JP4385672B2 - マトリクスコンバータを使用した電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一定周波数の交流電源から任意の周波数の交流出力を直接生成するマトリクスコンバータを使用した電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置に使用するコンバータは、整流装置部で商用電源を一度直流に変換し、インバータ部で任意の周波数の交流に再度変換して出力する構成であった。この従来のコンバータの場合には、リプル低減のために直流部に平滑コンデンサを設ける必要がある。従来技術の特開平３−２６１３７６号公報には、整流装置部の指令値生成用の三角波信号（キャリア信号）とインバータ部の指令値生成用の三角波信号（キャリア信号）の位相を０度とし同期運転させることによって平滑コンデンサの小型化を図っている。
【０００３】
これに対して、従来技術の特開２００１−８６７５１号公報などに記載された、商用電源から任意の周波数の交流出力を直接生成するマトリクスコンバータを使用した電力変換装置では、平滑コンデンサが不要である上、電力回生可能・低電源高調波などの長所がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−２６１３７６号公報
【特許文献２】
特開２００１−８６７５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マトリクスコンバータでは、装置の構成上、電源とマトリクスコンバータとの間にＬＣフィルタを接続する必要がある。特に、負荷の容量が大きい場合にはＬＣフィルタの大型化も避けられない。この点において、マトリクスコンバータの長所の一つである直流部の平滑コンデンサをなくし小型軽量化を実現できる効果を半減させてしまう。この課題はマトリクスコンバータを使用する場合の特有のものであり、このＬＣフィルタの小型化の手法に対して言及した例はない。
【０００６】
本発明の目的は、ＬＣフィルタを小型軽量化したマトリクスコンバータを使用した電力変換装置提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する手段として、Ｎ台のマトリクスコンバータを共通のＬＣフィルタに接続する。そして、Ｎ台のマトリクスコンバータで共通の負荷を運転する。この場合に、それぞれのマトリクスコンバータの指令値生成に使用する三角波信号（キャリア信号）の位相差を３６０°／Ｎとし、同一周波数で駆動して同期運転させる。これにより、ＬＣフィルタに流入する電流の周波数は三角波信号（キャリア信号）のＮ倍になり、ＬＣフィルタの負担度を軽減できる。
【０００８】
本発明によると、マトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、マトリクスコンバータの入力側に接続するＬＣフィルタを小型軽量化できる効果がある。特に、マトリクスコンバータの容量が大きくなるほど有効性が高い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は本発明の第一実施例のマトリクスコンバータを用いた電力変換装置であり、商用電源１，負荷のモータ２，ＬＣフィルタ３，マトリクスコンバータ１（４Ａ），マトリクスコンバータ２（４Ｂ）、前記のマトリクスコンバータ４Ａ，４Ｂを駆動するための制御回路５より構成している。また、マトリクスコンバータ１（４Ａ）からＬＣフィルタ３へ流れる電流をｉ１、マトリクスコンバータ２（４Ｂ）からＬＣフィルタ３へ流れる電流をｉ２としている。従来のコンバータシステムでは、整流器により商用電力を一度直流電力に変換し、インバータで任意の交流電力に再度変換する。このとき、直流部分の安定化を図るために、整流器とインバータの間に平滑コンデンサを接続する必要があった。これに対して、図１のマトリクスコンバータは、商用電源１から得られる一定周波数の交流電力を、直接、任意の周波数の交流電力に変換する。このマトリクスコンバータでは、直流電力に変換する動作が不要であるため、従来のコンバータで必須であった平滑コンデンサを削除できる。このため、装置の小型化が可能になる上、コンデンサの定期交換が不要になるため保守から見た効果は大きい。しかも、電力回生も可能であり、電源高調波も低減できる効果がある。
【００１１】
マトリクスコンバータを用いたシステムでは、ＬＣフィルタ３の接続が必須になる。このＬＣフィルタ３はマトリクスコンバータ４Ａ，４Ｂから電源１に流出する高周波ノイズを除去するのみでなく、マトリクスコンバータ４Ａ，４Ｂのスイッチング時に瞬時に電荷を供給できるようなバイパスコンデンサ的な役割も担っている。このため、ＬＣフィルタ３はマトリクスコンバータの直近に取り付けることが望ましい。
【００１２】
ＬＣフィルタ３は、負荷容量が大きくなるほど大型化する。これは、容量が大きいほど、スイッチング時に供給すべき電荷量が増加するためである。この結果、マトリクスコンバータの従来のコンバータに対する優位点の一つである平滑コンデンサ除去による小型軽量化の効果が薄れる。そこで本発明では、共通のＬＣフィルタに複数のＮ台のマトリクスコンバータを並列に接続し、共通の負荷を駆動する。制御回路では、それぞれのマトリクスコンバータの指令値生成に使用する三角波信号（キャリア信号）の位相差を３６０°／Ｎとし同一周波数で駆動して同期運転させる。図１の第一実施例は、Ｎ＝２の場合であり、三角波信号（キャリア信号）の位相差を１８０度として同一周波数で駆動して同期運転させた例である。この場合のＬＣフィルタ３の小型軽量化に対する影響について図２により説明する。
【００１３】
図２は、任意の相に着目した場合の本発明のマトリクスコンバータの指令値とマトリクスコンバータからＬＣフィルタに流入する電流の概略図である。マトリクスコンバータの指令値は、従来のインバータの指令電圧と同様に三角波と指令値を比較することにより生成する。つまり、図２のように、三角波と指令値を比較し、三角波の方が大きい場合にはスイッチをＯＮさせる指令値を出力する。本発明では、マトリクスコンバータ１（４Ａ）とマトリクスコンバータ２（４Ｂ）のそれぞれの三角波信号（キャリア信号）の指令値の位相差を１８０度設けている。この結果、マトリクスコンバータ１とマトリクスコンバータ２のＯＮ信号の指令値は１８０度の位相差を持って出力され、それぞれのマトリクスコンバータからＬＣフィルタに流入する電流ｉ１，ｉ２も１８０度の位相差を持つことになる。このとき、ＬＣフィルタでの電流は、ｉ１とｉ２の和となる。ここで、電流の周期に着目した場合、三角波信号（キャリア信号）の周期Ｔｓの１／２の周期になることが判る。これは、マトリクスコンバータを１台で動作させた場合（例えばｉ１の周期）の１／２になっている。また、マトリクスコンバータがＮ台の場合には、図２と同様の考え方により、電流の周期は三角波信号(キャリア信号)の周期Ｔｓの１／Ｎになる。このように周期が短くなった場合のＬＣフィルタに対する効果について、図３，図４を用いて説明する。
【００１４】
図３はＬＣフィルタ３のコンデンサの電圧に着目した場合の本発明と従来方式の比較図である。コンデンサの電圧は充放電の度に脈動を繰り返す。この脈動の周期は流出入する電流の周期に依存する。つまり、図３に示すように、周期が短い方が電圧の脈動の振幅が小さくなるため、コンデンサの負担も軽減できる効果がある。このため、従来方式よりも電流の周期が短くなる本方式は、コンデンサ容量を小さくできる効果がある。さらに、コンデンサをマトリクスコンバータの近傍に接近して配置することができるので、コンデンサからマトリクスコンバータ内のスイッチ素子まで配線インダクタンスを低減でき、スイッチング時の過電圧発生を抑制できる効果がある。また、コンデンサは小さいため、図１２のようにマトリクスコンバータ毎に分割して配置することも可能であり、実装上の自由度も増す効果がある。
【００１５】
図４はＬＣフィルタ３のリアクトルの磁束に着目した場合の本発明と従来方式の比較図である。リアクトルの磁束もコンデンサの場合と同様に電流の周期で増減する。つまり、図４に示すように、周期が短い方が磁束量を少なくできるため、磁気飽和の可能性が小さくなり、リアクトルの負担も軽減できる効果がある。このため、従来方式よりも電流の周期が短くなる本方式は、リアクトルを小さくできる効果がある。また、ノイズフィルタとしての効果を考えた場合、コンデンサとリアクトルの両方が小さくなるとＬＣフィルタの閾値周波数（カットオフ周波数）が増加する傾向になる。通常のマトリクスコンバータでは、ＬＣフィルタの閾値周波数は、商用電源の周波数とマトリクスコンバータのスイッチング周波数の間に設定している。それに対して、本発明の方式では、電流の周波数自体もＮ倍に増加しているため、たとえコンデンサやリアクトルが小さくなっても、閾値周波数を商用電源の周波数とマトリクスコンバータのスイッチング周波数のＮ倍の周波数の間に設定することによってノイズフィルタとしての効果を維持できる。
【００１６】
図５は第一実施例の制御回路５の構成を示す図であり、三角波生成回路５０，マトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ａ，マトリクスコンバータ２の指令値生成回路５１Ｂによって構成している。三角波生成回路５０は、内部にタイマ等を備えており、マトリクスコンバータの指令値生成用の三角波を出力する。マトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ａ、および、マトリクスコンバータ２の指令値生成回路５１Ｂは図示していないマトリクスコンバータの電流検出機能と接続されており、それらの情報を基に指令値を生成し、図２で示したように三角波生成回路５０から得られる三角波信号（キャリア信号）と比較することによってそれぞれのマトリクスコンバータのスイッチ素子のＯＮ・ＯＦＦ信号を生成する。このマトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ａ、および、マトリクスコンバータ２の指令値生成回路５１Ｂはマイコン等により構成される。また、マトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ａ、あるいは、マトリクスコンバータ２の指令値生成回路５１Ｂのいずれか一方と三角波生成回路５０の間には反転回路５２を接続しており、三角波を反転させ、位相差１８０度を実現している。
【００１７】
図６は、第一実施例の制御回路５の別の構成１を示す図である。マトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ａ、および、マトリクスコンバータ２の指令値生成回路５１Ｂは、図５と同様に図示していないマトリクスコンバータの電流検出機能と接続されている。また、三角波の生成は一方の回路で行い、その情報を他方の回路に送信する構成にしている。他方の回路では、受信した三角波の情報から１８０度の位相差を持った三角波を作り、それを基にマトリクスコンバータのスイッチ素子のＯＮ・ＯＦＦ信号を生成する。この構成により、個別の三角波生成回路を設ける必要がなくなるため、省スペース化およびコスト低減に効果がある。このマトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ａ、および、マトリクスコンバータ２の指令値生成回路５１Ｂはマイコン等により構成される。
【００１８】
図７は第一実施例の制御回路５の別の構成２を示す図である。１つのマトリクスコンバータ１の指令値生成回路５１Ｃにより、マトリクスコンバータ１、および、マトリクスコンバータ２の指令値を生成している。このマトリクスコンバータの指令値生成回路５１Ｃも高機能のマイコン等により構成され、回路の内部で１８０度の位相差を持った三角波信号（キャリア信号）を生成している。この構成により、１個のマトリクスコンバータの指令値生成回路５１Ｃのみで駆動するため、通信時に影響を受ける可能性のあるノイズ等による誤動作を抑制できる効果がある。
【００１９】
図８は第一実施例のマトリクスコンバータ部分４Ａあるいは４Ｂを示す図である。マトリクスコンバータは９個の双方向スイッチ６により構成されており、これらをＯＮ・ＯＦＦさせることによって、任意の周波数の交流電力を出力する。図９は双方向スイッチ６の詳細図であり、図９（ａ）は一般的なＩＧＢＴ６１とダイオード６２を組み合わせて双方向スイッチを構成している。図９（ｂ）はデバイスに逆耐圧特性を持たせた逆阻止デバイスにより構成した例である。図９（ａ），図９（ｂ）の双方向スイッチを使用することにより、商用電源から得られる一定周波数の交流電力を、直接、任意の周波数の交流電力に変換することができる。また、図８では、マトリクスコンバータ部分の９個の双方向スイッチを独立に記載しているが、９個の双方向スイッチが１個のモジュールの中に全て含まれた形のオールインワンデバイスを使用しても良いことは言うまでもない。本発明の第一実施例では、マトリクスコンバータを並列に接続しており、特に、負荷容量が大きい場合について有効性が高い。
【００２０】
図１０は本発明の第二の実施例を示す図であり、商用電源１，負荷のモータ２，ＬＣフィルタ３，マトリクスコンバータ７，制御回路５より構成している。図１０において、マトリクスコンバータは９個の双方向スイッチ群８によって構成している。図１１は、第二実施例のスイッチ群８の構成を示す図である。それぞれの双方向スイッチ群８は、図９に示した双方向スイッチ６を並列に接続したものである。第二の実施例では、双方向スイッチ群８内の２個の双方向スイッチに、それぞれ、位相差が１８０度異なる三角波信号（キャリア信号）より生成したＯＮ・ＯＦＦ信号を入力することにより、第一実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で様々変形して実施できることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によると、マトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、マトリクスコンバータの入力側に接続するＬＣフィルタを小型軽量化できる効果がある。特に、マトリクスコンバータの容量が大きくなるほど有効性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す構成図である。
【図２】本発明のマトリクスコンバータの指令値とマトリクスコンバータからＬＣフィルタに流入する電流の概略図である。
【図３】ＬＣフィルタのコンデンサの電圧に着目した場合の本発明と従来方式の比較図である。
【図４】ＬＣフィルタのリアクトルの磁束に着目した場合の本発明と従来方式の比較図である。
【図５】第一実施例の制御回路の構成を示す図である。
【図６】第一実施例の制御回路の別の構成１を示す図である。
【図７】第一実施例の制御回路の別の構成２を示す図である。
【図８】第一実施例のマトリクスコンバータ部分を示す図である。
【図９】双方向スイッチを示す図である。
【図１０】本発明の第二の実施例を示す図である。
【図１１】第二実施例のスイッチ群の構成を示す図である。
【図１２】第一実施例のＬＣフィルタの別の実装例を示す図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…モータ、３…ＬＣフィルタ、４Ａ…マトリクスコンバータ１、４Ｂ…マトリクスコンバータ２、５…制御回路、６…双方向スイッチ、７…マトリクスコンバータ、８…双方向スイッチ群、５０…三角波生成回路、５１Ａ…マトリクスコンバータ１の指令値生成回路、５１Ｂ…マトリクスコンバータ２の指令値生成回路、５１Ｃ…マトリクスコンバータ１，２の指令値生成回路、
５２…反転回路、６１…ＩＧＢＴ、６２…ダイオード、６３…逆阻止デバイス。

Claims (7)

1. 少なくとも、複数の双方向スイッチ或いは前記双方向スイッチより構成される双方向スイッチモジュールを備え一定周波数の電源を可変周波数の交流に変換する機能を有したマトリクスコンバータを複数のＮ台と、リアクトルとコンデンサからなるＬＣフィルタを有するマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   前記ＬＣフィルタの後段に前記複数のＮ台のマトリクスコンバータを並列接続し、かつ、前記Ｎ台のマトリクスコンバータを同一の周波数で同期運転させ共通の負荷を駆動するとともに、
   前記ＬＣフィルタの前記コンデンサは、前記複数のＮ台のマトリクスコンバータ毎に分割して設けられ、
   それぞれのマトリクスコンバータの指令値生成に使用する三角波信号（キャリア信号）の位相差が３６０°／Ｎであることを特徴とするマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。
2. 少なくとも、双方向スイッチ９個を１個のモジュールに備えたマトリクスコンバータ用のデバイスを複数のＮ個と、リアクトルとコンデンサからなるＬＣフィルタを有するマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   前記ＬＣフィルタの後段に前記複数のＮ個のマトリクスコンバータ用のデバイスを並列接続し、かつ、同一の周波数で同期運転させ共通の負荷を駆動するとともに、
   前記ＬＣフィルタの前記コンデンサは、前記複数のＮ個のマトリクスコンバータ用のデバイス毎に分割して設けられ、
   それぞれのデバイスに与える指令値生成用の三角波信号（キャリア信号）の位相差が３６０°／Ｎであることを特徴とするマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。
3. 請求項１あるいは請求項２で記載したマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   前記マトリクスコンバータの台数は２台であり、
   前記マトリクスコンバータの指令値を生成する制御回路には１個の三角波発生回路と２個のマトリクスコンバータ用指令生成回路を設け、前記マトリクスコンバータ用指令生成回路のいずれか一方と前記三角波発生回路の間には反転回路が接続されていることを特徴とするマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。
4. 請求項１あるいは請求項２で記載したマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   前記マトリクスコンバータの台数は２台であり、
   前記マトリクスコンバータの指令値を生成する制御回路には２個のマトリクスコンバータ用指令生成回路を設け、一方のマトリクスコンバータ用指令生成回路の内部で三角波を生成し、その情報を他方のマトリクスコンバータ用指令生成回路に送信する機構を設けたことを特徴とするマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。
5. 請求項１あるいは請求項２で記載したマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   マトリクスコンバータの台数は２台であり、
   マトリクスコンバータの指令値を生成する制御回路には１個のマイコンからなるマトリクスコンバータ用指令生成回路を設け、前記２台のマトリクスコンバータの指令値を生成することを特徴とするマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。
6. 請求項１で記載したマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   前記ＬＣフィルタのカットオフ周波数が電源周波数と前記マトリクスコンバータのスイッチング周波数のＮ倍の周波数の間であることを特徴とするマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。
7. 請求項１で記載したマトリクスコンバータを使用した電力変換装置において、
   前記ＬＣフィルタのコンデンサが前記マトリクスコンバータの近傍に配置されていることを特徴するマトリクスコンバータを使用した電力変換装置。

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