａの２次側巻線から三相電圧が印加される。

【0053】

平滑部５２は、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２がそれぞれ２つの三相ダイオード整流器に直列又は並列に接続される。

【0054】

インバータ部５３は、カスケードＴ形ＮＰＣインバータであってもよい。インバータ部５３は、第１〜第８スイッチ部５３ａ〜５３ｈを含み、各スイッチ部は、並列に接続されたダイオードと電力用半導体とから構成されるようにしてもよい。

【0055】

第１〜第４スイッチ部５３ａ〜５３ｄが１つのレグを構成し、第５〜第８スイッチ部５３ｅ〜５３ｈが他の１つのレグを構成するようにし、２つのレグの電位差により出力電圧が合成される。

【0056】

図３は本発明の第２実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。

【0057】

同図に示すように、本発明の第２実施形態によるマルチレベル高圧インバータ６１は、移相変圧器６４と単位電力セル６５とを含む。

【0058】

本実施形態の移相変圧器６４は、３つのモジュール６４ａ〜６４ｃを含む。

【0059】

第１モジュール６４ａは、１次側巻線が−５度の位相を有するＺ結線で構成され、２次側巻線は−１５度、０度、１５度、３０度の位相を有する巻線で構成される。また、第２モジュール６４ｂは、１次側巻線が０度の位相を有するＹ結線で構成され、２次側巻線は第１モジュール６４ａと同様に構成される。さらに、第３モジュール６４ｃは、１次側巻線が５度の位相を有するＺ結線で構成され、２次側巻線は第１モジュール６４ａと同様に構成される。

【0060】

各単位電力セル６５は、５レベルの出力電圧を合成することができる。図４は図３の単位電力セルの詳細回路図である。図４の単位電力セル６５の構成は、整流部７１の数及び平滑部７２の数を除いては、図２の単位電力セル４５の構成と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

【0061】

図５は本発明の第３実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図であり、図６は本発明の第４実施形態によるマルチレベル高圧インバータの構成図である。なお、図５は出力１相当たり３つの単位電力セルを含む例であり、図６は出力１相当たり５つの単位電力セルを含む例である。

【0062】

図５を参照すると、本発明の第３実施形態の移相変圧器８４は、第１〜第３モジュール８４ａ〜８４ｃを含む。

【0063】

第１モジュール８４ａは、１次側巻線が−３．３度の位相を有する三相Ｚ結線で構成され、２次側巻線は１次側巻線に対して０度、３０度の位相差を有する巻線で構成される。また、第２モジュール８４ｂは、１次側巻線が０度の位相を有する三相Ｙ結線で構成され、２次側巻線は第１モジュール８４ａと同様に構成される。さらに、第３モジュール８４ｃは、１次側巻線が３．３度の位相を有する三相Ｚ結線で構成され、２次側巻線は第１モジュール８４ａと同様に構成される。

【0064】

図５の第３実施形態の単位電力セル８５は、図３の単位電力セルと同様に構成することができ、その詳細な説明は省略する。

【0065】

一方、図６を参照すると、本発明の第４実施形態の移相変圧器９４は、５つのモジュールから構成される。

【0066】

第１モジュール９４ａは、１次側巻線が４度の位相を有するＺ結線で構成され、２次側巻線は１次側巻線に対して０度、３０度の位相差を有するＹ結線及びΔ結線で構成される。また、第２〜第５モジュール９４ｂ〜９４ｅの２次側巻線は第１モジュール９４ａの２次側巻線と同様に構成される。

【0067】

第２モジュール９４ｂは、１次側巻線が２度の位相を有するＺ結線で構成され、第３モジュール９４ｃは、１次側巻線が０度の位相を有するＹ結線で構成され、第４モジュール９４ｄは、１次側巻線が−２度の位相を有するＺ結線で構成され、第５モジュール９４ｅは、１次側巻線が−４度の位相を有するＺ結線で構成される。

【0068】

図６の第４実施形態の単位電力セル９５は、図２の単位電力セルと同様に構成することができ、その詳細な説明は省略する。

【0069】

このように、本発明においては、従来の単一ユニットの移相変圧器をモジュール化する。１つのモジュール化した移相変圧器は、１つのレベルの単位電力セル（すなわち、３つの単位電力セル）に三相電圧を供給する（図１、図５及び図６の実施形態）ようにしてもよく、１つの単位電力セルに三相電圧を供給する（図３の実施形態）ようにしてもよい。

【0070】

本発明によるモジュール型移相変圧器において、２次側巻線の移相角は上記数式１及び２により決定され、１次側巻線の移相角は下記数式３により決定される。

【数3】

【0071】

ここで、Ｎ_{m_T}は移相変圧器のモジュール数、Ｎ_{sec_out}は１つの移相変圧器モジュールの２次側出力数、Ｎ_{diode_pulse}は整流部のパルス数である。例えば、図１の第１実施形態においては、Ｎ_{m_T}が２、Ｎ_{sec_out}が６、Ｎ_{diode_pulse}が６であるので、α_primは５度となり、移相変圧器の１次側巻線は、０度を基準として±α_primの倍数の形で移相するように構成することができる。

【0072】

本発明によるモジュール型移相変圧器の容量は、従来の単一ユニット型移相変圧器の容量と次の関係を有する。

【数4】

【0073】

ここで、Ｓ_{m_T}は本発明によるモジュール型移相変圧器の１モジュール当たりの皮相電力であり、Ｓ_convは単一ユニット型移相変圧器の皮相電力である。

【0074】

本発明によるモジュール型移相変圧器は、従来の単一ユニット型移相変圧器に比べて容量が小さいため、移相変圧器の巻線の占める面積（winding window）が小さくなり、移相変圧器全体の体積及び重量が減少することにより、システム全体の体積及び重量が減少する。

【0075】

また、本発明によるモジュール型移相変圧器は、Ｎ_{m_T}個の変圧器モジュールを有し、それにより、システム全体の設計上の自由度を提供し、設計の柔軟性を提供することができる。

【0076】

さらに、従来の単一ユニット型移相変圧器においては、１次側巻線が故障すると、システム全体の運転が不可能になるのに対して、本発明によるモジュール型移相変圧器においては、１つのモジュールの１次側巻線が故障すると、故障したモジュールに接続された電力変換回路を迂回し、出力を低減した状態で連続的に運転することができる。このような構造的特徴により、本発明によるモジュール型移相変圧器を用いた場合、システム全体の冗長性が増加する。

【0077】

次に、本発明による単位電力セルのインバータ部について説明する。

【0078】

図２及び図４に示すように、本発明による単位電力セルは、カスケードＴ形ＮＰＣインバータで構成される。以下、図２を参照して本発明による単位電力セルのインバータ部の動作を説明する。

【0079】

本発明によるインバータ部５３の１つのレグは４つのスイッチ部から構成され、第１〜第４スイッチ部５３ａ〜５３ｄの動作により出力極電圧が決定される。

【0080】

第１スイッチ部５３ａと第３スイッチ部５３ｃとは同時にオンにすることができず、第２スイッチ部５３ｂと第４スイッチ部５３ｄとは同時にオンにすることができない。また、第１スイッチ部５３ａ及び第２スイッチ部５３ｂの動作は互いに独立して行われ、出力極電圧指令が正の場合は第１スイッチ部５３ａ及び第３スイッチ部５３ｃが動作し、出力極電圧指令が負の場合は第２スイッチ部５３ｂ及び第４スイッチ部５３ｄが動作する。

【0081】

直列に接続された直流リンクコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧をそれぞれＥと定義すると、出力極電圧指令が正の場合、第１スイッチ部５３ａがオン、第３スイッチ部５３ｃがオフであると、出力極電圧は０となる。

【0082】

このように決定される出力極電圧を用いる場合、各単位電力セルの出力線間電圧は２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅの５レベルを有する。

【0083】

図７Ａ〜図７Ｆは出力極電圧がＥ、０、−Ｅに決定された場合における電流の方向に応じた電力用半導体の導通を示す図である。

【0084】

図７Ａは出力極電圧が０、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示し、図７Ｂは出力極電圧がＥ、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示し、図７Ｃは出力極電圧が−Ｅ、出力電流が正の場合に導通するスイッチ部を示す。

【0085】

図７Ａでは第３スイッチ部５３ｃのダイオード及び第４スイッチ部５３ｄの電力用半導体が導通し、図７Ｂでは第１スイッチ部５３ａの電力用半導体が導通し、図７Ｃでは第２スイッチ部５３ｂのダイオードが導通する。

【0086】

図７Ｄは出力極電圧が０、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示し、図７Ｅは出力極電圧がＥ、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示し、図７Ｆは出力極電圧が−Ｅ、出力電流が負の場合に導通するスイッチ部を示す。

【0087】

図７Ｄでは第３スイッチ部５３ｃの電力用半導体及び第４スイッチ部５３ｄのダイオードが導通し、図７Ｅでは第１スイッチ部５３ａのダイオードが導通し、図７Ｆでは第２スイッチ部５３ｂの電力用半導体が導通する。

【0088】

つまり、本発明によれば、図７Ａ及び図７Ｄではスイッチ部及びダイオードが導通するが、それ以外の場合は１つの素子のみ導通することから、図１０Ａ〜図１０Ｆの従来技術と比較して導通する電力半導体素子の数が減少する。

【0089】

従って、本発明によれば、電力用半導体から発生する損失（熱）が減少してシステム全体の効率が向上し、それにより放熱板（ヒートシンク）の大きさが小さくなるので、システムの大きさを小さくすることができる。

【0090】

本発明によれば、マルチレベル高圧インバータの入力端に用いられる移相変圧器の構造をモジュール化することにより、システム設計時の自由度を高めてシステム全体の体積及び重量を減少させ、従って、システム全体の冗長性を増加させることができる。

【0091】

また、本発明によれば、インバータ部をカスケードＴ形ＮＰＣ構造に構成し、導通する電力用半導体の平均数を減らすことにより、導通損失を低減し、従って、放熱設計を容易にしてシステム全体の体積及びコストを低減することができる。

【0092】

以上、代表的な実施形態により本発明を詳細に説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の範疇を逸脱しない限り、前述した実施形態から様々な変形が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の権利範囲は、前述した実施形態に限定されて定められてはならず、添付の特許請求の範囲及びその均等物により定められるべきである。

【符号の説明】

【0093】

４１ マルチレベル高圧インバータ
４２ 三相電源
４３ 三相電動機
４４ モジュール型移相変圧器
４５ 単位電力セル
５１ 整流部
５２ 平滑部
５３ インバータ部
５３ａ 第１スイッチ部
５３ｂ 第２スイッチ部
５３ｃ 第３スイッチ部
５３ｄ 第４スイッチ部
５３ｅ 第５スイッチ部
５３ｆ 第６スイッチ部
５３ｇ 第７スイッチ部
５３ｈ 第８スイッチ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図10E】

【図10F】