JP2008005609A - 交流−交流直接電力変換器の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マトリクスコンバータ等の交流−交流直接電力変換器において、入力電圧検出手段41と、出力電流検出手段45と、マトリクスコンバータ20の出力電圧指令値、入力電圧情報及び出力電流情報、並びに、出力電圧指令値及び入力電圧情報のそれぞれの各相の大小関係を用いて、マトリクスコンバータ20を構成する交流スイッチSru〜Stwのスイッチングパターン(オンデューティ)を決定し、このスイッチングパターンに応じて交流スイッチの駆動パルスを生成する駆動パルス演算手段400Aと、を備える。
【選択図】図1
Description
いま、電源10を対称三相電源とし、線間電圧実効値をE、電源角周波数をω、電源位相角をθとすると、相電圧er,es,etは数式1,2により与えられる。
スイッチング半周期T間の転流回数は、9個の交流スイッチ全てに導通期間を設けると6回であるが、転流回数を4回に低減すると共に、電源力率を1に制御し、また、出力電圧をスイッチング半周期Tの平均値として指令値通りの電圧に制御する従来技術について、9個の交流スイッチSru〜StwのオンデューティDru〜Dtwの決め方を以下に説明する。
なお、この従来方式1に相当するスイッチング方法が、非特許文献1に記載されている。
この従来方式2の出力電圧最大値は、電源電圧の1/2である。従来方式2では、各パルスパターンの組み合わせに対するデューティDA〜DEが相電圧実効値Em=E/√3を用いて定義されており、それぞれ数式4で与えられる。
以下、この先願発明について説明する。
制御装置40は、三相交流電源10に接続された入力電圧検出手段41と、出力電圧指令演算手段42と、入力電圧及び出力電圧指令値からマトリクスコンバータ20の交流スイッチのオンデューティを演算し、このオンデューティに応じてマトリクスコンバータ20の交流スイッチSru〜Stwに対する駆動パルス(PWMパルス)Gru,Gsu,Gtu,Grv,Gsv,Gtv,Grw,Gsw,Gtwを生成する駆動パルス演算手段400とを備えている。
図16は、図15における出力電圧指令演算手段42のブロック図であり、負荷30としての誘導電動機を可変速制御する場合のものである。図16において、誘導電動機の速度指令値に相当する一次角周波数指令値ωL *を与え、V/fテーブル421により一次角周波数指令値ωL *に応じた線間電圧指令値VL *を得る。また、一次角周波数指令値ωL *を積分器422に入力して時間積分により誘導電動機の電気角θL *を得る。上記線間電圧指令値VL *と電気角θL *とに基づき、三相発振器423によって数式5により出力相電圧指令値vu *,vv *,vw *が与えられる。
まず、最大電圧を出力させる相の交流スイッチに対しては電源側の最大電圧相及び中間電圧相に接続されるようにスイッチングパターンを決定し、最小電圧を出力させる相の交流スイッチに対しては電源側の中間電圧相及び最小電圧相に接続されるようにスイッチングパターンを決定する動作について説明する。
このスイッチングパターンは、最大出力電圧指令vu *のu相の交流スイッチについては、電源の最大電圧er(最大電圧相であるr相)及び中間電圧es(中間電圧相であるs相)のみに接続して最小電圧et(最小電圧相であるt相)には接続せず、また、最小出力電圧指令値vw *のw相の交流スイッチについては、電源の中間電圧es及び最小電圧etのみに接続して最大電圧erには接続しないPWMパターンであり、このようなPWMパターンを用いることは、同図(a)の高出力電圧時、同図(b)の低出力電圧時の何れも変わりがない。すなわち、出力電圧の大きさに関わらず、最大電圧を出力させる相の交流スイッチに対しては電源側の最大電圧相及び中間電圧相に接続されるようにスイッチングパターンを決定し、最小電圧を出力させる相の交流スイッチに対しては電源側の中間電圧相及び最小電圧相に接続されるようにスイッチングパターンを決定する。
スイッチング半周期Tの転流回数については、スイッチStu,Srwを導通しない(Dtu=0,Drw=0)ため、従来方式1,2と同様に4回に低減できている。また、最大電圧と最小電圧との間の直接の切替がないので、スイッチング損失及びノイズを低減でき、全ての相で中間電圧が使用されるため、負荷中性点の電位変化を抑制することができる。
図19は、出力電圧指令値が最大値のu相と最小値のw相との間の負荷電流iwuのみを考慮した接続関係を示している。このとき、図19のようにu相スイッチSru,Ssuとw相スイッチSsw,Stwとをそれぞれ導通してスイッチング半周期Tのパターンを発生する。
図19において、電源力率1を実現するために、電源から見た負荷側インピーダンスを抵抗Rwuと考えると、スイッチング半周期Tの平均入力電流irwu,iswu,itwuは数式8により得られる(明細書本文中では記号「−」を付記できないため、以下では、各数式における電流i,電力Pの上方に記号「−」を付して平均値を示す)。
図20は、出力電圧指令値が最大値のu相と中間値のv相との間の負荷電流iuvのみを考慮した接続関係を示している。図20において、電源力率1を実現するために、電源から見た負荷側インピーダンスを抵抗Ruvと考えると、入力電流iruv,isuv,ituvは数式17により表される。
以下に、入出力電圧の任意の大小関係におけるスイッチングパターン発生時のオンデューティ演算手段400の作用を説明する。
例えばmL=1の場合には、表3によれば出力中間電圧相b相がv相であるから、D1v=D1b,D12v=D12bとして、D1v,D12vをv相比較回路410に出力する。
同図(a)では、0,1間で変化する三角波キャリアとオンデューティD1v,D12v(=D1v+D2v)とを比較し、信号Q1v,Q12vが得られる。同図(b)に示す論理回路により、信号Q1v,Q12vからスイッチング信号G1v,G2v,G3vを得て、更に、これらをr,s,t相に振り分けることによりPWMパルスGrv,Gsv,Gtvを発生する。この振り分けにおいては、表1から得られる信号r1(e1=er信号)、信号s1(e1=es信号)、信号r2s3(e2=erまたはe3=es信号)を用いて、電源側のr,s相がそれぞれ最大電圧相、中間電圧相、最小電圧相の何れであるかを判断しPWMパルスGrv,Gsvを作成する。電源側のt相のPWMパルスGtvは、Grv,Gsvが共にオフ状態のときにオンする論理として得られる。
前記電力変換器の入力電圧を検出する手段と、前記電力変換器の出力電流を検出する手段と、前記電力変換器の出力電圧指令値、入力電圧情報及び出力電流情報、並びに、前記出力電圧指令値及び前記入力電圧情報それぞれの各相の大小関係を用いて、前記交流スイッチのスイッチングパターンを決定し、このスイッチングパターンに応じて前記交流スイッチの駆動パルスを生成する駆動パルス演算手段と、を備えたものである。
前記駆動パルス演算手段は、
前記出力電圧指令値及び出力電流検出値から出力電力を演算する手段と、前記電力変換器の入力電圧指令値、入力電流位相指令値及び前記出力電力から入力電流指令値を演算する手段と、前記入力電圧検出値、入力電流指令値、出力電流検出値及び出力電圧指令値から前記交流スイッチのスイッチングパターンをオンデューティとして演算するオンデューティ演算手段と、を備えたものである。
前記オンデューティ演算手段は、
前記電力変換器の出力電圧最大相及び出力電圧中間相を入力電圧最大相または入力電圧中間相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧最小相を入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第1のオンデューティ演算部と、前記電力変換器の出力電圧最大相を入力電圧最大相または入力電圧中間相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧中間相及び出力電圧最小相を入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第2のオンデューティ演算部と、を備えたものである。
前記オンデューティ演算手段は、更に、
前記電力変換器の出力電圧最大相を入力電圧最大相に接続し、前記電力変換器の出力電圧中間相を入力電圧最大相、入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧最小相を入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第3のオンデューティ演算部と、前記電力変換器の出力電圧最大相を入力電圧最大相または入力電圧中間相に接続し、前記電力変換器の出力電圧中間相を入力電圧最大相、入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧最小相を入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第4のオンデューティ演算部と、を備えたものである。
何れかのオンデューティ演算部により演算されたスイッチングパターンを選択して出力する手段を備えたものである。
1スイッチング周期における出力1相あたりの平均スイッチング回数が2回以下になるようにスイッチングパターンを決定するものである。
これによってスイッチング損失を低減し、システム全体の小型化、低コスト化を図り、効率や信頼性を向上させることができる。
まず、図1は本発明の第1実施形態の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る制御装置40Aの最大の特徴は、マトリクスコンバータ20の出力電流を検出し、入力電圧及び出力電流の情報からスイッチング回数を低減するパルスパターンを演算する駆動パルス演算手段400Aを設けたことである。なお、図1において、図15と同一の構成要素には同一の参照符号を付すものとする。
得られた入力電圧er,es,etは駆動パルス演算手段400Aに入力されると共に、入力電圧位相演算手段43に入力され、入力電圧の位相θがPLL等により検出される。入力電流位相演算手段44は、入力電圧位相θと入力電流力率指令値ψ*とから、各相の入力電流基準指令値ur *,us *,ut *を数式31により演算する。
出力電流検出手段45は、ホールセンサやシャント抵抗器等を用いてマトリクスコンバータ20の各相出力電流iu,iv,iwを検出する。図1では、u相及びv相の二相の電流を検出し、残りのw相に関してはこれらの検出電流から演算により求めている。
図2は、駆動パルス演算手段400Aの構成を示すブロック図である。図2において、入力電圧相/線間変換手段461は、入力電圧er,es,etを数式33により線間電圧ers,est,etrに変換する。
なお、ここで、添字α,β,λは最大、中間、最小をそれぞれ意味しており、前述した表1における添字1,2,3に相当する。このため、表4は実質的に表1と同一である。
図3は、導通しないスイッチを省略したマトリクスコンバータ、三相交流電源及び負荷の接続構成を示す回路図であり、第1のオンデューティ演算手段468によるスイッチの接続例を説明するためのものである。なお、入力フィルタは、説明を容易にするために図示を省略している。
出力電圧最小相(c相)は、入力電圧最大相(α相)に接続しないため、D1αcは数式43となる。
ただし、第1のオンデューティ演算手段468のみでは、負荷力率と出力電流によっては実現できない場合が存在する。例えば、負荷力率が1で入力電圧最大相及び中間相の電圧が正の場合は、正の入力電圧を用いている以上、正の中間相に負の電流を流すことが不可能である。したがって、第1のオンデューティ演算手段468のみでは実現が不十分となる。
図4と同様に、1スイッチング周期間のスイッチング回数は三相合計で6回であり、出力1相あたりの平均は2回となる。
相判別手段471では、表5で求めた出力電圧モードmLを用いて表6に従って出力u,v,w相の三角波キャリアと比較するデューティDαu〜Dαβwを求める。
同図(a)では、0,1間で変化する三角波キャリアとオンデューティDαv,Dαβv=Dαv+Dβv)とを比較し、信号Qαv,Qαβvが得られる。同図(b)に示す論理回路により、信号Qαv,Qαβvからスイッチング信号Gαv,Gβv,Gγvを得ると共に、これらを表4の大小関係信号と論理演算してr,s,t相に振り分けることにより、PWMパルスGrv,Gsv,Gtvを発生してマトリクスコンバータの各スイッチをスイッチングする。
この実施形態では、図2に示した第1実施形態の構成に加えて、第3のオンデューティ演算手段479及び第4のオンデューティ演算手段480を備えている。以下、これらのオンデューティ演算手段479,480について説明する。
図9において、入力電圧の大小関係はr相が最大、s相が中間、t相が最小であり、出力電圧の大小関係はu相が最大、v相が中間、w相が最小である。第3のオンデューティ演算手段479では、出力電圧最大相を入力電圧最大相に接続し、出力電圧中間相を入力電圧最大相、中間相及び最小相に接続すると共に、出力電圧最小相を入力電圧中間相及び最小相に接続するようにオンデューティを演算する。
以下、第1実施形態における第1のオンデューティ演算手段468と同様にデューティの演算式を導出する。
すなわち、1スイッチング周期間のスイッチング回数は、出力電圧最大相であるu相がスイッチングを行わないので、三相合計で6回であり、出力1相あたりの平均は、6回を三相で除した2回となる。
図11は、第4のオンデューティ演算手段480によるスイッチの接続例を示す回路図である。オンデューティ演算手段480では、出力電圧最大相を入力電圧最大相及び中間相に接続し、出力電圧中間相を入力電圧最大相、中間相及び最小相に接続すると共に、出力電圧最小相を入力電圧最小相に接続するようにオンデューティを演算する。
この場合のオンデューティは第3のオンデューティ演算手段479と同様の考え方で導出可能であり、数式65となる。
図12のスイッチングパターンにより、出力電圧最大相のu相は2回の切り替わりで入力電圧最大相のr相及び入力電圧中間相のs相に接続される。出力電圧中間相のv相は、4回の切り替わりでr相,s相及び入力電圧最小相のt相に接続され、出力電圧最小相のw相は、スイッチングを行わずにt相に接続される。
すなわち、1キャリア周期間のスイッチング回数は、出力電圧最小相のw相がスイッチングを行わないため、三相合計で6回であり、出力1相あたりの平均は、6回を三相で除した2回となる。
20:マトリクスコンバータ
21:入力フィルタ
30:負荷
40A:制御装置
41:入力電圧検出手段
42:出力電圧指令演算手段
43:入力電圧位相演算手段
44:入力電流位相演算手段
45:出力電流検出手段
400A:駆動パルス演算手段
461:入力電圧相/線間変換手段
462:入力電流振幅指令演算手段
463:入力電流指令値演算手段
464:出力電圧相/線間変換手段
465:入力大小判別手段
466:入力大小判別手段
467:電圧指令相/線間変換手段
468:第1のオンデューティ演算手段
469:第2のオンデューティ演算手段
470:オンデューティ選択手段
471:相判別手段
472:u相比較回路
473:v相比較回路
474:w相比較回路
475:三角波キャリア発生回路
476:u相PWM発生手段
477:v相PWM発生手段
478:w相PWM発生手段
479:第3のオンデューティ演算手段
480:第4のオンデューティ演算手段
Claims (6)
- 交流電源に接続される入力側の各相と出力側の各相とが双方向性の交流スイッチにより直接接続され、前記交流スイッチのオンオフ動作により、交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に直接変換する交流−交流直接電力変換器において、
前記電力変換器の入力電圧を検出する手段と、
前記電力変換器の出力電流を検出する手段と、
前記電力変換器の出力電圧指令値、入力電圧情報及び出力電流情報、並びに、前記出力電圧指令値及び前記入力電圧情報それぞれの各相の大小関係を用いて、前記交流スイッチのスイッチングパターンを決定し、このスイッチングパターンに応じて前記交流スイッチの駆動パルスを生成する駆動パルス演算手段と、
を備えたことを特徴とする交流−交流直接電力変換器の制御装置。 - 請求項1に記載した交流−交流直接電力変換器の制御装置において、
前記駆動パルス演算手段は、
前記出力電圧指令値及び出力電流検出値から出力電力を演算する手段と、
前記電力変換器の入力電圧指令値、入力電流位相指令値及び前記出力電力から入力電流指令値を演算する手段と、
前記入力電圧検出値、入力電流指令値、出力電流検出値及び出力電圧指令値から前記交流スイッチのスイッチングパターンをオンデューティとして演算するオンデューティ演算手段と、
を備えたことを特徴とする交流−交流直接電力変換器の制御装置。 - 請求項2に記載した交流−交流直接電力変換器の制御装置において、
前記オンデューティ演算手段は、
前記電力変換器の出力電圧最大相及び出力電圧中間相を入力電圧最大相または入力電圧中間相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧最小相を入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第1のオンデューティ演算部と、
前記電力変換器の出力電圧最大相を入力電圧最大相または入力電圧中間相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧中間相及び出力電圧最小相を入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第2のオンデューティ演算部と、
を備えたことを特徴とする交流−交流直接電力変換器の制御装置。 - 請求項3に記載した交流−交流直接電力変換器の制御装置において、
前記オンデューティ演算手段は、更に、
前記電力変換器の出力電圧最大相を入力電圧最大相に接続し、前記電力変換器の出力電圧中間相を入力電圧最大相、入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧最小相を入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第3のオンデューティ演算部と、
前記電力変換器の出力電圧最大相を入力電圧最大相または入力電圧中間相に接続し、前記電力変換器の出力電圧中間相を入力電圧最大相、入力電圧中間相または入力電圧最小相に接続し、かつ、前記電力変換器の出力電圧最小相を入力電圧最小相に接続するスイッチングパターンを演算する第4のオンデューティ演算部と、
を備えたことを特徴とする交流−交流直接電力変換器の制御装置。 - 請求項3または4に記載した交流−交流直接電力変換器の制御装置において、
何れかのオンデューティ演算部により演算されたスイッチングパターンを選択して出力する手段を備えたことを特徴とする交流−交流直接電力変換器の制御装置。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載した交流−交流直接電力変換器の制御装置において、
1スイッチング周期における出力1相あたりの平均スイッチング回数が2回以下になるようにスイッチングパターンを決定することを特徴とする交流−交流直接電力変換器の制御装置。
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