JP2007068247A - Ac-ac direct converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大型のエネルギーバッファを用いることなく、半導体スイッチング素子を用いて多相交流電圧を任意周波数の多相交流電圧に直接変換する交流交流直接変換装置に関するものである。 The present invention relates to an AC / AC direct conversion device that directly converts a multiphase AC voltage to a multiphase AC voltage of an arbitrary frequency using a semiconductor switching element without using a large energy buffer.
図4は、この種の交流交流直接変換装置の従来技術を示しており、三相交流電圧を直接変換器としてのマトリクスコンバータにより任意周波数の三相交流電圧に変換する例である。
図4において、1は三相交流電源、2はリアクトル及びコンデンサからなる入力フィルタ、3はマトリクスコンバータ、4は電動機等の負荷である。
FIG. 4 shows the prior art of this type of AC / AC direct conversion device, which is an example of converting a three-phase AC voltage into a three-phase AC voltage of an arbitrary frequency by a matrix converter as a direct converter.
In FIG. 4, 1 is a three-phase AC power source, 2 is an input filter comprising a reactor and a capacitor, 3 is a matrix converter, and 4 is a load such as an electric motor.
上記マトリクスコンバータ3は、一端がR,S,T相入力端子に接続され、他端がU相出力端子に一括して接続された3個の双方向スイッチSからなるU相スイッチ3Uと、同様に他端がV相出力端子に一括して接続された3個の双方向スイッチSからなるV相スイッチ3Vと、同様に他端がW相出力端子に一括して接続された3個の双方向スイッチSからなるW相スイッチ3Wとから構成されている。なお、双方向スイッチSは、例えば、図4の下段に示す如くIGBT等の半導体スイッチング素子を2個逆並列に接続して構成されており、電流を双方向に通流可能である。
The matrix converter 3 is similar to the
マトリクスコンバータ3は、直流中間回路に電解コンデンサ等を備えたコンバータ/インバータシステムのように大型のエネルギーバッファを用いないため、小型軽量化が可能であると共に、コンバータ/インバータシステムに立脚した制御が可能であり、入出力電流を正弦波に制御できる等の特徴がある。 The matrix converter 3 does not use a large energy buffer unlike a converter / inverter system that includes an electrolytic capacitor or the like in the DC intermediate circuit, so it can be reduced in size and weight and can be controlled based on the converter / inverter system. The input / output current can be controlled to a sine wave.
一方、マトリクスコンバータの最大出力電圧は入力電圧の0.86倍になることが知られており、コンバータ/インバータシステムと比べて電圧利用率の点では劣っている。このため、過変調領域での運転を行えば電圧利用率を高めることができるが、出力電圧の歪みや負荷である電動機のトルク脈動等の問題を生じる。 On the other hand, it is known that the maximum output voltage of the matrix converter is 0.86 times the input voltage, which is inferior in terms of voltage utilization compared to the converter / inverter system. For this reason, if the operation is performed in the overmodulation region, the voltage utilization rate can be increased, but problems such as distortion of the output voltage and torque pulsation of the electric motor as a load occur.
この点に鑑み、例えば非特許文献1には、マトリクスコンバータによる電動機の駆動システムにおいて、過変調領域ではマトリクスコンバータの入力電圧に応じ磁束を弱めて電動機の端子電圧を制御することにより、出力電圧や入出力電流の歪みを抑制して正弦波変調時よりも大きな電圧を出力可能とした制御方法が記載されている。
In view of this point, for example, in Non-Patent
一方、三相交流電源を三相トランスを介して多重三相PWMサイクロコンバータに接続してなる電力変換装置において、PWMパルスを作成するためのコントローラの数を減少させると共に、三相交流電源の非対称性や脈動等を考慮に入れてPWMパルスを作成することにより歪みの少ない高電圧を出力可能とした電力変換装置が、特許文献1に記載されている。
また、同様に三相交流電源を三相トランスを介して多重三相PWMサイクロコンバータに接続し、高圧交流電動機を駆動するようにしたものとして、低圧インバータ技術を利用して低歪みの高電圧を発生可能とした電力変換装置が、特許文献2に記載されている。
On the other hand, in a power conversion device in which a three-phase AC power source is connected to a multiplex three-phase PWM cycloconverter via a three-phase transformer, the number of controllers for generating PWM pulses is reduced and the three-phase AC power source is asymmetrical.
Similarly, a three-phase AC power source is connected to a multiplex three-phase PWM cycloconverter via a three-phase transformer to drive a high-voltage AC motor. A power converter that can be generated is described in
上述した非特許文献1に開示されている技術を用いれば、過変調領域において入出力電流に大きな歪みが発生するおそれはないが、正弦波変調時と比べると歪みが増加し、コンバータ/インバータシステムと比較すると電動機の駆動特性が悪化する。また、過変調領域における制御は概して複雑であり、制御装置の回路構成の複雑化やコストの上昇を招く等の問題がある。
If the technique disclosed in
このため、マトリクスコンバータにより電動機を駆動する場合には、過変調領域での運転が不要になる程度まで電動機の電圧定格を下げることが考えられるが、同一出力を得るためには電圧定格を下げた分だけ電流定格が増加したり専用の電動機が必要になる等の不都合があり、これらがマトリクスコンバータの用途を限定してしまう要因となる。 For this reason, when driving a motor with a matrix converter, it may be possible to lower the voltage rating of the motor to such an extent that operation in the overmodulation region is unnecessary, but the voltage rating has been lowered to obtain the same output. There are inconveniences such as an increase in current rating and the need for a dedicated electric motor, which limit the application of the matrix converter.
そこで、本発明の解決課題は、多相交流電源と直接変換器との間に設けた単巻変圧器により直接変換器の入力電圧を昇圧し、過変調領域での運転を要することなく最大出力電圧を増加させた交流交流直接変換装置を提供することにある。
なお、前記特許文献1,2には、単巻変圧器を用いて直接変換器の入力電圧を昇圧する着想は何ら開示されていない。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the input voltage of the direct converter is boosted by a single transformer provided between the polyphase AC power source and the direct converter, and the maximum output is not required in the overmodulation region. The object is to provide an AC / AC direct conversion device with increased voltage.
Note that
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、
半導体スイッチング素子を用いて交流電源の多相交流電圧を任意周波数の多相交流電圧に直接変換する直接変換器を備えた交流交流直接変換装置において、
前記交流電源と前記直接変換器との間に単巻変圧器を接続し、この単巻変圧器により電源電圧を昇圧して前記直接変換器に供給するものである。
In order to solve the above problem, the invention described in
In an AC / AC direct conversion device including a direct converter that directly converts a multi-phase AC voltage of an AC power source into a multi-phase AC voltage of an arbitrary frequency using a semiconductor switching element,
A self-winding transformer is connected between the AC power supply and the direct converter, and the power voltage is boosted by the self-winding transformer and supplied to the direct converter.
請求項2に記載した発明は、請求項1において、
前記直接変換器の最大出力電圧が電源電圧と等しくなるように、前記単巻変圧器により電源電圧を昇圧するものである。
The invention described in
The power supply voltage is boosted by the autotransformer so that the maximum output voltage of the direct converter becomes equal to the power supply voltage.
請求項3に記載した発明は、請求項1または2において、
前記単巻変圧器の漏れインダクタンスを入力フィルタリアクトルとして利用するものである。
The invention described in claim 3 is the invention according to
The leakage inductance of the autotransformer is used as an input filter reactor.
請求項4に記載した発明は、請求項1〜3の何れか1項において、
前記単巻変圧器として、多相単巻変圧器を用いるものである。
The invention described in
A multiphase autotransformer is used as the autotransformer.
本発明によれば、マトリクスコンバータ等の直接変換器を過変調領域で運転することなく、その最大出力電圧を増加させることができる。このため、負荷である電動機の電圧定格を下げたり専用の電動機を用いる等の対応が不要になり、マトリクスコンバータの汎用性を阻害することもない。同時に、直接変換器の出力電圧や入出力電流の歪みを低減させることができる。
また、直接変換器の入力電圧の昇圧用に単巻変圧器を用いているので、通常の変圧器を用いる場合に比べて装置全体の小型化、低コスト化が可能であると共に、単巻変圧器の漏れインダクタンスを入力フィルタリアクトルとしても利用することができる。
According to the present invention, the maximum output voltage of a direct converter such as a matrix converter can be increased without operating in an overmodulation region. For this reason, measures such as lowering the voltage rating of the electric motor as a load or using a dedicated electric motor are not required, and the versatility of the matrix converter is not hindered. At the same time, distortion of the output voltage and input / output current of the direct converter can be reduced.
In addition, since the auto-transformer is used for boosting the input voltage of the direct converter, the entire device can be reduced in size and cost compared to the case of using a normal transformer, and the auto-transformer can be reduced. The leakage inductance of the vessel can also be used as an input filter reactor.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態を示す構成図であり、図4と同一の構成要素には同一の番号を付して詳述を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 4 are given the same reference numerals and detailed description thereof is omitted, and different portions will be mainly described below.
図1において、直接変換器としてのマトリクスコンバータ3の入力端子R,S,TにはY結線された入力フィルタコンデンサ6が接続されていると共に、三相交流電源1と前記入力端子R,S,Tとの間には、単巻変圧器5が接続されている。
ここで、図2は単巻変圧器5の構成を示しており、5r,5s,5tはマトリクスコンバータ3の入力端子R,S,Tに接続されるY結線の巻線、R’,S’,T’は三相交流電源1側の端子である。
図2(a)は単巻変圧器5を三相単巻変圧器により構成した例、図2(b)は3個の単相単巻変圧器5R,5S,5Tにより単巻変圧器5を構成した例であり、何れの場合にも同一の作用効果を得ることができる。
In FIG. 1, a Y-connected
Here, FIG. 2 shows the configuration of the
2A shows an example in which the
ここで、図3を参照しながら、単相の単巻変圧器の動作原理を通常の二巻線変圧器と比較しつつ以下に説明する。図3(a)は二巻線変圧器、図3(b)は単巻変圧器の回路図である。
図3(b)の単巻変圧器において、周知のように巻線の共通部分(B−C間)を分路巻線、共通でない部分(A−B間)を直列巻線と呼び、分路巻線の巻数をN1、全体の巻数をN2とすると、分路巻線に加える電圧V1と全体の巻線(A−C間)に誘導される電圧V2との間には数式1の関係がある。
[数式1]
V1/V2=N1/N2=a
Here, referring to FIG. 3, the operation principle of the single-phase single-winding transformer will be described below in comparison with a normal two-winding transformer. FIG. 3A is a circuit diagram of a two-winding transformer, and FIG. 3B is a circuit diagram of a single-winding transformer.
In the single-winding transformer of FIG. 3 (b), as is well known, the common part (between B and C) of the winding is called a shunt winding, and the non-common part (between A and B) is called a series winding. When the number of turns of the path winding is N 1 and the total number of turns is N 2 , the voltage V 1 applied to the shunt winding and the voltage V 2 induced in the entire winding (between AC) are between There is a relationship of
[Formula 1]
V 1 / V 2 = N 1 /
また、単巻変圧器の一次側に流れる電流をI1、二次側に流れる電流をI2とし、巻線の励磁電流を無視すると、数式2,数式3が成り立つ。
[数式2]
N1(I1−I2)=(N2−N1)I2
[数式3]
I1/I2=N2/N1=1/a
上記の数式1〜3の関係は、図3(a)の二巻線変圧器においても同様である。
If the current flowing in the primary side of the autotransformer is I 1 , the current flowing in the secondary side is I 2, and the exciting current of the winding is ignored,
[Formula 2]
N 1 (I 1 −I 2 ) = (N 2 −N 1 ) I 2
[Formula 3]
I 1 / I 2 = N 2 /
The relations of the
ここで、単巻変圧器における分路巻線に流れる電流Iは数式4によって表される。
[数式4]
I=I1−I2=(1−a)I1
Here, the current I flowing through the shunt winding in the autotransformer is expressed by
[Formula 4]
I = I 1 −I 2 = (1-a) I 1
数式4は、分路巻線には一次電流I1と二次電流I2との差分のみが流れることを示しており、巻数比が1に近くなると電流Iがほぼゼロになるので、分路巻線の小型化ひいては変圧器の小型化が可能である。また、一次巻線と二次巻線とを一部共用しているので、通常の変圧器に比べて体積を大幅に減少させることができ、この点でも小型化を図ることができる。よって、単巻変圧器は昇圧分が少ない用途の変圧器に適していると言える。
一方、前述したようにマトリクスコンバータの最大出力電圧は入力電圧の0.86倍であるから、電源電圧を変圧器により昇圧してマトリクスコンバータに入力すれば、マトリクスコンバータの出力可能な電圧範囲を上記電源電圧の大きさまで拡げることができる。しかしながら、通常の三相変圧器を用いて昇圧する場合には変圧器の体格が大きく、装置全体の大型化やコストの上昇を招く。 On the other hand, as described above, since the maximum output voltage of the matrix converter is 0.86 times the input voltage, if the power supply voltage is boosted by a transformer and input to the matrix converter, the voltage range that can be output by the matrix converter is The power supply voltage can be expanded. However, when boosting using a normal three-phase transformer, the size of the transformer is large, leading to an increase in size and cost of the entire apparatus.
そこで、本実施形態では、昇圧比が小さい用途に最適な単巻変圧器5により電源電圧を昇圧してマトリクスコンバータ3に入力することにより、その最大出力電圧を三相交流電源1の電源電圧まで増加させるようにしたものである。
直接変換器としてマトリクスコンバータを用いた場合に従来のコンバータ/インバータシステムと同等の最大出力電圧を得るためには、電源電圧を15%程度昇圧してマトリクスコンバータに入力すれば良く、この場合の昇圧用変圧器としては、小型化を考慮した場合に単巻変圧器が最適である。
Therefore, in the present embodiment, the power supply voltage is boosted by the single-
In order to obtain the maximum output voltage equivalent to that of the conventional converter / inverter system when a matrix converter is used as a direct converter, the power supply voltage may be boosted by about 15% and input to the matrix converter. As a transformer for a transformer, a single-winding transformer is optimal when considering miniaturization.
電源電圧を15%程度昇圧する場合、数式1における巻数比aが0.85の単巻変圧器を使用すればよく、その時に単巻変圧器の分路巻線に流れる電流Iは、数式4から入力電流I1の15%で済むため、分路巻線の小型化が可能になる。また、直列巻線には入力電流とほぼ等しい電流が流れるものの、昇圧分は15%であるので直列巻線の体積増加もそれほど問題にならない。
When boosting the power supply voltage by about 15%, it is sufficient to use an autotransformer having a turn ratio a of 0.85 in
具体的には、図2に示す単巻変圧器5を図1のように三相交流電源1とマトリクスコンバータ3の入力端子R,S,Tとの間に接続し、単巻変圧器5の巻数比aを0.85に設定することにより、三相交流電源1の線間電圧を15%程度昇圧してマトリクスコンバータ3に入力することができ、正弦波変調によりマトリクスコンバータ3を運転してその出力電圧を増加させると共に、出力電圧や入出力電流の歪みを低減することができる。
Specifically, the
これにより、過変調領域での制御に伴う回路構成の複雑化やコストの上昇を招くこともなく、負荷4である電動機の電圧定格を下げたり専用の電動機を用いる必要もないため、マトリクスコンバータの汎用性を損なう心配もない。
更に、本実施形態によれば、単巻変圧器5の漏れインダクタンスを入力フィルタリアクトルとして利用することができるから、入力フィルタリアクトルを別個に設ける必要がなく、この点でも装置全体の小型化、低コスト化に寄与することができる。
As a result, the circuit configuration associated with the control in the overmodulation region is not complicated and the cost is not increased, and it is not necessary to lower the voltage rating of the motor as the
Furthermore, according to this embodiment, since the leakage inductance of the
1:三相交流電源
3:マトリクスコンバータ
3U:U相スイッチ
3V:V相スイッチ
3W:W相スイッチ
4:負荷
5:単巻変圧器
5r,5s,5t:巻線
5R,5S,5T:単相単巻変圧器
S:双方向スイッチ
1: Three-phase AC power supply 3:
Claims (4)
前記交流電源と前記直接変換器との間に単巻変圧器を接続し、この単巻変圧器により電源電圧を昇圧して前記直接変換器に供給することを特徴とする交流交流直接変換装置。 In an AC / AC direct conversion device including a direct converter that directly converts a multi-phase AC voltage of an AC power source into a multi-phase AC voltage of an arbitrary frequency using a semiconductor switching element,
An AC / AC direct conversion apparatus, wherein a single-turn transformer is connected between the AC power supply and the direct converter, and a power supply voltage is boosted by the single-turn transformer and supplied to the direct converter.
前記直接変換器の最大出力電圧が電源電圧と等しくなるように、前記単巻変圧器により電源電圧を昇圧することを特徴とする交流交流直接変換装置。 In the AC / AC direct conversion device according to claim 1,
An AC / AC direct conversion device characterized in that the power supply voltage is boosted by the autotransformer so that the maximum output voltage of the direct converter becomes equal to the power supply voltage.
前記単巻変圧器の漏れインダクタンスを入力フィルタリアクトルとして利用することを特徴とする交流交流直接変換装置。 In the AC / AC direct conversion device according to claim 1 or 2,
An AC / AC direct conversion device using a leakage inductance of the autotransformer as an input filter reactor.
前記単巻変圧器として、多相単巻変圧器を用いることを特徴とする交流交流直接変換装置。 In the AC / AC direct conversion device according to any one of claims 1 to 3,
An AC / AC direct conversion device using a multi-phase autotransformer as the autotransformer.
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