JP4650099B2 - 交流交流直接変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を可変速駆動するマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換装置の制御方法に関する。

図３は、この種の直接変換装置として周知のマトリクスコンバータを用いた電動機の可変速駆動システムを示している。
図３において、１は三相交流電源、２はフィルタリアクトル、３はフィルタコンデンサ、４はマトリクスコンバータ、５は電動機である。マトリクスコンバータ４は、例えばＩＧＢＴを２個逆並列に接続して電流を双方向に制御可能とした交流スイッチＳＷ１〜ＳＷ９を、三相各相の入出力間（入力側の各相をＲ，Ｓ，Ｔ相、出力側の各相をＵ，Ｖ，Ｗ相とする）に接続して構成されている。このマトリクスコンバータ４は、大形のエネルギーバッファを用いることなく、三相交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する三相交流電圧に直接変換するものである。

さて、一般に電力変換装置を用いて電動機を可変速駆動する場合、電動機の磁束を一定に保つことを目的として、出力電圧と出力周波数との比率（Ｖ／ｆ）を一定に保つように電力変換装置を制御することが良く行われる。
ここで、マトリクスコンバータは、各相入力電圧の正方向及び負方向の電圧を発生可能であり、電源電圧を交流スイッチにより直接切り出して電圧を出力するので、出力可能な電圧の範囲は、図４に示す６相交流の包絡線範囲内となる。

しかし、マトリクスコンバータにより電動機を駆動する場合、マトリクスコンバータの出力電圧の大きさによっては出力電圧波形に歪みを生じる場合がある。すなわち、電動機の運転状態に応じて、電源電圧の正負ピーク値間の大きさの０．８６６倍（図４における斜線範囲）を超える電圧をマトリクスコンバータが出力しようとする場合には、図４に線間電圧Ｖuvとして太線で示すように出力電圧に歪みが生じ、これにより電動機トルクが脈動して回転ムラによる騒音や振動が発生する。

このため、マトリクスコンバータが、上述した０．８６６倍以下である図４の斜線範囲、つまり、歪みなく出力し得る電圧の限界値（以下、飽和電圧という）を超えた電圧を出力する必要が生じた場合には、電動機をいわゆる弱め界磁制御することで、電動機に歪んだ電圧を印加することなくその可変速駆動を行っている。ここで、弱め界磁制御とは、電動機の電流を電動機磁束と平行な成分（磁束電流成分またはｄ軸電流成分）と直交する成分（トルク電流成分またはｑ軸電流成分）とに分離し、磁束とトルクをそれぞれ独立して制御するベクトル制御において、高速度領域で磁束電流成分を弱めて電力変換装置の出力電圧をほぼ一定に制御することにより、電動機の速度制御範囲を拡げる制御方法である。
なお、後述する特許文献１には、この弱め界磁制御方法が記載されている。

図５は、従来技術として、弱め界磁制御を適用した場合におけるマトリクスコンバータの出力周波数に対する出力電圧の関係を示す一例である。
図示するように、通常の制御では、例えば出力周波数に比例して出力電圧も増加していくが、出力周波数の増加に伴ってマトリクスコンバータが飽和電圧以上の電圧を出力する必要が生じると、出力電圧を飽和電圧に固定し、マトリクスコンバータの出力周波数のみを上昇させることで電動機の弱め界磁制御を行い、電動機の可変速駆動を実現している。

特開平１１−１７８３９９号公報（段落［０００５］〜［００１０］、図１〜図５等）

ところで、前述した特許文献１にも記載されているように、弱め界磁制御を行う場合にはｄ軸電流を負方向に増加させる必要があり、結果として従来よりも電動機電流が増加することとなってマトリクスコンバータや電動機の損失が増加するという欠点がある。
ここで、電動機の定格電圧がマトリクスコンバータの飽和電圧以上であり、また、電動機の運転パターンが、電動機の回転速度が定格回転速度まで上昇したら定格回転速度を維持するような運転パターンである場合には、定格回転速度領域では弱め界磁制御を適用し続けることになるため、電動機電流の増加に伴ってマトリクスコンバータを構成するスイッチング素子の電流定格を増加させる必要が生じ、これがコスト上昇の原因になるという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、電動機の定格電圧がマトリクスコンバータ等の直接変換装置の飽和電圧以上である場合にも、電動機電流を増加させないようにして直接変換装置の電流定格を下げ、コストの低減を可能にした交流交流直接変換装置の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、三相の入出力間に接続された９個の交流スイッチにより三相交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する三相交流電圧に直接変換して電動機に供給する交流交流直接変換装置の制御方法において、
前記変換装置の第１入力相と第１出力相とを接続する１個の交流スイッチをオン状態にて保持し、第１入力相，第２入力相と第２出力相とをそれぞれ接続する２個の交流スイッチを交互にオンオフさせ、更に、第１入力相，第３入力相と第３出力相とをそれぞれ接続する別の２個の交流スイッチを交互にオンオフさせるものである。

請求項２に記載した発明は、所定の周波数領域において前記変換装置の飽和電圧以上の電圧を出力させる場合には弱め界磁制御を行うように出力電圧を制御し、かつ、前記変換装置の出力周波数が電源周波数に一致する場合には請求項１に記載した制御方法を用いて前記変換装置を制御するものである。

本発明は、特に、マトリクスコンバータ等の直接変換装置により駆動される電動機の定格電圧が直接変換装置の入力電源電圧以下であって直接変換装置の飽和電圧以上であり、また、電動機の定格周波数が直接変換装置の入力電源周波数と同一である場合に有効である。このような条件のもとでは、本発明により、電動機を定格電圧、定格周波数にて運転する場合に、従来のように弱め界磁制御を適用する必要がないため、電動機電流が不要に増加するおそれがなく、直接変換装置の電流定格を必要以上に大きくする必要がなくなる。よって、直接変換装置を構成する半導体スイッチング素子の電流定格を小さくすることが可能になり、コストの低減を図ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示すものであり、図３のマトリクスコンバータ４を構成する各交流スイッチＳＷ１〜ＳＷ９のオンオフパターンの一例を示したものである。

図１に示すように、本実施形態では、マトリクスコンバータ４の入力側のＳ相と出力側のＶ相とを接続する交流スイッチＳＷ５をオン状態にて保持し、入力側のＲ相，Ｓ相と出力側のＵ相とをそれぞれ接続する交流スイッチＳＷ１，ＳＷ２を交互にオンオフさせると共に、入力側のＳ相，Ｔ相と出力側のＷ相とをそれぞれ接続する交流スイッチＳＷ８，ＳＷ９を同様に交互にオンオフさせる。なお、ここでは、交流スイッチＳＷ１，ＳＷ９のオンオフパターン、交流スイッチＳＷ２，ＳＷ８のオンオフパターンは何れも同一となっているが、本願発明はこれに限定されるものではない。つまり、オンオフパターンは同一でなくても良い。

このようなパルスパターンとした場合、出力の線間電圧の周波数を電源周波数と一致させ、かつ、交流スイッチＳＷ１，ＳＷ２または交流スイッチＳＷ８，ＳＷ９のオンオフ比率に応じた大きさの線間電圧を出力させることができる。
例えば、定格周波数が電源周波数と同一であり、定格電圧が電源電圧以下であってマトリクスコンバータ４の飽和電圧以上であるような電動機５をマトリクスコンバータ４により可変速駆動する場合に、図１のようなパルスパターンを用いてマトリクスコンバータ４を交流チョッパの如くスイッチングすることにより、弱め界磁制御を行うことなく電動機５に所定の電流を供給することができる。従って、電動機電流の増加を抑制し、マトリクスコンバータ４を構成する半導体スイッチング素子の電流定格を下げてコストの低減を図ることができる。

なお、オン状態を保持する交流スイッチやオンオフを繰り返す交流スイッチは、図１の例に何ら限定されるものではない。すなわち、マトリクスコンバータ４の入力側の各相を任意の第１〜第３入力相、出力側の各相を任意の第１〜第３出力相とした場合、第１入力相と第１出力相とを接続する１個の交流スイッチをオン状態にて保持し、第１入力相，第２入力相と第２出力相とをそれぞれ接続する２個の交流スイッチを交互にオンオフさせ、更に、第１入力相，第３入力相と第３出力相とをそれぞれ接続する別の２個の交流スイッチを交互にオンオフさせれば良い。
例えば、図３におけるＲ相とＵ相とを接続する交流スイッチＳＷ１をオン状態にて保持し、Ｒ相，Ｓ相とＶ相とをそれぞれ接続する交流スイッチＳＷ４，ＳＷ５を交互にオンオフさせると共に、Ｒ相，Ｔ相とＷ相とをそれぞれ接続する交流スイッチＳＷ７，ＳＷ９を交互にオンオフさせても良いし、他の組み合せでも良いことはいうまでもない。

次に、図２は本発明の第２実施形態であり、マトリクスコンバータの出力周波数に対する出力電圧の関係を示したものである。この実施形態は、従来の弱め界磁制御と第１実施形態による制御方法とを出力周波数に応じて使い分ける制御方法である。

本実施形態では、図２に示すように、マトリクスコンバータ４の出力周波数が電源周波数以下であり、かつ飽和電圧以下の電圧を出力する領域では、通常のマトリクスコンバータの制御を行い、また、電源周波数以外の周波数領域であって飽和電圧以上の電圧を出力する必要がある領域では、弱め界磁制御を行ってマトリクスコンバータの出力電圧を飽和電圧に抑える。更に、マトリクスコンバータ４の出力周波数が電源周波数と同一である場合には、弱め界磁制御を行わずに先の第１実施形態による制御方法を適用することにより、出力電圧を調整しつつ電動機を可変速制御するものである。

なお、図２における弱め界磁制御領域では、マトリクスコンバータの出力電圧を飽和電圧に固定して出力周波数のみを変化させているが、弱め界磁制御をこのような制御方法に限定するものではなく、出力電圧と周波数との関係が別の関係になるような弱め界磁制御を用いても良い。同じく、弱め界磁制御領域より低周波域の通常の制御領域においても、出力電圧が出力周波数に比例する関係以外の別の関係になっても良い。

上記のように、この第２実施形態によれば、電源周波数を超える周波数領域にわたって弱め界磁制御が継続されることがなくなるので、電動機電流の増加に起因するマトリクスコンバータ４の電流定格の上昇を抑制することができる。

本発明の第１実施形態におけるパルスパターンの説明図である。 本発明の第２実施形態におけるマトリクスコンバータの出力周波数と出力電圧との関係を示す図である。 マトリクスコンバータを用いた電動機の可変速駆動システムを示す図である。 マトリクスコンバータの出力電圧の波形図である。 弱め界磁制御を適用した場合におけるマトリクスコンバータの出力周波数と出力電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１：三相交流電源
２：フィルタリアクトル
３：フィルタコンデンサ
４：マトリクスコンバータ
５：電動機
ＳＷ１〜ＳＷ９：交流スイッチ

Claims (2)

1. 三相の入出力間に接続された９個の交流スイッチにより三相交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する三相交流電圧に直接変換して電動機に供給する交流交流直接変換装置の制御方法において、
   前記変換装置の第１入力相と第１出力相とを接続する１個の交流スイッチをオン状態にて保持し、第１入力相，第２入力相と第２出力相とをそれぞれ接続する２個の交流スイッチを交互にオンオフさせ、更に、第１入力相，第３入力相と第３出力相とをそれぞれ接続する別の２個の交流スイッチを交互にオンオフさせることを特徴とした交流交流直接変換装置の制御方法。
2. 所定の周波数領域において前記変換装置の飽和電圧以上の電圧を出力させる場合には弱め界磁制御を行うように出力電圧を制御し、かつ、前記変換装置の出力周波数が電源周波数に一致する場合には請求項１に記載した制御方法を用いて前記変換装置を制御することを特徴とした交流交流直接変換装置の制御方法。

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