JP2013162658A - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device that is reliable, small, light, and of low cost, and does not require a complicated phase-shifting transformer, and is also capable of regenerative operation while suppressing increase in the number of transformers.SOLUTION: A power conversion device comprises: transformers 201-203 each of which comprises a primary winding connected with input terminals R, S, T and a secondary winding which is comprised of a plurality of mutually insulated single-phase open windings; converter cells 30U1-30W3 each of which comprises a switching element SW, and its input end is connected with each single-phase open winding, and thereby connected in parallel with the input terminal of each phase via the transformer, and its output end is connected in series with the output terminal of each phase, and each of which comprises a converter for performing three level or more voltage conversion and an inverter, and performs single-phase alternating current/single-phase alternating current conversion; and control means 601 for controlling on/off of the switching element SW.

Description

本発明は、交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、例えば、モータを可変速に駆動する装置に適用されるものに関する。   The present invention relates to a power conversion device that converts AC power into AC power, for example, to a device that is applied to a device that drives a motor at a variable speed.

図17に、従来の第1の電力変換装置の回路構成の一例を示す。図17の電力変換装置は、出力端子に接続されたモータへの高圧の出力電圧を得る目的で、各交流端子が直列に接続された複数台の単相変換器を有する。これら複数台の単相変換器に電力を供給する目的で、複数の巻線を有する変圧器と複数台のダイオード整流器によって、互いに絶縁された複数の直流電源を生成し、前記単相変換器の直流部に各々接続される。また、入力側の高調波電流を抑制する目的で、前記変圧器は、互いに位相をずらした複数の巻線3〜11を備えた変圧器(移相変圧器)になっている(例えば、特許文献1参照)。   FIG. 17 shows an example of a circuit configuration of a conventional first power converter. The power conversion device of FIG. 17 has a plurality of single-phase converters in which each AC terminal is connected in series for the purpose of obtaining a high-voltage output voltage to the motor connected to the output terminal. For the purpose of supplying power to the plurality of single-phase converters, a plurality of DC power supplies that are insulated from each other are generated by a transformer having a plurality of windings and a plurality of diode rectifiers, and Each is connected to a DC part. Moreover, in order to suppress the harmonic current on the input side, the transformer is a transformer (phase-shifting transformer) including a plurality of windings 3 to 11 whose phases are shifted from each other (for example, patents). Reference 1).

一方、図18に、従来の第2の電力変換装置の回路構成の一例を示す。図18の電力変換装置は、共通の直流電圧をもつ複数台の三相変換器と三相変圧器を用いて多重化し、変圧器の2次巻線をオープン巻線として直列に接続した回路構成である(例えば、特許文献2参照)。   On the other hand, FIG. 18 shows an example of a circuit configuration of a conventional second power converter. 18 is a circuit configuration in which a plurality of three-phase converters having a common DC voltage and a three-phase transformer are multiplexed and the secondary winding of the transformer is connected in series as an open winding. (For example, see Patent Document 2).

更に、図19に、従来の第3の電力変換装置の回路構成の一例を示す。図19の電力変換装置は、単相変圧器の1次側を他の単相変圧器と多直列に接続して、その先を入力端子に接続し、前記単相変圧器の2次側巻線には、各々、図20のような2レベルの電圧出力が可能なレグから構成された単相フルブリッジのコンバータ/インバータを有する変換器セルを接続する。インバータの交流端子は他のインバータの交流端子と多直列に接続される(例えば、特許文献3参照)。   Furthermore, FIG. 19 shows an example of a circuit configuration of a conventional third power converter. In the power conversion device of FIG. 19, the primary side of a single-phase transformer is connected in series with other single-phase transformers, and the tip of the single-phase transformer is connected to an input terminal. Each line is connected to a converter cell having a single-phase full-bridge converter / inverter composed of legs capable of two-level voltage output as shown in FIG. The AC terminal of the inverter is connected in multiple series with the AC terminal of the other inverter (see, for example, Patent Document 3).

米国特許第5,625,545号公報(図1)US Pat. No. 5,625,545 (FIG. 1) 特許第3019655号公報(図1)Japanese Patent No. 3019655 (FIG. 1) 特開2009−106081号公報(図1、図2)JP 2009-106081 A (FIGS. 1 and 2)

図17の第1の電力変換装置においては、入力側の高調波電流を抑制する目的で、互いに位相をずらした複数の巻線を備えた変圧器(移相変圧器)が必要となる。この種の変圧器は、構造が複雑であるが故に、大型、高コストという課題が存在する。また、ダイオード整流器により電力フローが一方向に制限されるという短所もある。   In the first power conversion device of FIG. 17, a transformer (phase-shifting transformer) including a plurality of windings whose phases are shifted from each other is required for the purpose of suppressing the harmonic current on the input side. This type of transformer has a problem of large size and high cost because of its complicated structure. Another disadvantage is that the diode rectifier limits the power flow in one direction.

また、図18の第2の電力変換装置においては、出力側に変圧器を用いているが故に、出力側にモータなどの電圧変化が要求される負荷が接続される場合には、変圧器の磁気飽和を懸念して運転が制限されることが想定される。具体的には、低周波数の電圧を出力できないことが考えられる。また、共通の直流電源を生成するには、ダイオード整流器やスイッチング素子を使用した自励式コンバータなどの構成が検討されるが、高圧電源から直流電源を生成する場合には、追加の変圧器、特に高調波を低減する目的では移相変圧器が必要になるなどの課題が想定される。   Further, in the second power conversion device of FIG. 18, since a transformer is used on the output side, when a load such as a motor that requires voltage change is connected to the output side, It is assumed that driving is restricted due to concerns about magnetic saturation. Specifically, it is conceivable that a low frequency voltage cannot be output. In addition, in order to generate a common DC power source, a configuration such as a self-excited converter using a diode rectifier or a switching element is considered, but when generating a DC power source from a high-voltage power source, an additional transformer, particularly For the purpose of reducing harmonics, problems such as the need for a phase-shifting transformer are assumed.

更に、図19の第3の電力変換装置においては、自励式のコンバータを用いるので、双方向の電力フローが可能であるが、単相変圧器を用いているので、変圧器の台数が多くなる。また、単相変圧器を直接直列に接続しているため、コンバータが電圧を出力していない場合は、変圧器の1次側電圧が適切に分圧されない可能性がある。特許文献3には、単相変圧器の代わりに5脚鉄心の三相変圧器を使用するとの記載もある。
但し、5脚鉄心を用いたとしても、巻線を施さない4脚目および5脚目の鉄心断面積は有限であるので、磁気飽和を考慮しない制御を行うと、磁気飽和を生じることが懸念される。磁気飽和を防止しながら、入力電流や出力電圧、各変換器セルの直流母線電圧を制御する手段が公知ではないため、信頼性が懸念される。更には、変換器セルに2レベルの電圧出力が可能なレグを用いているため、1セルあたりの出力電圧が小さく、変換器セルの台数や変圧器の台数が多くなるという欠点もある。
Further, in the third power conversion device of FIG. 19, since a self-excited converter is used, bidirectional power flow is possible, but since a single-phase transformer is used, the number of transformers increases. . In addition, since the single-phase transformers are directly connected in series, the primary voltage of the transformer may not be properly divided when the converter does not output voltage. Patent Document 3 also describes that a five-leg iron core three-phase transformer is used instead of a single-phase transformer.
However, even if a five-legged iron core is used, the cross-sectional areas of the fourth and fifth legs that are not wound are finite, so there is a concern that magnetic saturation may occur if control is performed without considering magnetic saturation. Is done. Since means for controlling the input current, the output voltage, and the DC bus voltage of each converter cell while preventing magnetic saturation is not known, reliability is a concern. Furthermore, since a leg capable of two-level voltage output is used for the converter cell, the output voltage per cell is small, and there is a disadvantage that the number of converter cells and the number of transformers increase.

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、構造が複雑な移相変圧器を必要とすることなく、変圧器台数の増加を抑制しながら、回生動作も可能で、信頼性が高い、小型、軽量、低コストの電力変換装置を得ることを目的とする。   The present invention was made to solve the above problems, and without requiring a phase-shifting transformer with a complicated structure, regenerative operation is possible while suppressing an increase in the number of transformers, An object is to obtain a power converter with high reliability, small size, light weight, and low cost.

本発明に係る電力変換装置は、多相交流の入力端子と多相交流の出力端子との間で電力変換を行う電力変換装置であって、入力端子に接続された1次巻線と複数の互いに絶縁された単相オープン巻線からなる2次巻線とを備えた変圧器と、スイッチング素子を備え入力端が各単相オープン巻線に接続され出力端が互いに直列にして各相の出力端子に接続され単相交流/単相交流の変換を行う複数の変換器セルと、スイッチング素子のオン/オフを制御する制御手段とを備え、前記各変換器セルは、入力端からの単相交流電圧を3レベル以上の直流電圧に変換してキャパシタ直列体に出力するコンバータと、キャパシタ直列体からの直流電圧を単相交流電圧に変換して出力端に出力するインバータとを備えたものである。   A power conversion device according to the present invention is a power conversion device that performs power conversion between a multiphase AC input terminal and a polyphase AC output terminal, and includes a primary winding connected to the input terminal and a plurality of A transformer having a secondary winding composed of a single-phase open winding insulated from each other, and a switching element, an input end connected to each single-phase open winding, and an output end in series with each other to output each phase A plurality of converter cells connected to the terminal and performing conversion of single-phase alternating current / single-phase alternating current, and control means for controlling on / off of the switching element, each of the converter cells being single-phase from the input end A converter that converts an AC voltage into a DC voltage of three or more levels and outputs it to a capacitor series body, and an inverter that converts the DC voltage from the capacitor series body into a single-phase AC voltage and outputs it to the output terminal. is there.

以上のように、本発明に係る電力変換装置は、変圧器が、1次巻線と単相オープン巻線の2次巻線とからなる巻線数の少ない簡便軽量な構造のものでかつ少ない台数で済み、変換器セルは、3レベル以上の電圧変換を行うコンバータとインバータとで構成され、電圧波形の改善と高電圧仕様が可能となるので、高調波成分の発生が抑制されるとともに必要な台数を低減でき、小型、軽量、低コストの電力変換装置を実現することができる。   As described above, the power conversion device according to the present invention has a simple and light-weight structure with a small number of windings including a primary winding and a secondary winding of a single-phase open winding. The converter cell is composed of a converter and an inverter that perform voltage conversion at three or more levels, and the voltage waveform can be improved and high-voltage specifications are possible. Therefore, it is possible to reduce the number of units, and to realize a power conversion device that is small, lightweight, and low in cost.

本発明の実施の形態1における電力変換装置の主回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the main circuit structure of the power converter device in Embodiment 1 of this invention. 図1の変圧器201〜203の巻線構成を示す図である。It is a figure which shows the coil | winding structure of the transformers 201-203 of FIG. 図1の変換器セル30U1〜30W3の主回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the main circuit structure of the converter cells 30U1-30W3 of FIG. 図1の制御手段601の内部構成を説明する図である。It is a figure explaining the internal structure of the control means 601 of FIG. 図4の入力電流制御手段610を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an input current control unit 610 in FIG. 4. 図4の出力電圧制御手段620を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing output voltage control means 620 in FIG. 4. 図4の平均電圧制御手段631を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the average voltage control means 631 of FIG. 図4の相間バランス制御手段632を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the interphase balance control means 632 of FIG. 図4の相内バランス制御手段633を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the intra-phase balance control means 633 of FIG. 図4のセル内バランス制御手段634を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the balance control means 634 in a cell of FIG. 図4の変調手段640を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the modulation means 640 of FIG. コンバータ側の変調手段であるPWM制御器801の動作を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining operation | movement of the PWM controller 801 which is a modulation means by the side of a converter. インバータ側の変調手段であるPWM制御器802の動作を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining operation | movement of the PWM controller 802 which is a modulation means by the side of an inverter. PWM制御器801、802における三角波キャリアの位相関係を説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining a phase relationship of triangular wave carriers in PWM controllers 801 and 802. 本発明の実施の形態2における電力変換装置の主回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the main circuit structure of the power converter device in Embodiment 2 of this invention. 図15の変圧器211の巻線構成を示す図である。It is a figure which shows the coil | winding structure of the transformer 211 of FIG. 従来の第1の電力変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the conventional 1st power converter device. 従来の第2の電力変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the 2nd conventional power converter device. 従来の第3の電力変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the conventional 3rd power converter device. 図19の変換器セルを示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram showing the converter cell of FIG. 19.

実施の形態1.
図1に、本発明の実施の形態1における電力変換装置の主回路構成の一例を示す。図1は、電力変換装置の入力端子R、S、Tに三相の電圧源101を接続し、出力端子U、V、Wに三相のモータ401を接続した例を示している。即ち、図1はモータ駆動装置として本発明を適用した例を示している。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows an example of a main circuit configuration of the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 shows an example in which a three-phase voltage source 101 is connected to input terminals R, S, and T of a power converter, and a three-phase motor 401 is connected to output terminals U, V, and W. That is, FIG. 1 shows an example in which the present invention is applied as a motor drive device.

本発明の実施の形態1における電力変換装置の主回路は、変圧器20n(n=1,2,3,・・・)と、変換器セル30Xn(X=U,V,W、・・・、n=1,2,3,・・・)で構成される。即ち、本発明では、入力端子、出力端子に印加される多相交流は三相に限られない。例えば、二相/二相の変圧器3台と変換器セル6台を備え、入力端子からの交流二相を交流三相に変換して出力端子から出力するものにも本願発明は適用可能である。また、変換器セルの直列数nも3に限られないが、この実施の形態1の図1の例では、電圧源101、モータ401は共に交流三相で、3台の変圧器201、202、203と、1相あたり3台、合計9台の変換器セル30U1、30U2、30U3、30V1、30V2、30V3、30W1、30W2、30W3を使用しているもので以下説明するものとする。また、電力変換装置内のスイッチング素子のオン/オフを制御する制御手段601を備える。   The main circuit of the power conversion device according to the first embodiment of the present invention includes a transformer 20n (n = 1, 2, 3,...) And a converter cell 30Xn (X = U, V, W,...). , N = 1, 2, 3,... That is, in the present invention, the polyphase alternating current applied to the input terminal and the output terminal is not limited to three phases. For example, the present invention can also be applied to an apparatus that includes three two-phase / two-phase transformers and six converter cells, converts AC two-phase from the input terminal into AC three-phase, and outputs from the output terminal. is there. Further, the number n of converter cells in series is not limited to 3, but in the example of FIG. 1 of the first embodiment, the voltage source 101 and the motor 401 are both AC three-phase, and three transformers 201 and 202 are used. 203, three units per phase, a total of nine converter cells 30U1, 30U2, 30U3, 30V1, 30V2, 30V3, 30W1, 30W2, and 30W3, which will be described below. Moreover, the control means 601 which controls ON / OFF of the switching element in a power converter device is provided.

図2(a)(b)に、変圧器20nの巻線構成の一例を示す。1次巻線は、三相のスター結線(Y結線)の巻線構造となっており、各端子は電力変換装置の入力端子R、S、Tに接続される。なお、1次巻線は、デルタ結線(Δ結線)を使用しても良いが、2次巻線に印加される電圧の総和が零でない場合は、デルタ結線内に循環電流が流れ、損失が増大する。よって、1次巻線はスター結線である方が望ましい。   2A and 2B show an example of the winding configuration of the transformer 20n. The primary winding has a three-phase star connection (Y connection) winding structure, and each terminal is connected to input terminals R, S, and T of the power converter. The primary winding may use a delta connection (Δ connection). However, if the sum of the voltages applied to the secondary winding is not zero, a circulating current flows in the delta connection and the loss is reduced. Increase. Therefore, the primary winding is preferably a star connection.

2次巻線は、複数の互いに絶縁された単相オープン巻線となっている。1次側の端子R、S、Tとスター結線の中性点Nとの間の電圧、即ち、R−N間、S−N間、T−N間の電圧に対応して、2次巻線には巻数比に依存した電圧がRs−Na間、Ss−Nb間、Ts−Nc間に生成される。2次巻線はオープン巻線のため、1つの2次巻線につき1つの絶縁された電圧源が生成されることになる。そのため、従来の図17の回路のように、1つの絶縁された電圧源を生成する目的で3つ以上の2次巻線を必要とすることがない。   The secondary winding is a plurality of mutually isolated single-phase open windings. The secondary winding corresponds to the voltage between the terminals R, S, T on the primary side and the neutral point N of the star connection, that is, the voltage between RN, S-N, and TN. Voltages depending on the turns ratio are generated in the wire between Rs-Na, Ss-Nb, and Ts-Nc. Since the secondary winding is an open winding, one isolated voltage source is generated for each secondary winding. Thus, unlike the conventional circuit of FIG. 17, three or more secondary windings are not required for the purpose of generating one isolated voltage source.

なお、1次巻線と2次巻線の合計の漏れインダクタンスは、後述する入力電流制御手段610を実現する目的で、5%以上の%インピーダンスに設計されることが望ましい。
即ち、%インピーダンスは電流の制御性を決定する重要な要素となる。主に電流の制御性は、%インピーダンス(変換器セルの出力側のインダクタンス成分)と、スイッチング周波数(制御できる周期)と関係し、両方とも大きい方が制御性が高い。一般的に、ターゲットとする電圧階級・容量帯(6.6kV、1MVAなど)を考えるとスイッチング周波数がある程度制限されるので、%インピーダンスとしては、5%〜10%程度が妥当である。
Note that the total leakage inductance of the primary winding and the secondary winding is preferably designed to have a% impedance of 5% or more for the purpose of realizing the input current control means 610 described later.
That is, the% impedance is an important factor that determines the controllability of the current. Mainly, the controllability of the current is related to the% impedance (inductance component on the output side of the converter cell) and the switching frequency (controllable period), and the larger the both, the higher the controllability. In general, considering the target voltage class / capacity band (6.6 kV, 1 MVA, etc.), the switching frequency is limited to some extent. Therefore, it is appropriate that the% impedance is about 5% to 10%.

また、変圧器の鉄心には3脚以上の鉄心が用いられる。3脚鉄心の脚の各々に巻線を巻回した場合、各巻線の合計電圧が零でない場合は、磁気飽和を起こす恐れがある。そのため、4脚か5脚鉄心を用いることが望ましい。但し、追加する脚(4脚目や5脚目)の有効断面積は有限であるため、後述する制御手段601において磁気飽和を起こさないように考慮する制御が必要である。   Moreover, the iron core of a 3 or more leg is used for the iron core of a transformer. When a winding is wound around each of the legs of the three-legged iron core, if the total voltage of each winding is not zero, magnetic saturation may occur. Therefore, it is desirable to use a 4-legged or 5-legged iron core. However, since the effective cross-sectional area of the added leg (fourth leg or fifth leg) is finite, it is necessary to control the control means 601 described later so as not to cause magnetic saturation.

図3(a)(b)に、変換器セル30Xnの主回路構成を示す。変換器セル30Xnは、3レベル以上の電圧出力が可能なレグを有する単相フルブリッジのコンバータとインバータとを有し、単相交流/単相交流の変換を行う。コンバータとインバータの直流端子は背中合わせにしてキャパシタ直列体CPCNに接続される。例として、図3は、スイッチング素子SWとそれに逆並列に接続される還流ダイオードFDとからなるアームを4直列に接続し、クランプダイオードCDによって中性点に接続される、ダイオードクランプ形3レベル変換器の回路を基本としている。   3A and 3B show the main circuit configuration of the converter cell 30Xn. The converter cell 30Xn includes a single-phase full-bridge converter and an inverter having a leg capable of outputting a voltage of three or more levels, and performs single-phase AC / single-phase AC conversion. The DC terminals of the converter and the inverter are connected back to back to the capacitor series body CPCN. As an example, FIG. 3 shows a diode-clamped three-level conversion in which four arms comprising a switching element SW and a free-wheeling diode FD connected in antiparallel thereto are connected in series and connected to a neutral point by a clamp diode CD. It is based on the circuit of the vessel.

そのダイオードクランプ形3レベル変換器は4つのレグを使用する。4つのレグの内、2つのレグは、コンバータとして動作する。
変換器セルの入力端である、コンバータの交流端子IN1およびIN2は、変圧器201の2次側の1つの巻線、例えば、図2の単相オープン巻線の両端Rs、Naに接続される。従って、変換器セルの入力端は、変圧器を介して各相の入力端子に対して互いに並列に接続されることになる。
The diode-clamped three-level converter uses four legs. Of the four legs, two legs operate as converters.
The converter AC terminals IN1 and IN2, which are the input terminals of the converter cell, are connected to one winding on the secondary side of the transformer 201, for example, both ends Rs and Na of the single-phase open winding in FIG. . Therefore, the input ends of the converter cells are connected in parallel to the input terminals of the respective phases via the transformer.

他の2つのレグは、インバータとして動作する。変換器セルの出力端である、インバータの出力端子OUT1およびOUT2は、他の変換器セルの出力端子と直列に接続されスター結線されて電力変換装置の出力端子U、V、Wに接続される。従って、変換器セルの出力端は、各相の出力端子に対して、互いに直列に接続されることになる。
そして、この互いに直列に接続される変換器セルの出力端が接続される出力端子の相と当該変換器セルの入力端が接続される入力端子の相が同一の相となる。
The other two legs operate as inverters. The output terminals OUT1 and OUT2 of the inverter, which are the output terminals of the converter cell, are connected in series with the output terminals of the other converter cells and star-connected to the output terminals U, V, and W of the power converter. . Therefore, the output terminals of the converter cells are connected in series to the output terminals of the respective phases.
The phase of the output terminal to which the output ends of the converter cells connected in series with each other are connected and the phase of the input terminal to which the input ends of the converter cells are connected are the same phase.

レグの両端には正極側キャパシタCPと負極側キャパシタCNとの直列体が接続される。以下では、このキャパシタ直列体CPCNの両端に印加される電圧を直流母線電圧、正極側キャパシタCPに印加される電圧を正極側直流母線電圧、負極側キャパシタCNに印加される電圧を負極側直流母線電圧と定義する。   A series body of a positive capacitor CP and a negative capacitor CN is connected to both ends of the leg. In the following, the voltage applied to both ends of this capacitor series CPCN is the DC bus voltage, the voltage applied to the positive capacitor CP is the positive DC bus voltage, and the voltage applied to the negative capacitor CN is the negative DC bus. Defined as voltage.

以上のように、本発明の電力変換装置における回路構成上の利点は、自励式変換器を使用しているので、コンバータ側のスイッチング素子のオン/オフを制御して、入力側の高調波電流を抑制できるため、構造が複雑、大型、高コストとなる移相変圧器が不要であること、変圧器の2次巻線に単相オープン巻線を使用しているため、少ない巻線数で多くの互いに絶縁された電圧源を確保できること、変換器セルに3レベルの電圧出力が可能なレグを用いて高電圧化を図れるため、セル数を削減でき、更に、変圧器の2次巻線の数も少なくできること、などがある。   As described above, the advantage of the circuit configuration in the power conversion device of the present invention is that the self-excited converter is used, so the on / off state of the switching element on the converter side is controlled, and the harmonic current on the input side is controlled. Therefore, it is possible to reduce the number of windings because the structure is complicated, large and expensive, and no phase-shifting transformer is required, and the transformer secondary winding uses a single-phase open winding. A large number of mutually isolated voltage sources can be secured, and the number of cells can be reduced by using a leg that can output three levels of voltage to the converter cell, and the secondary winding of the transformer can be reduced. The number of can be reduced.

特に、3レベルの電圧出力が可能なレグを用いることにより、2レベルの電圧出力が可能なレグを用いた場合と比較して、変換器セル数を半分に低減できるというメリットがある。変換器セル数が半分ということは、必要な絶縁電源の数が半分になるため、変圧器の巻線の数も半分に低減できる。更に、3レベルの電圧出力が可能なレグを用いることで、出力される電圧、あるいは電流の高調波成分も低減される。この高調波成分の低減は、本発明の回路構成に更なる利点をもたらす。それは、変圧器に印加される高調波電圧、流れる高調波電流が低減されることにより、変圧器の損失が低減される点にある。それ故に、変圧器をさらに軽量化、小型化でき、省エネルギー化にも寄与する。   In particular, there is an advantage that the number of converter cells can be reduced by half by using a leg that can output a three-level voltage compared to a case that uses a leg that can output a two-level voltage. The fact that the number of converter cells is halved reduces the number of transformer windings by half because the number of necessary isolated power supplies is halved. Furthermore, by using a leg capable of outputting three levels of voltage, the output voltage or harmonic components of the current can be reduced. This reduction of harmonic components provides further advantages to the circuit configuration of the present invention. That is, the loss of the transformer is reduced by reducing the harmonic voltage applied to the transformer and the flowing harmonic current. Therefore, the transformer can be further reduced in weight and size, contributing to energy saving.

また、近年、3レベルの電圧出力が可能なレグ、即ち、4つのスイッチング素子SW、還流ダイオードFDおよび2つのクランプダイオードCDからなるレグを含む一群の半導体素子を1つのモジュールに収納したものが出現してきており、3レベルの電圧出力が可能なレグとなっても、1つの変換器セルは、2レベルのそれと大差ないサイズとなる。即ち、変換器セルの数が減少した分だけ、変換器セル全体の体積、重量、コストを低減することができる。   In recent years, legs that can output three levels of voltage, that is, a group of semiconductor elements including legs composed of four switching elements SW, a freewheeling diode FD, and two clamp diodes CD, have been housed in one module. Therefore, even if the leg is capable of outputting three levels of voltage, one converter cell has a size not much different from that of two levels. That is, the volume, weight, and cost of the entire converter cell can be reduced by the amount of the converter cell that is reduced.

次に、制御手段601について説明する。制御手段601は、入力端子に流れる電流を理想的な正弦波電流に近づけること(高調波を低減すること)、モータ401を所望の回転数あるいはトルクに制御すること、直流母線電圧を適正な値に制御し半導体素子の過電圧破壊を防止すること、の3点が主目的であり、電力変換装置の入力端子を流れる電流、あるいは変換器セルを流れる電流、電力変換装置の入力端子の電圧、変換器セルの直流母線電圧(正極側直流母線電圧、負極側直流母線電圧、両者の合計電圧の3つの電圧)などのセンサ検出値502(図2参照)を用いて、最終的には変換器セルのスイッチング素子のオン/オフを制御する制御信号501を導出する。   Next, the control means 601 will be described. The control means 601 makes the current flowing through the input terminal close to an ideal sine wave current (reducing harmonics), controls the motor 401 to a desired rotational speed or torque, and sets the DC bus voltage to an appropriate value. The main purpose is to prevent overvoltage breakdown of the semiconductor element by controlling the current to the current, the current flowing through the input terminal of the power converter, or the current flowing through the converter cell, the voltage at the input terminal of the power converter, and the conversion Using the sensor detection value 502 (see FIG. 2) such as the DC bus voltage (positive side DC bus voltage, negative side DC bus voltage, and the total voltage of both) of the detector cell, the converter cell is finally used. A control signal 501 for controlling on / off of the switching element is derived.

制御手段601の内部構成を図4に示す。制御手段601は、入力電流制御手段610、出力電圧制御手段620、母線電圧制御手段630、変調手段640の4つに大別され、更に、母線電圧制御手段630は、平均電圧制御手段631、相間バランス制御手段632、相内バランス制御手段633、セル内バランス制御手段634の4つが含まれる。   The internal configuration of the control means 601 is shown in FIG. The control means 601 is roughly divided into four parts: an input current control means 610, an output voltage control means 620, a bus voltage control means 630, and a modulation means 640. Furthermore, the bus voltage control means 630 is composed of an average voltage control means 631 and an interphase. The balance control means 632, the in-phase balance control means 633, and the in-cell balance control means 634 are included.

入力電流制御手段610は、コンバータ側の制御に反映され、出力電圧制御手段620は、インバータ側の制御に反映され、母線電圧制御手段630の内、平均電圧制御手段631は、コンバータ側の制御に反映され、相間バランス制御手段632は、インバータ側の制御に反映され、相内バランス制御手段633は、インバータ側の制御に反映され、セル内バランス制御手段634は、コンバータ側およびインバータ側の両方の制御、もしくはいずれか一方の制御に反映される。変調手段640は、最終的にコンバータ側およびインバータ側のスイッチング素子の制御に反映される。   The input current control means 610 is reflected in the control on the converter side, the output voltage control means 620 is reflected in the control on the inverter side, and the average voltage control means 631 in the bus voltage control means 630 is controlled in the control on the converter side. The interphase balance control means 632 is reflected in the inverter side control, the in-phase balance control means 633 is reflected in the inverter side control, and the in-cell balance control means 634 is applied to both the converter side and the inverter side. It is reflected in control or either control. Modulation means 640 is finally reflected in the control of the switching elements on the converter side and the inverter side.

制御手段601の詳細な説明の前に、各変数について定義する。先ず、入力端子の電圧(電源電圧)をVr、Vs、Vtとし、入力端子に流れる電流をIr、Is、Itとする。変圧器の2次側に流れる電流をIRsn、ISsn、ITsnとする。なお、nは、変圧器201、202、203の順に対応して、n=1、2、3とする。変換器セル30Xnの直流母線電圧をVdcXnとする。Xは、U、V、Wのいずれか、nは1、2、3のいずれかである。   Prior to detailed description of the control means 601, each variable is defined. First, the voltage (power supply voltage) of the input terminal is Vr, Vs, Vt, and the current flowing through the input terminal is Ir, Is, It. The currents that flow on the secondary side of the transformer are IRsn, ISsn, and ITsn. Note that n is 1, 2, 3, corresponding to the order of the transformers 201, 202, 203. The DC bus voltage of the converter cell 30Xn is assumed to be VdcXn. X is any one of U, V, and W, and n is any one of 1, 2, and 3.

また、変換器セル30Xnのコンバータ側の電圧指令値をVCXn*とし、図3(b)に矢印を付して示すように、その内、正極側のスイッチング素子への電圧指令値をVCXnP*、負極側のスイッチング素子への電圧指令値をVCXnN*とする。同様に、インバータ側の電圧指令値をVIXn*とし、その内、正極側のスイッチング素子への電圧指令値をVIXnP*、負極側のスイッチング素子への電圧指令値をVIXnN*とする。   Further, the voltage command value on the converter side of the converter cell 30Xn is set to VCXn *, and as shown by an arrow in FIG. 3B, the voltage command value to the positive side switching element is set to VCXnP *, The voltage command value to the switching element on the negative electrode side is set to VCXnN *. Similarly, the voltage command value on the inverter side is VIXn *, of which the voltage command value for the positive switching element is VIXnP * and the voltage command value for the negative switching element is VIXnN *.

入力電流制御手段610の一例を示した制御ブロック図を図5に示す。入力電流制御手段610の主目的は、入力端子R、S、T、あるいは変圧器の2次側に流れる電流IRsn、ISsn、ITsnを電流指令値に追従させることである。入力電流制御手段610は、1台の変圧器に接続されている3台の変換器セルを1セットとし、他のセットとは独立に制御を行う。   A control block diagram showing an example of the input current control means 610 is shown in FIG. The main purpose of the input current control means 610 is to make the current IRsn, ISsn, ITsn flowing through the input terminals R, S, T, or the secondary side of the transformer follow the current command value. The input current control means 610 sets three converter cells connected to one transformer as one set, and performs control independently of the other sets.

先ず、変換器セルの入力電流IRsn、ISsn、ITsnを検出する。それらに電源位相θを用いてdq変換を施し、d軸電流Idnとq軸電流Iqnを導出する。なお、電源位相θおよびdq変換により、電源電圧が三相平衡時にd軸電流が無効電流(無効電力)に相当し、q軸電流が有効電流(有効電力)に相当する場合を想定して、以下を説明する。得られたIdn、Idqと、それぞれの電流指令値Idn*、Iqn*との偏差を計算し、制御器Gc(s)に与える。制御器Gc(s)には、PI制御などが適用可能である。ここで、Idn*は、無効電流に相当する指令値であるので、力率が略1となるように、Idn*=0とし、Iqn*は、有効電流に相当するので、後述する平均電圧制御手段631によって導出する。   First, input currents IRsn, ISsn, and ITsn of the converter cell are detected. These are subjected to dq conversion using the power supply phase θ to derive a d-axis current Idn and a q-axis current Iqn. Assuming a case where the d-axis current corresponds to the reactive current (reactive power) and the q-axis current corresponds to the active current (active power) when the power supply voltage is three-phase balanced by the power supply phase θ and dq conversion, The following will be described. Deviations between the obtained Idn and Idq and the respective current command values Idn * and Iqn * are calculated and given to the controller Gc (s). PI control or the like is applicable to the controller Gc (s). Here, since Idn * is a command value corresponding to the reactive current, Idn * = 0 is set so that the power factor becomes approximately 1, and Iqn * corresponds to the effective current. Derived by means 631.

制御器Gc(s)の出力に、フィードフォワード量として電源電圧のd軸電圧Vdsとq軸電圧Vqsを考慮する。なお、VdsおよびVqsは、電源電圧Vr、Vs、Vtにdq変換を施し、変圧器の巻数比TRを乗じたものである。その後、逆dq変換を施し、変換器セルのコンバータ側の電圧指令値VCUn*、VCVn*、VCWn*を得る。なお、コンバータ側には変圧器が接続されるため、磁気飽和を防止する目的で零相電圧を出力しないようにする必要がある。あるいは、IRsn、ISsn、ITsnの総和により導出される零相電流を零にするように制御し、磁気飽和を防止してもよい。   A d-axis voltage Vds and a q-axis voltage Vqs of the power supply voltage are considered as feedforward amounts in the output of the controller Gc (s). Note that Vds and Vqs are obtained by performing dq conversion on the power supply voltages Vr, Vs, and Vt and multiplying by the turns ratio TR of the transformer. Thereafter, inverse dq conversion is performed to obtain voltage command values VCUn *, VCVn *, VCWn * on the converter side of the converter cell. Since a transformer is connected to the converter side, it is necessary not to output a zero-phase voltage for the purpose of preventing magnetic saturation. Alternatively, magnetic saturation may be prevented by controlling the zero-phase current derived from the sum of IRsn, ISsn, and ITsn to be zero.

上記は一例であり、d軸、q軸の電流を干渉しないように非干渉電流制御などの公知な手法を組み込むことも可能である。また、dq変換ではなくPQ変換を用いて、より厳格に有効電力Pと無効電力Qとを区別して制御することも可能である。   The above is an example, and it is possible to incorporate a known technique such as non-interference current control so as not to interfere with the d-axis and q-axis currents. Also, it is possible to control the active power P and the reactive power Q more strictly by using PQ conversion instead of dq conversion.

次に、出力電圧制御手段620の一例を示した制御ブロック図を図6に示す。図6では、公知のモータ制御技術(例えば、V/f一定制御や、ベクトル制御、ダイレクトトルク制御など)を用いて、各相のインバータ側の合計電圧指令値VIU*、VIV*、VIW*を得る。更に、これらの電圧指令値に3倍の出力周波数の零相電圧成分Vz*を加算して電圧利用率を向上させる。
この方式自体は公知であるので、詳細は省略するが、インバータ側の各相の波高値の部分の振幅が小さくなるように共通の零相電圧Vz*を加算する方式である。この加算で電圧波形に歪みが生じるが、歪み波形の原因は零相電圧であるので、3相3線で負荷に供給される場合、負荷にはこの歪み波形を取り除いた綺麗な正弦波のみが電圧として供給される。
Next, a control block diagram showing an example of the output voltage control means 620 is shown in FIG. In FIG. 6, the total voltage command values VIU *, VIV *, and VIW * on the inverter side of each phase are obtained by using a known motor control technique (for example, V / f constant control, vector control, direct torque control, etc.). obtain. Furthermore, the voltage utilization factor is improved by adding a zero-phase voltage component Vz * having an output frequency of three times to these voltage command values.
Since this method itself is known, the details are omitted, but a common zero-phase voltage Vz * is added so that the amplitude of the peak value portion of each phase on the inverter side becomes small. This addition causes distortion in the voltage waveform, but the cause of the distortion waveform is the zero-phase voltage, so when it is supplied to the load with three-phase three-wires, only a clean sine wave with this distortion waveform removed is present in the load. Supplied as voltage.

なお、コンバータ側にこの方式を適用しないのは、コンバータ側には変圧器が接続されているので、零相電圧を加算して出力すると三相合計して零にならない磁束が変圧器に発生し、変圧器の4脚目や5脚目の鉄心を大きくする必要があり不利となるからである。   The reason why this method is not applied to the converter side is that a transformer is connected to the converter side, so when adding and outputting the zero-phase voltage, a magnetic flux that does not become zero in total for the three phases is generated in the transformer. This is because it is necessary to enlarge the iron core of the fourth and fifth legs of the transformer, which is disadvantageous.

その後、後述する相間バランス制御手段632によって決定される零相電圧指令値Vzb*を加算し、それを1相あたりのセル台数(=3)で除することでインバータ側の1セルあたりの電圧指令値の仮決め値としてVIU**、VIV**、VIW**を出力する。   Thereafter, a zero-phase voltage command value Vzb * determined by an interphase balance control means 632, which will be described later, is added, and divided by the number of cells per phase (= 3), whereby a voltage command per cell on the inverter side is obtained. VIU **, VIV **, and VIW ** are output as provisional values.

母線電圧制御手段630は、平均電圧制御手段631、相間バランス制御手段632、相内バランス制御手段633、セル内バランス制御手段634の4つの制御手段により、各変換器セルの直流母線電圧を所定の電圧に制御する。   The bus voltage control means 630 is configured to control the DC bus voltage of each converter cell to a predetermined value by four control means including an average voltage control means 631, an interphase balance control means 632, an in-phase balance control means 633, and an in-cell balance control means 634. Control to voltage.

平均電圧制御手段631の一例を示した制御ブロック図を図7に示す。平均電圧制御手段631は、1台の変圧器に接続される3台の変換器セルの直流母線電圧VdcUn、VdcVn、VdcWnの平均値、即ち、U,V,W三相にわたる平均値VdcAVGnを所定の母線電圧指令値Vdc*に追従させるように、変圧器の1次巻線の入力電流有効成分に相当するq軸電流指令値Iqn*を決定する。
具体的には、VdcAVGnとVdc*との偏差を計算し、制御器Gv(s)に与えてIqn*を計算する。制御器Gv(s)には、PI制御器などを用いることができる。Iqn*は、有効電力に相当する電流であるので、VdcAVGnをVdc*に追従させることが可能である。なお、前述の通り、入力電流制御手段610にPQ変換を用いた場合は、有効電力の指令値P*を調整する。
A control block diagram showing an example of the average voltage control means 631 is shown in FIG. The average voltage control means 631 predetermines an average value of DC bus voltages VdcUn, VdcVn, VdcWn of three converter cells connected to one transformer, that is, an average value VdcAVGn over three phases U, V, W. Q-axis current command value Iqn * corresponding to the input current effective component of the primary winding of the transformer is determined so as to follow the bus voltage command value Vdc *.
Specifically, the deviation between VdcAVGn and Vdc * is calculated and given to the controller Gv (s) to calculate Iqn *. A PI controller or the like can be used as the controller Gv (s). Since Iqn * is a current corresponding to active power, VdcAVGn can be made to follow Vdc *. As described above, when PQ conversion is used for the input current control means 610, the command value P * of the active power is adjusted.

変換器セルの接続に関して、インバータ側で直列接続される変換器セル同士が、コンバータ側で変圧器を介して並列接続され、これら互いに直列、並列に接続される変換器セル同士は、いずれも同じ相に接続される。そして、平均電圧制御手段631は、変圧器1台に接続される変換器セル3台を1セットとして制御を行う。この結果、直流母線電圧の平均値VdcAVGnを求める場合に、各々の直流母線電圧に生じる電圧振動がキャンセルされる。   Regarding the connection of converter cells, converter cells connected in series on the inverter side are connected in parallel via a transformer on the converter side, and these converter cells connected in series and in parallel are both the same. Connected to the phase. Then, the average voltage control means 631 controls the three converter cells connected to one transformer as one set. As a result, when the average value VdcAVGn of the DC bus voltage is obtained, the voltage oscillation generated in each DC bus voltage is canceled.

即ち、例えば、一般的に単相電圧を出力している場合は、その2倍の周波数で出力電圧が振動する。よって、直流母線電圧も2倍の周波数で振動する。VdcUnとVdcVnとVdcWnは、それぞれその振動位相が120゜ずつ異なるため、3相の平均値VdcAVGnではキャンセルされて2倍の周波数の振動成分は零となる。それ故、平均電圧制御手段631をより容易に実現できる。   That is, for example, in general, when a single-phase voltage is output, the output voltage vibrates at twice the frequency. Therefore, the DC bus voltage also vibrates at twice the frequency. Since the vibration phases of VdcUn, VdcVn, and VdcWn are different from each other by 120 °, the three-phase average value VdcAVGn is canceled and the vibration component having the double frequency becomes zero. Therefore, the average voltage control means 631 can be realized more easily.

次に、相間バランス制御手段632の一例を示した制御ブロック図を図8に示す。相間バランス制御手段632は、各相のインバータ側の電圧指令値に重畳する零相電圧Vzb*を調整することにより(先の図6参照)、各相の平均電圧VdcUAVG(VdcU1〜3の平均値)、VdcVAVG(VdcV1〜3の平均値)、VdcWAVG(VdcW1〜3の平均値)を互いに均一にバランスさせる。   Next, a control block diagram showing an example of the interphase balance control means 632 is shown in FIG. The interphase balance control means 632 adjusts the zero-phase voltage Vzb * superimposed on the voltage command value on the inverter side of each phase (see FIG. 6 above), whereby the average voltage VdcUAVG of each phase (the average value of VdcU1 to VdcU1-3). ), VdcVAVG (average value of VdcV1 to 3) and VdcWAVG (average value of VdcW1 to 3) are uniformly balanced.

具体的には、各相の平均電圧VdcUAVG、VdcVAVG、VdcWAVGについて、全体の平均電圧VdcAVGとの偏差をそれぞれ計算し、それにLPF(Low−Pass Filter)を介して、制御器Gp(s)に与え、その後、インバータ側の電圧指令値VIU*、VIV*、VIW*との積を各相で計算し、その結果を合計して零相電圧指令値Vzb*を得る。LPFを施す理由は、前述の通り、直流母線電圧に生じる出力周波数の2倍の周波数成分を除去するためである。なお、制御器Gp(s)にはPI制御器などを用いることができる。   Specifically, for each of the average voltages VdcUAVG, VdcVAVG, and VdcWAVG of each phase, a deviation from the overall average voltage VdcAVG is calculated and given to the controller Gp (s) via an LPF (Low-Pass Filter). Thereafter, the product of the inverter-side voltage command values VIU *, VIV *, and VIW * is calculated for each phase, and the results are summed to obtain the zero-phase voltage command value Vzb *. The reason for applying the LPF is to remove a frequency component twice the output frequency generated in the DC bus voltage as described above. A PI controller or the like can be used as the controller Gp (s).

このように制御を行うと、モータ力行時には、直流母線電圧の平均値が低下した相の電圧が小さくなるので、その相の出力電力が小さくなり、当該相の直流母線電圧が回復し、結果的に、全ての相の母線電圧平均値がバランスする。なお、モータ回生時には、制御器Gp(s)の極性を反転させることで対応できる。   When the control is performed in this way, the voltage of the phase in which the average value of the DC bus voltage has decreased during motor powering decreases, so the output power of that phase decreases, and the DC bus voltage of that phase recovers. Furthermore, the bus voltage average values of all phases are balanced. Note that the motor regeneration can be handled by reversing the polarity of the controller Gp (s).

次に、相内バランス制御手段633の一例を示した制御ブロック図を図9に示す。相内バランス制御手段633は、相内のインバータの出力電圧分担を調整することで、相内の直流母線電圧を互いに均一にバランスさせる。具体的には、自身の直流母線電圧VdcX1〜3と、相内の母線電圧平均値VdcXAVGとの偏差をそれぞれ計算し、それを制御器Gb(s)に与える。その結果は、出力電圧分担の調整比率と等価であり、先の図6(出力電圧制御手段620)で仮決めした電圧指令値VIX**を乗じて、調整幅を導出する。その後、VIX**に加算して、最終的な電圧指令値VIX1*、VIX2*、VIX3*を導出する。   Next, a control block diagram showing an example of the in-phase balance control means 633 is shown in FIG. The in-phase balance control means 633 adjusts the output voltage sharing of the inverters in the phase to uniformly balance the DC bus voltages in the phase with each other. Specifically, the deviation between the DC bus voltage VdcX1 to 3 of its own and the bus voltage average value VdcXAVG in the phase is calculated and given to the controller Gb (s). The result is equivalent to the adjustment ratio of the output voltage sharing, and the adjustment range is derived by multiplying the voltage command value VIX ** provisionally determined in FIG. 6 (output voltage control means 620). Thereafter, it is added to VIX ** to derive final voltage command values VIX1 *, VIX2 *, VIX3 *.

以上のように制御を行うことで、モータ力行時には、母線電圧が相対的に小さい変換器セルのインバータの出力電圧が小さくなるため、出力電力を抑制でき、結果的に相内の直流母線電圧をバランスさせることができる。モータ回生時には、制御器Gb(s)の極性を反転させることで対応できる。   By performing the control as described above, the output voltage of the inverter of the converter cell having a relatively small bus voltage is reduced during powering of the motor, so that the output power can be suppressed. As a result, the DC bus voltage in the phase is reduced. Can be balanced. The motor regeneration can be handled by reversing the polarity of the controller Gb (s).

次に、セル内バランス制御手段634の一例を図10に示す。セル内バランス制御手段634は、正極側レグと負極側レグの電圧比率を調整することで、正極側直流母線電圧と負極側直流母線電圧とを互いに均一にバランスさせるもので、コンバータ側、インバータ側のどちら一方または双方に反映させることで実現できる。   Next, an example of the in-cell balance control means 634 is shown in FIG. The in-cell balance control means 634 adjusts the voltage ratio between the positive side leg and the negative side leg to uniformly balance the positive side DC bus voltage and the negative side DC bus voltage with each other. The converter side, the inverter side This can be realized by reflecting either or both.

先ず、図10(a)により、コンバータ側に関して説明する。コンバータの電圧指令値VCXn*に1/2を乗じて、正極側レグの電圧指令値VXnP*と、更に、−1を乗じた負極側レグの電圧指令値VXnN*を算出する。また、VdcXnNとVdcXnPとの偏差を計算し、制御器Gcz(s)に与えて、VXnCz*を算出する。その後、VXnCz*をVXnP*、VXnN*にそれぞれ加算し、最終的な正極レグの電圧指令値VCXnP*と、負極レグの電圧指令値VCXnN*を算出する。   First, the converter side will be described with reference to FIG. The voltage command value VCXn * of the converter is multiplied by 1/2 to calculate the voltage command value VXnP * of the positive leg and the voltage command value VXnN * of the negative leg multiplied by -1. Also, the deviation between VdcXnN and VdcXnP is calculated and given to the controller Gcz (s) to calculate VXnCz *. Thereafter, VXnCz * is added to VXnP * and VXnN *, respectively, to calculate the final positive electrode leg voltage command value VCXnP * and the negative electrode leg voltage command value VCXnN *.

以上のように制御を行うと、モータ力行時(即ち、電力はコンバータに入力される状態のとき)には、電圧が低いキャパシタ側の電圧指令値が増加し、正極側および負極側の直流母線電圧をバランスさせることができる。逆に、モータ回生時には、制御器Gcz(s)の極性を判定させることで対応できる。   When the control is performed as described above, the voltage command value on the capacitor side having a low voltage increases during motor power running (that is, when power is input to the converter), and the positive and negative DC buses are increased. The voltage can be balanced. Conversely, during motor regeneration, this can be dealt with by determining the polarity of the controller Gcz (s).

図10(b)に示すインバータ側に関しても基本原理は同等である。但し、モータ力行時には、インバータは電力を出力しているので、制御器Giz(s)で計算するVXnIZ*を正極、負極レグの指令値から引くことで、最終的な電圧指令値VIXnP*、VIXnN*を計算する。モータ回生時には、制御器Giz(s)の極性を反転させて対応する。   The basic principle is the same for the inverter side shown in FIG. However, since the inverter outputs electric power during motor power running, the final voltage command values VIXnP * and VIXnN are obtained by subtracting VXnIZ * calculated by the controller Giz (s) from the command values of the positive and negative legs. * Calculate. At the time of motor regeneration, the polarity of the controller Giz (s) is reversed to cope with it.

最後に、変調手段640は、上述した各制御手段によって導出された、コンバータ側の電圧指令値VCXnP*、VCXnN*、および、インバータ側の電圧指令値VIXnP*、VIXnN*を適切に出力できるように、パルス幅変調(PWM)を行い、各スイッチング素子のオン/オフを制御するゲート信号を導出する。図11(a)(b)は、この変調手段640の一例を示しており、各々の電圧指令値をPWM制御器801(コンバータ側)あるいはPWM制御器802(インバータ側)に与え、更に、それぞれに、立ち上がりに遅延を持たせるようにデッドタイム処理を施し、スイッチング素子のオン/オフを制御するゲート信号を出力する。   Finally, the modulation means 640 can appropriately output the voltage command values VCXnP * and VCXnN * on the converter side and the voltage command values VIXnP * and VIXnN * on the inverter side derived by the control means described above. Then, pulse width modulation (PWM) is performed to derive a gate signal for controlling on / off of each switching element. FIGS. 11 (a) and 11 (b) show an example of the modulation means 640. Each voltage command value is given to the PWM controller 801 (converter side) or the PWM controller 802 (inverter side). In addition, a dead time process is performed so as to delay the rise, and a gate signal for controlling on / off of the switching element is output.

3レベル変換回路の1つのレグに注目した場合、その変調手段は様々な公知例があり、本発明ではその具体的な変調手段は限定しない。本発明における変調手段640が意図するところは、正極側レグと負極側レグとでスイッチングのタイミングが極力重ならないようにし、かつ変圧器を介して並列接続されるコンバータのスイッチングのタイミングが極力重ならないようにし、かつ直列接続されるインバータの各々のスイッチングのタイミングが極力重ならないようにして、高調波成分の少ない入力電流や出力電圧を得ることである。   When attention is paid to one leg of the three-level conversion circuit, there are various known examples of the modulation means, and the specific modulation means is not limited in the present invention. The modulation means 640 in the present invention intends that the switching timing of the positive-side leg and the negative-side leg is not overlapped as much as possible, and the switching timing of the converters connected in parallel via the transformer is not overlapped as much as possible. In other words, the switching timings of the inverters connected in series are not overlapped as much as possible to obtain an input current and output voltage with less harmonic components.

以下では、1つのレグに対して、正電圧出力用と負電圧出力用の2つの三角波キャリア1組を用いて変調を行う場合を例に説明する。
先ず、コンバータ側のレグに関しては、図12に示すように、三角波キャリアCarCPn、CarCNnと、正極側レグの電圧指令値VCXnP*、負極側レグの電圧指令値VCXnN*とをそれぞれ比較する。CarCPnとCarCNnは同一の位相であり、CarCPnの振幅は、該当する変換器セルの正極側キャパシタCPの両端電圧に相当し、CarCNnの振幅は、負極側キャパシタCNの両端電圧に相当する。
Hereinafter, a case where modulation is performed on one leg by using one set of two triangular wave carriers for positive voltage output and negative voltage output will be described.
First, regarding the leg on the converter side, as shown in FIG. 12, the triangular wave carriers CarCPn and CarCNn are compared with the voltage command value VCXnP * of the positive leg and the voltage command value VCXnN * of the negative leg. CarCPn and CarCNn have the same phase, and the amplitude of CarCPn corresponds to the voltage across the positive capacitor CP of the corresponding converter cell, and the amplitude of CarCNn corresponds to the voltage across the negative capacitor CN.

コンバータ側の正極側レグのゲート信号を正極の直流端子側のスイッチング素子から、GXnCP1、GXnCP2、GXnCP3、GXnCP4、負極側レグのゲート信号を正極の直流端子側のスイッチング素子から、GXnCN1、GXnCN2、GXnCN3、GXnCN4とすると、CarCPnとVCXnP*との大小関係からGXnCP1とGXnCP3を、CarCNnとVCXnP*との大小関係からGXnCP2とGXnCP4を、CarCPnとVCXnN*との大小関係からGXnCN1とGXnCN3を、CarCNnとVCXnN*との大小関係からGXnCN2とGXnCN4を決定する。   GXnCP1, GXnCP2, GXnCP3, GXnCP4, and the negative leg gate signal from the positive DC terminal side switching element GXnCN1, GXnCN2, GXnCN3 from the positive DC terminal side switching element on the converter side , GXnCN4, GXnCP1 and GXnCP3 from the magnitude relationship between CarCPn and VCXnP *, GXnCP2 and GXnCP4 from the magnitude relationship between CarCNn and VCXnP *, GXnCN1 and C from the magnitude relationship between CarCPn and VCXnN *, GXnCN2 and GXnCN4 are determined from the magnitude relationship with *.

三角波キャリアよりも電圧指令値が大きい場合に、正極側スイッチング素子をオン、負極側スイッチング素子をオフさせ、大小関係が逆の場合は、オン/オフを逆にする。そして最後にそれぞれのゲート信号の立ち上がりを遅延させるようにデッドタイム処理を施し、最終的なゲート信号を決定する。デッドタイム処理に関しては公知であるので説明は省略する。   When the voltage command value is larger than the triangular wave carrier, the positive side switching element is turned on and the negative side switching element is turned off. When the magnitude relationship is reversed, the on / off is reversed. Finally, dead time processing is performed so as to delay the rise of each gate signal, and a final gate signal is determined. Since the dead time processing is known, a description thereof will be omitted.

同様に、インバータ側のレグに関しては、図13に示すように、三角波キャリアCarIPn、CarINnと、正極側レグの電圧指令値VIXnP*、負極側レグの電圧指令値VIXnN*とをそれぞれ比較する。CarIPnとCarINnは同一の位相であり、CarIPnの振幅は、該当する変換器セルの正極側キャパシタCPの両端電圧に相当し、CarINnの振幅は、負極側キャパシタCNの両端電圧に相当する。   Similarly, regarding the leg on the inverter side, as shown in FIG. 13, the triangular wave carriers CarIPn and CarINn are compared with the voltage command value VIXnP * of the positive leg and the voltage command value VIXnN * of the negative leg. CarIPn and CarINn have the same phase, and the amplitude of CarIPn corresponds to the voltage across the positive-side capacitor CP of the corresponding converter cell, and the amplitude of CarINn corresponds to the voltage across the negative-side capacitor CN.

なお、図13において、電圧指令値VIXnP*およびVIXnN*の波形が正弦波から歪んでいるのは、先の図6(出力電圧制御手段620)で説明した零相電圧成分Vz*を加算していることに基づくものである。   In FIG. 13, the waveforms of the voltage command values VIXnP * and VIXnN * are distorted from the sine wave by adding the zero-phase voltage component Vz * described in FIG. 6 (output voltage control means 620). It is based on being.

インバータ側の正極側レグのゲート信号を正極の直流端子側のスイッチング素子から、GXnIP1、GXnIP2、GXnIP3、GXnIP4、負極側レグのゲート信号を正極の直流端子側のスイッチング素子から、GXnIN1、GXnIN2、GXnIN3、GXnIN4とすると、CarIPnとVIXnP*との大小関係からGXnIP1とGXnIP3を、CarINnとVIXnP*との大小関係からGXnIP2とGXnIP4を、CarIPnとVIXnN*との大小関係からGXnIN1とGXnIN3を、CarINnとVIXnN*との大小関係から、GXnIN2とGXnIN4を決定する。   GXnIP1, GXnIP2, GXnIP3, GXnIP4, and the negative leg gate signal from the positive DC terminal side switching element GXnIN1, GXnIN2, GXnIN3 from the positive DC terminal side switching element on the inverter side , GXnIN4, GXnIP1 and GXnIP3 from the magnitude relationship between CarIPn and VIXnP *, GXnIP2 and GXnIP4 from the magnitude relationship between CarINn and VIXnP *, GXnIN1 and GXnIN3 from the magnitude relationship between CarIPn and VIXnN *, GXnIN2 and GXnIN4 are determined from the magnitude relationship with *.

三角波キャリアよりも電圧指令値が大きい場合に、正極側スイッチング素子をオン、負極側スイッチング素子をオフさせ、大小関係が逆の場合は、オン/オフを逆にする。そして最後にデッドタイム処理を施し、最終的なゲート信号を決定する。   When the voltage command value is larger than the triangular wave carrier, the positive side switching element is turned on and the negative side switching element is turned off. When the magnitude relationship is reversed, the on / off is reversed. Finally, dead time processing is performed to determine a final gate signal.

上記の変調手段640において重要な点は、三角波キャリアの位相関係にある。1つのレグが出力する電圧では、キャリア周波数近傍の高調波成分が支配的となる。1台のコンバータあるいはインバータに着目した場合、それぞれの正極側レグと負極側レグの電圧指令値はほぼ反転しているため(図10で負極側には、−1を乗じているため)、等価的にキャリア周波数成分が打ち消されて、キャリア周波数の2倍の周波数近傍の高調波成分が支配的となる。   The important point in the modulation means 640 is the phase relationship of the triangular wave carrier. In the voltage output by one leg, harmonic components near the carrier frequency are dominant. When attention is paid to one converter or inverter, the voltage command values of the positive and negative legs are almost inverted (because the negative side is multiplied by -1 in FIG. 10) and therefore equivalent. Thus, the carrier frequency component is canceled out, and the harmonic component in the vicinity of twice the carrier frequency becomes dominant.

更に、コンバータ側に関しては、図14(a)に示すように、三角波キャリアCarCP1、CarCP2、CarCP3(CarCN1、CarCN2、CarCN3)の位相を60度(π/3rad)ずつシフトすることで、入力電流に含まれるキャリア周波数の2倍の周波数近傍の高調波成分を打ち消すことが可能である。最終的には、レグ数×並列多重の台数、即ち、この例では、キャリア周波数の2×3=6倍の周波数近傍の高調波成分が支配的となる。よって、振幅が大きい低次の高調波成分を打ち消すことができるため、高調波成分の小さい入力電流を得ることができる。また、残留する高調波成分は、キャリア周波数の6倍の周波数近傍と、非常に高周波であるため、入力端子や変換器セルのコンバータ側に小さなフィルタを追加するだけで、容易に除去することが可能である。   Further, on the converter side, as shown in FIG. 14A, the phase of the triangular wave carriers CarCP1, CarCP2, and CarCP3 (CarCN1, CarCN2, and CarCN3) is shifted by 60 degrees (π / 3 rad) to the input current. It is possible to cancel harmonic components in the vicinity of a frequency twice as high as the contained carrier frequency. Finally, the number of legs × the number of parallel multiplexes, that is, in this example, harmonic components in the vicinity of the frequency 2 × 3 = 6 times the carrier frequency become dominant. Therefore, since a low-order harmonic component having a large amplitude can be canceled, an input current having a small harmonic component can be obtained. Also, the remaining harmonic components are very high in the vicinity of 6 times the carrier frequency and can be easily removed simply by adding a small filter to the input terminal or the converter side of the converter cell. Is possible.

一方、インバータ側に関しては、図14(b)に示すように、三角波キャリアCarIP1、CarIP2、CarIP3(CarIN1、CarIN2、CarIN3)の位相を60度(π/3rad)ずつシフトすることで、出力電圧に含まれるキャリア周波数の2倍の周波数近傍の高調波成分を打ち消すことが可能である。最終的には、レグ数×直列多重の台数、即ち、この例では、キャリア周波数の2×3=6倍の周波数近傍の高調波成分が支配的となる。よって、振幅が大きい低次の高調波成分を打ち消すことができるため、高調波成分の小さい出力電圧を得ることができる。
また、インバータ側は直列接続をしているので、スイッチングのタイミングがシフトされることによって、キャパシタが有する電位の数に応じて、出力電圧レベルを増加させることが可能となる。
On the other hand, on the inverter side, as shown in FIG. 14B, the phase of the triangular wave carriers CarIP1, CarIP2, and CarIP3 (CarIN1, CarIN2, and CarIN3) is shifted by 60 degrees (π / 3 rad) to the output voltage. It is possible to cancel harmonic components in the vicinity of a frequency twice as high as the contained carrier frequency. Finally, the number of legs × the number of serial multiplexes, that is, in this example, harmonic components in the vicinity of the frequency 2 × 3 = 6 times the carrier frequency become dominant. Therefore, since a low-order harmonic component having a large amplitude can be canceled, an output voltage having a small harmonic component can be obtained.
Further, since the inverter side is connected in series, the output voltage level can be increased according to the number of potentials of the capacitor by shifting the switching timing.

以上のように、本発明による電力変換装置を用いれば、従来のような構造が複雑な移相変圧器を必要とすることがなく、さらに変換器セルを3レベル以上の変換器とすることで、変換器セル数や変圧器の巻線数を低減できるので、小型、軽量、低コスト化が可能となる。さらに、変換器セルに自励式コンバータを用いているため、回生動作が可能である。さらには、制御手段により、変圧器の磁気飽和や、母線電圧が適切に制御されて、信頼性が向上する。   As described above, when the power conversion device according to the present invention is used, a phase shift transformer having a complicated structure as in the related art is not required, and the converter cell is converted into a converter having three or more levels. Since the number of converter cells and the number of windings of the transformer can be reduced, it is possible to reduce the size, weight, and cost. Furthermore, since a self-excited converter is used for the converter cell, a regenerative operation is possible. Furthermore, the magnetic saturation of the transformer and the bus voltage are appropriately controlled by the control means, and the reliability is improved.

実施の形態2.
図15に、本発明の実施の形態2における電力変換装置の主回路構成の一例を示す。図15では、その変圧器が先の実施の形態1の図1で示した変圧器と異なる。即ち、この実施の形態2における変圧器211は、その巻線構造を図16に示すように、1つの相の1次巻線に対して複数(ここでは3つ)の巻線からなる2次巻線を備えており、実施の形態1における変圧器201、202、203を1台の変圧器211に集約した構成をとる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 15 shows an example of the main circuit configuration of the power conversion device according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 15, the transformer is different from the transformer shown in FIG. That is, the transformer 211 in the second embodiment has a secondary winding composed of a plurality of (here, three) windings with respect to the primary winding of one phase, as shown in FIG. Winding is provided, and the transformers 201, 202, and 203 in the first embodiment are integrated into one transformer 211.

そして、変圧器211の1次巻線は、三相のスター結線であり、2次巻線は1相あたり3つの単相オープン巻線であり、1台の変圧器211により、合計で9つの互いに絶縁された単相オープン巻線からなる電源を確保している。   The primary winding of the transformer 211 is a three-phase star connection, the secondary winding is three single-phase open windings per phase, and one transformer 211 makes a total of nine A power supply consisting of single-phase open windings insulated from each other is secured.

このように3台の変圧器を1台に集約することで、変圧器の更なる小型、軽量、低コスト化が可能となる。また、変圧器を集約することは、本発明において2次巻線にオープン巻線を用いているが故に、更なる効果を発揮する。それは、制御の組み合わせ自由度が増すことである。先の実施の形態1では、1台の変圧器に接続される変換器セルの組(例えば、30U1、30V1、30W1の組)において、入力電流制御手段610を適用したが、変圧器を1台に集約することにより、例えば、30U1、30V2、30W3を1組とする等、制御の組み合わせに自由度ができ、これを利用して制御線や制御信号間の絶縁などを考慮した最適設計が可能となる。   By consolidating the three transformers into one, the transformer can be further reduced in size, weight, and cost. In addition, the integration of the transformers exhibits a further effect because an open winding is used as the secondary winding in the present invention. That is to increase the degree of freedom of combination of controls. In the first embodiment, the input current control means 610 is applied to a set of converter cells (for example, a set of 30U1, 30V1, and 30W1) connected to one transformer, but one transformer is used. For example, 30U1, 30V2, and 30W3 can be combined into one set, for example, so that the control combination can be freely controlled. By using this, optimum design can be performed in consideration of insulation between control lines and control signals. It becomes.

なお、実施の形態1と同様に、変圧器の鉄心には3脚以上の鉄心が使用でき、また、漏れインダクタンスを5%程度以上とする方が望ましい。
また、実施の形態1および2では、変圧器の漏れインダクタンスを5%程度考慮しているが、追加のリアクトルを挿入してもよい。これは変圧器の1次側に挿入してもよいし、2次側に挿入してもよい、さらに、キャパシタを追加して、LCフィルタを変圧器の1次側や2次側に追加してもよい。このようにリアクトルやLCフィルタを追加すると、入力電流の高調波成分をさらに抑制することができる。
As in the first embodiment, it is desirable to use a three-legged or more iron core as the transformer iron core and to set the leakage inductance to about 5% or more.
In Embodiments 1 and 2, the leakage inductance of the transformer is considered about 5%, but an additional reactor may be inserted. This may be inserted on the primary side of the transformer or on the secondary side. Further, a capacitor is added and an LC filter is added on the primary side or secondary side of the transformer. May be. If a reactor or LC filter is added in this way, the harmonic component of the input current can be further suppressed.

更に、実施の形態1および2では、スイッチング素子SWとして、IGBT(Insulated−Gate Bipolar Transistor)を用いることを想定しているが、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)などの他のタイプのスイッチング素子を用いてもよい。   Furthermore, in the first and second embodiments, it is assumed that an IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) is used as the switching element SW, but other types such as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) are used. These switching elements may be used.

また、通常、スイッチング素子SWやダイオードFD、CDを構成する半導体素子の材料に珪素を使用するが、炭化珪素や、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどのバンドギャップが珪素のそれより大きいワイドバンドギャップ材料を使用すると、半導体素子の高耐圧化が可能なため、上述した変換器セルの台数を一層低減できる。更には、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。   Also, silicon is usually used as the material for the semiconductor elements constituting the switching elements SW, diodes FD, and CD, but a wide band gap material such as silicon carbide, gallium nitride-based material, or diamond has a larger band gap than that of silicon. Since it is possible to increase the breakdown voltage of the semiconductor element, the number of the converter cells described above can be further reduced. Furthermore, since switching can be speeded up, it is possible to obtain an input current and an output voltage with smaller harmonic components.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。   It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.

101 電圧源、20n,201,202,203,211 変圧器、
30Xn,30U1〜30W3 変換器セル、401 モータ、601 制御手段、
610 入力電流制御手段、620 出力電圧制御手段、630 母線電圧制御手段、
631 平均電圧制御手段、632 相間バランス制御手段、
633 相内バランス制御手段、634 セル内バランス制御手段、640 変調手段、801,802 PWM制御器、R,S,T 入力端子、U,V,W 出力端子、
SW スイッチング素子、CP 正極側キャパシタ、CN 負極側キャパシタ、
CPCN キャパシタ直列体。
101 voltage source, 20n, 201, 202, 203, 211 transformer,
30Xn, 30U1-30W3 converter cell, 401 motor, 601 control means,
610 input current control means, 620 output voltage control means, 630 bus voltage control means,
631 Average voltage control means, 632 Interphase balance control means,
633 In-phase balance control means, 634 In-cell balance control means, 640 Modulation means, 801, 802 PWM controller, R, S, T input terminals, U, V, W output terminals,
SW switching element, CP positive side capacitor, CN negative side capacitor,
CPCN series capacitor body.

Claims (16)

多相交流の入力端子と多相交流の出力端子との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記入力端子に接続された1次巻線と複数の互いに絶縁された単相オープン巻線からなる2次巻線とを備えた変圧器と、スイッチング素子を備え入力端が前記各単相オープン巻線に接続され出力端が互いに直列にして各相の前記出力端子に接続され単相交流/単相交流の変換を行う複数の変換器セルと、前記スイッチング素子のオン/オフを制御する制御手段とを備え、
前記各変換器セルは、前記入力端からの単相交流電圧を3レベル以上の直流電圧に変換してキャパシタ直列体に出力するコンバータと、前記キャパシタ直列体からの直流電圧を単相交流電圧に変換して前記出力端に出力するインバータとを備えたことを特徴とする電力変換装置。
A power conversion device that performs power conversion between a polyphase AC input terminal and a polyphase AC output terminal,
A transformer comprising a primary winding connected to the input terminal and a secondary winding comprising a plurality of mutually isolated single-phase open windings; and a switching element having an input terminal at each single-phase open winding A plurality of converter cells that are connected to a line and whose output ends are connected in series with each other and connected to the output terminals of each phase and perform single-phase AC / single-phase AC conversion, and control means for controlling on / off of the switching element And
Each converter cell converts a single-phase AC voltage from the input terminal into a DC voltage of three or more levels and outputs it to a capacitor series body, and converts the DC voltage from the capacitor series body into a single-phase AC voltage. An electric power converter comprising: an inverter that converts and outputs the output to the output terminal.
前記制御手段は、前記各変換器セルの前記キャパシタ直列体の電圧である直流母線電圧を所定の電圧に制御する母線電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 2. The power converter according to claim 1, wherein the control means comprises bus voltage control means for controlling a DC bus voltage, which is a voltage of the capacitor series body of each converter cell, to a predetermined voltage. 前記母線電圧制御手段は、前記出力端子の互いに異なる相に接続された前記変換器セルにおける前記直流母線電圧の前記互いに異なる相にわたる平均値が所定の母線電圧指令値となるよう前記変圧器の1次巻線の入力電流有効成分を制御する平均電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 The bus voltage control means is configured so that an average value over the different phases of the DC bus voltages in the converter cells connected to different phases of the output terminal becomes a predetermined bus voltage command value. The power converter according to claim 2, further comprising an average voltage control means for controlling an input current effective component of the next winding. 前記母線電圧制御手段は、前記出力端子の互いに異なる相に接続された前記変換器セルにおける前記直流母線電圧が互いに均一にバランスするよう前記出力端子の互いに異なる相に接続された前記変換器セルのインバータの電圧指令値を制御する相間バランス制御手段を備えたことを特徴とする請求項2または3記載の電力変換装置。 The bus voltage control means includes: the converter cells connected to different phases of the output terminals so that the DC bus voltages in the converter cells connected to different phases of the output terminals are uniformly balanced with each other. 4. The power conversion device according to claim 2, further comprising interphase balance control means for controlling a voltage command value of the inverter. 前記母線電圧制御手段は、前記出力端子の各相毎に互いに直列に接続された複数台の前記変換器セルにおける前記直流母線電圧が互いに均一にバランスするよう前記複数台の前記各変換器セルのインバータの電圧指令値を制御する相内バランス制御手段を備えたことを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The bus voltage control means is configured so that the DC bus voltages in the plurality of converter cells connected in series with each other of the output terminals are uniformly balanced with respect to each other. 5. The power conversion device according to claim 2, further comprising an in-phase balance control unit configured to control a voltage command value of the inverter. 前記キャパシタ直列体を互いに直列に接続された正極側キャパシタと負極側キャパシタとで構成し、前記変換器セルの前記直流母線電圧を前記正極側キャパシタに印加される正極側直流母線電圧と前記負極側キャパシタに印加される負極側直流母線電圧とで構成し、
前記母線電圧制御手段は、前記各変換器セルにおいて、前記正極側直流母線電圧と前記負極側直流母線電圧とが互いに均一にバランスするよう前記コンバータおよびまたは前記インバータを構成する前記スイッチング素子への電圧指令値を制御するセル内バランス制御手段を備えたことを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
The capacitor series body is composed of a positive-side capacitor and a negative-side capacitor connected in series with each other, and the DC-bus voltage of the converter cell is applied to the positive-side capacitor and the negative-side It consists of the negative side DC bus voltage applied to the capacitor,
The bus voltage control means includes a voltage to the switching element that constitutes the converter and / or the inverter so that the positive DC bus voltage and the negative DC bus voltage are uniformly balanced with each other in each converter cell. The power converter according to any one of claims 2 to 5, further comprising an in-cell balance control means for controlling the command value.
前記制御手段は、前記入力端子への入力電流およびまたは前記出力端子からの出力電圧に含まれる高調波成分が低減するよう前記出力端子の各相毎に互いに直列に接続された複数台の前記変換器セルにおける前記コンバータおよびまたは前記インバータを構成するスイッチング素子をスイッチングするタイミングを前記複数台の前記変換器セルで互いにシフトさせるよう制御することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The control means includes a plurality of the converters connected in series for each phase of the output terminal so as to reduce harmonic components contained in an input current to the input terminal and / or an output voltage from the output terminal. 7. The timing for switching the converter and / or the switching element constituting the inverter in the converter cell is controlled so as to be shifted with respect to each other in the plurality of converter cells. 8. The power converter described. 前記制御手段は、キャリア信号を使用してパルス幅変調制御を行う変調手段を備え、前記変調手段は、前記キャリア信号の位相を前記複数台の前記変換器セルで互いにシフトさせることにより、前記スイッチング素子をスイッチングするタイミングを前記複数台の前記変換器セルで互いにシフトさせるようにしたことを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。 The control means includes modulation means for performing pulse width modulation control using a carrier signal, and the modulation means shifts the phase of the carrier signal to each other by the plurality of the converter cells, thereby performing the switching. 8. The power conversion device according to claim 7, wherein the switching timing of the elements is shifted between the plurality of converter cells. 前記変圧器は、それぞれの前記1次巻線が、前記入力端子に互いに並列に接続された複数台の変圧器でなることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 9. The electric power according to claim 1, wherein each of the primary windings is composed of a plurality of transformers connected in parallel to the input terminal. Conversion device. 前記変圧器は、1つの相の前記1次巻線に対して複数の前記2次巻線を備えたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 8, wherein the transformer includes a plurality of the secondary windings with respect to the primary winding of one phase. 前記入力端子の多相交流と前記出力端子の多相交流との相数が互いに同一であり、その出力端を互いに直列にして前記出力端子に接続された複数台の前記変換器セルの前記入力端が、当該出力端が接続される前記出力端子の相と同一の相の前記入力端子に前記変圧器を介して互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The inputs of the plurality of converter cells connected to the output terminal with the same number of phases of the multiphase alternating current of the input terminal and the multiphase alternating current of the output terminal, the output ends of which are connected in series with each other The end is connected in parallel with each other through the transformer to the input terminal of the same phase as the phase of the output terminal to which the output end is connected. The power conversion device according to item 1. 前記第1の多相交流は三相交流であり、前記変圧器の1次巻線は、三相のスター結線であることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の電力変換装置。 12. The electric power according to claim 1, wherein the first multi-phase alternating current is a three-phase alternating current, and the primary winding of the transformer is a three-phase star connection. Conversion device. 前記変圧器の鉄心は、4脚以上の鉄心で構成されることを特徴とする請求項12記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 12, wherein the iron core of the transformer is composed of four or more iron cores. 前記各変換器セルの前記コンバータまたは前記インバータを構成する前記スイッチング素子およびダイオードを含む一群の半導体素子を1つのモジュールに収納する構成としたことを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The group of semiconductor elements including the switching elements and diodes constituting the converter or the inverter of each converter cell is housed in one module. The power converter device described in 1. 前記各変換器セルの前記コンバータまたは前記インバータを構成する前記スイッチング素子およびダイオードのうちの少なくともいずれか一方は、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材料により形成されていることを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載の電力変換装置。 At least one of the switching element and the diode constituting the converter or the inverter of each converter cell is formed of a wide band gap semiconductor material having a larger band gap than silicon. The power conversion device according to any one of claims 1 to 14. 前記ワイドギャップ半導体材料は、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ことを特徴とする請求項15記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 15, wherein the wide gap semiconductor material is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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