JP4862475B2 - 交流−交流直接変換装置のスイッチングパターン生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、単相または多相の交流電源から入力する電圧または周波数を、任意の電圧または周波数に変換して出力する交流−交流直接変換装置（マトリックスコンバータ）に係り、特に仮想入力コンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する２ｎ個の基本ベクトルおよびＰ側とＮ側に同相が接続されるｎ個の零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む２＋２ｎ種類の基本ベクトル（空間ベクトル）でスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチを制御するためのスイッチングパターン生成方法に関するものである。

従来から存在するこの種の交流−交流直接変換装置は、自己消弧形の半導体素子を用いた双方向スイッチを高速に切換え、単相または多相の交流入力を任意の電圧または周波数の電力に変換する変換装置であり、図９に基本構成を示す。三相交流電源１のＲ，Ｓ，Ｔの各相に入力フィルタ（ＩｎｐｕｔＦｉｌｔｅｒ）２と双方向スイッチＳ１〜Ｓ９構成の交流−交流直接変換回路３を介挿し、制御装置（コントローラ）４によって各双方向スイッチを電源周波数よりも十分高い周波数でＰＷＭ制御することにより、入力電圧をモータなどの負荷Ｌｏａｄに直接に印加しながら任意の電圧または周波数に制御したＵ，Ｖ，Ｗの交流出力を得る。

交流−交流直接変換装置における双方向スイッチのスイッチングパターンは、例えばキャリア振幅による変調方式の場合には、入力電圧と同期した信号となるＰＷＭコンバータパターンと、出力周波数と電圧に従って作成されるＰＷＭインバータパターンとのＡＮＤ条件で決まる。これにより、交流−交流直接変換装置の入力電流はＰＷＭコンバータパターンで制限され、出力電圧と周波数はＰＷＭインバータパターンで制御され、入力力率を「１」に保ちながら入力電流の正弦波化、出力波形の正弦波化、周波数変換動作を同時に実現する。なお、双方向スイッチは、図示のように単方向スイッチを複数用いて構成する場合もある。

ここで、交流−交流直接変換装置の制御法には、大きく分けて仮想ＤＣリンク形とＡＣ−ＡＣ直接形との２つの方式がある。仮想ＤＣリンク方式では、仮想的に直流リンクを考えて仮想入力コンバータと仮想出力インバータを独立に制御できるように工夫したもので、従来の電流形ＰＷＭコンバータ＋電圧形ＰＷＭインバータの構成に似ており、制御の考え方が容易になる。一方で、入力側と出力側の各相が１：１で全て異なる相に結線するような６つのスイッチングパターンが発生しないという制約条件がある。ＡＣ−ＡＣ直接形では、上記のスイッチングパターンに制約条件がないが、一般的にアルゴリズムが複雑となる嫌いがある。

また、ＰＷＭパターンを生成する方式としては、主にキャリア比較方式と空間ベクトル変調方式がある。キャリア比較方式は三角波キャリアと正弦波との大小比較によりＰＷＭパターンを生成するもので、仮想ＤＣリンク方式に適用したキャリア比較方式としては、仮想コンバータのキャリア及び仮想ＰＷＭパルスから仮想出力インバータキャリアを生成することで、ＰＷＭ制御のスイッチング回数を少なくかつ同数にしてスイッチング損失やノイズを低減し、出力電圧の制御精度を向上させるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

空間ベクトル変調方式は、マトリクスコンバータの各スイッチのスイッチング状態に応じて瞬時空間電流ベクトルを選択する方式であり、この選択によりスイッチングパターンが決定される。この空間ベクトル変調方式を採用した方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この空間ベクトル変調方式においては、適切なスイッチングパターンを選ぶことにより、スイッチの切り替え回数を減らし、スイッチング損失を減らしたり、負荷電流変化を小さくして出力電圧の歪みを低減することができる。

また、仮想ＤＣリンク方式で空間ベクトル変調方式を採用した手法も発表されている（例えば非特許文献２参照）。
特開２００５−１６８１９８号公報 ＡＣ−ＡＣ直接変換回路の解析法、電気学会論文誌、ＳＰＣ９７−５３ Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ Ｔｏ Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｗｉｔｈ Ｉｎｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｌ．Ｈｕｖｅｒ 他 ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ． Ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．６，１９９５

前記のように、交流−交流直接変換装置のＰＷＭパターンの生成にキャリア比較方式または空間ベクトル変調方式を採用することが前記の特許文献１や非特許文献１、２で提案されている。

しかし、特許文献１ではＰＷＭパターンの生成にキャリア比較方式を採用する場合であり、このキャリア比較方式ではＰＷＭパルスの配置順序が定められないため、空間ベクトル変調方式には適用できない。
また、非特許文献１はＡＣ−ＡＣ直接形の交流−交流直接変換装置に空間ベクトル変調方式を採用する場合であるが、仮想ＤＣリンク形の交流−交流直接変換装置には適用できない。
また、非特許文献２には仮想ＤＣリンク形の交流−交流直接変換装置に空間ベクトル変調方式で双方向スイッチをＰＷＭ制御することが提案されているが、スイッチ切り替え時の接続状態まで言及されるものでなく、スイッチングパターンによっては高調波ノイズやスイッチング回数が増大することが考えられる。

本発明の目的は、仮想入力コンバータは６つの基本ベクトルおよび３つの零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む８種類の基本ベクトルでスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチをＰＷＭ制御する交流−交流直接変換装置における、高調波ノイズやスイッチング回数の低減に優れたスイッチングパターン生成方法を提供することにある。

前記の課題を解決するための本発明は、以下の方法を特徴とする。

（１）仮想入力コンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する２ｎ個の基本ベクトルおよびＰ側とＮ側に同相が接続されるｎ個の零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む２＋２ｎ種類の基本ベクトルでスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチを制御するｎ相の交流−交流直接変換装置において、
前記合成したスイッチングパターンは、零ベクトルのスイッチングパターンを任意スイッチング周期内で１相が常に変化しないように選択して、２相変調状態に近似させることを特徴とする。

（２）仮想入力コンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する２ｎ個の基本ベクトルおよびＰ側とＮ側に同相が接続されるｎ個の零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む２＋２ｎ種類の基本ベクトルでスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチを制御するｎ相の交流−交流直接変換装置において、
前記各基本ベクトルのデューティに従ってＰＷＭ制御を行う電流・電圧空間ベクトルのデューティパルスは、前記双方向スイッチが同時に２個以上スイッチングしないように切り替える配置順序とすることを特徴とする。

（３）前記配置順序は、入力セクター情報から零ベクトルを決定し、入力セクターおよび出力セクター情報の偶数・奇数判別情報に従って決定することを特徴とする。

（４）前記デューティ指令の更新タイミング毎にデューティ指令パルスの配置順序を反転させることを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、仮想入力コンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する２ｎ個の基本ベクトルおよびＰ側とＮ側に同相が接続されるｎ個の零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む２＋２ｎ種類の基本ベクトルでスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチを制御するｎ相の交流−交流直接変換装置において、高調波ノイズやスイッチング回数の低減により、出力電圧の歪みやスイッチング損失を少なくした優れたスイッチングパターンを生成できる。

（制御法の基本的な説明）
仮想ＤＣリンク方式の交流−交流直接変換装置の制御法は、図１に示すように、本来９組のスイッチＳ１〜Ｓ９構成である変換回路を仮想電流形ＰＷＭコンバータと仮想電圧形ＰＷＭインバータの１２組のスイッチＳ１〜Ｓ１２の組み合わせとして考える。

これらスイッチＳ１〜Ｓ１２のスイッチングパターンは、図２の表で示すように、仮想電流形ＰＷＭコンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する６パターン（ＢａｓｅＶｅｃｔｏｒ：基本ベクトルｉ１〜ｉ６）、およびＰ側とＮ側に同相が接続される零ベクトル状態が３パターン（ｉ０ｒ，ｉ０ｓ，ｉ０ｔ）存在する。一方、仮想電圧形ＰＷＭインバータは、零ベクトル状態２つを含む８種類の基本ベクトル（ｖ０~ｖ７）がある。ここで、入出力の空間ベクトルセクターと基本ベクトルを図３のように定義する。図２の表における仮想コンバータは入力相電流ベクトルＩｓを基準とし、仮想出力インバータは出力線間電圧ベクトルＶｒｅｆを基準とし、どちらも反時計回りに回転するベクトルとして表現する。

次に、定義した入力側および出力側の基本ベクトルの組み合わせにおいて、仮想直流リンクのＰ、Ｎを通して接続される入力ＲＳＴ相と出力ＵＶＷ相の関係から、本来の交流−交流直接変換装置のスイッチＳ１〜Ｓ９に照らし合わせると、図４に表で示すように合成されたスイッチングパターンが求められる。

また、交流−交流直接変換装置は、入力電圧源を短絡させてはならないこと、出力誘導性負荷の電流経路を確保することから、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、スイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６と、スイッチＳ７，Ｓ８，Ｓ９の出力相ごとにまとめた３つの組み合わせで考え、それぞれの組でＯＮ状態となるスイッチは１つのみに限られるという制約条件がある。したがって、３相／３相直接変換の全スイッチングパターンは図５に表で示すように２７パターンに限られ、それらをｍｏｄｅ１〜２７として定義する。ただし、仮想ＤＣリンク方式では、ｍｏｄｅ６，８，１２，１６，２０，２２は発生しない。

図４の表で示す合成結果より、各基本ベクトルのデューティに従ってＰＷＭ制御を行い、電流・電圧空間ベクトルをスイッチング周期毎に平均的に表現するが、このスイッチング周期内におけるデューティパルスの配置法について説明する。図６は、入力および出力のベクトルとデューティの関係図である。入力の第１基本ベクトルのデューティをＡ、入力の第２基本ベクトルのデューティをＢ、出力の第１基本ベクトルのデューティをＸ、出力の第２基本ベクトルのデューティをＹとしている。仮想ＤＣリンク方式ではこれら入出力のデューティ指令を合成して最終的なデューティ指令を生成する。すなわち、それぞれのデューティを掛け合わせて、ＡＸ、ＡＹ、ＢＸ、ＢＹの４つのデューティ指令値を生成する。また、図７で示すように、合成後の零ベクトルＺを求め、１スイッチング周期におけるそれぞれのパルス発生期間を定義する。

（実施形態１）
交流−交流直接変換装置は、入力相短絡防止のため、図１におけるスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の組（Ｕ相）、スイッチＳ４、Ｓ５、Ｓ６の組（Ｖ相）、スイッチＳ７、Ｓ８、Ｓ９の組（Ｗ相）の３つの組それぞれで１つのみスイッチがＯＮになるように制御しなければならない。ＯＮ状態となる３つのスイッチの組み合わせは、前記の図５の表のとおり全２７パターンとなる。
ここで、図３で定義した入力ベクトルセクターが「Ｉ」、出力ベクトルセクターも「Ｉ」のときを例に挙げる。入力セクターＩなので、入力第１基本ベクトルはｉ６、入力第２基本ベクトルはｉ１となる。一方、出力セクターもＩなので、出力第１基本ベクトルはｖ６、出力第２基本ベクトルはｖ１となる。よって、図５の表より、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のスイッチ接続状態の組み合わせは、「１、５、７」「１、５、８」「１、６、７」「１、６、９」であり、デューティ指令（ＡＸ、ＡＹ、ＢＸ、ＢＹ）との関係は、「１、５、７」＝ＡＸ、「１、５、８」＝ＡＹ、「１、６、７」＝ＢＸ、「１、６、９」＝ＢＹとなる。また、残る零ベクトル指令Ｚのスイッチング状態は「１、４、７」「２、５、８」「３、６、９」の３つのどれでも良い。
そこで、本実施形態では、零ベクトル指令を選択する方法として、他の４つのデューティ指令を見てＯＮ状態で変化しないスイッチに合わせて選択する。すなわち、上記のセクター「Ｉ−Ｉ」の組み合わせ例では、スイッチ「１」が常にＯＮとなっているので、零ベクトルも「１、４、７」の組み合わせを選択して、そのセクター内では「１」が常時ＯＮとなるようにパターンを決定する。他のセクター状態においても、１相がスイッチングしないような組み合わせを選択できるため、入出力のセクター状態に合わせて零相ベクトルも変更すればよい。これは、一般的なインバータ制御に当てはめると「２相変調」を行っている状態に近似できる。

したがって、本実施形態では、零相ベクトルのスイッチングパターンを任意スイッチング周期内で１相が常に変化しないように選択し、１相分のスイッチングを行わないでも制御できる２相変調状態に近似させることでスイッチング回数を低減する。

（実施形態２）
図８の表は、入力および出力の空間ベクトルセクターと、各入出力セクター組み合わせにおいて、９区間対称配置の片側５つの合成デューティ配置順序を示している。例として、入力セクターＩで出力セクターＩのとき、９区間はＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚ→ＢＹ→ＢＸ→ＡＸ→ＡＹの順序で対称的に配置されることを意味する。ただし、実際はＺを２分して５区間＋５区間の繰り返しを行っており、デューティ更新も５区間ごとのタイミングで行っている。

図８の表の説明として、実施形態１と同様に入力ベクトルセクターが「Ｉ」、出力ベクトルセクターも「Ｉ」のときを例に挙げる。このときのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング状態は、「１、５、８」「１、５、７」「１、６、７」「１、６、９」と、零ベクトル「３、６、９」の５組となっている。スイッチング状態とデューティ指令５種の組み合わせを対応させると、「１、５、８」＝ＡＹ、「１、５、７」＝ＡＸ、「１、６、７」＝ＢＸ、「１、６、９」＝ＢＹ、「３、６、９」＝Ｚということになる。図８の表中、セクター「Ｉ―Ｉ」の欄でもこの順で表記しており、各デューティ指令がスイッチングする順序もこれに従うことを意味している。
本実施形態では、実施形態１とは異なり、零相ベクトル「３、６、９」を選択して、スイッチング順序をＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚとしている。図８の表中、スイッチング切り替わりに着目すると、スイッチが２つ以上同時に切り替わらないように順序が決定されていることが分かる。セクター「Ｉ−Ｉ」の組み合わせでは、「１、５、８」→「１、５、７」→「１、６、７」→「１、６、９」→「３、６、９」となり、どの切り替わり時も変化するのは１つのスイッチのみである。
したがって、本実施形態では、デューティ指令パルスの切り替わりにおいて、スイッチが同時に２個以上スイッチングしないようにパルス配置順序とする（またはテーブル化する）。これにより、同時スイッチングによる高調波ノイズの影響を低減するとともに、１スイッチング周期におけるスイッチング回数を低減する。

（実施形態３）
上記の実施形態２の手法によれば、任意セクターにおける１スイッチング周期内で同時スイッチングを防止することができるが、図８の表中、入出力セクターの組み合わせとスイッチング順序の関係および零ベクトルの選択状況を見ると、一定の決まりがある。すなわち、零ベクトルは入力セクター情報のみから決定することができ、スイッチング順序は「ＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚ」もしくは「ＡＸ→ＡＹ→ＢＹ→ＢＸ→Ｚ」の２パターンであり、この切り替え方法は、入出力セクターが「偶数」か「奇数」か判別して組み合わせが「偶・偶」「奇・奇」の場合は「ＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚ」となり、「偶・奇」「奇・偶」の場合は「ＡＸ→ＡＹ→ＢＹ→ＢＸ→Ｚ」となることが分かる。

よって、本実施形態では、図８の表のようなテーブルをすべて展開することなく、入力セクターおよび出力セクター状態からロジカルにデューティ指令パルス配置順序を決定することができる。

したがって、本実施形態によれば、実施形態２のテーブルをすべて展開することなく、入力セクター情報から零相ベクトルを決定し、入力セクターおよび出力セクター情報の偶数・奇数判別情報から配列順を決定することで、実施形態２の効果に加えてテーブルの展開が少なく制御速度を向上できる。

（実施形態４）
上記の実施形態２または実施形態３のパルス配置順序は１スイッチング周期内ではスイッチングが２回以上同時に発生することがないが、繰り返し、同じセクター内にあったとして、次のスイッチング周期が開始されたとすると、例えば「ＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚ→ＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚ…」となり、このうち「Ｚ→ＡＹ」で示す周期２回目に移行する際のスイッチングで必ずしも同時スイッチングが防止できるとは限らない。例として入出力セクター「Ｉ−Ｉ」の組み合わせの時、図８の表より「Ｚ→ＡＹ」の切り替わりは、「３、６、９」→「１、５、８」であるため、同時に３個すべてのスイッチが動作してしまう。これは、高調波の発生やスイッチング回数・損失増加に繋がり好ましくない。

そこで、本実施形態では、デューティ指令の更新タイミングごとにパルス配列順序を反転させるように繰り返す。すなわち、「ＡＹ→ＡＸ→ＢＸ→ＢＹ→Ｚ→Ｚ→ＢＹ→ＢＸ→ＡＸ→ＡＹ→ＡＹ→ＡＸ…」といった順で反転しながら繰り返す。

したがって、本実施形態は、スイッチング周期が同一セクターで繰り返される場合を想定して、デューティ指令更新タイミング毎にデューティ指令パルス配置順序を反転させる。これにより、実施形態２、３の効果に加えて、スイッチング周期が繰り返されても同時スイッチングの問題を引き起こすことなく、スイッチング回数および高調波低減を実現できる。

仮想ＤＣリンク方式の交流−交流直接変換装置の等価回路図。 仮想変換器のスイッチングパターンの表。 空間ベクトルセクターと基本ベクトル図。 仮想スイッチングパターンの合成結果の表。 スイッチングモード２７パターンの表。 入力および出力のベクトルとデューティの関係図。 １スイッチング周期でのパルス発生期間の図。 各セクター状態における合成デューティ配列順序の表。 交流−交流直接変換装置の基本構成図。

符号の説明

１ 交流電源
２ 入力ＬＣフィルタ
３ 交流−交流直接変換回路
４ 制御装置

Claims (4)

1. 仮想入力コンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する２ｎ個の基本ベクトルおよびＰ側とＮ側に同相が接続されるｎ個の零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む２＋２ｎ種類の基本ベクトルでスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチを制御するｎ相の交流−交流直接変換装置において、
   前記合成したスイッチングパターンは、零ベクトルのスイッチングパターンを任意スイッチング周期内で１相が常に変化しないように選択して、２相変調状態に近似させることを特徴とするスイッチングパターン生成方法。
2. 仮想入力コンバータは仮想直流リンクのＰ側とＮ側にそれぞれ異なる任意の入力相を接続する２ｎ個の基本ベクトルおよびＰ側とＮ側に同相が接続されるｎ個の零ベクトルを組み合わせてスイッチングパターンを生成し、仮想出力インバータは２つの零ベクトルを含む２＋２ｎ種類の基本ベクトルでスイッチングパターンを生成し、これらパターンを合成したスイッチングパターンで各双方向スイッチを制御するｎ相の交流−交流直接変換装置において、
   前記各基本ベクトルのデューティに従ってＰＷＭ制御を行う電流・電圧空間ベクトルのデューティパルスは、前記双方向スイッチが同時に２個以上スイッチングしないように切り替える配置順序とすることを特徴とするスイッチングパターン生成方法。
3. 前記配置順序は、入力セクター情報から零ベクトルを決定し、入力セクターおよび出力セクター情報の偶数・奇数判別情報に従って決定することを特徴とする請求項２に記載のスイッチングパターン生成方法。
4. 前記デューティ指令の更新タイミング毎にデューティ指令パルスの配置順序を反転させることを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチングパターン生成方法。