JP2010148334A - Power conversion device and power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換装置および電源システムに関し、特に、複数相の電源の各々から供給される各相の交流電力を変換して複数相の負荷にそれぞれ供給する電力変換装置および電源システムに関する。 The present invention relates to a power conversion device and a power supply system, and more particularly to a power conversion device and a power supply system that convert AC power of each phase supplied from each of a plurality of phase power supplies and supply the converted AC power to a plurality of loads.
周波数および振幅が変動する複数相の交流電力から任意の周波数および任意の振幅を有する複数相の交流電圧または交流電流を生成する電源システムが開発されている。 A power supply system that generates a plurality of phases of AC voltage or current having an arbitrary frequency and an arbitrary amplitude from a plurality of phases of AC power with varying frequency and amplitude has been developed.
このような電源システムでは、一般的に、以下のようなAC−DC−AC間接変換方式が採用されている。すなわち、交流電源からの交流電力を半導体スイッチを用いた整流器により直流電力に変換し、安定した電圧または電流を生成する。これにより、直流部にエネルギーを蓄積する。この直流部からのエネルギーすなわち電力をインバータにより任意の周波数および任意の振幅を有する交流電圧または交流電流に変換する。 In such a power supply system, the following AC-DC-AC indirect conversion method is generally employed. That is, AC power from an AC power source is converted into DC power by a rectifier using a semiconductor switch, and a stable voltage or current is generated. As a result, energy is accumulated in the direct current portion. Energy, that is, electric power from the direct current section is converted into an alternating voltage or alternating current having an arbitrary frequency and an arbitrary amplitude by an inverter.
このようなAC−DC−AC間接変換方式を採用する電力変換装置として、たとえば、特許文献1には、以下のような構成が開示されている。すなわち、エンジンにより駆動される交流発電機と、整流回路と、インバータとを備える定周波電源において、中性点をグランドに接続した交流発電機の出力を整流して得られる直流電源を3組の単相インバータにより中性点接地型3相4線式交流電源に変換する。この3相4線式交流電源の各相出力が所定の仕様を満足するように、3組の単相インバータを制御する。
As a power conversion device that employs such an AC-DC-AC indirect conversion method, for example,
また、AC−DC−AC間接変換方式を採用する電力変換装置として、たとえば、特許文献2には、以下のような構成が開示されている。すなわち、交流電源を整流して直流電圧に変換する整流部と、変換された直流電圧をスイッチング素子の導電率を制御することにより交流に変換するインバータとを備えるモータ駆動装置に使用されるノイズフィルタにおいて、モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタと、モータ駆動装置の出力側ノイズフィルタとを一体構造にしている。そして、入力側ノイズフィルタは雑音端子電圧低減フィルタであり、出力側ノイズフィルタはコモンモード電流低減フィルタである。雑音端子電圧低減フィルタは、交流電源とモータ駆動装置との間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、モータ駆動装置の入力部とコモン線との間に並列に接続されたコンデンサとを含む。出力側ノイズフィルタは、モータ駆動装置の出力部とモータとの間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、モータとコモン線との間に並列に接続されたコンデンサと、コモンモードチョークコイルに並列に接続された抵抗とを含む。そして、入力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルおよび出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルを共通コア上に設けている。また、交流電源の中性点が接地されており、モータのフレームが接地されている。
In addition, as a power conversion device that employs an AC-DC-AC indirect conversion method, for example,
ところで、電源システムが航空機等に組み込まれる場合には、電源システムの小型化が特に要求される。電源システムの小型化を図る技術としては、AC−DC−AC間接変換方式と比べて部品点数が少なくなるAC−AC直接変換方式が知られている(たとえば非特許文献1参照)。このAC−AC直接変換方式では、交流電力を交流電力に直接変換するマトリックスコンバータを用いることにより、任意の周波数および任意の振幅を有する交流電圧または交流電流を生成する。マトリックスコンバータを用いることにより、入力電流の力率を1に制御することができるため、電源システムの小型化を図ることができる。 By the way, when the power supply system is incorporated in an aircraft or the like, it is particularly required to reduce the size of the power supply system. As a technique for reducing the size of a power supply system, an AC-AC direct conversion system is known in which the number of parts is smaller than that of an AC-DC-AC indirect conversion system (see, for example, Non-Patent Document 1). In this AC-AC direct conversion method, an AC voltage or an AC current having an arbitrary frequency and an arbitrary amplitude is generated by using a matrix converter that directly converts AC power into AC power. Since the power factor of the input current can be controlled to 1 by using the matrix converter, the power supply system can be downsized.
このようなAC−AC直接変換方式を採用する電力変換装置として、たとえば、特許文献3には、以下のような構成が開示されている。すなわち、マトリックスコンバータの交流電源側に設けられた入力用三相交流リアクトルと、入力用三相交流リアクトルとマトリックスコンバータとの接続点に並列接続された入力用コンデンサからなる受動フィルタと、マトリックスコンバータの出力側に設けられた出力用三相交流リアクトルとを備える。出力用三相交流リアクトルの一端はマトリックスコンバータに接続され、他端は出力用三相コモンモードチョークコイルに接続される。出力用三相コモンモードチョークコイルが有する出力用三相交流リアクトルとは反対側の端子にモータなどの負荷を接続し、かつ出力用三相コモンモードチョークコイルと負荷との接続点に並列に出力用コンデンサを接続する。入力用コンデンサおよび出力用コンデンサはそれぞれの三相分が星型結線でありかつこれらの星型結線の中性点同士を接続線で接続している。
As a power conversion device that employs such an AC-AC direct conversion method, for example,
また、AC−DC−AC間接変換方式およびAC−AC直接変換方式の両方が適用可能な電力変換装置として、たとえば、特許文献4には、以下のような構成が開示されている。すなわち、インバータおよびマトリクスコンバータ等に代表されるような電力変換装置を用いたモータ駆動装置に使用されるノイズフィルタにおいて、モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタと、モータ駆動装置の出力側ノイズフィルタとを一体構造にしている。入力側ノイズフィルタは、電源と電力変換装置との間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、このコモンモードチョークコイルおよび電力変換装置の間に各R、S、T相それぞれに配置された接地用コンデンサと、各R、S、T相間にY結線された複数のコンデンサとを含む。入力側ノイズフィルタにおけるY結線された各コンデンサの中性点に出力側ノイズフィルタのバイパス回路部が接続されている。また、交流電源の中性点が接地されており、モータのフレームが接地されている。
Further, as a power conversion apparatus to which both the AC-DC-AC indirect conversion method and the AC-AC direct conversion method can be applied, for example,
ところで、マトリックスコンバータは、通常、中性点をグランドに接続する必要のない三相3線式の給電方式の負荷を対象としている。たとえば、マトリックスコンバータは、モータ駆動用のインバータとして用いられる。一方、マトリックスコンバータを定電圧源として使用する場合には、三相3線式の給電方式の負荷に限らず、負荷中性点のグランド接続が要求された三相4線式の給電方式の負荷にも対応する必要がある。すなわち、電源システムとしては、入力電源の中性点と負荷の中性点とが接続された回路構成に対応する必要がある。
ところで、非特許文献1には、任意の周波数および任意の振幅を有する交流電圧または交流電流を生成するための、マトリックスコンバータにおけるスイッチ群のオン・オフ制御方法が開示されている。このような制御方法については、各研究機関および各企業から様々な方法が提案されている。
By the way, Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に記載された制御方法は、三相平衡負荷の中性点を接地しない三相3線式の構成を対象としており、電圧利用率を上げるために負荷の中性点における電圧すなわち零相電圧を歪ませ、マトリックスコンバータから正弦波状の線間電圧を出力させる。このため、非特許文献1に記載された制御方法を上記のような三相4線式の構成にそのまま適用すると、零相電圧が変動するため、低周波の中性点電流が三相平衡負荷の中性点から三相交流電源の中性点へ流れてしまう。
However, the control method described in
この低周波の中性点電流が三相交流電源へ流れ、三相交流電源の入力電流に重畳されると、入力電流波形が歪むことにより入力力率の悪化が生じ、さらには、電源システムの破損および誤動作を生じさせる場合がある。また、入力電流波形の歪みによって負荷への出力電圧波形も歪むため、負荷である機器の破損を生じる恐れもある。 When this low-frequency neutral point current flows to the three-phase AC power source and is superimposed on the input current of the three-phase AC power source, the input current waveform is distorted and the input power factor is deteriorated. It may cause damage and malfunction. Further, since the output voltage waveform to the load is also distorted due to the distortion of the input current waveform, there is a possibility that the device that is the load is damaged.
それゆえに、本発明の目的は、複数相の電源の中性点と複数相の負荷の中性点とが結合された構成において、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷に安定して供給し、かつ小型化を図ることが可能な電力変換装置および電源システムを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to convert a plurality of phases by converting AC power supplied from a plurality of phase power sources in a configuration in which a neutral point of a plurality of phase power sources and a neutral point of a plurality of phase loads are combined. It is to provide a power conversion device and a power supply system that can be stably supplied to a load and can be reduced in size.
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力変換装置は、複数相の電源の各々から供給される各相の交流電力を変換して複数相の負荷にそれぞれ供給し、かつ複数相の電源の中性点と複数相の負荷の中性点とが共通の安定電位に結合された電源システムにおける電力変換装置であって、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷にそれぞれ供給するマトリックスコンバータと、複数相の負荷の中性点における電圧である零相電圧を検出し、検出した零相電圧に基づいてマトリックスコンバータの電力変換を制御する制御部とを備える。 In order to solve the above problems, a power conversion device according to an aspect of the present invention converts AC power of each phase supplied from each of a plurality of phase power supplies, supplies each of the AC power to a plurality of loads, and A power conversion device in a power supply system in which the neutral point of a phase power supply and the neutral point of a multi-phase load are coupled to a common stable potential, and converts AC power supplied from the multi-phase power supply A matrix converter that supplies each of the plurality of phase loads, a control unit that detects a zero phase voltage that is a voltage at a neutral point of the plurality of phase loads, and controls power conversion of the matrix converter based on the detected zero phase voltage; Is provided.
このような構成により、制御部の制御演算によって零相電圧の変動を相殺することができるため、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷に安定して供給することができる。また、マトリックスコンバータを用いることにより、AC−DC−AC間接変換方式と比べて電力変換装置の小型化を図ることができる。 With such a configuration, fluctuations in the zero-phase voltage can be canceled by the control calculation of the control unit, so that the AC power supplied from the multiple-phase power source is converted and stably supplied to the multiple-phase load. Can do. Moreover, by using a matrix converter, the power converter can be downsized as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method.
また、複数相の負荷の中性点から複数相の電源の中性点へ流れる零相電流を抑制することができるため、以下の(1)〜(3)の効果が得られる。 In addition, since the zero-phase current flowing from the neutral point of the multi-phase load to the neutral point of the multi-phase power source can be suppressed, the following effects (1) to (3) can be obtained.
(1)小型化および軽量化ならびに制御性能の向上
零相電流を抑制することにより、入力電流に零相電流が重畳されて入力電流が大きく歪むことを防止することができる。その結果、電力変換装置が入力フィルタを備える場合、この入力フィルタの遮断周波数を高く設定することができるため、入力フィルタの小型化および軽量化を図ることができる。また、入力力率制御および出力電圧制御の応答性が向上し、電源システムとしての制御性能を向上させることができる。
(1) Reduction in size and weight and improvement in control performance By suppressing the zero-phase current, it is possible to prevent the input current from being greatly distorted by superimposing the zero-phase current on the input current. As a result, when the power conversion device includes an input filter, the cutoff frequency of the input filter can be set high, so that the input filter can be reduced in size and weight. Further, the responsiveness of the input power factor control and the output voltage control is improved, and the control performance as the power supply system can be improved.
(2)他の電子機器の誤動作の防止
零相電流が発生すると零相電圧が変動し、中性線の電位に対して影響を与える。その結果、同電位の中性線に他の電子機器が接続されている場合、この電子機器の誤動作を誘発する場合がある。零相電流を抑制することで、同電位の中性線に接続された電子機器の誤動作を防止することができる。
(2) Prevention of malfunction of other electronic devices When a zero-phase current is generated, the zero-phase voltage fluctuates and affects the potential of the neutral line. As a result, when another electronic device is connected to the neutral line of the same potential, a malfunction of the electronic device may be induced. By suppressing the zero-phase current, malfunction of the electronic device connected to the neutral line at the same potential can be prevented.
(3)漏電遮断器の誤作動防止
漏電時にマトリックスコンバータの出力等を停止する漏電遮断器を電力変換装置が備える場合、零相電流は漏れ電流としてこの漏電遮断器を誤作動させる恐れがある。零相電流を抑制することで、この漏電遮断器の誤作動を防止することができる。
(3) Prevention of malfunction of earth leakage circuit breaker When the power converter includes an earth leakage breaker that stops the output of the matrix converter at the time of earth leakage, the zero-phase current may cause the earth leakage circuit breaker to malfunction as a leakage current. By suppressing the zero-phase current, malfunction of the earth leakage breaker can be prevented.
好ましくは、制御部は、マトリックスコンバータの入力電圧に対する入力電流位相の指令値と、マトリックスコンバータの出力電圧の振幅および周波数の指令値と、検出された零相電圧とに基づいてマトリックスコンバータの電力変換を制御する。 Preferably, the control unit converts the power of the matrix converter based on the command value of the input current phase with respect to the input voltage of the matrix converter, the command value of the amplitude and frequency of the output voltage of the matrix converter, and the detected zero-phase voltage. To control.
より好ましくは、制御部は、零相電圧の角周波数が複数相の電源から供給される交流電力の角周波数と等しく、かつマトリックスコンバータの入力電圧に対する入力電流位相の指令値がゼロであるとしてマトリックスコンバータの電力変換を制御する。 More preferably, the control unit assumes that the angular frequency of the zero-phase voltage is equal to the angular frequency of the AC power supplied from the plurality of phases of power and that the command value of the input current phase with respect to the input voltage of the matrix converter is zero. Controls converter power conversion.
このような構成により、制御部の制御演算における変数を減らすことが可能となる。すなわち、相殺すべき零相電圧に応じて、零相電圧の振幅を示す変数を逐次変更するだけの簡易な制御演算となる。また、制御演算において零相電圧を簡易に表わすことができる。 With such a configuration, it is possible to reduce variables in the control calculation of the control unit. That is, it is a simple control calculation in which the variable indicating the amplitude of the zero phase voltage is sequentially changed according to the zero phase voltage to be canceled. Further, the zero-phase voltage can be simply expressed in the control calculation.
好ましくは、制御部は、検出した零相電圧に基づいて零相電圧の指令値を補正し、補正した零相電圧の指令値に基づいてマトリックスコンバータの電力変換を制御する。 Preferably, the control unit corrects the command value of the zero phase voltage based on the detected zero phase voltage, and controls the power conversion of the matrix converter based on the corrected command value of the zero phase voltage.
好ましくは、制御部は、検出した零相電圧に基づいてPWM制御信号を生成し、マトリックスコンバータは、生成されたPWM制御信号に基づいて交流電力の変換を行なう。 Preferably, the control unit generates a PWM control signal based on the detected zero-phase voltage, and the matrix converter converts AC power based on the generated PWM control signal.
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電源システムは、安定電位に結合された中性点を有する複数相の負荷に電力を供給する電源システムであって、安定電位に結合された中性点を有し、複数相の交流電力を供給する複数相の電源と、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷にそれぞれ供給するマトリックスコンバータと、複数相の負荷の中性点における電圧である零相電圧を検出し、検出した零相電圧に基づいてマトリックスコンバータの電力変換を制御する制御部とを備える。 In order to solve the above problems, a power supply system according to an aspect of the present invention is a power supply system that supplies power to a plurality of loads having a neutral point coupled to a stable potential, and is coupled to the stable potential. A multi-phase power source that has a neutral point and supplies a plurality of phases of AC power, a matrix converter that converts the AC power supplied from the plurality of phases of power and supplies them to a plurality of loads, and a plurality of phases And a control unit that detects a zero-phase voltage that is a voltage at the neutral point of the load and controls power conversion of the matrix converter based on the detected zero-phase voltage.
このような構成により、制御部の制御演算によって零相電圧の変動を相殺することができるため、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷に安定して供給することができる。また、マトリックスコンバータを用いることにより、AC−DC−AC間接変換方式と比べて電源システムの小型化を図ることができる。 With such a configuration, fluctuations in the zero-phase voltage can be canceled by the control calculation of the control unit, so that the AC power supplied from the multiple-phase power source is converted and stably supplied to the multiple-phase load. Can do. Further, by using a matrix converter, it is possible to reduce the size of the power supply system as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method.
この発明のある局面に係わる電力変換装置は、マトリックスコンバータを備える。AC−DC−AC間接変換方式と比べてマトリックスコンバータの優れる点は、以下の(1)〜(4)のとおりである。 A power converter according to an aspect of the present invention includes a matrix converter. The advantages of the matrix converter as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method are as follows (1) to (4).
(1)小型化および軽量化が可能
電力変換装置の入力および出力間に挿入される半導体素子数が少なくて済むので、入力および出力間の電流経路上の半導体素子の損失が低減でき、これにより電力変換装置の損失を低減することができる。従って、ヒートシンクなどに代表される冷却部品を小型軽量化できるので、マトリックスコンバータを適用した電力変換装置はAC−DC−AC間接変換方式と比べて小型軽量化を図ることができる。
(1) Possible to reduce size and weight Since the number of semiconductor elements inserted between the input and output of the power converter is small, the loss of semiconductor elements on the current path between the input and output can be reduced. Loss of the power conversion device can be reduced. Therefore, since the cooling component represented by the heat sink and the like can be reduced in size and weight, the power conversion device to which the matrix converter is applied can be reduced in size and weight as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method.
また、マトリックスコンバータは、入力電流の位相を制御できることが知られている(非特許文献1参照)。従って、入力電圧と同位相になるように入力電流位相を制御した場合、入力力率を1にすることができる。一般的に、AC−DC−AC間接変換方式におけるAC−DC変換方式は、ダイオード整流器を適用する方式およびPWM整流器を適用する方式に大別される。ダイオード整流器を適用する方式は、安価で構成が容易であり、かつ高効率であるが、入力力率が比較的悪いという欠点を持っている。また、PWM整流器を適用する方式は、マトリックスコンバータと同様に入力力率1を実現することができるが、高価であり、構成が複雑であり、かつ損失が大きいという欠点を持っている。 Further, it is known that the matrix converter can control the phase of the input current (see Non-Patent Document 1). Therefore, when the input current phase is controlled so as to be in phase with the input voltage, the input power factor can be made 1. Generally, the AC-DC conversion system in the AC-DC-AC indirect conversion system is roughly classified into a system using a diode rectifier and a system using a PWM rectifier. A method using a diode rectifier is inexpensive, easy to configure, and highly efficient, but has a disadvantage that the input power factor is relatively poor. The method using the PWM rectifier can realize an input power factor of 1 as in the case of the matrix converter, but is disadvantageous in that it is expensive, complicated in configuration, and has a large loss.
以上のことから、マトリックスコンバータはダイオード整流器を適用したAC−DC−AC間接変換方式と異なり、力率1を実現することができる。これにより、マトリックスコンバータの入力電源設備容量、たとえば入力電源および発電機などの容量を低減できるため、マトリックスコンバータの入力電源設備の小型化を図ることができる。さらに、マトリックスコンバータは、PWM整流器を適用したAC−DC−AC間接変換方式と比べて損失が小さくなる。 From the above, the matrix converter can realize a power factor of 1, unlike the AC-DC-AC indirect conversion method using a diode rectifier. Thereby, the capacity of the input power supply facility of the matrix converter, for example, the capacity of the input power supply and the generator can be reduced, so that the input power facility of the matrix converter can be reduced in size. Further, the matrix converter has a smaller loss than the AC-DC-AC indirect conversion method using the PWM rectifier.
なお、入力電源設備容量Sは、一般的に、以下の式で表わされる。
S[VA]=P[W]÷η÷PF
ただし、Pはマトリックスコンバータの出力電力すなわち負荷が要求する電力であり、ηはマトリックスコンバータの効率であり、PFはマトリックスコンバータの入力力率である。
The input power supply facility capacity S is generally represented by the following equation.
S [VA] = P [W] ÷ η ÷ PF
Where P is the output power of the matrix converter, that is, the power required by the load, η is the efficiency of the matrix converter, and PF is the input power factor of the matrix converter.
さらに、マトリックスコンバータは入力力率を1にすることができる為、ダイオード整流器を適用したAC−DC−AC間接変換方式と比べて入力電流を小さくすることができる。これにより、入力電源設備およびマトリックスコンバータ間の配線を細くすることができるため、小型化および軽量化を図ることができる。 Further, since the matrix converter can set the input power factor to 1, the input current can be reduced as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method using the diode rectifier. Thereby, since the wiring between the input power supply facility and the matrix converter can be thinned, it is possible to reduce the size and weight.
なお、三相の場合における入力電流Iは、一般的に、以下の式で表わされる。
I[A]=S[VA]÷V[V]
ただし、Vはマトリックスコンバータの入力電圧すなわち入力電源設備の出力電圧である。
The input current I in the case of three phases is generally expressed by the following formula.
I [A] = S [VA] ÷ V [V]
Where V is the input voltage of the matrix converter, that is, the output voltage of the input power supply facility.
また、単相の場合における入力電流Iは、一般的に、以下の式で表わされる。
I[A]=S[VA]÷V[V]/3
航空機においては機器重量が重視され、少しでも軽量化を図ることが重要であり、従って、上記のように配線が少しでも細くなることが好ましく、電力変換装置が少しでも小さくかつ軽くなることが好ましい。
The input current I in the case of a single phase is generally represented by the following formula.
I [A] = S [VA] ÷ V [V] / 3
In aircraft, the weight of equipment is important, and it is important to reduce the weight as much as possible. Therefore, it is preferable that the wiring is as thin as possible, and it is preferable that the power converter is as small and light as possible. .
(2)長寿命化が可能
マトリックスコンバータは、交流電力から交流電力へ直接変換するため、主回路内に直流部を有さないことが知られている(非特許文献1参照)。
(2) Longer life is possible Matrix converters directly convert AC power into AC power, and are known not to have a DC section in the main circuit (see Non-Patent Document 1).
これに対して、AC−DC−AC間接変換方式では、入力交流電力を一旦直流電力に変換し、再度任意の交流電力を生成する方式であるため、直流部を有する。この直流部では、一般的に容量の大きい電解コンデンサ等を設けることにより、入力交流電力を直流電力に変換している。 On the other hand, the AC-DC-AC indirect conversion method is a method of once converting input AC power into DC power and generating arbitrary AC power again, and thus has a DC unit. In this DC section, generally, an input AC power is converted to DC power by providing an electrolytic capacitor having a large capacity.
一般的に、電解コンデンサの寿命は、抵抗器および半導体素子などの電力変換装置を構成する部品と比べて短い。そのため電力変換装置の寿命は当該電解コンデンサの寿命と同一視される場合もある。 In general, the lifetime of an electrolytic capacitor is shorter than components constituting a power converter such as a resistor and a semiconductor element. Therefore, the life of the power conversion device may be equated with the life of the electrolytic capacitor.
これに対して、マトリックスコンバータは、上記の通り主回路内に直流部を有さないことから、電解コンデンサが不要である。したがって、装置の長寿命化を図ることができる。 On the other hand, since the matrix converter does not have a direct current part in the main circuit as described above, an electrolytic capacitor is unnecessary. Therefore, the life of the device can be extended.
なお、一般的な観点から、電力変換装置の寿命が長くなることは、システムに組み込まれた電力変換装置の交換回数が少なくなる場合があるため、好ましい。 From a general point of view, it is preferable that the life of the power conversion device is long because the number of replacements of the power conversion device incorporated in the system may be reduced.
(3)電力回生機能がある
マトリックスコンバータは、エネルギーの伝達方向の制約がない為、負荷で発生したエネルギーを入力側に回生できることが知られている。
(3) There is a power regeneration function It is known that the matrix converter can regenerate the energy generated in the load to the input side because there is no restriction on the direction of energy transmission.
これに対して、ダイオード整流器を適用したAC−DC−AC間接変換方式では、ダイオード整流器によりエネルギーの伝達方向はある一方向に制限される。 On the other hand, in the AC-DC-AC indirect conversion system to which the diode rectifier is applied, the energy transmission direction is limited to a certain direction by the diode rectifier.
なお、一般的に、ダイオード整流器を適用したAC−DC−AC間接変換方式においては、負荷の端部に放電用の抵抗器を設けることにより、負荷で発生したエネルギーを放電する。この場合、負荷のエネルギーを抵抗器の熱に変換するので、負荷のエネルギーは有効に利用されない。更には、放電用の抵抗器を別途設ける必要があり、小型軽量化を妨げる。 In general, in an AC-DC-AC indirect conversion method using a diode rectifier, energy generated in the load is discharged by providing a discharge resistor at the end of the load. In this case, since the energy of the load is converted into the heat of the resistor, the energy of the load is not effectively used. Furthermore, it is necessary to separately provide a discharging resistor, which hinders reduction in size and weight.
なお、負荷でエネルギーが発生する例としては、以下のようなものがある。すなわち、電車などを駆動するインバータにおいては、インバータにより電動機を駆動して、この電動機によって電車が走行する。電車の加速時などはインバータを介して、その加速に要するエネルギー相当分を電動機に供給する。そして、電車の減速時において、電動機が発電機のようにエネルギーを発生する。 Examples of energy generated by a load include the following. That is, in an inverter that drives a train or the like, an electric motor is driven by the inverter, and the electric train travels by the electric motor. When the train is accelerating, the amount of energy required for the acceleration is supplied to the motor via the inverter. When the train decelerates, the electric motor generates energy like a generator.
(4)低ノイズ化
AC−DC−AC間接変換方式は、前述の通り直流部を有する。一般的に、インバータは直流部の電圧を受けて、FET(Field Effect Transistor)およびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などに代表される半導体素子によって、直流部の電圧を当該半導体素子でスイッチングすることにより、任意に設定された出力電圧および出力周波数へ変調する。
(4) Noise reduction The AC-DC-AC indirect conversion system has a direct current section as described above. In general, an inverter receives a voltage of a DC part, and switches the voltage of the DC part with the semiconductor element by a semiconductor element represented by an FET (Field Effect Transistor) and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Modulate to arbitrarily set output voltage and output frequency.
この場合、直流部の電圧を当該半導体素子のスイッチングによりオン・オフした矩形波電圧が生じる。この矩形波電圧の最大値は、スイッチングサージなどを除き、理想的には直流電圧振幅になる。 In this case, a rectangular wave voltage is generated in which the voltage of the direct current portion is turned on / off by switching of the semiconductor element. The maximum value of this rectangular wave voltage is ideally a DC voltage amplitude except for switching surges and the like.
従って、電圧変動率dv/dtにおいて、dvがマトリックスコンバータに比べて大きく、dtは当該半導体素子の特性によって概ね決定されることから、当該半導体素子の電圧変動率dv/dtは大きくなる。そうすると、当該半導体素子の電圧の変動によって発生するノイズを低減するために、各所にノイズフィルタを挿入する等のノイズ対策が必要になり、電力変換装置が大型かつ高重量になってしまう。 Accordingly, in the voltage fluctuation rate dv / dt, dv is larger than that of the matrix converter, and dt is substantially determined by the characteristics of the semiconductor element, so that the voltage fluctuation rate dv / dt of the semiconductor element becomes larger. Then, in order to reduce the noise generated by the fluctuation of the voltage of the semiconductor element, it is necessary to take noise countermeasures such as inserting a noise filter at various places, and the power converter becomes large and heavy.
これに対して、マトリックスコンバータは、前述の通り直流部を有さない為、FETおよびIGBTなどに代表される半導体素子を用いて、任意に設定された出力電圧および出力周波数に変調する場合に、当該半導体素子の電圧変動率dv/dtは前述のAC−DC−AC間接変換方式と比べて小さくなる。 On the other hand, since the matrix converter does not have a direct current section as described above, when modulating to an arbitrarily set output voltage and output frequency using a semiconductor element typified by FET and IGBT, The voltage variation rate dv / dt of the semiconductor element is smaller than that of the AC-DC-AC indirect conversion method described above.
即ち、AC−DC−AC間接変換方式における半導体素子の電圧変動は、直流部の電圧を受けた半導体素子を導通させた場合の半導体素子のオン電圧(一般的に数V)に対してスイッチングすなわちオン・オフを繰り返した形になる。 That is, the voltage fluctuation of the semiconductor element in the AC-DC-AC indirect conversion system is switched with respect to the on-voltage (generally several V) of the semiconductor element when the semiconductor element that receives the voltage of the direct current portion is made conductive. It becomes the form which repeated on and off.
これに対して、マトリックスコンバータは、入力電圧の任意の相の電圧を半導体素子によって変調する為、半導体素子の電圧変動が、入力電圧の任意の相の電圧と半導体素子を導通させた場合の半導体素子のオン電圧(一般的に数V)とをスイッチングによって繰り返す形になる。 On the other hand, since the matrix converter modulates the voltage of an arbitrary phase of the input voltage by a semiconductor element, the voltage fluctuation of the semiconductor element causes the semiconductor when the semiconductor element is electrically connected to the voltage of the arbitrary phase of the input voltage. The on-voltage of the element (generally several volts) is repeated by switching.
このため、マトリックスコンバータでは、AC−DC−AC間接変換方式に比べて半導体素子の電圧変動dv/dtを抑制できることから、挿入するノイズフィルタの数量が少なくなり、サイズが小さくなる場合がある。従って、マトリックスコンバータは、AC−DC−AC間接変換方式に比べて小型軽量化を図ることができる。 For this reason, in the matrix converter, voltage fluctuation dv / dt of the semiconductor element can be suppressed as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method, and therefore the number of noise filters to be inserted may be reduced and the size may be reduced. Therefore, the matrix converter can be reduced in size and weight as compared with the AC-DC-AC indirect conversion method.
本発明によれば、複数相の電源の中性点と複数相の負荷の中性点とが結合された構成において、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷に安定して供給し、かつ小型化を図ることができる。 According to the present invention, in a configuration in which a neutral point of a multi-phase power source and a neutral point of a multi-phase load are combined, AC power supplied from the multi-phase power source is converted into a multi-phase load. Stable supply and miniaturization can be achieved.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第1の実施の形態>
[構成および基本動作]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。
<First Embodiment>
[Configuration and basic operation]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power supply system according to a first embodiment of the present invention.
図1を参照して、電源システム201は、交流電源EU,EV,EWと、電力変換装置101と、負荷部LUと、中性線5とを備える。電力変換装置101は、入力フィルタFLX1と、出力フィルタFLY1と、マトリックスコンバータMXと、制御部10とを含む。入力フィルタFLX1は、単相リアクトルLIU1,LIV1,LIW1と、コンデンサCIU2,CIV2,CIW2とを含む。出力フィルタFLY1は、単相リアクトルLOA1,LOB1,LOC1と、コンデンサCOA1,COB1,COC1とを含む。マトリックスコンバータMXは、双方向スイッチSA1,SA2,SA3,SB1,SB2,SB3,SC1,SC2,SC3を含む。負荷部LUは、負荷LA,LB,LCを含む。制御部10は、減算器6と、零相電圧補正量演算部7と、PWM(Pulse Width Modulation)制御演算部8と、零相電圧検出部9とを含む。
Referring to FIG. 1,
以下、交流電源EU,EV,EWの各々を交流電源Eと称する場合がある。負荷LA,LB,LCの各々を負荷Lと称する場合がある。単相リアクトルLOA1,LOB1,LOC1の各々を単相リアクトルLO1と称する場合がある。 Hereinafter, each of AC power supplies EU, EV, and EW may be referred to as AC power supply E. Each of the loads LA, LB, and LC may be referred to as a load L. Each of single-phase reactors LOA1, LOB1, and LOC1 may be referred to as single-phase reactor LO1.
電源システム201は、航空機および建設機械等に搭載される。電源システム201において、交流電源EU,EV,EWの中性点NP1と負荷LA,LB,LCの中性点NP2とが中性線5を介して共通の安定電位SPに結合されている。ここで、安定電位とは、電源システム201における他の部分と比べてインピーダンスが小さく電位変動が微小な部分の電位であり、たとえば航空機のフレームグランドすなわち機体の電位である。ここで、機体は、導電性を有する材質からなる。また、航空機等の大型機に電源システム201が組み込まれる場合には、中性点NP1および中性点NP2の距離が大きくなることから、中性点NP1と機体は、接続経路のインピーダンスが最小となる箇所において接続されることが好ましい。中性点NP2と機体も、接続経路のインピーダンスが最小となる箇所において接続されることが好ましい。
The
電力変換装置101は、交流電源EU,EV,EWの各々から供給されるU相,V相,W相の交流電力を任意の周波数および任意の振幅を有するA相,B相,C相の交流電力に変換して負荷LA,LB,LCにそれぞれ供給する。
The
入力フィルタFLX1は、交流電源EU,EV,EWとマトリックスコンバータMXとの間に設けられている。より詳細には、単相リアクトルLIU1,LIV1,LIW1は、U相,V相,W相に対応して設けられ、対応の相の交流電源EとマトリックスコンバータMXとの間に接続されている。コンデンサCIU2,CIV2,CIW2はΔ結線されている、すなわち単相リアクトルLIU1,LIV1,LIW1とマトリックスコンバータMXとの間におけるU相,V相,W相の配線間にそれぞれ接続されている。 The input filter FLX1 is provided between the AC power supplies EU, EV, EW and the matrix converter MX. More specifically, the single-phase reactors LIU1, LIV1, and LIW1 are provided corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase, and are connected between the AC power supply E of the corresponding phase and the matrix converter MX. Capacitors CIU2, CIV2, and CIW2 are Δ-connected, that is, connected between U-phase, V-phase, and W-phase wirings between single-phase reactors LIU1, LIV1, and LIW1 and matrix converter MX, respectively.
出力フィルタFLY1は、マトリックスコンバータMXと負荷LA,LB,LCとの間に設けられている。より詳細には、単相リアクトルLOA1,LOB1,LOC1は、A相,B相,C相に対応して設けられ、対応の相の負荷LとマトリックスコンバータMXとの間に接続されている。コンデンサCOA1,COB1,COC1はY結線されている、すなわち、A相,B相,C相に対応して設けられ、マトリックスコンバータMXおよび対応の相の単相リアクトルLO1の接続ノードと中性線5すなわち安定電位SPとの間に接続されている。
The output filter FLY1 is provided between the matrix converter MX and the loads LA, LB, and LC. More specifically, the single-phase reactors LOA1, LOB1, and LOC1 are provided corresponding to the A phase, the B phase, and the C phase, and are connected between the load L of the corresponding phase and the matrix converter MX. Capacitors COA1, COB1, and COC1 are Y-connected, that is, provided corresponding to the A phase, the B phase, and the C phase. The connection node between the matrix converter MX and the corresponding single phase reactor LO1 and the
マトリックスコンバータMXにおいて、双方向スイッチSA1は、単相リアクトルLIU1と単相リアクトルLOA1との間に接続されている。双方向スイッチSA2は、単相リアクトルLIV1と単相リアクトルLOA1との間に接続されている。双方向スイッチSA3は、単相リアクトルLIW1と単相リアクトルLOA1との間に接続されている。双方向スイッチSB1は、単相リアクトルLIU1と単相リアクトルLOB1との間に接続されている。双方向スイッチSB2は、単相リアクトルLIV1と単相リアクトルLOB1との間に接続されている。双方向スイッチSB3は、単相リアクトルLIW1と単相リアクトルLOB1との間に接続されている。双方向スイッチSC1は、単相リアクトルLIU1と単相リアクトルLOC1との間に接続されている。双方向スイッチSC2は、単相リアクトルLIV1と単相リアクトルLOC1との間に接続されている。双方向スイッチSC3は、単相リアクトルLIW1と単相リアクトルLOC1との間に接続されている。 In matrix converter MX, bidirectional switch SA1 is connected between single-phase reactor LIU1 and single-phase reactor LOA1. Bidirectional switch SA2 is connected between single-phase reactor LIV1 and single-phase reactor LOA1. Bidirectional switch SA3 is connected between single-phase reactor LIW1 and single-phase reactor LOA1. Bidirectional switch SB1 is connected between single-phase reactor LIU1 and single-phase reactor LOB1. Bidirectional switch SB2 is connected between single-phase reactor LIV1 and single-phase reactor LOB1. The bidirectional switch SB3 is connected between the single-phase reactor LIW1 and the single-phase reactor LOB1. Bidirectional switch SC1 is connected between single-phase reactor LIU1 and single-phase reactor LOC1. Bidirectional switch SC2 is connected between single-phase reactor LIV1 and single-phase reactor LOC1. Bidirectional switch SC3 is connected between single-phase reactor LIW1 and single-phase reactor LOC1.
双方向スイッチSA1,SA2,SA3,SB1,SB2,SB3,SC1,SC2,SC3の各々は、たとえば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびダイオードを直列接続した回路を2つ用意し、互いの導通方向が逆向きになるようにこの2つの回路を並列接続した構成である。あるいは、これらの双方向スイッチは、逆耐圧性能を有する2つの逆阻止IGBTが、互いの導通方向が逆向きになるように並列接続されている構成であってもよい。 Each of the bidirectional switches SA1, SA2, SA3, SB1, SB2, SB3, SC1, SC2, and SC3 is provided with, for example, two circuits in which an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a diode are connected in series, and the conduction directions of each other. These two circuits are connected in parallel so that is opposite. Alternatively, these bidirectional switches may have a configuration in which two reverse blocking IGBTs having reverse withstand voltage performance are connected in parallel so that their conduction directions are opposite to each other.
入力フィルタFLX1は、交流電源EU,EV,EWからそれぞれ受けたU相,V相,W相の交流電力に含まれる所定周波数以上のノイズを減衰させ、減衰後の交流電力をマトリックスコンバータMXへ出力する。 The input filter FLX1 attenuates noise of a predetermined frequency or more included in the U-phase, V-phase, and W-phase AC power received from the AC power sources EU, EV, and EW, and outputs the attenuated AC power to the matrix converter MX. To do.
マトリックスコンバータMXは、制御部10から受けたPWM制御信号に基づいて双方向スイッチSA1,SA2,SA3,SB1,SB2,SB3,SC1,SC2,SC3をそれぞれオン・オフすることにより、入力フィルタFLX1を通過したU相,V相,W相の交流電力を任意の周波数および任意の電圧/電流振幅を有するA相,B相,C相の交流電力に変換し、出力フィルタFLY1へ出力する。
Matrix converter MX turns on / off bi-directional switches SA1, SA2, SA3, SB1, SB2, SB3, SC1, SC2, and SC3 based on the PWM control signal received from
出力フィルタFLY1は、マトリックスコンバータMXから受けたA相,B相,C相の交流電力に含まれる所定周波数以上のノイズを減衰させ、減衰後の交流電力を負荷LA,LB,LCへそれぞれ出力する。 The output filter FLY1 attenuates noise of a predetermined frequency or more included in the A-phase, B-phase, and C-phase AC power received from the matrix converter MX, and outputs the attenuated AC power to the loads LA, LB, and LC, respectively. .
電源システム201では、交流電源EU,EV,EWの中性点NP1および負荷LA,LB,LCの中性点NP2が中性線5を介して共通の安定電位SPに結合されている。このような構成により、交流電源EU,EV,EWの電位が不定になることを防ぐことができるため、負荷LA,LB,LCの誤動作を防ぐことができる。
In the
なお、電力変換装置101は、転流失敗時などに発生する過電圧および過電流から機器を保護するための保護回路を備える構成であってもよい。
In addition, the
[制御方法]
次に、マトリックスコンバータMXにおけるスイッチ群の制御方法について詳細に説明する。
[Control method]
Next, a method for controlling the switch group in the matrix converter MX will be described in detail.
制御部10は、負荷LA,LB,LCの中性点NP2における零相電圧を検出し、検出した零相電圧に基づいてマトリックスコンバータMXの電力変換を制御する。より詳細には、制御部10は、マトリックスコンバータMXの入力電圧に対する入力電流位相の指令値X1〜X3と、マトリックスコンバータMXの出力電圧の振幅および周波数の指令値Y1〜Y3と、零相電圧指令値vg_refと、検出した零相電圧vg_detとに基づいてPWM制御信号を生成し、マトリックスコンバータMXへ出力する。
より詳細には、入力電圧vu0,vv0,vw0すなわち交流電源EU,EV,EWの出力電圧は、以下の式(1)で表わされる。 More specifically, the input voltages vu0, vv0, vw0, that is, the output voltages of the AC power supplies EU, EV, EW are expressed by the following expression (1).
ここで、ωおよびVsは交流電源EU,EV,EWの出力電圧の角周波数および振幅である。 Here, ω and Vs are the angular frequency and amplitude of the output voltage of the AC power sources EU, EV, and EW.
入力フィルタFLX1を通過したU相,V相,W相の電圧vu,vv,vwは以下の式(2)で表わされる。 The U-phase, V-phase, and W-phase voltages vu, vv, and vw that have passed through the input filter FLX1 are expressed by the following equation (2).
ここで、Vは入力フィルタFLX1の出力側の電圧振幅であり、δは入力フィルタFLX1によって生じる位相遅れ角である。 Here, V is a voltage amplitude on the output side of the input filter FLX1, and δ is a phase delay angle generated by the input filter FLX1.
制御部10は、サンプリング周期Tsごとにスイッチングパターンを更新する。ここで、制御法則を定式化するための制御関数a1〜a3,b1〜b3,c1〜c3を考える。時刻tnからtn+1の期間にいて双方向スイッチSA1がオンしている期間をTsa1とすると、たとえばa1を以下の式(3)に示すように定義する。
The
a1(tn)=Tsa1/Ts ・・・(3)
ここで、マトリックスコンバータMXでは、入力側の各相配線の短絡および出力側の各相配線の開放が許されないため、以下の式(4)および式(5)のような拘束条件が必要になる。
a1 (tn) = Tsa1 / Ts (3)
Here, in the matrix converter MX, short-circuiting of each phase wiring on the input side and opening of each phase wiring on the output side are not allowed, so that the constraint conditions as in the following formulas (4) and (5) are required. .
0≦an≦1,0≦bn≦1,0≦cn≦1(n=1,2,3) ・・・(5)
制御部10は、制御関数が以下の式(6)になるように制御を行なう。
0 ≦ an ≦ 1, 0 ≦ bn ≦ 1, 0 ≦ cn ≦ 1 (n = 1, 2, 3) (5)
The
ただし、Y1+Y2+Y3=0である。また、AはマトリックスコンバータMXの電圧振幅変調率である。hu,hv,hwは式(4)の拘束条件を満足させるために導入した関数である。 However, Y1 + Y2 + Y3 = 0. A is the voltage amplitude modulation rate of the matrix converter MX. hu, hv, and hw are functions introduced to satisfy the constraint condition of Expression (4).
ここで、関数X1,X2,X3はそれぞれ以下の式(7)で表わされる。 Here, the functions X1, X2, and X3 are each expressed by the following equation (7).
ここで、ψsはマトリックスコンバータMXの入力電圧に対する入力電流位相の指令値である。すなわち、出力側関数X1,X2,X3は入力電流位相指令値である。 Here, ψs is a command value of the input current phase with respect to the input voltage of the matrix converter MX. That is, the output side functions X1, X2, and X3 are input current phase command values.
以下、関数X1,X2,X3を入力側関数と呼び、関数Y1,Y2,Y3を出力側関数(出力電圧指令波形)と呼ぶ。 Hereinafter, the functions X1, X2, and X3 are referred to as input-side functions, and the functions Y1, Y2, and Y3 are referred to as output-side functions (output voltage command waveforms).
マトリックスコンバータMXのA相,B相,C相の出力電圧をva,vb,vcとすると、期間Tsにおけるva,vb,vcの平均値は、式(2)、式(6)および式(7)から、以下の式(8)のように表わされる。 Assuming that the output voltages of the A phase, B phase, and C phase of the matrix converter MX are va, vb, and vc, the average values of va, vb, and vc in the period Ts are the expressions (2), (6), and (7) ) From the following expression (8).
ただし、v0=hu×vu+hv×vv+hw×vwである。
式(8)の第1項は求めるマトリックスコンバータMXの出力電圧である。すなわち、マトリックスコンバータMXの出力電圧の波形は、出力側関数Y1,Y2,Y3で表される波形となる。このため、出力側関数Y1,Y2,Y3は出力電圧指令値すなわち出力電圧の位相および振幅に対する指令値となる。式(8)の第2項は関数hu,hv,hwによって現れる零相電圧成分であり、マトリックスコンバータMXの線間電圧には現れない。
However, v0 = hu × vu + hv × vv + hw × vw.
The first term of equation (8) is the output voltage of the matrix converter MX to be obtained. That is, the waveform of the output voltage of the matrix converter MX is a waveform represented by the output side functions Y1, Y2, and Y3. Therefore, the output side functions Y1, Y2, and Y3 are output voltage command values, that is, command values for the phase and amplitude of the output voltage. The second term of Equation (8) is a zero-phase voltage component that appears by functions hu, hv, and hw, and does not appear in the line voltage of matrix converter MX.
以上は非特許文献1に記載された制御方法と同様の内容であるが、低周波の中性点電流を負荷LA,LB,LCの中性点NP2から交流電源EU,EV,EWの中性点NP1へ流さないようにするためには、非特許文献1に記載された制御方法において意図的に発生させている零相電圧を発生させないようにする必要がある。
The above is the same content as the control method described in
このため、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムでは、零相電圧を表す式(6)の第2項であるhu,hv,hwを以下のように定める。すなわち、式(6)は式(4)および式(5)の拘束条件を満足する必要がある。また、式(8)より、マトリックスコンバータMXの出力電圧が三相平衡であるためには、式(8)の第2項のA相,B相,C相の成分は同じ数式となる必要がある。したがって、式(6)の第2項である零相電圧成分を以下の式(9)のように与える。 For this reason, in the power supply system according to the first embodiment of the present invention, hu, hv, and hw, which are the second terms of Equation (6) representing the zero-phase voltage, are determined as follows. That is, Expression (6) needs to satisfy the constraint conditions of Expression (4) and Expression (5). Further, according to the equation (8), in order for the output voltage of the matrix converter MX to be three-phase balanced, the components of the second term A phase, B phase, and C phase of the equation (8) need to be the same equation. is there. Therefore, the zero-phase voltage component, which is the second term of the equation (6), is given by the following equation (9).
hu=hv=hw=1/3 ・・・(9)
式(9)を上記した制御法に適用すれば、理論的には零相電圧は発生しない。しかしながら、式(9)を用いたとしても、マトリックスコンバータMXの入力リップル電圧などの影響により、わずかながら零相電圧が発生し、低周波の中性点電流が三相平衡負荷の中性点から三相交流電源の中性点へ流れてしまう。
hu = hv = hw = 1/3 (9)
If equation (9) is applied to the above control method, theoretically no zero-phase voltage is generated. However, even if the equation (9) is used, a zero-phase voltage is generated slightly due to the influence of the input ripple voltage of the matrix converter MX, and the neutral point current of the low frequency is generated from the neutral point of the three-phase balanced load. It flows to the neutral point of the three-phase AC power supply.
そこで、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムでは、零相電圧を抑制するための制御を、制御部10の制御演算に組み込むことにより上記問題点を解決する。
Thus, the power supply system according to the first embodiment of the present invention solves the above problem by incorporating control for suppressing the zero-phase voltage into the control calculation of the
すなわち、前述した零相電圧成分の条件である式(9)に基づき、式(6)の第2項である零相電圧成分を以下の式(10)のように与える。 That is, the zero-phase voltage component that is the second term of the equation (6) is given by the following equation (10) based on the equation (9) that is the condition of the zero-phase voltage component described above.
ここで、kは零相電圧の振幅であり、ωgは零相電圧の角周波数である。零相電圧のレベルをvgとすると、零相電圧vgは式(8)および式(10)から以下の式(11)のように表わされる。 Here, k is the amplitude of the zero-phase voltage, and ωg is the angular frequency of the zero-phase voltage. When the level of the zero-phase voltage is vg, the zero-phase voltage vg is expressed by the following equation (11) from the equations (8) and (10).
すなわち、式(11)により、理論的に任意の零相電圧を生成することが可能となる。式(11)によって得られる零相電圧vgが実際の零相電圧として現れる低周波成分の逆相ならば、制御部10の制御演算によって零相電圧の変動を相殺することが可能となる。
That is, it is possible to theoretically generate an arbitrary zero-phase voltage according to the equation (11). If the zero-phase voltage vg obtained by the equation (11) is the opposite phase of the low-frequency component that appears as the actual zero-phase voltage, the fluctuation of the zero-phase voltage can be canceled by the control calculation of the
ここで、零相電圧の角周波数ωgが交流電源Eの出力電圧の各周波数ωと等しい場合には、式(11)から以下の式(12)が成立する。 Here, when the angular frequency ωg of the zero-phase voltage is equal to each frequency ω of the output voltage of the AC power supply E, the following formula (12) is established from the formula (11).
したがって、ωg=ωとすることにより、制御部10の制御演算における変数を減らすことが可能となる。すなわち、相殺すべき零相電圧に応じて逐次kの値のみを変更するだけの簡易な制御演算となる。
Therefore, by setting ωg = ω, it is possible to reduce variables in the control calculation of the
また、ψs=0ならば式(6)で表わされる制御関数の零相電圧成分は以下の式(13)のように簡易に表わすことができる。 If ψs = 0, the zero-phase voltage component of the control function represented by the equation (6) can be simply represented as the following equation (13).
したがって、式(6)で表わされる制御関数のhu,hv,hwの項に式(13)を適用し、零相電圧に対して簡易なフィードバックループを構成するだけで、制御演算上で零相電圧を抑制することが可能となる。すなわち、ωg=ωかつψs=0とすることにより、制御演算をさらに簡易化することができる。 Therefore, the equation (13) is applied to the hu, hv, and hw terms of the control function represented by the equation (6), and a simple feedback loop is constructed for the zero-phase voltage. The voltage can be suppressed. That is, the control calculation can be further simplified by setting ωg = ω and ψs = 0.
図1を参照して、制御部10において、零相電圧検出部9は、零相電圧すなわち中性点NP2における電圧を検出し、検出電圧値vg_detを減算器6へ出力する。
Referring to FIG. 1, in
減算器6は、零相電圧指令値vg_refから検出電圧値vg_detを減算し、減算結果を零相電圧補正量演算部7へ出力する。
The
零相電圧補正量演算部7は、減算器6から受けた減算結果をたとえば比例積分することにより零相電圧振幅kを算出し、PWM制御演算部8へ出力する。
The zero-phase voltage correction
PWM制御演算部8は、零相電圧補正量演算部7から受けた零相電圧振幅k、入力電流位相指令X1〜X3、および出力電圧指令値Y1〜Y3に基づいて、上記式(1)〜式(13)で示される制御演算を行なうことによってPWM制御信号を生成し、マトリックスコンバータMXへ出力する。
The PWM control calculation unit 8 is based on the zero phase voltage amplitude k, the input current phase commands X1 to X3, and the output voltage command values Y1 to Y3 received from the zero phase voltage correction
[実験結果]
次に、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置を用いて実験を行なった結果について説明する。
[Experimental result]
Next, the results of experiments performed using the power conversion device according to the first embodiment of the present invention will be described.
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置を用いた実験回路を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing an experimental circuit using the power conversion device according to the first embodiment of the present invention.
図2を参照して、負荷LA,LB,LCを抵抗負荷とし、中性線5を抵抗Rgで模擬し、抵抗Rgの両端電圧Vgを零相電圧vg_detとして検出することにより、本発明の第1の実施の形態に係る電力システムのフィードバックループを構成している。
Referring to FIG. 2, the loads LA, LB, and LC are resistance loads, the
また、本実験の条件は以下のようになる。すなわち、マトリックスコンバータMXの入力電圧のレベルおよび周波数がそれぞれ50Vrmsおよび60Hzであり、マトリックスコンバータMXの出力電圧の周波数が30Hzであり、マトリックスコンバータMXのスイッチング周波数が15kHzである。また、単相リアクトルLIU1,LIV1,LIW1のインダクタンスが7mHであり、コンデンサCIU2,CIV2,CIW2のキャパシタンスが0.8μFであり、単相リアクトルLOA1,LOB1,LOC1のインダクタンスが3.5mHであり、コンデンサCOA1,COB1,COC1のキャパシタンスが2.5μFであり、負荷LA,LB,LCの抵抗値が5.3Ωであり、中性線5の抵抗値が0.1Ωであり、入力電流位相の指令値ψsが0であり、電圧振幅変調率Aが0.17であり、零相電圧の周波数が60Hzであり、零相電圧検出部9に含まれる図示しないローパスフィルタの時定数が3.2×10-5であり、零相電圧補正量演算部7における比例積分演算の比例ゲインおよび積分ゲインがそれぞれ1.1および150である。
The conditions for this experiment are as follows. That is, the level and frequency of the input voltage of the matrix converter MX are 50 Vrms and 60 Hz, respectively, the frequency of the output voltage of the matrix converter MX is 30 Hz, and the switching frequency of the matrix converter MX is 15 kHz. Further, the inductances of the single-phase reactors LIU1, LIV1, and LIW1 are 7 mH, the capacitances of the capacitors CIU2, CIV2, and CIW2 are 0.8 μF, the inductances of the single-phase reactors LOA1, LOB1, and LOC1 are 3.5 mH, and the capacitors The capacitances of COA1, COB1, and COC1 are 2.5 μF, the resistance values of the loads LA, LB, and LC are 5.3Ω, the resistance value of the
図3は、従来の電力変換装置を用いた場合における零相電流の測定結果を示す図である。図4は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置を用いた場合における零相電流の測定結果を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a measurement result of the zero-phase current when a conventional power conversion device is used. FIG. 4 is a diagram illustrating a measurement result of the zero-phase current when the power conversion device according to the first embodiment of the present invention is used.
図5は、図3の測定結果をFFT(First Fourier Transform)解析した図である。図6は、図4の測定結果をFFT解析した図である。 FIG. 5 is a diagram obtained by performing FFT (First Fourier Transform) analysis on the measurement result of FIG. FIG. 6 is a diagram obtained by performing FFT analysis on the measurement result of FIG.
図7は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置による零相電流の低周波成分の減衰効果を示す図である。図7は、図5および図6のFFT解析結果に基づいて零相電流の低周波成分の減衰量を算出した結果を示している。 FIG. 7 is a diagram showing the attenuation effect of the low-frequency component of the zero-phase current by the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 shows the result of calculating the attenuation amount of the low-frequency component of the zero-phase current based on the FFT analysis results of FIGS. 5 and 6.
図3〜図7を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置による零相電圧抑制制御により、零相電流の抑制、特に零相電流の低周波成分の抑制について従来と比べて劇的な効果が得られていることが分かる。すなわち、図7に示すように、零相電圧のうち、90Hzの周波数成分が6dB以上減衰されており、150Hz、180Hzの周波数成分が15dB以上減衰されており、30Hz、60Hz、120Hzの周波数成分が20dB以上減衰されており、零相電圧の低周波成分が従来と比べて大幅に低減されていることが分かる。 Referring to FIGS. 3 to 7, conventional zero-phase current suppression, particularly suppression of low-frequency components of zero-phase current by zero-phase voltage suppression control by the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. It can be seen that a dramatic effect is obtained as compared with. That is, as shown in FIG. 7, in the zero-phase voltage, the frequency component of 90 Hz is attenuated by 6 dB or more, the frequency component of 150 Hz and 180 Hz is attenuated by 15 dB or more, and the frequency components of 30 Hz, 60 Hz, and 120 Hz are It is attenuated by 20 dB or more, and it can be seen that the low-frequency component of the zero-phase voltage is greatly reduced compared to the conventional case.
図8は、従来の電力変換装置を用いた場合におけるA相の出力電圧の測定結果を示す図である。図9は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置を用いた場合におけるA相の出力電圧の測定結果を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating a measurement result of the output voltage of the A phase when the conventional power conversion device is used. FIG. 9 is a diagram illustrating a measurement result of the output voltage of the A phase when the power conversion device according to the first embodiment of the present invention is used.
図10は、図8の測定結果をFFT解析した図である。図11は、図9の測定結果をFFT解析した図である。 FIG. 10 is a diagram obtained by performing FFT analysis on the measurement result of FIG. FIG. 11 is a diagram obtained by performing FFT analysis on the measurement result of FIG.
図12は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置による出力電圧の低周波成分の減衰効果を示す図である。図12は、図10および図11のFFT解析結果に基づいてA相の出力電圧の低周波成分の減衰量を算出した結果を示している。なお、A相の出力電圧の基本波成分は30Hzである。 FIG. 12 is a diagram illustrating the attenuation effect of the low-frequency component of the output voltage by the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 12 shows the result of calculating the attenuation amount of the low-frequency component of the A-phase output voltage based on the FFT analysis results of FIGS. 10 and 11. The fundamental wave component of the A-phase output voltage is 30 Hz.
図8〜図12を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置による零相電圧抑制制御により、A相の出力電圧の高調波の抑制、特に高調波のうちの低周波成分の抑制について従来と比べて劇的な効果が得られていることが分かる。すなわち、図12に示すように、A相出力電圧の高調波のうち、90Hzの周波数成分が約2dB減衰されており、120Hzの周波数成分が約3dB減衰されており、60Hzの周波数成分が約7dB減衰されており、180Hzの周波数成分が23dB減衰されており、A相の出力電圧の低周波成分が従来と比べて大幅に低減されていることが分かる。 With reference to FIGS. 8 to 12, the zero-phase voltage suppression control by the power conversion device according to the first embodiment of the present invention suppresses harmonics of the output voltage of the A phase, particularly low of the harmonics. It can be seen that there is a dramatic effect on the suppression of frequency components compared to the conventional case. That is, as shown in FIG. 12, among the harmonics of the phase A output voltage, the frequency component of 90 Hz is attenuated by about 2 dB, the frequency component of 120 Hz is attenuated by about 3 dB, and the frequency component of 60 Hz is about 7 dB. It can be seen that the frequency component of 180 Hz is attenuated by 23 dB, and the low frequency component of the output voltage of the A phase is greatly reduced compared to the conventional case.
図13は、従来の電力変換装置を用いた場合におけるU相の入力電流の測定結果を示す図である。図14は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置を用いた場合におけるU相の入力電流の測定結果を示す図である。 FIG. 13 is a diagram illustrating a measurement result of the U-phase input current when a conventional power converter is used. FIG. 14 is a diagram illustrating a measurement result of the U-phase input current when the power conversion device according to the first embodiment of the present invention is used.
図15は、図13の測定結果をFFT解析した図である。図16は、図14の測定結果をFFT解析した図である。 FIG. 15 is a diagram obtained by performing FFT analysis on the measurement result of FIG. FIG. 16 is a diagram obtained by performing FFT analysis on the measurement result of FIG.
図17は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置による入力電流の低周波成分の減衰効果を示す図である。図17は、図15および図16のFFT解析結果に基づいてU相の入力電流の低周波成分の減衰量を算出した結果を示している。なお、U相の入力電流の基本波成分は60Hzである。 FIG. 17 is a diagram illustrating the attenuation effect of the low frequency component of the input current by the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 17 shows the result of calculating the attenuation amount of the low-frequency component of the U-phase input current based on the FFT analysis results of FIGS. 15 and 16. The fundamental wave component of the U-phase input current is 60 Hz.
図13〜図17を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置による零相電圧抑制制御により、U相の入力電流の高調波の抑制、特に高調波のうちの低周波成分の抑制について従来と比べて劇的な効果が得られていることが分かる。すなわち、図17に示すように、U相入力電流の高調波のうち、150Hzの周波数成分が約9dB減衰されており、120Hzの周波数成分が約12dB減衰されており、90Hzおよび180Hzの周波数成分が約14dB減衰されており、30Hzの周波数成分が約21dB減衰されており、U相の入力電流の低周波成分が従来と比べて大幅に低減されていることが分かる。 Referring to FIGS. 13 to 17, the zero-phase voltage suppression control by the power conversion device according to the first embodiment of the present invention suppresses the harmonics of the U-phase input current, particularly the lower of the harmonics. It can be seen that there is a dramatic effect on the suppression of frequency components compared to the conventional case. That is, as shown in FIG. 17, in the harmonics of the U-phase input current, the frequency component at 150 Hz is attenuated by about 9 dB, the frequency component at 120 Hz is attenuated by about 12 dB, and the frequency components at 90 Hz and 180 Hz are It can be seen that the frequency component of 30 Hz is attenuated by about 14 dB and the frequency component of 30 Hz is attenuated by about 21 dB, and the low frequency component of the U-phase input current is greatly reduced compared to the conventional case.
このように、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置は、出力電圧波形および入力電流波形を改善することができるため、力率および効率の向上に関して非常に有効である。また、出力電圧の制御性を向上させることができる。 Thus, since the power converter device according to the first embodiment of the present invention can improve the output voltage waveform and the input current waveform, it is very effective in improving the power factor and efficiency. In addition, the controllability of the output voltage can be improved.
ところで、非特許文献1に記載された制御方法を三相4線式の構成にそのまま適用すると、零相電圧が変動するため、低周波の中性点電流が三相平衡負荷の中性点から三相交流電源の中性点へ流れてしまう。しかしながら、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムでは、制御部10が、零相電圧を検出し、検出した零相電圧の逆相分を零相電圧指令波形すなわち零相電圧指令値vg_refに重畳する。これにより、制御部10の制御演算によって零相電圧の変動を相殺することが可能となる。したがって、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムでは、複数相の電源の中性点と複数相の負荷の中性点とが結合された構成において、複数相の電源から供給される交流電力を変換して複数相の負荷に安定して供給することができる。また、マトリックスコンバータを用いることにより、AC−DC−AC間接変換方式と比べて電源システムの小型化を図ることができる。
By the way, when the control method described in
また、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムでは、従来の電力変換装置に零相電圧検出部9を追加し、かつ制御部10の制御演算を変更するだけの簡易な構成で、零相電圧の低周波成分を低減することができる。
Further, in the power supply system according to the first embodiment of the present invention, with a simple configuration in which the zero-phase
なお、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムでは、交流電源EU,EV,EWを備える構成であるとしたが、これに限定するものではなく、複数相の交流電源の代わりに複数相の発電機を備える構成であってもよい。 Although the power supply system according to the first embodiment of the present invention is configured to include the AC power supplies EU, EV, and EW, the present invention is not limited to this, and a plurality of AC power supplies instead of a plurality of phases are used. The structure provided with the generator of a phase may be sufficient.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第2の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る電源システムと比べて零相電圧の検出方法を変更した電源システムに関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る電源システムと同様である。
<Second Embodiment>
The present embodiment relates to a power supply system in which the zero-phase voltage detection method is changed as compared with the power supply system according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the power supply system according to the first embodiment.
図18は、本発明の第2の実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。
図18を参照して、電源システム202は、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムと比べて、電力変換装置101の代わりに電力変換装置102を備える。電力変換装置102は、入力フィルタFLX1と、出力フィルタFLY1と、マトリックスコンバータMXと、制御部11とを含む。制御部11は、減算器6と、零相電圧補正量演算部7と、PWM制御演算部8と、零相電圧検出部9と、零相電流検出部20とを含む。
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a power supply system according to the second embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 18,
零相電流検出部20は、零相電流すなわち中性点NP2から中性点NP1へ流れる電流を検出し、検出電流値を零相電圧検出部9へ出力する。
The zero phase
零相電圧検出部9は、零相電流検出部20から受けた検出電流値に基づいて、オームの法則を用いて零相電圧を算出し、算出した零相電圧値vg_detを減算器6へ出力する。
The zero-
その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る電源システムと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the power supply system according to the first embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
5 中性線、6 減算器、7 零相電圧補正量演算部、8 PWM制御演算部、9 零相電圧検出部、10,11 制御部、20 零相電流検出部、101,102 電力変換装置、201,202 電源システム、EU,EV,EW 交流電源、LU 負荷部、FLX1 入力フィルタ、FLY1 出力フィルタ、MX マトリックスコンバータ、CIU2,CIV2,CIW2,COA2,COB2,COC2 コンデンサ、LIU1,LIV1,LIW1,LOA1,LOB1,LOC1 単相リアクトル、SA1,SA2,SA3,SB1,SB2,SB3,SC1,SC2,SC3 双方向スイッチ、LA,LB,LC 負荷、Rg 抵抗。 5 neutral line, 6 subtractor, 7 zero phase voltage correction amount calculation unit, 8 PWM control calculation unit, 9 zero phase voltage detection unit, 10, 11 control unit, 20 zero phase current detection unit, 101, 102 power converter , 201, 202 power supply system, EU, EV, EW AC power supply, LU load section, FLX1 input filter, FLY1 output filter, MX matrix converter, CIU2, CIV2, CIW2, COA2, COB2, COC2 capacitors, LIU1, LIV1, LIW1, LOA1, LOB1, LOC1 single phase reactor, SA1, SA2, SA3, SB1, SB2, SB3, SC1, SC2, SC3 bidirectional switches, LA, LB, LC load, Rg resistance.
Claims (6)
前記複数相の電源から供給される交流電力を変換して前記複数相の負荷にそれぞれ供給するマトリックスコンバータと、
前記複数相の負荷の中性点における零相電圧を検出し、前記検出した零相電圧に基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する制御部とを備える電力変換装置。 The AC power of each phase supplied from each of the plurality of phase power supplies is converted and supplied to each of the plurality of phase loads. A power converter in a power supply system coupled to a common stable potential,
A matrix converter that converts AC power supplied from the plurality of phases of power and supplies the converted power to each of the plurality of loads;
A power converter comprising: a control unit that detects a zero-phase voltage at a neutral point of the plurality of loads and controls power conversion of the matrix converter based on the detected zero-phase voltage.
前記マトリックスコンバータの入力電圧位相に対する入力電流位相の指令値と、前記マトリックスコンバータの出力電圧の振幅および周波数の指令値と、前記検出された零相電圧とに基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する請求項1に記載の電力変換装置。 The controller is
Control power conversion of the matrix converter based on the command value of the input current phase with respect to the input voltage phase of the matrix converter, the command value of the amplitude and frequency of the output voltage of the matrix converter, and the detected zero-phase voltage The power conversion device according to claim 1.
前記マトリックスコンバータは、前記生成されたPWM制御信号に基づいて前記交流電力の変換を行なう請求項1から4のいずれかに記載の電力変換装置。 The control unit generates a PWM control signal based on the detected zero-phase voltage,
The power converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the matrix converter performs conversion of the AC power based on the generated PWM control signal.
前記安定電位に結合された中性点を有し、複数相の交流電力を供給する複数相の電源と、
前記複数相の電源から供給される交流電力を変換して前記複数相の負荷にそれぞれ供給するマトリックスコンバータと、
前記複数相の負荷の中性点における零相電圧を検出し、前記検出した零相電圧に基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する制御部とを備える電源システム。 A power supply system for supplying power to a multi-phase load having a neutral point coupled to a stable potential,
A multi-phase power source having a neutral point coupled to the stable potential and supplying a plurality of phases of AC power;
A matrix converter that converts AC power supplied from the plurality of phases of power and supplies the converted power to each of the plurality of loads;
And a control unit that detects a zero-phase voltage at a neutral point of the plurality of loads and controls power conversion of the matrix converter based on the detected zero-phase voltage.
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