JP5013283B2 - マトリクスコンバータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流を直流に変換することなく直接変換により交流出力を得るマトリクスコンバータの制御装置に関する。

従来のマトリクスコンバータは、主回路に半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴを使用している。半導体スイッチング素子を使用する場合、スイッチング動作に伴い発生するサージ電圧で半導体スイッチング素子が破壊するのを防ぐため、サージ電圧を吸収するスナバ回路を設けている。

第１の従来技術によるマトリクスコンバータの制御装置は、マトリクスコンバータのスイッチングに伴い、マトリクスコンバータの入力側及び出力側に発生するサージ電圧は共に、整流回路を通してコンデンサに充電電流を流すことでそのピーク値が低く抑えられ、またこのときコンデンサに蓄えられたエネルギーは、電圧検出回路で検出された直流電圧があらかじめ定めた一定値を超えたときに片方向半導体スイッチを投入して抵抗で消費され、以上の動作によりマトリクスコンバータの半導体スイッチング素子の破壊が防止される、スナバ回路を備えているものである（例えば特許文献１）。

第２の従来技術によるマトリクスコンバータの制御装置は、電圧検出回路で検出された直流電圧があらかじめ定めた一定値以下であれば、入力側スナバ回路の半導体スイッチをオフし、三相ダイオードブリッジとして動作させ、直流電圧が一定値を超えた場合、電源側スナバ回路のトランジスタをスイッチングし、コンデンサに蓄積されたエネルギーが電源側に回生され、以上の動作によりマトリクスコンバータの半導体スイッチング素子の破壊が防止されるスナバ回路を備えているものである（例えば特許文献２）。

このように、従来のマトリクスコンバータの制御装置は、スナバ回路のコンデンサでスイッチングに伴うサージエネルギーを吸収し、さらにコンデンサに蓄えられたエネルギーを抵抗で消費するあるいは電源に回生することにより、サージ電圧を低減し、半導体スイッチング素子の破壊を防止している。

特開２０００−１３９０７６（第５頁（図５）） 特開２００６−１２９６１４（第３〜４頁（図１））

従来のマトリクスコンバータ装置では、電動機を減速したり、あるいは回生負荷を駆動したりした場合に発生する回生電流が入力側に流れ出す。この回生電流は本来であれば入力に接続された電源に流れ込むものであるが、入力フィルタのコンデンサに流れ込み、コンデンサの端子電圧を上昇させる。コンデンサの端子電圧の上昇に伴い、もしコンデンサ端子の線間電圧がスナバ回路の直流電圧を超えた場合は、スナバ回路の入力側整流回路を通して回生電流がスナバコンデンサにも流れ込み、直流電圧を上昇させる。このように従来のマトリクスコンバータでは回生運転時の電圧上昇に対処するため、入力フィルタやスナバ回路の耐圧を高くするか、あるいは第１の従来技術によるスナバ回路ではスナバ放電抵抗の容量を、また第２の従来技術によるスナバ回路ではトランジスタの容量を増大して電圧上昇を抑制するといった対策を取る必要を生じていた。これによりこれらの回路素子が大型化・重量化することで、マトリクスコンバータ装置全体も大型化・重量化し、またコストが増大するといった問題があった。
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、回生運転時の電圧上昇を抑制し、入力フィルタ及びスナバ回路のコンデンサの耐圧を低くし、スナバ回路素子（抵抗またはトランジスタ等）の容量を小さくすることが可能なマトリクスコンバータの制御装置を提供する。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
・ 請求項１に記載の発明は、３相交流電源に接続される１次巻線および複数の２次巻線を有する変圧器と、双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記変圧器を介して前記３相交流電源を入力して単相交流を出力する単相マトリクスコンバータと、駆動する回生運転となりうる負荷の各相毎に、複数台の前記単相マトリクスコンバータを直列接続した直列多重マトリクスコンバータの制御装置であって、直列多重マトリクスコンバータの出力相電圧に対する出力相電圧指令から前記単相マトリクスコンバータ毎の電圧指令である各個電圧指令を生成する各個電圧指令部と、前記単相マトリクスコンバータ毎に設けられ、前記直流電圧検出値が予め設定された設定電圧値を超える場合に、直流電圧過大信号を出力する直流電圧過大検出部と、前記直流電圧過大信号が発生時、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、相当する前記単相マトリクスコンバータに対する前記各個電圧指令を小さくする電圧指令補正部と、を備え、前記各個電圧指令もしくは補正した各個電圧指令に応じて前記単相マトリクスコンバータを制御して、前記負荷を駆動することを特徴とする直列多重マトリクスコンバータの制御装置とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記電圧指令補正部が、各単相マトリクスコンバータ毎に、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差を求める第１の減算器と、前記偏差に比例定数を掛け合わせる第１の比例増幅器と、前記各個電圧指令から前記第１の比例増幅器の出力を減算する第２の減算器と、前記第１の比例増幅器の出力を前記直流電圧過大信号に応じて入り切りするスイッチと、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、３相交流電源に接続される１次巻線および複数の２次巻線を有する変圧器と、双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記変圧器を介して前記３相交流電源を入力して単相交流を出力する単相マトリクスコンバータと、駆動する３相電動機の各相毎に、複数台の前記単相マトリクスコンバータを直列接続した直列多重マトリクスコンバータの制御装置であって、前記３相電動機への出力電流を検出して出力電流検出値を出力する出力電流検出部と、前記直列多重マトリクスコンバータの出力相電圧に対する出力相電圧指令と前記出力電流検出値とに基づいて出力電圧と出力電流との位相差を算出すると共に、前記直列多重マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力する回生運転判定部と、前記判定結果が回生運転、かつ前記直流電圧検出値が前記設定電圧値より大きい場合、相当する前記単相マトリクスコンバータにおける前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、前記３相電動機が出力するトルクに対するトルク指令を、前記トルクを小さくする新たなトルク指令に変更して出力するトルク指令制限部と、前記新たなトルク指令から前記出力相電圧指令を生成する前記出力電圧指令部と、を備えたことを特徴とする直列多重マトリクスコンバータの制御装置とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記回生運転判定部は、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値をそれぞれ出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルに変換するベクトル変換部と、前記出力電圧ベクトルと前記出力電流ベクトルの成す角を演算し、該成す角を出力電圧指令と出力電流の位相差とする位相差演算部と、前記位相差が−（３／２）πラジアンより大きく−π／２ラジアンより小さいかまたはπ／２ラジアンより大きく（３／２）πより小さいときに回生運転中であると判定し、前記位相差が−２π以上（−３／２)π以下か、または−π／２以上π／２以下か、または（３／２）π以上２π以下かのいずれかのとき力行運転中であると判定する位相差判定部と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記出力電流検出部の代わりに、前記３相電動機の回転速度および回転方向から速度検出値を生成し出力する速度検出部を備え、前記回生運転判定部は、前記速度検出値および前記トルク指令に基づいて、前記単相マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記速度検出部が、前記回転速度に前記回転方向を符号として付加し、その符号の正負が意味する回転方向の定義を、前記トルク指令に付加されているトルクの発生方向を表す符号の定義と揃える符号付加部を備え、前記回生運転判定部が、前記速度検出値の符号と前記トルク指令の符号が一致しているときに力行運転と判定し、異なるとき回生運転と判定する符号判定部を備えたことを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項３または請求項５に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記トルク指令制限部が、各単相マトリクスコンバータに毎に、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差に比例定数を掛け合わせる第２の比例増幅器と、前記第２の比例増幅器の出力の中で最大であるものを選択する最大値選択器と、前記トルク指令の絶対値から前記最大値選択器の出力を減算し、減算結果に前記トルク指令と同じ符号を付加して新たなトルク指令とするトルク指令更新部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項８に記載の発明は、３相交流電源に接続され、双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記３相交流電源を入力して３相交流を出力するマトリクスコンバータの制御装置であって、駆動する３相電動機への出力電流を検出して出力電流検出値を出力する出力電流検出部と、マトリクスコンバータの出力相電圧に対する出力相電圧指令と前記出力電流検出値とに基づいて出力電圧と出力電流との位相差を算出すると共に、前記マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力する回生運転判定部と、前記判定結果が回生運転、かつ前記直流電圧検出値が前記設定電圧値より大きい場合、前記マトリクスコンバータにおける前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、前記３相電動機が出力するトルク指令を、前記トルクを小さくする新たなトルク指令に変更して出力するトルク指令制限部と、前記新たなトルク指令から前記出力相電圧指令を生成する出力電圧指令部と、を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータの制御装置とするものである。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のマトリクスコンバータの制御装置において、前記回生運転判定部が、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値をそれぞれ出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルに変換するベクトル変換部と、前記出力電圧ベクトルと前記出力電流ベクトルの成す角を演算し、該成す角を出力電圧と出力電流の位相差とする位相差演算部と、前記位相差が−（３／２）πラジアンより大きく−π／２ラジアンより小さいかまたはπ／２ラジアンより大きく（３／２）πより小さいときに回生運転中であると判定し、前記位相差が−２π以上（−３／２)π以下か、または−π／２以上π／２以下か、
または（３／２）π以上２π以下かのいずれかのとき力行運転中であると判定する位相差判定部と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載のマトリクスコンバータの制御装置において、前記出力電流検出部の代わりに、前記３相電動機の回転速度および回転方向から速度検出値を生成し出力する速度検出部を備え、前記回生運転判定部は、前記速度検出値および前記トルク指令に基づいて、前記マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力することを特徴とするものである。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のマトリクスコンバータの制御装置において、前記速度検出部が、前記回転速度に前記回転方向を符号として付加し、その符号の正負が意味する回転方向の定義を、前記トルク指令に付加されているトルクの発生方向を表す符号の定義と揃える符号付加部を備え、前記回生運転判定部が、前記速度検出値の符号と前記トルク指令の符号が一致しているときに力行運転と判定し、異なるとき回生運転と判定する符号判定部を備えたことを特徴とするものである。

請求項１２に記載の発明は、請求項８または請求項１０に記載のマトリクスコンバータの制御装置において、前記トルク指令制限部が、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差に比例定数を掛け合わせる第２の比例増幅器と、前記トルク指令の絶対値から前記第２の比例増幅器の出力を減算し、減算結果に前記トルク指令と同じ符号を付加して新たなトルク指令とするトルク指令更新部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項１３に記載の発明は、３相交流電源に接続され、双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記３相交流電源を入力して３相交流を出力するマトリクスコンバータと、複数台の前記マトリクスコンバータを並列接続した並列多重マトリクスコンバータの制御装置であって、駆動する３相電動機への出力電流を検出して出力電流検出値を出力する出力電流検出部と、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値とに基づいて出力電圧と出力電流との位相差を算出すると共に、前記並列多重マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力する回生運転判定部と、前記判定結果が回生運転、かつ前記直流電圧検出値が前記設定電圧値より大きい場合、相当する前記マトリクスコンバータにおける前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、前記３相電動機が出力するトルクに対するトルク指令を、前記トルクを小さくする新たなトルク指令に変更して出力するトルク指令制限部と、前記新たなトルク指令から前記出力相電圧指令を生成する前記出力電圧指令部と、を備えたことを特徴とする並列多重マトリクスコンバータの制御装置とするものである。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記回生運転判定部が、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値をそれぞれ出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルに変換するベクトル変換部と、前記出力電圧ベクトルと前記出力電流ベクトルの成す角を演算し、該成す角を出力電圧と出力電流の位相差とする位相差演算部と、前記位相差が−（３／２）πラジアンより大きく−π／２ラジアンより小さいかまたはπ／２ラジアンより大きく（３／２）πより小さいときに回生運転中であると判定し、前記位相差が−２π以上（−３／２)π以下か、または−π／２以上
π／２以下か、または（３／２）π以上２π以下かのいずれかのとき力行運転中であると判定する位相差判定部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１３に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記出力電流検出部の代わりに、前記３相電動機の回転速度および回転方向から速度検出値を生成し出力する速度検出部を備え、前記回生運転判定部は、前記速度検出値および前記トルク指令に基づいて、前記並列多重マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力することを特徴とするものである。

請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記速度検出部が、前記回転速度に前記回転方向を符号として付加し、その符号の正負が意味する回転方向の定義を、前記トルク指令に付加されているトルクの発生方向を表す符号の定義と揃える符号付加部を備え、前記回生運転判定部が、前記速度検出値の符号と前記トルク指令の符号が一致しているときに力行運転と判定し、異なるとき回生運転と判定する符号判定部を備えたことを特徴とするものである。

請求項１７に記載の発明は、請求項１３または請求項１５に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置において、前記トルク指令制限部が、前記マトリクスコンバータ毎に、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差に比例定数を掛け合わせる第２の比例増幅器と、前記第２の比例増幅器の出力の中で最大であるものを選択する最大値選択器と、前記トルク指令の絶対値から前記最大値選択器の出力を減算し、減算結果に前記トルク指令と同じ符号を付加して新たなトルク指令とするトルク指令更新部と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の発明によると、直列多重マトリクスコンバータを構成するどれかの単相マトリクスコンバータ（以後パワーセルと呼ぶ）でスナバ回路の直流電圧が上昇した場合、そのパワーセルのスナバ回路に流れ込む回生電流が減少し、そのパワーセルと直列に接続された他のパワーセルのスナバ回路に流れ込む回生電流が増加することで、直列接続された全パワーセルのスナバ回路直流電圧の増加が平均化され、上昇を抑えることができる。請求項３ないし１７に記載の発明によると、回生運転時に直流電圧が上昇すると、トルク指令が小さくなり回生電流自体が減ることで電圧の上昇が抑えられる。これらにより、入力フィルタ用コンデンサ及び主回路部のスナバ回路素子の耐圧を低くすることができ、マトリクスコンバータのコストを低減することができる。

本発明の第１の実施例を示す直列多重マトリクスコンバータの制御装置のブロック図 直列多重マトリクスコンバータのパワーセル詳細図 本発明の第２の実施例を示すマトリクスコンバータの制御装置のブロック図 本発明の第３の実施例を示すマトリクスコンバータの制御装置のブロック図 本発明の第４の実施例を示す直列多重マトリクスコンバータの制御装置のブロック図 本発明の第６の実施例を示す並列多重マトリクスコンバータの制御装置のブロック図 並列多重マトリクスコンバータのパワーセル詳細図 本発明の電圧指令補正部の構成例を示すブロック図 ゼロ電圧出力時の電流の流れを示す単相マトリクスコンバータ主回路図 本発明の回生運転判定部の構成例を示すブロック図 本発明のトルク指令制限部の構成例を示すブロック図 本発明の速度検出部の構成例を示すブロック図 本発明のトルク指令制限部の他の構成例を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本発明の第１の実施例について図を用いて説明する。
図１は第１の実施例を示す直列多重マトリクスコンバータの制御装置のブロック図である。図において、直列多重マトリクスコンバータの制御装置は、直列多重マトリクスコンバータ３４、各個電圧指令部１３、電圧指令補正部１４を備えており、直列多重マトリクスコンバータは変圧器３１、複数台のパワーセル３２を備えている。変圧器３１は入力電圧を各パワーセルの入力電圧に変換する複数の二次巻線を有しており、パワーセル３２は変圧器３１の二次電圧を入力とし単相交流電圧を出力する単相マトリクスコンバータ、また負荷３５は、この直列多重マトリクスコンバータ３４で駆動され、回生運転を発生しうるものであり、直列多重マトリクスコンバータ３４の出力側に接続される。

各個電圧指令部１３は、直列多重マトリクスコンバータ３４の出力相電圧指令を用い、各パワーセル３２に対する各個電圧指令を生成する。出力相電圧指令は、図示しない直列多重マトリクスコンバータ３４の出力電圧指令部にて出力各相別に生成される。出力電圧指令部は、負荷３５が電動機である場合、周波数指令に比例した電圧を電圧指令とするＶ／ｆ一定制御則により出力相電圧指令を生成するもの、電動機の速度を検出し、速度指令と検出した速度から電動機のトルク指令を作り出し、このトルク指令と電動機の励磁指令とから出力相電圧指令を生成するＰＧ付きベクトル制御則によるもの、電動機の電流を検出し周波数指令と検出した電流から出力相電圧指令を作り出すＰＧレスベクトル制御則によるもの等の公知の方法によるものを採用できる。また負荷３５が電動機でない場合としては、例えば直列多重マトリクスコンバータが、風力発電や波力発電といった不規則入力発電の系統連系用に使用され、双方向の電力変換を行う中で回生運転状態となりうるような場合がある。このような場合でも、出力として要求される相電圧を出力相電圧指令として生成することにより駆動されるものであれば、負荷３５はいかなるものでも良い。各個電圧指令部１３は出力各相毎に指令される出力相電圧指令を出力各相に接続されているパワーセル３２の個数（図１の実施例では３個）で割り算し、その値をその相に接続された各パワーセル３２に対する各個電圧指令とする。電圧指令補正部１４は各個電圧指令から最終電圧指令を生成するが、その動作の詳細は後述する。

図２は第１の実施例におけるパワーセル３２の詳細図である。図において、パワーセル３２は単相マトリクスコンバータ１と直流電圧過大検出部１２を備えている。単相マトリクスコンバータ１は、三相入力電源から単相交流を出力し、主回路部２と、入力フィルタ５と、スナバ回路６と直流電圧検出部１１を備えている。主回路部２は双方向の半導体スイッチング素子から成り、前述の電圧指令補正部１４で得られた最終電圧指令を元に一般に知られたマトリクスコンバータのパルス幅変調手段により得られるゲート信号により駆動され、双方向に電力変換を行う。入力フィルタ５は、リアクトル３及びコンデンサ４を備え、三相入力電源と単相マトリクスコンバータ１の入力側の間に設けられている。尚リアクトル３は単相マトリクスコンバータ１の内部に設置される場合と、電源装置のリアクタンスや図１に示す直列多重マトリクスコンバータ３４の場合は変圧器３１の漏れリアクタンスを利用するなど単相マトリクスコンバータ１の外部に設置される場合との双方があるが、両者はリアクトル３の設置場所が異なるだけで回路構成上は全く同じものなので、本発明の実施例は双方の場合に対して適用できる。スナバ回路６は、主回路部２のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収するものである。スナバ回路６は公知のもので良いく、例えばサージエネルギーをコンデンサに蓄える方式等がある。直流電圧検出部１１はスナバ回路６内部のコンデンサの端子間に生じる直流電圧を検出し、分圧回路による信号レベルの変換、また必要に応じてアイソレータによる絶縁を行い、直流電圧検出値として出力する。直流電圧過大検出部１２は直流電圧検出部１１の出力する直流電圧検出値が設定電圧値Ｖ_ｒｅｆより大きいときに、論理信号の直流電圧過大信号を発生する。

ここで、図１における電圧指令補正部１４の動作について説明する。一般に各パワーセル３２のスナバ回路６の直流電圧の状態は次の二つのどちらかの状態となる。すなわち、
Ｓ_１：直流電圧検出値が設定電圧値Ｖ_ｒｅｆ以下
Ｓ_２：直流電圧検出値が設定電圧値Ｖ_ｒｅｆより大
図２における直流過大電圧検出部１２は状態Ｓ_１であるか状態Ｓ_２であるかを検出し、状態Ｓ_１では直流電圧過大信号をオフし、Ｓ_２では直流電圧過大信号をオンする。また直流電圧検出部１１は直流電圧過大信号がオンのときの直流電圧検出値を直流過大電圧とする。設定電圧値Ｖ_ｒｅｆは、直列多重マトリクスコンバータ３４が許容する運転の範囲内でスナバ回路６の直流電圧のとりうる値の最大値よりも大きい値に設定すれば良い。パワーセル３２は入力側に、リアクトル３のインダクタンスＬとコンデンサ４の容量Ｃで決まる共振周波数をもつ共振回路であるフィルタ５を有している。パワーセル３２の入力電圧は、主回路部２のスイッチング動作により共振周波数の振動成分が、変圧器３１の二次電圧に重畳した波形となり、その振動成分の振幅は直列多重マトリクスコンバータ３４の負荷の大きさにより変化する。従ってパワーセル３２の入力の線間電圧のピーク値は変圧器３１の定格の二次線間電圧のピーク値より大きくなり、入力電圧を整流して得られるスナバ回路６の直流電圧も変圧器３１の二次電圧値から決まる整流電圧より大きくなる。以上から設定電圧値Ｖ_ｒｅｆはこの振動電圧振幅の最大値を考慮し、この最大振幅値より定まるスナバ回路６の直流電圧の最大値より大きな値を設定すればよい。

ここで、図８を用いて電圧指令補正部１４の動作について説明する。図において、各相に直列に接続されたパワーセル３２の数をｎ（図８ではｎ＝３の場合を示す）とすると、電圧指令補正部１４は３ｎ個の第１の減算器２３、３ｎ個の第１の比例増幅器２４、３ｎ個のスイッチ２５、および３ｎ個の第２の減算器２６を備えている。電圧指令補正部１４は各パワーセルに対する最終電圧指令を以下のように決定する。すなわち、状態Ｓ_１においては、スイッチ２５は全てオフとなり、各個電圧指令をそのまま最終電圧指令とし、各個電圧指令Ｖ_ｃｅｌｌｉは前述のとおり出力各相毎に指令される出力相電圧指令を出力各相に接続されているパワーセル３２の個数で割り算したものであるから式（１）で算出できる。
Ｖ_ｃｅｌｌｉ＝Ｖ_ｏｕｔ／ｎ（ｉ＝１〜ｎ）・・・（１）
ここでＶ_ｏｕｔは直列接続されたパワーセル３２が形成する出力１相に対する出力相電圧指令である。またｉは１からｎのいずれかの数値をとり、この数値で指定されるＶ_ｃｅｌｌｉが、出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔを指令される出力相に直列接続されるパワーセル３２の中で、ｉ段目に接続されているパワーセル３２に対する各個電圧指令であることを表す数値である。

またもう一つの状態Ｓ_２においては、電圧指令補正部１４は直流電圧過大信号がオンしたパワーセル３２がどのパワーセルかを検出し、該当するパワーセル３２に対応したスイッチ２５をオンするとともに、減算器にて最終電圧指令Ｖ_ｃｅｌｌｉ_ｊを式（２）で決定し、状態Ｓ_１での最終電圧指令より小さくする。
Ｖ_ｃｅｌｌｉ_ｊ＝Ｖ_ｏｕｔ／ｎ−ΔＶｉ_ｊ（ｊ=１〜ｋ）・・・（２）
ここで、ｉ_ｊは状態Ｓ_２となったパワーセル３２が直列接続されている出力一相の中で何段目に該当するかを表す数値、ｋはそのパワーセル３２が接続された出力１相の中で状態Ｓ_２となったパワーセル３２の個数であり、ΔＶｉ_ｊは状態Ｓ_２となった各パワーセル３２に対して、そのパワーセル３２の直流電圧（直流過大電圧）から定めた出力電圧指令の減少分である。このΔＶｉ_ｊの決め方の一例として、図８においては設定電圧値Ｖ_ｒｅｆと前記直流過大電圧との偏差を第１の減算器２３で求め、この偏差に比例させてΔＶｉ_ｊを決める比例制御を応用する方法がある。すなわち比例定数Ｋｉ_ｊを導入し、第１の比例増幅器２４にて式（３）によりΔＶｉ_ｊを決定する。
ΔＶｉ_ｊ＝Ｋｉ_ｊ（Ｖ_ｄｃｉ_ｊ−Ｖ_ｒｅｆ）（ｊ＝１〜ｋ）・・・（３）
ここでＶ_ｄｃｉ_ｊは直流過大電圧である。状態Ｓ_２ではＶ_ｄｃｉ_ｊ＞Ｖ_ｒｅｆであるため式（３）で定まるΔＶｉ_ｊは正となり、したがって式（２）で定まるＶ_ｃｅｌｌｉ_ｊはＶ_ｏｕｔ／ｎより小さくなる。

出力電圧指令が小さくなったパワーセル３２では、通常採用される単相マトリクスコンバータ１のパルス幅変調手段により、ゼロ電圧を出力する時間が長くなる。ゼロ電圧はパワーセル３２の出力二端子を入力三相のうち同一相に接続し、出力二端子を同一電位とすることにより出力される。図８はゼロ電圧出力時の電流の流れを示す単相マトリクスコンバータの主回路図である。図において、単相マトリクスコンバータ１の出力二端子をＰ端子、Ｎ端子、これら二端子がゼロ電圧を出力している間共に接続される単相マトリクスコンバータ１の入力相をＲ相としている。ゼロ電圧出力電流がＰ端子→負荷→Ｎ端子の方向に流れていたとすると、図に示すとおり、ゼロ電圧を出力することにより、単相マトリクスコンバータ１の出力電流はＰ端子→負荷→Ｎ端子→Ｎ端子−Ｒ相接続用半導体スイッチング素子→Ｒ相→Ｐ端子−Ｒ相接続用半導体スイッチング素子→Ｐ端子のルートを還流して入力側には流れ出さない。従って回生電流が入力側に流れ出る量が減少するため、スナバ回路の直流電圧の増加が抑制されることになる。

以上述べたとおり電圧指令補正部１４の動作により、状態Ｓ_１では直流に接続された全てのパワーセル３２に対する電圧指令は等しいが、状態Ｓ_２では各パワーセル３２個別に電圧指令が異なってくる。スナバ回路６の直流電圧が設定電圧値Ｖ_ｒｅｆより大きくなったパワーセル３２の出力電圧は小さくなり、これらパワーセル３２の直流電圧増加が抑制されるが、これらパワーセル３２が含まれる直列多重マトリクスコンバータ３４の出力相の出力電圧は、その相の出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔより小さくなる。

出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔの生成に、例えば電動機のベクトル制御則のように、電流制御ループを採用している場合は、このパワーセル３２の出力電圧の低下により電流が指令値どおりに流れなくなることにより、電流制御ループが出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔを大きくなるよう補正し、指令値どおりの電流が流れるように動作するので、直列多重マトリクスコンバータ３４の性能への影響は少ない。しかしながら、出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔの生成に、例えば電動機のＶ／ｆ一定制御則のように電流制御ループを採用していない場合は、電圧指令補正部１４の動作によるパワーセル３２の出力電圧の低下は、直列多重マトリクスコンバータ３４の性能に影響を与える。このような場合に対しては、式（２）、式（３）による動作に加えて以下の動作を電圧指令補正部１４が行うことにより対処できる。すなわち直流電圧検出値が設定電圧値Ｖ_ｒｅｆより大きくならなかった各パワーセル３２に対しては、最終電圧指令を式（４）で決定し、式（１）で定まる状態Ｓ_１での最終電圧指令より大きくする。
Ｖ_ｃｅｌｌｉ＝Ｖ_ｏｕｔ／ｎ＋ΔＶｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｉ≠ｉ_ｊ、ｊ=１〜ｋ）・・・（４）
ここでΔＶｉは直流電圧検出値が電圧設定値Ｖ_ｒｅｆより大きくならなかった各パワーセル３２に対する出力電圧指令の増加分で、式（５）を満足するように定める。

さらに具体的なΔＶｉの決め方の一例としては、各ΔＶｉを等しい値として式（６）とする方法がある。

このような電圧指令補正部１２の動作により、直列多重マトリクスコンバータ３４の全てのパワーセル３２が状態Ｓ_１の場合、直流に接続された全てのパワーセル３２に対する電圧指令は等しくその合計は出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔであるが、どれか一つのパワーセル３２でも状態Ｓ_２の場合は、式（５）または式（６）を成り立たせながら最終電圧指令を変化させるので、直列に接続されたパワーセル３２の出力電圧指令値の合計は変化せず出力相電圧指令Ｖ_ｏｕｔとなり、直列多重マトリクスコンバータ３４の出力電圧値は状態Ｓ_１と状態Ｓ_２では変化しない。従って出力電圧指令の生成に電流制御ループの無いＶ／ｆ一定制御則を採用しているような場合でも、性能に影響を与えることなくパワーセル３２のスナバ回路６の直流電圧の上昇を抑制できる。

本発明の第２の実施例について図を用いて説明する。
図３は第２の実施例を示すマトリクスコンバータの制御装置のブロック図である。図においてマトリクスコンバータの制御装置は、マトリクスコンバータ７、直流電圧過大検出部１２、出力電圧指令部１５、回生運転判定部１６、トルク指令制限部１７を備え、マトリクスコンバータ７はフィルタ５、主回路部８、スナバ回路９、直流電圧検出部１１、出力電流検出部１８を備え、さらにフィルタ５はリアクトル３、コンデンサ４を備えている。マトリクスコンバータ７は、三相入力電源から三相交流を出力するが、主回路部８が三相交流を出力している点、及びそれに伴いスナバ回路９の主回路部８への接続箇所が３箇所となっている点のみが第１の実施例での図２のパワーセル詳細図と異なっており、フィルタ５、リアクトル３、コンデンサ４及び直流電圧検出部１１，直流電圧過大検出部１２については図２と同一であるため詳細な説明は省略する。電動機１０はマトリクスコンバータ７で駆動され、マトリクスコンバータ７の出力側に接続される。出力電流検出部１８はマトリクスコンバータの出力電流を変流器（ＣＴ）やホール素子で検出し、出力電流検出値として出力する。

出力電圧指令部１５は、出力電流検出部１９が出力する出力電流検出値とトルク指令とから電動機にトルク指令どおりのトルクを発生させる出力相電圧指令を出力各相別に作り出す一般に広く知られたベクトル制御則を採用している。主回路部８は、出力相電圧指令を元に一般に知られたマトリクスコンバータのパルス幅変調手段により得られるゲート信号により駆動され、双方向に電力変換を行う。トルク指令は、図示しない速度指令と速度検出部で検出した速度を入力する速度制御部によって作り出されたり、あるいは電動機１０から出力したいトルクを直接設定したりすることによっても得られるが、本実施例がこれらの形態に関係しないため詳細な説明は省略する。回生運転判定部１６は出力相電圧指令と出力電流検出値とから、マトリクスコンバータが回生運転中であるかどうかを判定し、トルク指令制限部１７はトルク指令を制限する。

次に、回生運転判定部１６及びトルク指令制限部１７の動作説明を行う。
直流電圧過大検出部１２は、実施例１の場合に同じくマトリクスコンバータ７のスナバ回路９の直流電圧が状態Ｓ_１にあるか状態Ｓ_２にあるかを判定する。
図１０に回生運転判定部１６の構成例を示す。図において回生判定運転部１６は、ベクトル変換部２７、位相差演算部２８、位相差判定部２９を有している。回生運転判定部１６は出力電圧指令部１５で生成された出力相電圧指令と出力電流検出部１８が出力する出力電流検出値とから出力電圧と出力電流の位相差φを求める。位相差φを求めるために、ベクトル変換部２７は三相の出力相電圧指令と三相の出力電流検出値の各々を一般に広く知られた三相→二相(ｄ-ｑ軸)変換によりｄ−ｑ座標上のベクトル量に変換する。このベクトル変換部２７は、出力相電圧指令から変換された出力電圧ベクトルと出力電流検出値から変換された出力電流ベクトルを出力する。位相差φはこれら二つのベクトルの成す角となるので、位相差演算部２８はこの二つのベクトルの成す角を演算する。その具体的な演算方法の一例を説明する。まず、出力電圧や出力電流の位相角θを以下で定義する。ここでＸは電圧、電流等のベクトルを表し、出力電圧ベクトルや出力電流ベクトルのどちらでも一般に成り立ち、どちらであって良い。またＸ_ｄはベクトルＸのｄ軸成分、Ｘ_ｑはベクトルＸのｑ軸成分を表す。
Ｘ_ｄ≧０、Ｘ_ｑ≧０のとき
θ＝ｓｉｎ^−１（Ｘ_ｄ／√（Ｘ_ｄ ^２＋Ｘ_ｑ ^２））
Ｘ_ｄ≧０、Ｘ_ｑ＜０またはＸ_ｄ＜０、Ｘ_ｑ＜０のとき
θ＝π―ｓｉｎ^−１（Ｘ_ｄ／√（Ｘ_ｄ ^２＋Ｘ_ｑ ^２））
Ｘｄ＜０、Ｘｑ≧０のとき
θ＝２π＋ｓｉｎ^−１（Ｘ_ｄ／√（Ｘ_ｄ ^２＋Ｘ_ｑ ^２））

以上の位相角θはベクトルＸとｄ軸との成す角となり、この位相角θを出力電流、出力電圧それぞれについて求めたものをそれぞれθｉ_ｏｕｔ、θｖ_ｏｕｔとすれば、出力電圧と出力電流の位相差φは式（７）で求めることができる。
φ＝θｖ_ｏｕｔ−θｉ_ｏｕｔ・・・（７）
位相差演算部２８は式（７）により出力電圧と出力電流の位相差φを演算する。位相差判定部２９は以下の判定方法でマトリクスコンバータが力行運転中であるか回生運転中であるかを判定する。
−２π≦φ≦（−３／２)π、−π／２≦φ≦π／２、（３／２）π≦φ≦２πのとき
力行運転
（−３／２）π＜φ＜−π／２、π／２＜φ＜（３／２）πのとき
回生運転
このようにして、回生運転判定部１６は、現在の運転が力行運転か回生運転かを判定するのである。

次にトルク指令制限部１７について図１１を用いて説明する。図においてトルク指令制限部１７は、第３の減算器３６、第２の比例増幅器３７、スイッチ３８、第２のトルク指令更新部４２を有している。第３の減算器３６は、 設定電圧値Ｖ_ｒｅｆと直流電圧検出部１１が検出した直流電圧Ｖ_ｄｃの偏差を演算する。次にトルク指令制限部１７は、トルク指令絶対値の減少分ΔＴ_ｘを演算する。このトルク指令絶対値の減少分ΔＴ_ｘの決め方の一例として設定電圧値Ｖ_ｒｅｆと直流電圧Ｖ_ｄｃとの偏差に比例させる比例制御を応用する方法がある。すなわち比例定数Ｋを導入し、第２の比例増幅器３７にて式（９）によりΔＴ_ｘを決定する。
Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}＝Ｖ_ｄｃ−Ｖ_ｒｅｆ・・・（８）
ΔＴ_ｘ＝ＫＶ_{ｅｒｒｏｒ}・・・（９）
ここで、Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}は設定電圧値Ｖ_ｒｅｆと直流電圧Ｖ_ｄｃの偏差、Ｋは比例定数である。

トルク指令制限部１７が備えるトルク指令更新部は、トルク指令Ｔ_ｒｅｆの絶対値｜Ｔ_ｒｅｆ｜を演算し、この絶対値と比例増幅器の出力であるΔＴ_ｘとから式（１０）により新たなトルク指令Ｔ_ｒｅｆ’を演算する。
Ｔ_ｒｅｆ’＝ｓｉｇｎ(Ｔ_ｒｅｆ) ・（｜Ｔ_ｒｅｆ｜−ΔＴ_ｘ）・・・（１０）
ここで、ｓｉｇｎ(Ｔ_ｒｅｆ)はＴ_ｒｅｆの符号を表す。ΔＴ_ｘはトルク指令の減少分である。
状態Ｓ₂ではＶ_ｄｃ＞Ｖ_ｒｅｆであるため式（９）で定まるΔＴ_ｘは正となり、したがって式（１０）で定まるＴ_ｒｅｆ’はＴ_ｒｅｆより絶対値が小さくなる。トルク指令の絶対値が小さくなるため、実際に電動機１０から発生するトルクも小さくなる。

回生運転判定部１６が回生運転中であると判定し、かつスナバ回路９の直流電圧が設定電圧値Ｖ_ｒｅｆより大きいときは、トルク指令制限部１７はスイッチ３８をオンし、トルク指令Ｔ_ｒｅｆを式（８）〜式(１０)により新たなトルク指令Ｔ’に変更することにより、電動機１０の回生トルクが減少し、回生電流が減少する。したがって、電動機１０の負荷に異常を生じて過大な回生負荷状態になったときでもスナバ回路９の直流電圧の上昇を設定電圧値Ｖ_ｒｅｆ以下となるように抑制でき、スナバ回路９の放電回路の容量を増加させなくても、スナバ回路９やフィルタ５のコンデンサ４が過電圧状態となることを回避できる。

次に、本発明の第３の実施例について図を用いて説明する。
図４は第３の実施例を示すマトリクスコンバータの制御装置のブロック図である。図において、マトリクスコンバータの制御装置は、マトリクスコンバータ７、直流電圧過大検出部１２、出力電圧指令部１５、トルク指令制限部１７、回生運転判定部１９、速度検出部２０を備え、マトリクスコンバータ７はフィルタ５、主回路部８、スナバ回路９、直流電圧検出部１１を備え、さらにフィルタ５はリアクトル３、コンデンサ４を備える。電動機１０はマトリクスコンバータ７の出力側に接続されており、パルスジェネレータ２１を有している。なお、図３と同一であるものはその説明を省略し、異なる部分について以下説明する。

第３の実施例が、第２の実施例と異なるところは、速度検出部２０を有し、回生運転判定部１９がトルク指令と速度検出部２０が検出した速度から回生運転中であるかを判断するようにした点である。
一般に負荷として電動機を使用する場合、電動機の回転方向と電動機の発生するトルクの方向が逆方向であるとき、マトリクスコンバータは回生運転を行なう。従って、本実施例の速度検出部２０が電動機の回転速度を回転方向まで含めて検出し、そのときのトルク指令が指令するトルクの方向と比較することで回生運転中であるかを判定できる。本実施例の速度検出部２０は、速度の大きさと方向を検出するため、電動機１０に取り付けられた９０度の位相差をもつ二つのパルス信号を出力するパルスジェネレータ２１からのパルス信号を計数し、電動機１０の回転速度と回転方向を検出している。

図１２に速度検出部２０の構成例を示す。図において速度検出部２０は計数部４０と、符号付加部４１と、を備えている。計数部４０は、９０度の位相差をもつ二つのパルス信号から、パルスを出力するパルスジェネレータ２１が取り付けられた電動機１０の回転数と回転方向を、公知の方法で同時に検出している。符号付加部４１は検出した回転方向を検出した速度に符号（正号＋または負号−）として付加して速度検出値とし、その方向と符号の定義を、同じく方向を符号で表すトルク指令と方向と符号の定義と同一にする。

回生運転判定部１９は符号判定部を備えており、速度検出部２０が出力する速度検出値とトルク指令の符号を比較し、両者の符合が異なっているときに回生運転中、両者の符合が一致しているときに力行運転中であると判定する。

トルク指令制限部１７は第２の実施例と同じく図１１に示すように構成され、第３の減算器３６、第２の比例増幅器３７、スイッチ３８とトルク指令更新部４２を備えており、直流電圧過大検出部１２が直流電圧過大信号をオンしたときに、回生運転判定部１９の判定結果を調べ、回生運転中の場合にスイッチ３８をオンにし、式（８）〜式（１０）によりトルク指令を新たなトルク指令Ｔｒｅｆ’に変更することで、マトリクスコンバータ７の入力に回生電流が流れ出さないようにして、スナバ回路９の直流電圧の上昇を抑制する。

次に、本発明の第４の実施例について図を用いて説明する。第４の実施例は、変圧器の複数の二次巻線の各々にパワーセルを接続し、パワーセルの出力を直列に接続して構成した直列多重マトリクスコンバータの制御装置に本発明の第２の実施例を適用するものである。
図５は第４の実施例を示す直列多重マトリクスコンバータの制御装置の構成図である。図において、直列多重マトリクスコンバータの制御装置は、直列多重マトリクスコンバータ３４、出力電流検出部１８、出力電圧指令部１５、回生運転判定部１６、トルク指令制限部１７を備え、直列多重マトリクスコンバータ３４は変圧器３１、複数台のパワーセル３２を備えている。電動機３３はこの直列多重マトリクスコンバータ３４で駆動され、直列多重マトリクスコンバータ３４の出力側に接続される。なお、変圧器３１、パワーセル３２は第１の実施例を説明した図１と同一であり、パワーセル３２の構成は第１の実施例の図２に示すとおりであるため、詳細な説明は省略する。

また第２の実施例を説明した図３と同じく出力電圧指令部１５は、トルク指令から電動機３３にトルク指令どおりのトルクを発生させる出力相電圧指令を作り出す。本出力相電圧指令は、図示しない各個電圧指令部により各パワーセル３２個別の電圧指令に変換されるが、その変換方法は実施例１のように出力相電圧方法を出力１相当たりに直列接続されたパワーセル３２の個数で割る方法等が有るが、本実施例はその変換方法によらず適用できる。出力電流検出部１８は直列多重マトリクスコンバータ３４の出力電流を検出する。回生運転判定部１６は、第２の実施例と同様ベクトル変換部と位相差演算部と位相差判定部とを備え、出力相電圧指令と出力電流検出部１８が検出した出力電流検出値とから出力電圧と出力電流の位相差を式（７）で求め、回生運転中であるかを判定する。

本実施例はトルク指令制限部２２が第２の実施例と異なっている。図１３に本実施例におけるトルク指令制限部２２の構成例を示す。図においてトルク指令制限部２２は、各相に直列に接続されたパワーセル３２の数をｎ（図１３ではｎ＝３の場合を示す）とすると、３ｎ個の第１の減算器２３、最大値選択器４３、第２の比例増幅器３７、スイッチ３８および第２のトルク指令更新部４２を備えている。トルク指令制限部２２は、全てのパワーセル３２から図２に示す直流電圧検出部１１が出力する直流過大電圧と、直流電圧過大検出部１２が出力する直流電圧過大信号を受け取り、第１の減算器２３は全てのパワーセル３２の直流過大電圧と設定電圧値Ｖ_ｒｅｆとの偏差を求め、最大値選択器４３は、これら偏差のうち最も大きい偏差を選択し、Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}とする点が第２の実施例とは異なっている。トルク制限部２２は、回生運転判定部１６が回生運転中と判定し、かつ一つ以上のパワーセル３２で直流電圧過大検出部１２が直流電圧過大信号をオンしたとき、スイッチ３８をオンし、こうして求めた偏差Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}からトルク指令更新部４２は式（９）および式（１０）を用いて新たなトルク指令Ｔ_ｒｅｆ’を演算する。以上により第２の実施例を直列多重マトリクスコンバータ３４に対しても全く同様に実施できる。

回生運転中のトルク指令Ｔ_ｒｅｆを式（１０）により新たなトルク指令Ｔ_ｒｅｆ’にすることにより、直列多重マトリクスコンバータ３４の各パワーセル３２の入力側に流れ出る回生電流が減少し、かつトルク指令の低下分を最も直流過大電圧の大きいパワーセル３２の直流過大電圧から決定しているので、電動機３３の負荷に異常を生じ、過大な回生負荷状態になったときでも、全パワーセル３２のスナバ回路６の直流電圧検出値のＶ_ｒｅｆからの超過が抑制され、スナバ回路６さらには入力フィルタ５のコンデンサ４が過電圧状態となることを回避できる。

本発明の第５の実施例は、変圧器の複数の二次巻線の各々にパワーセルを接続し、パワーセルの出力を直列に接続して構成した直列多重マトリクスコンバータの制御装置に本発明の第３の実施例を適用するものである。直列多重マトリクスコンバータの制御装置は図５に示す出力電圧指令部１５を有し、パワーセル３２は図２に示す構成となっている。第３の実施例と同様、速度検出部２０は図１２に示すとおり、計数部４０と、符号付加部４１と、を備えている。計数部４０は、電動機３３に取り付けられたパルスジェネレータ２１からのパルス信号を計数して電動機３３の回転速度と回転方法を検出し、符号付加部４１にて回転方向を速度に符号として付加して速度検出値とし、その方向と符号の定義を、同じく方向を符号で表すトルク指令の方向と符号の定義と同一にする。回生運転判定部１９は、符号判定部にてトルク指令と速度検出部２０が出力する速度検出値の符号を比較し、両者が異なるとき回生運転中と判定する。トルク指令制限部２２は図１３に示すように、各相に直列に接続されたパワーセル３２の数をｎ（図１３ではｎ＝３の場合を示す）とすると、３ｎ個の第１の減算器２３、最大値選択器４３、第２の比例増幅器３７、スイッチ３８および第２のトルク指令更新部４２を備えている。トルク指令制限部２２は第４の実施例と同じ動作を行い、回生運転判定部１９が回生運転中と判定し、かつ一つ以上のパワーセル３２で直流電圧過大検出部１２が直流電圧過大信号をオンしたとき、スイッチ３８をオンし、第１の減算器２３は直流過大電圧と設定電圧Ｖ_ｒｅｆの偏差を演算し、最大値選択器４３は、前記偏差のうち最も大きいものを偏差Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}として選択し、第２の比例増幅器３７は式（９）によりトルク指令絶対値の減少分ΔＴ_ｘを演算し、トルク指令更新部４２は式（１０）により新たなトルク指令Ｔ_ｒｅｆ’を演算する。以上のように構成すれば、第３の実施例を直列多重マトリクスコンバータ３４の制御装置に対しても全く同様に実施できる。

次に、本発明の第６の実施例について図を用いて説明する。第６の実施例は、複数のパワーセルの出力を並列に接続して構成した並列多重マトリクスコンバータ装置に本発明の第２の実施例を適用するものである。
図６は第６の実施例を示す並列多重マトリクスコンバータの制御装置の構成図である。図において、並列多重マトリクスコンバータの制御装置は、複数のパワーセル５１を備えた並列多重マトリクスコンバータ５３、出力電流検出部１８、出力電圧指令部１５、回生運転判定部１６、トルク指令制限部２４を備えている。パワーセル５１は出力を並列接続され、電動機５２はこの並列列多重マトリクスコンバータ５３で駆動され、並列多重マトリクスコンバータ５３の出力側に接続される。

パワーセル５１の構成は図７に示すとおりである。主回路部２と、入力フィルタ５と、スナバ回路６と直流電圧検出部１１を備えている。図においてパワーセル５１はマトリクスコンバータ７と直流電圧過大検出部１２を備えている。マトリクスコンバータ７は、三相入力電源から三相交流を出力するが、主回路部８が三相交流を出力している点、及びそれに伴いスナバ回路９の主回路部８への接続箇所が３箇所となっている点のみが図２のパワーセル詳細図と異なっている。フィルタ５、リアクトル３、コンデンサ４及び直流電圧検出部１１，直流電圧過大検出部１２については図２と同一である。

出力電圧指令部１５は、トルク指令から電動機５２にトルク指令どおりのトルクを発生させる出力相電圧指令を出力各相別に作り出す。この出力相電圧指令は全てのパワーセル５１に等しく与えられる。出力電流検出部１８は並列多重マトリクスコンバータ５３の出力電流を検出し、回生運転判定部１６は、第２の実施例と同様図１０に示すとおり、ベクトル変換部２７と位相差演算部２８と位相差判定部２９とを備え、出力相電圧指令と出力電流検出部１８が出力する出力電流検出値とから出力電圧と出力電流の位相差を式（７）式で求め、回生運転中であるかを判定する。

本実施例は、トルク指令制限部２２が第２の実施例と異なっている。トルク指令制限部２２は、図１３に示すとおり、並列に接続されたパワーセル５１の数をｎ（図１３ではｎ＝９の場合を示す）とすると、ｎ個の第１の減算器２３、最大値選択器４３、第２の比例増幅器３７、スイッチ３８および第２のトルク指令更新部４２を備えている。第１の減算器２３は全てのパワーセル５１の直流過大電圧と設定電圧値Ｖ_ｒｅｆとの偏差を求め、最大値選択器４３はこれら偏差のうち最も大きい偏差を偏差Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}とする。第２の比例増幅器はこうして定めた偏差Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}から式（９）により、トルク指令絶対値の減少分ΔＴ_ｘを演算し、トルク指令制限部２２は、回生運転判定部１６が回生運転中と判定し、かつ一つ以上のパワーセル５１で図７に示す直流電圧過大検出部１２が直流過大信号をオンしたとき、スイッチ３８をオンし、トルク指令更新部４２はこうして求めたΔＴ_ｘから式（１０）を用いてトルク指令Ｔ_ｒｅｆを新たなトルク指令Ｔ_ｒｅｆ’に変更する。以上により第２の実施例を並列多重マトリクスコンバータ５３に対しても全く同様に実施できる。

回生運転中のトルク指令を式（１０）により新たなトルク指令に変更することにより、並列多重マトリクスコンバータ５３の各パワーセル５１の入力側に流れ出る回生電流が減少し、かつトルク指令の低下分を最も直流過大電圧の大きいパワーセル５１の直流過大電圧から決定しているので、電動機５２の負荷に異常を生じ、過大な回生負荷状態になったときでも、全パワーセル５１のスナバ回路９の直流電圧検出値のＶ_ｒｅｆからの超過が抑制され、スナバ回路９さらには入力フィルタ５のコンデンサ４が過電圧状態となることを回避できる。

本発明の第７の実施例は、複数のパワーセルの出力を並列に接続して構成した並列多重マトリクスコンバータの制御装置に本発明の第３の実施例を適用するものである。並列多重マトリクスコンバータの制御装置は複数のパワーセル５１を備えた並列多重マトリクスコンバータ５３、速度検出部２０、出力電圧指令部１５、回生運転判定部１９、トルク指令制限部２２を備えている。パワーセル５１は出力を並列接続され、電動機５２はこの並列列多重マトリクスコンバータ５３で駆動され、並列多重マトリクスコンバータ５３の出力側に接続される。また、パワーセル５１は図７に示す構成となっている。

第３の実施例と同様、速度検出部２０は、図１２に示すとおり、計数部４０と、符号付加部４１と、を備えている。計数部４０は、電動機５２に取り付けられたパルスジェネレータ２１からのパルス信号を計数して電動機５２の回転速度と回転方法を検出し、符号付加部４１は回転方向を速度に符号として付加して速度検出値とし、その方向と符号の定義を同じく方向を符号で表すトルク指令と方向と符号の定義と同一にする。回生運転判定部１９は、符号判定部にてトルク指令と速度検出部２０が検出した速度の符号を比較し、両者が異なるとき回生運転中と判定する。

トルク指令制限部２２は図１３に示すように、並列に接続されたパワーセル５１の数をｎ（図１３ではｎ＝９の場合を示す）とすると、ｎ個の第１の減算器２３、最大値選択器４３、第２の比例増幅器３７、スイッチ３８および第２のトルク指令更新部４２を備えている。第１の減算器２３は全てのパワーセル５１の直流過大電圧と設定電圧値Ｖ_ｒｅｆとの偏差を求め、最大値選択器４３は第１の演算器２３が演算した偏差のうち最も大きい偏差を偏差Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}とする。第２の比例増幅器はこうして定めた偏差Ｖ_{ｅｒｒｏｒ}から式（９）により、トルク指令絶対値の減少分ΔＴ_ｘを演算し、トルク指令制限部２２は、回生運転判定部１９が回生運転中と判定し、かつ一つ以上のパワーセル５１で直流電圧過大検出部１２が直流過大信号をオンしたとき、スイッチ３８をオンし、トルク指令更新部４２は式（１０）により新たなトルク指令Ｔ_ｒｅｆ’を演算する。以上のように構成すれば、第３の実施例を並列多重マトリクスコンバータ５３の制御装置に対しても全く同様に実施できる。

１ 単相マトリクスコンバータ
２ 主回路部
３ リアクトル
４ コンデンサ
５ 入力フィルタ
６ スナバ回路
７ マトリクスコンバータ
８ 主回路部
９ スナバ回路
１０ 電動機
１１ 直流電圧検出部
１２ 直流電圧過大検出部
１３ 各個電圧指令部
１４ 電圧指令補正部
１５ 出力電圧指令部
１６ 回生運転判定部
１７ トルク指令制限部
１８ 出力電流検出部
１９ 回生運転判定部
２０ 速度検出部
２１ パルスジェネレータ
２２ トルク指令制限部
２３ 第１の減算器
２４ 第１の比例増幅器
２５ スイッチ
２６ 第２の減算器
２７ ベクトル変換部
２８ 位相差演算部
２９ 位相差判定部
３１ 変圧器
３２ パワーセル
３３ 電動機
３４ 直列多重マトリクスコンバータ
３５ 負荷
３６ 第３の減算器
３７ 第２の比例増幅器
３８ スイッチ
４０ 計数部
４１ 符号付加部
４２ トルク指令更新部
４３ 最大値選択器
５１ パワーセル
５２ 電動機
５３ 並列多重マトリクスコンバータ

Claims (17)

1. ３相交流電源に接続される１次巻線および複数の２次巻線を有する変圧器と、
   双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記変圧器を介して前記３相交流電源を入力して単相交流を出力する単相マトリクスコンバータと、
   駆動する回生運転となりうる負荷の各相毎に、複数台の前記単相マトリクスコンバータを直列接続した直列多重マトリクスコンバータの制御装置であって、
   直列多重マトリクスコンバータの出力相電圧に対する出力相電圧指令から前記単相マトリクスコンバータ毎の電圧指令である各個電圧指令を生成する各個電圧指令部と、
   前記単相マトリクスコンバータ毎に設けられ、前記直流電圧検出値が予め設定された設定電圧値を超える場合に、直流電圧過大信号を出力する直流電圧過大検出部と、
   前記直流電圧過大信号が発生時、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、相当する前記単相マトリクスコンバータに対する前記各個電圧指令を小さくする電圧指令補正部と、を備え、
   前記各個電圧指令もしくは補正した各個電圧指令に応じて前記単相マトリクスコンバータを制御して、前記負荷を駆動することを特徴とする直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
2. 前記電圧指令補正部が、各単相マトリクスコンバータ毎に、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差を求める第１の減算器と、
   前記偏差に比例定数を掛け合わせる第１の比例増幅器と、
   前記各個電圧指令から前記第１の比例増幅器の出力を減算する第２の減算器と、
   前記第１の比例増幅器の出力を前記直流電圧過大信号に応じて入り切りするスイッチと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
3. ３相交流電源に接続される１次巻線および複数の２次巻線を有する変圧器と、
   双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記変圧器を介して前記３相交流電源を入力して単相交流を出力する単相マトリクスコンバータと、
   駆動する３相電動機の各相毎に、複数台の前記単相マトリクスコンバータを直列接続した直列多重マトリクスコンバータの制御装置であって、
   前記３相電動機への出力電流を検出して出力電流検出値を出力する出力電流検出部と、
   前記直列多重マトリクスコンバータの出力相電圧に対する出力相電圧指令と前記出力電流検出値とに基づいて出力電圧と出力電流との位相差を算出すると共に、前記直列多重マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力する回生運転判定部と、
   前記判定結果が回生運転、かつ前記直流電圧検出値が前記設定電圧値より大きい場合、相当する前記単相マトリクスコンバータにおける前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、前記３相電動機が出力するトルクに対するトルク指令を、前記トルクを小さくする新たなトルク指令に変更して出力するトルク指令制限部と、
   前記新たなトルク指令から前記出力相電圧指令を生成する出力電圧指令部と、を備えたことを特徴とする直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
4. 前記回生運転判定部は、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値をそれぞれ出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルに変換するベクトル変換部と、
   前記出力電圧ベクトルと前記出力電流ベクトルの成す角を演算し、該成す角を出力電圧指令と出力電流の位相差とする位相差演算部と、
   前記位相差が−（３／２）πラジアンより大きく−π／２ラジアンより小さいかまたはπ／２ラジアンより大きく（３／２）πより小さいときに回生運転中であると判定し、前記位相差が−２π以上（−３／２)π以下か、または−π／２以上π／２以下か、または（３／２）π以上２π以下かのいずれかのとき力行運転中であると判定する位相差判定部と、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
5. 前記直列多重マトリクスコンバータの制御装置が、前記出力電流検出部の代わりに、前記３相電動機の回転速度および回転方向から速度検出値を生成し出力する速度検出部を備え、
   前記回生運転判定部は、前記速度検出値および前記トルク指令に基づいて、前記単相マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力することを特徴とする請求項３に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
6. 前記速度検出部が、前記回転速度に前記回転方向を符号として付加し、その符号の正負が意味する回転方向の定義を、前記トルク指令に付加されているトルクの発生方向を表す符号の定義と揃える符号付加部を備え、
   前記回生運転判定部が、前記速度検出値の符号と前記トルク指令の符号が一致しているときに力行運転と判定し、異なるとき回生運転と判定する符号判定部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
7. 前記トルク指令制限部が、前記単相マトリクスコンバータ毎に、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差に比例定数を掛け合わせる第２の比例増幅器と、
   前記第２の比例増幅器の出力の中で最大であるものを選択する最大値選択器と、
   前記トルク指令の絶対値から前記最大値選択器の出力を減算し、減算結果に前記トルク指令と同じ符号を付加して新たなトルク指令とするトルク指令更新部と、を備えたことを特徴とする請求項３または５に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
8. ３相交流電源に接続され、双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記３相交流電源を入力して３相交流を出力するマトリクスコンバータの制御装置であって、
   駆動する３相電動機への出力電流を検出して出力電流検出値を出力する出力電流検出部と、
   マトリクスコンバータの出力相電圧に対する出力相電圧指令と前記出力電流検出値とに基づいて出力電圧と出力電流との位相差を算出すると共に、前記マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力する回生運転判定部と、
   前記判定結果が回生運転、かつ前記直流電圧検出値が前記設定電圧値より大きい場合、前記マトリクスコンバータにおける前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、前記３相電動機が出力するトルクに対するトルク指令を、前記トルクを小さくする新たなトルク指令に変更して出力するトルク指令制限部と、
   前記新たなトルク指令から前記出力相電圧指令を生成する出力電圧指令部と、を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータの制御装置。
9. 前記回生運転判定部が、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値をそれぞれ出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルに変換するベクトル変換部と、
   前記出力電圧ベクトルと前記出力電流ベクトルの成す角を演算し、該成す角を出力電圧と出力電流の位相差とする位相差演算部と、
   前記位相差が−（３／２）πラジアンより大きく−π／２ラジアンより小さいかまたはπ／２ラジアンより大きく（３／２）πより小さいときに回生運転中であると判定し、前記位相差が−２π以上（−３／２)π以下か、または−π／２以上π／２以下か、または（３
   ／２）π以上２π以下かのいずれかのとき力行運転中であると判定する位相差判定部と、を備えたことを特徴とする請求項８に記載のマトリクスコンバータの制御装置。
10. 前記マトリクスコンバータの制御装置が、前記出力電流検出部の代わりに、前記３相電動機の回転速度および回転方向から速度検出値を生成し出力する速度検出部を備え、
    前記回生運転判定部は、前記速度検出値および前記トルク指令に基づいて、前記マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力することを特徴とする請求項８に記載のマトリクスコンバータの制御装置。
11. 前記速度検出部が、前記回転速度に前記回転方向を符号として付加し、その符号の正負が意味する回転方向の定義を、前記トルク指令に付加されているトルクの発生方向を表す符号の定義と揃える符号付加部を備え、
    前記回生運転判定部が、前記速度検出値の符号と前記トルク指令の符号が一致しているときに力行運転と判定し、異なるとき回生運転と判定する符号判定部を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のマトリクスコンバータの制御装置。
12. 前記トルク指令制限部が、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差に比例定数を掛け合わせる第２の比例増幅器と、
    前記トルク指令の絶対値から前記第２の比例増幅器の出力を減算し、減算結果に前記トルク指令と同じ符号を付加して新たなトルク指令とするトルク指令更新部と、を備えたことを特徴とする請求項８または１０に記載のマトリクスコンバータの制御装置。
13. ３相交流電源に接続され、双方向スイッチング素子を有する主回路部と、前記主回路部の入力および出力に接続されサージ電圧を抑制するスナバ回路と、前記スナバ回路の直流電圧を検出して直流電圧検出値を出力する直流電圧検出部とを有し、前記３相交流電源を入力して３相交流を出力するマトリクスコンバータと、
    複数台の前記マトリクスコンバータを並列接続した並列多重マトリクスコンバータの制御装置であって、
    駆動する３相電動機への出力電流を検出して出力電流検出値を出力する出力電流検出部と、
    前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値とに基づいて出力電圧と出力電流との位相差を算出すると共に、前記並列多重マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力する回生運転判定部と、
    前記判定結果が回生運転、かつ前記直流電圧検出値が前記設定電圧値より大きい場合、相当する前記マトリクスコンバータにおける前記直流電圧検出値と前記設定電圧値との偏差に基づいて、前記３相電動機が出力するトルクに対するトルク指令を、前記トルクを小さくする新たなトルク指令に変更して出力するトルク指令制限部と、
    前記新たなトルク指令から前記出力相電圧指令を生成する出力電圧指令部と、を備えたことを特徴とする並列多重マトリクスコンバータの制御装置。
14. 前記回生運転判定部が、前記出力相電圧指令と前記出力電流検出値をそれぞれ出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルに変換するベクトル変換部と、
    前記出力電圧ベクトルと前記出力電流ベクトルの成す角を演算し、該成す角を出力電圧と 出力電流の位相差とする位相差演算部と、
    前記位相差が−（３／２）πラジアンより大きく−π／２ラジアンより小さいかまたはπ／２ラジアンより大きく（３／２）πより小さいときに回生運転中であると判定し、前記位相差が−２π以上（−３／２)π以下か、または−π／２以上π／２以下か、または（３
    ／２）π以上２π以下かのいずれかのとき力行運転中であると判定する位相差判定部と、を備えたことを特徴とする請求項１３に記載の直列多重マトリクスコンバータの制御装置。
15. 前記並列多重マトリクスコンバータの制御装置が、前記出力電流検出部の代わりに、前記３相電動機の回転速度および回転方向から速度検出値を生成し出力する速度検出部を備え、
    前記回生運転判定部は、前記速度検出値および前記トルク指令に基づいて、前記並列多重マトリクスコンバータが力行運転か回生運転かのいずれかを判定して判定結果を出力することを特徴とする請求項１３に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置。
16. 前記速度検出部が、前記回転速度に前記回転方向を符号として付加し、その符号の正負が意味する回転方向の定義を、前記トルク指令に付加されているトルクの発生方向を表す符号の定義と揃える符号付加部を備え、
    前記回生運転判定部が、前記速度検出値の符号と前記トルク指令の符号が一致しているときに力行運転と判定し、異なるとき回生運転と判定する符号判定部を備えたことを特徴とする請求項１５に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置。
17. 前記トルク指令制限部が、前記マトリクスコンバータ毎に、前記直流電圧検出値と前記設定電圧値の偏差に比例定数を掛け合わせる第２の比例増幅器と、
    前記第２の比例増幅器の出力の中で最大であるものを選択する最大値選択器と、
    前記トルク指令の絶対値から前記最大値選択器の出力を減算し、減算結果に前記トルク指令と同じ符号を付加して新たなトルク指令とするトルク指令更新部と、を備えたことを特徴とする請求項１３または１５に記載の並列多重マトリクスコンバータの制御装置。

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