JP2005168197A - 交流交流直接変換装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各相電源電圧の大小関係を判別する簡易かつ安価な第１の大小判別手段を提供すると共に、必要に応じて併設される第２の大小判別手段に異常が生じた時にも瞬時にバックアップを行なって継続的な運転を可能にする。
【解決手段】多相交流電源に接続された交流スイッチＳ１〜Ｓ９をスイッチングして任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧を出力するマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換装置の制御装置に関する。電源電圧の位相を検出する位相検出手段２と、検出した位相から各相電源電圧の大小関係を判別する第１の大小判別手段３と、この大小判別信号に従って交流スイッチのスイッチングパターンを決定する転流パターン生成手段４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、多相交流電源から所望の多相交流電圧を得る交流交流直接変換装置において、特に電力変換器の電源短絡や出力端開放を防止するための転流動作に当たり、各相電源電圧の大小関係を判別して電力変換器のスイッチングパターンを決定するために用いられる判別手段を改良した制御装置に関するものである。

図９は、交流交流直接変換装置の例として、三相入力から三相出力を得るマトリクスコンバータの回路構成を示している。電源側の相及び端子をＲ，Ｓ，Ｔとし、負荷側の相及び端子をＵ，Ｖ，Ｗと称して以下に説明する。

マトリクスコンバータをはじめとする交流交流直接変換装置は、図９の下段に示すように、二つの単方向性半導体スイッチＳａ，Ｓｂを組み合わせるか、または、双方向に耐圧をもつスイッチＳｃにより、双方向性の交流スイッチＳ１〜Ｓ９を構成する。図９の上段に示すマトリクスコンバータ１では、これらの交流スイッチＳ１〜Ｓ９を端子Ｒ，Ｓ，Ｔ及びＵ，Ｖ，Ｗ間に接続して構成される。

この種のマトリクスコンバータでは、電源短絡または出力端開放を防止するために転流時間を設ける必要がある。転流については既に公知であるので、ここではその概略のみを簡単に説明する。
まず、各相電源電圧の大きさを判別し、電源電圧の最大相と中間相との間の転流か、中間相と最小相との間の転流かを判別する。次に、それぞれのモードに応じて、半導体スイッチに対するスイッチングパターン（転流パターン）を生成する。

図１０において、入力最大相と入力中間相との間の転流では、スイッチ２ｂをオン→スイッチ１ａをオフ→スイッチ２ａをオン→スイッチ１ｂをオフとして順次、オンオフを行い、電源短絡と負荷端開放とを防止する。また、入力中間相と入力最小相との間の転流では、スイッチ２ｂをオン→スイッチ３ａをオフ→スイッチ２ａをオン→スイッチ３ｂをオフというように順次、オンオフを行う。
上述した各スイッチのオンオフによる転流を行うために、各相電源電圧の大小関係を判別する必要があり、図９の従来技術では、Ｒ，Ｓ，Ｔ相の電源電圧を最大最小判別手段１０に取り込んで判別している。

この最大最小判別手段１０の構成は、例えば本出願人による特願２００３−１０５０２０号や後述する特許文献１に開示されており、三相ブリッジ接続されたダイオード１１及び絶縁用のフォトカプラＲ_ｍａｘ，Ｒ_ｍｉｎ，Ｓ_ｍａｘ，Ｓ_ｍｉｎ，Ｔ_ｍａｘ，Ｔ_ｍｉｎからなるブリッジ整流回路に各相電源電圧を入力し、フォトカプラの出力信号によって各相電圧の大小関係を判別している。なお、図９において、１２は負荷（抵抗）である。

その動作としては、最大相に接続されているフォトカプラと最小相に接続されているフォトカプラとがオンする。例えば、Ｒ相が最大相、Ｔ相が最小相のモードであれば、図９におけるフォトカプラＲ_ｍａｘ，Ｔ_ｍｉｎがオンし、フォトカプラがオンしていないＳ相が中間相であることがわかる。こうして最大最小判別手段１０により判別された最大相、最小相、中間相の情報（最大最小判別信号）は転流パターン生成手段４に送られる。

一方、図９において、出力電圧指令からＰＷＭパルス生成手段５により生成されたＰＷＭパルスと前記最大最小判別信号とに基づき、転流パターン生成手段４は転流時のスイッチングパターンを生成する。マトリクスコンバータ１では、このスイッチングパターンに従って交流スイッチＳ１〜Ｓ９をオンオフし、転流動作を行う。

特開２００１−８６７５１号公報（図３）

上述したように、従来では各相電源電圧の大小関係を示す判別信号に基づいて転流パターンを生成している。このため、電源電圧の大小情報は非常に重要であり、この判別が正しく行えないと電源短絡や負荷端開放を引き起こし、過大な短絡電流やサージ電圧が発生する。これにより交流スイッチに使用している素子の破壊を招き、火災や他の機種の故障も起こす。
従って、最大最小判別回路に異常が発生した場合は、マトリクスコンバータ１の運転を速やかに停止する必要がある。また、冗長化を意図して同一の最大最小判別回路を予備的に設けることは、フォトカプラ等の部品コストの上昇を招き、設置スペースが余分に必要になるという問題を生じさせる。

そこで本発明は、各相電源電圧の大小関係を判別する簡易かつ安価な判別手段を提供すると共に、従来の判別手段に異常が発生した時にも瞬時にバックアップを可能として安定した運転を継続できるようにした交流交流直接変換装置の制御装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、多相交流電源に接続された交流スイッチをスイッチングして任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧を出力する交流交流直接変換装置において、
電源電圧の位相を検出する位相検出手段と、この位相検出手段により検出した位相から各相電源電圧の大小関係を判別する大小判別手段と、この大小判別手段による判別信号に従って前記交流スイッチのスイッチングパターンを決定する転流パターン生成手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、多相交流電源に接続された交流スイッチをスイッチングして任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧を出力する交流交流直接変換装置において、
電源電圧の位相を検出する位相検出手段と、この位相検出手段により検出した位相から各相電源電圧の大小関係を判別する第１の大小判別手段と、第１の大小判別手段に対し並列的に設けられて各相電源電圧の大小関係を判別する第２の大小判別手段と、第１、第２の大小判別手段による判別信号を切り替える切替手段と、この切替手段により切り替えた第１または第２の大小判別手段の判別信号に従って前記交流スイッチのスイッチングパターンを決定する転流パターン生成手段と、を備えたものである。

請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
第２の大小判別手段は、各相電源電圧の大小に応じて流れる電流をフォトカプラ等により絶縁検出して大小関係を判別する手段であることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項２または３に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
第２の大小判別手段の故障を検出する故障検出手段を設け、この故障検出手段による故障検出時に、前記切替手段を介して第１の大小判別手段による判別信号を前記転流パターン生成手段に出力するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項２，３または４に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
第２の大小判別手段は、前記交流スイッチを過電圧または過電流から保護するスナバ回路の機能を兼ね備えていることを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、請求項５に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
第２の大小判別手段に、前記交流スイッチの全オフ時に発生するエネルギーを消費させる放電抵抗やコンデンサ等のエネルギー処理手段を設けたものである。

請求項１〜６に記載した本発明は、電源電圧の位相情報から各相電圧の大小関係を判別可能としているので、ソフトウェアや簡単なロジック回路で実現することができ、従来よりも簡易かつ安価な大小判別手段を提供することができる。また、ソフトウェアにより判別する際には、検出や演算による遅れを補償することで高精度の判別が可能である。

特に、第１の大小判別手段における位相検出手段としてＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いる場合には、このＰＬＬが収束するまでに発生する誤差は補償できないため、請求項２以下に記載するように、例えば公知の判別手段を第２の大小判別手段として併用することが望ましい。そして、この第２の大小判別手段に故障が発生した場合には、切替手段により第１の大小判別手段による判別信号を選択することで、瞬時にバックアップ可能として変換装置の運転を継続することができる。

更に、請求項５，６に記載する如く、第２の大小判別手段に素子保護機能を持たせることで、回路部品の有効利用やそれに伴う省スペース化が実現可能である。

総じて本発明によれば、安価でスペースを取らない大小判別手段を提供でき、バックアップも容易であって変換装置の継続的な運転を保証するシステムを提供することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図９と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
この実施形態では、交流交流直接変換装置としてのマトリクスコンバータ１のＲ，Ｓ，Ｔ相電源電圧を位相検出手段２に入力し、その出力に基づいて第１の大小判別手段３が各相電源電圧の大小関係を判別する。

図２は、位相検出手段２及び大小判別手段３の構成を示している。まず、位相検出手段２では、電源電圧の極性を三相分検出し、極性信号（電圧が正のときに“１”、負のときに“０”）が変化するエッジからＰＬＬ（Phase Locked Loop）により位相情報を得る。

次に、大小判別手段３は、上記位相情報から表１に示すモードを選択し、最大相、最小相（及び中間相）の情報を出力する。なお、表１は、Ｒ相の電圧位相が各行記載の範囲に含まれる場合の帰属モードと、そのモードにおける最大相、最小相を表している。

例えば、Ｒ相の電圧位相が０であれば、図３に示す波形図において、Ｓ相が最小相、Ｔ相が最大相となる。この大小判別手段３はハードウェアでもソフトウェアでも実現可能であるが、ソフトウェアで実現する場合のフローチャートを図４に示す。

図４において、、大小判別手段３は、位相検出手段２からの位相情報を取得する（ステップＳＴ１）。
次に、ソフトウェアによって大小判別を実現する場合は演算周期の遅れ時間が発生するため、その影響を補償するために遅れ時間補償を行う（ステップＳＴ２）。具体的には、電源電圧の角周波数をω_ｉ、検出遅れ及びソフトウェア演算遅れ時間をＴ_ｄとすると、検出された位相θから、数式１により補正位相角θ_１を求める。
［数１］
θ_１＝Ｔ_ｄω_ｉ＋θ

以上の補正位相角θ_１の情報に基づき、前述したようにモード１〜モード６の６パターンに分け、補正位相角θ_１が属するモード及び最大相、最小相を表１により選択して最大相、最小相の判別信号を出力する（ステップＳＴ３，ＳＴ４）。
次いで、図１の転流パターン生成手段４により、最大相、最小相、中間層の情報に従ってスイッチングパターンを生成し、実際の転流処理を行う（ステップＳＴ５）

なお、位相検出手段２もハードウェアまたはソフトウェアの何れでも構成可能であるが、ハードウェアにより構成する場合は、ゲートアレイやＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のロジックデバイスを用いることで複雑な演算を必要とせずに容易に実現可能である。

次に、図５は本発明の第２実施形態を示している。
この実施形態は、図１の実施形態と図９の公知の最大最小判別手段１０とを組み合わせて最大相、最小相の判別を行うようにしたものである。
図２に示した位相検出手段２及び第１の大小判別手段３では、起動時にＰＬＬが収束するまでに誤差が発生する。この誤差は数式１のθに現れる誤差であるため、ソフトウェアでは補正することができない。そこで、公知の最大最小判別手段１０を第２の大小判別手段とし、これを第１の大小判別手段３と併用することで、高精度に最大最小判別を行うことができる。

図５における最大最小判別手段１０はハードウェアで構成されており、ソフトウェアで行う場合の演算遅れがない。従って、この第２実施形態によれば、第１実施形態に比べて最大相、最小相の判別精度の向上が期待できる。

また、大小判別手段３及び最大最小判別手段１０の出力側に設けられた切替手段１３は、両判別手段３，１０の出力が異なる場合に、フォトカプラを用いた最大最小判別手段１０による判別信号を優先的に用いるように切替動作する。あるいは、位相検出手段２におけるＰＬＬが収束するまでの時間だけ、最大最小判別手段１０のフォトカプラを用いた判別信号を用い、ＰＬＬが一度収束してから大小判別手段３による判別信号を用いるように切替手段１３を動作させてもよい。
更に、最大最小判別手段１０による判別信号がチャタリング等によって不規則に変化する場合には、チャタリングによる転流への悪影響を防止するために、位相検出手段２による位相情報に基づいて最大最小判別信号をロックしてもよい。

図６は、本発明の第３実施形態を示している。
この実施形態では、第２の大小判別手段としての最大最小判別手段１０を主に用いることとし、フォトカプラ等に故障が発生した場合に、その故障検出信号に基づいて位相検出手段２及び第１の大小判別手段３による判別信号に切り替えるようにしたものである。

図６において、１４は最大最小判別手段１０による判別信号の異常（フォトカプラ等の故障）を検出する故障検出手段である。この故障検出手段１４は、例えば、フォトカプラが正常であればどのモードにおいても必ず最大相と最小相の二つのフォトカプラがオンしているため、それ以外の場合は故障であると判別し、故障検出信号を出力する。実際には、フォトカプラ自体の部品の個体差により常に二つがオンしているとは限らないので、ある時間Ｔ_ｅｒｒを経過しても二つのフォトカプラがオンしていないか、三つ以上のフォトカプラがオンしている場合に故障と判断して故障検出信号を出力する。
切替手段１３は、この故障検出信号が入力されたときに大小判別手段３による判別信号に切り替え、その判別信号を転流パターン生成手段４に出力する。

次いで、図７は、本発明の第４実施形態を示している。
マトリクスコンバータでは、負荷端開放が発生すると交流スイッチに多大なサージ電圧が発生するため、この実施形態では、図７に示す素子保護手段３０（スナバ回路）を設けている。このスナバ回路の構成は公知であるため詳細は省略するが、図７の実施形態では、ダイオード３１とアームオン検出回路３２との並列回路を三相ブリッジ接続し、その交流入力側を三相交流電源側の入力フィルタ４０の各相出力側に接続すると共に、上記三相ブリッジの直流側に放電抵抗やコンデンサ等からなるエネルギー処理手段３４を接続して構成されている。なお、前述した各実施形態においても、図示されていないが同様に入力フィルタが設けられている。
また、３３は、負荷側の各相に交流側が接続され、直流側がエネルギー処理手段３４の両端に接続されたダイオードブリッジである。

本実施形態においては、入力フィルタ４０の出力側に、図６と同様に位相検出手段２、大小判別手段３、切替手段１３が順次接続され、この切替手段１３の出力がＰＷＭパルス生成手段５からのＰＷＭパルスと共に転流パターン生成手段４に入力されている。そして、素子保護手段３０の出力が切替手段１３に入力されており、切替手段１３では大小判別手段３からの判別信号と素子保護手段３０の出力（判別信号）とを切り替えて転流パターン生成手段４に出力可能となっている。

マトリクスコンバータ１の負荷がモータ等の電流源負荷であった場合、その故障時に交流スイッチＳ１〜Ｓ９が全ゲートオフすると、電流源負荷に蓄えられたエネルギーがダイオードブリッジ３３を経由してエネルギー処理手段３４によって消費される。このとき、入力フィルタ４０に蓄えられているエネルギーも素子保護手段３０内のダイオード３１を経由し、同様にエネルギー処理手段３４によって消費される。

ここで、素子保護手段３０内の６個のダイオード３１にそれぞれアームオン検出回路３２を接続することにより、前述した各実施形態における最大最小判別手段１０と同様の機能を果たすことができ、これらのアームオン検出回路３２の出力信号によって最大相、最小相の判別が可能になる。
すなわち、素子保護手段３０は第２の大小判別手段としての機能を持つ。この場合、図７におけるエネルギー処理手段３４は、図６における負荷（抵抗）１２と動作上、等価になる。

なお、前述した最大最小判別手段１０を構成するフォトカプラの許容電流は微小であるから、素子保護手段３０を第２の大小判別手段として兼用する場合には、大電流でも検出可能なアームオン検出回路３２を構成することが望ましい。
この種のアームオン検出回路３２については、例えば特開２００１−２５２６５号公報に開示されていて公知であるため、ここでは説明を省略する。

また、最大最小判別手段の負荷は、図６に示した負荷（抵抗）１２等の電流源負荷である必要があるため、エネルギー処理手段３４にコンデンサを有する場合は、通常動作時にエネルギー処理手段３４のコンデンサへ電流が流れないようにしなければならない。
図８はこの点を考慮した第４実施形態の変形例であり、エネルギー処理手段３４の両端の電圧Ｖ_ｓｎを素子保護手段３０の負荷１２の両端電圧Ｖ_ｓｎ２より大きくするために、負荷電圧（マトリクスコンバータ１の負荷電圧）を昇圧してエネルギー処理手段３４の両端に充電しておく充電手段３６を設けている。

この充電手段３６としては、例えば昇圧チョッパを用いることができ、Ｖ_ｓｎとＶ_ｓｎ２とを比較してＶ_ｓｎがＶ_ｓｎ２より小さい場合には昇圧動作を行い、エネルギー処理手段３４のコンデンサを充電する。また、このコンデンサへ電流が流れないようにするために、ダイオード３５の代わりにスイッチ（図示せず）を取り付けて通常動作時はこのスイッチをオフしておき、マトリクスコンバータ１の故障により全ゲートオフが発生する際に、入力フィルタ４０に蓄えられているエネルギーを放出するべく上記コンデンサへ電流を流すようにスイッチをオンしてもよい。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 図１における位相検出手段及び大小判別手段の説明図である。 三相交流電源電圧の波形図である。 図１、図２における大小判別手段をソフトウェアで実現する場合のフローチャートである。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 本発明の第３実施形態を示す構成図である。 本発明の第４実施形態を示す構成図である。 第４実施形態の変形例を示す図である。 従来技術を示す回路図である。 転流動作を説明するための回路構成図である。

符号の説明

１：マトリクスコンバータ
２：位相検出手段
３：大小判別手段（第１の大小判別手段）
４：転流パターン生成手段
５：ＰＷＭパルス生成手段
１０：最大最小判別手段（第２の大小判別手段）
１１：ダイオード
１２：負荷（抵抗）
１３：切替手段
１４：故障検出手段
３０：素子保護手段（第２の大小判別手段）
３１，３５：ダイオード
３２：アームオン検出回路
３３：ダイオードブリッジ
３４：エネルギー処理手段
３６：充電手段
４０：入力フィルタ
Ｓ１〜Ｓ９：交流スイッチ

Claims (6)

1. 多相交流電源に接続された交流スイッチをスイッチングして任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧を出力する交流交流直接変換装置において、
   電源電圧の位相を検出する位相検出手段と、
   この位相検出手段により検出した位相から各相電源電圧の大小関係を判別する大小判別手段と、
   この大小判別手段による判別信号に従って前記交流スイッチのスイッチングパターンを決定する転流パターン生成手段と、
   を備えたことを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
2. 多相交流電源に接続された交流スイッチをスイッチングして任意の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧を出力する交流交流直接変換装置において、
   電源電圧の位相を検出する位相検出手段と、
   この位相検出手段により検出した位相から各相電源電圧の大小関係を判別する第１の大小判別手段と、
   第１の大小判別手段に対し並列的に設けられて各相電源電圧の大小関係を判別する第２の大小判別手段と、
   第１、第２の大小判別手段による判別信号を切り替える切替手段と、
   この切替手段により切り替えた第１または第２の大小判別手段の判別信号に従って前記交流スイッチのスイッチングパターンを決定する転流パターン生成手段と、
   を備えたことを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
3. 請求項２に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
   第２の大小判別手段は、各相電源電圧の大小に応じて流れる電流を絶縁検出して大小関係を判別する手段であることを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
4. 請求項２または３に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
   第２の大小判別手段の故障を検出する故障検出手段を設け、この故障検出手段による故障検出時に、前記切替手段を介して第１の大小判別手段による判別信号を前記転流パターン生成手段に出力することを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
5. 請求項２，３または４に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
   第２の大小判別手段は、前記交流スイッチを過電圧または過電流から保護する機能を兼ね備えていることを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
6. 請求項５に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
   第２の大小判別手段に、前記交流スイッチの全オフ時に発生するエネルギーを消費させるエネルギー処理手段を設けたことを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。

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