JP4407892B2 - マトリックスコンバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギ貯蔵要素を用いないでスイッチング素子のみで構成して、３相交流電源から任意の周波数と電圧の３相電圧を出力するマトリックスコンバータの制御装置に関するものである。

マトリックスコンバータとその従来の制御ブロック図を図２に示し、図２に基づいて従来の技術を説明する。
マトリックスコンバータ２はスイッチＳＵＲ〜ＳＷＴの９つのスイッチで構成されており、それらスイッチの制御は制御装置４から出力される。マトリックスコンバータ２の入力には３相交流電源１が接続されており、電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴがマトリックスコンバータに印加される。またマトリックスコンバータ２の出力には負荷３が接続され、負荷３には任意の周波数や大きさの電圧であるＶＵ、ＶＶ、ＶＷが印加されることになる。制御装置４は、電圧位相領域選択器４１とキャリア発生器４２と信号発生器４４と比較器４３からなる。電圧位相領域選択器４１は、電源電圧であるＶＲ、ＶＳ、ＶＴの波形から、図４に示されるように電圧の位相がイ〜ヘのどの領域に存在するかを選択して出力する。キャリア発生器４２は、三角波のキャリアＣを発生する。信号発生器４４は、マトリックスコンバータ２のＵ相出力電圧ＶＵが所定値となるような信号ＶＵＨ，ＶＵＬを出力する。またＶ相、Ｗ相においても同様に信号ＶＶＨ、ＶＶＬ、ＶＷＨ、ＶＷＬを出力する。比較器４３では、キャリアＣと各相の信号との大きさを比較して図３に基づいてスイッチング信号Ｓｘｙを出力する。ここでｘ＝Ｕ，Ｖ，Ｗであり、ｙ＝Ｒ，Ｓ，Ｔをとる。図３は各条件下においてオンするスイッチを表している。例えば４１出力の領域がイでＵ相の場合について説明する。Ｕ相の信号ＶＵＨ，ＶＵＬがともにキャリアＣよりも大きい場合はＳＵＲのスイッチがオンしてＳＵＳ，ＳＵＴのスイッチはオフすることになる。またキャリアＣがＶＵＨとＶＵＬの間の場合は、ＳＵＳスイッチがオンしてＳＵＲ，ＳＵＴがオフすることになる。（非特許文献１参照）
中小路元、小林広介、佐藤彦 他著：「マトリックスコンバータの入出力電流を正弦波化するＰＷＭ制御方式の提案」、電気学会半導体電力変換研究会論文Ｎｏ．ＳＰＣ−０３−３６、６１〜６６頁

上述したように、マトリックスコンバータ２の各スイッチは、各相の信号とキャリアとの大小関係だけでなく電源電圧の位相を６つに分けた領域によっても左右される。図３によると、例えば領域イからロに変化するとＶｘＨ，ＶｘＬ＞Ｃの条件が変化しなくてもＳｘＲのスイッチがオフしてＳｘＳのスイッチがオンすることになる。領域が変化しなければ各スイッチはキャリアＣと同じ周波数でスイッチングを行うことになるが、領域が変わったときもスイッチングすることから全体のスイッチング周波数がキャリアの周波数より少し大きな値となる。また領域が変化した際のスイッチングは全ての相で同時に起こる可能性が高く、負荷３に印加される相間電圧はそのスイッチングによってなんら変化しない場合がある。つまり、領域が変化した際のスイッチングは負荷に印加する電圧の高調波成分を低減する効果は非常に少なくスイッチング周波数のみ増大させることになり、スイッチング損失の増加となり、システムの効率低下の要因となる。

前記問題点を解決するために、３相交流電源の周波数をｆｏとし三角波キャリアの周波数をｆｃとしてＮを任意の自然数とした場合に
ｆｃ＝６・ｆｏ・（Ｎ＋０．５）
の関係とする。

また領域イとロやハとニやホとヘの境の時点でキャリアＣは最大値をとるようにし、領域ロとハやニとホおよびヘとイの境の時点ではキャリアＣは最小値となるようにする。

本発明により、領域切り替わりによるスイッチングが無くなり、スイッチング損失を小さくすることができる。

本発明の代表的な実施例を図１に示すが、図において、キャリア発生器４５のキャリア周波数ｆｃを下記式（１）のようにすることで、上述課題のシステム効率を向上できる。

本発明の実施例を図１に示し、この図に基づいて発明の実施例を説明する。なお従来技術と同じ部分については説明を省略する。
本発明の制御装置４でのキャリア発生器４５は、
ｆｃ＝６・ｆｏ・（Ｎ＋０．５） （１）
で表せるｆｃを周波数とする三角波キャリアＣを出力する。ここでｆｏは３相交流電源１の周波数であり、Ｎは任意の自然数である。また、電圧位相領域選択器４１の領域を入力して、領域イとロの境の時点でキャリアＣは最大値となるようにする。

以下は、上述のキャリア発生器４５を用いることで前述の問題点を解決できることを説明する。
式（１）を満たすキャリア周波数ｆｃとすると、各領域においてキャリアはＮ周期と半周期だけ存在することになる。そして領域イとロの境の時点でキャリアＣが最大値となるようにすると、領域ハとニやホとヘの境の時点でもキャリアＣは最大値となり、領域ロとハやニとホおよびヘとイの境の時点ではキャリアＣが最小値となる。
通常、信号ＶｘＨやＶｘＬはキャリアＣの最大値と最小値の間の値をとるため、例えば領域イとロの境の時点でキャリアＣが最大値となれば、領域イとロの切り替わりの時点ではＶｘＨ、ＶｘＬ＜Ｃの関係となることは明らかであり、図３によるとその条件での領域イからロへの切り替わりではスイッチングを行わないことが分かる。同様に領域ロからハへの切り替わり時は、キャリアＣは最小値となるのでＶｘＨ、ＶｘＬ＞Ｃの条件となり、やはり領域切り替わりによるスイッチングは行われない。

交流〜交流変換により誘導電動機や同期電動機のような交流負荷装置に、所望の電力を供給する場合に、従来のコンバータ、インバータ装置の組み合わせによる電力供給に変わる特徴のある発明である。

マトリックスコンバータと本発明の制御装置のブロック図である。 マトリックスコンバータと従来の制御装置のブロック図である。 オンするスイッチを表したテーブルである。 電源電圧波形と領域との関係を表した図である。

符号の説明

１・・・３相交流電源
２・・・マトリックスコンバータ
３・・・負荷
４・・・制御装置
４１・・・電圧位相領域選択器
４２・・・キャリア発生器
４３・・・比較器
４４・・・信号発生器
４５・・・発明のキャリア発生器

Claims (1)

1. ９つのスイッチを用いて、一定周波数で一定電圧の３相交流電源から可変周波数可変電圧の３相電圧を出力するマトリックスコンバータの制御装置であって、三角波キャリアと信号波との大きさ比較することで前記９つのスイッチを制御するマトリックスコンバータ制御装置において、前記３相交流電源の周波数をｆｏとし前記三角波キャリアの周波数をｆｃとしてNを任意の自然数とした場合に
   ｆｃ＝６・ｆｏ・（Ｎ＋０．５）
   の関係とし、
   前記３相交流電源の３相電圧の内の２相の瞬時電圧が正で一致する時点を前記三角波キャリアが最大値となる点であるキャリアの山のポイントと一致させ、前記３相交流電源の３相電圧の内の２相の瞬時電圧が負で一致する時点を前記三角波キャリアが最小値となる点であるキャリアの谷のポイントと一致させることを特徴とするマトリックスコンバータ制御装置。