JP5287013B2 - AC-AC direct conversion device and commutation control method for AC-AC direct conversion device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an AC-AC direct conversion device (matrix converter) including a commutation control means for obtaining a multiphase output converted into an arbitrary voltage or frequency from a multiphase AC power source by controlling a bidirectional switch, and The present invention relates to the commutation control method.
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。 An AC-AC direct conversion device (matrix converter) that performs PWM control switches a bi-directional switch using a self-extinguishing semiconductor element at high speed, and converts a single-phase or multi-phase AC input to power of an arbitrary voltage or frequency. A conversion device for conversion is configured as shown in FIG.
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。
In FIG. 1, a three-phase
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。 In FIG. 1, the power three phases are r, s, and t phases, and the output three phases are u, v, and w phases.
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。 As an operation problem of the matrix converter having such a unique circuit configuration, there is a commutation method at the time of switching. The matrix converter operation has two limitations: (1) power supply short circuit prohibition, and (2) inductive load, load release prohibition. It is necessary to perform switching by providing a commutation time so that this does not occur during commutation.
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。 Here, the commutation method will be described with reference to FIG. 2 showing an equivalent circuit of an arbitrary two-phase power source and one-phase output in the matrix converter of FIG.
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。 In FIG. 2, v1 is a first-phase power source, v2 is a second-phase power source, and S1 and S2 are bidirectional switches inserted in an electrical path connecting these power sources v1 and v2 to a load.
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。 As shown in FIG. 2A, the bidirectional switch S1 is a series of a diode D1a having the polarity shown and a switch S1a (first switch made of a semiconductor element) that controls on and off of a current flowing from the power source v1 in the load direction. And a serial body of a switch S1b (second switch made of a semiconductor element) that controls on and off of a current flowing from the load in the direction of the power source v1.
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。 As shown in FIG. 2A, the bidirectional switch S2 is a series of a diode D2a having a polarity shown and a switch S2a (third switch made of a semiconductor element) that controls on and off of a current flowing from the power source v2 in the load direction. And a serial body of a switch S2b (fourth switch made of a semiconductor element) for controlling on / off of a current flowing from the load in the direction of the power source v2 to the diode D2b having the polarity shown in the figure.
またIoは負荷電流、voは負荷電圧を各々示している。 Io represents a load current, and vo represents a load voltage.
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。 Consider a case where power is transferred from the power source v1 to the power source v2 (provided that v1> v2 and Io> 0). Here, it is assumed that the load current I 0 flows to the load side in the direction of the arrow in FIG.
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。 In the initial state, the switches S1a and S1b are on, the switches S2a and S2b are off, and v1 is output to vo. After commutation is completed, the switches S1a and S1b are in an off state, the switches S2a and S2b are in an on state, and v2 is output to vo. There are two types of commutation methods: (1) voltage commutation method and (2) current commutation method.
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。 In the voltage commutation method, a commutation pattern is created from the magnitude relationship between the input voltages v1 and v2, a commutation time Td is provided, and commutation is performed in four steps. FIG. 3 shows an example of the commutation pattern. In FIG. 3, T1 to T4 indicate times. First, the switch S2a is turned on at the first step T1. As a result, a path for the load current to the load side is secured. At the second step T2, the switch S1a is turned off. Thereby, a power supply short circuit can be prevented. At the third step T3, the switch S2b is turned on. This ensures a current path to the power supply side. At the fourth step T4, the switch S1b is turned off to complete commutation.
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。 In the current commutation method, a commutation pattern is created from the load current polarity, commutation time Td is provided, and commutation is performed in four steps. FIG. 4 shows an example of the commutation pattern. In FIG. 4, first, the switch S1b is turned off at the first step T1. Thereby, a power supply short circuit can be prevented. At the second step T2, the switch S2a is turned on. As a result, a path for the load current to the load side is secured. At the third step T3, the switch S1a is turned off. This can prevent a power supply short circuit. At the fourth step T4, the switch S2b is turned on to complete commutation.
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。
In addition to the above-described four-step commutation method, for example, a three-step commutation method described in
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。 Unlike the conventional four-step commutation, this three-step commutation is a method in which the number of steps is reduced by one. Both the input voltage information and the load current polarity information are always used, and the commutation time Td is provided. Create a flow pattern. FIG. 5 shows the commutation pattern. In FIG. 5, the switch S2a is turned on at the first step T1. This ensures a path for the load current. In the second step T2, the switch S1a is turned off to prevent a power supply short circuit. In the third step T3, the switch S1b is turned off and the switch S2b is turned on simultaneously to complete the commutation.
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。
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。 First, consider the conventional 4-step commutation method. Table 1 shows the applicability of all commutation patterns in 4-step commutation.
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。 The left side of Table 1 shows the commutation pattern, and the right side shows the evaluation result of the magnitude relation of the power supply voltage and the condition of the load current polarity.
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。 In the 4-step commutation, the switches S1a, S1b, S2a, and S2b are controlled once for each commutation, so the switching order is 4! There are 24 (factorial) = 24 ways.
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。 Considering the case of the equivalent circuit of FIG. 2 as an example, four states can be considered depending on the magnitude of the input voltage and the polarity of the load current. Therefore, there are 24 × 4 = 96 possible commutation patterns in 4-step commutation.
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。 The crosses in Table 1 are patterns in which a power supply short circuit abnormality and a load current release abnormality occur during the commutation operation. Further, except for the four-step current commutation method and voltage commutation method described above, there are two unknown commutation methods for each pattern of input voltage magnitude and load current polarity. The commutation method is referred to as pattern A and pattern B.
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。 Pattern A is a pattern in which the first and second steps are the same as the voltage commutation method, but the third and fourth steps are interchanged.
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。 Pattern B is a pattern in which the third and fourth steps are the same as the current commutation method, but the first and second steps are interchanged.
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。 In other words, there are four types of commutation patterns: current commutation method, voltage commutation method, pattern A, and pattern B under the condition of a certain power supply voltage magnitude and load current polarity. Taking the case of v1> v2 and Io> 0 as an example, there are four patterns 9, 13, 14, and 15 in Table 1 that can be commutated.
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。
Next, the method of
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。 This was made possible by judging from input voltage information and load current polarity information. As a result, the number of switching operations per commutation is reduced from the conventional 4 times to 3 times, and accordingly, commutation errors can be reduced and the number of switching operations can be reduced.
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。
However,
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。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to increase the degree of freedom of commutation by increasing the commutation pattern by the three-step commutation method with a small number of switching operations and the commutation thereof. It is to provide a flow control method.
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。
The commutation control method for an AC-AC direct conversion device according to
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。
Further, the commutation control method for the AC-AC direct conversion device according to
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。
Further, the commutation control method for the AC-AC direct conversion device according to
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。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the commutation control method for an AC-AC direct conversion device according to any one of the first to third aspects, wherein the switch is a bidirectional switch including a first switch and a second switch. And a bi-directional switch composed of a third switch and a fourth switch.
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。 Moreover, the AC-AC direct conversion device according to claim 5 is a multiphase AC-AC direct conversion device, and when commutating from the first phase to the second phase, the first step to the fourth step The first switch that performs on / off control of the current flowing in the load direction from the power source of the first phase of the multiphase alternating current, and the load from the load, A second switch for controlling on and off of the current flowing in the power direction of the first phase, and a third switch for controlling on and off of the current flowing in the load direction from the power source of the second phase of the multiphase alternating current; In the four-step commutation method for controlling any one of the fourth switches for controlling on / off of the current flowing from the load toward the power source of the second phase, the power supply short circuit abnormality and the load current release abnormality are detected. No occurrence and before A plurality of switching patterns having the first to third steps created from the total commutation pattern determined from the switching order of the first to fourth switches, the magnitude of the power supply voltage, and the polarity of the load current, The switching pattern database constructed in correspondence with the magnitude of the magnitude and the polarity of the load current, the status discrimination means for detecting the magnitude of the power supply voltage and the polarity of the load current and discriminating those states, and the status discrimination means Pattern selection means for selecting a switching pattern corresponding to the magnitude of the power supply voltage and the polarity of the load current from the switching pattern database, and controlling the first to fourth switches along the switching pattern selected by the pattern selection means And a control means for controlling.
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。 Moreover, the AC-AC direct conversion device according to claim 6 is the AC-AC direct conversion device according to claim 5, wherein the switching pattern is obtained by controlling the third step among the four steps from the total commutation pattern in the four-step commutation method. Are extracted and a plurality of patterns having the same control in the fourth step are extracted, and the first step and the second step are simultaneously controlled in the extracted pattern, It is characterized by comprising a second step for controlling the third step of the extracted pattern and a third step for controlling the fourth step of the extracted pattern.
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。 The AC-AC direct conversion device according to claim 7 is the AC-AC direct conversion device according to claim 5, wherein the switching pattern is obtained by controlling the first step among the four steps from the total commutation pattern in the four-step commutation method. Are extracted and a plurality of patterns having the same control in the fourth step are extracted, a first step for controlling the first step of the extracted pattern, and a second step of the extracted pattern It is characterized by comprising a second step for simultaneously controlling the step and the third step, and a third step for controlling the fourth step of the extracted pattern.
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。 An AC-AC direct conversion device according to an eighth aspect of the present invention is the AC-AC direct conversion device according to any one of the fifth to seventh aspects, wherein the switch includes a bidirectional switch including a first switch and a second switch, and a third switch. It is characterized by comprising a bidirectional switch composed of a switch and a fourth switch.
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。 According to the first to eighth aspects of the present invention, the number of times of switching in one commutation is reduced from four to three compared to the conventional four-step commutation method. This reduces switching losses and shortens commutation time. Further, it is possible to reduce an output voltage error caused by a switching delay at the time of commutation. As a result, the distortion rate of the input / output current can be reduced.
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。 Moreover, since the choice of commutation increases and the freedom degree of commutation increases, a more optimal commutation pattern can be selected.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments.
(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。
Example 1
FIG. 6 is a block diagram of a commutation control device for a matrix converter according to the present invention. FIG. 6 shows an example in which the two-phase input and the one-phase output (a part of the equivalent circuit in FIG. 1) in FIG. Is applied to, for example, a three-phase input and a three-phase output.
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。
A
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。
These voltage detector, current detector,
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。
63 shows the commutation pattern (switching pattern of the present invention) from Table 2 based on the magnitudes of the power supply voltages v1 and v2 determined by the
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。 Table 2 shows the total commutation pattern determined from the switching order of the switches S1a, S1b, S2a, and S2b in FIG. 2A, the magnitude of the power supply voltage, and the polarity of the load current in the above-described four-step commutation method. Among them, a plurality of three-step commutation patterns having first to third steps created based on a pattern in which a power supply short circuit abnormality and a load current release abnormality do not occur (patterns other than the x mark in Table 1) It is constructed as a switching pattern database associated with the magnitudes of the voltages v1 and v2 and the polarity of the load current Io.
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。
The switching pattern database of Table 2 is provided inside or outside the
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。
65 represents the commutation time Td based on the bidirectional switch command from the
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。 As described above, a commutation pattern can be selected from a plurality of three-step commutation patterns shown in Table 2 according to the magnitude of the power supply voltage and the polarity of the load current. In addition, the commutation time is shortened, and the number of options of the three-step commutation having the excellent advantage that the output voltage error due to the commutation can be reduced increases, and the degree of freedom of the commutation method increases.
(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。
(Example 2)
In the second embodiment, among the three-step commutation patterns in Table 2, a commutation pattern configured to simultaneously control two switches in the first step is selected.
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。 For example, when the power supply voltage v1> v2 and the load current Io> 0, the third and fourth steps of the current commutation method (pattern 9) and pattern B (pattern 15) in Table 1 are common, and the first and second steps. Since either may be used first, the first and second steps of patterns 9 and 15 in Table 1 are simultaneously switched.
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。 That is, as shown in FIG. 7, at the first step T1 (the first step of the present invention), the switch S1b off and the switch S2a on which are the operations of the first and second steps of patterns 9 and 15 in Table 1 are simultaneously executed. To do.
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。 Since the magnitude of each phase of the power supply voltage and the polarity of the load current are known, the path of the load current is secured and there is no power supply short circuit path.
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。 Next, in the second step T2 (second step of the present invention), the switch S1a is turned off, which is the third step operation of patterns 9 and 15 in Table 1. At this time, since the load current path is already secured, there is no problem even if it is turned off.
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。 Next, at the third step T3 (third step of the present invention), the switch S2b, which is the fourth step operation of patterns 9 and 15 in Table 1, is executed to complete the commutation.
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。 Similarly, when the power supply voltage v1 <v2 and the load current Io> 0, the third and fourth steps of the pattern A (pattern 12) and the voltage commutation method (pattern 22) in Table 1 are common, and the first and second steps. Since either eye can be used first, the first and second steps of the patterns 12 and 22 in Table 1 are switched simultaneously.
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。 That is, at the first step T1, the switch S2b on and the switch S1b off which are the operations of the first and second steps of the patterns 12 and 22 in Table 1 are simultaneously executed.
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。 Next, in the second step T2, the switch S2a that is the third step operation of the patterns 12 and 22 in Table 1 is turned on.
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。 Next, at the third step T3, the switch S1a is turned off, which is the fourth step operation of patterns 12 and 22 in Table 1, thereby completing the commutation.
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。 Similarly, when the power supply voltage v1> v2 and the load current Io <0, the third and fourth steps of the pattern A (pattern 4) and the voltage commutation method (pattern 14) in Table 1 are common, and the first and second steps. Since either eye can be used first, the first and second steps of patterns 4 and 14 in Table 1 are switched simultaneously.
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。 That is, at the first step T1, the switch S2a on and the switch S1a off, which are the operations of the first and second steps of patterns 4 and 14 in Table 1, are executed simultaneously.
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。 Next, in the second step T2, the switch S2b, which is the third step operation of patterns 4 and 14 in Table 1, is executed.
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。 Next, at the third step T3, the switch S1b is turned off, which is the fourth step operation of patterns 4 and 14 in Table 1, thereby completing the commutation.
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。 Similarly, when the power supply voltage v1 <v2 and the load current Io <0, the third and fourth steps of the current commutation method (pattern 5) and pattern B (pattern 19) in Table 1 are common, and the first and second steps. Since either eye can be used first, the first and second steps of patterns 5 and 19 in Table 1 are switched simultaneously.
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。 That is, at the first step T1, the switch S2b on and the switch S1a off which are the operations of the first and second steps of the patterns 5 and 19 in Table 1 are simultaneously executed.
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。 Next, in the second step T2, the switch S1b is turned off, which is the operation in the third step of patterns 5 and 19 in Table 1.
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。 Next, at the third step T3, the switch S2a, which is the fourth step operation of patterns 5 and 19 in Table 1, is executed to complete the commutation.
(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。
(Example 3)
In the third embodiment, among the three-step commutation patterns shown in Table 2, a commutation pattern configured to simultaneously control two switches in the second step is selected.
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。 For example, when the power supply voltage v1> v2 and the load current Io> 0, the first and fourth steps of the pattern A (pattern 13) and the pattern B (pattern 15) in Table 1 are common, and which is the second and third steps. Since it does not matter, the second and third steps of patterns 13 and 15 in Table 1 are switched simultaneously.
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。 That is, as shown in FIG. 8, at the first step T1, the switch S2a that is the first step operation of the patterns 13 and 15 in Table 1 is turned on. As a result, a path for the load current to the load side is secured.
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。 Next, in the second step T2, the switch S1b off and the switch S1a off, which are operations in the second and third steps of patterns 13 and 15 in Table 1, are executed simultaneously. At this time, since the load current path is already secured, there is no problem even if it is turned off.
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。 Next, at the third step T3, the switch S2b, which is the fourth step operation of patterns 13 and 15 in Table 1, is executed to complete the commutation.
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。 Similarly, when the power supply voltage v1 <v2 and the load current Io> 0, the first and fourth steps of pattern A (pattern 12) and pattern B (pattern 10) in Table 1 are common, and the second and third steps are Since either may be used first, the second and third steps of the patterns 12 and 10 in Table 1 are switched simultaneously.
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。 That is, the switch S1b is turned off, which is the first step operation of patterns 12 and 10 in Table 1, at the first step T1.
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。 Next, in the second step T2, the switch S2b on and the switch S2a on, which are operations in the second and third steps of patterns 12, 10 in Table 1, are executed simultaneously.
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。 Next, at the third step T3, the switch S1a which is the fourth step operation of patterns 12 and 10 in Table 1 is executed to complete the commutation.
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。 Similarly, when power supply voltage v1> v2 and load current Io <0, the first and fourth steps of pattern A (pattern 4) and pattern B (pattern 6) in Table 1 are common, and the second and third steps are Since whichever is first, the second and third steps of patterns 4 and 6 in Table 1 are switched simultaneously.
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。 That is, at the first step T1, the switch S1a is turned off, which is the first step operation of patterns 4 and 6 in Table 1.
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。 Next, in the second step T2, the switch S2b on and the switch S2a on which are the operations of the second and third steps of patterns 4 and 6 in Table 1 are simultaneously executed.
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。 Next, at the third step T3, the switch S1b is turned off, which is the fourth step operation of patterns 4 and 6 in Table 1, thereby completing the commutation.
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。 Similarly, when the power supply voltage v1 <v2 and the load current Io <0, the first and fourth steps of pattern A (pattern 21) and pattern B (pattern 19) in Table 1 are common, and the second and third steps are Since either may be used first, the second and third steps of the patterns 21 and 19 in Table 1 are simultaneously switched.
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。 That is, the switch S2b, which is the first step operation of the patterns 21 and 19 in Table 1, is executed at the first step T1.
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。 Next, in the second step T2, the switch S1a off and the switch S1b off, which are operations in the second and third steps of the patterns 21 and 19 in Table 1, are executed simultaneously.
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。 Next, at the third step T3, the switch S2a, which is the fourth step operation of patterns 21 and 19 in Table 1, is executed to complete the commutation.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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。 A commutation control method for a polyphase AC-AC direct conversion device,
When commutating from the first phase to the second phase, the commutation is performed once by four steps including the first step to the fourth step, and the first phase of the multiphase alternating current per step. A first switch for on / off control of current flowing from the power source to the load direction, a second switch for on / off control of current flowing from the load to the power direction of the first phase, and a multi-phase AC first switch One of a third switch that controls on / off of a current flowing from the power source of the second phase to the load direction, and a fourth switch that controls on / off of a current flowing from the load to the power direction of the second phase In the four-step commutation method for controlling one switch, the power supply short circuit abnormality and the load current release abnormality do not occur, and the switching order of the first to fourth switches, the magnitude of the power supply voltage, and the polarity of the load current are determined. From Zentenryu pattern, to create a plurality of switching patterns, comprising: first, second and third step,
Select the switching pattern according to the magnitude of the power supply voltage and the polarity of the load current,
A method for controlling commutation of an AC-AC direct conversion device, wherein the first to fourth switches are controlled along the selected switching pattern.
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。 The switching pattern is:
From the total commutation pattern in the 4-step commutation method, a plurality of patterns in which the control of the third step among the four steps is the same and the control of the fourth step is the same are extracted,
A first step that simultaneously controls the first step and the second step of the extracted pattern; a second step that controls the third step of the extracted pattern; and the extracted pattern The commutation control method for an AC-AC direct conversion device according to claim 1, further comprising a third step for controlling the fourth step.
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。 The switching pattern is:
From the total commutation pattern in the four-step commutation method, a plurality of patterns in which the control of the first step among the four steps is the same and the control of the fourth step is the same are extracted,
A first step for controlling the first step of the extracted pattern; a second step for simultaneously controlling the second step and the third step of the extracted pattern; and the extracted pattern. The commutation control method for an AC-AC direct conversion device according to claim 1, further comprising a third step for controlling the fourth step.
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。 A multi-phase AC-AC direct conversion device,
When commutating from the first phase to the second phase, the commutation is performed once by four steps including the first step to the fourth step, and the first phase of the multiphase alternating current per step. A first switch for on / off control of current flowing from the power source to the load direction, a second switch for on / off control of current flowing from the load to the power direction of the first phase, and a multi-phase AC first switch One of a third switch that controls on / off of a current flowing from the power source of the second phase to the load direction, and a fourth switch that controls on / off of a current flowing from the load to the power direction of the second phase In the four-step commutation method for controlling one switch, the power supply short circuit abnormality and the load current release abnormality do not occur, and the switching order of the first to fourth switches, the magnitude of the power supply voltage, and the polarity of the load current are determined. Created from Zentenryu patterns, and the switching pattern database a plurality of switching patterns, was constructed in association with each polarity of the magnitude and the load current of the power supply voltage having a first to third steps,
State determining means for detecting the magnitude of the power supply voltage and the polarity of the load current to determine their state;
Pattern selecting means for selecting a switching pattern corresponding to the magnitude of the power supply voltage and the polarity of the load current determined by the state determining means from the switching pattern database;
An AC-AC direct conversion device comprising: control means for controlling the first to fourth switches along the switching pattern selected by the pattern selection means.
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。 The switching pattern is:
From the total commutation pattern in the 4-step commutation method, a plurality of patterns in which the control of the third step among the four steps is the same and the control of the fourth step is the same are extracted,
A first step that simultaneously controls the first step and the second step of the extracted pattern; a second step that controls the third step of the extracted pattern; and the extracted pattern 6. The AC-AC direct conversion device according to claim 5, wherein the AC-AC direct conversion device comprises a third step for controlling the fourth step.
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。 The switching pattern is:
From the total commutation pattern in the four-step commutation method, a plurality of patterns in which the control of the first step among the four steps is the same and the control of the fourth step is the same are extracted,
A first step for controlling the first step of the extracted pattern; a second step for simultaneously controlling the second step and the third step of the extracted pattern; and the extracted pattern. 6. The AC-AC direct conversion device according to claim 5, wherein the AC-AC direct conversion device comprises a third step for controlling the fourth step.
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