JP5316767B2 - 電力変換装置および電源システム - Google Patents
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Description
零相電流を抑制することにより、入力電流に零相電流が重畳されて入力電流が大きく歪むことを防止することができる。その結果、電力変換装置が入力フィルタを備える場合、この入力フィルタの遮断周波数を高く設定することができるため、入力フィルタの小型化および軽量化を図ることができる。また、入力力率制御および出力電圧制御の応答性が向上し、電源システムとしての制御性能を向上させることができる。
零相電流が発生すると零相電圧が変動し、中性線の電位に対して影響を与える。その結果、同電位の中性線に他の電子機器が接続されている場合、この電子機器の誤動作を誘発する場合がある。零相電流を抑制することで、同電位の中性線に接続された電子機器の誤動作を防止することができる。
漏電時にマトリックスコンバータの出力等を停止する漏電遮断器を電力変換装置が備える場合、零相電流は漏れ電流としてこの漏電遮断器を誤作動させる恐れがある。零相電流を抑制することで、この漏電遮断器の誤作動を防止することができる。
電力変換装置の入力および出力間に挿入される半導体素子数が少なくて済むので、入力および出力間の電流経路上の半導体素子の損失が低減でき、これにより電力変換装置の損失を低減することができる。従って、ヒートシンクなどに代表される冷却部品を小型軽量化できるので、マトリックスコンバータを適用した電力変換装置はAC−DC−AC間接変換方式と比べて小型軽量化を図ることができる。
S[VA]=P[W]÷η÷PF
ただし、Pはマトリックスコンバータの出力電力すなわち負荷が要求する電力であり、ηはマトリックスコンバータの効率であり、PFはマトリックスコンバータの入力力率である。
I[A]=S[VA]÷V[V]
ただし、Vはマトリックスコンバータの入力電圧すなわち入力電源設備の出力電圧である。
I[A]=S[VA]÷V[V]/3
航空機においては機器重量が重視され、少しでも軽量化を図ることが重要であり、従って、上記のように配線が少しでも細くなることが好ましく、電力変換装置が少しでも小さくかつ軽くなることが好ましい。
マトリックスコンバータは、交流電力から交流電力へ直接変換するため、主回路内に直流部を有さないことが知られている(非特許文献1参照)。
マトリックスコンバータは、エネルギーの伝達方向の制約がない為、負荷で発生したエネルギーを入力側に回生できることが知られている。
AC−DC−AC間接変換方式は、前述の通り直流部を有する。一般的に、インバータは直流部の電圧を受けて、FET(Field Effect Transistor)およびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などに代表される半導体素子によって、直流部の電圧を当該半導体素子でスイッチングすることにより、任意に設定された出力電圧および出力周波数へ変調する。
[構成および基本動作]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。
次に、マトリックスコンバータMXにおけるスイッチ群の制御方法について詳細に説明する。
ここで、マトリックスコンバータMXでは、入力側の各相配線の短絡および出力側の各相配線の開放が許されないため、以下の式(4)および式(5)のような拘束条件が必要になる。
制御部10は、制御関数が以下の式(6)になるように制御を行なう。
式(8)の第1項は求めるマトリックスコンバータMXの出力電圧である。すなわち、マトリックスコンバータMXの出力電圧の波形は、出力側関数Y1,Y2,Y3で表される波形となる。このため、出力側関数Y1,Y2,Y3は出力電圧指令値すなわち出力電圧の位相および振幅に対する指令値となる。式(8)の第2項は関数hu,hv,hwによって現れる零相電圧成分であり、マトリックスコンバータMXの線間電圧には現れない。
式(9)を上記した制御法に適用すれば、理論的には零相電圧は発生しない。しかしながら、式(9)を用いたとしても、マトリックスコンバータMXの入力リップル電圧などの影響により、わずかながら零相電圧が発生し、低周波の中性点電流が三相平衡負荷の中性点から三相交流電源の中性点へ流れてしまう。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置を用いて実験を行なった結果について説明する。
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る電源システムと比べて零相電圧の検出方法を変更した電源システムに関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る電源システムと同様である。
図18を参照して、電源システム202は、本発明の第1の実施の形態に係る電源システムと比べて、電力変換装置101の代わりに電力変換装置102を備える。電力変換装置102は、入力フィルタFLX1と、出力フィルタFLY1と、マトリックスコンバータMXと、制御部11とを含む。制御部11は、減算器6と、零相電圧補正量演算部7と、PWM制御演算部8と、零相電圧検出部9と、零相電流検出部20とを含む。
Claims (6)
- 複数相の電源の各々から供給される各相の交流電力を変換して複数相の負荷にそれぞれ供給し、かつ前記複数相の電源の中性点と前記複数相の負荷の中性点とが共通の安定電位に結合された電源システムにおける電力変換装置であって、
前記複数相の電源から供給される交流電力を変換して前記複数相の負荷にそれぞれ供給するマトリックスコンバータと、
前記複数相の負荷の中性点における零相電圧を検出し、前記検出した零相電圧に基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する制御部とを備える電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記マトリックスコンバータの入力電圧位相に対する入力電流位相の指令値と、前記マトリックスコンバータの出力電圧の振幅および周波数の指令値と、前記検出された零相電圧とに基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記零相電圧の角周波数が前記複数相の電源から供給される交流電力の角周波数と等しく、かつ前記マトリックスコンバータの入力電圧位相に対する入力電流位相の指令値がゼロであるとして前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記検出した零相電圧に基づいて前記零相電圧の指令値を補正し、前記補正した零相電圧の指令値に基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する請求項1から3のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記検出した零相電圧に基づいてPWM制御信号を生成し、
前記マトリックスコンバータは、前記生成されたPWM制御信号に基づいて前記交流電力の変換を行なう請求項1から4のいずれかに記載の電力変換装置。 - 安定電位に結合された中性点を有する複数相の負荷に電力を供給する電源システムであって、
前記安定電位に結合された中性点を有し、複数相の交流電力を供給する複数相の電源と、
前記複数相の電源から供給される交流電力を変換して前記複数相の負荷にそれぞれ供給するマトリックスコンバータと、
前記複数相の負荷の中性点における零相電圧を検出し、前記検出した零相電圧に基づいて前記マトリックスコンバータの電力変換を制御する制御部とを備える電源システム。
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