电力转换装置制造方法
【专利摘要】本发明提供电力转换电路，其中，N个三相三电平逆变器单元的AC输出端子每个相串联连接以形成相串联臂，每个臂的一个端子彼此共同连接，另一个端子用作每个K个相的每个输出，其中，当2N个隔离次级绕组布置于一个变压器中且分别连接至所述多个逆变器单元时，施加于相的相邻次级绕组之间输入至与每个输出相对应的逆变器单元的电压减少，从而减少变压器的尺寸和重量。任何一个相(L相)的次级绕组中的第(2N-1)次级绕组连接至L相的第一单元的第一AC输入端子，L相的次级绕组中的第2N次级绕组连接至L相的第一单元的第二AC输入端子，(L+1)相的绕组中的第二次级绕组连接至(L+1)相的第一单元的第一AC输入端子，(L+1)相的绕组中的第一次级绕组连接至(L+1)相的第一单元的第二AC输入端子。
【专利说明】电力转换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力转换装置，其中通过具有多个次级绕组的一个变压器从交流AC电源供应电力的多个单相三电平逆变器的AC输出端子串联连接，以形成对应于一个相的多个相串联臂(phase serial arms),从而提供多个相的AC输出。
【背景技术】
[0002]图9为JP-A-2011-188584中公开的单相三电平逆变器单元的电路图。图10为JP-A-2011-188584中公开的三相AC输出逆变器的电路图，其中两个单相三电平逆变器单元(SI和S2)的AC输出端子在每个相串联连接。在图9所示的单相三电平逆变器的电路图中，输入至第一 AC输入端子101的AC电流通过整流器102转换为直流DC电压。此外，DC电压通过连接至整流器102的DC输出端子的电容器103进行平滑。此外，输入至第二 AC输入端子104的AC通过整流器105转换为DC电压。此外，DC电压通过连接至整流器105的DC输出端子的电容器106进行平滑。这里，三相AC —般用作大容量装置中的AC输入。电容器103和106串联连接以形成具有正极、中性极和负极的三电平DC电源，所述三电平DC电源提供DC输入给单相三电平逆变器单元电路。
[0003]单相三电平逆变器单元电路包括与两个相对应的相臂。第一相的相臂具有一种结构，其中具有两个串联连接的IGBT (其中二极管彼此反并联连接)的IGBT模块109和110的串联电路连接于三电平DC电源的正极线Lp和负极线Ln之间。这里，电压箝位二极管111连接于IGBT模块109中的串联连接点与DC电源的中性极线Lm之间，电压箝位二极管112连接于IGBT模块110中的串联连接点与DC电源的中性极线Lm之间。此外，第二相的相臂具有一种结构，其中具有两个串联连接的IGBT (其中二极管彼此反并联连接)的IGBT模块115和116的串联电路连接于三电平DC电源的正极线Lp和负极线Ln之间。这里，电压箝位二极管117连接于IGBT模块115中的串联连接点与DC电源的中性极线Lm之间，电压箝位二极管118连接于IGBT模块116中的串联连接点与DC电源的中性极线Lm之间。第一相臂的IGBT模块109和110的串联连接点连接至AC输出端子108，第二相臂的IGBT模块115和116的串联连接点连接至AC输出端子114。
[0004]图10为三相AC输出逆变器的电路图，其中上述两个单相三电平逆变器单元(SI和S2)的AC输出端子在每个相串联连接，以形成相串联臂。这里，U相串联臂PTl具有一种结构，其中单相三电平逆变器单元SI的AC输出端子16连接至单相三电平逆变器单元S2的AC输出端子17。这里，单相三电平逆变器单元SI的AC输入端子11连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS1-1，AC输入端子12连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS1-2，单相三电平逆变器单元S2的AC输入端子13连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS1-4，AC输入端子14连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS1-3。这里，在隔离变压器TRl的绕组结构中，初级绕组2连接至AC电源1，次级绕组以单相三电平逆变器单元的U相绕组、V相绕组和W相绕组顺序进行布置。在各相绕组内，U相绕组以LSl-1至LS1-4顺序依次布置，V相绕组以LS2-1至LS2-4顺序依次布置，W相绕组以LS3-1至LS3-4顺序依次布置。
[0005]同样，V相串联臂PT2具有一种结构，其中单相三电平逆变器单元SI的AC输出端子16连接至单相三电平逆变器单元S2的AC输出端子17。这里，单相三电平逆变器单元SI的第一 AC输入端子11连接至隔离变压器TRl的V相绕组LS2-1，第二 AC输入端子12连接至隔离变压器TRl的V相绕组LS2-2，单相三电平逆变器单元S2的第一 AC输入端子13连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS2-4，第二 AC输入端子14连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS2-3。
[0006]此外，W相串联臂PT3具有一种结构，其中单相三电平逆变器单元SI的AC输出端子16连接至单相三电平逆变器单元S2的AC输出端子17。这里，单相三电平逆变器单元SI的第一 AC输入端子11连接至隔离变压器TRl的V相绕组LS3-1，第二 AC输入端子12连接至隔离变压器TRl的V相绕组LS3-2，单相三电平逆变器单元S2的第一 AC输入端子13连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS3-4，第二 AC输入端子14连接至隔离变压器TRl的U相绕组LS3-3。
[0007]AC输出电路具有以下结构:在U相串联臂PTl、V相串联臂PT2和W相串联臂PT3的AC输出端子15和18中的相应端子18彼此连接，以形成共同连接点0，并且U相串联臂PTl的另一个端子15形成AC输出1￥相串联臂？12的另一个端子15形成AC输出V，W相串联臂PT3的另一个端子15形成AC输出W。
[0008]上述结构的特性在于考虑了串联连接的两个单相三电平逆变器单元各者的AC输入端子与变压器的次级绕组之间的连接，以通过减少施加于连接至相应相串联臂的AC输入端子的变压器的相邻次级绕组之间的最大电压来减少隔离变压器的尺寸和重量。即，变压器的次级绕组以U相绕组、V相绕组和W相绕组顺序进行布置，所述U相绕组、V相绕组和W相绕组连接至相应单相三电平逆变器单元的AC输入端子，并且在各相绕组内，U相绕组以LSl-1至LS1-4顺序依次布置，V相绕组以LS2-1至LS2-4顺序依次布置，W相绕组以LS3-1至LS3-4顺序依次布置。在每个相串联臂中单相三电平逆变器单元SI的AC输入端子11和12分别连接至变压器的各相绕组LSK-1和LSK-2 (其中K为相数且为I至K的整数)，但是AC输入端子13和14分别连接至变压器TRl的各相绕组LSK-4和LSK-3 (其中K为相数且为I至K的整数)。如果串联臂数目增加，那么结构大小增加，并保持这种连接关系O
[0009]接着，将说明CN101098107B中公开的现有技术的概述。现有技术涉及整流变压器，包括3XN个电力单元和3XN个次级绕组。这里，相应次级绕组连接至相应电力单元的AC输入端子。电力单元包括三相二极管桥式整流器及大容量电容器和单相逆变器桥，所述大容量电容器和单相逆变器桥并联连接至三相二极管桥式整流器的DC总线侧。提供了与三个相对应的串联电路，其中N个电力单元的AC输出端子串联连接以形成一个相。这里，各相串联电路的AC输出端子中一个连接为形成共同连接点，AC输出端子中另一个用作各相AC输出端子。整流变压器的次级绕组分成三组。每组具有N个绕组(Wal至WaN，Wbl至WbN及Wcl至WcN)，并且这些绕组依次布置。两组次级绕组的一个端子(Wbl和Wcl)和另一个端子(WbN和WcN)依次连接至两组电力单元，所述两组电力单元从一个端子到另一个端子依次串联连接，另一组次级绕组的一个端子(Wal)和另一个端子(WaN)依次连接至另一组电力单元，所述另一组电力单元从另一个端子到一个端子依次串联连接。这种结构对应于变压器的次级绕组数目与电力单元数目为相同的结构，并且不同于单相三电平逆变器单元用作电力单元的结构。
[0010]【现有技术文献】
[0011]【专利文献】
[0012]【专利文献I】 JP-A-2011-188584
[0013]【专利文献2】CN101098107B
[0014]如上所述，作为现有技术实例，JP-A-2011-188584公开了使用三相电平逆变器单元(其为本发明的建议目标)的结构，其中考虑施加于各相内AC输入端子之间的最大电压，并且考虑变压器的次级绕组的结构位置及各相内单相三电平逆变器单元的AC输入端子的连接顺序，以减少施加于变压器的相邻次级绕组之间的最大电压，从而减少变压器的尺寸和重量。此外，然而，JP-A-2011-188584未公开两个相之间的连接关系，因此，高电压可施加于两个相的次级绕组之间。作为其实例，电力转换装置的结构将参考三个相中两个相(称为U相和V相)使用图11进行说明，其中单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接以形成三相输出，如图9所示。在图11中，变压器TR2的初级绕组2连接至AC电源I的输出端子，并且四个单相三电平逆变器单元3ul、3u2、3vl和3v2的AC输入端子分别在图中所示变压器的结构位置处连接至变压器TRl的次级绕组LSl-1至LS1-4和LS2-1至LS2-4。此外，四个单相三电平逆变器单元3ul、3u2、3vl和3v2各者的开关元件接通或断开，使得每个AC输出端子连接至平滑电容器的端子，如图所示，例如，使得一个AC输出端子ACl连接至平滑电容器的P端子。这个连接实例为实例，其中最高电压施加于变压器TR2的U相绕组和V相绕组中相邻次级绕组(LS1-4和LS2-1)之间。当每个平滑电容器的两个端子之间电压为Ed时，通过图11原理图中粗线表示的路径(逆变器单元3u2的M点一逆变器单元3u2的P点一逆变器单元3ul的N点一逆变器单元3ul的M点一逆变器单元3ul的P点一逆变器单元3vl的N点一逆变器单元3vl的M点一逆变器单元3vl的P点)，最大电压变为5Ed。
[0015]此外，图12为示出每个相串联臂的结构实例的图，其中使用三个单相三电平逆变器单元。这个实例为如下实例，其中图9所示的三个单相三电平逆变器单元的输出端子(作为现有技术实例进行说明)串联连接，并且考虑了三个相中两个相(U相和V相)。在图12中，图11中结构扩展为具有三个单相三电平逆变器单元，并且在六个单相三电平逆变器单元3ul至3u3和3vl至3v3中开关元件接通或断开,使得最高电压施加于变压器TR3的U相和V相的相邻次级绕组LS1-6和LS2-1之间。在这种情况下，通过由图12所示电路中粗线表示的路径(逆变器单元3u3的N点一逆变器单元3u3的M点一逆变器单元3u3的P点—逆变器单元3u2的N点一逆变器单元3u2的M点一逆变器单元3u2的P点一逆变器单元3ul的N点一逆变器单元3ul的M点一逆变器单元3ul的P点一逆变器单元3vl的N点一逆变器单元3vl的M点一逆变器单元3vl的PA),施加于变压器TR3的U相次级绕组和V相次级绕组中相邻次级绕组LS1-6和LS2-1之间的最高电压甚至达到8Ed。
[0016]此外，CN101098107B公开了结构实例，其中使用单相二电平逆变器单元以减少施加于相中绕组之间的电压，但逆变器单元数目和变压器次级绕组数目为相同。
[0017]如上所述，高电压可施加于与两个相对应的变压器的次级绕组之间，并且在这种情况下，根据高电压，需要确保隔离。因此，为了增加隔离距离，需要增加变压器的尺寸和重量。
【发明内容】
[0018]本发明目的在于提供一种电力转换装置，所述电力转换装置具有如下结构，其中通过使用多个单相三电平逆变器单元，AC输出端子串联连接以形成相臂，并且设置于一个变压器中的隔离的次级绕组分别连接至每个单相三电平逆变器单元的AC输入端子，所述结构为连接多个单相三电平逆变器单元的布置与变压器次级绕组的布置提供构件，可减少施加于相间的布置于最相邻的的变压器次级绕组之间的电压，从而减少变压器的尺寸和重量。
[0019]为了解决上述问题，根据第一发明，提供了电力转换装置，包括K个相臂，
[0020]其中，N个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接，以形成一个相，其中N和K是2以上的整数，
[0021]其中，每个单相三电平逆变器单元包括:
[0022]彼此隔离的第一 AC输入端子和第二 AC输入端子，其中AC电流输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子；
[0023]两个AC-DC转换器，该两个AC-DC转换器将输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子的每个AC输入端子的所述AC电流转换为DC ；
[0024]平滑电容器，该平滑电容器连接到所述AC-DC转换器的每个输出；以及
[0025]单相三电平逆变器，该单相三电平逆变器使用每个所述平滑电容器的串联电路作为DC输入，以输出单相AC，
[0026]其中，变压器具有一个初级绕组和2NX K个次级绕组，
[0027]其中，每个单相三电平逆变器单元的所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子的每个AC输入端子都连接到所述变压器的所述次级绕组，
[0028]其中，所述K个相臂中的每个相臂的所述AC输出端子中的一个AC输出端子彼此共同地连接，以形成共同连接点，所述K个相臂中的每个相臂的所述AC输出端子中的另一个AC输出端子用作为每个相的AC输出端子，
[0029]其中，当所述N个单相三电平逆变器单元从所述共同连接点依次表示为第一单元至第N单元时，所述变压器的所述次级绕组的结构位置对应于所述K个相地依次布置，并且用于每个相的所述次级绕组从第一顺序到第2N顺序分别布置，在所述N个单相三电平逆变器单元中，所述AC输出端子串联连接，
[0030]其中，当任何一个相为L相时，L是I至K-1中任意一个的整数，用于所述L相的所述次级绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，用于所述L相的所述次级绕组中的第2N次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子，用于(L+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第一AC输入端子，并且用于所述(L+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
[0031]根据第二发明，提供了电力转换装置，包括K个相臂，
[0032]其中，N个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接，以形成一个相，其中N和K是2以上的整数，
[0033]其中，每个单相三电平逆变器单元包括:
[0034]彼此隔离的第一 AC输入端子和第二 AC输入端子，其中AC电流输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子；
[0035]两个AC-DC转换器，该两个AC-DC转换器将输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子中的每个AC输入端子的AC电流转换为DC ；
[0036]平滑电容器，该平滑电容器连接到所述AC-DC转换器的每个输出；以及
[0037]单相三电平逆变器，该单相三电平逆变器使用每个平滑电容器的串联电路作为DC输入，以输出单相AC,
[0038]其中，变压器具有一个初级绕组和2NX K个次级绕组，
[0039]其中，每个单相三电平逆变器单元的所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子中的每个AC输入端子都连接到所述变压器的所述次级绕组，
[0040]其中，所述K个相臂的每个相臂的所述AC输出端子中的一个AC输出端子彼此共同地连接，以形成共同连接点，并且所述K个相臂中的每个相臂的所述AC输出端子中的另一个AC输出端子用作为每个相的AC输出端子，
[0041]其中，当所述N个单相三电平逆变器单元从所述共同连接点依次表示为第一单元至第N单元时，所述变压器的所述次级绕组的结构位置对应于所述K个相地依次布置，并且用于每个相的所述次级绕组从第一顺序到第2N顺序分别布置，在所述N个单相三电平逆变器单元中，所述AC输出端子串联连接，
[0042]其中，当任何一个相为L相时，L为I至K-1中任意一个的整数，K是3以上的整数，用于所述L相的所述绕组中的第2N次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，用于所述L相的所述绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第二AC输入端子，用于(L+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，并且用于所述(L+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
[0043]根据第三发明，当除所述L相以外的任何一个相为M相时，其中M是I至K-1中的不同于L的整数，并且K是3以上的整数，用于所述M相的绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第一 AC输入端子，用于所述M相的所述绕组中的第2N次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第二 AC输入端子，用于(M+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，并且用于所述(M+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
[0044]根据第四发明，当除所述L相以外的任何一个相为M相时，其中M是I至K-1中的不同于L的整数，K是3以上的整数，用于所述M相的所述绕组中的第2N次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第一 AC输入端子，用于所述M相的所述绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第二 AC输入端子，用于(M+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，并且用于所述(M+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
[0045]本发明的有益效果
[0046]根据本发明，提供了电力转换装置，其中与K个相对应的单相串联臂各者的一个端子共同连接以形成共同连接点，另一个端子用作每个相的AC输出端子。这里，当AC输出端子串联连接的N个单相三电平逆变器单元从共同连接点依次表示为第一单元至第N单元时，与K个相对应地依次布置变压器的次级绕组的结构位置，并且各相次级绕组从第一顺序到第2N顺序分别进行布置。此外，当任何一个相为L相时(L为I至K-1的整数)，L相次级绕组中第(2N-1)次级绕组连接至L相的第一单元的第一 AC输入端子，L相次级绕组中第2N次级绕组连接至L相的第一单元的第二 AC输入端子，(L+1)相绕组中第二次级绕组连接至(L+1)相的第一单元的第一 AC输入端子，(L+1)相绕组中第一次级绕组连接至(L+1)相的第一单元的第二 AC输入端子。此外，除L相外的M相和(M+1)相的结构具有相同布置和连接关系。或可，L相和(L+1)相的结构可具有反向连接关系。或可，M相和(M+1)相的结构可具有反向连接关系。
[0047]因此，与现有技术相比，可以减少施加于各个相间的布置于最相邻的变压器的次级绕组之间的电压，从而减少变压器的尺寸和重量。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1是示出了本发明第一实例的电路框图。
[0049]图2是示出了本发明第二实例的电路框图。
[0050]图3是示出了本发明第三实例(N:偶数)的电路框图。
[0051]图4是示出了本发明第三实例(N:奇数)的电路框图。
[0052]图5是示出了本发明第四实例(N:偶数)的电路框图。
[0053]图6是示出了本发明第四实例(N:奇数)的电路框图。
[0054]图7是示出本发明第一操作的图。
[0055]图8是示出本发明第二操作的图。
[0056]图9是单相三电平逆变器的电路图。
[0057]图10是示出了现有技术的电路框图。
[0058]图11是示出现有技术问题的第一电路的框图。
[0059]图12是示出现有技术问题的第二电路的框图。
[0060]附图标记和符号说明
[0061]I:AC 电源
[0062]2:初级绕组
[0063]TRl 至 TR4:变压器
[0064]3ul至3uN, 3vl至3vN, 3wl至3wN:单相三电平逆变器单兀
[0065]LSl-1至LS1- (2N):第一相次级绕组端子(U相)
[0066]LS2-1至LS2- (2N):第二相次级绕组端子(V相)
[0067]LS3-1至LS3- (2N):第三相次级绕组端子(W相)
[0068]U:U 相 AC 输出
[0069]V:V 相 AC 输出
[0070]W:W 相 AC 输出
【具体实施方式】
[0071]本发明的特征点涉及电力转换装置，该电力转换装置包括对应于K个相的一相臂，其中N个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接，以形成一相(N和K为2或更大的整数)，每个单相三电平逆变器单元包括:彼此隔离的第一 AC输入端子和第二 AC输入端子，AC电流输入至该第一 AC输入端子和该第二 AC输入端子；和单相三电平逆变器，该单相三电平逆变器输出单相AC电流，其中每个单相臂的一个端子共同连接以形成共同连接点，另一个端子用作为每个相的AC输出端子。这里，当其中AC输出端子串联连接的N个单相三电平逆变器单元从共同连接点依次表示为第一单元至第N单元时，对应于K个相地依次布置变压器的次级绕组的结构位置，并且各相的次级绕组从第一顺序到第2N顺序分别进行布置。此外，当任何一相为L相时(L为I至K-1的整数)，用于L相的次级绕组中第(2N-1)次级绕组连接至L相的第一单元的第一 AC输入端子，用于L相的次级绕组中第2N次级绕组连接至L相的第一单元的第二 AC输入端子，用于(L+1)相的绕组中第二次级绕组连接至(L+1)相的第一单元的第一 AC输入端子，用于(L+1)相的绕组中第一次级绕组连接至(L+1)相的第一单元的第二 AC输入端子。此外，除L相以外的M相和(M+1)相具有相同结构。此外，L相与变压器的次级绕组之间的连接关系和(L+1)相与次级绕组之间的连接关系可交换，M相与变压器的次级绕组之间的连接关系和(M+1)相与次级绕组之间的连接关系可交换。
[0072]第一实例
[0073]图1示出本发明第一实例。第一实例为当N = 2和K = 3时的实例。这是电力转换装置实例，其中两个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接以形成一个相，从而提供三相输出。U相串联臂由单相三电平逆变器单元3ul和3u2的AC输出端子串联连接的电路形成，V相串联臂由单相三电平逆变器单元3 VI和3 v2的AC输出端子串联连接的电路形成，W相串联臂由单相三电平逆变器单元3wl和3w2的AC输出端子串联连接的电路形成。U相串联臂的AC输出端子中的一个(3ul的ACl端子)、V相串联臂的AC输出端子中的一个(3vl的ACl端子)以及W相串联臂的AC输出端子中的一个(3wl的ACl端子)彼此连接，以形成共同连接点O。变压器TR2的初级绕组2连接至AC电源I的输出，并且12个次级绕组LSl-1至LS1-4、LS2-1至LS2-4和LS3-1至LS3-4分别连接至六个单相三电平逆变器单元3ul、3u2、3vl、3v2、3wl和3w2的AC输入端子。变压器TR2的次级绕组依次为U相、V相和W相布置。用于U相的次级绕组以LSl-1至LS1-4顺序布置，用于V相的次级绕组以LS2-1至LS2-4顺序布置，以及用于W相的次级绕组以LS3-1至LS3-4顺序布置。
[0074]这里，假设权利要求中公开的L为1，如果当L= I时的相设置为U相，那么U相的连接至共同连接点O的单相三电平逆变器单元3ul充当第一单元。这里，第一单元的第一AC输入端子1111连接至变压器11?2的次级绕组1^1-3(第(2N-1)绕组)，第二 AC输入端子ul2连接至变压器TR2的次级绕组LS1-4 (第2N绕组)。此外，V相((L+1)相)的单相三电平逆变器单元3vl充当第一单元。这里，第一 AC输入端子vll连接至变压器TR2的次级绕组LS2-2 (第二绕组)，第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR2的次级绕组LS2-1 (第一绕组)。利用这种结构，U相和V相的相邻次级绕组为LS1-4和LS2-1，并且施加于这些绕组LS1-4和LS2-1之间的电压变为U相的第一单元3ul的第二 AC输入端子ul2与V相的第一单元3vl的第二 AC输入端子vl2之间的电压，该电压为3Ed。与所述电压为5Ed的现有技术实例相比，在本实例中，所述电压减少为3Ed。
[0075]这里，即使当U相的第一单元3ul的第一 AC输入端子ull连接至次级绕组LS1-4 (第2N绕组)，第一 AC输入端子ul2连接至次级绕组LS1-3 (第(2N-1)绕组)，V相的第一单元3vl的第一 AC输入端子vll连接至变压器TR2的次级绕组LS2-1 (第一绕组)，并且第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR2的次级绕组LS2-2 (第二绕组)时，也获得相同效果。施加于U相和V相的相邻次级绕组LS1-4和LS2-1之间的电压变为3Ed。
[0076]图7为示出施加于U相和V相的相邻次级绕组LS1-4和LS2-1之间的电压为3Ed的原理的示意图。变压器TR2的初级绕组2连接至AC电源I的输出端子，并且四个单相三电平逆变器单元3ul、3u2、3vl和3v2的各个AC输入端子在所示变压器的结构位置处连接至变压器TR2的次级绕组LSl-1至LS1-4和LS2-1至LS2-4。此外，假设在四个单相三电平逆变器单元3ul、3u2、3vl和3v2中例如单元3ul的每个单相三电平逆变器单元的开关元件接通或断开，使得例如一个AC输出端子ACl连接至例如平滑电容器的P端子，并且使得每个AC输出端子连接至平滑电容器的端子，如图所示。这种情况为实例，其中最高电压施加于变压器TR2的U相绕组和V相绕组中相邻次级绕组(LS1-4和LS2-1)之间。当每个平滑电容器的两端间电压为Ed时，通过由图7所示电路中粗线表示的路径(逆变器单元3ul的N点一逆变器单元3ul的P点一逆变器单元3vl的N点一逆变器单元3vl的M点)，电压变为 3Ed。
[0077]接着，假设除L相之外的一个相为M相，将进行说明L = I和M = I的实例。图1中，当L= I时的相设置为U相，当M= I时的相设置为V相。这里，K = 3。V相(M相)的第N单元3v2的第一 AC输入端子v21连接至V相绕组中的次级绕组LS2-3(第(2N-1)绕组)，第二 AC输入端子v22连接至V相绕组中的次级绕组LS2-4 (第2N绕组)，W相((M+1)相)的第一单元的第一 AC输入端子wll连接至W相((M+1)相)绕组中的第二次级绕组LS3-2，并且第二 AC输入端子《12连接至W相((M+1)相)绕组中的第一次级绕组LS3-1。在这种结构中，施加于连接至V相的第二单元3v2的第二 AC输入端子的次级绕组LS2-4、与连接至W相的第一单元3wl的第二 AC输入端子《12的次级绕组LS3-1之间的电压变为5Ed。
[0078]这里，即使当V相(M相)的第N单元3v2的第一 AC输入端子v21连接至V相绕组中的次级绕组LS2-4 (第2N绕组)，第二 AC输入端子v22连接至V相绕组中的次级绕组LS2-3(第(2N-1)绕组)，W相((M+1)相)的第一单元的第一 AC输入端子wlI连接至W相((M+1)相)绕组中的第一次级绕组LS3-1，并且第二 AC输入端子《12连接至W相((M+1)相)绕组中的第二次级绕组LS3-2时，施加于变压器TR2中V相的次级绕组LS2-4和W相的次级绕组LS3-1之间的电压也同样变为5Ed。
[0079]第二实例
[0080]图2示出本发明第二实例。第二实例为当N = 3和K = 3时的实例。这是电力转换装置实例，其中三个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接以形成一个相，从而提供三相输出。U相串联臂由单相三电平逆变器单元3u1、3u2和3u3形成，V相串联臂由单相三电平逆变器单元3v1、3v2和3v3形成，W相串联臂由单相三电平逆变器单元3wl、3w2和3w3形成。U相串联臂的AC输出端子中的一个(3ul的ACl端子)、V相串联臂的AC输出端子中的一个(3vl的ACl端子)以及W相串联臂的AC输出端子中的一个(3wl的ACl端子)彼此连接，以形成共同连接点O。AC电源I的输出连接至变压器TR3的初级绕组2，并且18个次级绕组LSl-1至LS1-6、LS2-1至LS2-6和LS3-1至LS3-6分别连接至九个单相三电平逆变器单元3ul至3u3、3vl至3v3、3wl至3w3的AC输入端子。变压器TR3的次级绕组依次为U相、V相和W相布置。用于U相的次级绕组以LSl-1至LS1-6顺序布置，用于V相的次级绕组以LS2-1至LS2-6顺序布置，并且用于W相的次级绕组以LS3-1至LS3-6顺序布置。
[0081]这里，假设L为1，如果当L = I时的相设置为U相，那么U相的连接至共同连接点O的单相三电平逆变器单元3ul充当第一单元。这里，第一单元的第一 AC输入端子Ul I连接至变压器TR3的次级绕组LS1-5 (第(2N-1)绕组)，并且第二 AC输入端子ul2连接至变压器TR3的次级绕组LS1-6 (第2N绕组)。此外，V相((L+1)相)的单相三电平逆变器单元3vl充当第一单元。这里，第一单元的第一 AC输入端子vll连接至变压器TR3的次级绕组LS2-2 (第二绕组)，第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR3的次级绕组LS2-1 (第一绕组)。利用这种结构，U相和V相的相邻次级绕组为LS1-6和LS2-1，并且施加于这些绕组LS1-6和LS2-1之间的电压变为U相的第一单元3ul的第二 AC输入端子ul2与V相的第一单元3vl的第二 AC输入端子vl2之间的电压，该电压为3Ed。与电压为5Ed的现有技术实例相比，在本实例中，电压减少为3Ed。
[0082]这里，即使当U相的第一单元3ul的第一 AC输入端子ull连接至次级绕组LS1-6 (第2N绕组)，第一 AC输入端子ul2连接至次级绕组LS1-5 (第(2N-1)绕组)，V相的第一单元3vl的第一 AC输入端子vll连接至变压器TR3的次级绕组LS2-1 (第一绕组)，并且第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR3的次级绕组LS2-2 (第二绕组)时，也获得相同效果。施加于U相和V相的相邻次级绕组LS1-6和LS2-1之间的电压变为3Ed。
[0083]接着,假设除L相之外的一个相为M相,将说明L = I和M = I的实例。当L = I时的相设置为U相，当M= I时的相设置为V相。这里，K = 3。V相(M相)的第N单元3v3的第一 AC输入端子v31连接至V相绕组中的次级绕组LS2-6 (第2N绕组)，第二 AC输入端子v32连接至V相绕组中的次级绕组LS2-5 (第(2N-1)绕组)，W相((M+1)相)的第一单元的第一 AC输入端子wll连接至W相((M+1)相)绕组中的第一次级绕组LS3-1，第二 AC输入端子wl2连接至W相((M+1)相)绕组中的第二次级绕组LS3-2。在这种结构中，施加于连接至V相的第一单元3v3的第一 AC输入端子wll的次级绕组LS2-6与连接至W相的第一单元3wl的第一 AC输入端子wll的次级绕组LS3-1之间的电压变为7Ed，该电压低于现有技术中的8Ed。
[0084]这里，即使当V相(M相)的第N单元3v3的第一 AC输入端子v31连接至V相绕组中的次级绕组LS2-5(第(2N-1)绕组)，第二 AC输入端子v32连接至V相绕组中的次级绕组LS2-6 (第2N绕组)，W相((M+1)相)的第一单元的第一 AC输入端子wll连接至W相((M+1)相)绕组中的第二次级绕组LS3-2，并且第二 AC输入端子《12连接至W相((M+1)相)绕组中的第一次级绕组LS3-1时，施加于V相的次级绕组LS2-6和W相的次级绕组LS3-1之间的电压也同样变为7Ed，该电压低于现有技术中8Ed。
[0085]图8为示出7Ed施加于变压器的相间的相邻次级绕组LS1-6和LS2-1之间的原理的图。这个实例为如下实例，其中图9所述的单相三电平逆变器单元的三个输出(作为现有技术实例示出)串联连接，并且考虑了三个相中的两个相(U相和V相)。图8中，与图12相同，六个单相三电平逆变器单元3ul至3u3、3vl至3v3中的开关元件接通或断开，使得最高电压施加于变压器TR3的U相和V相的相邻次级绕组LS1-6和LS2-1之间。在这种情况下，通过由图8所示电路中粗线表示的路径(逆变器单元3u3的N点一逆变器单元3u3的M点一逆变器单元3u3的P点一逆变器单元3u2的N点一逆变器单元3u2的M点一逆变器单元3u2的P点一逆变器单元3ul的N点一逆变器单元3ul的M点一逆变器单元3ul的P点一逆变器单元3vl的N点一逆变器单元3vl的M点)，施加于变压器TR3的U相的次级绕组和V相的次级绕组中相邻次级绕组LS1-6和LS2-1之间的最高电压变为7Ed。
[0086]第三实例
[0087]图3和图4示出本发明第三实例。图3和图4是示出当K = 3时的实例的、示出实例I和2的概括的电路框图。图3示出N为偶数的结构，并且图4示出N为奇数的结构。这是电力转换装置的实例，其中N个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接以形成一个相，从而提供三相输出。U相串联臂由单相三电平逆变器单元3ul至3uN形成，V相串联臂由单相三电平逆变器单元3vI至3vN形成，W相串联臂由单相三电平逆变器单元3wl至3wN形成。U相串联臂的AC输出端子中的一个(3ul的ACl端子)、V相串联臂的AC输出端子中的一个(3vl的ACl端子)以及W相串联臂的AC输出端子中的一个(3wl的ACl端子)彼此连接，以形成共同连接点O。AC电源I的输出连接至变压器TR4的初级绕组2，并且6N个次级绕组LSl-1至LS1-2N、LS2-1至LS2- (2N)和LS3-1至LS3-2N分别连接至3N个单相三电平逆变器单元3ul至3uN、3vl至3vN和3wl至3wN的AC输入端子。变压器TR4的次级绕组依次为U相、V相和W相布置。用于U相的次级绕组以LSl-1至LS1-(2N)顺序布置，用于V相的次级绕组以LS2-1至LS2-(2N)顺序布置，并且用于W相的次级绕组以LS3-1至LS3-(2N)顺序布置。
[0088]这里，假设L为1，如果L= I的相设置为U相，那么U相的连接至共同连接点O的单相三电平逆变器单元3ul充当第一单元。第一单元的第一 AC输入端子ull连接至变压器TR4的次级绕组LS1-(2N-1)，第二 AC输入端子ul2连接至变压器TR4的次级绕组LS1-2N。此外，V相((L+1)相)的单相三电平逆变器单元3vl充当第一单元。第一单元的第一 AC输入端子vll连接至变压器TR4的次级绕组LS2-2 (第二绕组)，并且第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR4的次级绕组LS2-1 (第一绕组)。利用这种结构，U相和V相的相邻次级绕组为LS1-(2N)和LS2-1，施加于这些绕组之间的电压变为U相的第一单元3ul的第二 AC输入端子ul2与V相的第一单元3vl的第二 AC输入端子vl2之间的电压，该电压为3Ed。这里，相同操作原理适用于N为偶数的情况(图3)以及N为奇数的情况(图4)。与电压为5Ed的现有技术实例相比，在本实例中，电压减少为3Ed。
[0089]这里，即使当U相的第一单元3ul的第一 AC输入端子ull连接至变压器4的次级绕组LS1-2N，第一 AC输入端子ul2连接至次级绕组LS1_(2N_1)，V相的第一单元3vl的第一 AC输入端子vll连接至变压器TR4的次级绕组LS2-1 (第一绕组)，并且第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR4的次级绕组LS2-2(第二绕组)时，也获得相同效果。施加于U相和V相的相邻次级绕组LS1-2N和LS2-1之间的电压变为3Ed。
[0090]接着,假设除L相之外的一个相为M相,将说明L = I和M = I的实例。当L = I时的相设置为U相，并且当M= I时的相设置为V相。这里，K = 3。N为偶数的结构如图3所示。V相(M相)的第N单元3vN的第一 AC输入端子vNl连接至V相绕组中的次级绕组LS2- (2N-1)，第二 AC输入端子vN2连接至V相绕组中的次级绕组LS2- (2N)，W相((M+1)相)的第一单元的第一 AC输入端子wll连接至W相((M+1)相)绕组中的第二次级绕组LS3-2，第二 AC输入端子wl2连接至W相((M+1)相)绕组中的第一次级绕组LS3-1。在这种结构中，施加于连接至V相的第N单元3vN的第二 AC输入端子vN2的次级绕组LS2- (2N)与连接至W相的第一单元3wl的第二 AC输入端子《12的次级绕组LS3-1之间的电压变为(2N+1) XEcL
[0091]接着，N为奇数的结构如图4所示。所述N为奇数的结构与N为偶数的结构不同之处在于:V相的第N单元3vN与变压器TR4的次级绕组的连接方法、以及W相的第一单元3wl与变压器TR4的次级绕组的连接方法。在V相的第N单元3vN与变压器TR4的次级绕组的连接中，V相的第N单元3vN的第一 AC输入端子vNl连接至变压器TR4的V相的次级绕组LS2- (2N)，第二 AC输入端子vN2连接至变压器TR4的V相的次级绕组LS2- (2N-1)。在W相的第一单元3wl与变压器TR4的次级绕组的连接中，W相的第N单元3wl的第一 AC输入端子wll连接至变压器TR4的W相的次级绕组LS3-1，第二 AC输入端子《12连接至变压器TR4的W相的次级绕组LS3-2。在这种结构中，施加于连接至V相的第N单元3vN的第一AC输入端子vNl的次级绕组LS2-(2N)与连接至W相的第一单元3wl的第一 AC输入端子wll的次级绕组LS3-1之间的电压变为(2N+1) XEd。
[0092]第四实例
[0093]图5和图6示出本发明第四实例。第四实例为通过改变第三实例中U相的第一单元3ul的AC输入与变压器的次级绕组的连接方法获得的实例。图5为N为偶数的实例，图6为N为奇数的实例。在图5和图6中，U相的第一单元3ul的第一 AC输入端子ull连接至变压器TR4的次级绕组LS1- (2N)，第二 AC输入端子ul2连接至次级绕组LS1- (2N-1)，V相的第一单元3vl的第一 AC输入端子vll连接至变压器TR4的次级绕组LS2-1 (第一绕组)，第二 AC输入端子vl2连接至变压器TR4的次级绕组LS2-2 (第二绕组)。施加于U相和V相的相邻次级绕组LS1-2N和LS2-1之间的电压变为3Ed。
[0094]接着,假设除L相之外的一个相为M相,将说明L = I和M = I的实例。当L = I时的相设置为U相，当M= I时的相设置为V相。这里，K = 3。N为偶数的结构如图5所示。V相(M相)的第N单元3vN的第一 AC输入端子vNl连接至V相绕组中的次级绕组LS2- (2N)，第二 AC输入端子vN2连接至V相绕组中的次级绕组LS2- (2N-1)，W相((M+1)相)的第一单元3wl的第一 AC输入端子wll连接至W相((M+1)相)绕组中的第二次级绕组LS3-1，第二 AC输入端子wl2连接至W相((M+1)相)绕组中的第一次级绕组LS3-2。在这种结构中，施加于连接至V相的第N单元3vN的第一 AC输入端子vNl的次级绕组LS2- (2N)与连接至W相的第一单元3wl的第一 AC输入端子wll的次级绕组LS3-1之间的电压变为(2N+1) XEcL
[0095]接着，N为奇数的结构如图6所示。所述N为奇数的结构与N为偶数的结构不同之处在于:V相的第N单元3vN与变压器TR4的次级绕组的连接方法、以及W相的第一单元3wl与变压器TR4的次级绕组的连接方法。在V相的第N单元3vN与变压器TR4的次级绕组的连接中，V相的第N单元3vN的第一 AC输入端子vNl连接至变压器TR4的V相的次级绕组LS2- (2N-1)，第二 AC输入端子vN2连接至变压器TR4的V相的次级绕组LS2- (2N)。在W相的第一单元3wl与变压器TR4的次级绕组的连接中，W相的第N单元3wl的第一 AC输入端子wll连接至变压器TR4的W相的次级绕组LS3-2，第二 AC输入端子《12连接至变压器TR4的W相的次级绕组LS3-1。在这种结构中，施加于连接至V相的第N单元3vN的第二AC输入端子vN2的次级绕组LS2- (2N)与连接至W相的第一单元3wl的第二 AC输入端子wl2的次级绕组LS3-1之间的电压变为(2N+1) XEd。
[0096]在以上实例中，作为L = I的实例，示出了 U相设置为第一相的实例，并且主要说明U相与V相之间的关系，但是，例如，可示出V相设置为第一相的实例，并且可考虑V相与W相之间的关系。此外，可使用W相设置为第一相的实例，并且可考虑W相与V相之间的关系。以此方式，任何相可设置为第一相以实现相同效果。此外，说明了 K = 3用作相数的情况，但是本发明同样适用于K为4或更大的情况。
[0097]本发明涉及减少施加于多逆变器电路中变压器的各个绕组之间的电压的技术，以获得高电压AC输出，所述多逆变器电路具有多个单相三电平逆变器单元的串联连接的多个AC输出端子，所述多个单相三电平逆变器单元具有变压器的多个次级绕组作为AC输入，所述多个次级绕组彼此隔离；并且本发明可适用于高电压电动机驱动装置、互连转换装置坐寸ο
【权利要求】
1.一种电力转换装置，包括K个相臂， 其中，N个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接，以形成一个相，其中N和K是2以上的整数， 其中，每个单相三电平逆变器单元包括: 彼此隔离的第一 AC输入端子和第二 AC输入端子，其中AC电流输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子； 两个AC-DC转换器，该两个AC-DC转换器将输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子的每个AC输入端子的所述AC电流转换为DC ； 平滑电容器，该平滑电容器连接到所述AC-DC转换器的每个输出；以及单相三电平逆变器，该单相三电平逆变器使用每个所述平滑电容器的串联电路作为DC输入，以输出单相AC, 其中，变压器具有一个初级绕组和2NXK个次级绕组， 其中，每个单相三电平逆变器单元的所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子的每个AC输入端子都连接到所述变压器的所述次级绕组， 其中，所述K个相臂中的每个相臂的所述AC输出端子中的一个AC输出端子彼此共同地连接，以形成共同连接点，所述K个相臂中的每个相臂的所述AC输出端子中的另一个AC输出端子用作为每个相的AC输出端子， 其中，当所述N个单相三电平逆变器单元从所述共同连接点依次表示为第一单元至第N单元时，所述变压器的所述次级绕组的结构位置对应于所述K个相地依次布置，并且用于每个相的所述次级绕组从第一顺序到第2N顺序分别布置，在所述N个单相三电平逆变器单元中，所述AC输出端子串联连接， 其中，当任何一个相为L相时，L是I至K-1中任意一个的整数，用于所述L相的所述次级绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，用于所述L相的所述次级绕组中的第2N次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子，用于(L+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第一AC输入端子，并且用于所述(L+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
2.一种电力转换装置,包括K个相臂， 其中，N个单相三电平逆变器单元的AC输出端子串联连接，以形成一个相，其中N和K是2以上的整数， 其中，每个单相三电平逆变器单元包括: 彼此隔离的第一 AC输入端子和第二 AC输入端子，其中AC电流输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子； 两个AC-DC转换器，该两个AC-DC转换器将输入到所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子中的每个AC输入端子的AC电流转换为DC ； 平滑电容器，该平滑电容器连接到所述AC-DC转换器的每个输出；以及单相三电平逆变器，该单相三电平逆变器使用每个平滑电容器的串联电路作为DC输入，以输出单相AC， 其中，变压器具有一个初级绕组和2NXK个次级绕组， 其中，每个单相三电平逆变器单元的所述第一 AC输入端子和所述第二 AC输入端子中的每个AC输入端子都连接到所述变压器的所述次级绕组， 其中，所述K个相臂的每个相臂的所述AC输出端子中的一个AC输出端子彼此共同地连接，以形成共同连接点，并且所述K个相臂中的每个相臂的所述AC输出端子中的另一个AC输出端子用作为每个相的AC输出端子， 其中，当所述N个单相三电平逆变器单元从所述共同连接点依次表示为第一单元至第N单元时，所述变压器的所述次级绕组的结构位置对应于所述K个相地依次布置，并且用于每个相的所述次级绕组从第一顺序到第2N顺序分别布置，在所述N个单相三电平逆变器单元中，所述AC输出端子串联连接， 其中，当任何一个相为L相时，L为I至K-1中任意一个的整数，K是3以上的整数，用于所述L相的所述绕组中的第2N次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，用于所述L相的所述绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述L相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子，用于(L+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，并且用于所述(L+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(L+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置， 其中，当除所述L相以外的任何一个相为M相时，其中M是I至K-1中的不同于L的整数，并且K是3以上的整数，用于所述M相的绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第一 AC输入端子，用于所述M相的所述绕组中的第2N次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第二 AC输入端子，用于(M+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，并且用于所述(M+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置， 其中，当除所述L相以外的任何一个相为M相时，其中M是I至K-1中的不同于L的整数，K是3以上的整数，用于所述M相的所述绕组中的第2N次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第一 AC输入端子，用于所述M相的所述绕组中的第(2N-1)次级绕组连接到所述M相的所述第N单元的所述第二 AC输入端子，用于(M+1)相的所述绕组中的第一次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第一 AC输入端子，并且用于所述(M+1)相的所述绕组中的第二次级绕组连接到所述(M+1)相的所述第一单元的所述第二 AC输入端子。
【文档编号】H02M7/49GK104253539SQ201410250076
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2013年6月25日
【发明者】岩堀道雄 申请人:富士电机株式会社