JP4617864B2 - 直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法および装置 - Google Patents
直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法および装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法および装置
に関する。
に関する。
従来、複数のスイッチ素子をマトリックス状に配置して、入力交流電圧を裁断／結合させることで、任意の交流電圧を直接出力できる電力変換装置として、ＰＷＭサイクロコンバータ（通称、マトリックスコンバータと呼ぶ）が提案されている。この装置は、従来のインバータで、装置の大型化や寿命等で課題となっていた大容量電解コンデンサや直流リアクトルなどの電力貯蔵素子が不要となり、原理的に高効率、小型、軽量、長寿命を実現できるものとして期待されている。
図４は従来技術を示す直列多重マトリックスコンバータの構成図である。
図４において、１００は三相交流電源、１０１は三相トランス、１０２は三相トランス１０１の一次巻線、１０３〜１１１は三相トランス１０１の二次巻線、１１２〜１２０は単相マトリックスコンバータ装置であり、双方向スイッチのＩＧＢＴを備えて、出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換するものである。また、１２１は直列多重主回路部であり、単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０を複数各相毎に直列に接続したものとなっている。１２２〜１２４は電流検出器であり、後述する負荷側の交流電動機１３８に供給される三相出力電流を検出するものである。それから、１４８〜１５０はハード信号線、１２８〜１３６は伝送路で、各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０と後述するコントローラ１３７間の伝達手段である。１３７はコントローラ、１３８は交流電動機、１３９〜１４７は電流極性検出判定回路である。
このような構成において、マトリックスコンバータは、電流検出器１２２〜１２４で検出した出力電流値をハード信号線１４８〜１５０を介して各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に設けた電流極性検出判定回路１３９〜１４７に伝達し、該電流極性検出判定回路にて検出値の符合から出力電流値の極性を判別し電流極性の検出判定をしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１６５９６６号公報（第２頁、第７図）
図４は従来技術を示す直列多重マトリックスコンバータの構成図である。
図４において、１００は三相交流電源、１０１は三相トランス、１０２は三相トランス１０１の一次巻線、１０３〜１１１は三相トランス１０１の二次巻線、１１２〜１２０は単相マトリックスコンバータ装置であり、双方向スイッチのＩＧＢＴを備えて、出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換するものである。また、１２１は直列多重主回路部であり、単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０を複数各相毎に直列に接続したものとなっている。１２２〜１２４は電流検出器であり、後述する負荷側の交流電動機１３８に供給される三相出力電流を検出するものである。それから、１４８〜１５０はハード信号線、１２８〜１３６は伝送路で、各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０と後述するコントローラ１３７間の伝達手段である。１３７はコントローラ、１３８は交流電動機、１３９〜１４７は電流極性検出判定回路である。
このような構成において、マトリックスコンバータは、電流検出器１２２〜１２４で検出した出力電流値をハード信号線１４８〜１５０を介して各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に設けた電流極性検出判定回路１３９〜１４７に伝達し、該電流極性検出判定回路にて検出値の符合から出力電流値の極性を判別し電流極性の検出判定をしている（例えば、特許文献１参照）。
ところが、従来のマトリックスコンバータ装置において、図４に示すような電流極性検出判定方法を採用すると、電流検出器１２２〜１２４で検出した出力電流値をハード信号線１４８〜１５０を介して全ての単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に伝達するための配線回路が必要であり、価格、保全に負担を強いていた。また、各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０の電流極性検出判定回路１３９〜１４７にて各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０毎に電流極性検出判定を行わなければならないという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各単相マトリックスコンバータ装置毎に行っていた電流極性検出判定回路をなくし、電流極性検出判定をコントローラに集約して一括処理を行うことができると共に、電流検出器と各単相マトリックスコンバータ装置間に接続された配線回路をなくすことで誤配線を防止することができ、安価で、簡単な構成の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法および装置を提供することを目的とする。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各単相マトリックスコンバータ装置毎に行っていた電流極性検出判定回路をなくし、電流極性検出判定をコントローラに集約して一括処理を行うことができると共に、電流検出器と各単相マトリックスコンバータ装置間に接続された配線回路をなくすことで誤配線を防止することができ、安価で、簡単な構成の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法および装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたものである。
請求項１の発明は、直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法に係り、双方向スイッチのＩＧＢＴを備え出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリックスコンバータ装置と、前記単相マトリックスコンバータ装置を複数各相毎に直列に接続して、三相出力電圧を負荷側に供給するときに三相出力電流を検出する電流検出器と、前記単相マトリックスコンバータ装置と伝送路を介して各単相マトリックスコンバータ装置に電圧指令を伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御するコントローラと、を備えた直列多重マトリックスコンバータにおいて、前記コントローラで前記電流検出器の検出値を取得し、この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定し、前記判定に基づいて、前記双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期を前記コントローラから前記伝送路を介し各単相マトリックスコンバータ装置に伝達することを特徴としている。
請求項１の発明は、直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法に係り、双方向スイッチのＩＧＢＴを備え出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリックスコンバータ装置と、前記単相マトリックスコンバータ装置を複数各相毎に直列に接続して、三相出力電圧を負荷側に供給するときに三相出力電流を検出する電流検出器と、前記単相マトリックスコンバータ装置と伝送路を介して各単相マトリックスコンバータ装置に電圧指令を伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御するコントローラと、を備えた直列多重マトリックスコンバータにおいて、前記コントローラで前記電流検出器の検出値を取得し、この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定し、前記判定に基づいて、前記双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期を前記コントローラから前記伝送路を介し各単相マトリックスコンバータ装置に伝達することを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法において、前記コントローラで前記電流検出器から取得した検出値に基づいて出力電流の極性と極性が変わる時間を判別する際に、該取得した検出値の符合から出力電流値の極性を判別し、取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び、前記単相マトリックスコンバータ装置と前記コントローラの伝送周期から出力電流の極性が変わる時間を算出することを特徴としている。
また、請求項３の発明は、直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定装置に係り、双方向スイッチのＩＧＢＴを備え出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリックスコンバータ装置と、前記単相マトリックスコンバータ装置を複数各相毎に直列に接続して、三相出力電圧を負荷側に供給するときに三相出力電流を検出する電流検出器と、前記単相マトリックスコンバータ装置と伝送路を介して各単相マトリックスコンバータ装置に電圧指令を伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御するコントローラと、を備えた直列多重マトリックスコンバータにおいて、前記コントローラは、前記電流検出器の検出値を取得したときに、この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定する電流極性検出判定回路を内部に備え、前記電流極性検出判定回路の判定に基づいて、前記双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期を前記コントローラから前記伝送路を介し各単相マトリックスコンバータ装置に伝達するようにしたことを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項３記載の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定装置において、前記電流極性検出判定回路は、取得した検出値の符合から出力電流値の極性を判別し、取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び、前記単相マトリックスコンバータ装置と前記コントローラの伝送周期から出力電流の極性が変わる時間を算出する機能を有するものであることを特徴としている。
請求項１および請求項３に記載の発明によると、電流検出器で検出した出力電流値をハード信号線を介して全ての単相マトリックスコンバータ装置に伝達するための配線回路を削除することにより価格を削減でき、配線作業が不要になり誤配線等による事故を防ぎ保全性を向上させることができる。
また、請求項２および請求項４に記載の発明によると、各単相マトリックスコンバータ装置の電流極性検出判定回路を削除でき、各単相マトリックスコンバータ装置毎に行っていた電流極性検出判定をコントローラに集約して一括して行うことができ処理を簡素化できる。
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図１は、本発明の実施例を示す直列多重マトリックスコンバータの構成図である。
図１において、１５１は電流極性検出判定回路、１２５〜１２７はハード信号線である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、コントローラ１３７は、電流検出器１２２〜１２４の検出値を取得したときに、この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定する電流極性検出判定回路１５１を内部に備え、電流極性検出判定回路１５１の判定に基づいて、双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期をコントローラ１３７から伝送路１２８〜１３６を介し各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に伝達するようにした点である。
また、電流極性検出判定回路１５１は、取得した検出値の符合から出力電流値の極性を判別し、取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び、単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０とコントローラ１３７の伝送周期から出力電流の極性が変わる時間を算出する機能を有している。
図１において、１５１は電流極性検出判定回路、１２５〜１２７はハード信号線である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、コントローラ１３７は、電流検出器１２２〜１２４の検出値を取得したときに、この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定する電流極性検出判定回路１５１を内部に備え、電流極性検出判定回路１５１の判定に基づいて、双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期をコントローラ１３７から伝送路１２８〜１３６を介し各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に伝達するようにした点である。
また、電流極性検出判定回路１５１は、取得した検出値の符合から出力電流値の極性を判別し、取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び、単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０とコントローラ１３７の伝送周期から出力電流の極性が変わる時間を算出する機能を有している。
次に動作について説明する。
図２は直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法に関するフローチャートである。
コントローラ１３７に電流極性検出判定回路１５１を装備した直列多重マトリックスコンバータにおいては、コントローラ１３７から各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０には電圧指令が伝達されると共に、直列多重主回路部１２１から負荷側の交流電動機１３８に対して供給する三相出力電圧を制御するようになっており、電流検出器１２２〜１２４が負荷側の交流電動機１３８に供給される三相出力電流を検出すると（ステップＳＴ１）、該電流検出器で検出した出力電流値はハード信号１２５〜１２７を介してコントローラ１３７に伝達される（ステップＳＴ２）。そして、コントローラ１３７で電流検出器１２２〜１２４の検出値を取得した後（ステップＳＴ３）、電流極性検出判定回路１５１にて、該取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定し（ステップＳＴ４）、該判定に基づいて、双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期をコントローラ１３７から伝送路１２８〜１３６を介し各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に伝達する（ステップＳＴ５）。
ここで、出力電流値の極性は取得した検出値の符合から判別し、出力電流の極性が変わる時間は取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び単相マトリックスコンバータ装置とコントローラの伝送周期から算出するようになっており、電流極性検出判定の具体例は以下に説明する。
図２は直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法に関するフローチャートである。
コントローラ１３７に電流極性検出判定回路１５１を装備した直列多重マトリックスコンバータにおいては、コントローラ１３７から各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０には電圧指令が伝達されると共に、直列多重主回路部１２１から負荷側の交流電動機１３８に対して供給する三相出力電圧を制御するようになっており、電流検出器１２２〜１２４が負荷側の交流電動機１３８に供給される三相出力電流を検出すると（ステップＳＴ１）、該電流検出器で検出した出力電流値はハード信号１２５〜１２７を介してコントローラ１３７に伝達される（ステップＳＴ２）。そして、コントローラ１３７で電流検出器１２２〜１２４の検出値を取得した後（ステップＳＴ３）、電流極性検出判定回路１５１にて、該取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定し（ステップＳＴ４）、該判定に基づいて、双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期をコントローラ１３７から伝送路１２８〜１３６を介し各単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０に伝達する（ステップＳＴ５）。
ここで、出力電流値の極性は取得した検出値の符合から判別し、出力電流の極性が変わる時間は取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び単相マトリックスコンバータ装置とコントローラの伝送周期から算出するようになっており、電流極性検出判定の具体例は以下に説明する。
図３は、コントローラ１３７の電流極性検出判定回路１５１で取得した出力電流検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間Ｔａを判別する処理方法を示す図であって、電流極性が正から負に変わる場合を例として示したものである。
はじめに、取得した検出値Ｉａの符合から、Ｉａ＞０の場合は極性は正として、Ｉａ＜０の場合は極性は負として判別し、Ｉａ＝０の場合は、出力電流の極性が変わる時間Ｔａが零となる時である。図３では、Ｉａ＞０となるので電流極性は正として判別する。つぎに、取得した検出値の大きさ｜Ｉａ｜とその時の出力周波数Ｆｏｕｔ、及び、単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０と前記コントローラ１３７の伝送周期Ｔｂから出力電流の極性が変わる時間Ｔａを算出する。
ここで、図３に示すように伝送周期Ｔｂが極めて小さいとして、伝送周期Ｔｂ間の正弦波形の振幅Ｉｍが同じとし、検出値を取得した時の位相をθとすれば、Ｉａ＝Ｉｍ×ｓｉｎθで表現できる。
また、検出値を取得した時から伝送周期Ｔｂ間で進む位相Δθは、出力周波数Ｆｏｕｔと伝送周期ＴｂからΔθ＝２π×Ｆｏｕｔ×Ｔｂで求まり、検出値を取得した時から伝送周期Ｔｂ経過した時点での電流値Ｉｂは、Ｉｂ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（θ＋Δθ）で表現できる。
また、図３に示すようにＩａとＩｂを直線で結び、伝送周期Ｔｂ間の正弦波形を直線で近似すると、図３に示すような三角形の比の関係となり、出力電流の極性が変わる時間Ｔａは、Ｔａ＝（｜Ｉａ｜×Ｔｂ）／（｜Ｉａ｜＋｜Ｉｂ｜）で算出できる。
はじめに、取得した検出値Ｉａの符合から、Ｉａ＞０の場合は極性は正として、Ｉａ＜０の場合は極性は負として判別し、Ｉａ＝０の場合は、出力電流の極性が変わる時間Ｔａが零となる時である。図３では、Ｉａ＞０となるので電流極性は正として判別する。つぎに、取得した検出値の大きさ｜Ｉａ｜とその時の出力周波数Ｆｏｕｔ、及び、単相マトリックスコンバータ装置１１２〜１２０と前記コントローラ１３７の伝送周期Ｔｂから出力電流の極性が変わる時間Ｔａを算出する。
ここで、図３に示すように伝送周期Ｔｂが極めて小さいとして、伝送周期Ｔｂ間の正弦波形の振幅Ｉｍが同じとし、検出値を取得した時の位相をθとすれば、Ｉａ＝Ｉｍ×ｓｉｎθで表現できる。
また、検出値を取得した時から伝送周期Ｔｂ間で進む位相Δθは、出力周波数Ｆｏｕｔと伝送周期ＴｂからΔθ＝２π×Ｆｏｕｔ×Ｔｂで求まり、検出値を取得した時から伝送周期Ｔｂ経過した時点での電流値Ｉｂは、Ｉｂ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（θ＋Δθ）で表現できる。
また、図３に示すようにＩａとＩｂを直線で結び、伝送周期Ｔｂ間の正弦波形を直線で近似すると、図３に示すような三角形の比の関係となり、出力電流の極性が変わる時間Ｔａは、Ｔａ＝（｜Ｉａ｜×Ｔｂ）／（｜Ｉａ｜＋｜Ｉｂ｜）で算出できる。
本発明は上記構成にしたので、従来、各単相マトリックスコンバータ装置毎に行っていた電流極性検出判定回路をなくし、電流極性検出判定をコントローラに集約して一括処理を行うことができると共に、また、電流検出器と各単相マトリックスコンバータ装置間に接続された配線回路をなくすことで誤配線を防止することができ、安価で、簡単な構成の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法を得ることができる。
ハード信号線の配線回路を減らすことで、価格の削減ができ、また、配線作業が不要になり誤配線等による事故を防ぎ保全性を向上させることができる。また、各単相マトリックスコンバータ装置の電流極性検出判定回路を削除することで、これまで各単相マトリックスコンバータ装置毎にそれぞれで行っていた電流極性検出判定をコントローラに集約して一括して行うことで処理を簡素化できる。
１００ 三相交流電源
１０１ 三相トランス
１０２ 一次巻線
１０３〜１１１ 二次巻線
１１２〜１２０ 単相マトリックスコンバータ装置
１２１ 直列多重主回路部
１２２〜１２４ 電流検出器
１２５〜１２７ ハード信号線
１２８〜１３６ 伝送路
１３７ コントローラ
１３８ 交流電動機
１５１ 電流極性検出判定回路
ｒ、ｓ、ｔ 三相交流端子
ａ、ｂ 単相交流端子
１０１ 三相トランス
１０２ 一次巻線
１０３〜１１１ 二次巻線
１１２〜１２０ 単相マトリックスコンバータ装置
１２１ 直列多重主回路部
１２２〜１２４ 電流検出器
１２５〜１２７ ハード信号線
１２８〜１３６ 伝送路
１３７ コントローラ
１３８ 交流電動機
１５１ 電流極性検出判定回路
ｒ、ｓ、ｔ 三相交流端子
ａ、ｂ 単相交流端子
Claims (4)
- 双方向スイッチのＩＧＢＴを備え出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリックスコンバータ装置と、
前記単相マトリックスコンバータ装置を複数各相毎に直列に接続して、三相出力電圧を負荷側に供給するときに三相出力電流を検出する電流検出器と、
前記単相マトリックスコンバータ装置と伝送路を介して各単相マトリックスコンバータ装置に電圧指令を伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御するコントローラと、
を備えた直列多重マトリックスコンバータにおいて、
前記コントローラで前記電流検出器の検出値を取得し、
この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定し、
前記判定に基づいて、前記双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期を前記コントローラから前記伝送路を介し各単相マトリックスコンバータ装置に伝達することを特徴とする直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法。 - 前記コントローラで前記電流検出器から取得した検出値に基づいて出力電流の極性と極性が変わる時間を判別する際に、該取得した検出値の符合から出力電流値の極性を判別し、取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び、前記単相マトリックスコンバータ装置と前記コントローラの伝送周期から出力電流の極性が変わる時間を算出することを特徴とする請求項１記載の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定方法。
- 双方向スイッチのＩＧＢＴを備え出力電流方向により双方向スイッチのオン／オフのタイミングを操作し三相交流電源を単相交流電圧に変換する単相マトリックスコンバータ装置と、
前記単相マトリックスコンバータ装置を複数各相毎に直列に接続して、三相出力電圧を負荷側に供給するときに三相出力電流を検出する電流検出器と、
前記単相マトリックスコンバータ装置と伝送路を介して各単相マトリックスコンバータ装置に電圧指令を伝達し、負荷側に供給する三相出力電圧を制御するコントローラと、
を備えた直列多重マトリックスコンバータにおいて、
前記コントローラは、前記電流検出器の検出値を取得したときに、この取得した検出値から出力電流の極性と極性が変わる時間を判定する電流極性検出判定回路を内部に備え、
前記電流極性検出判定回路の判定に基づいて、前記双方向スイッチのオン／オフのタイミング時期を前記コントローラから前記伝送路を介し各単相マトリックスコンバータ装置に伝達するようにしたことを特徴とする直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定装置。 - 前記電流極性検出判定回路は、取得した検出値の符合から出力電流値の極性を判別し、取得した検出値の大きさとその時の出力周波数、及び、前記単相マトリックスコンバータ装置と前記コントローラの伝送周期から出力電流の極性が変わる時間を算出する機能を有するものであることを特徴とする請求項３記載の直列多重マトリックスコンバータの電流極性検出判定装置。
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2004
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