JP6567580B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流と交流との間で相互に電力を変換する電力変換装置に関する。

モジュラー・マルチレベル変換器（以下、ＭＭＣともいう）は、直流コンデンサとスイッチング素子で構成された単位変換器（チョッパセルとも呼ぶ）をカスケード接続したアームを有する、自励式の電力変換装置である。ＭＭＣでは、アーム内の各チョッパセルが互いに異なる位相の電圧パルスを出力する際、スイッチング素子のオンオフタイミングをずらすことにより、階段状のマルチレベル電圧波形を出力することができる。そのため、アーム全体で高調波の少ないマルチレベル波形を合成することが可能であり、出力波形を正弦波により近づけることができる。

このようなＭＭＣでは、各チョッパセル内のコンデンサ電圧を均等に分圧するように制御することが可能なので、セル数を増やして高電圧化を容易に実現することができる。また、スイッチング素子の動作回数が２レベル変換器と比べて少ないため、変換損失の低減化を図ることができる。さらにＭＭＣでは、交流フィルタや高耐圧コンデンサなどが不要であるため、安価で小型である。

中でも、３相３巻線トランスＭＭＣは、３相３巻線トランスの漏れインピーダンスで短絡電流を抑制するため、バッファリアクトルのような大型の部材を各相に挿入する必要が無く、高調波成分を確実に抑えることができる。したがって、３相３巻線トランスＭＭＣによれば、優れた信頼性を確保しつつ、低コスト化及びコンパクト化を進めることができる。

特開２０１６−１３５０５４号公報

３相３巻線トランスＭＭＣのインピーダンスは、一次-二次間のインピーダンスと、一次-三次間のインピーダンスと、二次-三次間のインピーダンスとから表される。基準容量については、一次-二次間、一次-三次間及び二次-三次間ごとに、小さい方の容量を基準にしているので、これを同一容量に換算してから、インピーダンスを求める必要がある。

従来の３相３巻線トランスＭＭＣでは、一次-二次間のインピーダンスと、一次-三次間のインピーダンスとは、通常、異なるため、インピーダンスの不平衡が生じている。そこで従来では、アームごとに出力電圧の大きさを変えることによって、インピーダンスの不平衡を補償している。

しかし、アームごとに出力電圧の大きさを変えたことで、最も大きい出力電圧が基準となるので、アームの定格電圧が増大する可能性がある。アームの定格電圧が増大することで、３相３巻線トランスＭＭＣのメリットである低コスト化及びコンパクト化が阻害されるおそれがある。

また、トランスを有する電力変換装置では、直流磁束などで鉄心が飽和しないように鉄心の大きさを設定する必要がある。そのため、トランスとしての機能を確保する観点から、鉄心は大きくなる傾向が強かった。そこで従来から、電力変換装置のコンパクト化を実現すべく、効率よく鉄心を小型化することが求められている。

本発明の実施形態は、二次巻線及び三次巻線を上下対称に配置する、あるいは、一次巻線、二次巻線及び三次巻線を同心円状に順次配置するといったことにより、低コスト化及びコンパクト化に優れた電力変換装置を提供することを課題とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、三相のそれぞれに対応するアームを備え、各アームには、直列に接続された複数のスイッチング素子と、前記直列に接続された複数のスイッチング素子に対して並列に接続されたコンデンサとを含む複数の変換器が互いに直列に接続され、第１端が正側直流端子に接続される正側アームと、直列に接続された複数のスイッチング素子と、前記直列に接続された複数のスイッチング素子に対して並列に接続されたコンデンサとを含む複数の変換器が互いに直列に接続され、第１端が負側直流端子に接続される負側アームと、が含まれ、さらに、三相交流に接続される一次巻線と、前記正側アームの第２端と前記負側アームの第２端との間に設けられる二次巻線と三次巻線と、を含む変換器用変圧器を備え、前記変換器用変圧器は、鉄心と、一次巻線と、前記一次巻線に隣接して配置された二次巻線及び三次巻線と、を備え、一次−二次間のインピーダンスと、一次−三次間のインピーダンスとを等しくさせるように、前記鉄心に対し前記一次巻線、前記二次巻線及び前記三次巻線を同心円状に順次配置し、前記変換器用変圧器を収納するタンクを備え、前記二次巻線及び前記三次巻線との間に空隙を設け、前記二次巻線から発生する直流成分の漏れ磁束が前記鉄心及び前記空隙を通り、前記三次巻線から発生する直流成分の漏れ磁束が前記タンク及び前記空隙を通るように、前記二次巻線及び前記三次巻線を配置する。

第１の実施形態における巻線の配置を示す構成図。 第１の実施形態における巻線の配置を示す模式図。 第１の実施形態の回路構成図。 第１の実施形態の単位ユニットを示す回路構成図。 第２の実施形態における巻線の配置を示す構成図。 第２の実施形態の効果を説明するために一時巻線を省いた場合の構成図であって、（ａ）が巻線を上下に配置した場合、（ｂ）が巻線を同心円に配置した場合である。 他の実施形態における巻線の配置を示す構成図。 他の実施形態における巻線の配置を示す構成図。 他の実施形態の回路構成図。 他の実施形態における巻線の配置を示す構成図。

［１］第１の実施形態
［構成］
第１の実施形態の構成について図１〜図４を参照して具体的に説明する。第１の実施形態は、３相の交流系統と直流系統との間に接続される３相３巻線トランスＭＭＣであって、絶縁トランスである３相３巻線トランスを介して３相５０Ｈｚの交流電源を直流に電力変換する電力変換装置である。

（巻線の配置構成）
第１の実施形態における巻線の配置構成について、図１及び図２を用いて説明する。これらの図に示すように、３相３巻線トランスＭＭＣに用いる３相３巻線トランスＡは、一次巻線１、二次巻線２、三次巻線３及び鉄心４を備えている。一次巻線１は鉄心４に隣接して配置されている。

二次巻線２及び三次巻線３は、鉄心４の軸方向を上下方向として、上下に重ねて配置されている。ここでは、二次巻線２が上側に配置され、三次巻線３が二次巻線２の下側に配置されている。これら二次巻線２及び三次巻線３は、鉄心４から見て一次巻線１の外側に配置されている。二次巻線２及び三次巻線３と鉄心４との間に、一次巻線１が配置されている。

二次巻線２及び三次巻線３は、互いに上下対称となるように構成されている。各巻線１〜３において、黒点が付いている側が正側である。一次巻線１及び二次巻線２は上側端部が正側、三次巻線３は下側端部が正側となっている。二次巻線２と三次巻線３とは正側が上下反対なので、二次巻線２の巻き方向と三次巻線３の巻き方向とは、互いに逆向きに設定されている（図２の模式図参照）。

（回路構成）
図３は第１の実施形態の回路構成図である。図３に示すように、第１の実施形態には、一次巻線１、二次巻線２及び三次巻線３を有する３相３巻線トランスＡと、直流電源Ｂと、正側の単位アームＵｐ、Ｖｐ、Ｗｐおよび負側の単位アームＵｎ、Ｖｎ、Ｗｎと、が設けられている。

（３相３巻線トランス）
３相３巻線トランスＡでは、一次巻線１がスター結線され、５０Ｈｚ電源の３相であるＲ相、Ｓ相、Ｔ相に接続されている。二次巻線２と三次巻線３はそれぞれがデルタ結線されている。

３相３巻線トランスＡは、一次巻線１の相ごとにトランス鉄心を分割し、二次巻線２の鉄心と三次巻線３の鉄心とを別々に設けた構成となっている。一次巻線１と二次巻線２との間の巻線比は１:１である。３相３巻線トランスＡは、各相で正側と負側に分けて設けられている。図３においても、各巻線に示した黒点が付いている側が正側である。

３相３巻線トランスＡにおいて、二次巻線２と三次巻線３の各相巻線の中性点は、同一相同士が互いに接続されている。すなわち、二次巻線２のＲ相中性点NP_R2と三次巻線３のＲ相中性点NP_R3とが接続され、二次巻線２のＳ相中性点NP_S2と三次巻線３のＳ相中性点NP_S3とが接続され、二次巻線２のＴ相中性点NP_T2と三次巻線３のＴ相中性点NP_T3とが接続されている。

（単位アーム）
正側の各相の単位アームＵｐ、Ｖｐ、Ｗｐの一端は、それぞれ直流電源Ｂの正側に接続され、他の一端が二次巻線２の各相出力端に接続される。すなわち、正側の単位アームＵｐ、Ｖｐ、Ｗｐは二次巻線２側に接続されている。より詳しくは、単位アームＵｐは巻線Ｒｐ１及び巻線Ｔｐ２に接続され、単位アームＶｐは巻線Ｓｐ１及び巻線Ｒｐ２に接続され、単位アームＷｐは巻線Ｔｐ１及び巻線Ｓｐ２に接続されている。

また、負側の各相の単位アームＵｎ、Ｖｎ、Ｗｎの一端は、それぞれ直流電源Ｂの負側に接続され、他の一端が三次巻線３の各相出力端に接続されている。負側の単位アームＵｎ、Ｖｎ、Ｗｎは三次巻線３側に接続されている。すなわち、単位アームＵｎは巻線Ｒｎ１と巻線Ｔｎ２とに接続され、単位アームＶｎは巻線Ｓｎ１と巻線Ｒｎ２とに接続され、単位アームＷｎは巻線Ｔｎ１と巻線Ｓｎ２とに接続されている。

（単位ユニット）
単位アームＵｐ、Ｖｐ、Ｗｐ、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎには単数あるいは複数の単位ユニットＣが設けられている。単位ユニットＣが複数ある場合、単位ユニットＣは互いに直列に接続されている。単位ユニットＣはチョッパブリッジ単位変換器からなる。単位ユニットＣについて、図４の回路図を用いて説明する。

図４に示すように、単位ユニットＣでは、レグ２０（点線にて示す）とコンデンサ３０とが並列に接続されている。レグ２０には自己消弧能力を持つスイッチング素子２１Ｕ、２１Ｘが直列に接続されている。これらのスイッチング素子２１Ｕ、２１Ｘには、定格が４５００Ｖ程度のＩＧＢТが用いられており、逆並列に還流ダイオード２２Ｕ、２２Ｘが接続されている。

［作用と効果］
ＭＭＣには直流循環電流を流す必要があり、この直流循環電流が３相３巻線トランスＡの二次巻線２及び三次巻線３を通る。直流循環電流が巻線２、３に流れると、直流磁束が発生して、鉄心４が飽和しやすくなる。鉄心４が飽和すれば、トランスとしての機能を果たせなくなるため、従来では、鉄心４が飽和しないように大きくせざるを得なかった。

これに対して、第１の実施形態においては、二次巻線２及び三次巻線３を一次巻線１に隣接して上下に配置し、これら二次巻線２及び三次巻線３を、互いに上下対称となるように構成した。また、二次巻線２の巻き方向と三次巻線３の巻き方向とを、互いに逆向きにした。このため、第１の実施形態では二次巻線２の直流磁束と三次巻線３の直流磁束を逆向きにすることができ、鉄心４の飽和要因となる直流磁束を二次巻線２と三次巻線３でキャンセルすることが可能となる。

このような第１の実施形態においては、インピーダンスの観点から見て、一次巻線１に対して、二次巻線２及び三次巻線３を構造的に等しくすることができる。そのため、一次-二次間のインピーダンスと、一次-三次間のインピーダンスとは等しくなる。したがって、インピーダンスの不平衡が生じることがなく、インピーダンスの不平衡を補うために出力電圧の大きさをアームごとに変える必要がない。その結果、最も大きい出力電圧が基準となっていた従来と比べて、定格電圧を低減化することができる。このような第１の実施形態によれば、低コスト化及びコンパクト化の向上に寄与することが可能である。

また、第１の実施形態における回路方式では、直流循環電流の経路の中に、絶縁トランスとしての３相３巻線トランスＡを組み込んでいる。そのため、３相３巻線トランスＡの漏れインダクタンス成分によって直流循環電流が急増することを防ぐことができる。つまり、第１の実施形態においては、３相３巻線トランスＡの漏れインダクタンス成分を、リアクトルとして機能させることができる。したがって、他の機器に影響を及ぼさないレベルにまで高調波成分を確実に抑制することができる。

以上のような第１の実施形態では、単位ユニットＣを直列に多段接続した３相３巻線トランスＭＭＣに適用することができ、３相３巻線トランスＡによる漏れインピーダンスによる高調波成分を抑制可能であって、バッファリアクトル等の高コストで大型の部材を省略して、低コスト化及びコンパクト化をさらに進めることができる。

また、第１の実施形態では、３相３巻線トランスＡにおいて、二次巻線２及び三次巻線３がそれぞれデルタ結線構成となっており、二次巻線２と三次巻線３のそれぞれ同一相同士の各相巻線の中性点を、二次巻線２と三次巻線３とで互いに接続している。このため、意図せず出力される高調波電流の発生を、原理的に抑えることが可能である。

したがって、高調波電流が３相３巻線トランスＡの励磁電流となって系統電圧をひずませることがなく、高調波成分吸収用のフィルタなども不要である。このような第１の実施形態によれば、優れた信頼性を確保しつつ、低コスト化及びコンパクト化を確実に実現することができる。

［２］第２の実施形態
［構成］
第２の実施形態の構成について、図５を参照して具体的に説明する。第２の実施形態の基本的な構成は、上記の第１の実施形態と同じであり、同一部材に関しては同一符号を付している。

第２の実施形態では、図５に示すように、鉄心４側から順番に、二次巻線２、一次巻線１及び三次巻線３が同心円状に配置されている。このような巻線配置では、二次巻線２及び三次巻線３が一次巻線１を挟むようにして配置される。

［作用と効果］
上述したように、ＭＭＣに流した直流循環電流が二次巻線２及び三次巻線３に通ることで直流磁束が発生するが、二次巻線２の周囲には三次巻線３と鎖交しない二次巻線２による直流漏れ磁束が生じ、三次巻線３の周囲には二次巻線２と鎖交しない三次巻線３による直流漏れ磁束が生じる。前記第１の実施形態では、二次巻線２及び三次巻線３を上下に配置したことで直流漏れ磁束が鉄心４を集中的に通り、飽和し易い。

図６を用いて、第２の実施形態の効果を説明する。（ａ）が巻線２、３を上下に配置した場合、（ｂ）が巻線２、３を同心円に配置した場合である。図６の（ａ）に示すように、二次巻線２及び三次巻線３を上下に配置すると、巻線２、３の漏れ磁束は、鉄心４と、変圧器を収納する鉄製のタンク６を通る。そのため、二次巻線２及び三次巻線３の間の空隙の長さは、巻線２、３の幅方向となる。

これに対して、二次巻線２及び三次巻線３を同心円に配置した場合は、両者の空隙の長さは巻線２、３の高さ方向となる。通常、巻線２、３は幅寸法よりも高さ寸法の方が大きい。そのため、図６の（ｂ）に示すように、二次巻線２及び三次巻線３を同心円に配置した方が、二次巻線２及び三次巻線３を上下に配置した場合よりも、両者の空隙は長くなる。磁束と磁路長は反比例の関係にあるので、巻線２、３を同心円に配置した方が、磁束Φは小さくなる。

鉄と空気の場合の磁気回路について説明すると、その方程式は、次のようになる。
ＮＩ＝Φ×（ｈ１／μ１／Ｓ＋ｈ２／μ２／Ｓ）
上記の式において、ＮＩは起磁力、Φは磁束、Ｓは断面積、μ１は鉄部分の透磁率、μ２は空気部分の透磁率、ｈ１は鉄部分の磁路長、ｈ２は空気部分の磁路長である。空気部分の磁路長が二次巻線２と三次巻線３との間の空隙の長さを示す。

初めに、磁束と磁路長との関係について述べると、上記の式より、同じ起磁力であれば、磁束Φは磁路長ｈに反比例する。一方で、鉄と空気を考えると、透磁率は５０００倍違うので、鉄部分の磁路長ｈ１は無視することができる。したがって、断面積Ｓは一様と仮定すると、磁束は、空気部分の磁路長ｈ２つまり二次巻線２と三次巻線３との空隙の長さに反比例する。

二次巻線２及び三次巻線３を上下に配置した場合は、空気部分の磁路長ｈ２は短く、磁束Φは多い。そのため、二次巻線２の漏れ磁束と三次巻線３の漏れ磁束がそれぞれ鉄心４を通過する。したがって、漏れ磁束が通る鉄心４の場所も広範囲となり、飽和する場所が多くなる。

これに対して、第２の実施形態のように二次巻線２及び三次巻線３を同心円に配置した場合は、空気部分の磁路長ｈ２は長く、磁束Φは少ない。したがって、漏れ磁束は鉄心４に通り難くなって、飽和し難くなる。このような第２の実施形態によれば、鉄心４を小型化することができる。これにより、電力変換装置のコンパクト化に寄与することが可能である。

しかも、第２の実施形態では、二次巻線２及び三次巻線３で一次巻線１を巻くように構成したので、一次-二次間のインピーダンスと、一次-三次間のインピーダンスとは等しくなる。したがって、第１の実施形態と同じく、インピーダンスの不平衡が生じることがなく、インピーダンスの不平衡を補うために出力電圧の大きさをアームごとに変える必要がない。これにより、優れた信頼性を確保しつつ、低コスト化及びコンパクト化を確実に実現することができる。

［３］他の実施形態
上記の実施形態は、一例であって、発明の範囲を限定するものではなく、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

（１）第１の実施形態の変形例としては、次のような実施形態を含む。すなわち、二次巻線２及び三次巻線３は、鉄心４の軸方向を上下方向として互いに上下対称となるように構成するのであれば、巻き数や材料などは適宜選択可能である。例えば、図７に示すように、鉄心４に隣接して二次巻線２及び三次巻線３を配置し、鉄心４から見て二次巻線２及び三次巻線の外側に一次巻線１を配置してもよい。つまり、鉄心４と一次巻線１との間に、二次巻線２及び三次巻線を配置してもよい。この実施形態によれば、高圧側である一次巻線１と鉄心４との絶縁距離を大きく取ることができるため、信頼性がより向上する。

（２）図８に示すように、３相３巻線トランスＡにおいて二次巻線２及び三次巻線３をそれぞれスター結線で構成した場合、安定巻線５が必要となる。そこで図９に示した実施形態では、一次巻線１と鉄心４との間に安定巻線５が配置されている。この実施形態では、各相の安定巻線５をデルタ結線することで高調波を還流させることができる。そのため、高調波をより確実に抑制することができる。

（３）上記のデルタ結線構成を採用した３相３巻線トランスＭＭＣでは、二次巻線２及び三次巻線３をそれぞれ２分割し、１つの一次巻線１と合わせて合計５巻線から構成するようにしてもよい。例えば、図１０に示す実施形態では、二次巻線２及び三次巻線３を、鉄心４の半径方向に２分割して配置している。これらの巻線２、３は共に、鉄心４よりの内側巻線２ａ、３ａと、外側に位置する外側巻線２ｂ、３ｂとからなる。内側巻線２ａ及び外側巻線２ｂ、並びに内側巻線３ａ及び外側巻線３ｂは直列に接続されている。

二次巻線２では、図１０の（ａ）、（ｂ）共に、内側巻線２ａの下側端部が正側、外側巻線２ｂの上側端部が正側となっている。三次巻線３は、図１０の（ａ）と（ｂ）とで向きが異なっている。すなわち、図１０の（ａ）では、内側巻線３ａの上側端部が正側、外側巻線３ｂの下側端部が正側となっており、図１０の（ｂ）では、内側巻線３ａの下側端部が正側、外側巻線３ｂの上側端部が正側となっている。このような実施形態によれば、二次巻線２及び三次巻線３をそれぞれ２分割したことで、鉄心４の飽和を効率よく防止することができ、巻線２、３の損失を確実に抑制することが可能である。したがって、これらの実施形態では優れた放熱効果を発揮することができる。

（５）第２の実施形態の変形例としては、次のような実施形態を含む。すなわち、一次巻線１、二次巻線２及び三次巻線３を同心円状に配置する場合、その順番は適宜変更可能であり、第２の実施形態のように、二次巻線２及び三次巻線３で一次巻線１を巻くのではなく、鉄心４側から、一次巻線１、二次巻線２及び三次巻線３という順番で同心円状に配置してもよいし、反対に、鉄心４側から、三次巻線３、二次巻線２及び一次巻線１という順番で同心円状に配置してもよい。

（６）３相３巻線トランスＭＭＣにおいて、各単位アームに設置される単位ユニット数や、単位アーム数、巻線の分割数などは適宜変更可能である。また、本実施形態の電力変換装置は、同様の構成により、直流から交流への変換を行うこともできるし、反対に、交流から直流への変換を行うことも可能である。

１…一次巻線
２…二次巻線
３…三次巻線
４…鉄心
５…安定巻線
６…タンク
Ａ…３相３巻線トランス
Ｂ…直流電源
Ｃ…単位ユニット
Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐ…正側の単位アーム
Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎ…負側の単位アーム
２０…レグ
２１Ｕ、２１Ｘ…スイッチング素子
２２Ｕ、２２Ｘ…還流ダイオード
３０…コンデンサ

Claims (7)

1. 三相のそれぞれに対応するアームを備え、各アームには、
   直列に接続された複数のスイッチング素子と、前記直列に接続された複数のスイッチング素子に対して並列に接続されたコンデンサとを含む複数の変換器が互いに直列に接続され、第１端が正側直流端子に接続される正側アームと、
   直列に接続された複数のスイッチング素子と、前記直列に接続された複数のスイッチング素子に対して並列に接続されたコンデンサとを含む複数の変換器が互いに直列に接続され、第１端が負側直流端子に接続される負側アームと、が含まれ、
   さらに、三相交流に接続される一次巻線と、前記正側アームの第２端と前記負側アームの第２端との間に設けられる二次巻線と三次巻線と、を含む変換器用変圧器を備え、
   前記変換器用変圧器は、鉄心と、一次巻線と、前記一次巻線に隣接して配置された二次巻線及び三次巻線と、を備え、
   一次−二次間のインピーダンスと、一次−三次間のインピーダンスとを等しくさせるように、前記鉄心に対し前記一次巻線、前記二次巻線及び前記三次巻線を同心円状に順次配置し、
   前記変換器用変圧器を収納するタンクを備え、
   前記二次巻線及び前記三次巻線との間に空隙を設け、
   前記二次巻線から発生する直流成分の漏れ磁束が前記鉄心及び前記空隙を通り、前記三次巻線から発生する直流成分の漏れ磁束が前記タンク及び前記空隙を通るように、前記二次巻線及び前記三次巻線を配置した電力変換装置。
2. 前記二次巻線と前記三次巻線との間に前記一次巻線を配置した請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記二次巻線の巻き方向と前記三次巻線の巻き方向とを、互いに逆向きに構成した請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記二次巻線及び前記三次巻線をそれぞれスター結線構成とし、且つ前記二次巻線及び前記三次巻線の中性点同士を互いに接続した請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記鉄心に隣接して安定巻線を配置した請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記二次巻線及び前記三次巻線をそれぞれデルタ結線構成とし、且つ前記二次巻線及び前記三次巻線のそれぞれ同一相同士の各相巻線の中性点を互いに接続した請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
7. 前記二次巻線及び前記三次巻線は、前記鉄心の半径方向に複数の分割して配置した請求項６に記載の電力変換装置。

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