JP2019075942A

JP2019075942A - Power conversion device and rankine cycle system

Info

Publication number: JP2019075942A
Application number: JP2017202275A
Authority: JP
Inventors: 篤史森本; Atsushi Morimoto
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: JP6940370B2

Abstract

【課題】主機側のマルチレベルインバータ回路に接続された負荷における漏れ電流と、補機側のインバータ回路に接続された負荷における漏れ電流とを同時に低減すること。【解決手段】中間電圧を生成するコンバータ回路３と、３レベルで制御されるマルチレベルインバータ回路２と、中間電圧を平滑する平滑回路１１と、平滑された電圧で駆動するインバータ回路４と、マルチレベルインバータ回路２及びインバータ回路４の交流電圧出力を制御し、中間電圧がマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳するように制御する制御装置５と、を備える。脈動を含む中間電圧により、マルチレベルインバータ回路２の電圧変化率及びスイッチング回数を抑制して漏れ電流を抑制し、平滑回路１１を介してインバータ回路４を低電圧駆動することでインバータ回路４に接続された負荷も同時に漏れ電流を抑制する。【選択図】図１An object of the present invention is to simultaneously reduce leakage current in a load connected to a multi-level inverter circuit on the main machine side and leakage current in a load connected to an inverter circuit on the auxiliary machine side. A converter circuit (3) for generating an intermediate voltage, a multi-level inverter circuit (2) controlled at three levels, a smoothing circuit (11) for smoothing the intermediate voltage, an inverter circuit (4) for driving with the smoothed voltage, and a multilevel inverter circuit (4). a control device 5 for controlling AC voltage outputs of the level inverter circuit 2 and the inverter circuit 4 to superimpose a pulsating voltage containing the output frequency component of the multi-level inverter circuit 2 on the intermediate voltage. The intermediate voltage including pulsation suppresses the voltage change rate and the number of switching times of the multi-level inverter circuit 2 to suppress leakage current, and the inverter circuit 4 is connected to the inverter circuit 4 by driving the inverter circuit 4 at a low voltage via the smoothing circuit 11. The connected load also suppresses leakage current at the same time. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本開示は、回転機の駆動制御、電源装置などに用いられるマルチレベルインバータを用いた電力変換装置及びランキンサイクルシステムに関する。 The present disclosure relates to a power converter and a Rankine cycle system using a multilevel inverter used for drive control of a rotating machine, a power supply device, and the like.

従来のこの種の電力変換装置としては、１対の直列接続されたコンデンサで中性点を生成し、３レベルをスイッチングして出力する３レベルインバータが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に記載された従来の電力変換装置の構成を示すものである。 As a conventional power converter of this type, a three-level inverter has been proposed that generates a neutral point with a pair of serially connected capacitors and switches and outputs three levels (for example, see Patent Document 1) ). FIG. 6 shows the configuration of the conventional power conversion device described in Patent Document 1. As shown in FIG.

図６に示すように、従来の電力変換装置は、正負の直流母線間に直列接続され中性点が第二線に接続される正側母線コンデンサ１０１、負側母線コンデンサ１０２および、正負の直流母線間に直列接続されるスイッチ素子１０３、１０４ならびに、スイッチ素子１０３、１０４の接続点と中性点１０５との間に接続されるリアクトル１０６を有するバランス回路１０７などを備える。この電力変換装置は、正側母線コンデンサ１０１と負側母線コンデンサ１０２との間の電圧差に応じてスイッチ素子１０３あるいは１０４のうちの何れか一方を動作させることで、電圧をバランスさせながらインバータ１０８を３レベル出力するように構成されている。 As shown in FIG. 6, in the conventional power converter, positive side bus capacitor 101, negative side bus capacitor 102, and positive and negative DC wires connected in series between positive and negative DC buses and whose neutral point is connected to the second line. The switch elements 103 and 104 connected in series between the busbars, and the balance circuit 107 having the reactor 106 connected between the connection point of the switch elements 103 and 104 and the neutral point 105 are provided. This power converter operates the inverter 108 while balancing the voltage by operating either one of the switch elements 103 or 104 in accordance with the voltage difference between the positive bus capacitor 101 and the negative bus capacitor 102. Is configured to output 3 levels.

特開２０１４−３３５６５号公報JP, 2014-33565, A

特許文献１に示された従来の電力変換装置は、インバータの中性点電圧を固定するように制御して、レベル数増加によるコモンモード成分を低減することで漏れ電流を低減している。しかしながら、中性点を固定するように制御された電圧に基づくパルス幅変調によって出力電圧を制御すると、中性点電圧をスイッチングする期間が存在するために、主機側の漏れ電流抑制効果が限定的になると同時に、電力変換装置内部の補機側に対しては漏れ電流の低減効果を有しないという課題がある。 The conventional power conversion device disclosed in Patent Document 1 is controlled to fix the neutral point voltage of the inverter to reduce the leakage current by reducing the common mode component due to the increase in the number of levels. However, when the output voltage is controlled by pulse width modulation based on the voltage controlled to fix the neutral point, the leakage current suppression effect on the main unit side is limited because there is a period for switching the neutral point voltage. At the same time, there is a problem that the accessory side in the power converter does not have the effect of reducing the leakage current.

従来の課題を解決するために、本開示は、直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧及び前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を平滑して出力する平滑回路と、前記平滑回路によって平滑された電圧を入力して駆動するインバータ回路と、前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記コンバータ回路で生成される前記中間電圧が前記コンバータ回路の指令電圧に前記マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した設定電圧となるように前記コンバータ回路を制御する制御装置と、を備える電力変換装置を提供する。 In order to solve the conventional problems, the present disclosure relates to a converter circuit that generates an intermediate voltage using a DC voltage supplied from a DC power supply, to the DC power supply and the converter circuit, and to connect the DC voltage and the intermediate circuit. A voltage is input and driven, and a multilevel inverter circuit controlled by at least three levels, a smoothing circuit connected to the converter circuit to smooth and output the intermediate voltage, and a voltage smoothed by the smoothing circuit Control the inverter circuit to input and drive the multilevel inverter circuit so as to output a predetermined first AC voltage and the inverter circuit to output a predetermined second AC voltage, and the converter circuit generates Of the output voltage component of the multilevel inverter circuit to the command voltage of the converter circuit A control device for controlling the converter circuit as pulsating voltages including a set voltage obtained by superimposing, to provide a power conversion device comprising a.

本構成によって、コンバータ回路で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を指令電圧に重畳した中間電圧として供給され、マルチレベルインバータ回路は直流入力電圧と脈動電圧を含んだ中間電圧とをスイッチングして出力電
圧を生成すると同時に、脈動を含んだ中間電圧はインバータ回路の入力電圧として平滑回路を介して供給され、インバータ回路の負荷に対して所望の安定した交流電圧を出力することができる。 According to this configuration, the voltage generated by the converter circuit is supplied as an intermediate voltage in which the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit is superimposed on the command voltage, and the multilevel inverter circuit is an intermediate including the DC input voltage and the pulsating voltage While switching with the voltage to generate an output voltage, an intermediate voltage including pulsation is supplied as an input voltage of the inverter circuit through the smoothing circuit to output a desired stable AC voltage to the load of the inverter circuit. be able to.

本開示に係る技術によれば、コンバータ回路はマルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を指令電圧に重畳した中間電圧を生成し、マルチレベルインバータ回路は重畳した脈動電圧によってスイッチング回数を減少させつつ出力電圧を生成するため、スイッチング回数の低減およびレベル数に応じた電圧変化率の抑制によって、主機側の漏れ電流抑制ができると同時に、脈動電圧が重畳した電圧は整流平滑してインバータ回路に供給されるため、補機側のインバータ回路に接続された負荷を安定した低電圧での駆動によって漏れ電流の抑制を可能とすることができる。 According to the technique according to the present disclosure, the converter circuit generates an intermediate voltage in which the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit is superimposed on the command voltage, and the multilevel inverter circuit reduces the switching frequency by the superimposed pulsating voltage. At the same time, the output voltage is generated, so the leakage current can be suppressed on the main unit side by reducing the switching frequency and suppressing the voltage change rate according to the number of levels. Therefore, the load connected to the inverter circuit on the accessory side can be controlled at a stable low voltage to suppress the leakage current.

本開示の実施の形態１における電力変換装置の構成図Configuration diagram of a power conversion device according to a first embodiment of the present disclosure 本開示の実施の形態１における制御装置の第１制御部の制御ブロック図Control block diagram of first control unit of control device in the first embodiment of the present disclosure 本開示の実施の形態１における制御装置の第２制御部の制御ブロック図Control block diagram of second control unit of control device in the first embodiment of the present disclosure 本開示の実施の形態１における制御装置の第３制御部の制御ブロック図Control block diagram of third control unit of control device in the first embodiment of the present disclosure 本開示の実施の形態１における電力変換装置の各部の動作波形を示す図The figure which shows the operation | movement waveform of each part of the power converter device in Embodiment 1 of this indication. 本開示の実施の形態２におけるランキンサイクルシステムの構成図The block diagram of the Rankine cycle system in Embodiment 2 of this indication 本開示の実施の形態２における電力変換装置の各部の動作波形を示す図The figure which shows the operation | movement waveform of each part of the power converter device in Embodiment 2 of this indication. 特許文献１における従来の電力変換装置の構成図The block diagram of the conventional power converter in patent document 1

＜本発明者の検討に基づく知見＞
特許文献１に示す従来の電力変換装置では、主機に相当するマルチレベルインバータ出力のコモンモード成分のみが低減される。すなわち、主機に相当する部分に接続された負荷における漏れ電流のみが低減される。しかし、この従来の電力変換装置では、コンバータ回路は適宜スイッチングして中間電圧を一定に保持するように制御され、一定に保持された中間電圧に基づいて、マルチレベルインバータの出力電圧を生成することから、中間電圧をスイッチングする必要があるという課題があることを、本発明者は発見した。さらに、同時に電力変換装置内部の補機側に接続された負荷に対しては、漏れ電流の低減効果を有さないという課題があることを、本発明者は発見した。これに関して本発明者は、コンバータ回路で生成した中間電圧が、主機に相当するマルチレベルインバータ回路の中間電圧、及び、補機に相当するインバータ回路の入力電圧、の両方の電圧として併用され、マルチレベルインバータ回路の出力電圧を生成する際に、中間電圧をスイッチングすることに着目した。すなわち、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制されるが、同時に、インバータ回路に接続された負荷はマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、インバータ回路に接続された負荷も電圧変化率が抑制される。また、マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧をコンバータ回路の指令電圧に重畳した所望の設定電圧となるように制御して、マルチレベルインバータ回路の中間電圧のスイッチング回数を低減することができる。したがって、マルチレベルインバータ回路による入出力電力及びインバータ回路による入出力電力の影響を受けて変動する中間電圧を、マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を指令電圧に重畳した所望の設定電圧となるように制御することができれば、これら両方の負荷は、同時に電圧変化率が抑制されると同時に、スイッチング回数が低減されることで漏れ電流を抑制することができる。 <Findings based on the study of the inventor>
In the conventional power conversion device shown in Patent Document 1, only the common mode component of the multilevel inverter output corresponding to the main unit is reduced. That is, only the leakage current in the load connected to the part corresponding to the main machine is reduced. However, in this conventional power conversion device, the converter circuit is controlled to be appropriately switched to hold the intermediate voltage constant, and the output voltage of the multi-level inverter is generated based on the constant intermediate voltage held. From the above, the inventor has found that there is a problem that it is necessary to switch the intermediate voltage. Furthermore, the inventor has found that there is a problem that the load connected to the accessory side inside the power conversion device does not have the effect of reducing the leakage current at the same time. In this regard, the inventor of the present invention uses the intermediate voltage generated by the converter circuit as both the intermediate voltage of the multilevel inverter circuit corresponding to the main unit and the input voltage of the inverter circuit corresponding to the auxiliary unit. When generating the output voltage of the level inverter circuit, attention was focused on switching the intermediate voltage. That is, the load connected to the multilevel inverter circuit is controlled at a voltage change rate according to the number of levels, but at the same time the load connected to the inverter circuit is driven at an intermediate voltage lower than the maximum voltage of the multilevel inverter circuit. Therefore, the voltage change rate of the load connected to the inverter circuit is also suppressed. Further, the number of switching times of the intermediate voltage of the multilevel inverter circuit can be reduced by controlling the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit to a desired set voltage superimposed on the command voltage of the converter circuit. it can. Therefore, a desired set voltage obtained by superimposing a pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit on the command voltage with an intermediate voltage that fluctuates under the influence of the input / output power of the multilevel inverter circuit and the input / output power of the inverter circuit. If these two loads are controlled at the same time, the voltage change rate is simultaneously suppressed, and at the same time the number of times of switching is reduced, the leakage current can be suppressed.

なお、本明細書における中間電圧とは、絶対値でみたときに、最大電圧よりも小さい任意の電圧のことを示す。例えば、最大電圧をＶmaxとすると、中間電圧は０よりも大きく
Ｖmax未満の電圧のことを指す。典型的な例としては、中間電圧を０からＶmax／２の範囲でマルチレベルインバータ回路の出力周波数成分（例えば商用電源の２倍周波数である１００Ｈｚ、あるいは１２０Ｈｚ）の脈動電圧を指令電圧に重畳した電圧とすることができる。 The term "intermediate voltage" as used herein refers to any voltage smaller than the maximum voltage as viewed in absolute value. For example, when the maximum voltage is Vmax, the intermediate voltage is a voltage greater than 0 and less than Vmax. As a typical example, the pulsating voltage of the output frequency component of the multilevel inverter circuit (for example, 100 Hz or 120 Hz that is twice the frequency of the commercial power supply) is superimposed on the command voltage in the intermediate voltage range of 0 to Vmax / 2. It can be a voltage.

以上を踏まえ、本発明者は、主機に接続された負荷に対してスイッチング電圧およびスイッチング回数の低減による漏れ電流の低減と、補機に接続された負荷に対しても、脈動電圧を重畳した電圧を整流平滑した安定した低電圧で駆動することによって漏れ電流を低減することができる電力変換装置を検討した。 Based on the above, the inventor of the present invention has reduced the leakage current by reducing the switching voltage and the number of switching times for the load connected to the main unit, and the voltage obtained by superposing the pulsating voltage also for the load connected to the auxiliary unit. We examined a power converter that can reduce the leakage current by driving it with a stable low voltage rectified and smoothed.

本開示の第１態様は、
直流電源から供給される直流電圧を用いて中間電圧を生成するコンバータ回路と、
前記直流電源および前記コンバータ回路に接続され、前記直流電圧及び前記中間電圧を入力して駆動し、少なくとも３つのレベルで制御されるマルチレベルインバータ回路と、
前記コンバータ回路に接続され、前記中間電圧を平滑して出力する平滑回路と、
前記平滑回路によって平滑された電圧を入力して駆動するインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路が所定の第１交流電圧を出力し且つ前記インバータ回路が所定の第２交流電圧を出力するように制御するとともに、前記コンバータ回路で生成される前記中間電圧が前記コンバータ回路の指令電圧に前記マルチレベルインバータ回路の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した設定電圧となるように前記コンバータ回路を制御する制御装置と、
を備える電力変換装置を提供する。 The first aspect of the present disclosure is
A converter circuit that generates an intermediate voltage using a DC voltage supplied from a DC power supply,
A multi-level inverter circuit connected to the DC power supply and the converter circuit, driven by inputting the DC voltage and the intermediate voltage, and controlled at at least three levels;
A smoothing circuit connected to the converter circuit to smooth and output the intermediate voltage;
An inverter circuit that receives and drives the voltage smoothed by the smoothing circuit;
The multilevel inverter circuit outputs a predetermined first alternating voltage and the inverter circuit controls to output a predetermined second alternating voltage, and the intermediate voltage generated by the converter circuit is the converter circuit A control device configured to control the converter circuit such that a set voltage is obtained by superimposing a pulsating voltage including an output frequency component of the multilevel inverter circuit on a command voltage;
To provide a power converter.

第１態様によれば、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷は中間電圧に重畳した脈動電圧によってスイッチング回数を減少させつつ、レベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時にインバータ回路に接続された負荷は、平滑回路によってマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い安定した中間電圧で駆動することとなるため、相互に接続された負荷は同時に電圧変化率が抑制され、スイッチング回数の抑制に伴う高効率化と同時に電圧変化率抑制による漏れ電流の抑制を可能とすることができる。 According to the first aspect, while the load connected to the multilevel inverter circuit reduces the switching frequency by the pulsating voltage superimposed on the intermediate voltage, the voltage change rate is suppressed according to the number of levels, and is simultaneously connected to the inverter circuit. Since the load is driven by the smoothing circuit at a stable intermediate voltage lower than the maximum voltage of the multilevel inverter circuit, the voltage change rate of the mutually connected loads is simultaneously suppressed, and this is accompanied by the suppression of the number of switchings. It is possible to suppress the leakage current by suppressing the voltage change rate at the same time as increasing the efficiency.

本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記制御装置は、
前記インバータ回路の入力電圧の検出値、前記直流電圧の検出値、及び、前記コンバータ回路の出力電流の検出値に基づいて、前記中間電圧が前記設定電圧となるように制御する、
電力変換装置を提供する。 The second aspect of the present disclosure is in addition to the first aspect,
The controller is
The intermediate voltage is controlled to be the set voltage based on the detected value of the input voltage of the inverter circuit, the detected value of the DC voltage, and the detected value of the output current of the converter circuit.
To provide a power converter.

第２態様によれば、コンバータ回路で生成される中間電圧を、より安定的に、設定電圧となるようにすることができる。 According to the second aspect, the intermediate voltage generated by the converter circuit can be more stably set to the set voltage.

本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
前記コンバータ回路は、
複数の前記中間電圧を生成し、
前記インバータ回路は、
前記複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動する、
電力変換装置を提供する。 The third aspect of the present disclosure is in addition to the first aspect or the second aspect,
The converter circuit is
Generate a plurality of said intermediate voltages,
The inverter circuit is
Drive by inputting any one of the plurality of intermediate voltages,
To provide a power converter.

第３態様によれば、複数の中間電圧の中から、インバータ回路に接続された負荷に応じて適切な電圧を選択することができる。 According to the third aspect, an appropriate voltage can be selected from among the plurality of intermediate voltages in accordance with the load connected to the inverter circuit.

本開示の第４態様は、
第１態様から第３態様のいずれか一つの電力変換装置と、
作動流体を圧送するポンプ、前記作動流体を加熱する蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張機、及び前記作動流体を凝縮させる凝縮器がこの順に環状に接続されたランキンサイクル流路と、前記ポンプに接続されたモータと、前記膨張機に接続されて第３交流電圧を生成し出力する発電機と、を備えるランキンサイクル装置と、
前記発電機から出力された前記第３交流電圧を入力して直流電圧に変換し、前記直流電圧を出力する電力供給装置と、
を有し、
前記電力供給装置は、
前記コンバータ回路及び前記マルチレベルインバータ回路に対して前記直流電圧を供給する前記直流電源として動作し、
前記インバータ回路は、
入力される前記中間電圧を前記第２交流電圧に変換し、前記第２交流電圧を前記モータに供給する、
ランキンサイクルシステムを提供する。 The fourth aspect of the present disclosure is
The power converter according to any one of the first to third aspects;
A pump for pumping a working fluid, an evaporator for heating the working fluid, an expander for expanding the working fluid, and a Rankine cycle flow path in which a condenser for condensing the working fluid is annularly connected in this order, the pump A Rankine cycle device comprising: a motor connected to the motor; and a generator connected to the expander to generate and output a third AC voltage.
A power supply device which receives the third alternating voltage output from the generator, converts it into a direct voltage, and outputs the direct voltage;
Have
The power supply device
Operates as the DC power supply that supplies the DC voltage to the converter circuit and the multilevel inverter circuit,
The inverter circuit is
Converting the input intermediate voltage into the second AC voltage and supplying the second AC voltage to the motor;
Provide Rankine cycle system.

第４態様によれば、コンバータ回路で生成した中間電圧は、マルチレベルインバータ回路の中間電圧、及びインバータ回路の入力電圧の両方の電圧として併用される。そして、マルチレベルインバータ回路に接続された、例えば商用電源などの負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時に、インバータ回路に接続された負荷であるモータはマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、これら両方の負荷は同時に電圧変化率が抑制され、漏れ電流を抑制することができる。 According to the fourth aspect, the intermediate voltage generated by the converter circuit is used as both the intermediate voltage of the multilevel inverter circuit and the input voltage of the inverter circuit. The load connected to the multilevel inverter circuit, such as a commercial power supply, has a voltage change rate suppressed according to the number of levels, and at the same time, the motor connected to the inverter circuit is the maximum voltage of the multilevel inverter circuit. Since both of the loads are driven at a lower intermediate voltage, the voltage change rate is simultaneously suppressed, and the leakage current can be suppressed.

本開示の第５態様は、第４態様に加え、
前記制御装置は、
前記モータの回転数の検出値、モータ電流の検出値、及び前記インバータ回路の入力電圧の検出値に基づいて、前記モータの回転数が予め設定された回転数で維持されるようにインバータ回路を制御する、
ランキンサイクルシステムを提供する。 The fifth aspect of the present disclosure is, in addition to the fourth aspect,
The controller is
The inverter circuit is configured to maintain the number of revolutions of the motor at a preset number of revolutions based on the detected number of revolutions of the motor, the detected value of motor current, and the sensed value of the input voltage of the inverter circuit. Control,
Provide Rankine cycle system.

第５態様によれば、モータの回転数を、より安定的に、予め設定された回転数で維持することができる。 According to the fifth aspect, the number of rotations of the motor can be more stably maintained at the preset number of rotations.

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における電力変換装置１の構成図である。図１において、電力変換装置１は、マルチレベルインバータ回路２、中間電圧を生成するコンバータ回路３、中間電圧を入力して駆動するように接続したインバータ回路４、およびマルチレベルインバータ回路２とコンバータ回路３とインバータ回路４とを制御する制御装置５を備えている。電力変換装置１には直流電源が接続されている。直流電源は、コンバータ回路３及びマルチレベルインバータ回路２に対して直流電圧を供給する。なお、図１では、直流電源は、電力変換装置１の外部に配置されているが、電力変換装置１の内部に配置されていてもよい。 Embodiment 1
FIG. 1 is a configuration diagram of a power conversion device 1 according to a first embodiment of the present disclosure. In FIG. 1, a power conversion device 1 includes a multilevel inverter circuit 2, a converter circuit 3 for generating an intermediate voltage, an inverter circuit 4 connected to input and drive an intermediate voltage, and a multilevel inverter circuit 2 and a converter circuit. A controller 5 is provided to control the inverter 3 and the inverter circuit 4. A DC power supply is connected to the power conversion device 1. The DC power supply supplies a DC voltage to converter circuit 3 and multilevel inverter circuit 2. In FIG. 1, the DC power supply is disposed outside the power conversion device 1, but may be disposed inside the power conversion device 1.

マルチレベルインバータ回路２は、３レベルとなっており、スイッチング素子６ａ〜６ｈ（例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいはＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor））、ダイオード７ａ〜７ｄで構成
されている。 Multilevel inverter circuit 2 has three levels, and includes switching elements 6a to 6h (for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors)) and diodes 7a to 7d. It is done.

コンデンサ８ａは直流電圧の平滑用として配置され、コンデンサ８ｂは交流出力の波形整形用として配置され、さらに、コンデンサ８ｃは中間電圧の平滑用として配置されている。また、インバータ回路４とコンデンサ８ｃとの間には整流素子としてのダイオード７ｅと整流後の平滑用としてコンデンサ８ｄとが配置されて平滑回路１１を構成している。また、インダクタ９ａおよび９ｂは、コンデンサ８ｂと共に交流出力の波形整形用として配置されている。 The capacitor 8a is disposed for smoothing a direct current voltage, the capacitor 8b is disposed for shaping an alternating current waveform, and the capacitor 8c is disposed for smoothing an intermediate voltage. Further, a diode 7e as a rectifying element and a capacitor 8d for smoothing after rectification are disposed between the inverter circuit 4 and the capacitor 8c to constitute a smoothing circuit 11. The inductors 9a and 9b are disposed together with the capacitor 8b for waveform shaping of the AC output.

ここで、マルチレベルインバータ回路２の出力は、一般負荷に供給される。コンバータ回路３は、スイッチング素子６ｉおよび６ｊと、インダクタ９ｃとによって構成されている。インバータ回路４は、スイッチング素子６ｋ〜６ｐで構成されており、負荷としてモータ１０を接続している。 Here, the output of the multilevel inverter circuit 2 is supplied to a general load. Converter circuit 3 includes switching elements 6i and 6j and an inductor 9c. The inverter circuit 4 includes switching elements 6k to 6p, and the motor 10 is connected as a load.

また、図１で制御装置５から伸びている矢印は、各回路に対する駆動信号とその信号数量とを示している。 Moreover, the arrow extended from the control apparatus 5 in FIG. 1 has shown the drive signal with respect to each circuit, and its signal quantity.

図２Ａ〜図２Ｃは、制御装置５に含まれる、第１制御部５１、第２制御部５２、及び第３制御部５３のそれぞれの制御ブロックの一例を示す図である。制御装置５は、インバータ回路４による入出力電力とマルチレベルインバータ回路２による入出力電力との影響を受けて変動する中間電圧がマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるようにコンバータ回路３を制御する。制御装置５は、図２Ａに示す、インバータ回路４を制御する制御ブロックである第１制御部５１と、図２Ｂに示す、マルチレベルインバータ回路２を制御する制御ブロックである第２制御部５２と、図２Ｃに示す、コンバータ回路３を制御する制御ブロックである第３制御部５３と、を有するように構成されている。 FIGS. 2A to 2C are diagrams showing examples of control blocks of the first control unit 51, the second control unit 52, and the third control unit 53, which are included in the control device 5. FIG. It is desirable that control device 5 has a pulsating voltage in which an intermediate voltage fluctuating under the influence of input / output power by inverter circuit 4 and input / output power by multilevel inverter circuit 2 includes an output frequency component of multilevel inverter circuit 2. The converter circuit 3 is controlled to have the set voltage of Control device 5 includes a first control unit 51 that is a control block that controls inverter circuit 4 shown in FIG. 2A, and a second control unit 52 that is a control block that controls multilevel inverter circuit 2 that is shown in FIG. And a third control unit 53 which is a control block for controlling the converter circuit 3 shown in FIG. 2C.

図２Ａの第１制御部５１は、以下のように動作する。モータ１０の指令回転数（rpm_ref）と実際の回転数（rpm_t）との偏差が比例積分制御器に入力され、ｑ軸電流指令（Iq_ref）が演算される。演算されたｑ軸電流指令と実際のｑ軸電流（Iq_t）との偏差を演算して、演算した偏差に基づいてｑ軸電圧指令（Vq_ref）が演算される。また、ｄ軸電圧指令（Vd_ref）はゼロが入力される。入力されたｑ軸電圧指令、ｄ軸電圧指令は、２相／３相変換部にて３相変換され、変調信号生成部にてインバータ回路４の入力電圧である中間電圧の検出値（Vc_t）によって除算され、変調率が演算される。演算された変調率と搬送波（例えば、モータ１０の回転周波数よりも充分に早い周期で動作する三角波）とを搬送波比較部にて比較することにより駆動信号を生成し、スイッチング素子６ｋ〜６ｐをスイッチングする。 The first control unit 51 of FIG. 2A operates as follows. The deviation between the commanded rotational speed (rpm_ref) of the motor 10 and the actual rotational speed (rpm_t) is input to the proportional integral controller, and the q-axis current command (Iq_ref) is calculated. The deviation between the calculated q-axis current command and the actual q-axis current (Iq_t) is calculated, and the q-axis voltage command (Vq_ref) is calculated based on the calculated deviation. In addition, zero is input to the d-axis voltage command (Vd_ref). The q-axis voltage command and the d-axis voltage command that have been input are three-phase converted by the two-phase / three-phase converter, and the modulation signal generator detects the intermediate voltage that is the input voltage of the inverter circuit 4 (Vc_t) And the modulation rate is calculated. The drive signal is generated by comparing the calculated modulation factor with a carrier wave (for example, a triangular wave operating with a cycle sufficiently earlier than the rotational frequency of the motor 10) to generate a drive signal, and switch the switching elements 6k-6p. Do.

図２Ｂの第２制御部５２は、以下のように動作する。出力の変調率指令（出力電圧指令をコンデンサ８ａの電圧検出値で除算した結果）（m_ref）が入力される。入力された変調率指令は、コンデンサ８ｃの目標電圧（Vc_ref）がコンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）の１／２電圧よりも高電圧の場合にのみ有効となり、搬送波（ｃａｒｒｙ１）と比較した結果に応じてスイッチング素子６ａ、６ｃをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、入力された変調率指令をコンバータ回路３におけるコンデンサ８ｃに対する充電のための変調率（m_pnc）によって除算した結果に応じてスイッチング素子６ｂ、６ｄをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、入力された変調率指令の符号を反転した信号と搬送波（ｃａｒｒｙ１、ｃａｒｒｙ２）とを用いて、前記と同様に比較判定した結果、及び、前記と同様に除算した結果のそれぞれに基づいてスイッチング素子６ｅ〜６ｈをそれぞれオン／オフ制御するように、判定信号をそれぞれドライバ回
路（Ｄｒｉ）に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。 The second control unit 52 of FIG. 2B operates as follows. The modulation factor command (the result of dividing the output voltage command by the voltage detection value of the capacitor 8a) (m_ref) of the output is input. The input modulation factor command is effective only when the target voltage (Vc_ref) of the capacitor 8c is higher than a half voltage of the voltage detection value (Vpn_t) of the capacitor 8a, and the result is compared with the carrier (carry1) The determination signal is input to the driver circuit (Dri) so that the switching elements 6a and 6c are controlled to be turned on / off in accordance with the above. Further, the determination signal is controlled to turn on / off switching elements 6b and 6d according to the result of dividing the input modulation factor command by the modulation factor (m_pnc) for charging capacitor 8c in converter circuit 3 respectively. Each input to the driver circuit (Dri). Also, switching is performed based on the result of comparison and determination in the same manner as described above using the signal obtained by inverting the sign of the input modulation rate command and the carrier (carry1, carry2), and based on the result of division as described above. The determination signal is input to the driver circuit (Dri) so that the elements 6e to 6h are controlled to be turned on / off. Each driver circuit outputs a drive signal instructing switching to each corresponding switching element based on the determination signal.

図２Ｃの第３制御部５３は、以下のように動作する。マルチレベルインバータ回路２の出力の変調率（m_ref）から出力電圧指令の絶対値信号を生成し、最大値をコンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）の１／２電圧、最小値をゼロ電圧として制限器を通して指令電圧を制限する。制限した指令電圧とコンデンサ８ｃの実際の電圧（Vc_t）との偏差を演算して、比例積分制御器（ＰＩ）に入力され、充電電流指令値（Ic_ref）が演算される。演算された電流指令と実際の電流検出値（Ic_t）との偏差が比例積分制御器に入力され、コンデンサ８ａの電圧検出値（Vpn_t）で除算することで充電側のスイッチング素子６ｉの変調率指令（m_pnc）が演算される。得られた変調率指令を搬送波（ｃａｒｒｙ３）との比較結果によって、スイッチング素子６ｉを制御するように、判定信号をドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。また、スイッチング素子６ｊは、コンデンサ８ｃの実際の電圧検出値（Vc_t）が指令電圧（Vc_ref）に対して高い場合にスイッチング素子６ｉの反転信号によってスイッチングするように、判定信号をドライバ回路（Ｄｒｉ）に入力する。各ドライバ回路は、判定信号に基づいて、対応するスイッチング素子それぞれに対してスイッチングを指示する駆動信号を出力する。このようにして、コンデンサ８ｃに対して充電を制御するスイッチング素子６ｉ及びコンデンサ８ｃに対して放電を制御するスイッチング素子６ｊが、それぞれスイッチング制御され、コンバータ回路３で生成される中間電圧を、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御することができる。 The third control unit 53 of FIG. 2C operates as follows. The absolute value signal of the output voltage command is generated from the modulation factor (m_ref) of the output of multilevel inverter circuit 2, and the maximum value is limited to 1/2 voltage of the voltage detection value (Vpn_t) of capacitor 8a and the minimum value as zero voltage. Limits the command voltage through the The deviation between the limited command voltage and the actual voltage (Vc_t) of the capacitor 8c is calculated and input to the proportional integral controller (PI) to calculate the charge current command value (Ic_ref). The deviation between the calculated current command and the actual current detection value (Ic_t) is input to the proportional integral controller, and is divided by the voltage detection value (Vpn_t) of the capacitor 8a to obtain the modulation factor command of the switching element 6i on the charge side. (M_pnc) is calculated. A determination signal is input to the driver circuit (Dri) so as to control the switching element 6i according to the comparison result of the obtained modulation factor command with the carrier wave (carry 3). In addition, the switching element 6j has a driver circuit (Dri) for determining the determination signal so that switching is performed by the inverted signal of the switching element 6i when the actual voltage detection value (Vc_t) of the capacitor 8c is higher than the command voltage (Vc_ref). Enter in Each driver circuit outputs a drive signal instructing switching to each corresponding switching element based on the determination signal. In this manner, switching element 6i that controls charging of capacitor 8c and switching element 6j that controls discharging of capacitor 8c are respectively switching-controlled, and the intermediate voltage generated by converter circuit 3 is multilevel. Control can be performed to obtain a desired set voltage in which a pulsating voltage including the output frequency component of the inverter circuit 2 is superimposed.

上記構成により、動作させた場合の各部の波形について図３に示す。（ａ）はコンデンサ８ｂの電圧（すなわちマルチレベルインバータ回路２の出力電圧）およびマルチレベルインバータ回路２の出力電流の波形、（ｂ）はコンデンサ８ａ、８ｃおよび８ｄの電圧の波形、（ｃ）はマルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧の波形、（ｄ）はモータ１０の回転数変化の波形、（ｅ）はモータ１０の相電流の波形をそれぞれ示している。（ｂ）に示す波形より、コンデンサ８ｃの電圧はマルチレベルインバータ回路２の出力周波数の２倍成分を含む脈動電圧が重畳した所望の設定電圧に制御されている。（ｃ）の波形より、マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧は１／２電圧以上の場合にのみコンデンサ８ａのパルス幅変調による電圧変化が発生している。マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧が１／２電圧を下回る場合には、通常のマルチレベルインバータで発生する１／２電圧をスイッチングした電圧変化が発生していない。一方、モータ１０は、（ｂ）に示すコンデンサ８ｄの安定した低電圧にて駆動されている。 The waveform of each part when it is made to operate | move by the said structure is shown in FIG. (A) shows the voltage of the capacitor 8b (that is, the output voltage of the multilevel inverter circuit 2) and the waveform of the output current of the multilevel inverter circuit 2, (b) shows the waveform of the voltage of the capacitors 8a, 8c and 8d, (c) The waveform of the voltage between the output lines of the multilevel inverter circuit 2, (d) shows the waveform of the change in the rotational speed of the motor 10, and (e) shows the waveform of the phase current of the motor 10. From the waveform shown in (b), the voltage of the capacitor 8c is controlled to a desired set voltage in which a pulsating voltage including a double component of the output frequency of the multilevel inverter circuit 2 is superimposed. From the waveform of (c), the voltage change due to the pulse width modulation of the capacitor 8a occurs only when the voltage between the output lines of the multilevel inverter circuit 2 is 1/2 voltage or more. When the voltage between output lines of multilevel inverter circuit 2 is less than 1/2 voltage, there is no voltage change generated by switching 1/2 voltage generated in a normal multilevel inverter. On the other hand, the motor 10 is driven by the stable low voltage of the capacitor 8 d shown in (b).

かかる構成によれば、コンバータ回路３で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路２の中間電圧として供給され、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御されていることからマルチレベルインバータ回路２の瞬時出力電圧が１／２電圧を下回った際にスイッチングレスで出力電圧を生成することができる。同時に、コンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧であり、かつマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した中間電圧は、ダイオード７ｅとコンデンサ８ｄによって逆流防止および平滑化され、インバータ回路４の入力電圧として安定供給され、インバータ回路４の負荷に対して所望の交流電圧を出力することができる。 According to this configuration, the voltage generated by the converter circuit 3 is supplied as an intermediate voltage of the multilevel inverter circuit 2 so that a desired set voltage is obtained by superposing the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit 2. Since being controlled, the output voltage can be generated without switching when the instantaneous output voltage of the multilevel inverter circuit 2 falls below 1/2 voltage. At the same time, the intermediate voltage, which is lower than the voltage of the capacitor 8a and on which the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit 2 is superimposed, is reverse-flow prevented and smoothed by the diode 7e and the capacitor 8d. Thus, it is possible to stably supply a desired AC voltage to the load of the inverter circuit 4.

したがって、マルチレベルインバータ回路２に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合にスイッチングによる電圧変化を伴わないことになる。同時に、インバータ回路４に接続された負荷（本実施の形態の場合、モータ１０が該当）は、マルチレベルインバータ回路２に接続されたコンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧（コンデンサ８ｄの電圧）で駆動することとなる。このため、この電力変換装置に接続された２つの負荷
に対する出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷における漏れ電流を抑制することができる。 Therefore, the load connected to the multilevel inverter circuit 2 will not be accompanied by a voltage change due to switching when the voltage utilization is low and the voltage amplitude is small. At the same time, the load connected to the inverter circuit 4 (in the case of the present embodiment, the motor 10 corresponds) is driven by a voltage (voltage of the capacitor 8d) lower than the voltage of the capacitor 8a connected to the multilevel inverter circuit 2. It will be done. For this reason, the voltage change rate is simultaneously suppressed for the outputs to the two loads connected to this power conversion device, and the leakage current in each load can be suppressed.

なお、本実施の形態において、マルチレベルインバータ回路２は、３レベル構成としたが、その他のレベル数（例えば５レベルなど）であってもよい。 Although multilevel inverter circuit 2 has a three-level configuration in the present embodiment, the number of other levels (for example, five levels) may be employed.

また、マルチレベルインバータ回路２は、ダイオードクランプ方式の３レベルインバータ構成としたが、その他の構成（例えばＲＢＩＧＢＴ（Reverse Blocking Insurated Gate Bipolar Transistor）を用いたＮＰＣ（Neutral Point Clamped）構成）としてもよい。 The multilevel inverter circuit 2 has a diode clamp type three level inverter configuration, but may have another configuration (for example, NPC (Neutral Point Clamped) configuration using RBIGBT (Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor)).

また、本実施の形態では、コンバータ回路３が図１のように１つの中間電圧を生成する例を示したが、図１記載のコンバータ回路３の構成を有する回路を複数設置し、制御装置５によってそれぞれ所望の中間電圧を生成するように適切に制御することにより、複数の中間電圧を生成することでコンデンサ８ｃの電圧変化幅を抑制することもできる。この場合、インバータ回路４は、複数の中間電圧のうちいずれかの電圧を入力して駆動し、マルチレベルインバータ回路２は、中間電圧の生成数に応じてスイッチング素子６を直列に多段接続して駆動する。これにより、複数の中間電圧の中から、インバータ回路に接続された負荷に応じて適切な電圧を選択することができるとともに、マルチレベルインバータ回路２は、中間電圧の生成数に応じて多レベル化することができる。 Further, in the present embodiment, an example in which converter circuit 3 generates one intermediate voltage as shown in FIG. 1 is shown, but a plurality of circuits having the configuration of converter circuit 3 shown in FIG. By appropriately controlling each to generate a desired intermediate voltage, it is possible to suppress the voltage change width of the capacitor 8c by generating a plurality of intermediate voltages. In this case, inverter circuit 4 is driven by inputting any one of a plurality of intermediate voltages, and multilevel inverter circuit 2 connects switching elements 6 in series in multiple stages according to the number of generated intermediate voltages. To drive. As a result, an appropriate voltage can be selected from a plurality of intermediate voltages in accordance with the load connected to the inverter circuit, and multilevel inverter circuit 2 is multileveled in accordance with the number of intermediate voltages generated. can do.

さらに、図２Ａ〜図２Ｃに、制御装置５の内部の各部の具体的な制御ブロックを示したが、本開示における一例であり、これに限定されるものではない。 Furthermore, although the concrete control block of each part inside control device 5 was shown in Drawing 2A-Drawing 2C, it is an example in this indication, and it is not limited to this.

また、マルチレベルインバータ回路２、コンバータ回路３、およびインバータ回路４はＭＯＳＦＥＴを使用したが、その他のパワーデバイス（例えばＩＧＢＴ等）であってもよい。いずれもこれに限定されるものではない。 In addition, although the multi-level inverter circuit 2, the converter circuit 3, and the inverter circuit 4 use MOSFETs, other power devices (such as IGBTs) may be used. All are not limited to this.

（実施の形態２）
図４は、本開示の実施の形態２におけるランキンサイクルシステム２２の構成図である。ランキンサイクルシステム２２は、電力変換装置１とランキンサイクル装置１２とを用いて構成される。なお、図４において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図４は、一例として、工場において例えば燃焼ガスにより排出される排熱をランキンサイクル装置１２に用いて発電を行う発電装置として動作するランキンサイクルシステム２２を示す。 Second Embodiment
FIG. 4 is a block diagram of the Rankine cycle system 22 according to the second embodiment of the present disclosure. The Rankine cycle system 22 is configured using the power converter 1 and the Rankine cycle device 12. In FIG. 4, the same components as in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. FIG. 4 shows, as an example, a Rankine cycle system 22 that operates as a power generation device that generates power using, for example, exhaust heat discharged by combustion gas in a factory for the Rankine cycle device 12.

ランキンサイクル装置１２は、ポンプ１３と、ポンプ１３を駆動する動力源としてのモータ１０と、燃焼ガスの熱エネルギーを吸収する熱交換器としての蒸発器１４と、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する膨張機１５と、膨張機１５に接続された発電機１６と、膨張機１５から吐出された作動流体を冷却水等と熱交換させることによって作動流体を冷却する凝縮器１７と、開度の適宜変更を可能とし作動流体の流量を調整できるバイパス弁１８と、膨張機１５の入口温度を計測する温度センサ１９と、で構成される。ポンプ１３、蒸発器１４、膨張機１５、凝縮器１７は複数の配管によってこの順に環状に接続されて、ランキンサイクル流路を構成している。バイパス弁１８は膨張機１５をバイパスする流路上に配置されている。また、電力変換装置１は、発電機１６で発電された交流電力を直流電力に変換する三相コンバータ回路２０を備える。三相コンバータ回路２０は、この直流電力をコンデンサ８ａに供給するように接続される。さらに、電力変換装置１は、三相コンバータ回路２０からの直流電力出力に余剰分が発生した場合に、電力消費させるブレーキ回路２１を備えている。また、ランキンサイクル装置１２のモータ１０は、電力変換装置１のインバータ回路４によって駆動され
る。制御装置５は、実施の形態１と同様に、インバータ回路４を制御する第１制御部５１と、マルチレベルインバータ回路２を制御する第２制御部５２と、コンバータ回路３を制御する第３制御部５３と、を備えるとともに、本実施の形態においては、三相コンバータ回路２０を制御する第４制御部５４及びブレーキ回路２１を制御する第５制御部５５も有する。 The Rankine cycle device 12 includes a pump 13, a motor 10 as a power source for driving the pump 13, an evaporator 14 as a heat exchanger for absorbing thermal energy of combustion gas, and a working fluid by expanding a working fluid. The working fluid is cooled by causing the working fluid discharged from the expander 15 to exchange heat with cooling water or the like, and the expander 15 for converting the expansion energy of the above into rotational power, the generator 16 connected to the expander 15, and A condenser 17, a bypass valve 18 capable of appropriately changing the opening degree and adjusting the flow rate of the working fluid, and a temperature sensor 19 measuring the inlet temperature of the expander 15 are provided. The pump 13, the evaporator 14, the expander 15, and the condenser 17 are annularly connected by a plurality of pipes in this order to form a Rankine cycle flow channel. The bypass valve 18 is disposed on a flow path that bypasses the expander 15. In addition, the power conversion device 1 includes a three-phase converter circuit 20 that converts alternating current power generated by the generator 16 into direct current power. Three-phase converter circuit 20 is connected to supply this DC power to capacitor 8a. Furthermore, the power conversion device 1 includes the brake circuit 21 that consumes power when a surplus is generated in the DC power output from the three-phase converter circuit 20. Further, the motor 10 of the Rankine cycle device 12 is driven by the inverter circuit 4 of the power conversion device 1. As in the first embodiment, control device 5 controls a first control unit 51 that controls inverter circuit 4, a second control unit 52 that controls multilevel inverter circuit 2, and a third control that controls converter circuit 3. And a fourth control unit 54 that controls the three-phase converter circuit 20 and a fifth control unit 55 that controls the brake circuit 21 in the present embodiment.

実施の形態１では、電力変換装置１に直流電源を接続したが、本実施の形態２では、三相コンバータ回路２０が、電力供給装置である直流電源として、コンバータ回路３及びマルチレベルインバータ回路２に対して直流電圧を供給する。なお、図４では、電力供給装置として動作する三相コンバータ回路２０は、電力変換装置１の内部に配置されているが、電力変換装置１の外部に配置されていてもよい。同様に、図４では、ブレーキ回路２１は、電力変換装置１の内部に配置されているが、電力変換装置１の外部に配置されていてもよい。 In the first embodiment, the DC power supply is connected to the power conversion device 1. However, in the second embodiment, the three-phase converter circuit 20 is a DC power supply that is a power supply device. Supply DC voltage to In FIG. 4, the three-phase converter circuit 20 operating as the power supply device is disposed inside the power conversion device 1, but may be disposed outside the power conversion device 1. Similarly, in FIG. 4, the brake circuit 21 is disposed inside the power conversion device 1, but may be disposed outside the power conversion device 1.

以下、上記構成における動作について説明する。始動時、別電源（例えば、図示した直流電源）から電力を受電する。その受電電力によってコンバータ回路３が中間電圧を生成するように動作し、モータ１０を駆動するように制御する。 The operation in the above configuration will be described below. At start-up, power is received from a separate power source (e.g., the illustrated DC power source). The received power causes the converter circuit 3 to generate an intermediate voltage, and controls the motor 10 to be driven.

一方、膨張機１５は、温度センサ１９の指示値が所定の温度を超えるまで、停止を保持するように制御する。バイパス弁１８は、温度センサ１９の温度に基づいて、開度を制御する。これによって、バイパス弁１８の経路の作動流体の流量が調整される。 On the other hand, the expander 15 is controlled to hold the stop until the indication value of the temperature sensor 19 exceeds the predetermined temperature. The bypass valve 18 controls the degree of opening based on the temperature of the temperature sensor 19. Thereby, the flow rate of the working fluid in the path of the bypass valve 18 is adjusted.

始動後、蒸発器１４による熱エネルギー吸収によって作動流体の温度が所定の温度条件となった場合に膨張機１５の停止制御を解除し、始動すなわち発電を開始するように制御する。膨張機１５の停止の保持は、三相コンバータ回路２０にて制御される。三相コンバータ回路２０の動作は、制御装置５によって制御される。 After start-up, when the temperature of the working fluid reaches a predetermined temperature condition by thermal energy absorption by the evaporator 14, the stop control of the expander 15 is canceled and control is performed to start or start power generation. Holding of the stop of the expander 15 is controlled by the three-phase converter circuit 20. The operation of the three-phase converter circuit 20 is controlled by the controller 5.

その後、発電電力が上昇し、インバータ回路４の必要電力を超えることで、コンデンサ８ａの電圧が上昇する。これに対して、マルチレベルインバータ回路２がコンデンサ８ａの電圧が概ね一定となるように動作することで、一般負荷に電力を出力する。 Thereafter, the generated power rises, and by exceeding the necessary power of the inverter circuit 4, the voltage of the capacitor 8a rises. On the other hand, the multilevel inverter circuit 2 operates so that the voltage of the capacitor 8a becomes substantially constant, thereby outputting power to the general load.

また、一般負荷が遮断、あるいは軽負荷へ変化した際に供給電圧が上昇して、マルチレベルインバータ回路２が出力抑制状態となった場合には、ブレーキ回路２１がスイッチングを開始し、内部で消費するように動作する。ブレーキ回路２１の動作は、制御装置５によって制御される。 Also, when the general load is interrupted or changed to a light load and the supply voltage rises and the multilevel inverter circuit 2 enters the output suppression state, the brake circuit 21 starts switching and consumption internally Works to do. The operation of the brake circuit 21 is controlled by the controller 5.

上記構成により動作させた場合の各部の波形について図５に示す。図５では、始動後のコンデンサ８ａの電圧が上昇して直流電源の電圧に安定してからの挙動を示している。（ａ）は一般負荷への出力電圧およびマルチレベルインバータ回路２からの出力電流の波形、（ｂ）は発電機１６からの発電電力の波形、（ｃ）はコンデンサ８ａおよび８ｃの電圧の波形、（ｄ）はマルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧の波形、（ｅ）は発電機１６のロータおよびポンプ１３を駆動するモータ１０の回転数変化の波形、（ｆ）はモータ１０の相電流の波形、（ｇ）は発電機１６の相電流の波形をそれぞれ示している。各部の波形より、（ａ）では、負荷への出力電圧、および出力電流が正弦波状に安定した出力となっている。（ｂ）では、ポンプ１３、膨張機１５、および発電機１６の始動により、発電を開始していることを示している。（ｃ）では、コンデンサ８ｃの電圧はマルチレベルインバータ回路２の出力周波数の２倍成分を含む脈動電圧が重畳した所望の設定電圧に制御されている。（ｄ）の波形では、マルチレベルインバータ回路２の出力線間電圧が１／２電圧以上の場合にのみコンデンサ８ａのパルス幅変調による電圧変化が発生しており、１／２電圧を下回る場合には、通常のマルチレベルインバータで発生する１／２電圧を
スイッチングした電圧変化が発生していない。（ｅ）の波形では、ポンプ１３、発電機１６の回転数の上昇を示しており、発電機１６の回転数の上昇に伴って、前述した発電電力が増加している。（ｆ）の波形は、ポンプ１３を駆動するモータ１０の相電流を示しており、コンデンサ８ｄを電力源として安定した電流波形となっている。（ｇ）の波形は、発電機１６の相電流を示している。 The waveforms of the respective parts when operated by the above configuration are shown in FIG. FIG. 5 shows the behavior after the voltage of the capacitor 8a after start-up is increased and stabilized to the voltage of the DC power supply. (A) waveform of output voltage to general load and output current from multilevel inverter circuit 2, (b) waveform of generated power from generator 16, (c) waveform of voltage of capacitors 8a and 8c, (D) is the waveform of the output line voltage of the multilevel inverter circuit 2, (e) is the waveform of the rotational speed change of the motor 10 for driving the rotor of the generator 16 and the pump 13, (f) is the phase current of the motor 10 The waveform of (g) shows the waveform of the phase current of the generator 16, respectively. From the waveform of each part, in (a), the output voltage to the load and the output current become a sine wave stable output. (B) shows that power generation is started by the start of the pump 13, the expander 15, and the generator 16. In (c), the voltage of the capacitor 8 c is controlled to a desired set voltage in which a pulsating voltage including a double component of the output frequency of the multilevel inverter circuit 2 is superimposed. In the waveform (d), the voltage change due to the pulse width modulation of the capacitor 8a occurs only when the voltage between the output lines of the multilevel inverter circuit 2 is 1/2 voltage or more, and is less than 1/2 voltage. There is no voltage change generated by switching a 1/2 voltage generated in a normal multilevel inverter. The waveform of (e) shows an increase in the number of revolutions of the pump 13 and the generator 16, and as the number of revolutions of the generator 16 increases, the generated power increases. The waveform of (f) shows the phase current of the motor 10 driving the pump 13, and is a stable current waveform using the capacitor 8d as a power source. The waveform of (g) shows the phase current of the generator 16.

かかる構成によれば、コンバータ回路３で生成した電圧はマルチレベルインバータ回路２の中間電圧として供給され、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御されていることからマルチレベルインバータ回路２の瞬時出力電圧が１／２電圧を下回った際にスイッチングレスで出力電圧を生成することができる。同時に、コンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧であり、かつマルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した中間電圧は、ダイオード７ｅとコンデンサ８ｄによって逆流防止および平滑化され、インバータ回路４の入力電圧として安定供給され、インバータ回路４に接続した、ポンプ１３を駆動するモータ１０に対して所望の交流電圧を出力することができる。 According to this configuration, the voltage generated by the converter circuit 3 is supplied as an intermediate voltage of the multilevel inverter circuit 2 so that a desired set voltage is obtained by superposing the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit 2. Since being controlled, the output voltage can be generated without switching when the instantaneous output voltage of the multilevel inverter circuit 2 falls below 1/2 voltage. At the same time, the intermediate voltage, which is lower than the voltage of the capacitor 8a and on which the pulsating voltage including the output frequency component of the multilevel inverter circuit 2 is superimposed, is reverse-flow prevented and smoothed by the diode 7e and the capacitor 8d. A desired AC voltage can be output to the motor 10 for driving the pump 13 which is stably supplied as an input voltage of V.sub.2 and connected to the inverter circuit 4.

したがって、マルチレベルインバータ回路２に接続された負荷は、電圧利用率の低い電圧振幅の小さい場合にスイッチングによる電圧変化を伴わないことになる。同時に、インバータ回路４に接続されたポンプ１３を駆動するモータ１０は、マルチレベルインバータ回路２に接続されたコンデンサ８ａの電圧よりも低い電圧（コンデンサ８ｄの電圧）で駆動することとなる。このため、この電力変換装置に接続された２つの負荷（ポンプ１３を駆動するモータ１０、およびマルチレベルインバータ回路２に接続された負荷）に対する出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷における漏れ電流を抑制することができる。 Therefore, the load connected to the multilevel inverter circuit 2 will not be accompanied by a voltage change due to switching when the voltage utilization is low and the voltage amplitude is small. At the same time, the motor 10 for driving the pump 13 connected to the inverter circuit 4 is driven with a voltage (voltage of the capacitor 8 d) lower than the voltage of the capacitor 8 a connected to the multilevel inverter circuit 2. For this reason, the output to two loads connected to this power conversion device (motor 10 driving pump 13 and loads connected to multi-level inverter circuit 2) is simultaneously suppressed in voltage change rate, and each load Leakage current can be suppressed.

特に、本実施の形態２のように、ポンプ１３によって作動流体が液冷媒としてランキンサイクル流路を循環する場合であって、駆動するモータ１０がポンプ１３の内部に配置されている場合、液冷媒の充填量によってはモータ１０の巻線は液冷媒に浸漬された状態となり得るため、液冷媒の誘電率によって寄生容量が大きくなり、漏れ電流が増大することがある。 In particular, as in the second embodiment, when the working fluid is circulated as a liquid refrigerant by the pump 13 through the Rankine cycle flow channel and the motor 10 to be driven is disposed inside the pump 13 as in the second embodiment, the liquid refrigerant The windings of the motor 10 may be immersed in the liquid refrigerant depending on the filling amount of the liquid refrigerant, so the parasitic capacitance may be increased due to the dielectric constant of the liquid refrigerant, and the leakage current may be increased.

本実施の形態によれば、この漏れ電流の増大を抑制するべく、ポンプ１３を駆動するモータ１０を低電圧で駆動することになるため、漏れ電流を抑制することができる。また、同時に、この低電圧は整流平滑よりも前段において、マルチレベルインバータ回路２の出力周波数成分を含む脈動電圧を重畳した所望の設定電圧となるように制御されていることから一般負荷への出力時の電圧変化率を低減することが可能となり、スイッチングによる漏れ電流を低減することができる。 According to the present embodiment, the motor 10 for driving the pump 13 is driven at a low voltage in order to suppress the increase in the leakage current, so that the leakage current can be suppressed. Also, at the same time, this low voltage is controlled so as to become a desired set voltage superimposed with a pulsating voltage including the output frequency component of multilevel inverter circuit 2 at a stage prior to rectification and smoothing. It is possible to reduce the rate of change in voltage when switching, and to reduce the leakage current due to switching.

なお、本実施の形態のランキンサイクル装置１２は、工場の燃焼ガスから排熱を回収するとしたが、これに限るものではない。ランキンサイクルにより熱を回収できる媒体であれば、工場の燃焼ガスでなくてもよい。 Although the Rankine cycle apparatus 12 according to the present embodiment recovers the exhaust heat from the combustion gas of the factory, the present invention is not limited to this. It may not be the combustion gas from the factory, as long as the medium can recover heat by the Rankine cycle.

また、図４においては、ポンプ１３の外部にモータ１０を配置する状態を示したが、ポンプ１３の筐体の内部にモータ１０を配置してもよい。ポンプ機構とモータ機構とをあわせてポンプと称することもある。 Although FIG. 4 shows the state in which the motor 10 is disposed outside the pump 13, the motor 10 may be disposed inside the housing of the pump 13. The pump mechanism and the motor mechanism may be collectively referred to as a pump.

また、図４においては、膨張機１５の外部に発電機１６を配置する状態を示したが、膨張機１５の筐体の内部に発電機１６を配置してもよい。膨張機構と発電機構とをあわせて膨張機と称することもある。 Moreover, in FIG. 4, the state which arrange | positions the generator 16 in the exterior of the expander 15 was shown, but you may arrange | position the generator 16 inside the housing | casing of the expander 15. FIG. The expansion mechanism and the power generation mechanism may be collectively referred to as an expander.

さらに、図４においては、マルチレベルインバータ回路２の出力側に一般負荷を配置する一例を示したが、商用電源に接続して系統連系インバータとして動作する構成としてもよい。 Furthermore, although FIG. 4 shows an example in which the general load is arranged on the output side of the multilevel inverter circuit 2, it may be connected to a commercial power supply to operate as a grid-connected inverter.

また、マルチレベルインバータ回路２を系統連系インバータとする場合、始動時に別途直流電源を備えることなく、マルチレベルインバータ回路２をコンバータ動作させて、商用電源から受電する構成としてもよい。 Further, in the case where the multilevel inverter circuit 2 is a grid-connected inverter, the multilevel inverter circuit 2 may be operated as a converter without receiving a separate DC power supply at the time of start-up to receive power from a commercial power supply.

なお、本明細書において、所望の設定電圧とは、予め設定された電圧のことを意味する。この予め設定された電圧とは、特定の電圧値のみを指すだけでなく、予め設定された所定の範囲に含まれる任意の電圧（すなわち、予め設定された範囲の電圧）のことを意味することも含む。 In the present specification, the desired set voltage means a preset voltage. The preset voltage means not only pointing to a specific voltage value but also an arbitrary voltage (that is, a voltage in a preset range) included in a preset predetermined range. Also includes.

以上のように、本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路に接続された負荷はレベル数に応じて電圧変化率が抑制され、同時にインバータ回路に接続されたポンプ駆動用のモータはマルチレベルインバータ回路の最大電圧よりも低い中間電圧で駆動することとなるため、電力変換装置に接続された２つの負荷への出力は、同時に電圧変化率が抑制され、それぞれの負荷におけるスイッチングによる漏れ電流を抑制することができる。 As described above, in the power conversion device according to the present disclosure, the load connected to the multilevel inverter circuit suppresses the voltage change rate according to the number of levels, and at the same time the pump drive motor connected to the inverter circuit has multiples. Since driving with an intermediate voltage lower than the maximum voltage of the level inverter circuit, the output to two loads connected to the power conversion device can simultaneously suppress the voltage change rate, and the leakage current due to switching in each load Can be suppressed.

本開示にかかる電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路を主機用電力変換器（例えば、大型送風機用のインバータ、あるいは電力系統に発電電力を出力するような系統連系インバータ）として使用し、インバータ回路を補機用としての負荷（例えば、ロータ部が冷媒等に浸漬するようなモータ）に接続するような用途に対して適用できる。 The power conversion device according to the present disclosure uses a multilevel inverter circuit as a power converter for a main unit (for example, an inverter for a large fan or a grid-connected inverter that outputs generated power to a power system). Can be applied to an application where it is connected to a load for auxiliary equipment (for example, a motor in which a rotor portion is immersed in a refrigerant or the like).

１電力変換装置
２マルチレベルインバータ回路
３コンバータ回路
４インバータ回路
５制御装置
６ａスイッチング素子
６ｂスイッチング素子
６ｃスイッチング素子
６ｄスイッチング素子
６ｅスイッチング素子
６ｆスイッチング素子
６ｇスイッチング素子
６ｈスイッチング素子
６ｉスイッチング素子
６ｊスイッチング素子
６ｋスイッチング素子
６ｌスイッチング素子
６ｍスイッチング素子
６ｎスイッチング素子
６ｏスイッチング素子
６ｐスイッチング素子
７ａダイオード
７ｂダイオード
７ｃダイオード
７ｄダイオード
７ｅダイオード
８ａコンデンサ
８ｂコンデンサ
８ｃコンデンサ
８ｄコンデンサ
９ａインダクタ
９ｂインダクタ
９ｃインダクタ
１０モータ
１１平滑回路
１２ランキンサイクル装置
１３ポンプ
１４蒸発器
１５膨張機
１６発電機
１７凝縮器
１８バイパス弁
１９温度センサ
２０三相コンバータ回路
２１ブレーキ回路
２２ランキンサイクルシステム
５１第１制御部
５２第２制御部
５３第３制御部
５４第４制御部
５５第５制御部
１０１正側母線コンデンサ
１０２負側母線コンデンサ
１０３スイッチ素子
１０４スイッチ素子
１０５中性点
１０６リアクトル
１０７バランス回路
１０８インバータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 power converter 2 multilevel inverter circuit 3 converter circuit 4 inverter circuit 5 control device 6a switching element 6b switching element 6c switching element 6d switching element 6e switching element 6f switching element 6g switching element 6h switching element 6i switching element 6j switching element 6k switching Element 6 l Switching Element 6m Switching Element 6n Switching Element 6p Switching Element 7a Diode 7b Diode 7c Diode 7d Diode 7e Diode 8e Capacitor 8b Capacitor 8c Capacitor 8c Capacitor 9d Capacitor 9a Inductor 9b Inductor 9c Inductor 10 Motor 11 Smoothing Circuit 12 Rankine Cycle Device Reference Signs List 3 pump 14 evaporator 15 expander 16 generator 17 condenser 18 bypass valve 19 temperature sensor 20 three-phase converter circuit 21 brake circuit 22 Rankine cycle system 51 first control unit 52 second control unit 53 third control unit 54 fourth Control unit 55 fifth control unit 101 positive side bus capacitor 102 negative side bus capacitor 103 switch element 104 switch element 105 neutral point 106 reactor 107 balance circuit 108 inverter

Claims

A converter circuit that generates an intermediate voltage using a DC voltage supplied from a DC power supply,
A multi-level inverter circuit connected to the DC power supply and the converter circuit, driven by inputting the DC voltage and the intermediate voltage, and controlled at at least three levels;
A smoothing circuit connected to the converter circuit to smooth and output the intermediate voltage;
An inverter circuit that receives and drives the voltage smoothed by the smoothing circuit;
The multilevel inverter circuit outputs a predetermined first alternating voltage and the inverter circuit controls to output a predetermined second alternating voltage, and the intermediate voltage generated by the converter circuit is the converter circuit A control device configured to control the converter circuit such that a set voltage is obtained by superimposing a pulsating voltage including an output frequency component of the multilevel inverter circuit on a command voltage;
Power converter comprising:

The controller is
The intermediate voltage is controlled to be the set voltage based on the detected value of the input voltage of the inverter circuit, the detected value of the DC voltage, and the detected value of the output current of the converter circuit.
The power converter device according to claim 1.

The converter circuit is
Generate a plurality of said intermediate voltages,
The inverter circuit is
Drive by inputting any one of the plurality of intermediate voltages,
The power converter device according to claim 1 or 2.

The power converter according to any one of claims 1 to 3;
A pump for pumping a working fluid, an evaporator for heating the working fluid, an expander for expanding the working fluid, and a Rankine cycle flow path in which a condenser for condensing the working fluid is annularly connected in this order, the pump A Rankine cycle device comprising: a motor connected to the motor; and a generator connected to the expander to generate and output a third AC voltage.
A power supply device which receives the third alternating voltage output from the generator, converts it into a direct voltage, and outputs the direct voltage;
Have
The power supply device
Operates as the DC power supply that supplies the DC voltage to the converter circuit and the multilevel inverter circuit,
The inverter circuit is
Converting the input intermediate voltage into the second AC voltage and supplying the second AC voltage to the motor;
Rankine cycle system.

The controller is
The inverter circuit so that the number of rotations of the motor is maintained at a preset number of rotations based on the detected value of the number of rotations of the motor, the detected value of the motor current, and the detected value of the input voltage of the inverter circuit. Control the
The Rankine cycle system according to claim 4.