JP2005287200A

JP2005287200A - マトリクスコンバータ装置

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Publication number: JP2005287200A
Application number: JP2004098273A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sadohara; 正志佐土原; Eiji Yamamoto; 栄治山本; Hidenori Hara; 英則原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP4506949B2

Abstract

【課題】マトリクスコンバータの運転時に瞬時停電が発生しても、半導体双方向スイッチに過電圧が発生することを防止する。
【解決手段】コントローラ１４は、入力電圧検出回路１３からの電圧値により三相交流電源１が遮断されたものと判定した場合、９つの半導体双方向スイッチ４〜１２の接続状態を一定周期で切り替わるように制御して、入力フィルタ３の各コンデンサ１９〜２１の電圧が増加し続けないようにする。そのため、入力フィルタ３の各コンデンサ１９〜２１が小容量のコンデンサであっても三相交流電源１が瞬時停電した場合の過電圧の発生を防ぐことができ、大容量の電解コンデンサを必要としないですむ。
【選択図】図１

Description

本発明は、一定周波数の三相交流電源から任意の周波数の三相交流出力を直接生成する電力変換装置であるマトリクスコンバータに関する。

交流モータの速度制御には従来からインバータ装置が用いられてきたが、近年このインバータ装置の代わりにマトリクスコンバータ装置が注目されている（例えば、特許文献１、２参照。）。インバータ装置では交流電源電圧を一旦直流電圧に変換した後に再度交流電圧に変換することにより希望する周波数の交流電圧を生成している。これに対して、マトリクスコンバータ装置では、三相交流電源と三相交流モータ間に９つの半導体双方向スイッチが接続されており、この半導体双方向スイッチを高周波スイッチングさせることにより所望の周波数の三相電圧を発生させ三相交流モータを所望の回転数、トルクで駆動する。このようなマトリクスコンバータ装置では、電源電圧として供給された一定周波数の交流電圧から希望する周波数の交流電圧を直接生成することが可能であるため、平滑コンデンサが不要となる。平滑コンデンサとしては容量が大きなコンデンサが必要となるため、一般的には電解コンデンサが使用される。しかし、電解コンデンサは形状が大きくなり、また寿命が短いという欠点を有している。そのため、マトリクスコンバータ装置を用いて平滑コンデンサを不要とすることにより、装置の小型化が図れるとともにメンテナンスフリーも可能となる。

しかし、このようなマトリクスコンバータ装置により、モータを運転中であるとき、三相入力電源が何らかの理由により切断された場合にも、モータには大きなインダクタ成分があるため、インダクタンスのエネルギを放出するまでモータ電流が継続する。もしこの場合、マトリクスコンバータのスイッチが全てオフであった場合、同部分はハイインピーダンスとなり過大な電圧が発生する。そして、マトリクスコンバータ装置は、入力電源と出力とが直接双方向に電流が流れることができる双方向スイッチを介して直接接続されているため、運転中のマトリクスコンバータ装置を遮断する時に発生するサージ電圧により素子が破壊されてしまう可能性がある。

従来はモータ運転中のマトリクスコンバータを遮断する時に発生するサージ電圧を防止する手段として、特許文献３において提案されているような手段が用いられている。この特許文献３では、マトリクスコンバータではなく、ＰＷＭサイクロコンバータと記されているが、同一の意味である。

このような従来のマトリクスコンバータ装置の構成を図５に示す。図５は特許文献３（第１１頁、図８）からの引用である。この従来のマトリクスコンバータ装置は、図５に示されているように、三相交流電源１と、マトリクスコンバータ（もしくはＰＷＭサイクロコンバータ）１００と、三相交流電動機２１と、整流スナバ回路１１０と、出力短絡回路１２０と、三相整流ブリッジ１１１、１１２、１２１と、片方向半導体スイッチ１１３、１２２と、抵抗１１４、１１５と、コンデンサ１１６と、電圧検出回路１１７と、ゲートドライバ１１８とから構成されている。

図５において、運転中にマトリクスコンバータ装置を遮断した時にはマトリクスコンバータ１００内部のスイッチは通常全てオフとなる。この時に、モータ２の巻線にはインダクタのエネルギがあり、そのエネルギにより、モータ端子、すなわちマトリクスコンバータ１００の端子間に過電圧が発生する。それを防止するために、図５では、整流回路１１２を通じてモータのエネルギを整流し、コンデンサ１１６に充電することにより、過電圧を防止している。またこのコンデンサ１１６の端子電圧が過大となった場合には、電圧検出回路１１７でそれを検出し、片方向半導体スイッチ１１３をオンしてエネルギを消費することにより、過電圧を防止している。

このように、従来のマトリクスコンバータ遮断時の過電圧保護装置は、サージエネルギ吸収用のダイオード及びコンデンサ回路を具備するか、マトリクスコンバータ自身のスイッチのオン、オフを制御して、電源に回生する手段により、マトリクスコンバータの過電圧破壊を防止している。

しかし、図５に示した従来のマトリクスコンバータ装置では、整流スナバ回路１１０内のコンデンサ１１６は、モータのエネルギを吸収することができる程度の大きな容量が必要となるため、一般的には大容量の電解コンデンサが使用される。そのため、過電圧保護のためにサージ吸収用のダイオードと大容量のコンデンサが必要であり、マトリクスコンバータの特長である主回路コンデンサレスという利点が減殺されていた。
特開昭６０−１７４０６５号公報特開２００１−２５８２５８号公報特開２０００−１３９０７６号公報

上述した従来のマトリクスコンバータ装置では、過電圧保護を行おうとすると、外部に大容量のコンデンサ等のサージ吸収用の部品を追加する必要があるという問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、外部にサージ吸収用の部品、すなわち電解コンデンサ等の大容量のコンデンサを必要とすることなく過電圧保護が可能なマトリクスコンバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、三相交流電源のＲ、Ｓ、Ｔ相の３相のうちの２相間にそれぞれ設けられた３つのコンデンサを少なくとも備えた入力フィルタと、
前記三相交流電源の三相電圧と、三相交流モータに接続されるＵ、Ｖ、Ｗ相の３相の出力電圧との間をそれぞれ接続する９つの半導体双方向スイッチと、
前記三相交流電源の各相の電圧値を検出する入力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路により検出された電圧値に基いて前記９つの半導体双方向スイッチに対する制御を行うための信号を出力するコントローラと、
前記コントローラからの信号に基づいて前記９つの半導体双方向スイッチを制御するゲートドライバとを備え、一定周波数の三相交流電源から任意の周波数の三相交流出力を直接生成して三相交流モータの制御を行うマトリクスコンバータ装置において、
前記コントローラは、前記入力電圧検出回路からの電圧値に基づいて前記三相交流電源が遮断されたものと判定した場合、前記９つの半導体双方向スイッチを、
Ｒ相とＵ相、Ｓ相とＶ相、Ｔ相とＷ相がそれぞれ接続される第１の状態と、
Ｒ相とＶ相、Ｓ相とＷ相、Ｔ相とＵ相がそれぞれ接続される第２の状態と、
Ｒ相とＷ相、Ｓ相とＵ相、Ｔ相とＶ相がそれぞれ接続される第３の状態とが一定周期で切り替わるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、コントローラは、入力電圧検出回路からの電圧値により三相交流電源が遮断されたものと判定した場合、９つの半導体双方向スイッチの接続状態を一定周期で切り替わるように制御して、入力フィルタの各コンデンサの電圧が増加し続けないようにしているので、入力フィルタの各コンデンサが小容量のコンデンサであっても三相交流電源が瞬時停電した場合の過電圧の発生を防ぐことができ、大容量の電解コンデンサ等を必要としないですむ。

また、本発明の他のマトリクスコンバータ装置では、コントローラは、半導体双方向スイッチの接続の組み合わせを一定周期で切り替えるのではなく、コンデンサの両端の電圧を監視して、一定電圧以上となった場合に切り替えるように制御して過電圧の発生を防止する。

本発明によると、電源瞬時停電時のマトリクスコンバータの過電圧を防止できると同時に、磁石付きモータのような誘起電圧を発生する場合でも不要な過電流を効果的に防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、コントローラは、三相交流電源が遮断されたものと判定した場合、９つの半導体双方向スイッチの接続状態を一定周期で切り替わるように制御して入力フィルタの各コンデンサの電圧が増加し続けないようにするので、サージ吸収用の電解コンデンサ等の部品を必要とすることなく過電圧保護が可能になるという効果を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態のマトリクスコンバータ装置の構成を示すブロック図である。図１において、図５中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。

本実施形態のマトリクスコンバータ装置は、図１に示されるように、三相交流電源１と、入力ＬＣフィルタ３と、半導体双方向スイッチ４〜１２と、入力電圧検出回路１３と、コントローラ１４と、ゲートドライバ１５とから構成され、三相交流モータ２の制御を行っている。制御対象である三相交流モータ２としては、インダクションモータや同期モータがなどが想定される。

入力ＬＣフィルタ３は、インダクタとコンデンサで構成された入力フィルタであり、例えば図１に示すように、インダクタ１６、１７、１８、コンデンサ１９、２０、２１により構成されている。この入力ＬＣフィルタ３は、マトリクスコンバータで発生したキャリア周波数のパルス電流分を低減するために設けられている。コンデンサ１９、２０、２１は、三相交流電源１のＲ、Ｓ、Ｔ相の３相のうちの２相間にそれぞれ設けられている。インダクタ１６、１７、１８は、三相交流電源１のＲ、Ｓ、Ｔ相のそれぞれに挿入されている。

９つの半導体双方向スイッチ４〜１２（Ｓur、Ｓus、Ｓut、Ｓvr、Ｓvs、Ｓvt、Ｓwr、Ｓws、Ｓwt）は、三相交流電源のＲ、Ｓ、Ｔ相の三相電圧と、三相交流モータ２に接続されるＵ、Ｖ、Ｗ相の３相の出力電圧との間をそれぞれ接続する。また、半導体双方向スイッチ４〜１２は、それぞれ、図１中の点線部分の拡大図に示すように片方向のみ通流できる２つのスイッチを組み合わせた構成となっているのが一般的である。図１では半導体双方向スイッチ４のみを拡大しているが、他の半導体スイッチ５〜１２についても同様の構成となっている。

入力電圧検出部１３は、半導体双方向スイッチ４〜１２に入力される三相交流電源１の各相の電圧値を検出して、その検出値をコントローラ１４に伝える。

マトリクスコンバータの制御を行うコントローラ１４は、正常時は、入力電圧検出回路１３により検出された電圧値に基づいて９つの半導体双方向スイッチ４〜１２に対する制御を行うためのオン、オフ信号を出力する。尚、電源瞬時停電時にコントローラ１４から出力される信号については後述する。

ゲートドライバ１５は、コントローラ１４からの信号を実際に半導体双方向スイッチ４〜１２のゲートを駆動できるような電圧に変換することにより、コントローラ１４からの信号に基づいて９つの半導体双方向スイッチ４〜１２の制御を行っている。

尚、本発明はマトリクスコンバータの通常運転時に関するものではないため、それに必要な詳細の回路、動作原理には触れない。

今、このようなマトリクスコンバータ装置により、三相交流モータ２を運転中であるとき、三相入力電源１が何らかの理由により切断された場合にも、三相交流モータ２には大きなインダクタ成分があるため、インダクタンスのエネルギを放出するまでモータ電流が継続する。もしこの場合、半導体双方向スイッチ４〜１２が全てオフであった場合、この部分はハイインピーダンスとなり過大な電圧が発生する。また、半導体双方向スイッチ４〜１２のいずれかの組がオン状態であり、入力ＬＣフィルタ３に構成されたコンデンサ１９〜２１にモータ電流が充電されたとしても、一般的にこのコンデンサ容量は小さく、三相交流モータ２のインダクタンスエネルギを十分吸収することはできない。なぜなら、このコンデンサ容量を大きくすると線間の交流インピーダンスが小さくなり、不要な電流が増加するためである。

この問題を解決するために、本実施形態のマトリクスコンバータ装置では、コンデンサ１９〜２１と半導体双方向スイッチ４〜１２の切替え方法を工夫する。その具体的例を図２に示す。

図２において、一番上の波形はコンデンサ１９の電圧波形例を示す。また、三相交流電源１のＲ、Ｓ、Ｔの３相と、三相交流モータ２に出力される電圧のＵ、Ｖ、Ｗ相の３相間の半導体双方向スイッチ４〜１２のオン状態を縦の線にて示す。但し、通常運転時の制御、すなわち通常時のそれらの間の双方向スイッチの接続状態については議論しないため、図２において瞬時停電発生前のスイッチの状態は図示していない。

図２では、（１）、（４）で示される第１の状態では、半導体双方向スイッチ４、８、１２がオン状態となり、Ｒ相とＵ相、Ｓ相とＶ相、Ｔ相とＷ相がそれぞれ接続される。

また、（２）、（５）で示される第２の状態では、半導体双方向スイッチ６、７、１１がオン状態となり、Ｒ相とＶ相、Ｓ相とＷ相、Ｔ相とＵ相がそれぞれ接続される。

さらに、（３）で示される第３の状態では、半導体双方向スイッチ５、９、１０がオン状態となり、Ｒ相とＷ相、Ｓ相とＵ相、Ｔ相とＶ相がそれぞれ接続される。

そして、コントローラ１４は、入力電圧検出回路１３からの電圧値に基づいて三相交流電源１が遮断されたものと判定した場合、９つの半導体双方向スイッチ４〜１２を、上記の第１〜３の状態が一定周期で切り替わるように制御する。

図２において、コンデンサ１９の両端電圧は、瞬時停電発生前の通常運転時はキャリア成分のリップルを除くと電源電圧波形Ｖrsと相似の正弦波電圧となる。ここで時刻ｔ₁において三相交流電源１が遮断されたものとする。この時刻ｔ₁において、電源側が断線した場合にたまたま（１）の接続状態であり、かつ電流がコンデンサ電圧を増加させる方向であった場合は（１）状態に示されるように、コンデンサ１９の電圧は時間とともに増加する。

この時のモータ電流の値を模式的にＵ＝２、Ｖ＝−１、Ｗ＝−１とする。電流の方向は、三相交流モータ２から交流電源１側に流れる方向が正方向とし、交流電源１からモータ２側に流れる方向を負方向として表現してある。そして、三相交流モータ２では、３つの相に流れる電流の電流値を合計すると零になるため、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の電流を合計すると２−１−１＝０となっている。

この（１）の状態が継続するとコンデンサ１９の電圧は異常な過電圧となるため、電源が遮断されたことを検出したコントローラ１４は、一定時間経過後に、半導体双方向スイッチ４〜１２を（２）の状態になるように切り替える（時刻ｔ₂）。この時、図２に示されるように、コンデンサ１９の正電圧が印加されている端子に新たに接続されたＶ相に発生している電流は、（１）の状態において接続されていたＵ相とは逆の電流が流れているため、今まで増加していた電圧が低下する方向でコンデンサ１９を充電する。

この状態を保持してコンデンサ１９の電圧が逆の過電圧近くまで保ってもよいが、あまり急激にコンデンサ電圧を変化させることは好ましくない場合が多いため、コントローラ１４は、半導体双方向スイッチ４〜１２の状態を、時刻ｔ₃、ｔ₄、・・の経過に伴い、状態（３）、（４）・・・と繰り返すことにより、コンデンサの電圧を急激に変化させることがなく、過電圧を防止することができる。

ここではコンデンサ１９の電圧に着目して本実施形態のマトリクスコンバータ装置の動作について説明したが、上記（１）、（２）、（３）、・・の状態が切り替わることによりコンデンサ２０、２１についても同様にして電圧の充電、放電が順次繰り返され過電圧の発生が防止される。

本実施形態のマトリクスコンバータ装置によれば、コントローラ１４は、入力電圧検出回路１３からの電圧値により三相交流電源１が遮断されたものと判定した場合、９つの半導体双方向スイッチ４〜１２の接続状態を一定周期で切り替わるように制御して、入力ＬＣフィルタ３の各コンデンサ１９〜２１の電圧が増加し続けないようにしている。そのため、入力ＬＣフィルタ３の各コンデンサ１９〜２１が小容量のコンデンサであっても三相交流電源１が瞬時停電した場合の過電圧の発生を防ぐことができ、大容量の電解コンデンサ等を必要としないですむ。

一般にマトリクスコンバータ装置の電源側端子には相間に小容量のコンデンサが付加されており、本実施形態のマトリクスコンバータ装置では、電解コンデンサ等の大容量のコンデンサを必要とすることなく過電圧保護を行うことができるため、コストアップがほとんどなしで、電源瞬時停電時の過電圧を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態のマトリクスコンバータ装置について説明する。

図１に示した第１の実施形態では、三相交流電源１が遮断されたと判定した場合、コントローラ１４は、９つの半導体双方向スイッチ４〜１２の接続状態を一定周期で切り替えるようにしていた。しかし、あまりに高速に、かつ平均的に半導体双方向スイッチ４〜１２を切り替えるとコンデンサ１９〜２１の両端電圧は当然ながら等価零となる。これはモータ２の端子を短絡したことに等しくなる。よって、本発明の第２の実施形態では、モータ２の端子電圧が等価零とならず、また、磁石付きモータの場合はその誘起電圧よりも高くなるように、半導体双方向スイッチ４〜１２の接続状態を切り替える。但し、モータの磁極検出器や回転数検出器がなく、誘起電圧の極性や電圧の大きさを知ることが難しい場合は、出力電流の位相により、誘起電圧分をオブザーバ等により想定する。尚、誘起電圧相当に制御する必要はなく、過電圧以下の大きい値に制御することにより、実用的な制御が可能となる。

具体的には、コントローラ１４は、入力電圧検出回路１３からの電圧値に基づいて三相交流電源１が遮断されたものと判定した場合、入力ＬＣフィルタ３に設けられた各コンデンサ１９〜２１に印加される電圧が所定値以上となる毎に、９つの半導体双方向スイッチ４〜１２を、第１の実施形態において説明した第１〜３の状態が切り替わるように制御する。

本実施形態によると、電源瞬時停電時のマトリクスコンバータの過電圧を防止できると同時に、磁石付きモータのような誘起電圧を発生する場合でも不要な過電流を効果的に防止することができる。

次に、上記第１および第２の実施形態により実際の波形例を図３に示す。図３は三相交流電源１が瞬時停止した場合の波形を示したものである。この図３中Ｖc（ｔ）は入力側の３つのコンデンサ１９〜２１のうちのある１つのコンデンサの両端電圧波形であり、Ｉ（ｔ）はこのコンデンサの入力電流である。この図３と比較することを目的として、従来のマトリクスコンバータ装置において瞬時停電が発生した場合の波形例を図４に示す。

図３を参照すると、電流Ｉ（ｔ）は半導体双方向スイッチ４〜１２の切替えにより極性が切り替わり、結果としてこのコンデンサの電圧Ｖc（ｔ）が過大にならないように制御されていることがわかる。Emsin（ｗｔ）は三相交流モータ２が磁石付きの場合の誘起電圧を示す。

本発明の第２の実施形態の場合は、図３に示すように、誘起電圧よりＶc（ｔ）を高く制御することで、モータのインダクタンスのエネルギ処理時に、モータの誘起電圧による電流が発生することを防止することができる。

本発明の第１の実施形態のマトリクスコンバータ装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態のマトリクスコンバータ装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第１および第２の実施形態のマトリクスコンバータ装置における瞬時停電時の波形例を示す図である。従来のマトリクスコンバータにおける瞬時停電時の波形例を示す図である。従来のマトリクスコンバータ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１交流電源
２三相交流モータ
３入力ＬＣフィルタ部
４〜１２半導体双方向スイッチ
１３入力電圧検出回路
１４コントローラ、
１５ゲートドライバ
１００マトリクスコンバータ
１１１、１１２、１２１三相整流ブリッジ
１１３、１２２片方向スイッチ
１１４、１１５抵抗
１１６コンデンサ
１１７電源電圧検出回路
１１８ゲートドライバ

Claims

三相交流電源のＲ、Ｓ、Ｔ相の３相のうちの２相間にそれぞれ設けられた３つのコンデンサを少なくとも備えた入力フィルタと、
前記三相交流電源の三相電圧と、三相交流モータに接続されるＵ、Ｖ、Ｗ相の３相の出力電圧との間をそれぞれ接続する９つの半導体双方向スイッチと、
前記三相交流電源の各相の電圧値を検出する入力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路により検出された電圧値に基いて前記９つの半導体双方向スイッチに対する制御を行うための信号を出力するコントローラと、
前記コントローラからの信号に基づいて前記９つの半導体双方向スイッチを制御するゲートドライバとを備え、一定周波数の三相交流電源から任意の周波数の三相交流出力を直接生成して三相交流モータの制御を行うマトリクスコンバータ装置において、
前記コントローラは、前記入力電圧検出回路からの電圧値に基づいて前記三相交流電源が遮断されたものと判定した場合、前記９つの半導体双方向スイッチを、
Ｒ相とＵ相、Ｓ相とＶ相、Ｔ相とＷ相がそれぞれ接続される第１の状態と、
Ｒ相とＶ相、Ｓ相とＷ相、Ｔ相とＵ相がそれぞれ接続される第２の状態と、
Ｒ相とＷ相、Ｓ相とＵ相、Ｔ相とＶ相がそれぞれ接続される第３の状態とが一定周期で切り替わるように制御することを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
三相交流電源のＲ、Ｓ、Ｔ相の３相のうちの２相間にそれぞれ設けられた３つのコンデンサを少なくとも備えた入力フィルタと、
前記三相交流電源の三相電圧と、三相交流モータに接続されるＵ、Ｖ、Ｗ相の３相の出力電圧との間をそれぞれ接続する９つの半導体双方向スイッチと、
前記三相交流電源の各相の電圧値を検出する入力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路により検出された電圧値に基いて前記９つの半導体双方向スイッチに対する制御を行うための信号を出力するコントローラと、
前記コントローラからの信号に基づいて前記９つの半導体双方向スイッチを制御するゲートドライバとを備え、一定周波数の三相交流電源から任意の周波数の三相交流出力を直接生成して三相交流モータの制御を行うマトリクスコンバータ装置において、
前記コントローラは、前記入力電圧検出回路からの電圧値に基づいて前記三相交流電源が遮断されたものと判定した場合、前記入力フィルタに設けられた各コンデンサに印加される電圧が所定値以上となる毎に、前記９つの半導体双方向スイッチを、
Ｒ相とＵ相、Ｓ相とＶ相、Ｔ相とＷ相がそれぞれ接続される第１の状態と、
Ｒ相とＶ相、Ｓ相とＷ相、Ｔ相とＵ相がそれぞれ接続される第２の状態と、
Ｒ相とＷ相、Ｓ相とＵ相、Ｔ相とＶ相がそれぞれ接続される第３の状態とが切り替わるように制御することを特徴とするマトリクスコンバータ装置。