JP6331925B2 - マトリクスコンバータ、発電システムおよび電力変換方法 - Google Patents

マトリクスコンバータ、発電システムおよび電力変換方法 Download PDF

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Description

開示の実施形態は、マトリクスコンバータ、発電システムおよび電力変換方法に関する。
マトリクスコンバータは、各入力相と各出力相とを接続する複数の双方向スイッチを有しており、これらの双方向スイッチを制御して各入力相の電圧を直接スイッチングすることで出力相へ任意の電圧・周波数を出力する。マトリクスコンバータが電力系統と発電装置との間に接続される場合、入力相は、例えば、電力系統のＲ相、Ｓ相およびＴ相であり、出力相は、例えば、発電装置のＵ相、Ｖ相およびＷ相である。
かかるマトリクスコンバータにおいて、例えば、出力相の一つを入力相の一つに接続し、残りの出力相を入力相の３相全てを用いてＰＷＭ変調する２相変調と呼ばれる技術が知られている（例えば、特許文献１）。
国際公開第２００９／０１３９９２号
上述した２相変調は、出力相を入力相の３相を用いたＰＷＭ変調であるが、例えば、瞬時相電圧が小さい場合、入力相の中間電圧が出力相に接続されないおそれがある。そのため、例えば、サージ電圧により出力特性に影響を及ぼすおそれがある。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、サージ電圧を低減させることができるマトリクスコンバータ、発電システムおよび電力変換方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係るマトリクスコンバータは、電力変換部と制御部とを備える。前記電力変換部は、複数の入力相のそれぞれと複数の出力相のそれぞれとの間に設けられた複数の双方向スイッチを備える。前記制御部は、前記複数の入力相のうちの一つを前記複数の出力相のうちの一つに接続し、前記複数の出力相のうちの残りに前記複数の入力相を切り替えて接続するスイッチングパターンの制御指令を生成し、当該制御指令に基づいて前記電力変換部を制御する。さらに、前記制御部は、出力電圧指令を出力する指令出力部と、前記出力電圧指令に基づいて、前記残りの出力相に対する前記複数の入力相のそれぞれの接続比率を演算し、当該演算結果に基づいて前記制御指令を生成するＰＷＭ演算部と、を備える。前記ＰＷＭ演算部は、中間電圧の入力相の接続比率が下限値より小さい場合、前記中間電圧の入力相の接続比率を前記下限値に設定する。
実施形態の一態様によれば、サージ電圧を低減させることができるマトリクスコンバータ、発電システムおよび電力変換方法を提供することができる。
図１は、実施形態に係るマトリクスコンバータの構成例を示す図である。 図２は、図１に示す双方向スイッチの構成例を示す図である。 図３は、図１に示す制御部の構成例を示す図である。 図４は、図３に示すＰＷＭ演算部の構成例を示す図である。 図５は、出力電圧の空間ベクトルの一例を示す図である。 図６は、出力電圧指令と空間ベクトルとの対応例を示す図である。 図７は、パターン番号１のスイッチングパターンの一例を示す図である。 図８は、パターン番号２のスイッチングパターンの一例を示す図である。 図９は、パターン番号３のスイッチングパターンの一例を示す図である。 図１０は、パターン番号４のスイッチングパターンの一例を示す図である。 図１１は、制御指令生成部の構成例を示す図である。 図１２は、入力相電圧がゼロクロス点にあり、かつ、出力ベクトルの下限値を設けない場合の、ＰＷＭ制御指令と入力相電圧との対応関係を示す図である。 図１３は、入力相電圧がゼロクロス点にあり、かつ、出力ベクトルの下限値を設けた場合の、ＰＷＭ制御指令と入力相電圧との対応関係を示す図である。 図１４は、キャリア波の山のタイミングでスイッチングパターンのパターン番号を切り替えた場合の、ＰＷＭ制御指令と入力相電圧との対応関係を示す図である。 図１５は、キャリア波の山のタイミングでスイッチングパターンのパターン番号を切り替えた場合の、ＰＷＭ制御指令と入力相電圧との対応関係を示す図である。 図１６は、キャリア波の山の直前で、出力電圧指令の大小関係が切り替わる際に、スイッチングパターンをそのまま切り替えた場合のＰＷＭ制御指令と入力相電圧との対応関係を示す図である。 図１７は、出力電圧指令の大小関係が変化する際に、ゼロベクトル出力中のみ出力電圧の領域変化を許可する場合のＰＷＭ制御指令と入力相電圧との対応関係を示す図である。 図１８は、ＰＷＭ演算部により実行される補償量算出処理の一例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するマトリクスコンバータ、発電システムおよび電力変換方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
［１．マトリクスコンバータの構成］
図１は、実施形態に係るマトリクスコンバータの構成例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係るマトリクスコンバータ１は、３相交流電源２（以下、交流電源２と記載する）のＲ相、Ｓ相およびＴ相（複数の入力相の一例）と交流装置３のＵ相、Ｖ相およびＷ相（複数の出力相の一例）との間に設けられる。交流電源２は、例えば、電力系統であり、交流装置３は、例えば、交流電動機や交流発電機などの回転電機である。
例えば、交流電源２が電力系統であり、かつ、交流装置３が交流発電機（発電装置の一例）である場合、マトリクスコンバータ１は、交流装置３によって発電された電力を交流電源２へ出力する。この場合、マトリクスコンバータ１および交流装置３によって発電システムが構成される。また、例えば、交流電源２が電力系統であり、かつ、交流装置３が交流電動機である場合、マトリクスコンバータ１は、交流電源２から供給される電力に基づいて交流装置３を制御する。
マトリクスコンバータ１は、入力端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔと、出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗと、電力変換部１０と、ＬＣフィルタ１１と、入力電圧検出部１２と、出力電流検出部１３と、制御部２０（制御装置の一例）とを備える。マトリクスコンバータ１は、交流電源２から入力端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔを介して供給される３相交流電圧を任意の電圧および周波数に変換して出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗから交流装置３へ出力する。
電力変換部１０は、交流電源２の各相と交流装置３の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９（以下、双方向スイッチＳｗと総称する場合がある）を備える。双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ３は、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と交流装置３のＵ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｗ４〜Ｓｗ６は、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と交流装置３のＶ相とをそれぞれ接続する。双方向スイッチＳｗ７〜Ｓｗ９は、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と交流装置３のＷ相とをそれぞれ接続する。
図２は、双方向スイッチＳｗの構成例を示す図である。図２に示すように、双方向スイッチＳｗは、スイッチング素子ＳｗａとダイオードＤａの直列接続回路と、スイッチング素子ＳｗｂとダイオードＤｂとの直列接続回路とを有し、これらの直列接続回路は逆並列接続される。図２においては、入力相電圧をＶｉと表記し、出力相電圧をＶｏと表記している。
なお、双方向スイッチＳｗは、複数のスイッチング素子を有して導通方向を制御可能な構成であればよく、図２に示す構成に限定されない。例えば、図２に示す例では、ダイオードＤａ、Ｄｂのカソード同士が接続されているが、双方向スイッチＳｗは、ダイオードＤａ、Ｄｂのカソード同士が接続されない構成でもよい。
また、スイッチング素子Ｓｗａ、Ｓｗｂは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子である。また、スイッチング素子Ｓｗａ、Ｓｗｂは、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮであってもよい。なお、スイッチング素子Ｓｗａ、Ｓｗｂが逆素子ＩＧＢＴの場合、ダイオードＤａ、Ｄｂを設けなくてもよい。
図１に戻って、マトリクスコンバータ１の説明を続ける。ＬＣフィルタ１１は、交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相と電力変換部１０との間に設けられる。このＬＣフィルタ１１は、３つのリアクトルＬｒ、Ｌｓ、Ｌｔと３つのコンデンサＣｒｓ、Ｃｓｔ、Ｃｔｒを含み、双方向スイッチＳｗのスイッチングに起因する高周波成分を除去する。
入力電圧検出部１２は、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相電圧を検出する。例えば、入力電圧検出部１２は、交流電源２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相電圧の瞬時値Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔ（以下、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔと記載する）を検出する。
出力電流検出部１３は、電力変換部１０と交流装置３との間に流れる電流を検出する。例えば、出力電流検出部１３は、電力変換部１０と交流装置３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれとの間に流れる電流の瞬時値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（以下、出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと記載する）を検出する。なお、以下、出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを総称して出力相電流Ｉｏと記載する場合がある。
制御部２０は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔおよび出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗなどに基づいて、駆動信号Ｓ１ａ〜Ｓ９ａ、Ｓ１ｂ〜Ｓ９ｂ（以下、駆動信号Ｓｇと総称する場合がある）を生成し、電力変換部１０の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を制御する。
例えば、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のスイッチング素子Ｓｗａは、駆動信号Ｓ１ａ〜Ｓ９ａによって駆動され、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のスイッチング素子Ｓｗｂは、駆動信号Ｓ１ｂ〜Ｓ９ｂによって駆動される。
［２．制御部２０の構成］
図３は、制御部２０の構成例を示す図である。図３に示すように、制御部２０は、指令出力部２１と、ＰＷＭ演算部２２と、転流制御部２３（駆動制御部の一例）とを備える。
制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。マイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、指令出力部２１、ＰＷＭ演算部２２および転流制御部２３として機能する。なお、制御部２０は、プログラムを用いずにハードウェアのみで構成されることがある。
指令出力部２１は、所定の制御周期で、出力相毎の出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*（出力相電圧指令の一例）を生成して出力する。かかる指令出力部２１は、電流指令生成部３１と、電流制御部３２とを備える。
電流指令生成部３１は、例えば、周波数指令ｆ*に基づき、出力電流指令Ｉｕ*、Iｖ*、Iｗ*を生成する。なお、電流指令生成部３１は出力電流指令Ｉｕ*、Iｖ*、Iｗ*の生成を、周波数指令ｆ*に代えて、例えば、トルク指令Ｔ*に基づいて行うこともできる。
電流制御部３２は、出力電流指令Ｉｕ*、Iｖ*、Iｗ*と出力相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づき、所定の制御周期で、出力相毎の出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成して出力する。例えば、電流制御部３２は、Ｕ相に関し、出力電流指令Ｉｕ*と出力相電流Ｉｕとの差がゼロになるように比例積分（ＰＩ）制御を行うことにより、出力電圧指令Ｖｕ*を生成する。電流制御部３２は、Ｖ相やＷ相も同様に、例えば、ＰＩ制御によって出力電圧指令Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。
ＰＷＭ演算部２２は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔ、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*および入力電流指令Ｉｒ*、Iｓ*、Iｔ*などに基づき、キャリア波Ｓｃの半周期毎に空間ベクトル法を用いて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御のデューティ比を規定する出力ベクトルの比率を演算する。なお、空間ベクトル法を用いた演算は、例えば、国際公開第２００６／１１８０２６号に記載されている公知の技術を用いることができる。
ＰＷＭ演算部２２は、演算した出力ベクトルの比率に基づいてＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*（制御指令の一例。以下、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*と総称する場合がある）を生成し、転流制御部２３へ出力する。かかるＰＷＭ演算部２２の構成について、後で詳述する。
転流制御部２３は、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*に基づき、駆動信号Ｓｇを生成する。また、転流制御部２３は、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*が変化した場合に、複数のステップを有する所定の転流法によって転流制御処理を行って駆動信号Ｓｇを生成する。これにより、双方向スイッチを構成するスイッチング素子が所定の順序で個別にオン／オフ制御され、交流電源２の線間短絡やマトリクスコンバータ１の出力開放などを抑制することができる。なお、転流法には、例えば、４ステップ電流転流法や４ステップ電圧転流法などがあり、例えば、特開２００４−７９２９号公報や特開２００７−８２２８６号公報などに開示されている技術を用いることができる。
［３．ＰＷＭ演算部２２の構成］
図４は、ＰＷＭ演算部２２の構成例を示す図である。図４に示すように、ＰＷＭ演算部２２は、大小関係判定部４０と、ベクトル演算部４１と、基準電圧判定部４２と、電流分配率演算部４３と、制御指令生成部４４とを備え、空間ベクトル法を用いて、例えば、２相変調法によりＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。
２相変調法は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち１つの出力相は基準電圧Ｅｂａｓｅに固定し、残りの２つの出力相は入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎを切り替えて出力させる変調方式である。なお、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔの大きさが大きい順に入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとする。
ここで、空間ベクトル法について説明する。交流電源２のＲ相、Ｓ相およびＴ相について、最大電圧相をＰ、最小電圧相をＮ、中間電圧相をＭとした場合、出力電圧の空間ベクトルは図５のように表すことができる。図５は、出力電圧の空間ベクトルの一例を示す図である。最大電圧相Ｐは、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのうち最大電圧（入力相電圧Ｅｐ）に対応する入力相であり、中間電圧相Ｍは、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのうち中間電圧（入力相電圧Ｅｍ）に対応する入力相である。また、最小電圧相Ｎは、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのうち最小電圧（入力相電圧Ｅｎ）に対応する入力相である。
図５において、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の出力相のうちいずれか１つが最大電圧相Ｐに接続され、残りが最小電圧相Ｎに接続されている状態を、ベクトル表現を用いて「ａベクトル」と表記する。また、出力相のうちいずれか１つが最小電圧相Ｎに接続され、残りが最大電圧相Ｐに接続されている状態を、ベクトル表現を用いて「ｂベクトル」と表記する。例えば、Ｕ相が最大電圧相Ｐに接続され、Ｖ相およびＷ相が最小電圧相Ｎに接続されている場合、「ＰＮＮ」と表記し、「ａベクトル」である。同様に、「ＮＰＮ」、「ＮＮＰ」は「ａベクトル」である。また、「ＰＰＮ」、「ＰＮＰ」、「ＮＰＰ」は「ｂベクトル」である。
また、出力相のうち一部が中間電圧相Ｍに接続されている状態を、ベクトル表現を用いて「ａｐベクトル」、「ａｎベクトル」、「ｂｐベクトル」、「ｂｎベクトル」で表記する。例えば、「ａｐベクトル」は、出力相のうちいずれか１つが最大電圧相Ｐ、残りが中間電圧相Ｍに接続されている状態を示すベクトルである。「ａｎベクトル」は、出力相のうちいずれか１つが中間電圧相Ｍに、残りが最小電圧相Ｎに接続された状態を示すベクトルである。「ｂｐベクトル」は、出力相のうちいずれか２つが最大電圧相Ｐ、残りが中間電圧相Ｍに接続されている状態を示すベクトルである。また、「ｂｎベクトル」は、出力相のうちいずれか２つが中間電圧相Ｍ、残りが最小電圧相Ｎに接続されている状態を示すベクトルである。
また、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ異なる入力相に接続されている状態を、ベクトル表現を用いて「ｃｍベクトル」で表記する。また、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相がすべて同一の入力相に接続されている状態を、「ｏｎベクトル」、「ｏｍベクトル」または「ｏｐベクトル」で表記する。「ｏｎベクトル」は、出力相の全てが最小電圧相Ｎに接続された状態を示すベクトルである。「ｏｍベクトル」は、出力相の全てが中間電圧相Ｍに接続された状態を示すベクトルである。「ｏｐベクトル」は、出力相の全てが最大電圧相Ｐに接続された状態を示すベクトルである。なお、「ｏｎベクトル」、「ｏｍベクトル」または「ｏｐベクトル」がゼロベクトルであり、それ以外が有効ベクトルである。
図６は、出力電圧指令Ｖｏ*と空間ベクトルとの対応例を示す図である。ＰＷＭ演算部２２は、図６に示されるように、出力電圧指令Ｖｏ*の「ａベクトル成分Ｖａ」と「ｂベクトル成分Ｖｂ」を、複数の出力ベクトルの組み合わせによるスイッチングパターンによってＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*を生成して出力する。かかる組み合わせは、「ａベクトル」、「ａｐベクトル」、「ａｎベクトル」、「ｂベクトル」、「ｂｐベクトル」、「ｂｎベクトル」、「ｃｍベクトル」、「ｏｐベクトル」、「ｏｍベクトル」および「ｏｎベクトル」の中から行われる。
大小関係判定部４０は、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎを判定する。かかる大小関係判定部４０は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔの大きさが大きい順に入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとする。
ベクトル演算部４１は、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*のうち最大値をＶｍａｘ、中間値をＶｍｉｄ、最小値をＶｍｉｎとし、ａベクトル成分Ｖａおよびｂベクトル成分Ｖｂを、例えば、以下の式（１）、（２）に基づいて求める。
｜Ｖａ｜＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｄ ・・・（１）
｜Ｖｂ｜＝Ｖｍｉｄ−Ｖｍｉｎ ・・・（２）
また、基準電圧判定部４２は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのうち絶対値が最も大きな入力相電圧Ｖｉを基準電圧Ｅｂａｓｅとする。電流分配率演算部４３は、基準電圧ＥｂａｓｅがＥｐの場合、例えば、下記式（３）に基づいて電流分配率αを求め、例えば、基準電圧ＥｂａｓｅがＥｎの場合、下記式（４）に基づいて電流分配率αを求める。下記式（３）、（４）においては、入力電流指令Ｉｒ*、Iｓ*、Iｔ*のうち、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎに対応する相の電流指令値をそれぞれＩｐ、Ｉｍ、Ｉｎとしている。
α＝Ｉｍ／Ｉｎ ・・・（３）
α＝Ｉｍ／Ｉｐ ・・・（４）
入力電流指令Ｉｒ*、Iｓ*、Iｔ*は、制御部２０の入力電力制御器（図示せず）において、例えば、正相分電圧および逆相分電圧と、設定された力率指令とに基づいて生成される。かかる入力電流指令Ｉｒ*、Iｓ*、Iｔ*により、アンバランス電圧の影響が相殺され、かつ、入力電流の力率が任意の値に制御される。
制御指令生成部４４は、複数のスイッチングパターンから１つのスイッチングパターンを選択する。下記表１にスイッチングパターンの一例を示す。制御指令生成部４４は、基準電圧Ｅｂａｓｅが入力相電圧Ｅｐ、Ｅｎのいずれであるか、および、入力相電圧Ｖｉの位相状態が｜Ｖｂ｜−α｜Ｖａ｜≧０を満たすか否かに基づき、例えば、下記表１に示すスイッチングパターンの中から一つのスイッチングパターンを選択する。制御指令生成部４４は、選択したスイッチングパターンを構成する各出力ベクトルの比率を出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に基づいて求める。
Figure 0006331925
図７〜図１０は、２相変調法におけるキャリア波Ｓｃ、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*および入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの対応関係を示す図であり、Ｖｕ１*＞Ｖｖ１*＞Ｖｗ１*の関係にある場合の例である。図７〜図１０は、表１に示すスイッチングパターンのパターン番号１〜４にそれぞれ対応する。なお、図７〜図１０に示すタイミングｔ１０〜ｔ２０は、出力ベクトル間の区切りを示すための便宜上の記載であり、タイミングｔ１０、ｔ１５、ｔ２０を除き、図７〜図１０の間ではタイミングが異なる場合もある。後述するその他の図も同様である。
各ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*は、各出力相に対して各タイミングで入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎのいずれに接続するかを示す情報または信号である。図７〜図１０に示す例では、理解を容易にするために、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*と入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとの関係を波形で示している。
制御指令生成部４４は、基準電圧Ｅｂａｓｅが入力相電圧Ｅｐ、Ｅｎのいずれであるかにより、例えば、図７に示すスイッチングパターンと図９に示すスイッチングパターンとを切り替える。また、制御指令生成部４４は、例えば、入力相電圧Ｖｉの位相状態に基づき、図７に示すスイッチングパターンと図８に示すスイッチングパターンとを切り替える。
［４．制御指令生成部４４の構成］
図１１に示すように、制御指令生成部４４は、切替部５１と、比率演算部５２と、追加部５３と、比率調整部５４と、制御指令出力部５５とを備える。図１１は、制御指令生成部４４の構成例を示す図である。
切替部５１は、基準電圧Ｅｂａｓｅが入力相電圧Ｅｐ、Ｅｎのいずれであるか、および、｜Ｖｂ｜−α｜Ｖａ｜≧０を満たすか否かに基づき、パターン番号１〜４のスイッチングパターンの中から一つのスイッチングパターンを選択する。切替部５１は、選択したスイッチングパターンの情報を比率演算部５２に通知する。また、切替部５１は、基準電圧Ｅｂａｓｅが切り替わる場合に基準電圧Ｅｂａｓｅが切り替わることを示す情報を追加部５３へ通知する。
比率演算部５２は、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｎ、電流分配率α、ベクトル成分Ｖａ，Ｖｂ、基準電圧Ｅｂａｓｅなどに基づき、切替部５１から通知されたパターン番号のスイッチングパターンの各出力ベクトルの比率（出力相に対する入力相の接続比率の一例）を演算する。
追加部５３は、切替部５１が基準電圧Ｅｂａｓｅに基づいてスイッチングパターンを切り替える場合に、切り替え後のスイッチングパターンの先頭または切り替え前のスイッチングパターンの最後に中間電圧相Ｍを含む出力ベクトルの比率を追加する。
比率調整部５４は、比率演算部５２から通知される各出力ベクトルの比率を取得し、中間電圧相Ｍを含む出力ベクトルの比率（中間電圧相Ｍの接続比率の一例）が下限値Ｔｍｉｎより小さい場合、かかる出力ベクトルの比率を下限値Ｔｍｉｎに設定し、残りの出力ベクトルの比率（残りの接続比率の一例）の一部または全部を調整する。これにより、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に応じた出力電圧を精度良く出力することができる。
また、比率調整部５４は、追加部５３によって中間電圧相Ｍを含む出力ベクトルの比率がスイッチングパターンに追加された場合、比率演算部５２から各出力ベクトルの比率の一部または全部を調整する。これにより、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に応じた出力電圧を精度良く出力することができる。
制御指令出力部５５は、比率演算部５２によって演算されたスイッチングパターンの各出力ベクトルの比率、または、比率調整部５４によって調整された後のスイッチングパターンの各出力ベクトルの比率に基づいて、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*を生成する。
ここで、制御指令生成部４４は、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制する。このように、最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わりを抑制することで、サージ電圧（例えば、交流装置３が電動機の場合、モータサージ電圧）を抑制して出力特性の精度を向上させることができる。制御指令生成部４４は、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制するために、例えば、以下（ａ）〜（ｃ）の機能を実行する。以下、それぞれの機能について詳細に説明する。
（ａ）中間電圧相Ｍを出力するベクトル比率に下限値Ｔｍｉｎを設ける。
（ｂ）スイッチングパターンに中間電圧相Ｍを出力する出力ベクトルを加える。
（ｃ）ゼロベクトル出力中のみ出力電圧の領域変化を許可する。
［４．１．下限値の設定］
制御指令生成部４４は、中間電圧相Ｍを出力するための出力ベクトルの比率が下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように出力ベクトルの比率を演算することができる。
入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのゼロクロス点では、電流分配率αはゼロになる。電流分配率αがゼロである場合、出力ベクトルの下限値Ｔｍｉｎを設けない場合、図１２に示すように、中間電圧相Ｍが用いられない状態になる。図１２は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔがゼロクロス点にあり、かつ、出力ベクトルの下限値Ｔｍｉｎを設けない場合のＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*および入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの対応関係を示す図であり、Ｖｕ１*＞Ｖｖ１*＞Ｖｗ１*の関係にある場合の例である。
入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのゼロクロス点近傍も電流分配率αがゼロ近傍になる。電流分配率αがゼロ近傍になる場合、例えば、スイッチング素子のデッドタイムなどにより、中間電圧相Ｍが出力されない状態になることがある。このように、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのゼロクロス点およびその近傍である場合、中間電圧相Ｍが出力されない状態になることがある。
そこで、制御指令生成部４４は、中間電圧相Ｍを出力するための出力ベクトルの比率が下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように制限する。かかる下限値Ｔｍｉｎは、電力変換部１０から出力相に対して中間電圧相Ｍを出力することができる比率に設定される。例えば、下限値Ｔｍｉｎは、転流制御の開始タイミングから出力相の電圧が切り替えられるまでの時間やスイッチング素子のターンオフ時間に基づいて設定される。例えば、転流制御部２３に用いられる転流法が４ステップの電流転流法である場合、２ステップ分の転流時間、スイッチング素子Ｓｗａｂのターンオフ時間および中間相電圧Ｅｍｉｄの最小出力時間を加算した時間を下限値Ｔｍｉｎとすることができる。
制御指令生成部４４は、例えば、パターン番号１のスイッチングパターンの場合、制御指令生成部４４は、「ｂｐベクトル」の比率Ｔｂｐおよび「ｃｍベクトル」の比率Ｔｃｍが下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように、「ｂｐベクトル」の比率Ｔｂｐおよび「ｃｍベクトル」の比率Ｔｃｍを制限する。
また、制御指令生成部４４は、パターン番号２のスイッチングパターンの場合、例えば、「ａｐベクトル」の比率Ｔａｐが下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように、「ａｐベクトル」の比率Ｔａｐを制限する。なお、「ａｐベクトル」に隣接する「ｂｐベクトル」および「ｃｍベクトル」も中間電圧相Ｍを出力する出力ベクトルであるが、「ｂｐベクトル」および「ｃｍベクトル」のいずれも中間電圧相Ｍを出力する出力相が「ａｐベクトル」と重複する。そのため、「ａｐベクトル」の比率Ｔａｐが下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないようにすることで、「ｂｐベクトル」および「ｃｍベクトル」の比率がゼロであっても、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのゼロクロス点およびその近傍である場合に、中間電圧相Ｍを出力することができる。
制御指令生成部４４は、パターン番号３のスイッチングパターンの場合、「ｃｍベクトル」の比率Ｔｃｍおよび「ａｎベクトル」の比率Ｔａｎが下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように、「ｃｍベクトル」の比率Ｔｃｍおよび「ａｎベクトル」の比率Ｔａｎを制限する。
また、制御指令生成部４４は、パターン番号４のスイッチングパターンの場合、例えば、「ｂｎベクトル」の比率Ｔｂｎが下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように、「ｂｎベクトル」の比率Ｔｂｎを制限する。なお、「ｂｎベクトル」に隣接する「ｃｍベクトル」および「ａｎベクトル」も中間電圧相Ｍを出力する出力ベクトルであるが、「ｃｍベクトル」および「ａｎベクトル」のいずれも中間電圧相Ｍを出力する出力相が「ｂｎベクトル」と重複する。そのため、パターン番号２のスイッチングパターンの場合と同様に、中間電圧相Ｍを出力することができる。
図１３は、入力相電圧Ｅｒ、Ｅｓ、Ｅｔのいずれかがゼロクロス点にあり、かつ、パターン番号１のスイッチングパターンの場合に、下限値Ｔｍｉｎを設けた場合のＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*および入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの対応関係を示す図であり、Ｖｕ１*＞Ｖｖ１*＞Ｖｗ１*の関係にある場合の例である。
図１３に示すように、中間電圧相Ｍを出力するための出力ベクトルの比率に下限値Ｔｍｉｎを設けることにより、中間電圧相Ｍを含む３レベルの電圧を２つの出力相へ出力することができる。
なお、制御指令生成部４４は、中間電圧相Ｍを出力するための出力ベクトルの比率が下限値Ｔｍｉｎよりも小さくならないように演算する処理は、上述したように、比率演算部５２および比率調整部５４によって行われるが、かかる構成に限定されない。すなわち、結果的に、中間電圧相Ｍを出力するための出力ベクトルの比率が下限値Ｔｍｉｎよりも小さくなることを抑制しつつ、スイッチングパターンの各出力ベクトルの比率を演算することができる構成であればよい。
［４．２．中間電圧相Ｍを出力する出力ベクトルの追加］
制御指令生成部４４は、基準電圧Ｅｂａｓｅの切り替わり時にパターン番号１〜４のスイッチングパターンに中間電圧相Ｍが用いられる出力ベクトルを追加することができる。これにより、基準電圧Ｅｂａｓｅの切り替わり時に、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制して、段階的に３レベルで変化させることができる。
ここで、制御指令生成部４４がキャリア波Ｓｃの山のタイミング（例えば、図７に示すタイミングｔ１５）でスイッチングパターンのパターン番号を１から３へ切り替えたとする。この場合のＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*および入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの対応関係を図１４に示す。
図１４に示すように、キャリア波Ｓｃの山のタイミングｔ１５で、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*が最大相電圧Ｅｐへの接続を示す状態から最小相電圧Ｅｎへの接続を示す状態へ切り替わる。そのため、出力相電圧Ｖｕは最大相電圧Ｅｐから最大相電圧Ｅｎへ切り替わり、中間相電圧Ｅｍは出力されない。かかる現象は、パターン番号１〜４のうちいずれのスイッチングパターンを切り替える場合にも発生する。
そこで、制御指令生成部４４は、例えば、表２に示すように、基準電圧Ｅｂａｓｅの切り替わり時にパターン番号１〜４のスイッチングパターンに中間電圧相Ｍが用いられる出力ベクトルを追加する。
Figure 0006331925
表２に示すように、制御指令生成部４４は、基準電圧Ｅｂａｓｅが最大相電圧Ｅｐおよび最小相電圧Ｅｎのいずれへ切り替わるか、および、切替タイミングがキャリア波Ｓｃの山か谷かに基づいて、スイッチングパターンに追加する出力ベクトルを選択する。なお、キャリア波Ｓｃの谷は、例えば、図７に示すタイミングｔ１０、ｔ２０であり、キャリア波Ｓｃの山は、例えば、図７に示すタイミングｔ１５である。
例えば、制御指令生成部４４は、パターン番号１のスイッチングパターンを用いてＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*が生成されている場合に、キャリア波Ｓｃが山のタイミングで基準電圧Ｅｂａｓｅを最大相電圧Ｅｐから最小相電圧Ｅｎへ切り替えるとする。この場合、制御指令生成部４４は、パターン番号３のスイッチングパターンにおいて、その先頭に「ａｎベクトル」を追加する。これにより、制御指令生成部４４は、「ａｎベクトル」、「ｏｎベクトル」、「ａｎベクトル」、「ａベクトル」、「ｃｍベクトル」、「ｂベクトル」の順に出力ベクトルが出力されるスイッチングパターンによってＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。
また、制御指令生成部４４は、例えば、パターン番号１のスイッチングパターンを用いてＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*が生成されている場合に、キャリア波Ｓｃが谷のタイミングで基準電圧Ｅｂａｓｅが最大相電圧Ｅｐから最小相電圧Ｅｎへ切り替えるとする。この場合、制御指令生成部４４は、パターン番号３のスイッチングパターンにおいて、その先頭に「ｂｐベクトル」を追加したスイッチングパターンによってＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。
図１５は、キャリア波Ｓｃの山のタイミングでスイッチングパターンのパターン番号を１から３へ切り替えた場合の、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*および入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの対応関係を示す図である。図１５に示すように、スイッチングパターンの切り替わりの際のタイミングｔ１５、ｔ１６の間、中間相電圧Ｅｍが出力される。すなわち、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*が最大相電圧Ｅｐを示す状態から中間相電圧Ｅｍを示す状態になった後、最小相電圧Ｅｎを示す状態へ切り替わる。
このように、制御指令生成部４４は、基準電圧Ｅｂａｓｅの切り替わり時に中間電圧相Ｍが用いられる出力ベクトルをスイッチングパターンに追加することにより、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制することができる。
なお、制御指令生成部４４は、基準電圧Ｅｂａｓｅの切り替わり時に中間電圧相Ｍが用いられる出力ベクトルをスイッチングパターンに追加する処理は、比率演算部５２、追加部５３および比率調整部５４によって行われるが、上述した処理に限定されるものではない。すなわち、スイッチングパターンを切り替える場合に、スイッチングパターンの先頭または最後に中間電圧相Ｍを含む出力ベクトルの比率を追加し、その他の出力ベクトルの比率を調整する構成であればよい。
［４．３．出力電圧の領域変化の許可制限］
制御指令生成部４４は、ゼロベクトル出力中のみ出力電圧の領域変化を許可することができる。かかる処理は、例えば、制御指令生成部４４の切替部５１によって行われる。これにより、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制して、段階的に３レベルで変化させることができる。なお、ゼロベクトルは、上述した「ｏｎベクトル」、「ｏｍベクトル」または「ｏｐベクトル」であり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相がすべて同一の入力相に接続されている状態を示す。
ここで、出力電圧の領域は、出力相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの大小関係が維持される状態であり、例えば、切替部５１は、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に基づいて出力相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの大小関係を判定する。出力電圧の領域は、例えば、以下の表３に示すように、６つの領域Ａ〜領域Ｆ（図５参照）に分かれる。なお、下記表３では、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*のうち、電圧が高い順にＰ１、Ｐ２、Ｐ３として表している。
Figure 0006331925
切替部５１は、例えば、Ｖｕ*＞Ｖｖ*＞Ｖｗ*の状態である場合、Ａ領域にあると判定し、判定結果を比率演算部５２へ通知する。比率演算部５２は、切替部５１から通知される領域に基づいて、各出力相に対する出力ベクトルの比率（以下、ベクトル比率と記載する場合がある）を演算する。例えば、切替部５１が出力電圧の領域がＡ領域であると判定したとする。この場合、比率演算部５２は、例えば、パターン番号１のスイッチングパターンにより図７に示すようなＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。また、比率演算部５２は、例えば、パターン番号２のスイッチングパターンにより、図７におけるＶｕ*とＶｖ*とが入れ替わったようなＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。
ここで、例えば、基準電圧ＥｂａｓｅがＥｐの状態であり、キャリア波Ｓｃの山の直前で、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の大小関係が、Ｖｕ*＞Ｖｖ*＞Ｖｗ*の状態からＶｖ*＞Ｖｕ*＞Ｖｗ*の状態に切り替わるとする。図１６は、キャリア波Ｓｃの山の直前で、Ｖｕ*＞Ｖｖ*＞Ｖｗ*の状態からＶｖ*＞Ｖｕ*＞Ｖｗ*の状態に切り替わる際に、スイッチングパターンをそのまま切り替えた場合のＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*と入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとの対応関係を示す図である。
この場合、空間ベクトルにおけるＡ領域からＢ領域へ切り替えると、図１６に示すように、キャリア波Ｓｃの山のタイミングｔ１５において、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*は、最大相電圧Ｅｐから最小相電圧Ｅｎへの接続を示す状態へ切り替わり、また、ＰＷＭ制御指令Ｖｖ１*が最小相電圧Ｅｎから最大相電圧Ｅｐへの接続を示す状態へ切り替わる。そのため、出力相電圧Ｖｕ、Ｖｖは最大相電圧Ｅｐと最小相電圧Ｅｎとの間で切り替わり、中間相電圧Ｅｍは出力されない。
そこで、切替部５１は、ゼロベクトル出力中のみ出力電圧の領域変化を許可することにより、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間での切り替わることを抑制して、段階的に３レベルで変化させることができる。
例えば、切替部５１は、パターン番号１、２のスイッチングパターンであれば、比率演算部５２に対しキャリア波Ｓｃの谷のタイミングで領域の切り替わりを通知し、キャリア波Ｓｃの山のタイミングでは領域の切り替わりを通知しない。また、切替部５１は、パターン番号３、４のスイッチングパターンであれば、比率演算部５２に対しキャリア波Ｓｃの山のタイミングで領域の切り替わりを通知し、キャリア波Ｓｃの谷のタイミングでは領域の切り替わりを通知しない。
図１７は、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の大小関係が変化する際に、ゼロベクトル出力中のみ出力電圧の領域変化を許可する場合のＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*と入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとの対応関係を示す図である。図１７は、基準電圧ＥｂａｓｅがＥｐの状態であり、キャリア波Ｓｃの山のタイミングｔ１５の直前で、Ｖｕ*＞Ｖｖ*＞Ｖｗ*の状態からＶｖ*＞Ｖｕ*＞Ｖｗ*の状態へ切り替わる場合の例を示す。キャリア波Ｓｃの山のタイミングｔ１５における出力ベクトルは、「ａベクトル」であり、ゼロベクトルではないため、図１７に示すように、切替部５１は、空間ベクトルのＡ領域からＢ領域への切り替えを行わない。
このように、制御指令生成部４４は、タイミングｔ１５で、出力電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の大小関係がＶｖ*＞Ｖｕ*＞Ｖｗ*の状態ではなく、Ｖｕ*＞Ｖｖ*＞Ｖｗ*の状態であるものとして、ＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*を生成して出力する。これにより、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制することができる。
なお、上述においては、切替部５１がゼロベクトル出力中のみ出力電圧の領域変化を許可するものとして説明したが、かかる切替部５１は、例えば、比率演算部５２に設けてもよく、図１１に示す構成に限定されるものではない。
［４．４．ベクトル比率の演算］
制御指令生成部４４は、上述したような下限値Ｔｍｉｎの設定や出力ベクトルの追加の際に、各出力ベクトルの比率を調整することができ、これにより、出力電圧の精度を向上させることができる。以下、スイッチングパターンにおける出力ベクトルの比率調整について説明する。
比率演算部５２は、パターン番号１のスイッチングパターンの場合、例えば、下記式（５）〜（９）の演算式を用いて、キャリア波Ｓｃの谷から山までのキャリア半周期におけるベクトル比率Ｔｏｐ、Ｔｂｐ、Ｔｂ、Ｔｃｍ、Ｔａを求める。ベクトル比率Ｔｏｐ、Ｔｂｐ、Ｔｂ、Ｔｃｍ、Ｔａは、それぞれ、「ｏｐベクトル」、「ｂｐベクトル」、「ｂベクトル」、「ｃｍベクトル」および「ａベクトル」の比率である。
Ｔａ＝｜Ｖａ｜／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α） ・・・（５）
Ｔｂｐ＝α（｜Ｖａ｜＋｜Ｖｂ｜）／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α）・・・（６）
Ｔｂ＝（｜Ｖａ｜−α｜Ｖｂ｜）／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α） ・・・（７）
Ｔｃｍ＝α｜Ｖａ｜／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α） ・・・（８）
Ｔｏｐ＝１−（Ｔｂｐ＋Ｔｂ＋Ｔｃｍ＋Ｔａ） ・・・（９）
なお、ｄＥｍａｘ、ｄＥｍｉｄおよびｄＥｍｉｎは、以下の式（１０）〜（１４）により求められる。なお、基準電圧ＥｂａｓｅがＥｐの場合、例えば、下記式（１１）、（１３）に基づいてｄＥｍｉｄおよびｄＥｍｉｎを求め、例えば、基準電圧ＥｂａｓｅがＥｎの場合、下記式（１２）、（１４）に基づいてｄＥｍｉｄおよびｄＥｍｉｎを求める。
ｄＥｍａｘ＝Ｅｐ−Ｅｎ ・・・（１０）
ｄＥｍｉｄ＝Ｅｐ−Ｅｍ ・・・（１１）
ｄＥｍｉｄ＝Ｅｍ−Ｅｎ ・・・（１２）
ｄＥｍｉｎ＝Ｅｍ−Ｅｎ ・・・（１３）
ｄＥｍｉｎ＝Ｅｐ−Ｅｍ ・・・（１４）
比率演算部５２によってベクトル比率Ｔｏｐ、Ｔｂｐ、Ｔｂ、Ｔｃｍ、Ｔａが算出された後、比率調整部５４は、ベクトル比率の調整処理を行う。例えば、比率調整部５４は、比率演算部５２から通知されたベクトル比率Ｔｂｐ、Ｔｃｍが下限値Ｔｍｉｎよりも小さい場合、ベクトル比率Ｔｂｐ、Ｔｃｍを下限値Ｔｍｉｎに再設定する。下限値Ｔｍｉｎに再設定したベクトル比率Ｔｂｐ、Ｔｃｍを以下においてベクトル比率Ｔｂｐ’、Ｔｃｍ’と記載する。
ベクトル比率Ｔｂｐ、Ｔｃｍを下限値Ｔｍｉｎに再設定すると、「ｂｐベクトル」と「ｃｍベクトル」が増加することになるため、出力電圧指令Ｖｏ*で規定する電圧よりも出力電圧Ｖｏが大きくなるおそれがある。
そこで、比率調整部５４は、例えば、下記式（１５）〜（１７）の演算式を用いて、ベクトル比率Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｏｐを調整する。なお、下記式（１５）〜（１７）では、調整後のベクトル比率Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｏｐをベクトル比率Ｔａ’、Ｔｂ’、Ｔｏｐ’で表している。また、ベクトル比率Ｔｃｍ’のベクトル比率Ｔｃｍからの増加分をΔＴｃｍとし、ベクトル比率Ｔｂｐ’のベクトル比率Ｔｂｐからの増加分をΔＴｂｐとしている。
Ｔａ’＝Ｔａ−ｄＥｍｉｄ×ΔＴｃｍ／ｄＥｍａｘ ・・・（１５）
Ｔｂ’＝Ｔｂ−（ｄＥｍｉｄ×ΔＴｂｐ＋ｄＥｍｉｎ×ΔＴｃｍ）／ｄＥｍａｘ ・・・（１６）
Ｔｏｐ’＝１−（Ｔｂｐ’＋Ｔｂ’＋Ｔｃｍ’＋Ｔａ’） ・・・（１７）
このように、ベクトル比率Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｏｐを調整することにより、ベクトル比率Ｔｂｐ、Ｔｃｍを下限値Ｔｍｉｎに再設定したことによる影響を抑え、出力電圧を精度良く出力することができる。制御指令出力部５５は、ベクトル比率Ｔａ’、Ｔｂｐ’、Ｔｂ’、Ｔｃｍ’、Ｔｏｐ’に基づいて、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。例えば、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとの対応関係が図７に示すようなＰＷＭ制御指令Ｖｕ１*、Ｖｖ１*、Ｖｗ１*を生成して出力する。
また、比率演算部５２は、パターン番号２のスイッチングパターンの場合、例えば、下記式（１８）〜（２２）の演算式を用いて、ベクトル比率Ｔｏｐ、Ｔｂｐ、Ｔａｐ、Ｔｃｍ、Ｔａを求める。
Ｔａ＝｜Ｖａ｜／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α） ・・・ （１８）
Ｔｂｐ＝（１＋α）｜Ｖｂ｜／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α） ・・・（１９）
Ｔａｐ＝（α｜Ｖａ｜−｜Ｖｂ｜）／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α）・・・（２０）
Ｔｃｍ＝｜Ｖｂ｜／（ｄＥｍａｘ＋ｄＥｍｉｄ×α） ・・・（２１）
Ｔｏｐ＝１−（Ｔｂｐ＋Ｔａｐ＋Ｔｃｍ＋Ｔａ） ・・・（２２）
比率演算部５２によってベクトル比率Ｔｏｐ、Ｔｂｐ、Ｔａｐ、Ｔｃｍ、Ｔａが算出された後、比率調整部５４は、比率演算部５２から通知されるベクトル比率Ｔａｐが下限値Ｔｍｉｎよりも小さい場合、ベクトル比率Ｔａｐを下限値Ｔｍｉｎに再設定する。下限値Ｔｍｉｎに再設定したベクトル比率Ｔａｐを以下においてベクトル比率Ｔａｐ’と記載する。
ベクトル比率Ｔａｐを下限値Ｔｍｉｎに再設定すると、「ａｐベクトル」が増加することになるため、出力電圧指令Ｖｏ*で規定する電圧よりも出力電圧Ｖｏが大きくなるおそれがある。
そこで、比率調整部５４は、例えば、下記式（２３）、（２４）の演算式を用いて、ベクトル比率Ｔａ、Ｔｏｐを調整する。なお、下記式（２３）、（２４）では、調整後のベクトル比率Ｔａ、Ｔｏｐをベクトル比率Ｔａ’、Ｔｏｐ’で表している。また、ベクトル比率Ｔａｐ’のベクトル比率Ｔａｐからの増加分をΔＴａｐとしている。
Ｔａ’＝Ｔａ−ｄＥｍｉｄ×ΔＴａｐ／ｄＥｍａｘ ・・・（２３）
Ｔｏｐ’＝１−（Ｔｂｐ＋Ｔａｐ’＋Ｔｃｍ＋Ｔａ’） ・・・（２４）
このように、ベクトル比率Ｔａ、Ｔｏｐを調整することにより、ベクトル比率Ｔａｐを下限値Ｔｍｉｎに再設定したことによる影響を抑えることができる。なお、制御指令出力部５５は、ベクトル比率Ｔｏｐ’、Ｔｂｐ、Ｔａｐ’、Ｔｃｍ、Ｔａ’に基づいて、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。なお、パターン番号３、４に関する出力ベクトルの比率調整についても、パターン番号１、２に関する出力ベクトルの比率調整と同様に、出力ベクトル間での比率調整によって行うことができる。
また、比率調整部５４は、上述したような出力ベクトルの追加の際にも、各出力ベクトルの比率を調整することができ、これにより、出力電圧の精度を向上させることができる。
例えば、比率調整部５４は、パターン番号１のスイッチングパターンに「ａｎベクトル」を追加する場合、比率演算部５２によって算出されたベクトル比率Ｔｂ、Ｔｃｍ、Ｔａ、Ｔａｎ、Ｔｏｎの一部または全部のベクトル比率を調整する。比率調整部５４は、追加する「ａｎベクトル」の比率Ｔａｎを例えば下限値Ｔｍｉｎに設定する。この場合、比率調整部５４は、例えば、下記式（２５）、（２６）の演算式を用いて、ベクトル比率Ｔａ、Ｔｏｐを調整する。なお、下記式（２５）、（２６）では、調整後のベクトル比率Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｏｐをベクトル比率Ｔａ’、Ｔｏｐ’で表している。
Ｔａ’＝Ｔａ−ｄＥｍｉｄ×Ｔａｎ／ｄＥｍａｘ ・・・（２５）
Ｔｏｐ’＝１−（Ｔａｎ＋Ｔｂｐ＋Ｔｂ＋Ｔｃｍ＋Ｔａ’） ・・・（２６）
このように、ベクトル比率Ｔａ、Ｔｏｐを調整することにより、ベクトル比率Ｔａｎを追加したことによる影響を抑え、出力電圧を精度良く出力することができる。制御指令出力部５５は、ベクトル比率Ｔａｎ、Ｔａ’、Ｔｂｐ、Ｔｂ、Ｔｃｍ、Ｔｏｐ’に基づいて、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*を生成する。なお、制御指令生成部４４は、パターン番号１のスイッチングパターンに「ｂｐベクトル」を追加する場合も、同様にベクトル比率を調整することで、出力電圧を精度良く出力することができる。
また、制御指令生成部４４は、パターン番号２〜４のスイッチングパターンに「ａｎベクトル」を追加する場合やパターン番号１〜４のスイッチングパターンに「ｂｎベクトル」を追加する場合も、同様に、パターン番号１に関する出力ベクトルの比率調整と同様に、出力ベクトル間での比率調整によって行うことができる。
［５．処理フロー］
ここで、ＰＷＭ演算部２２により実行される処理の一例について図１８を参照して具体的に説明する。図１８は、ＰＷＭ演算部２２により実行されるパルス幅演算処理の一例を示すフローチャートである。
図１８に示すように、ＰＷＭ演算部２２は、出力電圧の領域（表３参照）の切替契機か否かを判定する（ステップＳ１）。領域の切替契機と判定すると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、ＰＷＭ演算部２２は、ゼロベクトル出力中であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
ＰＷＭ演算部２２は、ゼロベクトル出力中であると判定すると（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、出力電圧の領域を切り替えて（ステップＳ３）、ステップＳ４へ移行する。一方、ＰＷＭ演算部２２は、ゼロベクトル出力中ではないと判定した場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、出力電圧の領域を切り替えずにステップＳ４へ移行する。
ステップＳ４において、ＰＷＭ演算部２２は、基準電圧Ｅｂａｓｅが切り替わるか否かを判定する。基準電圧Ｅｂａｓｅが切り替わると判定した場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、中間電圧相Ｍに対応する出力ベクトルをスイッチングパターンに追加する（ステップＳ５）。基準電圧Ｅｂａｓｅが切り替わらないと判定した場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、または、ステップＳ５の処理が終了した場合、ＰＷＭ演算部２２は、出力ベクトルの比率を演算する（ステップＳ６）。
また、ＰＷＭ演算部２２は、出力ベクトルの比率調整が必要か否かを判定する（ステップＳ７）。例えば、ＰＷＭ演算部２２は、中間電圧相Ｍに対応する出力ベクトルがスイッチングパターンに追加された場合や、中間電圧相Ｍに対応する出力ベクトルの比率が下限値Ｔｍｉｎよりも小さい場合に、出力ベクトルの比率調整が必要であると判定する。出力ベクトルの比率調整が必要であると判定した場合（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、ＰＷＭ演算部２２は、スイッチングパターンの出力ベクトルの全部または一部の比率を調整する（ステップＳ８）。
出力ベクトルの比率調整が必要ではないと判定した場合（ステップＳ７；Ｎｏ）、または、ステップＳ８の処理が終了した場合、ＰＷＭ演算部２２は、出力ベクトルの比率に応じたＰＷＭ制御信号Ｖｏ１*を生成する（ステップＳ９）。転流制御部２３は、ＰＷＭ制御信号Ｖｏ１*に基づき、駆動信号Ｓｇを生成して電力変換部１０を制御する（ステップＳ１０）。なお、転流制御部２３は、ＰＷＭ制御指令Ｖｏ１*が変化した場合に、複数のステップを有する所定の転流法によって転流制御処理を行って駆動信号Ｓｇを生成する。
以上のように、実施形態に係るマトリクスコンバータ１は、中間電圧の入力相を接続する期間に下限を設けることから、出力相に接続される最大電圧相Ｐと最小電圧相Ｎとの間で切り替わることを抑制して、段階的に３レベルで変化させることができる。
なお、上述においては、ＰＷＭ演算部２２は、空間ベクトル法により各出力ベクトルの比率を演算したが、キャリア比較法によって各出力ベクトルの比率を演算することもできる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ マトリクスコンバータ
２ 交流電源
３ 交流装置
１０ 電力変換部
１１ ＬＣフィルタ
１２ 入力電圧検出部
１３ 出力電流検出部
２０ 制御部
２１ 指令出力部
２２ ＰＷＭ演算部
２３ 転流制御部
３１ 電流指令生成部
３２ 電流制御部
３３ パルス幅演算部
４０ 大小関係判定部
４１ ベクトル演算部
４２ 基準電圧判定部
４３ 電流分配率演算部
４４ 制御指令生成部
５１ 切替部
５２ 比率演算部
５３ 追加部
５４ 比率調整部
５５ 制御指令出力部

Claims (7)

  1. 複数の入力相のそれぞれと複数の出力相のそれぞれとの間に設けられた複数の双方向スイッチを備える電力変換部と、
    前記複数の入力相のうちの一つを前記複数の出力相のうちの一つに接続し、前記複数の出力相のうちの残りに前記複数の入力相を切り替えて接続するスイッチングパターンの制御指令を生成し、当該制御指令に基づいて前記電力変換部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    出力電圧指令を出力する指令出力部と、
    前記出力電圧指令に基づいて、前記残りの出力相に対する前記複数の入力相のそれぞれの接続比率を演算し、当該演算結果に基づいて前記制御指令を生成するＰＷＭ演算部と、を備え、
    前記ＰＷＭ演算部は、
    中間電圧の入力相の接続比率が下限値より小さい場合、前記中間電圧の入力相の接続比率を前記下限値に設定する
    ことを特徴とするマトリクスコンバータ。
  2. 前記ＰＷＭ演算部は、
    前記出力電圧指令に基づいて、前記残りの出力相に対する前記複数の入力相のそれぞれの接続比率を演算する比率演算部と、
    前記中間電圧の入力相の接続比率が前記下限値より小さい場合、前記中間電圧の入力相の接続比率を前記下限値に設定し、残りの接続比率の一部または全部を調整する比率調整部と、を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
  3. 前記ＰＷＭ演算部は、
    前記複数の入力相のうち電圧の絶対値が最も大きい入力相の電圧が最大電圧であるか最小電圧であるかによってスイッチングパターンを切り替える切替部と、
    前記切替部によってスイッチングパターンが切り替えられる場合に、前記スイッチングパターンの先頭または最後に前記中間電圧の入力相の接続比率を追加する追加部と、を備える
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のマトリクスコンバータ。
  4. 前記ＰＷＭ演算部は、
    前記追加部によって前記中間電圧の入力相の接続比率が前記スイッチングパターンに追加された場合、前記スイッチングパターンの接続比率の一部または全部を調整する比率調整部を備える
    ことを特徴とする請求項３に記載のマトリクスコンバータ。
  5. 前記出力電圧指令には、複数の出力相電圧指令が含まれ、
    前記スイッチングパターンは、ゼロベクトルと有効ベクトルによって規定され、
    前記ＰＷＭ演算部は、
    前記複数の出力相電圧指令の大小関係が変化する場合、ゼロベクトルが出力中であるタイミングでスイッチングパターンを切り替える切替部を備える
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータ。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータと、前記マトリクスコンバータに接続された発電装置とを備え、
    前記マトリクスコンバータは、前記発電装置によって発電された電力を電力系統へ出力する
    ことを特徴とする発電システム。
  7. 複数の入力相のそれぞれと複数の出力相のそれぞれとの間に設けられた複数の双方向スイッチを備える電力変換部を介して、前記複数の入力相のうちの一つを前記複数の出力相のうちの一つに接続し、前記複数の出力相のうちの残りに前記複数の入力相を切り替えて接続するスイッチングパターンの制御指令を生成することと、
    前記制御指令に基づいて前記電力変換部を制御することと、を含み、
    出力電圧指令に基づいて、前記残りの出力相に対する前記複数の入力相のそれぞれの接続比率が演算され、当該演算結果に基づいて前記制御指令が生成され、
    中間電圧の入力相の接続比率は、前記中間電圧の入力相の接続比率が下限値より小さい場合、前記下限値に設定される
    ことを特徴とする電力変換方法。
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