JP6819769B1 - 電力変換装置、電力変換方法及びプログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチング素子の発熱抑制に有効な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０と、二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替える電力変換制御部１１４と、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更するキャリア波変更部１１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、電力変換装置、電力変換方法及びプログラムに関する。
特許文献１には、交流電源の各相と、交流装置の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備え、交流装置で発電された電力を交流電源に出力し、交流電源から供給される電力に基づいて交流装置を制御するマトリクスコンバータが開示されている。
特開２０１６−６７１６９号公報
本開示は、スイッチング素子の発熱抑制に有効な電力変換装置を提供する。
本開示の一側面に係る電力変換装置は、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路と、二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替える電力変換制御部と、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更するキャリア波変更部と、を備える。
本開示の他の側面に係る電力変換方法は、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることと、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更することと、を含む。
本開示の更に他の側面に係るプログラムは、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることと、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更することと、を電力変換装置に実行させる。
本開示によれば、スイッチング素子の発熱抑制に有効な電力変換装置を提供することができる。
電力変換装置の構成を例示する模式図である。 双方向スイッチの具体例を示す模式図である。 キャリア波の周波数と定格電流との関係を例示するグラフである。 周波数帯域と電流帯域の設定例を示すグラフである。 制御回路のハードウェア構成を例示するブロック図である。 マトリクスコンバータ回路の制御手順を例示するフローチャートである。 図４に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。 図４に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。 図４に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。 周波数帯域と電流帯域設定の変形例を示すグラフである。 図１０に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。 図１０に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。 図１０に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。 図１０に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。
以下、実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
〔電力変換装置〕
図１に示す電力変換装置１は、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行う装置である。例えば電力変換装置１は、電源９１から供給された一次側の交流電力を二次側の交流電力に変換して電動機９２に供給する。また、電力変換装置１は、電動機９２が発生させた二次側の交流電力（回生電力）を一次側の交流電力に変換して電源９１に供給する。
一次側の交流電力及び二次側の交流電力は、単相交流電力であってもよいし、３相交流電力であってもよい。以下においては、一次側の交流電力及び二次側の交流電力がいずれも３相交流電力である場合について説明する。例えば一次側の交流電力は、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の３相を含み、二次側の交流電力は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相を含む。
電力変換装置１は、マトリクスコンバータ回路１０と、フィルタ３０と、電圧検出回路４０と、電流センサ５０と、制御回路１００とを有する。
マトリクスコンバータ回路１０は、複数のスイッチング素子を有し、直流化を経ることなく、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行う。例えばマトリクスコンバータ回路１０は、一次側のパワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔと、二次側のパワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、９組の双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷとを有する。パワーライン１１ＲはＲ相の送電ラインであり、パワーライン１１ＳはＳ相の送電ラインであり、パワーライン１１ＴはＴ相の送電ラインである。パワーライン１２ＵはＵ相の送電ラインであり、パワーライン１２ＶはＶ相の送電ラインであり、パワーライン１２ＷはＷ相の送電ラインである。
双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのそれぞれは、一次側から二次側に電流を流す状態と、二次側から一次側に電流を流す状態と、電流を流さない状態との３状態を切り替える。双方向スイッチ２ＲＵは、パワーライン１１Ｒとパワーライン１２Ｕとの間に介在し、パワーライン１１Ｒからパワーライン１２Ｕに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｕからパワーライン１１Ｒに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＳＵは、パワーライン１１Ｓとパワーライン１２Ｕとの間に介在し、パワーライン１１Ｓからパワーライン１２Ｕに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｕからパワーライン１１Ｓに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＴＵは、パワーライン１１Ｔとパワーライン１２Ｕとの間に介在し、パワーライン１１Ｔからパワーライン１２Ｕに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｕからパワーライン１１Ｔに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。
双方向スイッチ２ＲＶは、パワーライン１１Ｒとパワーライン１２Ｖとの間に介在し、パワーライン１１Ｒからパワーライン１２Ｖに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｖからパワーライン１１Ｒに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＳＶは、パワーライン１１Ｓとパワーライン１２Ｖとの間に介在し、パワーライン１１Ｓからパワーライン１２Ｖに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｖからパワーライン１１Ｓに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＴＶは、パワーライン１１Ｔとパワーライン１２Ｖとの間に介在し、パワーライン１１Ｔからパワーライン１２Ｖに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｖからパワーライン１１Ｔに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。
双方向スイッチ２ＲＷは、パワーライン１１Ｒとパワーライン１２Ｗとの間に介在し、パワーライン１１Ｒからパワーライン１２Ｗに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｗからパワーライン１１Ｒに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＳＷは、パワーライン１１Ｓとパワーライン１２Ｗとの間に介在し、パワーライン１１Ｓからパワーライン１２Ｗに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｗからパワーライン１１Ｓに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＴＷは、パワーライン１１Ｔとパワーライン１２Ｗとの間に介在し、パワーライン１１Ｔからパワーライン１２Ｗに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｗからパワーライン１１Ｔに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。
図２に例示するように、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷは、２個のスイッチ２１，２２を有する。スイッチ２１は、オン状態において、二次側から一次側への電流を通さずに一次側から二次側に電流を通す。スイッチ２２は、オン状態において、一次側から二次側への電流を通さずに二次側から一次側に電流を通す。双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷは、スイッチ２１をオン状態としてスイッチ２２をオフ状態とすることで上記第１オン状態となり、スイッチ２１をオフ状態としてスイッチ２２をオン状態とすることで上記第２オン状態となり、スイッチ２１，２２をオフ状態とすることで上記双方向オフ状態となる。
図１に戻り、フィルタ３０は、一次側の交流電力の高調波を低減させる。例えばフィルタ３０は、インダクタ３１Ｒ，３１Ｓ，３１Ｔと、コンデンサ３４Ｒ，３４Ｓ，３４Ｔとを有する。インダクタ３１Ｒ，３１Ｓ，３１Ｔは、パワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔにそれぞれ設けられている。コンデンサ３４Ｒは、インダクタ３１Ｒよりも二次側において（インダクタ３１Ｒと双方向スイッチ２ＲＵ，２ＲＶ，２ＲＷとの間において）パワーライン１１Ｒと中性点３５との間に設けられている。コンデンサ３４Ｓは、インダクタ３１Ｓよりも二次側において（インダクタ３１Ｓと双方向スイッチ２ＳＵ，２ＳＶ，２ＳＷとの間において）パワーライン１１Ｓと中性点３５との間に設けられている。コンデンサ３４Ｔは、インダクタ３１Ｔよりも二次側において（インダクタ３１Ｔと双方向スイッチ２ＴＵ，２ＴＶ，２ＴＷとの間において）パワーライン１１Ｔと中性点３５との間に設けられている。電圧検出回路４０は、一次側の交流電圧を検出する。例えば電圧検出回路４０は、パワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔのそれぞれの相電圧を検出する。
電流センサ５０は、二次側の電流（マトリクスコンバータ回路１０と電動機９２との間に流れる電流）の大きさを検出する。例えば電流センサ５０は、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流の大きさを検出する。電流センサ５０は、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの全相の電流の大きさを検出するように構成されていてもよいし、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗのいずれか２相の電流の大きさを検出するように構成されていてもよい。零相電流が生じない限り、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流の大きさの合計はゼロなので、２相の電流の大きさを検出する場合にも全相の電流の大きさの情報が得られる。
制御回路１００は、二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替えることと、一次側の周波数（一次側の交流の周波数）と二次側の周波数（二次側の交流の周波数）との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更することと、を実行する。なお、二次側の交流を制御指令に追従させるとは、二次側の交流電力の電気的な状態に関する物理量を制御指令に追従させることを意味する。電気的な状態に関する物理量としては、電力、電圧及び電流が挙げられる。また、交流の周波数とは、交流電圧の周波数又は交流電流の周波数を意味する。
制御指令の具体例としては、電圧指令が挙げられる。制御指令が電圧指令である場合、制御回路１００は、二次側の交流電圧を電圧指令に追従させるように双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。
例えば制御回路１００は、機能上の構成（以下、「機能ブロック」という。）として、電流情報取得部１１１と、指令生成部１１２と、位相・振幅算出部１１３と、電力変換制御部１１４と、定格電流変更部１１５と、キャリア波変更部１１６とを有する。電流情報取得部１１１は、電流センサ５０から、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流情報を取得する。
指令生成部１１２は、周波数指令と、電流情報取得部１１１が取得した二次側の電流情報とに基づいて、電圧指令を生成する。指令生成部１１２は、例えば上位コントローラ２００から周波数指令を取得する。上位コントローラ２００の具体例としては、プログラマブル・ロジックコントローラ等が挙げられる。例えば指令生成部１１２は、電動機９２の動作速度（例えば回転速度）を周波数指令に追従させるように電圧指令を算出する。
位相・振幅算出部１１３は、電圧検出回路４０が取得したパワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔの相電圧に基づいて、一次側の交流電圧の位相、振幅及び周波数を算出する。以下、位相、振幅及び周波数の算出結果を「一次側の電圧情報」という。電力変換制御部１１４は、二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。例えば電力変換制御部１１４は、一次側の電圧情報と、電圧指令とに基づいて、二次側の交流電圧を電圧指令に追従させるように、キャリア波に連動して双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。
電力変換制御部１１４は、二次側の定格電流に基づいて、二次側の電流の大きさを制限するように双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替えてもよい。例えば、指令生成部１１２が、定格電流を基準にして定まる電流制限値以下に二次側の電流の大きさを制限するように電圧指令を生成してもよい。このように電圧指令が生成されることによって、電力変換制御部１１４が、二次側の電流の大きさを電流制限値以下に制限するように、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。このとき、電力変換制御部１１４は、電流の大きさが電流制限値以下となるようなオン時間を双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷが持つように、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。
定格電流変更部１１５は、キャリア波の周波数が所定の閾値（以下、「電流調整閾値」という。）よりも大きい場合には、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じて二次側の定格電流を小さくし、キャリア波の周波数が電流調整閾値よりも小さい場合には、二次側の定格電流を一定にする。例えば定格電流変更部１１５は、図３に示すように、キャリア波の周波数が電流調整閾値ＣＴ１よりも大きい場合には、キャリア波の周波数と二次側の定格電流との関係を示す調整プロファイルＣＰ１に基づいて、キャリア波の周波数に対応する二次側の定格電流を算出する。調整プロファイルＣＰ１は、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じ二次側の定格電流が小さくなるように定められている。一例として、調整プロファイルＣＰ１は、キャリア波の周波数の増加に対して定格電流が一次関数的に減少するように定められてもよい。
ここで、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのそれぞれにおける電力ロスは、スイッチングロスと、定常ロスとを含む。スイッチングロスは、オン・オフ切り替えに伴って生じるロスである。定常ロスは、オン状態において定常的に流れる電流により生じるロスである。
キャリア波の周波数が大きくなると、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフ切り替えの頻度が高くなるので、スイッチングロスは大きくなる。このため、定常ロスが一定である場合、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じて電力ロスが大きくなる。これに対し、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じ二次側の定格電流を小さくすれば、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じて定常ロスが小さくなる。このため、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じて電力ロスが大きくなることを抑制することができる。
上述したように、定格電流変更部１１５は、キャリア波の周波数が電流調整閾値よりも小さい場合の定格電流を一定にする。例えば定格電流変更部１１５は、キャリア波の周波数が電流調整閾値よりも小さい場合の定格電流を、所定の固定電流値にする。固定電流値は、調整プロファイルＣＰ１において電流調整閾値に対応する定格電流の値であってもよい。
図１に戻り、キャリア波変更部１１６は、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更する。例えばキャリア波変更部１１６は、上記一次側の電圧情報が含む一次側の周波数と、上記電圧指令の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更してもよい。一次側の周波数と電圧指令の周波数との近接の程度を示す限り、近接レベルの評価方式に特に制限はない。例えばキャリア波変更部１１６は、一次側の周波数と、電圧指令の周波数との差分の絶対値に基づいて近接レベルを評価してもよい。
一例として、電力変換制御部１１４による二次側の周波数の可変範囲は、一次側の周波数と同じ周波数を含む第１周波数帯域と、第１周波数帯域より低位の第２周波数帯域と、第１周波数帯域より高位の第３周波数帯域とを含む。ここで、いずれかの帯域（以下、「当該帯域」という。）が他の帯域よりも低位であるとは、当該帯域の最大値が他の帯域の最小値以下であることを意味する。当該帯域が他の帯域よりも高位であるとは、当該帯域の最小値が他の帯域の最大値以上であることを意味する。以下においても同様である。
キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が第２周波数帯域内である場合、及び二次側の周波数が第３周波数帯域内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とし、二次側の周波数が第１周波数帯域内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数よりも低い第２キャリア周波数とする。
キャリア波変更部１１６は、第１キャリア周波数を上述した電流調整閾値以上の値としてもよく、第２キャリア周波数を上記電流調整閾値より小さい値としてもよい。キャリア波変更部１１６は、第２キャリア周波数をフィルタ３０のカットオフ周波数よりも大きい値としてもよい。
電力変換制御部１１４による二次側の周波数の可変範囲は、第２周波数帯域より低位の第４周波数帯域を更に含んでもよく、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が第４周波数帯域内である場合にも、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数としてもよい。
キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさに更に基づいて、キャリア波の周波数を変更してもよい。一例として、電力変換制御部１１４による二次側の電流の大きさの可変範囲は、第１電流帯域と、第１電流帯域より低位の第２電流帯域とを含んでもよい。
キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが第２電流帯域内である場合には、近接レベルに基づくキャリア波の周波数の変更を行わず、二次側の電流の大きさが第１電流帯域内である場合に、近接レベルに基づいてキャリア波の周波数を変更してもよい。例えばキャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが第２電流帯域内である場合に、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とする。また、キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが第１電流帯域内である場合に、二次側の周波数が第１周波数帯域、第２周波数帯域、第３周波数帯域及び第４周波数帯域のいずれに属するかによってキャリア波の周波数を変更する。例えばキャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が第２周波数帯域内である場合、及び二次側の周波数が第３周波数帯域内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とし、二次側の周波数が第１周波数帯域内である場合、及び二次側の周波数が第４周波数帯域内である場合には、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数とする。
図４は、周波数帯域と電流帯域の設定例を示すグラフであり、縦軸は二次側の電流の大きさを示しており、横軸は二次側の周波数を示している。図４において、電力変換制御部１１４による二次側の電流の大きさの可変範囲は、電流帯域ＡＲ１と、電流帯域ＡＲ１より低位の電流帯域ＡＲ２とを含んでいる。電流帯域ＡＲ１の最小値は、例えば定格電流である。電流帯域ＡＲ２の最小値はゼロであり、電流帯域ＡＲ２の最大値は定格電流以下である。例えば、電流帯域ＡＲ２の最大値は電流帯域ＡＲ１の最小値よりも小さく、電流帯域ＡＲ１と電流帯域ＡＲ２との間にはバッファ帯域ＡＲ３が介在している。
電力変換制御部１１４による二次側の周波数の可変範囲は、一次側の周波数と同じ周波数Ｆ１を含む周波数帯域ＦＲ１（第１周波数帯域）と、周波数帯域ＦＲ１より低位の周波数帯域ＦＲ２（第２周波数帯域）と、周波数帯域ＦＲ１より高位の周波数帯域ＦＲ３（第３周波数帯域）と、周波数帯域ＦＲ２より低位の周波数帯域ＦＲ４（第４周波数帯域）とを含んでいる。
例えば、周波数帯域ＦＲ１の最小値は、周波数Ｆ１の８５〜９５％であり、周波数帯域ＦＲ１の最大値は、周波数Ｆ１の１０５〜１１０％であり、周波数帯域ＦＲ４の最小値はゼロであり、周波数帯域ＦＲ４の最大値は周波数Ｆ１の５〜１５％である。周波数帯域ＦＲ２の最小値は周波数帯域ＦＲ４の最大値以上である。例えば、周波数帯域ＦＲ２の最小値は周波数帯域ＦＲ４の最大値よりも大きく、周波数帯域ＦＲ４と周波数帯域ＦＲ２との間にはバッファ帯域ＦＲ５が介在している。周波数帯域ＦＲ２の最大値は周波数帯域ＦＲ１の最小値以下である。例えば、周波数帯域ＦＲ２の最大値は周波数帯域ＦＲ１の最小値よりも小さく、周波数帯域ＦＲ２と周波数帯域ＦＲ１との間にはバッファ帯域ＦＲ６が介在している。周波数帯域ＦＲ３の最小値は周波数帯域ＦＲ１の最大値以上である。例えば、周波数帯域ＦＲ３の最小値は周波数帯域ＦＲ１の最大値よりも大きく、周波数帯域ＦＲ１と周波数帯域ＦＲ３との間にはバッファ帯域ＦＲ７が介在している。
図４の例において、キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ２内である場合、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とする。キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１内である場合、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１，ＦＲ２，ＦＲ３，ＦＲ４のいずれに属するかによってキャリア波の周波数を変更する。例えばキャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とし、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ４内である場合には、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数とする。二次側の周波数がバッファ帯域ＦＲ５内である場合、二次側の周波数がバッファ帯域ＦＲ６内である場合、及び二次側の周波数がバッファ帯域ＦＲ７内である場合、キャリア波変更部１１６は、キャリア波の周波数の変更を行わない。
このように、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１内である場合には、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１，ＦＲ２，ＦＲ３，ＦＲ４のいずれに属するかによってキャリア波の周波数が変更されるので、電流帯域ＡＲ１は上記第１電流帯域の一例に相当する。
二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ３内である場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とする。二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ３内である場合に、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２外であり且つ二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３外である場合には、キャリア波の周波数の変更を行わない。二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１又はＦＲ４内の場合でも周波数の変更を行わないので、二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ３内である場合、第１キャリア周波数から第２キャリア周波数へのキャリア波の周波数の変更は生じない。一方、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２又はＦＲ３に属する場合、キャリア波の周波数が第２キャリア周波数から第１キャリア周波数に変更され得る。例えば、周波数帯域ＦＲ４内で、二次側の電流の大きさが変化したことにより電流帯域ＡＲ１内からバッファ帯域ＡＲ３内となり第２キャリア周波数を維持している状態で、二次側の周波数が変化して、バッファ帯域ＦＲ５を経て周波数帯域ＦＲ２内となった場合である。従って、バッファ帯域ＡＲ３も上記第１電流帯域の一例に相当する。
なお、以上に説明した各機能ブロックは、制御回路１００の構成要素であるから、各機能ブロックが実行する処理は、制御回路１００が実行する処理に相当する。
図５は、制御回路１００のハードウェア構成を例示するブロック図である。図５に示すように、制御回路１００は、一つ又は複数のプロセッサ１９１と、メモリ１９２と、ストレージ１９３と、通信ポート１９４と、入出力ポート１９５と、スイッチ制御回路１９６とを含む。ストレージ１９３は、例えば不揮発性の半導体メモリ等、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を有する。ストレージ１９３は、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることと、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更することと、を電力変換装置に実行させるプログラムを記憶している。メモリ１９２は、ストレージ１９３の記憶媒体からロードしたプログラム及びプロセッサ１９１による演算結果を一時的に記憶する。プロセッサ１９１は、メモリ１９２と協働して上記プログラムを実行することで、制御回路１００の各機能ブロックを構成する。入出力ポート１９５は、プロセッサ１９１からの指令に従って、電圧検出回路４０及び電流センサ５０との間で電気信号の入出力を行う。通信ポート１９４は、プロセッサ１９１からの指令に従って、上位コントローラ２００との間で情報通信を行う。スイッチ制御回路１９６は、プロセッサ１９１からの指令に従って、マトリクスコンバータ回路１０に、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替えるための駆動信号を出力する。
なお、制御回路１００は、必ずしもプログラムにより各機能を構成するものに限られない。例えば制御回路１００は、専用の論理回路又はこれを集積したＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により少なくとも一部の機能を構成してもよい。
〔電力変換手順〕
続いて、電力変換方法の一例として、制御回路１００が実行するマトリクスコンバータ回路１０の制御手順を例示する。この手順は、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることと、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更することと、を含む。
図６に示すように、制御回路１００は、ステップＳ０１，Ｓ０２，Ｓ０３，Ｓ０４，Ｓ０５，Ｓ０６，Ｓ０７を順に実行する。ステップＳ０１では、電流情報取得部１１１が、電流センサ５０から、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流情報を取得する。ステップＳ０２では、指令生成部１１２が、周波数指令と、電流情報取得部１１１が取得した二次側の電流情報とに基づいて、電圧指令を生成する。
ステップＳ０３では、電圧検出回路４０が取得したパワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔの相電圧に基づいて、位相・振幅算出部１１３が、一次側の交流電圧の位相、振幅及び周波数（上記一次側の電圧情報）を算出する。ステップＳ０４では、キャリア波変更部１１６が、二次側の電流の大きさと、二次側の周波数とに基づいてキャリア波の周波数を設定する。キャリア波の周波数の設定手順については後述する。
ステップＳ０５では、定格電流変更部１１５が、ステップＳ０４において設定されたキャリア波の周波数に基づいて、二次側の定格電流を設定する。例えば定格電流変更部１１５は、キャリア波の周波数が上記電流調整閾値よりも小さい場合には、二次側の定格電流を上記固定電流値とする。定格電流変更部１１５は、キャリア波の周波数が上記電流調整閾値よりも大きい場合には、上記調整プロファイルＣＰ１と、キャリア波の周波数とに基づいて二次側の定格電流を設定する。ステップＳ０６では、指令生成部１１２が、二次側の電流の大きさを定格電流以下に制限するように電圧指令を修正する。ステップＳ０７では、電力変換制御部１１４が、二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替えることを開始する。制御回路１００は、以上の手順を所定の制御周期で繰り返す。
図７は、ステップＳ０４におけるキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。図７に示すように、制御回路１００は、まずステップＳ１１を実行する。ステップＳ１１では、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ２内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ１１において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ２内であると判定した場合、制御回路１００は、ステップＳ１２を実行する。ステップＳ１２では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第１キャリア周波数とする。
ステップＳ１１において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ２内でないと判定した場合、制御回路１００は、ステップＳ１３を実行する。ステップＳ１３では、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。
ステップＳ１３において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１内であると判定した場合、制御回路１００は、図８に示すようにステップＳ２１を実行する。ステップＳ２１では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ２１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ２２を実行する。ステップＳ２２では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ２１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内であると判定した場合、及びステップＳ２２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ２３を実行する。ステップＳ２３では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第１キャリア周波数とする。
ステップＳ２２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ２４を実行する。ステップＳ２４では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ２４において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ２５を実行する。ステップＳ２５では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ４内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ２４において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１内であると判定した場合、及びステップＳ２５において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ４内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ２６を実行する。ステップＳ２６では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第２キャリア周波数とする。
ステップＳ２５において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ４内でないと判定した場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数に応じたキャリア波の周波数の変更を行わない。
ステップＳ１３（図７参照）において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１内でないと判定した場合、制御回路１００は、図９に示すようにステップＳ３１を実行する。ステップＳ３１では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ３１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ３２を実行する。ステップＳ３２では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ３１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ２内であると判定した場合、及びステップＳ３２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ３３を実行する。ステップＳ３３では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第１キャリア周波数とする。
ステップＳ３２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ３内でないと判定した場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数に応じたキャリア波の周波数の変更を行わない。以上でキャリア波の周波数の設定が完了する。
〔変形例〕
図１０は、周波数帯域と電流帯域設定の変形例を示すグラフであり、縦軸は二次側の電流の大きさを示しており、横軸は二次側の周波数を示している。図１０において、電力変換制御部１１４による二次側の電流の可変範囲は、電流帯域ＡＲ１１と、電流帯域ＡＲ１１より低位の電流帯域ＡＲ１２と、電流帯域ＡＲ１１より高位の電流帯域ＡＲ１３とを含んでいる。
電流帯域ＡＲ１１の最小値は、例えば定格電流である。電流帯域ＡＲ１２の最小値はゼロであり、電流帯域ＡＲ１２の最大値は定格電流以下である。例えば、電流帯域ＡＲ１２の最大値は電流帯域ＡＲ１１の最小値よりも小さく、電流帯域ＡＲ１１と電流帯域ＡＲ１２との間にはバッファ帯域ＡＲ１４が介在している。
電流帯域ＡＲ１１の最大値は、例えば定格電流の１００〜１２０％である。電流帯域ＡＲ１３の最小値は、電流帯域ＡＲ１１の最大値以上である。例えば、電流帯域ＡＲ１３の最小値は電流帯域ＡＲ１１の最大値よりも大きく、電流帯域ＡＲ１１と電流帯域ＡＲ１３との間にはバッファ帯域ＡＲ１５が介在している。
電力変換制御部１１４による二次側の周波数の可変範囲は、一次側の周波数と同じ周波数Ｆ１を含む周波数帯域ＦＲ１１（第１周波数帯域）と、周波数帯域ＦＲ１１より低位の周波数帯域ＦＲ１２（第２周波数帯域）と、周波数帯域ＦＲ１１より高位の周波数帯域ＦＲ１３（第３周波数帯域）と、周波数帯域ＦＲ１２より低位の周波数帯域ＦＲ１４（第４周波数帯域）とを含んでいる。例えば周波数帯域ＦＲ１１の最小値は、周波数Ｆ１の８５〜９５％であり、周波数帯域ＦＲ１１の最大値は、周波数Ｆ１の１０５〜１１０％であり、周波数帯域ＦＲ１４の最小値はゼロであり、周波数帯域ＦＲ１４の最大値は周波数Ｆ１の５〜１５％である。
周波数帯域ＦＲ１２の最小値は周波数帯域ＦＲ１４の最大値以上である。例えば、周波数帯域ＦＲ１２の最小値は周波数帯域ＦＲ１４の最大値よりも大きく、周波数帯域ＦＲ１４と周波数帯域ＦＲ１２との間にはバッファ帯域ＦＲ１５が介在している。周波数帯域ＦＲ１２の最大値は周波数帯域ＦＲ１１の最小値以下である。例えば、周波数帯域ＦＲ１２の最大値は周波数帯域ＦＲ１１の最小値よりも小さく、周波数帯域ＦＲ１２と周波数帯域ＦＲ１１との間にはバッファ帯域ＦＲ１６が介在している。周波数帯域ＦＲ１３の最小値は周波数帯域ＦＲ１１の最大値以上である。例えば、周波数帯域ＦＲ１３の最小値は周波数帯域ＦＲ１１の最大値よりも大きく、周波数帯域ＦＲ１１と周波数帯域ＦＲ１３との間にはバッファ帯域ＦＲ１７が介在している。
周波数帯域ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３，ＦＲ１４の帯域幅が、二次側の電流の大きさに応じて変化していてもよい。例えば、図１０においては、二次側の電流が大きくなるのに応じて周波数帯域ＦＲ１１，ＦＲ１４の帯域幅が大きくなり、周波数帯域ＦＲ１２，ＦＲ１３の帯域幅が小さくなっている。
図１０の例において、キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１２内である場合、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とする。キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１３内である場合、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数とする。
キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１１内である場合、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３，ＦＲ１４のいずれに属するかによってキャリア波の周波数を変更する。例えばキャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とし、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内である場合には、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数とする。
二次側の周波数がバッファ帯域ＦＲ１５内である場合、二次側の周波数がバッファ帯域ＦＲ１６内である場合、及び二次側の周波数がバッファ帯域ＦＲ１７内である場合、キャリア波変更部１１６は、キャリア波の周波数の変更を行わない。このように、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１１内である場合には、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１，ＦＲ１２，ＦＲ１３，ＦＲ１４のいずれに属するかによってキャリア波の周波数が変更されるので、電流帯域ＡＲ１１は上記第１電流帯域の一例に相当する。
二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１４内である場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とする。二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１４内である場合に、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２外であり且つ二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３外である場合には、キャリア波の周波数の変更を行わない。二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１又はＦＲ１４内の場合でも周波数の変更を行わないので、二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１４内である場合、第１キャリア周波数から第２キャリア周波数へのキャリア波の周波数の変更は生じない。一方、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２又はＦＲ１３に属する場合、キャリア波の周波数が第２キャリア周波数から第１キャリア周波数に変更され得る。例えば、周波数帯域ＦＲ１４内で、二次側の電流の大きさが変化したことにより電流帯域ＡＲ１１内からバッファ帯域ＡＲ１４内となり第２キャリア周波数を維持している状態で、二次側の周波数が変化して、バッファ帯域ＦＲ１５を経て周波数帯域ＦＲ１２内となった場合である。従って、バッファ帯域ＡＲ１４も上記第１電流帯域の一例に相当する。
二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１５内である場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内である場合、及び二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内である場合には、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数とする。二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１５内である場合に、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１外であり且つ二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４外である場合には、キャリア波の周波数の変更を行わない。二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２又はＦＲ１３内の場合でも周波数の変更を行わないので二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１５内である場合、第２キャリア周波数から第１キャリア周波数へのキャリア波の周波数の変更は生じない。一方、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１又はＦＲ１４に属する場合、キャリア波の周波数が第１キャリア周波数から第２キャリア周波数に変更さる場合がある。従って、バッファ帯域ＡＲ１５も上記第１電流帯域の一例に相当する。
図１１は、図１０の例に従ったキャリア波の周波数の設定手順を例示するフローチャートである。図１１に示すように、制御回路１００は、まずステップＳ４１を実行する。ステップＳ４１では、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１２内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ４１において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１２内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ４２を実行する。ステップＳ４２では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第１キャリア周波数とする。
ステップＳ４１において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１２内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ４３を実行する。ステップＳ４３では、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１３内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ４３において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１３内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ４４を実行する。ステップＳ４４では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第２キャリア周波数とする。
ステップＳ４３において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１３内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ４５を実行する。ステップＳ４５では、二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１１内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。
ステップＳ４５において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１１内であると判定した場合、制御回路１００は、図１２に示すようにステップＳ５１を実行する。ステップＳ５１では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ５１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ５２を実行する。ステップＳ５２では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ５１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内であると判定した場合、及びステップＳ５２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ５３を実行する。ステップＳ５３では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第１キャリア周波数とする。
ステップＳ５２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ５４を実行する。ステップＳ５４では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ５４において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ５５を実行する。ステップＳ５５では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ５４において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内であると判定した場合、及びステップＳ５５において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ５６を実行する。ステップＳ５６では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第２キャリア周波数とする。
ステップＳ５５において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内でないと判定した場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数に応じたキャリア波の周波数の変更を行わない。
図１１に戻り、ステップＳ４５において二次側の電流の大きさが電流帯域ＡＲ１１内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ４６を実行する。ステップＳ４６では、二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１４内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。
ステップＳ４６において二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１４内であると判定した場合、制御回路１００は、図１３に示すようにステップＳ６１を実行する。ステップＳ６１では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ６１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ６２を実行する。ステップＳ６２では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ６１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１２内であると判定した場合、及びステップＳ６２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ６３を実行する。ステップＳ６３では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第１キャリア周波数とする。
ステップＳ６２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１３内でないと判定した場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数に応じたキャリア波の周波数の変更を行わない。
ステップＳ４６（図１１参照）において二次側の電流の大きさがバッファ帯域ＡＲ１４内でないと判定した場合、制御回路１００は、図１４に示すようにステップＳ７１を実行する。ステップＳ７１では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ７１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内でないと判定した場合、制御回路１００はステップＳ７２を実行する。ステップＳ７２では、二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内であるかをキャリア波変更部１１６が確認する。ステップＳ７１において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１１内であると判定した場合、及びステップＳ７２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内であると判定した場合、制御回路１００はステップＳ７３を実行する。ステップＳ７３では、キャリア波変更部１１６が、キャリア波の周波数を上記第２キャリア周波数とする。
ステップＳ７２において二次側の周波数が周波数帯域ＦＲ１４内でないと判定した場合、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数に応じたキャリア波の周波数の変更を行わない。以上でキャリア波の周波数の設定が完了する。
〔本実施形態の効果〕
以上に説明したように、電力変換装置１は、複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０と、二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替える電力変換制御部１１４と、一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルに基づいて、キャリア波の周波数を変更するキャリア波変更部１１６と、を備える。
スイッチング素子における電力ロス（スイッチング素子において消費される電力）は、オン・オフ切り替えによって生じるスイッチングロスと、オン状態において定常的に流れる電流により生じる定常ロスとを含む。マトリクスコンバータ回路１０においては、複数のスイッチング素子のそれぞれの定常ロスは、一次側の交流電力の位相と二次側の交流電力の位相とがいかなる関係であるときにオン状態になるかによって変化する。
一次側の周波数と二次側の周波数との近接レベルが高くなると、一次側の交流電力の位相と二次側の交流電力の位相との関係が変化し難くなる。これに伴い、複数のスイッチング素子のそれぞれの定常ロスも変化し難くなる。このため、定常ロスの大きいスイッチング素子においては、定常ロスの大きい状態が継続し、発熱が大きくなる可能性がある。
これに対し、近接レベルに基づいてキャリア波の周波数を変更することで、例えば近接レベルが所定レベルより高くなった場合にキャリア波の周波数を低下させることができる。キャリア波の周波数を低下させると、スイッチングロスが小さくなるので、定常ロスが大きいスイッチング素子においても、スイッチングロスを小さくして電力ロスを抑制し、発熱を抑制することができる。従って、本電力変換装置１はスイッチング素子の発熱抑制に有効である。
キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさに更に基づいて、キャリア波の周波数を変更してもよい。この場合、上記近接レベルが高い状態においても、二次側の電流の大きさが小さい場合には、スイッチング素子における発熱が抑えられる。このため、二次側の電流の大きさに更に基づいてキャリア波の周波数を変更することで、キャリア波の周波数の無用な変更を削減することができる。
電力変換制御部１１４による二次側の電流の大きさの可変範囲は、第１電流帯域と、第１電流帯域より低位の第２電流帯域とを含み、キャリア波変更部１１６は、二次側の電流の大きさが第２電流帯域内である場合には、近接レベルに基づくキャリア波の周波数の変更を行わず、二次側の電流の大きさが第１電流帯域内である場合に、近接レベルに基づいてキャリア波の周波数を変更してもよい。この場合、近接レベルに基づいてキャリア波の周波数を変更することを、二次側の電流の大きさに基づいて限定的に行うことで、キャリア波の周波数の無駄な変更を削減することができる。
電力変換制御部１１４による二次側の周波数の可変範囲は、一次側の周波数と同じ周波数を含む第１周波数帯域と、第１周波数帯域より低位の第２周波数帯域と、第１周波数帯域より高位の第３周波数帯域とを含み、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が第２周波数帯域内である場合、及び二次側の周波数が第３周波数帯域内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とし、二次側の周波数が第１周波数帯域内である場合には、キャリア波の周波数を第１キャリア周波数よりも低い第２キャリア周波数としてもよい。この場合、近接レベルに基づいてキャリア波の周波数を変更することを、簡易なロジックで実現することができる。
電力変換制御部１１４による二次側の周波数の可変範囲は、第２周波数帯域より低位の第４周波数帯域を更に含み、キャリア波変更部１１６は、二次側の周波数が第４周波数帯域内である場合にも、キャリア波の周波数を第２キャリア周波数としてもよい。ゼロから同調周波数（一次側の周波数と同じ周波数）までの間においては、二次側の周波数がゼロに近付くにつれて、各スイッチング素子が同じオンオフ状態を継続する時間が長くなり、各スイッチング素子の発熱が大きくなる可能性がある。これに対し、上記の場合、第２周波数帯域よりもゼロに近い第４周波数帯域内に二次側の周波数が位置する場合にキャリア波の周波数を低下させることで、各スイッチング素子のスイッチングロスを抑制し、これにより各スイッチング素子の電力ロスを抑制し、発熱を抑制することができる。従って、本電力変換装置１はスイッチング素子の発熱抑制に更に有効である。
電力変換装置１は、一次側の高調波を低減させるフィルタ３０を更に備え、キャリア波変更部１１６は、第２キャリア周波数をフィルタ３０のカットオフ周波数よりも大きい値としてもよい。この場合、キャリア波の周波数を低下させることに起因して高周波分が大きくなることを抑制することができる。
電力変換装置１は、キャリア波の周波数が所定の閾値よりも大きい場合には、キャリア波の周波数が大きくなるのに応じて二次側の定格電流を小さくし、キャリア波の周波数が閾値よりも小さい場合には、二次側の定格電流を一定にする定格電流変更部１１５を更に備え、電力変換制御部１１４は、二次側の定格電流に基づいて、二次側の電流の大きさを制限するように複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替え、キャリア波変更部１１６は、第２キャリア周波数を閾値よりも小さい値としてもよい。この場合、定格電流変更部１１５が、二次側の定格電流を一定に保つ帯域までキャリア波の周波数を低下させることによって、電力ロスをより確実に抑制することができる。
以上、実施形態について説明したが、本開示は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
１…電力変換装置、１０…マトリクスコンバータ回路、３０…フィルタ、１１４…電力変換制御部、１１５…定格電流変更部、１１６…キャリア波変更部。

Claims (9)

  1. 複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路と、
    前記二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して前記複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替える電力変換制御部と、
    前記一次側の周波数と前記二次側の周波数との近接レベルに基づいて、前記キャリア波の周波数を変更するキャリア波変更部と、を備える電力変換装置。
  2. 前記キャリア波変更部は、前記二次側の電流の大きさに更に基づいて、前記キャリア波の周波数を変更する、請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記電力変換制御部による前記二次側の電流の大きさの可変範囲は、第１電流帯域と、前記第１電流帯域より低位の第２電流帯域とを含み、
    前記キャリア波変更部は、前記二次側の電流の大きさが前記第２電流帯域内である場合には、前記近接レベルに基づく前記キャリア波の周波数の変更を行わず、前記二次側の電流の大きさが前記第１電流帯域内である場合に、前記近接レベルに基づいて前記キャリア波の周波数を変更する、請求項２記載の電力変換装置。
  4. 前記電力変換制御部による前記二次側の周波数の可変範囲は、前記一次側の周波数と同じ周波数を含む第１周波数帯域と、前記第１周波数帯域より低位の第２周波数帯域と、前記第１周波数帯域より高位の第３周波数帯域とを含み、
    前記キャリア波変更部は、前記二次側の周波数が前記第２周波数帯域内である場合、及び前記二次側の周波数が前記第３周波数帯域内である場合には、前記キャリア波の周波数を第１キャリア周波数とし、前記二次側の周波数が前記第１周波数帯域内である場合には、前記キャリア波の周波数を前記第１キャリア周波数よりも低い第２キャリア周波数とする、請求項１〜３のいずれか一項記載の電力変換装置。
  5. 前記電力変換制御部による前記二次側の周波数の可変範囲は、前記第２周波数帯域より低位の第４周波数帯域を更に含み、
    前記キャリア波変更部は、前記二次側の周波数が前記第４周波数帯域内である場合にも、前記キャリア波の周波数を前記第２キャリア周波数とする、請求項４記載の電力変換装置。
  6. 前記一次側の高調波を低減させるフィルタを更に備え、
    前記キャリア波変更部は、前記第２キャリア周波数を前記フィルタのカットオフ周波数よりも大きい値とする、請求項４又は５記載の電力変換装置。
  7. 前記キャリア波の周波数が所定の閾値よりも大きい場合には、前記キャリア波の周波数が大きくなるのに応じて前記二次側の定格電流を小さくし、前記キャリア波の周波数が前記閾値よりも小さい場合には、前記二次側の定格電流を一定にする定格電流変更部を更に備え、
    前記電力変換制御部は、前記二次側の定格電流に基づいて、前記二次側の電流の大きさを制限するように前記複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替え、
    前記キャリア波変更部は、前記第２キャリア周波数を前記閾値よりも小さい値とする、請求項４〜６のいずれか一項記載の電力変換装置。
  8. 複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の前記二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して前記複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることと、
    前記一次側の周波数と前記二次側の周波数との近接レベルに基づいて、前記キャリア波の周波数を変更することと、を含む電力変換方法。
  9. 複数のスイッチング素子を有し、一次側の交流電力と二次側の交流電力との双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の前記二次側の交流を制御指令に追従させるように、キャリア波に連動して前記複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることと、
    前記一次側の周波数と前記二次側の周波数との近接レベルに基づいて、前記キャリア波の周波数を変更することと、を電力変換装置に実行させるプログラム。
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