JP2007306649A

JP2007306649A - 直列多重マトリクスコンバータ

Info

Publication number: JP2007306649A
Application number: JP2006129884A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Karanihara; 博孝唐仁原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】半導体素子のスイッチング誤差による影響を低減し電圧出力特性を向上させることにより、負荷側の交流電動機に安定した電力を供給でき、また、電動機効率を向上させ、省エネルギー効果を得られる直列多重マトリクスコンバータを提供する。
【解決手段】電流指令値を零にしたときの電圧指令を電圧補正値として記憶する電圧補正値記憶部（１４１）と、電圧指令と電圧補正値を加算して補正電圧指令を生成し単相マトリクスコンバータに指令する補正電圧指令生成部（１４０）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧出力特性を改善した直列多重マトリクスコンバータに関する。

図５は特許文献１に開示された直列多重マトリクスコンバータの主回路構成、図６は、特許文献１の各ユニットに対して構成されるＰＷＭ作成パルスコントローラおよびＰＷＭパルス分配器の構成を示したものである。図５において、２０１は三相交流電源、２０２は三相トランス、２０３はＵ相ユニット、２０４はＶ相ユニット、２０５はＷ相ユニット、２０６は電動機である。また、２１１から２２２は三相トランスの二次巻線、２３１から２３４はＵ相ユニットを構成する単相サイクロコンバータ、２４１から２４４はＶ相ユニットを構成する単相サイクロコンバータ、２５１から２５４はＷ相を構成する単相サイクロコンバータである。また、図６において、６０１はＰＷＭ作成コントローラ、６０２はＰＷＭパルス分配器である。次に動作について説明する。図５の三相トランス２０２で、１次巻線２１０と２次巻線２１１〜２１４、２次巻線２１５〜２１８、２次巻線２１９〜２２２は電気的に同じ結合度で接続されているので、三相交流電源２０１の非対称性や脈動等も同じ度合いで３×４組の２次巻線２１１〜２２２に伝わる。そして、ユニット対応のＰＷＭパルス作成コントローラ６０１は、一つの三相入力端子ｒ、ｓ、ｔに印加される電圧の電圧値および位相を代表して取り込み、ユニットから交流電動機２０６に供給すべき電圧を指定する出力電圧指令に基づいて、一つの段のＰＷＭパルス信号を作成し、さらにＰＷＭパルス分配器６０２では、該一つの段のＰＷＭパルス信号からキャリア周波数の位相が互いに（３６０÷ｎ）度づつ異なるように他の段のＰＷＭパルス信号を作成して、合わせて４組のＰＷＭパルスを作成することが可能となる。従って、ユニットに対応した３組のＰＷＭパルス作成コントローラ６０１およびＰＷＭパルス分配器６０２を具備することで適正な４組のＰＷＭパルスを作成できるので、ＰＷＭパルス信号を生成するためのコントローラの個数を１／ｎ（ここで、ｎはユニット内の段数、すなわち三相／単相ＰＷＭサイクロコンバータの個数を意味する。）に減少させることができ、これによって装置の小型化および低コストを図ることができるというものである。

また、図４は従来技術の直列多重マトリクスコンバータの構成を示す図である。図４において、１００は三相交流電源、１０１は三相トランス、１０２は三相トランス１０１の一次巻線、１０３〜１１１は三相トランス１０１の二次巻線、１１２〜１２０は単相マトリクスコンバータ装置であり、半導体素子のスイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換するものである。また、１２１は直列多重主回路部であり、単相マトリクスコンバータ装置１１２〜１２０を複数各相毎に直列に接続したものとなっている。１２２〜１２４は電流検出器であり、後述する負荷側の交流電動機１３８に供給される三相出力電流を検出するものである。それから、１２５〜１２７はハード信号線、１２８〜１３６は伝送路で、各単相マトリクスコンバータ装置１１２〜１２０と後述するコントローラ１３７間の伝達手段である。１３７はコントローラであり、後述する電流制御器１３９を内部に備えている。１３８は交流電動機、１３９は電流制御器である。この構成のマトリクスコンバータは、電流検出器１２２〜１２４で検出した出力電流値をハード信号線１２５〜１２７を介してコントローラ１３７に伝達し、コントローラ１３７の電流制御器１３９にて電流検出値と電流指令値とを比較して作成した電圧指令を伝送路１２８〜１３６を介して各単相マトリクスコンバータ装置１１２〜１２０に伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御している。
特開平１１−２５２９９２号公報

ところが、従来の直列多重マトリクスコンバータ装置において、直列多重主回路部１２１は、単相マトリクスコンバータ装置１１２〜１２０を複数各相毎に直列に接続したものであるため、各単相マトリクスコンバータ装置１１２〜１２０の半導体素子のスイッチング誤差のばらつきなどを起因として、各単相マトリクスコンバータ装置１１２〜１２０の電圧出力特性が異なり、負荷側の交流電動機に安定した電力を供給できず、電動機の回転むらや振動の要因となり、電動機にとっては有害であった。また、電動機効率も低下するため、エネルギー損失が増大し、環境に対しても好ましくないという問題があった。
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、各単相マトリクスコンバータ装置の半導体素子のスイッチング誤差による影響を低減し電圧出力特性を向上させることにより、負荷側の交流電動機に安定した電力を供給でき、また、電動機効率を向上させ、省エネルギー効果が得られる直列多重マトリクスコンバータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、半導体素子のスイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリクスコンバータと、前記単相マトリクスコンバータを複数各相毎に直列に接続して、三相出力電圧を負荷側に供給する直列多重マトリクスコンバータであって、三相出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出した電流検出値と電流指令値とを比較して電圧指令を作成する電流制御器と、前記電圧指令を前記単相マトリクスコンバータに伝達し三相出力電圧を制御するコントローラとを備えた直列多重マトリクスコンバータにおいて、前記電流指令値を零にしたときの電圧指令を電圧補正値として記憶する電圧補正値記憶部と、前記電圧指令と前記電圧補正値を加算して補正電圧指令を生成し単相マトリクスコンバータに指令する補正電圧指令生成部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直列多重マトリクスコンバータにおいて、前記電圧補正値は、ｄ−ｑ軸電圧補正値であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の直列多重マトリクスコンバータにおいて、前記ｄ−ｑ軸電圧補正値は、電圧指令値と回転速度の関数であることを特徴とするものである。

本発明によると、電流制御器の電流指令値を零にして制御したときの電圧指令から電圧補正値を作成する電圧補正手段を備えるので、電流制御器で作成する電圧指令を電圧補正手段により求めた電圧補正値で補正した電圧指令を各単相マトリクスコンバータ装置に伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御することが可能となり、各単相マトリクスコンバータ装置の半導体素子のスイッチング誤差による影響を低減し電圧出力特性を向上させることができ、負荷側の交流電動機に安定した電力を供給し、電動機効率を向上させ、省エネルギー効果の高い直列多重マトリクスコンバータを提供できる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の実施例を示す直列多重マトリクスコンバータの構成図である。図１において、１００は三相交流電源、１０１は三相トランス、１０２は三相トランスの一次巻線、１０３〜１１１は二次巻線、１１２〜１１４はＵ相を構成する単相マトリクスコンバータ、１１５〜１１７はＶ相を構成する単相マトリクスコンバータ、１１８〜１２０はＷ相を構成する単相マトリクスコンバータである。また、１２２〜１２４は電流検出器、１２５〜１２７はハード信号線、１２８、１３１、１３４は各相の１段目のゲート信号、１２９、１３２、１３５は各相の２段目のゲート信号、１３０、１３１、１３６は各相３段目のゲート信号である。本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
コントローラ１３７は、電流制御器１３９の電流指令を零にして制御したときの電圧指令から電圧補正値を作成し記憶する電圧補正値記憶部１４１と、電圧指令を電圧補正値で補正し、新たな電圧指令を生成する補正電圧指令生成部１４０とを備え、電圧指令を伝送路１２８〜１３６を介して各単相マトリクスコンバータ１１２〜１２０に伝送し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御するようにした点である。

図２は、電圧補正を示す制御ブロック図である。電流指令を零として電流検出値と比較して比例積分制御を行うものである。すなわち、電流指令が零のため電流制御の出力である電圧指令値は、各単相マトリクスコンバータ装置の半導体素子のスイッチング誤差のばらつきなどを起因として、各単相マトリクスコンバータ装置の電圧出力特性が異なることにより不要な電流が流れるのを抑制する電圧指令であり、電圧指令を記憶し、記憶した電圧指令を電圧補正値とする。

次に動作について説明する。図３は本発明の実施例で、動作のフローチャートを示す。図３（ａ）は、電圧補正値を記憶するフローチャートである。ステップＳＡ１で速度を増加させ、ステップＳＡ２で電流指令を零にする。ステップＳＡ３で少なくとも電気角で１周期分の電圧指令を記憶する。次にステップＳＡ４で速度が所定の速度に達したかを判定する。速度が所定値に達していれば終了する。達していなければステップＳＡ１にもどる。このように、回転速度を可変にして回転角度ごとの電圧指令が記憶される。次に図３（ｂ）は電圧指令を補正するフローチャートであり、制御時間ごとに繰り返される。まず、ステップＳＢ１では、速度指令と速度からｄ−ｑ軸電流指令を生成する。ステップＳＢ２では、ｄ−ｑ軸電流指令とｄ−ｑ軸電流からｄ−ｑ軸電圧指令を生成する。次にステップＳＢ３で、回転速度と回転角度に対応したｄ−ｑ軸電圧補正値を読み出して外挿し、電圧補正値を計算する。次にステップＳＢ４で電圧指令に電圧補正値を加算して新たな電圧指令とする。最後にステップＳＢ５で電圧指令を単相マトリクスコンバータに伝送する。

各単相マトリクスコンバータ装置の半導体素子のスイッチング誤差による影響を低減し電圧出力特性を向上させることができ、負荷側の交流電動機に安定した電力を供給し、電動機効率を向上させ、省エネルギー効果を得ることができるので一般産業機械をはじめ多様な用途への適用が期待できる。

本発明の実施例を示す直列多重マトリクスコンバータの構成図本発明の実施例の電圧補正手段を示す制御ブロック図直列多重マトリクスコンバータの電圧出力特性改善方法に関するフローチャート従来技術を示す直列多重マトリクスコンバータの構成図従来技術の直列多重マトリクスコンバータの構成図従来技術の直列多重マトリクスコンバータの動作を説明する図

符号の説明

１００三相交流電源
１０１三相トランス
１０２一次巻線
１０３〜１１１二次巻線
１１２〜１２０単相マトリクスコンバータ
１２１直列多重主回路部
１２２〜１２４電流検出器
１２５〜１２７ハード信号線
１２８〜１３６伝送路
１３７コントローラ
１３８交流電動機
１３９電流制御器
１４０補正電圧指令生成部
１４１電圧補正値記憶部
ｒ、ｓ、ｔ三相交流端子
ａ、ｂ単相交流

Claims

半導体素子のスイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリクスコンバータと、前記単相マトリクスコンバータを複数各相毎に直列に接続して三相出力電圧を負荷側に供給する直列多重マトリクスコンバータであって、三相出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出した電流検出値と電流指令値とを比較して電圧指令を作成する電流制御器と、前記電圧指令を前記単相マトリクスコンバータに伝達し三相出力電圧を制御するコントローラとを備えた直列多重マトリクスコンバータにおいて、
前記電流指令値を零にしたときの電圧指令を電圧補正値として記憶する電圧補正値記憶部と、
前記電圧指令と前記電圧補正値を加算して補正電圧指令を生成し単相マトリクスコンバータに指令する補正電圧指令生成部と、
を備えることを特徴とする直列多重マトリクスコンバータ。
前記電圧補正値は、ｄ−ｑ軸電圧補正値であることを特徴とする請求項１記載の直列多重マトリクスコンバータ。
前記ｄ−ｑ軸電圧補正値は、電圧指令値と回転速度の関数であることを特徴とする請求項２記載の直列多重マトリクスコンバータ。