JP5287013B2

JP5287013B2 - 交流−交流直接変換装置および交流−交流直接変換装置の転流制御方法

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Description

本発明は、双方向スイッチの制御によって、多相の交流電源から任意の電圧または周波数に変換した多相出力を得るための転流制御手段を備えた交流−交流直接変換装置（マトリックスコンバータ）およびその転流制御方法に関する。

ＰＷＭ制御する交流−交流直接変換装置（マトリックスコンバータ）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り換え、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１のように構成されている。

図１において、三相交流電源５１は、リアクトルとコンデンサによる入力フィルタ部５２および両方向の電圧と電流を制御できる９つの双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕ，Ｓｒｖ，Ｓｓｖ，Ｓｔｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｗ，Ｓｔｗで構成された半導体電力変換部５３を介して任意の負荷５４に接続される。

図１では電源三相をｒ，ｓ，ｔ相、出力三相をｕ，ｖ，ｗ相としている。

このような独自の回路構成であるマトリックスコンバータの動作課題としてスイッチング時の転流方法が挙げられる。マトリックスコンバータ動作には、（１）電源短絡禁止、（２）誘導性負荷の場合、負荷開放禁止、という２つの制限がある。これが転流時に発生しないように転流時間を設けてスイッチングを行う必要がある。

ここで、前記転流方法を、図１のマトリックスコンバータにおける任意の二相電源と一相出力の等価回路を示す図２とともに説明する。

図２においてｖ１は第１の相の電源、ｖ２は第２の相の電源であり、Ｓ１，Ｓ２はこれら電源ｖ１、ｖ２と負荷を結ぶ電路に介挿された双方向スイッチを示している。

双方向スイッチＳ１は、図２（ａ）に示すように、図示極性のダイオードＤ１ａと電源ｖ１から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御するスイッチＳ１ａ（半導体素子から成る第１のスイッチ）の直列体と、図示極性のダイオードＤ１ｂと負荷から電源ｖ１方向へ流れる電流をオン、オフ制御するスイッチＳ１ｂ（半導体素子から成る第２のスイッチ）の直列体とを並列接続して構成される。

双方向スイッチＳ２は、図２（ａ）に示すように、図示極性のダイオードＤ２ａと電源ｖ２から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御するスイッチＳ２ａ（半導体素子から成る第３のスイッチ）の直列体と、図示極性のダイオードＤ２ｂと負荷から電源ｖ２方向へ流れる電流をオン、オフ制御するスイッチＳ２ｂ（半導体素子から成る第４のスイッチ）の直列体とを並列接続して構成される。

またＩｏは負荷電流、ｖｏは負荷電圧を各々示している。

いま電源ｖ１から電源ｖ２へ転流することを考える（ただし、ｖ１＞ｖ２かつＩｏ＞０の場合）。ここで負荷電流Ｉ₀は図１の矢印の向きで負荷側へ流れているとする。

初期状態ではスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂがオン状態であり、スイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂがオフ状態であり、ｖ１がｖｏに出力している。転流完了後はスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂがオフ状態であり、スイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂがオン状態であり、ｖ２がｖｏに出力する。転流方法としては、（１）電圧転流方式、（２）電流転流方式の２種類がある。

電圧転流方式では、入力電圧ｖ１、ｖ２の大小関係から転流パターンを作成し、転流時間Ｔｄを設け４ステップで転流を行う。図３にその転流パターン例を示す。図３において、Ｔ１〜Ｔ４は時刻を示している。まず１ステップ目Ｔ１でスイッチＳ２ａをオンする。これにより、負荷側への負荷電流の経路を確保する。２ステップ目Ｔ２でスイッチＳ１ａをオフする。これにより、電源短絡を防止できる。３ステップ目Ｔ３でスイッチＳ２ｂをオンする。これにより、電源側への電流経路を確保する。４ステップ目Ｔ４でスイッチＳ１ｂをオフして転流完了となる。

電流転流方式では、負荷電流極性から転流パターンを作成し、転流時間Ｔｄを設け４ステップで転流を行う。図４にその転流パターン例を示す。図４において、まず１ステップ目Ｔ１でスイッチＳ１ｂをオフする。これにより、電源短絡を防止できる。２ステップ目Ｔ２でスイッチＳ２ａをオンする。これにより、負荷側への負荷電流の経路を確保する。３ステップ目Ｔ３でスイッチＳ１ａをオフする。これにより、電源短絡を防止でき。４ステップ目Ｔ４でスイッチＳ２ｂをオンして転流完了となる。

また上記方式の４ステップ転流方法の他に例えば非特許文献１に記載の３ステップ転流方式が提案されている。

この３ステップ転流は従来の４ステップ転流とは違い、ステップ数を１つ減らした手法であり、入力電圧情報と負荷電流極性情報の両方を常に使用し、転流時間Ｔｄを設けて転流パターンを作成する。図５にその転流パターンを示す。図５において、１ステップ目Ｔ１でスイッチＳ２ａをオンする。これにより、負荷電流の経路を確保する。２ステップ目Ｔ２でスイッチＳ１ａをオフし、電源短絡を防止する。３ステップ目Ｔ３でスイッチＳ１ｂのオフ、スイッチＳ２ｂのオンを同時に行い転流を完了する。

この転流方式によれば、負荷電流極性がわかっているので、電源側への電流経路を確保する期間が必要なく、これによって、３ステップ目Ｔ３で転流完了することができる。さらに転流時のスイッチング遅れにより発生する出力電圧誤差が電圧転流方式、電流転流方式に比べて減少する。その結果、電圧転流方式、電流転流方式に比べて転流回数、転流時間が少なくなり、入力電流のＴＨＤ（ひずみ率）が低下する方式である。
櫻井、竹下、「マトリックスコンバータの３ステップ転流法」、平成１９年電気学会産業応用部門大会、ｐｐ．１−２１９〜１−２２２

まず、従来の４ステップ転流法について考える。表１に４ステップ転流における全転流パターンの適用可否を示す。

表１の左側に転流パターンを示し、右側に電源電圧の大小関係および負荷電流極性の条件の評価結果を示している。

４ステップ転流では、一度の転流につき、スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ、Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを一度ずつ制御するため、スイッチング順序は４！（階乗）＝２４通り存在する。

図２の等価回路の場合を例に考えると、入力電圧の大小および負荷電流の極性によって４つ状態が考えられる。よって、４ステップ転流において考えられる転流パターンは２４×４＝９６通り存在する。

表１中の×印は転流動作中に電源短絡異常および負荷電流開放異常が発生するパターンである。さらに前述した４ステップの電流転流方式、電圧転流方式を除くと、入力電圧の大小および負荷電流の極性の各パターンについて未知の２通りの転流方法が存在する。その転流法をパターンＡ、パターンＢと呼称する。

パターンＡは、１，２ステップ目は電圧転流法と同一であるが、３，４ステップ目が入れ替わっているパターンである。

パターンＢは、３，４ステップ目は電流転流法と同一であるが、１，２ステップ目が入れ替わっているパターンである。

つまり、ある電源電圧の大小関係および負荷電流の極性の条件において、転流パターンは電流転流法、電圧転流法、パターンＡ、パターンＢの計４種類が存在する。ｖ１＞ｖ２かつＩｏ＞０の場合を例に挙げると、転流が可能であるパターンは表１のパターン９，１３，１４，１５の４つ存在する。

次に非特許文献１の手法について考える。非特許文献１の手法は、転流可能パターン１３と１４の１ステップ目と２ステップ目が共通であり、３，４ステップ目はどちらが先でも構わないため、３，４ステップ目のスイッチＳ２ｂ＝ｏｎとスイッチＳ１ｂ＝ｏｆｆを図５で述べたように同時にスイッチングし、３ステップ転流を実現している。

これは入力電圧情報および負荷電流極性情報から判断することで可能となった。結果、一度の転流につきスイッチング回数が従来の４回から３回に低減し、それに伴って転流誤差低減、スイッチング回数の低減が可能である。

しかしながら、非特許文献１には、従来の４ステップ転流法における３，４ステップ目のスイッチング制御を同時に行うことしか開示されていない。このため、３ステップ転流方式の転流パターンが１通りしかなく転流の自由度が無い。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、スイッチング回数の少ない３ステップ転流方式による転流パターンを増やして転流の自由度を増加させた交流−交流直接変換装置およびその転流制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法は、多相交流−交流直接変換装置の転流制御方法であって、第１の相から第２の相へ転流するとき、１番目のステップ〜４番目のステップを有する４つのステップにより１回の転流を行い、１ステップにつき、多相交流の第１の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第１のスイッチと、負荷から前記第１の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第２のスイッチと、多相交流の第２の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第３のスイッチと、負荷から前記第２の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第４のスイッチのうちいずれか１つのスイッチを制御する４ステップ転流法における、電源短絡異常および負荷電流開放異常が発生しないで、且つ前記第１〜第４のスイッチのスイッチング順序、電源電圧の大小および負荷電流の極性から決定される全転流パターンから、第１〜第３のステップを有する複数のスイッチングパターンを作成し、電源電圧の大小および負荷電流の極性に応じて前記スイッチングパターンを選択し、前記選択されたスイッチングパターンに沿って前記第１〜第４のスイッチを制御することを特徴としている。

また請求項２に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法は、請求項１において、前記スイッチングパターンは、前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち３番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、前記抽出したパターンの１番目のステップの制御と２番目のステップの制御を同時に行う第１のステップと、前記抽出したパターンの３番目のステップの制御を行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴としている。

また請求項３に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法は、請求項１において、前記スイッチングパターンは、前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち１番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、前記抽出したパターンの１番目のステップの制御を行う第１のステップと、前記抽出したパターンの２番目のステップの制御と３番目のステップの制御を同時に行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴としている。

また請求項４に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記スイッチは、第１のスイッチと第２のスイッチからなる双方向スイッチと、第３のスイッチと第４のスイッチからなる双方向スイッチで構成されていることを特徴としている。

また、請求項５に記載の交流−交流直接変換装置は、多相交流−交流直接変換装置であって、第１の相から第２の相へ転流するとき、１番目のステップ〜４番目のステップを有する４つのステップにより１回の転流を行い、１ステップにつき、多相交流の第１の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第１のスイッチと、負荷から前記第１の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第２のスイッチと、多相交流の第２の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第３のスイッチと、負荷から前記第２の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第４のスイッチのうちいずれか１つのスイッチを制御する４ステップ転流法における、電源短絡異常および負荷電流開放異常が発生しないで、且つ前記第１〜第４のスイッチのスイッチング順序、電源電圧の大小および負荷電流の極性から決定される全転流パターンから作成した、第１〜第３のステップを有する複数のスイッチングパターンを、電源電圧の大小および負荷電流の極性毎に対応付けて構築したスイッチングパターンデータベースと、電源電圧の大小および負荷電流の極性を検出してそれらの状態を判別する状態判別手段と、前記状態判別手段により判別された電源電圧の大小および負荷電流の極性に対応するスイッチングパターンを前記スイッチングパターンデータベースから選択するパターン選択手段と、前記パターン選択手段により選択されたスイッチングパターンに沿って前記第１〜第４のスイッチを制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

また請求項６に記載の交流−交流直接変換装置は、請求項５において、前記スイッチングパターンは、前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち３番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、前記抽出したパターンの１番目のステップの制御と２番目のステップの制御を同時に行う第１のステップと、前記抽出したパターンの３番目のステップの制御を行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴としている。

また請求項７に記載の交流−交流直接変換装置は、請求項５において、前記スイッチングパターンは、前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち１番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、前記抽出したパターンの１番目のステップの制御を行う第１のステップと、前記抽出したパターンの２番目のステップの制御と３番目のステップの制御を同時に行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴としている。

また請求項８に記載の交流−交流直接変換装置は、請求項５ないし７のいずれか１項において、前記スイッチは、第１のスイッチと第２のスイッチからなる双方向スイッチと、第３のスイッチと第４のスイッチからなる双方向スイッチで構成されていることを特徴としている。

請求項１〜８に記載の発明によれば、従来の４ステップ転流法に比べて、１回の転流時におけるスイッチング回数が４回から３回に低減される。これによってスイッチング損失が低減されるとともに、転流時間も短縮される。また転流時のスイッチング遅れにより発生する出力電圧誤差を低減することができる。その結果入出力電流のひずみ率を低下させることができる。

また、転流の選択肢が増えて転流の自由度が増加するので、より最適な転流パターンを選択することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

（実施例１）
図６は本発明のマトリックスコンバータの転流制御装置のブロック図である。図６は、説明のため、図２の二相入力、一相出力（図１の一部の等価回路）を制御対象とし、双方向スイッチＳ１からＳ２に切り替わる場合を例に挙げており、実際には例えば三相入力、三相出力へ適用されるものである。

６１は図示省略の電圧検出器により検出された電源電圧ｖ１、ｖ２の大小比較を行って各相電圧の大小関係を決定する比較部である。

６２は、図示省略の電流検出器により検出された負荷電流Ｉｏの極性を判別する極性判別部である。

これら電圧検出器、電流検出器、比較部６１および極性判別部６２によって本発明の状態判別手段を構成している。

６３は、比較部６１で決定された電源電圧ｖ１、ｖ２の大小および極性判別部６２により判別された負荷電流Ｉｏの極性に基づいて、転流パターン（本発明のスイッチグパターン）を表２から選定するパターン選択部（本発明のパターン選択手段）である。

この表２は、前述した４ステップ転流法における、図２（ａ）のスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂのスイッチング順序、電源電圧の大小および負荷電流の極性から決定される全転流パターンのうち、電源短絡異常および負荷電流開放異常が発生しないパターン（表１中の×印以外のパターン）に基づいて作成した、第１〜第３のステップを有する複数の３ステップ転流パターンを、電源電圧ｖ１、ｖ２の大小および負荷電流Ｉｏの極性毎に対応付けたスイッチングパターンデータベースとして構築されている。

この表２のスイッチングパターンデータベースはパターン選択部６３の内部か、又は外部に設けられている。

６４は双方向スイッチ指令を決定するマトリックスコンバータのＰＷＭ制御部である。

６５は、ＰＷＭ制御部６４からの双方向スイッチ指令と、パターン選択部６３において前記スイッチングパターンデータベース（表２）を参照して選択された３ステップ転流パターンとに基づいて、転流時間Ｔｄを設けた３ステップで、スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂをスイッチング制御（転流制御）する３ステップ転流制御部である。

上記のように、電源電圧の大小および負荷電流の極性に応じて、表２の複数の３ステップの転流パターンから転流パターンを選択することができるので、スイッチング回数が減ってスイッチング損失が低減するとともに、転流時間が短縮され、且つ転流に起因する出力電圧誤差が低減できるという優れた利点を持つ３ステップ転流の選択肢が増加し、転流法の自由度も増加する。

（実施例２）
本実施例２では、表２の３ステップ転流パターンのうち、１ステップ目に２つのスイッチを同時に制御するように構成した転流パターンを選択するものである。

例えば電源電圧ｖ１＞ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＞０の場合は、表１の電流転流法（パターン９）とパターンＢ（パターン１５）の３、４ステップ目が共通であり、１、２ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン９，１５の１、２ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち図７に示すように、１ステップ目Ｔ１（本発明の第１のステップ）に、表１のパターン９、１５の１、２ステップ目の操作であるスイッチＳ１ｂオフとスイッチＳ２ａオンを同時に実行する。

電源電圧の各相大小、負荷電流の極性が判明しているため、負荷電流の経路は確保され、電源短絡経路は存在しない。

次に２ステップ目Ｔ２（本発明の第２のステップ）は、表１のパターン９、１５の３ステップ目の操作であるスイッチＳ１ａオフを実行する。このときすでに負荷電流経路が確保されているためオフしても問題はない。

次に３ステップ目Ｔ３（本発明の第３のステップ）に、表１のパターン９、１５の４ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンを実行することで、転流を完了する。

同様に電源電圧ｖ１＜ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＞０の場合は、表１のパターンＡ（パターン１２）と電圧転流法（パターン２２）の３、４ステップ目が共通であり、１、２ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン１２，２２の１、２ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン１２、２２の１、２ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンとスイッチＳ１ｂオフを同時に実行する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン１２、２２の３ステップ目の操作であるスイッチＳ２ａオンを実行する。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン１２、２２の４ステップ目の操作であるスイッチＳ１ａオフを実行することで、転流を完了する。

同様に電源電圧ｖ１＞ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＜０の場合は、表１のパターンＡ（パターン４）と電圧転流法（パターン１４）の３、４ステップ目が共通であり、１、２ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン４，１４の１、２ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン４、１４の１、２ステップ目の操作であるスイッチＳ２ａオンとスイッチＳ１ａオフを同時に実行する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン４、１４の３ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンを実行する。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン４、１４の４ステップ目の操作であるスイッチＳ１ｂオフを実行することで、転流を完了する。

同様に電源電圧ｖ１＜ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＜０の場合は、表１の電流転流法（パターン５）とパターンＢ（パターン１９）の３、４ステップ目が共通であり、１、２ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン５，１９の１、２ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン５、１９の１、２ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンとスイッチＳ１ａオフを同時に実行する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン５、１９の３ステップ目の操作であるスイッチＳ１ｂオフを実行する。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン５、１９の４ステップ目の操作であるスイッチＳ２ａオンを実行することで、転流を完了する。

（実施例３）
本実施例３では、表２の３ステップ転流パターンのうち、２ステップ目に２つのスイッチを同時に制御するように構成した転流パターンを選択するものである。

例えば電源電圧ｖ１＞ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＞０の場合は、表１のパターンＡ（パターン１３）とパターンＢ（パターン１５）の１、４ステップ目が共通であり、２、３ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン１３，１５の２、３ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち図８に示すように、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン１３、１５の１ステップ目の操作であるスイッチＳ２ａオンを実行する。これにより、負荷側への負荷電流の経路を確保する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン１３、１５の２、３ステップ目の操作であるスイッチＳ１ｂオフとスイッチＳ１ａオフを同時に実行する。このときすでに負荷電流経路が確保されているためオフしても問題はない。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン１３、１５の４ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンを実行することで、転流を完了する。

同様に電源電圧ｖ１＜ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＞０の場合は、表１のパターンＡ（パターン１２）とパターンＢ（パターン１０）の１、４ステップ目が共通であり、２、３ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン１２，１０の２、３ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン１２、１０の１ステップ目の操作であるスイッチＳ１ｂオフを実行する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン１２、１０の２、３ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンとスイッチＳ２ａオンを同時に実行する。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン１２、１０の４ステップ目の操作であるスイッチＳ１ａオフを実行することで、転流を完了する。

同様に電源電圧ｖ１＞ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＜０の場合は、表１のパターンＡ（パターン４）とパターンＢ（パターン６）の１、４ステップ目が共通であり、２、３ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン４，６の２、３ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン４、６の１ステップ目の操作であるスイッチＳ１ａオフを実行する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン４、６の２、３ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンとスイッチＳ２ａオンを同時に実行する。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン４、６の４ステップ目の操作であるスイッチＳ１ｂオフを実行することで、転流を完了する。

同様に電源電圧ｖ１＜ｖ２かつ負荷電流Ｉｏ＜０の場合は、表１のパターンＡ（パターン２１）とパターンＢ（パターン１９）の１、４ステップ目が共通であり、２、３ステップ目はどちらが先でも構わないため、表１のパターン２１，１９の２、３ステップ目を同時にスイッチングする。

すなわち、１ステップ目Ｔ１に、表１のパターン２１、１９の１ステップ目の操作であるスイッチＳ２ｂオンを実行する。

次に２ステップ目Ｔ２は、表１のパターン２１、１９の２、３ステップ目の操作であるスイッチＳ１ａオフとスイッチＳ１ｂオフを同時に実行する。

次に３ステップ目Ｔ３に、表１のパターン２１、１９の４ステップ目の操作であるスイッチＳ２ａオンを実行することで、転流を完了する。

本発明が適用されるマトリックスコンバータの基本構成図。図１の装置における二相電源と一相出力の等価回路図。従来の４ステップ転流法の電圧転流方式における各ステップの操作を示す説明図。従来の４ステップ転流法の電流転流方式における各ステップの操作を示す説明図。従来の３ステップ転流法における各ステップの操作を示す説明図。本発明の転流制御装置の実施形態例を示すブロック図。本発明の実施例２の３ステップ転流法における各ステップの操作を示す説明図。本発明の実施例３の３ステップ転流法における各ステップの操作を示す説明図。

符号の説明

５１…三相交流電源、５２…入力フィルタ部、５３…半導体電力変換部、５４…負荷、６１…比較部、６２…極性判別部、６３…パターン選択部、６４…マトリックスコンバータのＰＷＭ制御部、６５…３ステップ転流制御部、Ｓ１、Ｓ２…双方向スイッチ、Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ…スイッチ、ｖ１、ｖ２…電源電圧、Ｉｏ…負荷電流。

Claims

多相交流−交流直接変換装置の転流制御方法であって、
第１の相から第２の相へ転流するとき、１番目のステップ〜４番目のステップを有する４つのステップにより１回の転流を行い、１ステップにつき、多相交流の第１の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第１のスイッチと、負荷から前記第１の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第２のスイッチと、多相交流の第２の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第３のスイッチと、負荷から前記第２の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第４のスイッチのうちいずれか１つのスイッチを制御する４ステップ転流法における、電源短絡異常および負荷電流開放異常が発生しないで、且つ前記第１〜第４のスイッチのスイッチング順序、電源電圧の大小および負荷電流の極性から決定される全転流パターンから、第１〜第３のステップを有する複数のスイッチングパターンを作成し、
電源電圧の大小および負荷電流の極性に応じて前記スイッチングパターンを選択し、
前記選択されたスイッチングパターンに沿って前記第１〜第４のスイッチを制御することを特徴とする交流−交流直接変換装置の転流制御方法。
前記スイッチングパターンは、
前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち３番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、
前記抽出したパターンの１番目のステップの制御と２番目のステップの制御を同時に行う第１のステップと、前記抽出したパターンの３番目のステップの制御を行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法。
前記スイッチングパターンは、
前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち１番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、
前記抽出したパターンの１番目のステップの制御を行う第１のステップと、前記抽出したパターンの２番目のステップの制御と３番目のステップの制御を同時に行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法。
前記スイッチは、第１のスイッチと第２のスイッチからなる双方向スイッチと、第３のスイッチと第４のスイッチからなる双方向スイッチで構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の交流−交流直接変換装置の転流制御方法。
多相交流−交流直接変換装置であって、
第１の相から第２の相へ転流するとき、１番目のステップ〜４番目のステップを有する４つのステップにより１回の転流を行い、１ステップにつき、多相交流の第１の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第１のスイッチと、負荷から前記第１の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第２のスイッチと、多相交流の第２の相の電源から負荷方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第３のスイッチと、負荷から前記第２の相の電源方向へ流れる電流をオン、オフ制御する第４のスイッチのうちいずれか１つのスイッチを制御する４ステップ転流法における、電源短絡異常および負荷電流開放異常が発生しないで、且つ前記第１〜第４のスイッチのスイッチング順序、電源電圧の大小および負荷電流の極性から決定される全転流パターンから作成した、第１〜第３のステップを有する複数のスイッチングパターンを、電源電圧の大小および負荷電流の極性毎に対応付けて構築したスイッチングパターンデータベースと、
電源電圧の大小および負荷電流の極性を検出してそれらの状態を判別する状態判別手段と、
前記状態判別手段により判別された電源電圧の大小および負荷電流の極性に対応するスイッチングパターンを前記スイッチングパターンデータベースから選択するパターン選択手段と、
前記パターン選択手段により選択されたスイッチングパターンに沿って前記第１〜第４のスイッチを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする交流−交流直接変換装置。
前記スイッチングパターンは、
前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち３番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、
前記抽出したパターンの１番目のステップの制御と２番目のステップの制御を同時に行う第１のステップと、前記抽出したパターンの３番目のステップの制御を行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴とする請求項５に記載の交流−交流直接変換装置。
前記スイッチングパターンは、
前記４ステップ転流法における全転流パターンから、４つのステップのうち１番目のステップの制御どうしが同一であり且つ４番目のステップの制御どうしが同一である複数のパターンを抽出し、
前記抽出したパターンの１番目のステップの制御を行う第１のステップと、前記抽出したパターンの２番目のステップの制御と３番目のステップの制御を同時に行う第２のステップと、前記抽出したパターンの４番目のステップの制御を行う第３のステップとから構成されていることを特徴とする請求項５に記載の交流−交流直接変換装置。
前記スイッチは、第１のスイッチと第２のスイッチからなる双方向スイッチと、第３のスイッチと第４のスイッチからなる双方向スイッチで構成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の交流−交流直接変換装置。