JP2008048529A - Spatial vector modulation method of ac-ac direct converter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To control input and output waveforms to sine waves while reducing a common mode voltage and harmonics of input and output voltages and suppressing pulsation. <P>SOLUTION: The PWM control of a bi-directional switch of a three-phase/three-phase AC-DC direct converter 3 is performed by a direct AC-AC conversion type spatial vector modulation method. The state of a basic vector obtained by developing a line voltage of a three-phase AC output on a two-phase static αβ axis is four simple oscillation vectors VXmax, VXmid, VYmax and VYmid and one zero vector Vz, and the duty is determined from input current command values Iiα*, Iiβ*, output line voltage command values Volα*, Volβ*, and an input voltage detection value Vi and an output current detection value Io developed on the static αβ axis. The selection of three simple oscillation vectors, a zero vector Vz and a rotation vector Vrot, and the selection of two rotation vectors, a zero vector Vz and two simple oscillation vectors inserted between two rotation vectors are also included. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、多相の交流電源から任意の電圧または周波数に変換した多相出力を得る交流−交流直接変換装置(マトリックスコンバータ)に係り、特に時々刻々と大きさ・位相が変化する空間ベクトルを入力/出力それぞれで表現し、使用する基本ベクトルを選択してデューティ演算する空間ベクトル変調方法に関する。   The present invention relates to an AC-AC direct conversion device (matrix converter) that obtains a multi-phase output converted into an arbitrary voltage or frequency from a multi-phase AC power source, and particularly, a space vector whose size and phase change from moment to moment. The present invention relates to a space vector modulation method that expresses each input / output and selects a basic vector to be used and calculates a duty.

従来から存在するこの種の交流−交流直接変換装置は、自己消弧形の半導体素子を用いた双方向スイッチを高速に切換え、単相または多相の交流入力を任意の電圧または周波数の電力に変換する変換装置であり、図1に基本構成を示す。三相交流電源1のR、S、Tの各相に入力フィルタ(InputFilter)2と双方向スイッチS1〜S9構成の交流−交流直接変換回路3を介挿し、制御装置(コントローラ)4によって各双方向スイッチを電源周波数よりも十分高い周波数でPWM制御することにより、入力電圧をモータなどの負荷Loadに直接に印加しながら任意の電圧または周波数に制御したU、V、Wの交流出力を得る。なお、双方向スイッチは、図示のように単方向スイッチを複数用いて構成する場合もある。   This type of AC-AC direct conversion device that has existed in the past switches a bidirectional switch using a self-extinguishing semiconductor element at high speed, and converts a single-phase or multi-phase AC input to power of an arbitrary voltage or frequency. FIG. 1 shows a basic configuration of a conversion device for conversion. An input filter (InputFilter) 2 and an AC-AC direct conversion circuit 3 having bidirectional switches S1 to S9 are inserted in the R, S, and T phases of the three-phase AC power source 1, and both are controlled by a controller (controller) 4. By performing PWM control of the direction switch at a frequency sufficiently higher than the power supply frequency, an AC output of U, V, and W controlled to an arbitrary voltage or frequency is obtained while directly applying an input voltage to a load Load such as a motor. The bidirectional switch may be configured by using a plurality of unidirectional switches as shown in the figure.

ここで、交流−交流直接変換装置の制御法には、大きく分けて仮想DCリンク形(間接変換法)と直接AC−AC変換形との2つの方式がある。仮想DCリンク方式では、仮想的に直流リンクを考えて仮想入力コンバータと仮想出力インバータを独立に制御できるように工夫したもので、従来の電流形PWMコンバータ+電圧形PWMインバータの構成に似ており、制御の考え方が容易になる。一方で、入力側と出力側の各相が1:1で全て異なる相に結線するような6つのスイッチングパターンが発生しないという制約条件がある。直接AC−AC変換形では、上記のスイッチングパターンに制約条件が無い。   Here, the control method of the AC-AC direct conversion device is roughly divided into two systems, a virtual DC link type (indirect conversion method) and a direct AC-AC conversion type. The virtual DC link system is devised so that the virtual input converter and the virtual output inverter can be controlled independently considering a virtual DC link, and is similar to the configuration of a conventional current source PWM converter + voltage source PWM inverter. , The idea of control becomes easier. On the other hand, there is a constraint that six switching patterns in which the phases on the input side and the output side are all 1: 1 and are connected to different phases do not occur. In the direct AC-AC conversion type, there is no restriction on the above switching pattern.

また、PWM制御するスイッチングパターンを生成する変調方式としては、主にキャリア比較方式と空間ベクトル方式がある。キャリア比較方式は三角波キャリアと正弦波との大小比較によりスイッチングパターンを生成するもので、仮想DCリンク方式に適用したキャリア比較方式としては、仮想コンバータのキャリア及び仮想PWMパルスから仮想インバータキャリアを生成することで、PWM制御のスイッチング回数を少なくかつ同数にしてスイッチング損失やノイズを低減し、出力電圧の制御精度を向上させるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In addition, as a modulation method for generating a switching pattern for PWM control, there are mainly a carrier comparison method and a space vector method. The carrier comparison method generates a switching pattern by comparing the size of a triangular wave carrier and a sine wave. As a carrier comparison method applied to the virtual DC link method, a virtual inverter carrier is generated from a virtual converter carrier and a virtual PWM pulse. Thus, there has been proposed a technique in which the number of times of PWM control switching is reduced to the same number to reduce switching loss and noise and improve the output voltage control accuracy (see, for example, Patent Document 1).

仮想DCリンク形でキャリア比較による変調方式とする交流−交流直接変換装置で、仮想コンバータの仮想直流電圧の大きさをPAM(Pulse Amplitude Modulation)方式で制御することで出力電圧の大きさを調整し、仮想インバータでは出力周波数のみを制御する方法も提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この制御方法では、出力電圧が低出力領域の時に、電圧高低差の少ないパルスを用いるため、電圧高低差が大きいパルスに比べて、パルス幅を広くできる。また、コモンモード電圧が入力中間相電圧を基準にして変動する。これらによって、出力電圧の高調波低減やコモンモード電圧を低減できる。   This is an AC-AC direct conversion device that uses a virtual DC link type modulation method based on carrier comparison, and adjusts the magnitude of the output voltage by controlling the magnitude of the virtual DC voltage of the virtual converter using the PAM (Pulse Amplitude Modulation) method. In the virtual inverter, a method of controlling only the output frequency has also been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). In this control method, when the output voltage is in a low output region, a pulse with a small voltage height difference is used, so that the pulse width can be made wider than a pulse with a large voltage height difference. Also, the common mode voltage varies with reference to the input intermediate phase voltage. As a result, harmonics of the output voltage and common mode voltage can be reduced.

空間ベクトル方式は、交流−交流直接変換装置の出力電圧指令値に応じて瞬時空間ベクトルを選択する方式であり、この選択によりスイッチングパターンが決定される。この空間ベクトル方式を採用した交流−交流変換装置も提案されている(例えば、非特許文献2参照)。この空間ベクトル方式においては、時間積分した磁束鎖交数ベクトルの指令値軌跡に近づくように、回転ベクトル、最大単振動ベクトルおよび零ベクトルとを組み合わせて出力電圧の空間ベクトルを選ぶことにより、高調波成分の小さい出力電圧波形を得ると共に、高電圧出力時に誘導電動機駆動時の磁気騒音、トルクリップルを低減することができる。   The space vector method is a method of selecting an instantaneous space vector according to the output voltage command value of the AC-AC direct conversion device, and the switching pattern is determined by this selection. An AC-AC converter that employs this space vector method has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2). In this space vector method, a harmonic vector is selected by combining the rotation vector, maximum single vibration vector, and zero vector so as to approach the command value locus of the magnetic flux linkage number vector integrated over time. An output voltage waveform with a small component can be obtained, and magnetic noise and torque ripple when driving an induction motor can be reduced during high voltage output.

さらに、変調方式が空間ベクトルではないが、直接AC/AC変換形の交流−交流直接変換装置で、空間ベクトルを用いて27つあるスイッチングパターンを適切に選ぶことで波形歪みを低減している(例えば、非特許文献3参照)。
特開2005−168198号公報 仮想AC/DC/AC変換方式に基づいたマトリックスコンバータのPAM制御法、平成17年電気学会産業応用部門大会、1−43、1−203〜1−206 石黒章夫、 古橋武、 石田宗秋、 大熊繁、 内川嘉樹:「空間ベクトルを用いたPWM制御サイクロコンバータの出力電圧制御法」、電学論D、 Vol.110、 No.6、 pp.655−663 (1990) P.Mutschler、M.Marcks:”A Direct Control Method for Matrix Converters” IEEE trans. on Industrial Electronics. Vol49、No.2、p362−(2002)
Furthermore, although the modulation method is not a space vector, the direct current AC / AC conversion type AC-AC direct conversion device reduces the waveform distortion by appropriately selecting 27 switching patterns using the space vector ( For example, refer nonpatent literature 3).
JP 2005-168198 A PAM control method of matrix converter based on virtual AC / DC / AC conversion system, 2005 IEEJ Industrial Application Conference, 1-43, 1-203-1-206 Akio Ishiguro, Takeshi Furuhashi, Muneaki Ishida, Shigeru Okuma, Yoshiki Uchikawa: “Method of controlling the output voltage of a PWM controlled cycloconverter using a space vector”, Electrical Theory D, Vol. 110, no. 6, pp. 655-663 (1990) P. Mutschler, M.M. Marks: “A Direct Control Method for Matrix Converters” IEEE trans. on Industrial Electronics. Vol 49, No. 2, p362- (2002)

例えば、特許文献1や非特許文献1では、変調方式がキャリア比較方式で出力電圧の制御精度の向上、または出力電圧の高調波低減やコモンモード電圧の低減を行っているが、スイッチングによる位相、大きさの遷移を空間ベクトルの挙動によって把握することができる空間ベクトル方式ではスイッチングパターンを生成するプロセスが異なり、適用できない。   For example, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the modulation method is the carrier comparison method, which improves the control accuracy of the output voltage, or reduces the harmonics of the output voltage or the common mode voltage. The process of generating a switching pattern is different in the space vector method in which the transition of the size can be grasped by the behavior of the space vector, and cannot be applied.

また、非特許文献2においては、出力電圧の高調波低減と高出力時のモータ負荷のトルクリップルを低減できるが、入力電流を任意の正弦波に制御することができないため、装置入力側の高調波が非常に大きくなる。したがって、この手法は、入力が系統電源に接続されないような用途に限定されてしまう。また、コモンモード電圧の低減はできない。   In Non-Patent Document 2, although the output voltage harmonics can be reduced and the torque ripple of the motor load at high output can be reduced, the input current cannot be controlled to an arbitrary sine wave. The waves become very big. Therefore, this method is limited to applications where the input is not connected to the system power supply. Also, the common mode voltage cannot be reduced.

一方、非特許文献3は、直接トルク制御/直接電力制御/切り換え制御則等を用いているが、入出力電流を直接切り換え制御するため、出力電流だけでなく入力電流も検出する必要がある。また、基本ベクトルの電圧誤差や位相差が大きくなるスイッチングパターンもあり、この場合には制御が遅くなることやスイッチング回数、スイッチング順序に無駄が生じ、高速な制御に不向きであることやコモンモード電圧の低減ができない。   On the other hand, although Non-Patent Document 3 uses direct torque control / direct power control / switching control rule, etc., it is necessary to detect not only the output current but also the input current in order to perform direct switching control of the input / output current. In addition, there are switching patterns in which the voltage error and phase difference of the basic vector become large. In this case, the control is slow, the number of times of switching and the switching sequence are wasted, and it is not suitable for high-speed control. Cannot be reduced.

本発明の目的は、キャリア比較方式とスイッチングパターンを生成するプロセスが異なる空間ベクトル方式による変調方式で、入出力電圧の高調波低減およびコモンモード電圧の低減を図ることができ、または入出力の磁束ベクトルの脈動抑制を図ることができる交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法を提供することにある。   The object of the present invention is a modulation method using a space vector method in which a process for generating a switching pattern is different from that of a carrier comparison method, and can reduce harmonics of an input / output voltage and a common mode voltage, or an input / output magnetic flux. An object of the present invention is to provide a space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device capable of suppressing pulsation of vectors.

前記の課題を解決するための本発明は、以下の方法を特徴とする。   The present invention for solving the above problems is characterized by the following method.

(1)多相の交流電源から交流−交流直接変換器の双方向スイッチを直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調でPWM制御する交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法であって、
多相交流出力の線間電圧を2相の静止αβ軸上に展開したベクトルの状態を、線間電圧指令値ベクトルVo*が存在するセクターの位相が遅れている単振動ベクトル軸をX軸、進んでいる単振動ベクトル軸をY軸と定義して、それぞれの軸で最大のベクトルVXmax、VYmaxと、中間のベクトルVXmid、VYmidと、最小のベクトルVXmin、VYminと、相電圧の中間電圧となる零ベクトルVzと、セクター内に1つ存在する回転ベクトルVrotを基本ベクトルとし、このうち4つの単振動ベクトルVXmax、VXmid、VYmax、VYmidと1つの零ベクトルVzとを選択し、
前記選択した5つの基本ベクトルと、入力電流指令値Ii*および出力線間電圧指令値Vol*を静止αβ軸上に展開した入力電流指令値Iiα*、Iiβ*、出力線間電圧指令値Volα*、Volβ*および入力電圧検出値Vi、出力電流検出値Ioから、該5つの基本ベクトルのデューティを求めて入力と出力の波形を同時に正弦波化することを特徴とする。
(1) A space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device that PWM-controls a bidirectional switch of an AC-AC direct converter from a multiphase AC power supply by modulation using a direct AC / AC conversion type space vector,
The state of the vector in which the line voltage of the polyphase AC output is expanded on the two-phase stationary αβ axis, the single vibration vector axis in which the phase of the sector where the line voltage command value vector Vo * exists is delayed on the X axis, The advancing single vibration vector axis is defined as the Y axis, and the maximum vectors VXmax and VYmax, the intermediate vectors VXmid and VYmid, the minimum vectors VXmin and VYmin, and the intermediate voltages of the phase voltages are defined on the respective axes. The zero vector Vz and one rotation vector Vrot existing in the sector are set as basic vectors, and among these, four simple vibration vectors VXmax, VXmid, VYmax, VYmid and one zero vector Vz are selected.
The selected five basic vectors, the input current command value Ii * and the output line voltage command value Vol * on the stationary αβ axis, are input current command values Iiα * and Iiβ *, and the output line voltage command value Volα *. , Volβ *, the input voltage detection value Vi, and the output current detection value Io, the duty of the five basic vectors is obtained and the input and output waveforms are simultaneously converted into a sine wave.

(2)多相の交流電源から交流−交流直接変換器の双方向スイッチを直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調でPWM制御する交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法であって、
多相交流出力の線間電圧を2相の静止αβ軸上に展開したベクトルの状態を、線間電圧指令ベクトルVo*が存在するセクターの位相が遅れている単振動ベクトル軸をX軸、進んでいる単振動ベクトル軸をY軸と定義して、それぞれの軸で最大のベクトルVXmax、VYmaxと、中間のベクトルVXmid、VYmidと、最小のベクトルVXmin、VYminと、相電圧の中間電圧となる零ベクトルVzと、セクター内に1つ存在する回転ベクトルVrotを基本ベクトルとし、このうち3つの単振動ベクトルと零ベクトルVzおよび回転ベクトルVrotとを選択し、
前記選択した5つの基本ベクトルと、入力電流指令値Ii*および出力線間電圧指令値Vol*を静止αβ軸上に展開した入力電流指令値Iiα*、Iiβ*、出力線間電圧指令値Volα*、Volβ*および入力電圧検出値Vi、出力電流検出値Ioから、該5つの基本ベクトルのデューティを求めて入力と出力の波形を同時に正弦波化することを特徴とする。
(2) A space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device that PWM-controls a bidirectional switch of an AC-AC direct converter from a polyphase AC power supply by modulation using a direct AC / AC conversion type space vector,
The vector state in which the line voltage of the polyphase AC output is expanded on the two-phase stationary αβ axis, the single vibration vector axis in which the phase of the sector where the line voltage command vector Vo * exists is delayed, and the X axis advance The simple vibration vector axis is defined as the Y axis, and the maximum vectors VXmax and VYmax, the intermediate vectors VXmid and VYmid, the minimum vectors VXmin and VYmin, and the zero that is the intermediate voltage of the phase voltages. A vector Vz and a rotation vector Vrot that exists in one sector are set as basic vectors, and three simple vibration vectors, zero vector Vz, and rotation vector Vrot are selected among them.
The selected five basic vectors, the input current command value Ii * and the output line voltage command value Vol * on the stationary αβ axis, are input current command values Iiα * and Iiβ *, and the output line voltage command value Volα *. , Volβ *, the input voltage detection value Vi, and the output current detection value Io, the duty of the five basic vectors is obtained and the input and output waveforms are simultaneously converted into a sine wave.

(3)多相の交流電源から交流−交流直接変換器の双方向スイッチを直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調でPWM制御する交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法であって、
多相交流出力の線間電圧を2相の静止αβ軸上に展開したベクトルの状態を、線間電圧指令ベクトルVo*が存在するセクターの位相が遅れている単振動ベクトル軸をX軸、進んでいる単振動ベクトル軸をY軸と定義して、それぞれの軸で最大のベクトルVXmax、VYmaxと、中間のベクトルVXmid、VYmidと、最小のベクトルVXmin、VYminと、相電圧の中間電圧となる零ベクトルVzと、セクター内に1つ存在する回転ベクトルVrotを基本ベクトルとし、このうち2つの回転ベクトルと零ベクトルVz、および2つの回転ベクトルの位相に挟まれた2つの単振動ベクトルとを選択し、
前記選択した5つの基本ベクトルと、入力電流指令値Ii*および出力線間電圧指令値Vol*を静止αβ軸上に展開した入力電流指令値Iiα*、Iiβ*、出力線間電圧指令値Volα*、Volβ*および入力電圧検出値Vi、出力電流検出値Ioから、該5つの基本ベクトルのデューティを求めて入力と出力の波形を同時に正弦波化することを特徴とする。
(3) A space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device that PWM-controls a bidirectional switch of an AC-AC direct converter from a multiphase AC power supply by modulation using a direct AC / AC conversion type space vector,
The vector state in which the line voltage of the polyphase AC output is expanded on the two-phase stationary αβ axis, the single vibration vector axis in which the phase of the sector where the line voltage command vector Vo * exists is delayed, and the X axis advance The simple vibration vector axis is defined as the Y axis, and the maximum vectors VXmax and VYmax, the intermediate vectors VXmid and VYmid, the minimum vectors VXmin and VYmin, and the zero that is the intermediate voltage of the phase voltages. A vector Vz and one rotation vector Vrot existing in the sector are set as basic vectors, and two rotation vectors, a zero vector Vz, and two simple vibration vectors sandwiched between two rotation vectors are selected. ,
The selected five basic vectors, the input current command value Ii * and the output line voltage command value Vol * on the stationary αβ axis, are input current command values Iiα * and Iiβ *, and the output line voltage command value Volα *. , Volβ *, the input voltage detection value Vi, and the output current detection value Io, the duty of the five basic vectors is obtained and the input and output waveforms are simultaneously converted into a sine wave.

(4)前記選択した5つの基本ベクトルのスイッチング状態において、スイッチング回数が最小化するようにスイッチ切換の遷移パターンを決定することを特徴とする。   (4) In the switching state of the selected five basic vectors, a switch switching transition pattern is determined so that the number of switching times is minimized.

(5)前記選択した5つの基本ベクトルのスイッチング状態において、スイッチング回数を最小化しつつ、最大相と最小相間の直接転流を防止するようにスイッチ切換の遷移パターンを決定することを特徴とする。   (5) In the switching state of the selected five basic vectors, the switch switching transition pattern is determined so as to prevent the direct commutation between the maximum phase and the minimum phase while minimizing the number of times of switching.

(6)前記デューティの演算は、Moore−Penroseの一般化逆行列を用いて演算することを特徴とする。   (6) The duty is calculated using a Moore-Penrose generalized inverse matrix.

(7)前記デューティの演算は、Moore−Penroseの一般化逆行列の解が、ひとつでも負となる場合、または5つの基本ベクトルのデューティの加算値が1とならない場合に、正当な解が得られるまで基本ベクトルの選択を切り換えることを特徴とする。   (7) For the calculation of the duty, a valid solution can be obtained when the solution of the generalized inverse matrix of Moore-Penrose is negative or when the added value of the duty of the five basic vectors is not 1. The selection of the basic vector is switched until it is determined.

(8)前記デューティの演算は、Moore−Penroseの一般化逆行列の解を予めテーブル展開して演算負荷を低減することを特徴とする。   (8) The duty calculation is characterized in that a solution of the Moore-Penrose generalized inverse matrix is developed in advance in a table to reduce a calculation load.

(9)前記デューティの演算は、前記出力電流検出値Ioに代えて、該出力電流検出値Ioと入力電流指令値Iiα*、Iiβ*との係数比較によって計算的に該入力電流指令値Iiα*、Iiβ*を求めることを特徴とする。   (9) The duty is calculated by calculating the input current command value Iiα * by a coefficient comparison between the output current detection value Io and the input current command values Iiα * and Iiβ * instead of the output current detection value Io. , Iiβ * is obtained.

以上のとおり、本発明によれば、入力・出力波形を正弦波に制御でき、出力電流センサ等を不要にし、演算負荷を軽減できる。また、双方向スイッチの最適化スイッチングにより入出力電圧の高調波低減およびコモンモード電圧の低減、脈動抑制を図ることができる。   As described above, according to the present invention, the input / output waveform can be controlled to a sine wave, an output current sensor or the like is not required, and the calculation load can be reduced. Further, the harmonic switching of the input / output voltage, the common mode voltage, and the pulsation can be suppressed by the optimized switching of the bidirectional switch.

図1の3相入力、3相出力の交流−交流直接変換装置を例に挙げ、以下に説明する。入力電源の短絡と出力電流の不連続を起こさないスイッチング条件を考えると、9つの双方向スイッチは表1に示す27(33)パターンの組み合わせに限定される。 The three-phase input and three-phase output AC-AC direct conversion device shown in FIG. 1 will be described as an example. Considering the switching condition that does not cause short circuit of the input power supply and discontinuity of the output current, the nine bidirectional switches are limited to the combination of 27 (3 3 ) patterns shown in Table 1.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

この表1中、空間ベクトル上に存在する個々のベクトル(以下、基本ベクトル)について説明すると、S1,S2,S3は3相のうち2相のみを使ったスイッチングになる単振動ベクトルのグループ、R1は反時計方向回転ベクトルのグループ、R2は時計方向回転ベクトルのグループ、Zは出力電圧が常に零になる零ベクトルのグループである。   In Table 1, each vector (hereinafter referred to as a basic vector) existing on a space vector will be described. S1, S2, and S3 are groups of simple vibration vectors that are switched using only two phases out of three phases, R1. Is a group of counterclockwise rotation vectors, R2 is a group of clockwise rotation vectors, and Z is a group of zero vectors whose output voltage is always zero.

したがって、図1の交流−交流直接変換装置を正常に動作させるには、この27パターンの中から任意の状態を選択して制御する必要がある。そこで、これら27のスイッチングパターンを、3相/2相変換により3相交流から2相の静止αβ軸上に展開すると、出力電圧の空間ベクトルは図2のように表現でき(図2は、入力相電圧位相θ=15度の例)、以下に本発明に適用する直接AC−AC変換形の空間ベクトルによる変調方式を簡単に説明する。。   Therefore, in order to operate the AC-AC direct conversion device of FIG. 1 normally, it is necessary to select and control an arbitrary state from the 27 patterns. Therefore, when these 27 switching patterns are developed on a stationary αβ axis of two phases from three-phase AC by three-phase / two-phase conversion, the space vector of the output voltage can be expressed as shown in FIG. Example of phase voltage phase θ = 15 degrees), a modulation method using a direct AC-AC conversion type space vector applied to the present invention will be briefly described below. .

交流−交流直接変換装置の出力UV間の線間電圧Vuvを静止α軸方向として基準にし、図2のような出力電圧の空間ベクトルを構成する。図2は、入力相電圧位相θが15度の例で、交流−交流直接変換装置はその瞬時の入力電圧の位相状態や大きさにより27つある基本ベクトルが変動し、入力電圧が3相交流電源であれば、電源周波数(例えば50Hz/60Hz)に同期して空間ベクトルも変動することになる。この点が、通常のインバータ制御と異なる点である(通常のインバータで用いられる空間ベクトルは、入力電圧が直流のため、長さや位相が固定された6角形となる)。   With reference to the line voltage Vuv between the outputs UV of the AC-AC direct conversion device as a stationary α-axis direction, a space vector of the output voltage as shown in FIG. 2 is constructed. FIG. 2 shows an example in which the input phase voltage phase θ is 15 degrees. In the AC-AC direct conversion device, 27 basic vectors fluctuate depending on the phase state and magnitude of the instantaneous input voltage, and the input voltage is three-phase AC. In the case of a power supply, the space vector also fluctuates in synchronization with the power supply frequency (for example, 50 Hz / 60 Hz). This point is different from normal inverter control (the space vector used in the normal inverter is a hexagon having a fixed length and phase because the input voltage is DC).

また、交流−交流直接変換装置において仮想的に直流リンクを考えて制御する方式では、仮想コンバータと仮想インバータに分離して考えることができるため、入力側と出力側で個別に6角形の固定長・固定位相の空間ベクトルを用いることができる。したがって、制御が従来通りに単純化して容易になるが、仮想直流リンクは仮想上2本の線で入力相と出力相を結線する必要があるので、入力3相と出力3相のすべてを用いて接続する状態(表1におけるSTATE19〜24の6つのスイッチング状態)が表現できない。そこで、本発明ではこの6つのスイッチング状態を有効活用するために、直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調方式で制御を考えていく。   Further, in the method of virtually controlling the direct current link in the alternating current to alternating current direct conversion device, it can be considered separately from the virtual converter and the virtual inverter, so the hexagonal fixed length is individually set on the input side and the output side. A fixed phase space vector can be used. Therefore, although the control is simplified and facilitated as before, the virtual DC link needs to connect the input phase and the output phase with virtually two lines, so all three input phases and three output phases are used. The connection states (six switching states of STATEs 19 to 24 in Table 1) cannot be expressed. Therefore, in the present invention, in order to make effective use of these six switching states, control is considered by a direct AC / AC conversion type modulation method using a space vector.

先述した基本ベクトルについて、表1に示すように6つのグループに分け、位相角30度の方向を正軸とした単振動ベクトルのグループを単振動ベクトルS1、位相角150度方向を正軸とした単振動ベクトルS2、位相角270度方向を正軸とした単振動ベクトルS3、長さは最大一定で反時計方向に回転する回転ベクトルR1、同じく長さ一定で時計方向に回転する回転ベクトルR2、および6角形の中心零点で固定された零ベクトルZ、以上6つのグループに分ける。これら各々の基本ベクトルは、入力電圧の位相θに依存、つまり入力電圧の角速度ωiに同期して変動する。また、ベクトルの長さ(6角形の大きさ)は入力線間電圧の大きさに対応する。 The basic vectors described above are divided into six groups as shown in Table 1, and the group of simple vibration vectors with the phase angle of 30 degrees as the positive axis is the simple vibration vector S1, and the phase angle of 150 degrees as the positive axis. A single vibration vector S2, a single vibration vector S3 having a phase angle of 270 degrees as a positive axis, a rotation vector R1 having a maximum length and rotating counterclockwise, and a rotation vector R2 having a constant length and rotating clockwise And the zero vector Z fixed at the hexagonal center zero, divided into the above six groups. Each of these basic vectors depends on the phase θ of the input voltage, that is, varies in synchronization with the angular velocity ω i of the input voltage. The length of the vector (hexagonal size) corresponds to the magnitude of the input line voltage.

一方、入力電流の空間ベクトルについても同様の考え方で定義することができる。図3は、出力電流位相φ=15度のときの入力電流の空間ベクトルを示しており、入力R相電流を静止α軸基準としている。交流−交流直接変換装置(マトリックスコンバータのような電源周波数より十分高い周波数でスイッチの切り替え制御するもの)は、出力電圧制御は入力電圧を切り刻んでPWM制御する電圧形インバータの要領で行い、入力電流制御は誘導性負荷を想定した出力電流(負荷電流)を切り刻んでPWM制御する電流形コンバータと同様になる。したがって、入力電流の空間ベクトルは出力電流位相φ、つまり出力電流の角速度ωoに依存して変動する基本ベクトルによって表現される。また、ベクトルの長さはそのときの負荷(出力電流の大きさ)に依存する。 On the other hand, the space vector of the input current can be defined in the same way. FIG. 3 shows a space vector of the input current when the output current phase φ = 15 degrees, and the input R-phase current is based on the stationary α axis. AC-AC direct conversion devices (such as matrix converters that control switching of switches at a frequency sufficiently higher than the power supply frequency) perform output voltage control in the manner of a voltage-type inverter that performs PWM control by chopping up the input voltage. The control is similar to a current source converter that performs PWM control by chopping an output current (load current) assuming an inductive load. Accordingly, the space vector of the input current is expressed by a basic vector that varies depending on the output current phase φ, that is, the angular velocity ω o of the output current. Further, the length of the vector depends on the load (the magnitude of the output current) at that time.

ここで、図2の出力電圧の空間ベクトルと、図3の入力電流の空間ベクトルの違いに着目する。表1で示したグループ分けは、図2の出力電圧の空間ベクトルを形成する基本ベクトルの種類に対応しており、図3の入力電流には対応していない。図4は、入力電流の空間ベクトル(左)と、出力電圧の空間ベクトル(右)を比較した例である(入力電圧位相θ=15度、出力電流位相φ=15度の場合)。図4(b)の出力電圧の空間ベクトルで単振動する基本ベクトルのグループは、図4(a)の入力電流の空間ベクトルでは同じ長さの基本ベクトルに展開される。図4の負荷条件/位相条件で例えると、出力電圧の基本ベクトルで30度方向の単振動ベクトルS1軸は、入力側では6方向の軸それぞれにおける最大長の基本ベクトルに展開されている(図中のiRTT,iSTT,iSRR,iTRR,iTSS,iRSS)。また、回転ベクトルに関しては、出力電流位相に従って回転し、軸の基準がずれているものの出力側と同様に、固定長ベクトルで表現される。   Here, attention is paid to the difference between the space vector of the output voltage in FIG. 2 and the space vector of the input current in FIG. The grouping shown in Table 1 corresponds to the types of basic vectors forming the output voltage space vector of FIG. 2, and does not correspond to the input current of FIG. FIG. 4 shows an example in which the space vector (left) of the input current is compared with the space vector (right) of the output voltage (when the input voltage phase θ = 15 degrees and the output current phase φ = 15 degrees). The group of basic vectors that oscillate with the output voltage space vector in FIG. 4B is expanded into the same length of the basic vector in the input current space vector in FIG. 4A. In the load condition / phase condition of FIG. 4, the simple vector S1 axis in the direction of 30 degrees in the basic vector of the output voltage is expanded to the maximum length basic vector in each of the six directions on the input side (see FIG. 4). IRTT, iSTT, iSRR, iTRR, iTSS, iRSS). The rotation vector is represented by a fixed-length vector as in the output side although it rotates according to the output current phase and the axis reference is shifted.

以下、本発明の実施形態になる直接AC−AC変換形の空間ベクトル変調方式について述べる。   A direct AC-AC conversion type space vector modulation system according to an embodiment of the present invention will be described below.

(実施形態1)
非特許文献2のような手法を用いて出力線間電圧波形の改善およびスイッチング回数とコモンモード電圧の低減を制御目的とした場合、スイッチング回数低減により高調波が抑制されるものの入力電流は正弦波とならずに高調波を発生して、系統連系システムであれば電力系統に悪影響を与える。したがって、前記手法は系統連系システムでない用途や、別途高調波を減少させる何らかの装置を要するシステムに限定される。
(Embodiment 1)
When a technique such as Non-Patent Document 2 is used to control the improvement of the output line voltage waveform and the switching frequency and the common mode voltage, the input current is a sine wave although the harmonics are suppressed by the switching frequency reduction. If it is a grid interconnection system, it will adversely affect the power system. Therefore, the method is limited to an application that is not a grid-connected system or a system that requires some device that reduces harmonics separately.

本実施形態では、直接AC/AC変換形の空間ベクトル変調方式で、入力と出力の波形を同時に正弦波化する手法を提案する。   In the present embodiment, a method is proposed in which the input and output waveforms are simultaneously converted to a sine wave by a direct AC / AC conversion type space vector modulation method.

非特許文献2では、3つの基本ベクトルを用いて出力のみ空間ベクトル変調している。3つの出力電圧の基本ベクトルを調整することで、出力電圧の静止α軸方向、β軸方向の成分抽出、および前記3つの基本ベクトルのパルス出力時間(デューティ加算値)が演算周期時間Tに等しくなるように制御している。   In Non-Patent Document 2, only the output is subjected to space vector modulation using three basic vectors. By adjusting the basic vectors of the three output voltages, the components of the output voltage in the static α-axis direction and β-axis direction are extracted, and the pulse output time (duty addition value) of the three basic vectors is equal to the calculation cycle time T. It is controlled to become.

一方で、入力電流も制御するためには、入力側のα軸とβ軸方向を制御する2つの自由度がさらに必要と考える。したがって、入出力両方の波形を任意に制御するためには、合計5つの基本ベクトルの制御が最低でも必要である。図5に示す入力および出力空間ベクトルのセクター領域分けの定義において、入力位相指令値θIi*の存在するセクターが「1」、かつ、出力線間電圧指令値Vol*の存在するセクターが「1」のときを代表例として以下に説明する。   On the other hand, in order to control the input current, two degrees of freedom for controlling the α-axis direction and the β-axis direction on the input side are further necessary. Therefore, in order to arbitrarily control both input and output waveforms, it is necessary to control a total of five basic vectors. In the definition of sector division of the input and output space vectors shown in FIG. 5, the sector where the input phase command value θIi * exists is “1”, and the sector where the output line voltage command value Vol * exists is “1”. This will be described below as a representative example.

図6は、出力側空間ベクトルセクター「1」について、単振動ベクトルと回転ベクトル、および零ベクトルの合計8つを定義したものである。図に示すように単振動ベクトルX軸とY軸を定義し、回転ベクトル方向軸をR軸とする。X軸、Y軸に関しては、1セクター内にそれぞれ3つのベクトルが存在するので、瞬時値の大きい順にmax、mid、minの添え字を与えて表現する(VXmax、VXmid、VXmin、VYmax、VYmid、VYmin)。回転ベクトル方向軸(R軸)は1セクター内に必ず1つのみ存在し、回転ベクトルVrotとおく。零ベクトルVzは、入力相電圧の中間相を用いて表現し(例:入力相電圧の大きさの関係がR>S>Tの関係であるならば、S相が中間相なので表1のスイッチングステートZ2:双方向スイッチの接続状態がSSSを用いる)、零ベクトルVzに用いる中間相は入力位相指令値θIi*が存在する入力セクター「1〜12」の領域によって決定される(入力セクター3、4、9、10→RRR、1、2、7、8→SSS、5、6、11、12→TTT)。入力相電圧の中間相を零ベクトルVzとすることにより、出力側の波形制御の電圧基準となる相が常に中間相となることから、コモンモード電圧の低減が可能となる。また、単振動ベクトルと回転ベクトルは、入力位相指令値θIi*が存在する入力セクターの領域とその位相状態から、スイッチングステートとそのベクトルの大きさ・位相が決定される。   FIG. 6 defines a total of eight simple vibration vectors, rotation vectors, and zero vectors for the output-side space vector sector “1”. As shown in the figure, a single vibration vector X axis and a Y axis are defined, and a rotation vector direction axis is an R axis. With respect to the X axis and the Y axis, there are three vectors in one sector, so the subscripts of max, mid, and min are given in descending order of instantaneous values (VXmax, VXmid, VXmin, VYmax, VYmid, VYmin). Only one rotation vector direction axis (R axis) exists in one sector, and is set as a rotation vector Vrot. The zero vector Vz is expressed using an intermediate phase of the input phase voltage (for example, if the relationship of the magnitude of the input phase voltage is a relationship of R> S> T, the switching of Table 1 is performed because the S phase is the intermediate phase). State Z2: The connection state of the bidirectional switch uses SSS, and the intermediate phase used for the zero vector Vz is determined by the area of the input sector “1-12” where the input phase command value θIi * exists (input sector 3, 4, 9, 10 → RRR, 1, 2, 7, 8 → SSS, 5, 6, 11, 12 → TTT). By setting the intermediate phase of the input phase voltage to the zero vector Vz, the phase that is the voltage reference for the waveform control on the output side is always the intermediate phase, so that the common mode voltage can be reduced. In addition, for the simple vibration vector and the rotation vector, the switching state and the magnitude / phase of the vector are determined from the input sector region where the input phase command value θIi * exists and its phase state.

ところで、入出力波形を正弦波化するためには、図6で定義した基本ベクトル8つの中から5つを選択して空間ベクトル変調する必要がある。1セクター内における基本ベクトルの選択パターンは、85=56パターン存在することになり、この中から適宜、入出力波形が正弦波となるように基本ベクトルを選択して変調制御する。 Incidentally, in order to convert the input / output waveform into a sine wave, it is necessary to select five out of the eight basic vectors defined in FIG. 6 and perform space vector modulation. There are 8 C 5 = 56 patterns of basic vector selection patterns within one sector, and modulation control is performed by selecting a basic vector from among these so that the input / output waveform is a sine wave.

本実施形態では、5つの基本ベクトルの選択手法として、図6の定義における単振動ベクトルVXmax、VXmid、VYmax、VYmid、零ベクトルVo*Vzの5つを常時使用する。この手法は、回転ベクトルVrotを使用せずに電圧利用率の良い単振動ベクトル4つと零ベクトルのみで構成するため、結果的に従来の仮想DCリンク形の空間ベクトル変調方式と同様に4つの単振動ベクトルと1つの零ベクトルである。図7は、入力相電圧位相θ=15度、出力電流位相φ=15度の場合を例として、この実施形態の入出力基本ベクトルの選択状態を表示したものである(入出力の各指令は、斜線で示すセクター領域に存在する)。入力側、出力側ともに、指令値ベクトル(電圧指令値ベクトルVo*と入力位相指令値θIi*)領域をまたぐ60度位相差内の空間に5つの基本ベクトルが存在する。   In the present embodiment, five basic vectors VXmax, VXmid, VYmax, VYmid, and zero vector Vo * Vz are always used as the selection method of the five basic vectors. Since this method is composed of only four single vibration vectors having a good voltage utilization rate and zero vector without using the rotation vector Vrot, as a result, as in the conventional virtual DC link type space vector modulation method, A vibration vector and one zero vector. FIG. 7 shows an input / output basic vector selection state of this embodiment, taking as an example the case of the input phase voltage phase θ = 15 degrees and the output current phase φ = 15 degrees (each input / output command is , In the sector area indicated by diagonal lines). On both the input side and the output side, there are five basic vectors in a space within a phase difference of 60 degrees across the command value vector (voltage command value vector Vo * and input phase command value θIi *) region.

上記のように選択した5つの基本ベクトルを用いた空間ベクトルのデューティ演算(空間ベクトル変調)に関しては、三角公式等を用いて幾何学的に解く手法や、逆行列を演算する手法で計算できる。   The space vector duty calculation (space vector modulation) using the five basic vectors selected as described above can be calculated by a geometrically solving method using a triangular formula or the like, or a method of calculating an inverse matrix.

以下にデューティ演算について、逆行列を演算する手法を例に説明する。上述のように5つの基本ベクトルを選択した上で、入力電流指令値Ii*を入力側空間ベクトルの静止αβ軸上に展開したIiα*、Iiβ*を与え、出力線間電圧指令値Vo*を出力が空間ベクトルの静止αβ軸上に展開したVolα*、Volβ*を与える。また、便宜上、5つの基本ベクトル「VXmax、VXmid、VYmax、VYmid、Vz」を出力側で「V1、V2、V3、V4、V5」、入力側で「I1、I2、I3、I4、I5」と定義し直す(例:図8)。入出力それぞれで、5つの基本ベクトルを静止αβ軸に分解し、「I1α、I2α、I3α、I4α、I5α」「I1β、I2β、I3β、I4β、I5β」、「V1α、V2α、V3α、V4α、V5α」「V1β、V2β、V3β、V4β、V5β」とする。求めるべき5つの基本ベクトルのデューティを「d1、d2、d3、d4、d5」とし、これらの加算値はd1+d2+d3+d4+d5=1となるから、以上より数式(1)を導くことができる。   Hereinafter, a method for calculating an inverse matrix will be described as an example of the duty calculation. As described above, after selecting the five basic vectors, Iiα * and Iiβ * obtained by expanding the input current command value Ii * on the static αβ axis of the input side space vector are given, and the output line voltage command value Vo * is obtained. The output gives Vol α * and Vol β * expanded on the static αβ axis of the space vector. For convenience, the five basic vectors “VXmax, VXmid, VYmax, VYmid, Vz” are “V1, V2, V3, V4, V5” on the output side and “I1, I2, I3, I4, I5” on the input side. Redefine (example: Fig. 8). For each input / output, the five basic vectors are decomposed into stationary αβ axes, and “I1α, I2α, I3α, I4α, I5α”, “I1β, I2β, I3β, I4β, I5β”, “V1α, V2α, V3α, V4α, V5α. “V1β, V2β, V3β, V4β, V5β”. The duty of the five basic vectors to be obtained is “d1, d2, d3, d4, d5”, and these added values are d1 + d2 + d3 + d4 + d5 = 1. Therefore, the equation (1) can be derived from the above.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

ここで、出力線間電圧指令値Vol*に関しては駆動したい負荷に合わせて任意に与えればよいが、入力電流指令値Ii*に関しては、交流−交流直接変換装置の原理上、その大きさは出力する負荷電流に依存して決定される。したがって、入力電流指令値Ii*の大きさについては出力電圧指令値Vol*の大きさと独立に制御することはできない。そこで、交流−交流直接変換装置の入力−出力間の三相瞬時有効電力は等しいという関係と、入力相電圧位相に対する入力電流位相の差(θIi−θVi)である入力位相指令θ*で入力側の無効電力を調整する条件から、(2)式のようにIiα*、Iiβ*に関する連立方程式を導く。   Here, the output line voltage command value Vol * may be arbitrarily given according to the load to be driven, but the input current command value Ii * is output in accordance with the principle of the AC-AC direct conversion device. It depends on the load current to be determined. Therefore, the magnitude of the input current command value Ii * cannot be controlled independently of the magnitude of the output voltage command value Vol *. Therefore, the input phase command θ *, which is the relationship that the three-phase instantaneous active power between the input and output of the AC-AC direct conversion device is equal, and the difference of the input current phase with respect to the input phase voltage phase (θIi−θVi) is input side. From the conditions for adjusting the reactive power of, simultaneous equations relating to Iiα * and Iiβ * are derived as in equation (2).

Figure 2008048529
Figure 2008048529

なお、Viは入力相電圧検出値、Vo*は出力電圧指令の相電圧、Ioは出力電流検出値で、それぞれαβ軸成分に変換している。   Vi is an input phase voltage detection value, Vo * is an output voltage command phase voltage, and Io is an output current detection value, which are converted into αβ-axis components.

(2)式を解くと、(3)式のようになり、入力相電圧検出値Vi、出力線間電圧指令値Vol*、出力電流検出値Ioの情報を用いて、(1)式左辺のIiα*、Iiβ*を計算的に求めることができる。   Solving equation (2) yields equation (3). Using information on input phase voltage detection value Vi, output line voltage command value Vol *, and output current detection value Io, the left side of equation (1) Iiα * and Iiβ * can be calculated computationally.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

なお、Vilは入力線間電圧である。   Vil is an input line voltage.

以上の手順から、5つの基本ベクトルのデューティd1〜d5は、(1)式の逆行列を演算することで、(4)式のように求めることができる。   From the above procedure, the duties d1 to d5 of the five basic vectors can be obtained as shown in equation (4) by calculating the inverse matrix of equation (1).

Figure 2008048529
Figure 2008048529

本実施形態では、上述の手順により、5つの基本ベクトルを決定し、デューティを演算(空間ベクトル変調)する手段を備えることで、直接AC−AC変換形の空間ベクトル変調の交流−交流直接変換装置で入力と出力の両方の波形を同時に正弦波に制御することができる。本実施形態における制御装置4の制御ブロックを図9に示すが、転流制御等の本制御内容自体に関連のない制御ブロックは省略している。   In this embodiment, a direct AC-AC conversion type space-vector-modulation AC-AC direct conversion device is provided by means for determining five basic vectors and calculating a duty (space vector modulation) by the above-described procedure. With this, both input and output waveforms can be controlled to sine waves simultaneously. Although the control block of the control apparatus 4 in this embodiment is shown in FIG. 9, the control block which is not related to this control content itself, such as commutation control, is abbreviate | omitted.

(実施形態2)
本実施形態では、実施形態1と同様に任意の5つの基本ベクトルを選択した上で、出力電流検出値Ioを用いなくとも入出力波形を正弦波に制御できる手法を提案する。すなわち、入力相電圧検出値Viのみを用いて、出力はオープンループ制御とする。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a method is proposed in which any five basic vectors are selected as in the first embodiment, and the input / output waveform can be controlled to a sine wave without using the output current detection value Io. That is, only the input phase voltage detection value Vi is used, and the output is open loop control.

デューティ演算までの手順は実施形態1と同様であるが、(3)式における出力電流検出値Ioα、Ioβを使用しない点が異なる。まず、(1)式の係数行列中の「I1α、I2α、I3α、I4α、I5α」「I1β、I2β、I3β、I4β、I5β」を、すべてIoα、Ioβの関係式に変換して係数比較する。以下、(1)式の3行目Ioαに関する式に着目して、図7のスイッチング状態(I1=RSS、I2=RSR、I3=RTT、I4=RTR、I5=SSS)を代表例として説明する。この状態における(1)式を展開すると、(5)式のように表現できる。   The procedure up to the duty calculation is the same as that in the first embodiment, except that the output current detection values Ioα and Ioβ in the equation (3) are not used. First, “I1α, I2α, I3α, I4α, I5α” and “I1β, I2β, I3β, I4β, I5β” in the coefficient matrix of the equation (1) are all converted into relational expressions of Ioα and Ioβ, and the coefficients are compared. Hereinafter, the switching state (I1 = RSS, I2 = RSR, I3 = RTT, I4 = RTR, I5 = SSS) in FIG. 7 will be described as a representative example by paying attention to the expression relating to the third row Ioα in the expression (1). . When formula (1) in this state is expanded, it can be expressed as formula (5).

Figure 2008048529
Figure 2008048529

I1〜I5に適用されるスイッチング状態がどのような場合でも、(5)式のように静止αβ軸上に展開した出力電流検出値Ioα、Ioβの係数で表現できる。(5)式の左辺Iiα*に、(3)式のIiα*を代入すると、左辺と右辺がIoα、Ioβでそれぞれ係数比較できるため、出力電流検出値Ioα、Ioβを消去でき、(6)式を導くことができる。   Regardless of the switching state applied to I1 to I5, it can be expressed by the coefficients of the detected output current values Ioα and Ioβ developed on the stationary αβ axis as shown in equation (5). By substituting Iiα * in equation (3) for the left side Iiα * in equation (5), the left and right sides can be compared with coefficients of Ioα and Ioβ, respectively, so that the output current detection values Ioα and Ioβ can be eliminated, and equation (6) Can guide you.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

このように、求めるべきd1〜d5の他はすべて既知の数となり、Iiβ*についても同様に求めることができる。これにより、Vo*に関する行も含めて行列形式で表現すると(7)式となる。   As described above, all the values except for d1 to d5 to be obtained are known numbers, and Iiβ * can be similarly obtained. Thus, when expressed in a matrix format including the row relating to Vo *, equation (7) is obtained.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

ここで、Kva1〜Kva5は、それぞれKvaan(係数:n=1〜5)・Vi1a+Kvabn(係数:n=1〜5)・Vi1bである。Kvb1〜Kvb5は、それぞれKvban(係数:n=1〜5)・Vi1a+Kvbbn(係数:n=1〜5)・Vi1bである。nはベクトル番号1〜5、d1〜d5は5つの基本ベクトルを用いた空間ベクトルのデューティ、Volα*とVolβ*は出力線間電圧指令、Iixx(Iiaa:Iiα*を求める式のIoαの項に掛ける係数、Iiab:Iiα*を求める式のIoβの項に掛ける係数、Iiba:Iiβ*を求める式のIoαの項に掛ける係数、Iibb:Iiβ*を求める式のIoβの項に掛ける係数)は入力電流指令計算値((3)式より代入)、Kixx1〜Kixx5(xxはaa,ab,ba,bb)は係数である。   Here, Kva1 to Kva5 are Kvaan (coefficient: n = 1 to 5) · Vi1a + Kvabn (coefficient: n = 1 to 5) · Vi1b, respectively. Kvb1 to Kvb5 are Kvban (coefficient: n = 1 to 5) · Vi1a + Kvbbn (coefficient: n = 1 to 5) · Vi1b, respectively. n is a vector number 1 to 5, d1 to d5 are space vector duties using five basic vectors, Volα * and Volβ * are output line voltage commands, and Iixx (Iia: Ioα in the equation for obtaining Iiα *) The coefficient to be multiplied, Iiab: the coefficient to be multiplied by the Ioβ term of the expression for obtaining Iiα *, Iiba: the coefficient to be multiplied by the Ioα term of the expression for obtaining Iiβ *, and Iibb: the coefficient to be multiplied to the Ioβ term of the expression for obtaining Iiβ *) The current command calculated value (substitute from equation (3)), Kixx1 to Kixx5 (xx is aa, ab, ba, bb) are coefficients.

(7)式に示すように、デューティ係数行列は7×5の非正方行列となるので、Moore−Penroseの一般化逆行列の計算手法を用いて(8)式のようにデューティを演算する。   Since the duty factor matrix is a 7 × 5 non-square matrix as shown in Equation (7), the duty is calculated as shown in Equation (8) using the Moore-Penrose generalized inverse matrix calculation method.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

なお、デューティ係数逆行列の「+」は、Moore−Penroseの一般化逆行列を意味する。   Note that “+” in the duty factor inverse matrix means a generalized inverse matrix of Moore-Penrose.

以上がデューティ演算(空間ベクトル変調)の手順である。本実施形態によれば、実施形態1に比べて、出力電流を検出せずにデューティ演算することが可能な手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置になり、高精度な出力電流センサ等を不要にして、入出力波形を同時に正弦波化することができる。本実施形態における制御装置4の制御ブロックを図10に示す。   The above is the procedure of duty calculation (space vector modulation). According to the present embodiment, compared to the first embodiment, a direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device including a means capable of calculating a duty without detecting an output current is obtained. A simple output current sensor or the like is not required, and the input / output waveforms can be converted into sine waves simultaneously. The control block of the control apparatus 4 in this embodiment is shown in FIG.

なお、この手法は実施形態1のような5ベクトル選択手法(VXmax、VXmid、VYmax、VYmid、Vz)に限定されない。したがって、そのほかのベクトル選択であっても、このデューティ演算手法は成立する(後述する他の実施形態の選択手法にも適用できる)。   This method is not limited to the 5-vector selection method (VXmax, VXmid, VYmax, VYmid, Vz) as in the first embodiment. Therefore, this duty calculation method is established even for other vector selections (can also be applied to selection methods of other embodiments described later).

(実施形態3)
実施形態2のMoore−Penroseの一般化逆行列はアルゴリズム実装上複雑となる場合が多く、演算にも時間を要する可能性がある。そこで、本実施形態では想定される5つの基本ベクトルの全組み合わせについて、演算数式を予めパターンテーブル化しておき、演算アルゴリズムの簡略化・高速化を図る。
(Embodiment 3)
The Moore-Penrose generalized inverse matrix of the second embodiment is often complicated in terms of algorithm implementation, and computation may take time. In view of this, in this embodiment, calculation formulas are preliminarily formed into a pattern table for all combinations of five basic vectors assumed, and the calculation algorithm is simplified and speeded up.

通常、Moore−Penroseの一般化逆行列を解く際には特異値分解法を用いることが多いが、ここでは(7)式のデューティ係数行列が最大列階数であるという前提の基で、Moore−Penrose条件から(9)式を用いて演算する。   Usually, when solving the Moore-Penrose generalized inverse matrix, the singular value decomposition method is often used, but here the Moore− is based on the premise that the duty factor matrix of Equation (7) is the maximum column rank. Calculation is performed using the expression (9) from the Penrose condition.

Figure 2008048529
Figure 2008048529

なお、Aはデューティ係数行列、ATはAの転置行列、A+はAのMoore−Penrose一般化逆行列である。   A is a duty factor matrix, AT is a transpose matrix of A, and A + is a Moore-Penrose generalized inverse matrix of A.

したがって、デューティ係数行列の階数が5のとき、(7)式は(10)式のように表現できる。   Therefore, when the rank of the duty factor matrix is 5, Expression (7) can be expressed as Expression (10).

Figure 2008048529
Figure 2008048529

(10)式の各係数Kxxx(Kvaan、Kvabn、Kvban、Kvbbn)は、選択した任意の5つの基本ベクトルの係数が代入されるが、全27パターンあるスイッチング状態から5つのパターンを選択する組み合わせは制御方針により予めパターン数が決まっている。例えば、実施形態1のように基本ベクトル「VXmax、VXmid、VYmax、VYmid、Vz」を常に選択するようにした場合は、出力側の空間ベクトルの各セクター(セクター1〜セクター6)で12パターンずつ存在するので、合計72パターンの組み合わせに限られる。また、基本ベクトルの選択パターンによっては同じ係数を持つ場合があるので、さらに組み合わせ数を低減できる。   Each coefficient Kxxx (Kvaan, Kvabn, Kvban, Kvbbn) in equation (10) is substituted with the coefficients of any five selected basic vectors, but the combination of selecting five patterns from a total of 27 patterns of switching states is The number of patterns is determined in advance according to the control policy. For example, when the basic vectors “VXmax, VXmid, VYmax, VYmid, Vz” are always selected as in the first embodiment, 12 patterns are provided for each sector (sector 1 to sector 6) of the space vector on the output side. Since it exists, it is limited to the combination of a total of 72 patterns. In addition, depending on the basic vector selection pattern, there may be the same coefficient, so the number of combinations can be further reduced.

そこで、本実施形態では上述のように制御方針に従って限定された基本ベクトルの選択パターンを予め導き、それぞれにおいて(10)式に示す演算式をテーブル展開した上でMoore−Penroseの一般化逆行列演算を簡単化するデューティ演算手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。演算式を選択するための分岐数は増加するが、選択作業自体は入出力の空間ベクトルのセクター判別のみであり、分岐後の演算負荷は軽減され、演算の信頼性向上やCPU性能・コスト節約に繋がる。本実施形態における制御装置4の制御ブロックを図11に示す。   Therefore, in the present embodiment, a basic vector selection pattern limited according to the control policy as described above is derived in advance, and in each case, the operational expression shown in Expression (10) is expanded into a table, and then the Moore-Penrose generalized inverse matrix operation is performed. This is a direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device provided with duty calculation means for simplifying the above. Although the number of branches for selecting an arithmetic expression increases, the selection itself is only sector discrimination of the input / output space vector, reducing the computational load after branching, improving operational reliability, and reducing CPU performance and cost. It leads to. FIG. 11 shows a control block of the control device 4 in the present embodiment.

(実施形態4)
実施形態1のように基本ベクトル「VXmax、VXmid、VYmax、VYmid、Vz」を常に選択するようにした場合において、1制御周期内のスイッチング順序を考慮する。例えば、図7のような入力セクター1、出力セクター1の時、使用する基本ベクトルはRTR、RSR、RTT、RSS、SSSの5つのスイッチングステートとの切り分け状態となる。これら5つの基本ベクトルのデューティ演算(空間ベクトル変調)を1制御周期内で切り換えて、1制御周期の平均値を入出力各指令値となるように制御している。
(Embodiment 4)
When the basic vectors “VXmax, VXmid, VYmax, VYmid, Vz” are always selected as in the first embodiment, the switching order within one control cycle is considered. For example, in the case of the input sector 1 and the output sector 1 as shown in FIG. 7, the basic vector to be used is in a state of separation from five switching states of RTR, RSR, RTT, RSS, and SSS. The duty calculation (space vector modulation) of these five basic vectors is switched within one control cycle, and the average value of one control cycle is controlled to be the input / output command values.

これら5つのスイッチング状態の切換は、できる限り少ない相数で切り換えることが望ましい。図7の事例で考えると、RTT→RTR→RSR→RSS→SSS、もしくはその反転であるSSS→RSS→RSR→RTR→RTTのどちらかの遷移パターンを用いると、スイッチの切換は4回のスイッチングで必ず1相ごと(各相トータルで4つの切換)に行うことができる。上記2つの遷移パターン以外の配列であると、無駄な切換(2相以上の切換)にスイッチング回数が増加し、損失増加や高調波ノイズ増加に繋がる。また、上記2つの遷移パターンは1制御周期毎に交互に折り返して行う(・・・→RTT→RTR→RSR→RSS→SSS→SSS→RSS→RSR→RTR→RTT→・・・)ことで、任意セクター内におけるスイッチングを常に最適化することができる。   These five switching states are preferably switched with as few phases as possible. Considering the case of FIG. 7, if one of the transition patterns of RTT → RTR → RSR → RSS → SSS or its inverse, SSS → RSS → RSR → RTR → RTT, is used, the switch is switched four times. Therefore, it is always possible to carry out every phase (four phases in total for each phase). If the arrangement is other than the above two transition patterns, the number of times of switching increases due to unnecessary switching (switching of two or more phases), leading to an increase in loss and an increase in harmonic noise. In addition, the above two transition patterns are alternately turned back every control cycle (... → RTT → RTR → RSR → RSS → SSS → SSS → RSS → RSR → RTR → RTT →...) Switching in any sector can always be optimized.

図7の事例以外のそのほかのセクターも同様に、4回のスイッチングで1相毎に切り換える2つの遷移パターンを導くことで、常にスイッチングの最小化パターンを選択できる。   Similarly, other sectors other than the example of FIG. 7 can always select a switching minimization pattern by deriving two transition patterns to be switched for each phase by four times of switching.

本実施形態によれば、実施形態1〜3に比べて、1制御周期内の5つのスイッチング状態の配列を、スイッチングする素子数が最小化するようにスイッチ切換の遷移パターンを決定することにより、スイッチング損失の低減が可能なデューティ演算手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。   According to the present embodiment, compared to the first to third embodiments, by determining the switch switching transition pattern so that the number of elements to be switched is minimized in the array of five switching states in one control cycle, A direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device provided with duty calculation means capable of reducing switching loss is obtained.

(実施形態5)
実施形態1の基本ベクトルの選択手法は、従来の仮想DCリンク方式と結果的に同じ基本ベクトルを用いている。すなわち回転ベクトルを使用していないため、直接AC/AC変換形空間ベクトル変調法を用いることなく、仮想DCリンク方式で表現できるスイッチング状態の選択パターンである。本実施形態では、この冗長とも考えられる回転ベクトルを用いて、実施形態1の選択手法よりも性能を改善できることを示す。
(Embodiment 5)
The basic vector selection method of the first embodiment uses the same basic vector as a result of the conventional virtual DC link method. That is, since a rotation vector is not used, this is a switching state selection pattern that can be expressed by the virtual DC link method without using the direct AC / AC conversion type space vector modulation method. In the present embodiment, it is shown that the performance can be improved over the selection method of the first embodiment by using the rotation vector that is considered to be redundant.

図12は、入力セクター1、出力セクター1の状態を示している。図7の実施形態1と異なり、時計方向回転ベクトルVrotであるスイッチング状態RTSを用いている。出力空間ベクトル側においては、必ず1セクター内に1つの回転ベクトルVrotが存在するため、そのベクトルを必ず選択する。また、実施形態1と同様にコモンモード電圧低減が可能な入力相電圧の中間相を用いた零ベクトルVzを選択する。残り3つのベクトルに関しては、セクター領域を挟む2つの単振動ベクトル軸にある6つのベクトル(図6でいうVXmax、VXmid、VXmin、VYmax、VYmid、VYmin)から選択するが、その選択パターンは63=20パターン考えられる。ただし、単振動ベクトルのうち最も小さいベクトル(VXmin、VYmin)に関しては、入力空間ベクトル側で入力指令値に対して大きな位相差を持つ基本ベクトルとなるため、入力リプル低減のためには使用しない。例えば、図12の例で説明すると、出力側のSTT、STSを選択した場合、入力空間では90度方向のベクトルとなり、入力セクター領域に対して、比較的に大きな位相差となってしまう。 FIG. 12 shows the states of the input sector 1 and the output sector 1. Unlike Embodiment 1 of FIG. 7, the switching state RTS which is the clockwise rotation vector Vrot is used. On the output space vector side, since one rotation vector Vrot always exists in one sector, that vector is always selected. Similarly to the first embodiment, the zero vector Vz using the intermediate phase of the input phase voltage capable of reducing the common mode voltage is selected. The remaining three vectors are selected from six vectors (VXmax, VXmid, VXmin, VYmax, VYmid, VYmin in FIG. 6) on the two simple vibration vector axes sandwiching the sector region, and the selection pattern is 6 C. 3 = 20 patterns are possible. However, the smallest vector (VXmin, VYmin) among the simple vibration vectors is a basic vector having a large phase difference with respect to the input command value on the input space vector side, and is not used for reducing the input ripple. For example, referring to the example of FIG. 12, when STT and STS on the output side are selected, a vector in the direction of 90 degrees is obtained in the input space, and a relatively large phase difference is generated with respect to the input sector area.

したがって、実質は43=4パターン「RTS、SSS、RTR、RSR、RTT」、「RTS、SSS、RTR、RSR、RSS」、「RTS、SSS、RTR、RTT、RSS」、「RTS、SSS、RSR、RTT、RSS」の組み合わせとこれらの反転パターンに限られる。この反転パターンも含めた8つの遷移パターンのうちいずれかを選択して制御すれば良いが、これらのパターン判別を決定づける要素は、入力位相θ、出力位相l、出力電圧指令Vの大きさ等、複雑な条件を有する。 Therefore, the actual 4 C 3 = 4 pattern “RTS, SSS, RTR, RSR, RTT”, “RTS, SSS, RTR, RSR, RSS”, “RTS, SSS, RTR, RTT, RSS”, “RTS, SSS” , RSR, RTT, RSS "and their inversion patterns. Any one of the eight transition patterns including the inversion pattern may be selected and controlled. Elements that determine the pattern discrimination are the input phase θ, the output phase l, the magnitude of the output voltage command V, and the like. Have complex conditions.

そこで、本実施形態では前記8つの遷移パターンすべてについて係数行列およびそのMoore−Penroseの一般化逆行列を演算しておき、そのデューティd1〜d5の解を求めておく。求めたデューティ解のうち一つでも負となったり、デューティ解の加算値が1とならないようなパターンがある場合は、選択された5つの基本ベクトルのスイッチング状態に無理があり、入出力波形を正弦波化することができないことを意味する。   Therefore, in this embodiment, the coefficient matrix and the generalized inverse matrix of Moore-Penrose are calculated for all the eight transition patterns, and solutions for the duties d1 to d5 are obtained. If there is a pattern in which even one of the obtained duty solutions is negative or the added value of the duty solution is not 1, the switching state of the five selected basic vectors is unreasonable, and the input / output waveform is This means that it cannot be made sinusoidal.

したがって、そのようなパターンは除外し、正当な解が得られるパターンを4つの中から判別する。交流−交流直接変換装置の制御には、最終的に判別されたスイッチングパターンを適用する。なお、デューティ演算手法は実施形態1〜3と同様である。   Therefore, such a pattern is excluded, and a pattern from which a valid solution is obtained is determined from the four patterns. The finally determined switching pattern is applied to the control of the AC-AC direct conversion device. The duty calculation method is the same as in the first to third embodiments.

本実施形態では、単振動ベクトルと比較して指令値との位相差が小さい回転ベクトルを利用することができるため、実施形態1や仮想DCリンク方式の手法よりも、入力・出力波形の脈動低減や高調波低減が可能な基本ベクトルの選択手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。   In this embodiment, since a rotation vector having a smaller phase difference from the command value than a simple vibration vector can be used, the pulsation of the input / output waveform can be reduced compared to the method of the first embodiment and the virtual DC link method. And a direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device provided with a fundamental vector selection means capable of reducing harmonics.

(実施形態6)
本実施形態では、実施形態5の手法におけるスイッチングパターンを最適化する。実施形態5の入力セクター「1」、出力セクター「1」におけるスイッチング状態が「RTS、SSS、RTR、RSR、RTT」、「RTS、SSS、RTR、RSR、RSS」、「RTS、SSS、RTR、RTT、RSS」、「RTS、SSS、RSR、RTT、RSS」およびこれらの遷移パターンの反転とを合わせて8つの遷移パターンである場合に着目する。いま、この8つの遷移パターンを仮に以下のようにモード分けする。
(Embodiment 6)
In the present embodiment, the switching pattern in the method of the fifth embodiment is optimized. The switching states in the input sector “1” and the output sector “1” in the fifth embodiment are “RTS, SSS, RTR, RSR, RTT”, “RTS, SSS, RTR, RSR, RSS”, “RTS, SSS, RTR, Attention is paid to a case where there are eight transition patterns including “RTT, RSS”, “RTS, SSS, RSR, RTT, RSS” and inversion of these transition patterns. Now, the eight transition patterns are divided into modes as follows.

モード1:「RTS、SSS、RTR、RSR、RTT」
モード2:「RTS、SSS、RTR、RSR、RSS」
モード3:「RTS、SSS、RTR、RTT、RSS」
モード4:「RTS、SSS、RSR、RTT、RSS」
これらについて、実施形態4のように、スイッチングする素子を1制御周期内で最小化し、スイッチ切り換えを1相ごとに行うような遷移パターンを考える。すると、モード1、モード4に関してはどのように並び替えても1相ごとのスイッチ切り換えが実現できない。そこで、モード1、モード4に関しては、零相ベクトルSSSをRRRもしくはTTTに切り換える。零相ベクトルは、RRR、SSS、TTTのいずれを用いても零電圧を出力するので、相互に置き換えが可能である。ただし、本実施形態では、コモンモード電圧は犠牲にしている。
Mode 1: “RTS, SSS, RTR, RSR, RTT”
Mode 2: “RTS, SSS, RTR, RSR, RSS”
Mode 3: “RTS, SSS, RTR, RTT, RSS”
Mode 4: “RTS, SSS, RSR, RTT, RSS”
Regarding these, as in the fourth embodiment, a transition pattern is considered in which the elements to be switched are minimized within one control cycle and the switching is performed for each phase. Then, no matter how the modes 1 and 4 are rearranged, it is impossible to realize switch switching for each phase. Therefore, for mode 1 and mode 4, the zero-phase vector SSS is switched to RRR or TTT. Zero phase vectors can be replaced with each other because zero voltage is output using any of RRR, SSS, and TTT. However, in this embodiment, the common mode voltage is sacrificed.

モード1:
「RTS、RRR、RTR、RSR、RTT」のときは、RRR→RSR→RTR→RTS→RTT、RTT→RTS→RTR→RSR→RRRの遷移パターンとする。
Mode 1:
In the case of “RTS, RRR, RTR, RSR, RTT”, the transition pattern is RRR → RSR → RTR → RTS → RTT, RTT → RTS → RTR → RSR → RRR.

「RTS、TTT、RTR、RSR、RTT」のときは、TTT→RTT→RTS→RTR→RSR、RSR→RTR→RTS→RTT→TTTの遷移パターンとする。   In the case of “RTS, TTT, RTR, RSR, RTT”, the transition pattern is TTT → RTT → RTS → RTR → RSR, RSR → RTR → RTS → RTT → TTT.

モード2:
「RTS、SSS、RTR、RSR、RSS」は、SSS→RSS→RSR→RTR→RTS、RTS→RTR→RSR→RSS→SSSの遷移パターン、またはSSS→RSS→RTS→RTR→RSR、RSR→RTR→RTS→RSS→SSSの遷移パターンのどちらでもよい。
Mode 2:
“RTS, SSS, RTR, RSR, RSS” is a transition pattern of SSS → RSS → RSR → RTR → RTS, RTS → RTR → RSR → RSS → SSS, or SSS → RSS → RTS → RTR → RSR, RSR → RTR. → RTS → RSS → SSS transition pattern may be used.

モード3:「RTS、SSS、RTR、RTT、RSS」は、SSS→RSS→RTS→RTR→RTT、RTT→RTR→RTS→RSS→SSSの遷移パターンとなる。   Mode 3: “RTS, SSS, RTR, RTT, RSS” is a transition pattern of SSS → RSS → RTS → RTR → RTT, RTT → RTR → RTS → RSS → SSS.

モード4:
「RTS、RRR、RSR、RTT、RSS」のときは、RRR→RSR→RSS→RTS→RTT、RTT→RTS→RSS→RSR→RRRの遷移パターンとする。
Mode 4:
When “RTS, RRR, RSR, RTT, RSS”, the transition pattern is RRR → RSR → RSS → RTS → RTT, RTT → RTS → RSS → RSR → RRR.

「RTS、TTT、RSR、RTT、RSS」のときは、TTT→RTT→RTS→RSS→RSR、RSR→RSS→RTS→RTT→TTTの遷移パターンとする。   In the case of “RTS, TTT, RSR, RTT, RSS”, the transition pattern is TTT → RTT → RTS → RSS → RSR, RSR → RSS → RTS → RTT → TTT.

以上のように、本実施形態では、実施形態5に示す5ベクトル選択手法を用いた場合において、使用する零ベクトルを切り換えることにより1相ごとのスイッチングを実現して、1制御周期内のスイッチングする素子を最小化することができる手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。   As described above, in the present embodiment, when the five-vector selection method shown in the fifth embodiment is used, switching for each phase is realized by switching the zero vector to be used, and switching is performed within one control cycle. A direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device having means capable of minimizing the elements is obtained.

なお、本実施形態で示したセクター状態以外の事例であっても、同様の作業で最小化が可能である。   Note that even cases other than the sector state shown in the present embodiment can be minimized by the same operation.

(実施形態7)
実施形態6は、実施形態5の手法におけるスイッチング回数の最小化のみを考慮して、遷移パターンを最適化した手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。しかし、コモンモード電圧、すなわちPWM制御する際に基準とするが入力相電圧および中間相の方が、スイッチ切り換え時のPWMパルスの電圧落差を低減できるため、スイッチングノイズやスイッチング損失の低減が可能となる。
(Embodiment 7)
The sixth embodiment is a direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device including means for optimizing the transition pattern in consideration of only the minimization of switching frequency in the method of the fifth embodiment. However, the common mode voltage, that is, the reference for PWM control, the input phase voltage and the intermediate phase can reduce the voltage drop of the PWM pulse at the time of switching, so that switching noise and switching loss can be reduced. Become.

そこで、本実施形態では実施形態6の1相ごとのスイッチング効果に加え、入力相電圧の中間相を介したスイッチング遷移パターンを制約条件として与える。図12の入力セクター「1」、出力セクター「1」の例では、入力相電圧の大きさ関係はVr>Vs>Vtであるので、中間相はVs、すなわちS相である。したがって、上述の制約条件を満たすためにはR相とT相間の直接的なスイッチング遷移は回避しなければならない(必ずS相を介してスイッチングする)。   Therefore, in this embodiment, in addition to the switching effect for each phase of the sixth embodiment, a switching transition pattern via the intermediate phase of the input phase voltage is given as a constraint condition. In the example of the input sector “1” and the output sector “1” in FIG. 12, since the magnitude relationship of the input phase voltage is Vr> Vs> Vt, the intermediate phase is Vs, that is, the S phase. Therefore, in order to satisfy the above-mentioned constraint conditions, a direct switching transition between the R phase and the T phase must be avoided (switching via the S phase is always performed).

ここで、実施形態6で示した4つのモードについて、この制約条件を考慮して再度、零ベクトルの選択と遷移パターンを考えると、以下のように決定できる。   Here, regarding the four modes shown in the sixth embodiment, considering the constraint condition and considering the selection of the zero vector and the transition pattern again, the determination can be made as follows.

モード1:
「RTS、RRR、RTR、RSR、RTT」のときは、RRR→RSR→RTR→RTS→RTT、RTT→RTS→RTR→RSR→RRRの遷移パターンとする。
Mode 1:
In the case of “RTS, RRR, RTR, RSR, RTT”, the transition pattern is RRR → RSR → RTR → RTS → RTT, RTT → RTS → RTR → RSR → RRR.

モード2:
「RTS、SSS、RTR、RSR、RSS」のときは、SSS→RSS→RSR→RTR→RTS、RTS→RTR→RSR→RSS→SSSの遷移パターン、またはSSS→RSS→RTS→RTR→RSR、RSR→RTR→RTS→RSS→SSSの遷移パターンとする。
Mode 2:
In the case of “RTS, SSS, RTR, RSR, RSS”, the transition pattern of SSS → RSS → RSR → RTR → RTS, RTS → RTR → RSR → RSS → SSS, or SSS → RSS → RTS → RTR → RSR, RSR → RTR → RTS → RSS → SSS transition pattern.

モード3:
「RTS、RRR、RTR、RTT、RSS」、「RTS、SSS、RTR、RTT、RSS」、「RTS、TTT、RTR、RTT、RSS」のいずれの零ベクトルを用いてスイッチング順序を考慮しても、制約条件に抵触するため、このモードは不可。
Mode 3:
The switching order can be considered using any of the zero vectors of “RTS, RRR, RTR, RTT, RSS”, “RTS, SSS, RTR, RTT, RSS”, “RTS, TTT, RTR, RTT, RSS”. This mode is not possible because it violates the constraints.

モード4:
「RTS、RRR、RSR、RTT、RSS」のときは、RRR→RSR→RSS→RTS→RTT、RTT→RTS→RSS→RSR→RRRの遷移パターンとする。
Mode 4:
When “RTS, RRR, RSR, RTT, RSS”, the transition pattern is RRR → RSR → RSS → RTS → RTT, RTT → RTS → RSS → RSR → RRR.

したがって、入力セクター「1」、出力セクター「1」のセクター領域ではモード3を使用してはならないが、結果的にこの領域範囲ではモード3を使用せずとも制御できる(他のモードでデューティ正当解が存在する)ため、モード3を禁止モードとすることにより、上記制約条件を満たすことができる。また、他のセクター領域では禁止すべきモードが変化するため、入力・出力セクターから禁止モードを判別して制御すればよい。   Therefore, mode 3 should not be used in the sector area of input sector “1” and output sector “1”, but as a result, control can be performed without using mode 3 in this area range (duty valid in other modes). Therefore, the restriction condition can be satisfied by setting the mode 3 to the prohibit mode. Further, since the mode to be prohibited changes in other sector areas, the inhibition mode may be determined from the input / output sectors.

本実施形態では、任意の入出力セクターにおいて、4つのうち1つを禁止モードとすることで、1相ごとのスイッチングと最大相と最小相間の切換を防止することができるため、実施形態6よりも更に低ノイズ・低損失なスイッチングが可能な手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。   In the present embodiment, in any input / output sector, by setting one of the four to the prohibit mode, switching for each phase and switching between the maximum phase and the minimum phase can be prevented. Furthermore, a direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device having means capable of switching with low noise and low loss is obtained.

(実施形態8)
入出力の空間ベクトルが図4の状態で、入力指令値が入力セクター「1」に存在し、かつ、出力指令値の位相が回転ベクトルRTSより大きく、RSTより小さい領域に存在するとき、すなわち図13の状態の時は、出力空間において位相差のより小さい「RST、RTS、RTT、RSS、零ベクトル」の5つを選択すると良い。
(Embodiment 8)
When the input / output space vector is in the state shown in FIG. 4 and the input command value exists in the input sector “1” and the phase of the output command value is larger than the rotation vector RTS and smaller than the RST, that is, In the case of 13 states, it is preferable to select five “RST, RTS, RTT, RSS, zero vector” having a smaller phase difference in the output space.

したがって、本実施形態では、図13のように位相差が60度より小さくなる可能性のある出力領域においては、単振動軸1つをまたいで回転ベクトル2つを使用するモードを適用する手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。そのほか、デューティ演算等は上述までの実施形態と同様である。この実施形態を併用することで、出力電圧の脈動の更なる低減が期待できる。   Therefore, in the present embodiment, means for applying a mode using two rotation vectors across a single vibration axis in an output region where the phase difference may be smaller than 60 degrees as shown in FIG. The direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device is provided. In addition, the duty calculation and the like are the same as those in the above embodiments. By using this embodiment together, further reduction of the pulsation of the output voltage can be expected.

(実施形態9)
実施形態8のスイッチング最適化について、実施形態7と同様に考慮すると、以下の遷移パターンとすれば、最大相と最小相間の直接転流防止と1相ごとのスイッチングを実現できる。
「SSS→RSS→RTS→RST→RTT」、「RTT→RST→RTS→RSS→SSS」
本実施形態によれば、回転ベクトル2つを用いる場合のスイッチング順序を最適化することにより、スイッチング損失・ノイズの低減が可能な手段を備えた直接AC−AC変換形の交流−交流直接変換装置となる。
(Embodiment 9)
Considering the switching optimization of the eighth embodiment in the same manner as in the seventh embodiment, if the following transition pattern is used, direct commutation prevention between the maximum phase and the minimum phase and switching for each phase can be realized.
“SSS → RSS → RTS → RST → RTT”, “RTT → RST → RTS → RSS → SSS”
According to the present embodiment, a direct AC-AC conversion type AC-AC direct conversion device including means capable of reducing switching loss and noise by optimizing the switching order when two rotation vectors are used. It becomes.

(実施形態10)
上述の実施形態の手法において、Moore−Penroseの一般化逆行列を用いてきたが、出力電圧が過変調領域であったり、想定外の動作や指令値が供給されて、すべてのモードにおいて正当なデューティ解が得られない場合は、次の手順でフェールセーフとして、故障や不安定動作を回避する。なお、どのような指令値入力であっても、表1の27あるスイッチング状態の内、いずれかのスイッチング状態を出力するので、入力電源短絡防止や出力不連続を回避できるが、指令値であるデューティ指令が想定外の動作をすると、入出力波形にとっては過渡的な状態(無駄にスイッチングパターンの遷移を引き起こす、遷移前後の基本ベクトルの位相差やベクトルの大きさの変動が大きいなど)が続く可能性があり、交流−交流直接変換装置の動作が不安定になる可能性がある。
(Embodiment 10)
Although the Moore-Penrose generalized inverse matrix has been used in the method of the above-described embodiment, the output voltage is overmodulated, or an unexpected operation or command value is supplied, which is valid in all modes. If the duty solution cannot be obtained, the following procedure will be taken as fail-safe to avoid failure and unstable operation. It should be noted that any command value input can output any one of the 27 switching states shown in Table 1 so that input power supply short circuit prevention and output discontinuity can be avoided. When the duty command performs an unexpected operation, the input / output waveform continues to be in a transient state (causes a switching pattern transition unnecessarily, a large phase difference between the basic vectors before and after the transition, and a large variation in the vector size). There is a possibility that the operation of the AC-AC direct conversion device becomes unstable.

(手順1)まず、実施形態5および実施形態8のモードにおいてデューティ解が得られないときは、仮想DCリンク方式と同様の実施形態2を適用する。   (Procedure 1) First, when the duty solution cannot be obtained in the modes of the fifth and eighth embodiments, the second embodiment similar to the virtual DC link method is applied.

(手順2)上記の(手順1)でもデューティ解が得られないときは、一般的な従来の仮想DCリンク形の空間ベクトル変調手法を並列に動作させておき、そちらの制御に切り換える。入出力の正弦波化はできないが連続的な動作(デューティ解が得られないときに仮想リンク形空間ベクトル変調に切り替え制御に空白を与えない)をさせることができる。   (Procedure 2) If the duty solution cannot be obtained even in the above (Procedure 1), a general conventional virtual DC link type space vector modulation method is operated in parallel, and the control is switched to that control. Although it is not possible to convert the input / output into a sine wave, it is possible to perform a continuous operation (when the duty solution cannot be obtained, the virtual link type space vector modulation is not given a blank for switching control).

(手順3)上記の手順でも不安定な動作を引き起こす場合は、故障と判断して運転を停止する。   (Procedure 3) If an unstable operation is caused even in the above procedure, it is determined as a failure and the operation is stopped.

交流−交流直接変換装置の基本構成図。The basic block diagram of an alternating current-alternating current direct conversion apparatus. 出力電圧の基本空間ベクトル図。The basic space vector diagram of an output voltage. 入力電流の基本空間ベクトル図。The basic space vector diagram of input current. 入力側空間ベクトル図(a)と出力側空間ベクトル図(b)。Input side space vector diagram (a) and output side space vector diagram (b). 空間ベクトルの「入力側」セクターと「出力側」セクターの定義例。Definition example of “input side” sector and “output side” sector of space vector. 出力セクター「1」における基本空間ベクトルの状態図。The state diagram of the basic space vector in the output sector “1”. 入力側空間ベクトルと出力側空間ベクトルの状態図。The state diagram of an input side space vector and an output side space vector. 入力側と出力側の空間ベクトルの定義し直し例。An example of redefining the space vector on the input and output sides. 制御ブロック図(実施形態1)。Control block diagram (Embodiment 1). 制御ブロック図(実施形態2)。Control block diagram (Embodiment 2). 制御ブロック図(実施形態3)。Control block diagram (Embodiment 3). 入力セクター1、出力セクター1の状態図。The state diagram of the input sector 1 and the output sector 1. 入力セクター1、出力セクター1の状態図。The state diagram of the input sector 1 and the output sector 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 交流電源
2 入力LCフィルタ
3 交流−交流直接変換回路
4 制御装置
1 AC power supply 2 Input LC filter 3 AC-AC direct conversion circuit 4 Control device

Claims (9)

多相の交流電源から交流−交流直接変換器の双方向スイッチを直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調でPWM制御する交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法であって、
多相交流出力の線間電圧を2相の静止αβ軸上に展開したベクトルの状態を、線間電圧指令値ベクトルVo*が存在するセクターの位相が遅れている単振動ベクトル軸をX軸、進んでいる単振動ベクトル軸をY軸と定義して、それぞれの軸で最大のベクトルVXmax、VYmaxと、中間のベクトルVXmid、VYmidと、最小のベクトルVXmin、VYminと、相電圧の中間電圧となる零ベクトルVzと、セクター内に1つ存在する回転ベクトルVrotを基本ベクトルとし、このうち4つの単振動ベクトルVXmax、VXmid、VYmax、VYmidと1つの零ベクトルVzとを選択し、
前記選択した5つの基本ベクトルと、入力電流指令値Ii*および出力線間電圧指令値Vol*を静止αβ軸上に展開した入力電流指令値Iiα*、Iiβ*、出力線間電圧指令値Volα*、Volβ*および入力電圧検出値Vi、出力電流検出値Ioから、該5つの基本ベクトルのデューティを求めて入力と出力の波形を同時に正弦波化することを特徴とする交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。
A space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device that PWM-controls a bidirectional switch of an AC-AC direct converter from a polyphase AC power source by modulation with a direct AC / AC conversion type space vector,
The state of the vector in which the line voltage of the polyphase AC output is expanded on the two-phase stationary αβ axis, the single vibration vector axis in which the phase of the sector where the line voltage command value vector Vo * exists is delayed on the X axis, The advancing single vibration vector axis is defined as the Y axis, and the maximum vectors VXmax and VYmax, the intermediate vectors VXmid and VYmid, the minimum vectors VXmin and VYmin, and the intermediate voltages of the phase voltages are defined on the respective axes. The zero vector Vz and one rotation vector Vrot existing in the sector are set as basic vectors, and among these, four simple vibration vectors VXmax, VXmid, VYmax, VYmid and one zero vector Vz are selected.
The selected five basic vectors, the input current command value Ii * and the output line voltage command value Vol * on the stationary αβ axis, are input current command values Iiα * and Iiβ *, and the output line voltage command value Volα *. , Volβ *, input voltage detection value Vi, and output current detection value Io, the duty of the five basic vectors is obtained, and the input and output waveforms are simultaneously converted into a sine wave. Space vector modulation method.
多相の交流電源から交流−交流直接変換器の双方向スイッチを直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調でPWM制御する交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法であって、
多相交流出力の線間電圧を2相の静止αβ軸上に展開したベクトルの状態を、線間電圧指令ベクトルVo*が存在するセクターの位相が遅れている単振動ベクトル軸をX軸、進んでいる単振動ベクトル軸をY軸と定義して、それぞれの軸で最大のベクトルVXmax、VYmaxと、中間のベクトルVXmid、VYmidと、最小のベクトルVXmin、VYminと、相電圧の中間電圧となる零ベクトルVzと、セクター内に1つ存在する回転ベクトルVrotを基本ベクトルとし、このうち3つの単振動ベクトルと零ベクトルVzおよび回転ベクトルVrotとを選択し、
前記選択した5つの基本ベクトルと、入力電流指令値Ii*および出力線間電圧指令値Vol*を静止αβ軸上に展開した入力電流指令値Iiα*、Iiβ*、出力線間電圧指令値Volα*、Volβ*および入力電圧検出値Vi、出力電流検出値Ioから、該5つの基本ベクトルのデューティを求めて入力と出力の波形を同時に正弦波化することを特徴とする交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。
A space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device that PWM-controls a bidirectional switch of an AC-AC direct converter from a polyphase AC power source by modulation with a direct AC / AC conversion type space vector,
The vector state in which the line voltage of the polyphase AC output is expanded on the two-phase stationary αβ axis, the single vibration vector axis in which the phase of the sector where the line voltage command vector Vo * exists is delayed, and the X axis advance The simple vibration vector axis is defined as the Y axis, and the maximum vectors VXmax and VYmax, the intermediate vectors VXmid and VYmid, the minimum vectors VXmin and VYmin, and the zero that is the intermediate voltage of the phase voltages. A vector Vz and a rotation vector Vrot that exists in one sector are set as basic vectors, and three simple vibration vectors, zero vector Vz, and rotation vector Vrot are selected among them.
The selected five basic vectors, the input current command value Ii * and the output line voltage command value Vol * on the stationary αβ axis, are input current command values Iiα * and Iiβ *, and the output line voltage command value Volα *. , Volβ *, input voltage detection value Vi, and output current detection value Io, the duty of the five basic vectors is obtained, and the input and output waveforms are simultaneously converted into a sine wave. Space vector modulation method.
多相の交流電源から交流−交流直接変換器の双方向スイッチを直接AC/AC変換形の空間ベクトルによる変調でPWM制御する交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法であって、
多相交流出力の線間電圧を2相の静止αβ軸上に展開したベクトルの状態を、線間電圧指令ベクトルVo*が存在するセクターの位相が遅れている単振動ベクトル軸をX軸、進んでいる単振動ベクトル軸をY軸と定義して、それぞれの軸で最大のベクトルVXmax、VYmaxと、中間のベクトルVXmid、VYmidと、最小のベクトルVXmin、VYminと、相電圧の中間電圧となる零ベクトルVzと、セクター内に1つ存在する回転ベクトルVrotを基本ベクトルとし、このうち2つの回転ベクトルと零ベクトルVz、および2つの回転ベクトルの位相に挟まれた2つの単振動ベクトルとを選択し、
前記選択した5つの基本ベクトルと、入力電流指令値Ii*および出力線間電圧指令値Vol*を静止αβ軸上に展開した入力電流指令値Iiα*、Iiβ*、出力線間電圧指令値Volα*、Volβ*および入力電圧検出値Vi、出力電流検出値Ioから、該5つの基本ベクトルのデューティを求めて入力と出力の波形を同時に正弦波化することを特徴とする交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。
A space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device that PWM-controls a bidirectional switch of an AC-AC direct converter from a polyphase AC power source by modulation with a direct AC / AC conversion type space vector,
The vector state in which the line voltage of the polyphase AC output is expanded on the two-phase stationary αβ axis, the single vibration vector axis in which the phase of the sector where the line voltage command vector Vo * exists is delayed, and the X axis advance The simple vibration vector axis is defined as the Y axis, and the maximum vectors VXmax and VYmax, the intermediate vectors VXmid and VYmid, the minimum vectors VXmin and VYmin, and the zero that is the intermediate voltage of the phase voltages. A vector Vz and one rotation vector Vrot existing in the sector are set as basic vectors, and two rotation vectors, a zero vector Vz, and two simple vibration vectors sandwiched between two rotation vectors are selected. ,
The selected five basic vectors, the input current command value Ii * and the output line voltage command value Vol * on the stationary αβ axis, are input current command values Iiα * and Iiβ *, and the output line voltage command value Volα *. , Volβ *, input voltage detection value Vi, and output current detection value Io, the duty of the five basic vectors is obtained, and the input and output waveforms are simultaneously converted into a sine wave. Space vector modulation method.
前記選択した5つの基本ベクトルのスイッチング状態において、スイッチング回数が最小化するようにスイッチ切換の遷移パターンを決定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。   4. The AC-AC direct switching according to claim 1, wherein a switching pattern of switching is determined so that the number of switching times is minimized in the switching states of the selected five basic vectors. 5. A space vector modulation method for a converter. 前記選択した5つの基本ベクトルのスイッチング状態において、スイッチング回数を最小化しつつ、最大相と最小相間の直接転流を防止するようにスイッチ切換の遷移パターンを決定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。   The switch switching transition pattern is determined so as to prevent direct commutation between the maximum phase and the minimum phase while minimizing the number of times of switching in the switching states of the five basic vectors selected. 4. The space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device according to any one of 3 above. 前記デューティの演算は、Moore−Penroseの一般化逆行列を用いて演算することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。   6. The space vector modulation method for an AC / AC direct conversion device according to claim 1, wherein the duty is calculated using a generalized inverse matrix of Moore-Penrose. 前記デューティの演算は、Moore−Penroseの一般化逆行列の解が、ひとつでも負となる場合、または5つの基本ベクトルのデューティの加算値が1とならない場合に、正当な解が得られるまで基本ベクトルの選択を切り換えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。   The calculation of the duty is basically performed until a valid solution is obtained when one of the solutions of the Moore-Penrose generalized inverse matrix is negative, or when the added value of the duties of the five basic vectors is not 1. The space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device according to any one of claims 1 to 6, wherein selection of vectors is switched. 前記デューティの演算は、Moore−Penroseの一般化逆行列の解を予めテーブル展開して演算負荷を低減することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。   8. The AC-AC direct conversion according to claim 1, wherein the duty is calculated by reducing a calculation load by expanding a solution of a generalized inverse matrix of Moore-Penrose in advance in a table. Device space vector modulation method. 前記デューティの演算は、前記出力電流検出値Ioに代えて、該出力電流検出値Ioと入力電流指令値Iiα*、Iiβ*との係数比較によって計算的に該入力電流指令値Iiα*、Iiβ*を求めることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の交流−交流直接変換装置の空間ベクトル変調方法。
The calculation of the duty is performed by calculating the input current command values Iiα * and Iiβ * by comparing the output current detection value Io and the input current command values Iiα * and Iiβ * instead of the output current detection value Io. The space vector modulation method for an AC-AC direct conversion device according to any one of claims 1 to 8, wherein:
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