特許 7585161 電力変換器装置

(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】

(24)【登録日】2024-11-08

(45)【発行日】2024-11-18

(54)【発明の名称】電力変換器装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241111BHJP

   H02M 1/00 20070101ALI20241111BHJP

   H02M 7/00 20060101ALI20241111BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H02M1/00 Z

H02M7/00 Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021132755

(22)【出願日】2021-08-17

(65)【公開番号】P2023027572

(43)【公開日】2023-03-02

【審査請求日】2024-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】馬淵 雄一

(72)【発明者】

【氏名】叶田 玲彦

(72)【発明者】

【氏名】古川 公久

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】中国実用新案第２０９７６７３７５（ＣＮ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２９６５２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／００３４３２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ １／００

Ｈ０２Ｍ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の交流端子と、一対の直流端子と、前記交流端子と前記直流端子との間で一方向または双方向の電力変換を行う電力変換回路と、を各々が備え、第１の方向および前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って配列された複数の電力変換ユニットと、
複数の前記電力変換ユニットの前記交流端子を、三相交流の相毎に、前記第２の方向に沿って直列接続する交流配線と、
複数の前記電力変換ユニットの前記直流端子を、前記第１の方向に沿って並列接続する直流配線と、を備える
ことを特徴とする電力変換器装置。

【請求項2】

複数の前記電力変換ユニットは複数の面を有するものであり、
一対の前記交流端子は第１の面に装着され、一対の前記直流端子は前記第１の面とは異なる第２の面に装着されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器装置。

【請求項3】

複数の前記電力変換ユニットは複数の面を有するものであり、
一対の前記交流端子および一対の前記直流端子は、共通の面に装着されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換器装置に関する。

【背景技術】

【0002】

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約には、「複数個の２次巻線を有する入力変圧器１と、この入力変圧器１を収納する変圧器盤１０と、前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する単位インバータ２を複数台直列接続した各相をＹ接続して構成した３相インバータと、前記３相インバータを構成する単位インバータ２を収納する変換器盤２０とを備え、前記変換器盤２０は、絶縁物からなる複数本の支柱２２と、この複数本の支柱２２の隣り合う支柱間を横方向に締結する複数個の金属製の棚板２３を有し、前記棚板２３上に前記単位インバータ２を夫々載置固定するように構成する。」と記載されている。

【0003】

また、下記特許文献２の要約には、「実施形態に係る電力変換装置は、直列に接続され、スイッチングによりそれぞれのコンデンサを充放電する複数の単位変換器を含むレグを含む電力変換器と、前記レグの一端と接地との間に接続された第１断路器と、前記レグの他端と接地との間に接続された第２断路器と、前記第１断路器および前記第２断路器に遮断信号を供給する遮断信号生成部と、を備える。前記単位変換器のそれぞれは、第１抵抗器と、前記第１抵抗器に直列に接続された第２抵抗器と、を含む。前記コンデンサは、前記第１抵抗器および前記第２抵抗器の直列接続体に並列に接続される。前記電力変換器が停止した後に、前記遮断信号生成部は、前記遮断信号によって前記第１断路器および前記第２断路器を導通させる。」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－３５７４３６号公報

【文献】特開２０１８－１７０８３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述した技術において、一層適切に電力変換器装置を構成したいという要望がある。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、適切に構成できる電力変換器装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため本発明の電力変換器装置は、一対の交流端子と、一対の直流端子と、前記交流端子と前記直流端子との間で一方向または双方向の電力変換を行う電力変換回路と、を各々が備え、第１の方向および前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って配列された複数の電力変換ユニットと、複数の前記電力変換回路の前記交流端子を、三相交流の相毎に、前記第２の方向に沿って直列接続する交流配線と、複数の前記電力変換回路の前記直流端子を、前記第１の方向に沿って並列接続する直流配線と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、電力変換器装置を適切に構成できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に適用される電力変換ユニットの回路構成を示す図である。

【図2】電力変換ユニットを前面側から見た模式的斜視図である。

【図3】電力変換ユニットを背面側から見た模式的斜視図である。

【図4】第１実施形態による電力変換器装置を前面側から見た模式的斜視図である。

【図5】電力変換器装置を背面側から見た模式的斜視図である。

【図6】第２実施形態に適用される電力変換ユニットを前面側から見た模式的斜視図である。

【図7】第２実施形態による電力変換器装置を前面側から見た模式的斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［実施形態の前提］
電気エネルギーの有効活用を目的とし、様々な産業分野で電力変換器が用いられている。これら電力変換器において、より高電圧への対応や、電力変換時に発生する高調波の抑制、より安価な低圧素子利用による低コスト化の観点で、入出力をマルチレベル化した電力変換器が用いられている。
例えば、上述した特許文献１の技術を応用すると、マルチレベル出力のモータドライブ装置の小型化や組立性を容易にする変換器が構成できるものと考えられる。この構成では、高圧三相交流電力を入力し複数の低圧三相交流を出力する多重トランスと、この多重トランスから出力される低圧三相交流を入力とし単相交流電力を出力するユニットからなるモータドライブ機能を有する電力変換器において、ユニットの単相出力端子を直列接続することで高圧三相の交流電力を出力することができる。この構成では、出力する各相に直列に接続されるユニットを直線状に配置することで、小型で組立性の容易なマルチレベル出力の電力変換器を提供できると考えられる。

【0010】

また、上述した特許文献２の技術を応用すると、高圧交流から高圧直流へ電力を変換するＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）の電力変換器において、内部に内蔵するコンデンサを迅速に放電させる回路が構成できると考えられる。一般的に、ＭＭＣでは、高圧の三相電力を入出力とし、各相に単相交流の入出力端子を有するユニットを直列に接続することで変換器を構成する。この変換器では入力される交流の位相に合わせて、各相に直列に接続される複数の電力変換器の入出力電圧を適切に制御する。これにより、高圧三相交流電力を高圧直流電力に変換することができる。このＭＭＣにおいても、各ユニットは各相において直線上に配置される構造になると考えられる。

【0011】

ところで、近年、ＳＳＴ（Solod State Transformer）など、高圧三相交流と低圧直流との間で電力を変換する機器の開発が進められている。このＳＳＴ型電力変換器では、単相交流の入出力端子と直流入出力端子を有するユニットを用いて構成されることが多い。上述した特許文献１，２においては、この種のＳＳＴ型電力変換器に適用して好ましい構成については特に記載されていない。そこで、後述する実施形態は、高圧三相交流と低圧直流との間で電力を変換する電力変換器において、低圧直流側の入出力電力を安定化し、電力変換器を小型化し、かつ、必要な配線部材を低減するものである。

【0012】

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
図１は、第１実施形態に適用される電力変換ユニット１０の回路構成を示す図である。
図１において、電力変換ユニット１０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１（電力変換回路）と、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２（電力変換回路）と、一対の交流端子１４Ａ，１４Ｂと、一対の直流端子１６Ｐ，１６Ｎと、を備えている。なお、以下の説明において、電力変換ユニット１０は単に「ユニット」と称することがある。また、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１およびＤＣ／ＤＣ変換回路１２は、単に「回路」と称することがある。また、交流端子１４Ａ，１４Ｂおよび直流端子１６Ｐ，１６Ｎは、単に「端子」と称することがある。

【0013】

電力潮流が端子１４Ａ，１４Ｂから端子１６Ｐ，１６Ｎに向かう場合、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１は、端子１４Ａ，１４Ｂから供給された単相交流電力を直流電力に変換し、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２に供給する。また、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１から供給された直流電圧を降圧して直流端子１６Ｐ，１６Ｎから出力する。逆に、電力潮流が端子１６Ｐ，１６Ｎから端子１４Ａ，１４Ｂに向かう場合、回路１２は、端子１６Ｐ，１６Ｎから入力された直流電力を昇圧して回路１１に供給する。また、回路１１は、供給された直流電力を交流電力に変換し、端子１４Ａ，１４Ｂから出力する。

【0014】

ＤＣ／ＤＣ変換回路１２は、絶縁型の変換回路である。すなわち、図示は省略するが、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２は、絶縁トランスと、その一次側および二次側に接続されたブリッジ回路と、を備えている。これらブリッジ回路は、電力潮流の向きに応じて、インバータまたは同期整流回路として機能する。

【0015】

図２は、電力変換ユニット１０を前面側から見た模式的斜視図である。
図２において、Ｘ軸（第１の方向）、Ｙ軸（第２の方向）およびＺ軸は相互に直交する軸であり、例えばＸ軸は左右方向、Ｙ軸は上下方向、Ｚ軸は奥行き方向になる。ユニット１０は略直方体状に形成されており、その前面板２２（第１の面）は略矩形板状に形成されている。そして、前面板２２には、交流端子１４Ａ，１４ＢがＹ軸方向に沿って配列されている。

【0016】

図３は、電力変換ユニット１０を背面側から見た模式的斜視図である。
ユニット１０の背面板２４（第２の面）も略矩形板状に形成されている。そして、背面板２４には、直流端子１６Ｐ，１６Ｎが、やはりＹ軸方向に沿って配列されている。

【0017】

図４は、第１実施形態による電力変換器装置１００を前面側から見た模式的斜視図である。
電力変換器装置１００は、複数のユニット１０を備えている。そして、これらユニット１０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って二次元的に配置されている。なお、図示の例では、電力変換器装置１００は、Ｘ軸方向に３列、Ｙ軸方向に４列で、合計１２個のユニット１０を備えている。これらユニット１０の位置を「４ｘｙ」の形式で表現する。ここで、ｘはＸ軸方向の座標値（１，２または３）であり、ｙはＹ軸方向の座標値（１，２，３または４）である。

【0018】

最上端の位置４１４，４２４，４３４におけるユニット１０の端子１４Ａには、それぞれ配線４０１，４０２，４０３が接続されている。なお、本明細書において「配線」とは、被覆付ケーブル、被覆無ケーブル、ブスバー等を含む意味である。配線４０１，４０２，４０３は、図示の例では、三相電力系統のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の配線である。また、最下端の位置４１１，４２１，４３１におけるユニット１０の端子１４Ｂには、中性点を成す配線４０４が接続されている。また、配線４０１，４０２，４０３と、配線４０４との間には、合計９個（３×３個）の配線４０６が設けられている。これら配線４０６は、上段側の（例えば位置４３４の）端子１４Ｂと、下段側の（例えば位置４３３の）端子１４Ａと、を接続する。

【0019】

これにより、位置４１１～４１４のユニット１０は、前面板２２に設けられた端子１４Ａ，１４Ｂを介して、Ｕ相の配線４０１と、中性点の配線４０４との間に、直列接続されている。同様に、位置４２１～４２４のユニット１０は、前面板２２に設けられた端子１４Ａ，１４Ｂを介して、Ｖ相の配線４０２と、中性点の配線４０４との間に直列接続されている。また、同様に、位置４３１～４３４のユニット１０は、前面板２２に設けられた端子１４Ａ，１４Ｂを介して、Ｗ相の配線４０３と、中性点の配線４０４との間に直列接続されている。上述した配線４０１～４０６を、「交流配線４０」と総称することがある。

【0020】

図５は、電力変換器装置１００を背面側から見た模式的斜視図である。
図５において、最下段の位置４１１，４２１，４３１のユニット１０は、前述した通り、前面板２２（図４参照）においてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の配線４０６にそれぞれ接続されている。そして、図５に示すように、これらのユニット１０において、背面板２４に設けられた正極側の端子１６Ｐは配線５１Ｐに接続され、負極側の端子１６Ｎは配線５１Ｎに接続されている。同様に、最下段から２番目の位置４１２，４２２，４３２のユニット１０は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の配線４０６（図４参照）にそれぞれ接続されている。そして、これらのユニット１０において、背面板２４に設けられた正極側の端子１６Ｐは配線５２Ｐに接続され、負極側の端子１６Ｎは配線５２Ｎに接続されている。

【0021】

同様に、最下段から３番目の位置４１３，４２３，４３３のユニット１０は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の配線４０６（図４参照）にそれぞれ接続されている。そして、これらのユニット１０において、背面板２４に設けられた正極側の端子１６Ｐは配線５３Ｐに接続され、負極側の端子１６Ｎは配線５３Ｎに接続されている。同様に、最上段の位置４１４，４２４，４３４のユニット１０は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の配線４０６（図４参照）にそれぞれ接続されている。そして、これらのユニット１０において、背面板２４に設けられた正極側の端子１６Ｐは配線５４Ｐに接続され、負極側の端子１６Ｎは配線５４Ｎに接続されている。上述した配線５１Ｐ～５４Ｐ，５１Ｎ～５４Ｎを、「直流配線５０」と総称することがある。

【0022】

図４および図５に示した例においては、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に直列に接続されるユニット１０の段数を「４」としたが、ユニット１０の段数は「４」に限定されるものではない。また、上述した例では、各ユニット１０の前面板２２に交流端子１４Ａ，１４Ｂを配置し、背面板２４に直流端子１６Ｐ，１６Ｎを配置した。しかし、端子１６Ｐ，１６Ｎを配置する面は、端子１４Ａ，１４Ｂを配置する面とは異なる面であればよく、上述の例に限定されるわけではない。

【0023】

［第２実施形態］
〈第２実施形態の構成〉
次に、第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図６は、第２実施形態に適用される電力変換ユニット３０を前面側から見た模式的斜視図である。
電力変換ユニット３０の回路構成は、第１実施形態の電力変換ユニット１０のもの（図１参照）と同様である。但し、電力変換ユニット３０の外観は図６に示すように、第１実施形態のものとは異なる。

【0024】

図６においてユニット３０は、略直方体状に形成されており、その前面板３２（共通の面）は略矩形板状に形成されている。そして、前面板３２には、交流端子１４Ａ，１４ＢがＹ軸方向に沿って配列されている。また、前面板３２には、直流端子１６Ｐ，１６Ｎも、Ｙ軸方向に沿って配列されている。

【0025】

図７は、第２実施形態による電力変換器装置２００を前面側から見た模式的斜視図である。
電力変換器装置２００は、複数のユニット３０を備えている。そして、これらユニット３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って二次元的に配置されている。すなわち、図示の例では、第１実施形態のもの（図４参照）と同様に、Ｘ軸方向に３列、Ｙ軸方向に４列で、合計１２個のユニット３０を備えている。また、これらユニット３０の位置も、第１実施形態のものと同様に、「４ｘｙ」の形式で表現する。

【0026】

各ユニット３０の交流端子１４Ａ，１４Ｂには、交流配線４０、すなわち配線４０１，４０２，４０３，４０４，４０６が接続されている。これら交流配線４０の接続状態は第１実施形態のものと同様である。また、各ユニット３０の直流端子１６Ｐ，１６Ｎには、直流配線５０が接続されている。これら直流配線５０も、前面板３２側に設けられていることを除いて、第１実施形態のものと同様に構成されている。

【0027】

なお、図７に示した例では、各ユニット３０の前面板３２に交流端子１４Ａ，１４Ｂと直流端子１６Ｐ，１６Ｎとを配置したが、これら端子の配置関係は図示のものに限定されない。すなわち、端子１４Ａ，１４Ｂ，１６Ｐ，１６Ｎを、前面板３２以外のユニット３０の同一面に設けてもよい。

【0028】

［実施形態の効果］
以上のように上述した各実施形態によれば、電力変換器装置１００，２００は、一対の交流端子１４Ａ，１４Ｂと、一対の直流端子１６Ｐ，１６Ｎと、交流端子１４Ａ，１４Ｂと直流端子１６Ｐ，１６Ｎとの間で一方向または双方向の電力変換を行う電力変換回路（１１，１２）と、を各々が備え、第１の方向（Ｘ）および第１の方向（Ｘ）とは異なる第２の方向（Ｙ）に沿って配列された複数の電力変換ユニット１０，３０と、複数の電力変換ユニット１０，３０の交流端子１４Ａ，１４Ｂを、三相交流の相毎に、第２の方向（Ｙ）に沿って直列接続する交流配線４０と、複数の電力変換ユニット１０，３０の直流端子１６Ｐ，１６Ｎを、第１の方向（Ｘ）に沿って並列接続する直流配線５０と、を備える。

【0029】

これにより、各実施形態によれば、電力変換器装置１００，２００を適切に構成することができる。
まず、電力変換器装置１００，２００においては、それぞれ異なる相に対応するユニット１０，３０の直流端子１６Ｐ，１６Ｎが並列接続されるため、入出力電力の安定度を上げることができる。例えば、図５において、配線５２Ｐ，５２Ｎに接続されている負荷装置（図示せず）の消費電流が急増したとする。この場合、位置４１２（Ｕ相）、位置４２２（Ｖ相）、および位置４２３（Ｗ相）のユニット１０の出力電流がほぼ等しく上昇するため、消費電力の急増によって、交流配線４０における電流の不平衡が生じにくくなる。

【0030】

また、図４、図５、図７に示すように、各ユニット１０，３０を接続する交流配線４０および直流配線５０を、きわめて短くすることができる。これにより、電力変換器装置１００の小型化を図ることができ、配線コストも軽減することができる。また、交流配線４０および直流配線５０としてブスバーを採用した場合には、各ブスバーを直線的に形成できるため、ブスバーの加工が容易になるという利点も生じる。

【0031】

さらに、第１実施形態による電力変換器装置１００においては、複数の電力変換ユニット１０は複数の面を有するものであり、一対の交流端子１４Ａ，１４Ｂは第１の面（２２）に装着され、一対の直流端子１６Ｐ，１６Ｎは第１の面（２２）とは異なる第２の面（２４）に装着されている。これにより、交流配線４０と直流配線５０との間に長い距離を確保することができ、交流配線４０によって直流配線５０に重畳するノイズ等を抑制することができる。

【0032】

また、第２実施形態による電力変換器装置２００においては、複数の電力変換ユニット３０は複数の面を有するものであり、一対の交流端子１４Ａ，１４Ｂおよび一対の直流端子１６Ｐ，１６Ｎは、共通の面（３２）に装着されている。これにより、共通の面（３２）以外の箇所においては、電力変換ユニット３０の筐体の開閉等が容易になり、電力変換器装置２００のメンテナンス性を高めることができる。

【0033】

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

【0034】

（１）上記各実施形態において電力変換ユニット１０，３０は、交流端子１４Ａ，１４Ｂと直流端子１６Ｐ，１６Ｎとの間で双方向の電力変換を行うものであった。しかし、電力変換ユニット１０，３０は、一方向の電力変換を行うものであってもよい。

【0035】

（２）第１実施形態では第１の面（２２）と第２の面（２４）とが対向するよう配置されているが、必ずしも第１の面（２２）と第２の面（２４）とが対向するよう配置されなくてもよい。例えば、第１の面（２２）と第２の面（２４）とが互いに隣り合うように配置されてもよい。

【符号の説明】

【0036】

１０，３０ 電力変換ユニット
１１ ＡＣ／ＤＣ変換回路（電力変換回路）
１２ ＤＣ／ＤＣ変換回路（電力変換回路）
１４Ａ，１４Ｂ 交流端子
１６Ｐ，１６Ｎ 直流端子
２２ 前面板（第１の面）
２４ 背面板（第２の面）
３２ 前面板（共通の面）
４０ 交流配線
５０ 直流配線
１００，２００ 電力変換器装置
Ｘ 軸（第１の方向）
Ｙ 軸（第２の方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】