JP2017046384A

JP2017046384A - 電力変換装置

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Publication number: JP2017046384A
Application number: JP2015164954A
Authority: JP
Inventors: 中村　将之; Masayuki Nakamura; 将之中村
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-24
Also published as: JP6457354B2

Abstract

【課題】単相高周波電流を三相電圧に安全に変換可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】単相高周波電流源200と三相負荷220との間に接続される６個の双方向半導体スイッチング素子を有する単相三相マトリクスコンバータ100と、単相三相マトリクスコンバータ100に入力される単相高周波電流を検出する電流検出器110と、三相負荷220に印加される三相電圧を検出する電圧検出器120と、電流検出器110で検出される検出電流及び電圧検出器120で検出される三相検出電圧に基づいて６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を制御する制御部130と、を備え、制御部130は、６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を、単相高周波電流源200側から見て開放状態とならず、かつ、三相負荷220側から見て短絡状態とならないように、単相高周波電流の零点付近で切り替えて単相三相マトリクスコンバータ100の電流経路を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相高周波電流を三相電圧に変換する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置として、例えば絶縁回路を構成するトランスの高効率化等を狙い、共振回路を利用して単相高周波電流を発生させ、これを電流源として電力変換を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、例えばマトリクスコンバータを用いて三相の交流−交流直接変換を行うものも知られている。

ここで、例えば特許文献１に開示のような電流源からの単相高周波電流を、単相三相マトリクスコンバータを用いて三相電圧に変換することが想定される。この場合、単相三相マトリクスコンバータは、図３に示すように、単相高周波電流源３０１からの単相高周波電流を入力する単相入力端子ｈ、ｌと、三相出力端子ｕ、ｖ、ｗとの間を接続する６個の双方向半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６とを有して構成される。

双方向半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の各々は、２個の逆導通半導体スイッチ素子を互いに異なる向きに直列接続する、あるいは２個の逆阻止半導体スイッチ素子を互いに異なる向きに並列接続することで構成される。図３は、２個の逆導通半導体スイッチ素子を互いに異なる向きに直列接続した場合を例示している。双方向半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の各々は、制御部からの指令により、双方の半導体スイッチがともにオフとなる開放状態と、一方の半導体スイッチがオンで他方の半導体スイッチがオフとなる２つのダイオード動作状態と、双方の半導体スイッチがオンとなる短絡状態との４状態を切り替えることができる。

図３に示した単相三相マトリクスコンバータは、三相出力端子ｕ、ｖ、ｗに三相コンデンサ及び三相負荷を接続することにより、単相高周波電流源３０１からの単相高周波電流を三相電圧に変換して三相負荷にVu、Vv、Vwの各相電圧を給電可能な電力変換器を構成することが可能となる。

特開２０１３−２２６００２号公報

ところで、図３に示した単相三相マトリクスコンバータは、双方向半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の取り得る状態の組み合わせが、１つの双方向半導体スイッチで４つの状態を取り得ることから、４の６乗通りすなわち４０９６通りある。そのため、この４０９６通りの中から、特定の経路から別の経路へ電流通路を安全に切り替える最適な切り替え手順を決定する必要がある。

本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、単相高周波電流を三相電圧に安全に変換可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る電力変換装置は、
単相高周波電流源と三相負荷との間に接続される６個の双方向半導体スイッチング素子を有する単相三相マトリクスコンバータと、
前記単相高周波電流源から前記単相三相マトリクスコンバータに入力される単相高周波電流を検出する電流検出器と、
前記単相三相マトリックスコンバータから前記三相負荷に印加される三相電圧を検出する電圧検出器と、
前記電流検出器で検出される検出電流及び前記電圧検出器で検出される三相検出電圧に基づいて前記６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を、前記単相高周波電流源側から見て開放状態とならず、かつ、前記三相負荷側から見て短絡状態とならないように、前記単相高周波電流の零点付近で切り替えて前記単相三相マトリクスコンバータの電流経路を制御する、
ものである。

本発明によれば、単相高周波電流を三相電圧に安全に変換することが可能となる。

一実施の形態に係る電力変換装置の要部構成を示すブロック図である。図１の一動作例を示す説明図である。単相三相マトリクスコンバータの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は一実施の形態に係る電力変換装置の要部構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る電力変換装置は、単相三相マトリクスコンバータ１００と、電流検出器１１０と、電圧検出器１２０と、制御部１３０と、を備える。

単相三相マトリクスコンバータ１００は、図３と同様に６個の双方向半導体スイッチング素子を有して構成される。単相三相マトリクスコンバータ１００は、その単相入力端子に例えば２０ｋＨｚの単相高周波電流を出力する単相高周波電流源２００が接続され、三相出力端子に三相コンデンサ２１０と例えば商用周波数の三相電圧で駆動される三相負荷２２０が接続される。

電流検出器１１０は、単相三相マトリクスコンバータ１００の入力側に接続されて、単相高周波電流源２００から単相三相マトリクスコンバータ１００に入力される単相高周波電流を検出する。電流検出器１１０で検出された検出電流は、制御部１３０に供給される。

電圧検出器１２０は、三相マトリックスコンバータ１００の出力側に接続されて、三相マトリックスコンバータ１００から三相負荷２２０に印加される三相電圧を検出する。本実施の形態においては、電圧検出器１２０は、三相コンデンサ２１０と三相負荷２２０との間の三相の各線間電圧を検出する。電圧検出器１２０で検出された三相検出電圧は、制御部１３０に供給される。

制御部１３０は、電流検出器１１０で検出された検出電流及び電圧検出器１２０で検出された三相検出電圧に基づいて、単相三相マトリクスコンバータ１００を構成する６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を制御する。具体的には、制御部１３０は、６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を、単相高周波電流源２００側から見て開放状態とならず、かつ、三相負荷２２０側から見て短絡状態とならないように、単相高周波電流の零点付近で切り替えて単相三相マトリクスコンバータ１００の電流経路を制御する。

本実施の形態において、制御部１３０は、ベクトル演算部１３１と論理演算部１３２とを備える。ベクトル演算部１３１は、電流検出器１１０で検出された検出電流と、電圧検出器１２０で検出された三相検出電圧とに基づいて、単相三相マトリクスコンバータ１００の６個の双方向半導体スイッチの切り替え前の状態及び切り替え後の状態をそれぞれ示す電流指令値ベクトルを算出する。

論理演算部１３２は、ベクトル演算部１３１で算出された電流指令値ベクトルと電圧検出器１２０で検出された三相検出電圧とに基づいて、単相三相マトリクスコンバータ１００の６個の双方向半導体スイッチの切り替え前の状態から切り替え後の状態に至る中間状態を示す電流指令値ベクトルを算出する。

本実施の形態では、各々２個の半導体スイッチを有する６個の双方向半導体スイッチの状態を示す電流指令値ベクトルSkを下式（１）で示すように定義し、各半導体スイッチの導通状態を１、遮断状態を０とする。

Sk=(Skuph, Skvph, Skwph, Skunh, Skvnh, Skwnh,
Skupl, Skvpl, Skwpl, Skunl, Skvnl, Skwnl) (k=0,1,…,4) ・・・（１）

上式（１）の添え字ｕ，ｖ，ｗは、図３において、三相出力端子ｕ，ｖ，ｗに接続される半導体スイッチであることを表す。添え字pは、入力側から出力側へ向かう方向の電流を制御する半導体スイッチであることを表す。添え字nは、出力側から入力側へ向かう方向の電流を制御する半導体スイッチであることを表す。添え字ｈは、入力端子ｈ（上側アーム）に接続される半導体スイッチであることを表す。添え字ｌは、入力端子ｌ（下側アーム）に接続される半導体スイッチであることを表す。

ベクトル演算部１３１は、電流検出器１１０で検出された検出電流と、電圧検出器１２０で検出された三相検出電圧とに基づいて、式（１）に従って切り替え前の半導体スイッチの状態S0及び切り替え後の半導体スイッチの状態S4を演算する。状態S0及び状態S4の情報は、論理演算部１３２に供給される。

論理演算部１３２は、下式（２）及び（３）に従って、ベクトル演算部１３１からの状態S0及び状態S4のビット配列を変更した電流指令値ベクトルS0R、S0L、S4R、S4Lを演算する。また、論理演算部１３２は、下式（４）に従って、電圧検出器１２０で検出された三相検出電圧の各線間電圧が正の場合を１、負の場合を０として、下式（５）及び（６）に示す電圧符号ベクトルVsR及びVsLを定義する。そして、論理演算部１３２は、演算した電流指令値ベクトルS0R、S0L、S4R、S4L及び定義した電圧符号ベクトルVsR、VsLに基づいて、下式（７）、（８）及び（９）に示すビット演算により切り替え前の半導体スイッチの状態S0から切り替え後の半導体スイッチの状態S4に至る順次の中間状態を示す電流指令値ベクトルＳ１、Ｓ２及びＳ３を算出する。

SkR=(Skwnh,Skuph, Skvph, Skwph, Skunh, Skvnh,
Skwnl, Skupl, Skvpl, Skwpl, Skunl, Skvnl) (k=0,4) ・・・（２）
SkL=(Skvph, Skwph, Skunh, Skvnh, Skwnh, Skuph,
Skvpl, Skwpl, Skunl, Skvnl, Skwnl, Skupl) (k=0,4) ・・・（３）

Vsuv={ 1 (Vu<Vv), 0 (Vu>Vv)}
Vsvw={ 1 (Vv<Vw), 0 (Vv>Vw)}
Vswu={ 1 (Vw<Vu), 0 (Vw>Vu)}
・・・（４）
ただし、Vsuv,Vsvw,Vswuは三相出力u,v,wの各線間電圧、Vu,Vv,Vwは各相電圧を示す。
VsR＝(Vsuv, Vsvw, Vswu, not Vsuv, not Vsvw, not Vswu,Vsuv, Vsvw, Vswu,
not Vsuv, not Vsvw, not Vswu) ・・・（５）
VsL=(Vswu, Vsuv, Vsvw, not Vswu, not Vsuv, not Vsvw, Vswu, Vsuv, Vsvw,
not Vswu, not Vsuv, not Vsvw) ・・・（６）
ただし、notは論理否定を示す。

S1 = S0 or (S4 and S0R and VsR) or (S4 and S0L and VsL) ・・・（７）
S2 = (S4 and S0) or (S4 and S0R and VsR) or (S4 and S0L and VsL) or (S0 and S4R
and VsR) or (S0 and S4L and VsL) ・・・（８）
S3 = S4 or (S0 and S4R and VsR) or (S0 and S4L and VsL) ・・・（９）
ただし orは論理和、andは論理積を示す。

論理演算部１３２は、上記の各ビット演算を実行する専用の組み合わせ論理回路を有して構成してもよい。

そして、制御部１３０は、単相三相マトリクスコンバータ１００の６個の双方向半導体スイッチの接続状態を切り替え前の状態S0から中間状態S1、S2、S3を経て切り替え後の状態S4に順次切り替える。これにより、単相高周波電流源２００からの単相高周波交流入力電流を三相電圧に変換して三相負荷２２０に給電することができる。

ここで、単相三相マトリクスコンバータ１００のある瞬間の状態S0が、図３において端子ｈ−ｕ間及びｌ−ｗ間が導通状態にあり、これを次の状態S4としてｈ−ｖ間及びｌ−ｗ間の導通状態に切り替える場合について具体的に説明する。なお、この時の相電圧は、Vu>Vv>Vwとなっているものとする。

先ず、上記の状態を式（１）〜（６）に従って下記のようにビット配列にする。

S0= (100100 001001)
S4= (010010 001001)
VsR= (001110 001110)
VsL= (100011 100011)
S0R= (010010 100100)
S0L= (001001 010010)
S4R= (001001 100100)
S4L= (100100 010010)

次に、中間状態S1、S2、S3を演算するうえで必要な中間式を下記のように演算する。

(S4 and S0R and VsR)= (010010 001001) and
(010010 100100) and
(001110 001110)
= (000010 000000)
(S4 and S0L and VsL)= (010010 001001) and
(001001 010010) and
(100011 100011)
= (000000 000000)
(S4 and S0)= (010010 001001) and
(100100 001001)
= (000000 001001)
(S0 and S4R and VsR)= (100100 001001) and
(001001 100100) and
(001110 001110)
= (000000 000000)
(S0 and S4L and VsL)= (100100 001001) and
(100100 010010) and
(100011 100011)
= (100000 000000)

その後、順次の中間状態S1、S2、S3を次のように求める。

S1 = S0 or (S4 and S0R and VsR) or (S4 and S0L and VsL)
= (100100 001001) or
(000010 000000) or
(000000 000000)
= (100110 001001)
S2 = (S4 and S0) or (S4 and S0R and VsR) or (S4 and S0L and VsL)
or (S0 and S4R and VsR) or (S0 and S4L and VsL)
= (000000 001001) or
(000010 000000) or
(000000 000000) or
(000000 000000) or
(100000 000000)
= (100010 001001)
S3 = S4 or (S0 and S4R and VsR) or (S0 and S4L and VsL)
(010010 001001) or
(000000 000000) or
(100000 000000)
= (110010 001001)

上記の状態S0、S1、S2、S3、S4を切り替え順に並べると以下のようになる。
S0= (100100 001001)
S1= (100110 001001)
S2= (100010 001001)
S3= (110010 001001)
S4= (010010 001001)

図２は、この場合の半導体スイッチの状態を概念的に示すものである。図２において、三相出力端子ｖからｕに向かう白抜き矢印は、ｕ相電圧がｖ相電圧よりも高いことを示している。

以上のように、本実施の形態に係る電力変換装置によると、単相三相マトリクスコンバータ１００の６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を、単相高周波電流源２００側から見て開放状態とならず、かつ、三相負荷２２０側から見て短絡状態とならないように、単相高周波電流の零点付近で制御して、単相三相マトリクスコンバータ１００の電流経路を切り替えることができる。したがって、単相高周波電流を三相電圧に安全に変換することが可能となる。

本発明は、単相三相マトリクスコンバータを有し、単相高周波電流を商用周波数の三相電圧に変換する電力変換装置に適用できる。

１００単相三相マトリクスコンバータ
１１０電流検出器
１２０電圧検出器
１３０制御部
１３１ベクトル演算部
１３２論理演算部
２００単相高周波電流源
２１０三相コンデンサ
２２０三相負荷
ＳＷ１〜ＳＷ６双方向半導体スイッチ

Claims

単相高周波電流源と三相負荷との間に接続される６個の双方向半導体スイッチング素子を有する単相三相マトリクスコンバータと、
前記単相高周波電流源から前記単相三相マトリクスコンバータに入力される単相高周波電流を検出する電流検出器と、
前記単相三相マトリックスコンバータから前記三相負荷に印加される三相電圧を検出する電圧検出器と、
前記電流検出器で検出される検出電流及び前記電圧検出器で検出される三相検出電圧に基づいて前記６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記６個の双方向半導体スイッチング素子の接続状態を、前記単相高周波電流源側から見て開放状態とならず、かつ、前記三相負荷側から見て短絡状態とならないように、前記単相高周波電流の零点付近で切り替えて前記単相三相マトリクスコンバータの電流経路を制御する、
電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記検出電流及び前記三相検出電圧に基づいて、前記６個の双方向半導体スイッチの切り替え前の状態及び切り替え後の状態をそれぞれ示す電流指令値ベクトルを算出するベクトル演算部と、
前記ベクトル演算部で算出された前記電流指令値ベクトルと前記三相検出電圧とに基づいて、前記６個の双方向半導体スイッチの前記切り替え前の状態から前記切り替え後の状態に至る中間状態を示す電流指令値ベクトルを算出する論理演算部と、を備え、
前記６個の双方向半導体スイッチの接続状態を前記切り替え前の状態から前記中間状態を経て前記切り替え後の状態に順次切り替える、
ことを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記論理演算部は、前記６個の双方向半導体スイッチの前記切り替え前の状態を示す電流指令値ベクトルをS0、前記切り替え後の状態を示す電流指令値ベクトルをS4とするとき、下式（１）及び（２）で定義される前記三相検出電圧の向きを示す電圧符号ベクトルVsR及びVsLを演算し、これらVsR及びVsLと前記S0及び前記S4とに基づいて下式（３）、（４）及び（５）により前記S0から前記S4に至る順次の前記中間状態を示す電流指令値ベクトルS1、S2及びS3を演算する、
ことを特徴とする電力変換装置。
VsR＝(Vsuv, Vsvw, Vswu, not Vsuv, not Vsvw, not Vswu,Vsuv, Vsvw, Vswu,
not Vsuv, not Vsvw, not Vswu) ・・・（１）
VsL=(Vswu, Vsuv, Vsvw, not Vswu, not Vsuv, not Vsvw, Vswu, Vsuv, Vsvw,
not Vswu, not Vsuv, not Vsvw) ・・・（２）
ただし、
Vsuv={ 1 (Vu<Vv), 0 (Vu>Vv)}
Vsvw={ 1 (Vv<Vw), 0 (Vv>Vw)}
Vswu={ 1 (Vw<Vu), 0 (Vw>Vu)}
Vsuv,Vsvw,Vswuは三相出力u,v,wの各線間電圧、Vu,Vv,Vwは各相電圧、notは論理否定を示す。
S1 = S0 or (S4 and S0R and VsR) or (S4 and S0L and VsL) ・・・（３）
ただし orは論理和、andは論理積を示す。
S2 = (S4 and S0) or (S4 and S0R and VsR) or (S4 and S0L and VsL) or (S0 and S4R
and VsR) or (S0 and S4L and VsL) ・・・（４）
S3 = S4 or (S0 and S4R and VsR) or (S0 and S4L and VsL) ・・・（５）
ただし、
Sk=(Skuph, Skvph, Skwph, Skunh, Skvnh, Skwnh,
Skupl, Skvpl, Skwpl, Skunl, Skvnl, Skwnl) (k=0,1,…,4)
SkR=(Skwnh,Skuph, Skvph, Skwph, Skunh, Skvnh,
Skwnl, Skupl, Skvpl, Skwpl, Skunl, Skvnl) (k=0,4)
SkL=(Skvph, Skwph, Skunh, Skvnh, Skwnh, Skuph,
Skvpl, Skwpl, Skunl, Skvnl, Skwnl, Skupl) (k=0,4)
である。添え字ｕ，ｖ，ｗは三相出力端子ｕ，ｖ，ｗに接続される半導体スイッチ、添え字pは入力側から出力側へ向かう方向の電流を制御する半導体スイッチ、添え字nは出力側から入力側へ向かう方向の電流を制御する半導体スイッチ、添え字ｈは入力端子の一方（上側アーム）に接続される半導体スイッチ、添え字ｌは入力端子の他方（下側アーム）に接続される半導体スイッチであることをそれぞれ表し、導通の場合「１」、遮断の場合「０」である。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記論理演算部は、専用の組み合わせ論理回路を有する、
ことを特徴とする電力変換装置。