JP3893265B2 - マトリックスコンバータおよびその作動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧を送出する電力源におけるｍ個の相を負荷におけるｎ個の相と、ｍ×ｎのマトリックスとして配置された制御可能な複数の双方向スイッチを介して交互に接続する形式の、マトリックスコンバータならびにその作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電にあたり所定の電力におけるタービン回転数の増加によりサイズならびにコストが小さくなる。また、効率を改善することもできる。７０ＭＷまでの発電用のタービンは、いっそう高い回転数を実現する目的ですでに変速機を介して発電機と接続される。電力がもっと大きくなるにつれ、安全上の理由から変速機の使用はいっそう難しくなる。この場合、タービンは同期速度で駆動される。
【０００３】
変速機を利用すると以下の欠点が生じる：
・一定の変速比
・４０ＭＷに対し１００ｄｂもしくは７０ＭＷに対し１１５ｄｂを超えるノイズレベル
・個々の負荷には依存しない機械的な損失
・冷却ならびに油差しに対する高い要求
択一的にスタティックな周波数変換器（電力エレクトロニクス）を使用することも考えられ、その場合、以下のような利点が予期される：
・容積と回転数との一定の積と一致させて発電機にかかるコストの低減
・５０Ｈｚについても６０Ｈｚについても標準化された発電機
・タービンの部分負荷効率の回復を実現可能にする調整可能な速度
・少なくとも部分負荷のときに変速機に関して損失が減少
・格段のノイズ低減
・クリーンな（オイルのない）冷却
・可能な電力の上限なし、このため小型化によりタービンにかかるコストを格段に低減できるのに対し、変速機によっても同じことは実現できない
・発電機をスタータモータとして使用（ガスタービン利用時）
発電時にも駆動時にもスタティックな周波数変換器の低減の結果、著しくコストが抑えられる。損失の低減によってとりわけ投資コストに影響が及ぼされる。それというのも、冷却は変換器のコスト全体の大部分を成しているからである。
【０００４】
さらにまた、冷却に対する要求が低減されることでエレクトロニクス部品がコンパクトに形成されるようになり、つまりは発電所施設への電力エレクトロニクス部品の統合あるいはそれどころか発電機ユニットへの統合を容易に行えるようになる。電力エレクトロニクスを発電機ユニットに近づけて統合させたならば、接続線が短くなり冷却装置を共通に利用できしかも容積全体が小さくなる（建物における節減）、といった付加的な利点が得られることになる。
【０００５】
数１０ＭＷまでの大きな駆動領域においても損失の低減からこれらの利点が得られ、そのようにしてタービンからじかに機械的に駆動することに対し競合的な利点が得られる。
【０００６】
スタティックな周波数変換器には、間接的にＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換を行うものも直接的にＡＣ／ＡＣ変換を行うものもある。この場合、直流電流または直流電圧は、インバータによって再び交流に変換される。
【０００７】
電流のリプルもしくは電圧ピークを抑えるため、インダクタンス（電流変換器）またはコンデンサバンク（電圧変換器）が中間回路に挿入接続される。
【０００８】
今日の変換器はサイリスタを使用する。サイリスタの自然転流が可能であるならば、変換器における損失が低減される。しかしながら誘導モータはたとえば無効電力を有している。電源からのこの無効電流を利用できるように目的で、変換器の所定の分岐内の電流を任意の時点で遮断できるようにすべきである。この場合には自励転流ひいては損失が高まる。電気機器（発電機または電動機）の場合、相電流はチョッピングされた直流である。電機子反作用は一定の速度と振幅で回転するのではなく、転流サイクルに従い跳躍的に変化する。６パルスまたは１２パルスの変換器は、電機子反作用に対し６または１２の異なる角度位置を生じさせる。その結果、電気機器において強く脈動する回転トルクならびに大きい付加的な損失が発生し、このことは機器の劣化を引き起こす可能性がある。１２パルスの変換器の場合、その作用は６パルスの変換器の４分の１である。
【０００９】
電圧変換器は固有の高いスイッチング損失を伴うＧＴＯならびにＩＧＢＴあるいはＩＧＣＴを使用する。個々の構成素子の出力はサイリスタよりも僅かであるため、所定の電圧もしくは所定の電流のためにいっそう多くのコンポーネントが必要とされる。電圧変換器はパルス幅変調技術を使用することで有利になり、これによって電流カーブの形状が改善され高調波が抑えられる。その際にスイッチング周波数が高くなればなるほど、損失や誘電的疲労以外については改善される。電流のカーブ形状を十分に正弦波形状にすることができ、その結果、電気機器の電力低下が回避されるようになる。
【００１０】
たとえばいわゆるサイクロコンバータによって、ダイレクトな変換（ＡＣ／ＡＣ）を行うことができる。これは電気機器側で格別な利点を有しており、それというのも電流は程度の差こそあれ正弦波であり、チョップされた直流ではないからである。これによって電気機器内部で付加的に生じる損失のレベルが低減され、トルクの脈動が回避される。
【００１１】
とはいえサイクロコンバータを使用した場合、達成可能な周波数範囲は入力周波数の０〜１／３に制限される。１／３の限界を超えると、不均衡な動作ゆえにファクタ３に及ぶオーバサイズとなる。
【００１２】
いわゆるマトリクスコンバータによってもダイレクトな変換を行うことができる。マトリクスコンバータの場合、多相の電力源（発電機または電源）の各相がそれぞれ双方向のスイッチによって多相の負荷（電源、受動負荷、電動機等）の各相と結合されもしくは結合可能である（たとえば N. Mohan 等による Power Electronics 第２版 John Wiley & Sons, New York, p. 11-12 参照）。それらのスイッチは十分な個数のサイリスタから成り、その目的は各相間の差電圧ならびに相電流を保持すること、転流を可能にすることである。それらは実際に双方向のコンポーネントとみなすことができ、その際、スナバなどのような付加的な結線あるいは逆並列コンポーネント用の制御パルスのための電流供給をいっしょに利用することができる。
【００１３】
電力源の相がｍ個であり負荷の相がｎ個であるとき、スイッチはｍ×ｎのマトリックスとして配置されている。これによって入力相と出力相との間で任意に接続することができるようになるが、それと同時にマトリックスの特定のスイッチング状態を許可してはならないという欠点も生じ、その理由はさもないとたとえば短絡などが発生してしまうからである。また、できるかぎり僅かなスイッチング損失しか生じさせずにある相から他の相へ転流させることが望まれる。
【００１４】
US-A-5, 594, 636 にはマトリックスコンバータならびにその作動方法について記載されており、この場合、各相間の転流は部分的に自然転流として実行されるが、自然転流が不可能なときには強制転流としても実行される。このような形式の制御の場合、自然転流ゆえにスイッチング損失が低減されるにもかかわらず、強制転流時に発生するスイッチング損失はそのままである。しかも強制転流が起こるかもしれないのでマトリクスのすべての場所にコンポーネントを組み込まなければならず、それによって回路が著しく煩雑になってしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、公知のマトリックスコンバータの解決手法による欠点を回避し殊に各相間で完全に自然な転流が可能となるようにしたマトリックスコンバータの作動方法ならびにマトリックスコンバータを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、電力源における第１の相から該電力源の第２の相への切り替えを条件
Ｉｋ・（Ｖｋ −Ｖｌ）・Ｋｉｊｋｌ ＜０
が満たされているときのみ実行し、ここでＩｋ およびＶｋ は第１の相の電流と電圧であり、Ｖｌ は第２の相の電圧、Ｋｉｊｋｌ は電力源における各相間の相互インダクタンスと負荷のインダクタンスとに固有の定数であることにより解決される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の核となる着想は、ある相から別の相への転流をそれが自然転流として実行可能であるときだけしか許可しないこと、そのための条件を指定することであり、その条件とは簡単なやり方で容易に測定可能なマトリックスコンバータの大きさで表すことができ、つまりは容易にチェックできるものである。
【００１８】
本発明による方法の１つの有利な実施形態によれば、スイッチのスイッチング状態、電力源における相の接続状態、ならびに条件
Ｉｋ・（Ｖｋ −Ｖｌ）・Ｋｉｊｋｌ ＜０
を調べるために、電力源における相の電流および各相間の差電圧の極性符号を継続的に監視または測定して、切り替えを行うべき時点をそのつど設定し、１つまたは複数の選択された相について設定された時点で前記条件が満たされているときのみ、選択された相の切り替えを該時点で行い、さもなければ条件が満たされているそれ以降の時点で切り替えを行う。
【００１９】
従属請求項には別の有利な実施形態が示されている。
【００２０】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について説明する。
【００２１】
【実施例】
図２には、本発明の１つの有利な実施例による６つの入力相および３つの出力相をもつマトリックスコンバータの基本回路図が示されている。マトリックスコンバータ１０は電力源としての発電機１１の６つの相Ｇ１〜Ｇ６を、負荷１２の３つの相Ｌ１〜Ｌ３と時間的な順序で接続する。このために必要とされる出力部１３は１８個の双方向スイッチ１４を逆並列接続されたサイリスタとして有している（一般的な事例ではｍ個の入力／電力相とｎ個の出力／負荷相に対しｍ×ｎ個のスイッチが設けられる）。この場合、スイッチ１４は６×３マトリックスとして配置されている。スイッチ１４の制御のために制御装置１７が設けられており、この制御装置はクロック１８から時間信号（クロック周波数）を受け取る。スイッチ１４のスイッチング状態（ＯＮ，ＯＦＦ）が監視され、それぞれ第１の信号線２０を介して制御装置１７へ通報される。スイッチ１４は制御装置１７によりそれぞれ制御線１９を介して制御される。
【００２２】
発電機１１の個々の相Ｇ１〜Ｇ６にはそれぞれ１つの電流測定装置１５が配置されており、これは相電流の極性符号を第２の信号線２１を介して制御装置１７へ通報する。さらに発電機１１の相Ｇ１〜Ｇ６の間に電圧測定装置１６が配置されており、これは個々の相差電圧の極性符号を第３の信号線２２を介して制御装置１７へ通報する。
【００２３】
発電機１１により固定子において周波数ｆｓ の回転磁界が生成され、ここで周波数ｆｓ はロータの回転数ｆｒ、極のペアの個数ｐ、相間の転流周波数ｆｃ、ならびに相の個数に依存する。固定子がｚ個の相を許容する場合、接続回路はｚ個の相を回転により転流させる必要があり、つまり
（１） fｃ = z (fｒ/ｐ - fｓ)
となる。その結果、２つの転流の間の時間ｔｃ はｔｃ ＝１／ｆｃ となる。
【００２４】
マトリックスコンバータ１０内部の転流のためにあとで説明するように転流基準が導出され、これは基本的に遮断すべき相と接続すべき相との間の相差電圧と遮断すべき相における相電流との積に基づくものである。この積が負であるならば、それら両方の相間での転流が許可される。そうでなければ転流は禁止される。時間的な設定値後に転流が生じかつ転流基準が満たされているとき、制御装置１７により転流がトリガされる。
【００２５】
転流のために発電機１１の「空きの」相が必要とされ、かつ短絡を避けるためにそのつど特定のスイッチ１４を操作してはならない場合、制御装置１７はそのつどそのつどの時点で相Ｇ１〜Ｇ６のいずれが空いているのかという情報、つまり相Ｇ１〜Ｇ６のいずれにおいてすべての対応するスイッチ１４が開いており電流を搬送していないかという情報を必要とする。さらに制御装置１７は、転流すべき相が出力相Ｌ１〜Ｌ３のいずれに接続されているのかという情報も必要とし、その目的はその転流に精確に適したスイッチをオンにすることである。
【００２６】
（負荷１２が３つの相Ｌ１〜Ｌ３をもつとき）５つの相をもつ発電機１１のために最大で同時に２つの転流が可能であり、それどころか６つの相（図２参照）であれば同時に３つの転流が可能である。２つよりも多くの転流が不可能であるならば、対応するスイッチ１４が同時に操作される。同時に３つの転流は基本的に許可されない。しかしながら最初の２つの転流のうちの１つが終了しかつ上述の転流基準が満たされているならば、３つめの転流を実行することができる。
【００２７】
このような様々な境界条件によって、スイッチ１４ないしはサイリスタを用いた難しさを伴うことなくマトリックスコンバータ１０により周波数変更を実現することができる。制御装置１７は閉じる必要のあるサイリスタを決定するが、このことは以下の情報を評価することによって行われる：
・ロータ速度ならびに出力側で望まれる周波数により、相間の転流を行う必要のある時点が確定される。
【００２８】
・発電機１１の相Ｇ１〜Ｇ６における電流の極性符号または消滅および相差電圧から、どの相が「空き」でどの相が「占有されている」のか、転流基準が満たされているのか、同時に３つの転流が生じないようにするためにいくつの相が占有されているのか、ということがわかるようにする。
【００２９】
・オンにされたサイリスタによって、発電機１１のいずれの相が負荷１２のいずれの相と接続されているのか、ということがわかるようにする。
【００３０】
上述の転流基準は以下のような物理的考察を前提としている。すなわち発電機１１における２つの相間の自然転流は、転流時点ｔ０ で転流元となる相Ｇｘ における電流ｉＧｙ の絶対値が降下する一方、転流先となる相Ｇｙ における電流ｉＧｙ の絶対値が上昇したときのみ、すなわち
【００３１】
【数１】
【００３２】
であるときのみ、首尾よく実行することができる、という物理的考察を前提としている。この必要条件が意味するところは、転流先となる相が転流元となる相と同じ方向よりも大きい起電力をもつことである。とはいえ起電力は無負荷状態でしか測定できないので、簡単に扱えるかもしくは測定可能な量をもつ基準を呈示すべきである。
【００３３】
以下ではこのことを図１に描かれている簡略化された事例について行うことにする。この場合、発電機は４つの相Ｇ１〜Ｇ４を有しており、負荷は３つの相Ｌ１〜Ｌ３を有している。４つの相Ｇ１〜Ｇ４は入力側でスター接続されている。転流前（相Ｇ４のスイッチが開いているとき）、相Ｇ１〜Ｇ３は相Ｌ１〜Ｌ３と接続されており、相Ｇ４は「空いている」。転流により（スイッチＳの閉鎖により）相Ｇ３から相Ｇ４へ転流されることになる。負荷が抵抗ＲＬ 、インダクタンスＬＬ およびキャパシタンスＣを有しており、４相発電機の自己インダクタンスと相互インダクタンスをマトリックス
【００３４】
【数２】
【００３５】
により記述することができ、相電圧がＶ１〜Ｖ４ であり、さらに
【００３６】
【数３】
【００３７】
が成り立つとき、次式を立てることができる。ただしここでは指標１〜４ではなく一般的な指標ｉ，ｊ，ｋ，ｌを用いる：
【００３８】
【数４】
【００３９】
マトリックス［Ａｉｊ］が正則ではないという前提のもとで方程式を以下のように解くことができる：
【００４０】
【数５】
【００４１】
つまり定数ｋｉｊｋｌ は、
【００４２】
【数６】
【００４３】
のようなかたちで存在し、ここで定数ｋｉｊｋｌ は発電機の相の相互インダクタンスおよび負荷のインダクタンスに左右される。
【００４４】
自然転流を首尾よく実行できるようにするために、転流元となる相の電流Ｉｋを転流後にゼロを通過させる必要がある。このことは条件
【００４５】
【数７】
【００４６】
として表される。
【００４７】
式（９）と合わせて最終的に転流基準は
【００４８】
【数８】
【００４９】
となる。
【００５０】
したがって発電機および負荷の自己インダクタンスと相互インダクタンスにより決まる定数Ｋｉｊｋｌ が既知であるならば、容易に測定可能な量によって、発電機の相ｋとｉの間のまえもって定められた転流を実行できるか否か、という兆候をいつでも求めることができる（指標ｉおよびｊはこの実施例では相ｋとＩとの転流過程に関与しない２つの相に適用され、４つよりも多くの相であればそれに応じていっそう多くの指標が生じることになる）。この場合、条件ないしルール（１１）は電流および電圧の極性符号だけに依存し、その実際の値には依存しない。このため非常に簡単な検出器または測定装置によって、転流条件に必要とされる情報を得ることができる。
【００５１】
相前後する転流の組み合わせにより、発電機の軸を中心として固定子電流の経路が回転する。電機子反作用は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚすなわち電源周波数ですでに一定のモジュールにより回転している。その際、固定子電流経路の回転が５０／６０Ｈｚの回転に加算されてまったく別の周波数をもつ電機子反作用の回転が引き起こされ、これは転流率の変更により設定できる。このことで同期動作も非同期動作も可能となる。
【００５２】
図２によるマトリックスコンバータ１０ではスイッチ１４の制御を生じさせる判定プロセスは、非常に簡単である。
【００５３】
まずはじめに制御装置１７のクロック１８により、望ましい周波数および場合によってはフィードバックされた情報に従い新たな転流をいつ行うべきであるのか、つまり現時点で負荷１２と接続されている３つの相をいつ他の相と置き換えるべきであるかが伝達される。
【００５４】
スイッチ１４および相Ｇ１〜Ｇ６の継続的な監視により制御装置１７は、どの相が空いておりもしくは電流を案内していないか、そしてそれに基づきどの相に確実に転流できるかについての情報を得る。１つまたは２つの転流が可能であるならば、対応するスイッチ１４がトリガされる。まえもって定められた転流時点で条件（１１）が満たされていなければ、それよりもあとで条件が満たされるとただちに転流が実行される。既述のように、３つの相が同時に転流されるのは回避される。（それ自体可能な）２つめまたは３つめの転流は、それらをいっそう確実に実行できるまで延期される。
【００５５】
マトリックスコンバータ１０に接続されている同期機は、電動機としても発電機としても駆動することができる。これを電動機動作から発電機動作に切り替えることができ、したがってスタータモータとしてはたらかせることができる。早める動作も遅くする動作も制御方法を変更せずに行うことができる。また、発電機の励磁により電圧が定まり発電機１１とコンバータとの間の周波数の制御が分けられているような独自の動作も可能である。
【００５６】
誘導機の場合には始動過程の間、電圧に留意する必要がある。電流反転時にサイリスタを遅らせてトリガすることにより平均電圧を抑えることができる。
【００５７】
駆動モータの場合、同じ方式の変換において２つの可能性がある：一方の可能性は、３相電源から６相をつくるために２つの２次巻線を備えたトランスを使用することであり、他方の可能性は、電源にダイレクトに接続されたｎ相の電動機を使用することである。
【００５８】
また、隣り合う相の間における転流だけしか許可しなければ、高調波による妨害が抑圧される。設けられている相の個数が少なければ許可される転流の確率は僅かであり、したがって達成可能な周波数範囲は制約される。しかしたとえ４相であっても、隣り合っていない相間の転流も容認するのであれば、周波数範囲全体を扱うことができる。相の個数を増やすことによっても、高調波による妨害が低減される。これにより転流の許可される機会が増え、したがって周波数範囲が拡大される。とはいえコンバータのコストは相の個数と密接に結びついているので、相の個数とフィルタリングコストとの間で適切な妥協を見出す必要がある。
【００５９】
これまで提案してきたマトリックスコンバータによれば、順方向損失を慣用のコンバータよりもファクタ２、下げることができる。転流損失の低減は個々の適用事例に左右される。３相の５０Ｈｚに変換する６相の８５Ｈｚ発電機に関して、転流損失の低減は１２パルス整流器／インバータに比べてファクタ２よりも大きくなる。
【００６０】
また、これまで提案してきたマトリックスコンバータは、内在するリアクタンスによる電力消費をもたない。たとえばダイレクトなＡＣ／ＡＣ変換も実行するサイクロコンバータは、正弦波電圧の達成に不可欠なトリガ遅延ゆえに非常に小さい力率をもっている。間接的なコンバータも、安全余裕角度ならびに直流のチョップに不可欠な磁化電力ゆえに力率の低減が生じる。
【００６１】
全体として本発明によれば以下の利点が得られる：
（１）サイクロコンバータに関して：
・コンバータの力率は０．７ではなくほぼ１であり、その結果、入力電力、コンポーネントの電力ならびに損失電力が低減する。
【００６２】
・力率の改善とは無関係に新しい変換プロセスによって内在的な損失がファクタ２小さくなり、そのためいっそう簡単かつ自由な冷却系が実現される。
【００６３】
・出力周波数は入力周波数の１／３に制約されない。
【００６４】
・制御エレクトロニクスは非常に簡単である。
【００６５】
（２）間接的なＡＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータに関して：
・入力側の力率と出力側の力率が等しく、その結果、コンポーネントの入力電力および電力範囲が最低限に抑えられる。
【００６６】
・動作は完全に可逆的である。
【００６７】
・エネルギーの一時的な蓄積はなく、そのことでコストが節約され損失が抑えられるようになる。
【００６８】
・脈動的なトルクがなく、僅かな量の高調波だけであり、直流のチョップに起因する入力側での電力損失が生じない。
【００６９】
・損失電力が僅かである。
【００７０】
したがって新しいコンバータコンセプトによって、スタティックな周波数コンバータ解決手段の魅力が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つの入力相と３つの出力相をもち本発明による転流条件の導出に用いられるコンバータにおける転流の様子を示す図である。
【図２】本発明の有利な実施例による６つの入力相と３つの出力相をもつマトリクスコンバータの基本回路図である。
【符号の説明】
１０ マトリックスコンバータ
１１ 発電機
１２ 負荷
１３ 出力部
１４ 双方向スイッチ
１５ 電流測定装置
１６ 電圧測定装置
１７ 制御装置
１８ クロック
１９ 制御線
２０〜２２ 信号線
Ｇ１〜Ｇ６ 発電機の相
Ｌ１〜Ｌ３ 負荷の相
Ｓ スイッチ
Ｖ１ 〜Ｖ４ 発電機の相電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧を送出する電力源におけるｍ個の相を負荷におけるｎ個の相と、ｍ×ｎのマトリックスとして配置された制御可能な複数の双方向スイッチを介して交互に接続する形式の、マトリックスコンバータならびにその作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電にあたり所定の電力におけるタービン回転数の増加によりサイズならびにコストが小さくなる。また、効率を改善することもできる。７０ＭＷまでの発電用のタービンは、いっそう高い回転数を実現する目的ですでに変速機を介して発電機と接続される。電力がもっと大きくなるにつれ、安全上の理由から変速機の使用はいっそう難しくなる。この場合、タービンは同期速度で駆動される。
【０００３】
変速機を利用すると以下の欠点が生じる：
・一定の変速比
・４０ＭＷに対し１００ｄｂもしくは７０ＭＷに対し１１５ｄｂを超えるノイズレベル
・個々の負荷には依存しない機械的な損失
・冷却ならびに油差しに対する高い要求
択一的にスタティックな周波数変換器（電力エレクトロニクス）を使用することも考えられ、その場合、以下のような利点が予期される：
・容積と回転数との一定の積と一致させて発電機にかかるコストの低減
・５０Ｈｚについても６０Ｈｚについても標準化された発電機
・タービンの部分負荷効率の回復を実現可能にする調整可能な速度
・少なくとも部分負荷のときに変速機に関して損失が減少
・格段のノイズ低減
・クリーンな（オイルのない）冷却
・可能な電力の上限なし、このため小型化によりタービンにかかるコストを格段に低減できるのに対し、変速機によっても同じことは実現できない
・発電機をスタータモータとして使用（ガスタービン利用時）
発電時にも駆動時にもスタティックな周波数変換器の低減の結果、著しくコストが抑えられる。損失の低減によってとりわけ投資コストに影響が及ぼされる。それというのも、冷却は変換器のコスト全体の大部分を成しているからである。
【０００４】
さらにまた、冷却に対する要求が低減されることでエレクトロニクス部品がコンパクトに形成されるようになり、つまりは発電所施設への電力エレクトロニクス部品の統合あるいはそれどころか発電機ユニットへの統合を容易に行えるようになる。電力エレクトロニクスを発電機ユニットに近づけて統合させたならば、接続線が短くなり冷却装置を共通に利用できしかも容積全体が小さくなる（建物における節減）、といった付加的な利点が得られることになる。
【０００５】
数１０ＭＷまでの大きな駆動領域においても損失の低減からこれらの利点が得られ、そのようにしてタービンからじかに機械的に駆動することに対し競合的な利点が得られる。
【０００６】
スタティックな周波数変換器には、間接的にＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換を行うものも直接的にＡＣ／ＡＣ変換を行うものもある。この場合、直流電流または直流電圧は、インバータによって再び交流に変換される。
【０００７】
電流のリプルもしくは電圧ピークを抑えるため、インダクタンス（電流変換器）またはコンデンサバンク（電圧変換器）が中間回路に挿入接続される。
【０００８】
今日の変換器はサイリスタを使用する。サイリスタの自然転流が可能であるならば、変換器における損失が低減される。しかしながら誘導モータはたとえば無効電力を有している。電源からのこの無効電流を利用できるように目的で、変換器の所定の分岐内の電流を任意の時点で遮断できるようにすべきである。この場合には自励転流ひいては損失が高まる。電気機器（発電機または電動機）の場合、相電流はチョッピングされた直流である。電機子反作用は一定の速度と振幅で回転するのではなく、転流サイクルに従い跳躍的に変化する。６パルスまたは１２パルスの変換器は、電機子反作用に対し６または１２の異なる角度位置を生じさせる。その結果、電気機器において強く脈動する回転トルクならびに大きい付加的な損失が発生し、このことは機器の劣化を引き起こす可能性がある。１２パルスの変換器の場合、その作用は６パルスの変換器の４分の１である。
【０００９】
電圧変換器は固有の高いスイッチング損失を伴うＧＴＯならびにＩＧＢＴあるいはＩＧＣＴを使用する。個々の構成素子の出力はサイリスタよりも僅かであるため、所定の電圧もしくは所定の電流のためにいっそう多くのコンポーネントが必要とされる。電圧変換器はパルス幅変調技術を使用することで有利になり、これによって電流カーブの形状が改善され高調波が抑えられる。その際にスイッチング周波数が高くなればなるほど、損失や誘電的疲労以外については改善される。電流のカーブ形状を十分に正弦波形状にすることができ、その結果、電気機器の電力低下が回避されるようになる。
【００１０】
たとえばいわゆるサイクロコンバータによって、ダイレクトな変換（ＡＣ／ＡＣ）を行うことができる。これは電気機器側で格別な利点を有しており、それというのも電流は程度の差こそあれ正弦波であり、チョップされた直流ではないからである。これによって電気機器内部で付加的に生じる損失のレベルが低減され、トルクの脈動が回避される。
【００１１】
とはいえサイクロコンバータを使用した場合、達成可能な周波数範囲は入力周波数の０〜１／３に制限される。１／３の限界を超えると、不均衡な動作ゆえにファクタ３に及ぶオーバサイズとなる。
【００１２】
いわゆるマトリクスコンバータによってもダイレクトな変換を行うことができる。マトリクスコンバータの場合、多相の電力源（発電機または電源）の各相がそれぞれ双方向のスイッチによって多相の負荷（電源、受動負荷、電動機等）の各相と結合されもしくは結合可能である（たとえば N. Mohan 等による Power Electronics 第２版 John Wiley & Sons, New York, p. 11-12 参照）。それらのスイッチは十分な個数のサイリスタから成り、その目的は各相間の差電圧ならびに相電流を保持すること、転流を可能にすることである。それらは実際に双方向のコンポーネントとみなすことができ、その際、スナバなどのような付加的な結線あるいは逆並列コンポーネント用の制御パルスのための電流供給をいっしょに利用することができる。
【００１３】
電力源の相がｍ個であり負荷の相がｎ個であるとき、スイッチはｍ×ｎのマトリックスとして配置されている。これによって入力相と出力相との間で任意に接続することができるようになるが、それと同時にマトリックスの特定のスイッチング状態を許可してはならないという欠点も生じ、その理由はさもないとたとえば短絡などが発生してしまうからである。また、できるかぎり僅かなスイッチング損失しか生じさせずにある相から他の相へ転流させることが望まれる。
【００１４】
US-A-5, 594, 636 にはマトリックスコンバータならびにその作動方法について記載されており、この場合、各相間の転流は部分的に自然転流として実行されるが、自然転流が不可能なときには強制転流としても実行される。このような形式の制御の場合、自然転流ゆえにスイッチング損失が低減されるにもかかわらず、強制転流時に発生するスイッチング損失はそのままである。しかも強制転流が起こるかもしれないのでマトリクスのすべての場所にコンポーネントを組み込まなければならず、それによって回路が著しく煩雑になってしまう。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、公知のマトリックスコンバータの解決手法による欠点を回避し殊に各相間で完全に自然な転流が可能となるようにしたマトリックスコンバータの作動方法ならびにマトリックスコンバータを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、電力源における第１の相から該電力源の第２の相への切り替えを条件
Ｉｋ・（Ｖｋ −Ｖｌ）・Ｋｉｊｋｌ ＜０
が満たされているときのみ実行し、ここでＩｋ およびＶｋ は第１の相の電流と電圧であり、Ｖｌ は第２の相の電圧、Ｋｉｊｋｌ は電力源における各相間の相互インダクタンスと負荷のインダクタンスとに固有の定数であることにより解決される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の核となる着想は、ある相から別の相への転流をそれが自然転流として実行可能であるときだけしか許可しないこと、そのための条件を指定することであり、その条件とは簡単なやり方で容易に測定可能なマトリックスコンバータの大きさで表すことができ、つまりは容易にチェックできるものである。
【００１８】
本発明による方法の１つの有利な実施形態によれば、スイッチのスイッチング状態、電力源における相の接続状態、ならびに条件
Ｉｋ・（Ｖｋ −Ｖｌ）・Ｋｉｊｋｌ ＜０
を調べるために、電力源における相の電流および各相間の差電圧の極性符号を継続的に監視または測定して、切り替えを行うべき時点をそのつど設定し、１つまたは複数の選択された相について設定された時点で前記条件が満たされているときのみ、選択された相の切り替えを該時点で行い、さもなければ条件が満たされているそれ以降の時点で切り替えを行う。
【００１９】
従属請求項には別の有利な実施形態が示されている。
【００２０】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について説明する。
【００２１】
【実施例】
図２には、本発明の１つの有利な実施例による６つの入力相および３つの出力相をもつマトリックスコンバータの基本回路図が示されている。マトリックスコンバータ１０は電力源としての発電機１１の６つの相Ｇ１〜Ｇ６を、負荷１２の３つの相Ｌ１〜Ｌ３と時間的な順序で接続する。このために必要とされる出力部１３は１８個の双方向スイッチ１４を逆並列接続されたサイリスタとして有している（一般的な事例ではｍ個の入力／電力相とｎ個の出力／負荷相に対しｍ×ｎ個のスイッチが設けられる）。この場合、スイッチ１４は６×３マトリックスとして配置されている。スイッチ１４の制御のために制御装置１７が設けられており、この制御装置はクロック１８から時間信号（クロック周波数）を受け取る。スイッチ１４のスイッチング状態（ＯＮ，ＯＦＦ）が監視され、それぞれ第１の信号線２０を介して制御装置１７へ通報される。スイッチ１４は制御装置１７によりそれぞれ制御線１９を介して制御される。
【００２２】
発電機１１の個々の相Ｇ１〜Ｇ６にはそれぞれ１つの電流測定装置１５が配置されており、これは相電流の極性符号を第２の信号線２１を介して制御装置１７へ通報する。さらに発電機１１の相Ｇ１〜Ｇ６の間に電圧測定装置１６が配置されており、これは個々の相差電圧の極性符号を第３の信号線２２を介して制御装置１７へ通報する。
【００２３】
発電機１１により固定子において周波数ｆｓ の回転磁界が生成され、ここで周波数ｆｓ はロータの回転数ｆｒ、極のペアの個数ｐ、相間の転流周波数ｆｃ、ならびに相の個数に依存する。固定子がｚ個の相を許容する場合、接続回路はｚ個の相を回転により転流させる必要があり、つまり
（１） fｃ = z (fｒ/ｐ - fｓ)
となる。その結果、２つの転流の間の時間ｔｃ はｔｃ ＝１／ｆｃ となる。
【００２４】
マトリックスコンバータ１０内部の転流のためにあとで説明するように転流基準が導出され、これは基本的に遮断すべき相と接続すべき相との間の相差電圧と遮断すべき相における相電流との積に基づくものである。この積が負であるならば、それら両方の相間での転流が許可される。そうでなければ転流は禁止される。時間的な設定値後に転流が生じかつ転流基準が満たされているとき、制御装置１７により転流がトリガされる。
【００２５】
転流のために発電機１１の「空きの」相が必要とされ、かつ短絡を避けるためにそのつど特定のスイッチ１４を操作してはならない場合、制御装置１７はそのつどそのつどの時点で相Ｇ１〜Ｇ６のいずれが空いているのかという情報、つまり相Ｇ１〜Ｇ６のいずれにおいてすべての対応するスイッチ１４が開いており電流を搬送していないかという情報を必要とする。さらに制御装置１７は、転流すべき相が出力相Ｌ１〜Ｌ３のいずれに接続されているのかという情報も必要とし、その目的はその転流に精確に適したスイッチをオンにすることである。
【００２６】
（負荷１２が３つの相Ｌ１〜Ｌ３をもつとき）５つの相をもつ発電機１１のために最大で同時に２つの転流が可能であり、それどころか６つの相（図２参照）であれば同時に３つの転流が可能である。２つよりも多くの転流が不可能であるならば、対応するスイッチ１４が同時に操作される。同時に３つの転流は基本的に許可されない。しかしながら最初の２つの転流のうちの１つが終了しかつ上述の転流基準が満たされているならば、３つめの転流を実行することができる。
【００２７】
このような様々な境界条件によって、スイッチ１４ないしはサイリスタを用いた難しさを伴うことなくマトリックスコンバータ１０により周波数変更を実現することができる。制御装置１７は閉じる必要のあるサイリスタを決定するが、このことは以下の情報を評価することによって行われる：
・ロータ速度ならびに出力側で望まれる周波数により、相間の転流を行う必要のある時点が確定される。
【００２８】
・発電機１１の相Ｇ１〜Ｇ６における電流の極性符号または消滅および相差電圧から、どの相が「空き」でどの相が「占有されている」のか、転流基準が満たされているのか、同時に３つの転流が生じないようにするためにいくつの相が占有されているのか、ということがわかるようにする。
【００２９】
・オンにされたサイリスタによって、発電機１１のいずれの相が負荷１２のいずれの相と接続されているのか、ということがわかるようにする。
【００３０】
上述の転流基準は以下のような物理的考察を前提としている。すなわち発電機１１における２つの相間の自然転流は、転流時点ｔ０ で転流元となる相Ｇｘ における電流ｉＧｙ の絶対値が降下する一方、転流先となる相Ｇｙ における電流ｉＧｙ の絶対値が上昇したときのみ、すなわち
【００３１】
【数１】
であるときのみ、首尾よく実行することができる、という物理的考察を前提としている。この必要条件が意味するところは、転流先となる相が転流元となる相と同じ方向よりも大きい起電力をもつことである。とはいえ起電力は無負荷状態でしか測定できないので、簡単に扱えるかもしくは測定可能な量をもつ基準を呈示すべきである。
【００３３】
以下ではこのことを図１に描かれている簡略化された事例について行うことにする。この場合、発電機は４つの相Ｇ１〜Ｇ４を有しており、負荷は３つの相Ｌ１〜Ｌ３を有している。４つの相Ｇ１〜Ｇ４は入力側でスター接続されている。転流前（相Ｇ４のスイッチが開いているとき）、相Ｇ１〜Ｇ３は相Ｌ１〜Ｌ３と接続されており、相Ｇ４は「空いている」。転流により（スイッチＳの閉鎖により）相Ｇ３から相Ｇ４へ転流されることになる。負荷が抵抗ＲＬ 、インダクタンスＬＬ およびキャパシタンスＣを有しており、４相発電機の自己インダクタンスと相互インダクタンスをマトリックス
【００３４】
【数２】
により記述することができ、相電圧がＶ１〜Ｖ４ であり、さらに
【００３６】
【数３】
が成り立つとき、次式を立てることができる。ただしここでは指標１〜４ではなく一般的な指標ｉ，ｊ，ｋ，ｌを用いる：
【００３８】
【数４】
マトリックス［Ａｉｊ］が正則ではないという前提のもとで方程式を以下のように解くことができる：
【００４０】
【数５】
つまり定数ｋｉｊｋｌ は、
【００４２】
【数６】
のようなかたちで存在し、ここで定数ｋｉｊｋｌ は発電機の相の相互インダクタンスおよび負荷のインダクタンスに左右される。
【００４４】
自然転流を首尾よく実行できるようにするために、転流元となる相の電流Ｉｋを転流後にゼロを通過させる必要がある。このことは条件
【００４５】
【数７】
として表される。
【００４７】
式（９）と合わせて最終的に転流基準は
【００４８】
【数８】
となる。
【００５０】
したがって発電機および負荷の自己インダクタンスと相互インダクタンスにより決まる定数Ｋｉｊｋｌ が既知であるならば、容易に測定可能な量によって、発電機の相ｋとｉの間のまえもって定められた転流を実行できるか否か、という兆候をいつでも求めることができる（指標ｉおよびｊはこの実施例では相ｋとＩとの転流過程に関与しない２つの相に適用され、４つよりも多くの相であればそれに応じていっそう多くの指標が生じることになる）。この場合、条件ないしルール（１１）は電流および電圧の極性符号だけに依存し、その実際の値には依存しない。このため非常に簡単な検出器または測定装置によって、転流条件に必要とされる情報を得ることができる。
【００５１】
相前後する転流の組み合わせにより、発電機の軸を中心として固定子電流の経路が回転する。電機子反作用は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚすなわち電源周波数ですでに一定のモジュールにより回転している。その際、固定子電流経路の回転が５０／６０Ｈｚの回転に加算されてまったく別の周波数をもつ電機子反作用の回転が引き起こされ、これは転流率の変更により設定できる。このことで同期動作も非同期動作も可能となる。
【００５２】
図２によるマトリックスコンバータ１０ではスイッチ１４の制御を生じさせる判定プロセスは、非常に簡単である。
【００５３】
まずはじめに制御装置１７のクロック１８により、望ましい周波数および場合によってはフィードバックされた情報に従い新たな転流をいつ行うべきであるのか、つまり現時点で負荷１２と接続されている３つの相をいつ他の相と置き換えるべきであるかが伝達される。
【００５４】
スイッチ１４および相Ｇ１〜Ｇ６の継続的な監視により制御装置１７は、どの相が空いておりもしくは電流を案内していないか、そしてそれに基づきどの相に確実に転流できるかについての情報を得る。１つまたは２つの転流が可能であるならば、対応するスイッチ１４がトリガされる。まえもって定められた転流時点で条件（１１）が満たされていなければ、それよりもあとで条件が満たされるとただちに転流が実行される。既述のように、３つの相が同時に転流されるのは回避される。（それ自体可能な）２つめまたは３つめの転流は、それらをいっそう確実に実行できるまで延期される。
【００５５】
マトリックスコンバータ１０に接続されている同期機は、電動機としても発電機としても駆動することができる。これを電動機動作から発電機動作に切り替えることができ、したがってスタータモータとしてはたらかせることができる。早める動作も遅くする動作も制御方法を変更せずに行うことができる。また、発電機の励磁により電圧が定まり発電機１１とコンバータとの間の周波数の制御が分けられているような独自の動作も可能である。
【００５６】
誘導機の場合には始動過程の間、電圧に留意する必要がある。電流反転時にサイリスタを遅らせてトリガすることにより平均電圧を抑えることができる。
【００５７】
駆動モータの場合、同じ方式の変換において２つの可能性がある：一方の可能性は、３相電源から６相をつくるために２つの２次巻線を備えたトランスを使用することであり、他方の可能性は、電源にダイレクトに接続されたｎ相の電動機を使用することである。
【００５８】
また、隣り合う相の間における転流だけしか許可しなければ、高調波による妨害が抑圧される。設けられている相の個数が少なければ許可される転流の確率は僅かであり、したがって達成可能な周波数範囲は制約される。しかしたとえ４相であっても、隣り合っていない相間の転流も容認するのであれば、周波数範囲全体を扱うことができる。相の個数を増やすことによっても、高調波による妨害が低減される。これにより転流の許可される機会が増え、したがって周波数範囲が拡大される。とはいえコンバータのコストは相の個数と密接に結びついているので、相の個数とフィルタリングコストとの間で適切な妥協を見出す必要がある。
【００５９】
これまで提案してきたマトリックスコンバータによれば、順方向損失を慣用のコンバータよりもファクタ２、下げることができる。転流損失の低減は個々の適用事例に左右される。３相の５０Ｈｚに変換する６相の８５Ｈｚ発電機に関して、転流損失の低減は１２パルス整流器／インバータに比べてファクタ２よりも大きくなる。
【００６０】
また、これまで提案してきたマトリックスコンバータは、内在するリアクタンスによる電力消費をもたない。たとえばダイレクトなＡＣ／ＡＣ変換も実行するサイクロコンバータは、正弦波電圧の達成に不可欠なトリガ遅延ゆえに非常に小さい力率をもっている。間接的なコンバータも、安全余裕角度ならびに直流のチョップに不可欠な磁化電力ゆえに力率の低減が生じる。
【００６１】
全体として本発明によれば以下の利点が得られる：
（１）サイクロコンバータに関して：
・コンバータの力率は０．７ではなくほぼ１であり、その結果、入力電力、コンポーネントの電力ならびに損失電力が低減する。
【００６２】
・力率の改善とは無関係に新しい変換プロセスによって内在的な損失がファクタ２小さくなり、そのためいっそう簡単かつ自由な冷却系が実現される。
【００６３】
・出力周波数は入力周波数の１／３に制約されない。
【００６４】
・制御エレクトロニクスは非常に簡単である。
【００６５】
（２）間接的なＡＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータに関して：
・入力側の力率と出力側の力率が等しく、その結果、コンポーネントの入力電力および電力範囲が最低限に抑えられる。
【００６６】
・動作は完全に可逆的である。
【００６７】
・エネルギーの一時的な蓄積はなく、そのことでコストが節約され損失が抑えられるようになる。
【００６８】
・脈動的なトルクがなく、僅かな量の高調波だけであり、直流のチョップに起因する入力側での電力損失が生じない。
【００６９】
・損失電力が僅かである。
【００７０】
したがって新しいコンバータコンセプトによって、スタティックな周波数コンバータ解決手段の魅力が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】４つの入力相と３つの出力相をもち本発明による転流条件の導出に用いられるコンバータにおける転流の様子を示す図である。
【図２】本発明の有利な実施例による６つの入力相と３つの出力相をもつマトリクスコンバータの基本回路図である。
【符号の説明】
１０ マトリックスコンバータ
１１ 発電機
１２ 負荷
１３ 出力部
１４ 双方向スイッチ
１５ 電流測定装置
１６ 電圧測定装置
１７ 制御装置
１８ クロック
１９ 制御線
２０〜２２ 信号線
Ｇ１〜Ｇ６ 発電機の相
Ｌ１〜Ｌ３ 負荷の相
Ｓ スイッチ
Ｖ１ 〜Ｖ４ 発電機の相電圧
Claims (7)
- 交流電圧を送出する電力源（１１）におけるｍ個の相（Ｇ１〜Ｇ６）を負荷（１２）におけるｎ個の相（Ｌ１〜Ｌ３）と、ｍ×ｎのマトリックスとして配置された制御可能な複数の双方向スイッチ（１４）を介して交互に接続する形式の、マトリックスコンバータ（１０）の作動方法において、
前記電力源（１１）における第１の相（Ｇｋ）から該電力源（１１）の第２の相（Ｇｌ）への切り替えを条件
Ｉｋ・（Ｖｋ −Ｖｌ）・Ｋｉｊｋｌ ＜０
が満たされているときのみ実行し、
ここでＩｋ およびＶｋ は第１の相（Ｇｋ）の電流と電圧であり、Ｖｌ は第２の相（Ｇｌ）の電圧、Ｋｉｊｋｌ は電力源（１１）における各相（Ｇ１〜Ｇ６）間の相互インダクタンスと負荷（１２）のインダクタンスとに固有の定数であることを特徴とする、
マトリックスコンバータの作動方法。 - スイッチ（１４）のスイッチング状態、電力源（１１）における相（Ｇ１〜Ｇ６）の接続状態、ならびに条件
Ｉｋ・（Ｖｋ −Ｖｌ）・Ｋｉｊｋｌ ＜０
を調べるために、電力源（１１）における相（Ｇ１〜Ｇ６）の電流および各相間の差電圧の極性符号を継続的に監視または測定して、切り替えを行うべき時点をそのつど設定し、
１つまたは複数の選択された相について設定された時点で前記条件が満たされているときのみ、選択された相の切り替えを該時点で行い、さもなければ条件が満たされているそれ以降の時点で切り替えを行う、
請求項１記載の方法。 - 前記電力源は発電機（１１）であり、該発電機（１１）における相の個数ｍは負荷（１２）における相の個数ｎよりも大きい、請求項１または２記載の方法。
- 双方向スイッチ（１４）として逆並列接続されたサイリスタを用いる、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
- ｍ×ｎのマトリックスとして配置された制御可能な複数の双方向スイッチ（１４）を有しており、該スイッチは制御装置（１７）により制御されてｍ個の入力側を選択的にｎ個の出力側と接続する形式の、請求項１から４のいずれか１項記載の方法を実施するためのマトリックスコンバータ（１０）において、
入力側における電流の極性符号を求める第１の手段（１５）と、各入力側の間における電圧の極性符号を求める第２の手段（１６）が設けられており、
これら第１および第２の手段（１５もしくは１６）は前記制御装置（１７）と接続されていることを特徴とする、
マトリックスコンバータ。 - 前記スイッチ（１４）は信号線（２０）を介して制御装置（１７）と接続されており、該信号線（２０）を介してスイッチ（１４）のスイッチング状態に関する情報が制御装置（１７）へ伝達される、請求項５記載のマトリックスコンバータ。
- 前記双方向スイッチ（１４）は逆並列接続されたサイリスタを有する、請求項５または６記載のマトリックスコンバータ。
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