JP7088860B2

JP7088860B2 - 交流電力変換装置

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Publication number: JP7088860B2
Application number: JP2019022372A
Authority: JP
Inventors: 竜治宮川
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2022-06-21
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Also published as: JP2020129936A

Description

本発明は、単相交流を三相交流に変換する交流電力変換装置に関する。

三相交流から単相交流を取り出すことは容易である。一方、その逆に単相交流から三相交流を生成するには、一般的に、いったん第１の変換器（コンバータ）で単相交流を直流に整流した後に、その直流を第２の変換器（インバータ）で三相交流に変換する手法が用いられる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２－２１３２９８号公報

しかし、単相交流から三相交流を生成するには、多くの機器を介在させなければならない。

例えば特許文献１に記載された交流電力変換装置は、スコット変圧器、コンバータ、インバータを必要としている。すなわち、図８に示すように、単相電源１に電気的に接続される第１の単相交流端子と後述するインバータ１３に接続される第２の単相交流端子と三相交流を出力するための三相交流端子とを有するスコット変圧器１１と、単相電源１と並列にスコット変圧器１１の前記第１の単相交流端子に電気的に接続されて単相電源１からの単相交流を直流電力に変換するコンバータ１２と、コンバータ１２からの直流電力をスコット変圧器１１の前記第２の単相交流端子に供給される単相交流へと変換するインバータ１３とを備えて構成されている。

しかしながら、このような構成では、サイズ的、コスト的に大きなものとなるだけでなく、変換効率が悪化する問題も有している。

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、単相交流を三相交流に変換する交流電力変換装置に関して、トランスを用いることなく、しかも三相インバータを１つ用いるだけの簡単な構成で、単相交流を三相交流に高効率に変換できるようにすることを目的としている。

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明による交流電力変換装置は、
入力側の単相交流系統と出力側の三相交流系統との間に三相インバータが配され、
前記三相インバータは第１ないし第３のスイッチングアームと直流側コンデンサとが並列接続されて構成され、
前記三相交流系統の３つの三相側母線のうちの２つはそれぞれ、前記単相交流系統の第１、第２の２つの単相側母線に対して個別的に直結された第１および第２の三相側母線に構成され、
前記３つの三相側母線のうちの残りの１つは、前記２つの単相側母線とは直結されない非直結の第３の三相側母線に構成され、
前記第１の単相側母線および前記直結の第１の三相側母線は、前記第１のスイッチングアームの交流入出力端子に接続され、
前記第２の単相側母線および前記直結の第２の三相側母線は、前記第２のスイッチングアームの交流入出力端子に接続され、
前記非直結の第３の三相側母線は、前記第３のスイッチングアームの交流入出力端子に接続され、
前記第１ないし第３のスイッチングアームに対するスイッチング制御の制御部は、前記第１および第２のスイッチングアームに対して電流制御を行うとともに、前記第３のスイッチングアームに対して電圧制御を行うことを特徴とする。

上記構成の本発明の交流電力変換装置には、次のようないくつかの好ましい態様がある。理解を容易にするため、数量関係については後述する実施例で用いた符号を併記して記述する。なお、この符号併記をもって本発明を限定的に解釈してはならない。

（１）前記制御部は、位相検出部と電圧制御演算部と電流制御演算部とスイッチング制御信号生成部とを備え、
前記位相検出部は、前記第１の単相側母線と前記第２の単相側母線との間の線間電圧（Ｖ₁₂）の位相（θ₁₂）を検出する機能を有し
前記電圧制御演算部は、前記非直結の第３の三相側母線の電圧に対する指令ベクトル（Ｖ_α）を求める機能を有し、
前記電流制御演算部は、前記直結の第１と第２の三相側母線間の線間電圧（Ｖ₁₂）に対する指令ベクトル（Ｖ_β）を求める機能を有し、
前記スイッチング制御信号生成部は、前記第３の三相側母線の電圧に対する指令ベクトル（Ｖ_α）と前記第１と第２の三相側母線間の線間電圧に対する指令ベクトル（Ｖ_β）とに基づいて、前記第１、第２および第３の３つの三相側母線それぞれの出力電圧ベクトル（Ｖ_invV，Ｖ_invW，Ｖ_invU）が所定の大きさと位相をもつように、前記第１ないし第３のスイッチングアームに対するスイッチング制御信号を生成出力する機能を有している、という態様がある。

（２）また、前記位相検出部は、前記第１の単相側母線と前記第２の単相側母線との間の線間電圧（Ｖ₁₂）の位相（θ₁₂）を検出するとともに、この線間電圧（Ｖ₁₂）の位相（θ₁₂）から演算によって前記非直結の第３の三相側母線の電圧（Ｖ₃）の位相（θ₃）を求める機能を有し、
前記電圧制御演算部は、前記非直結の第３の三相側母線の検出電圧値（Ｖ₃）と所定の目標電圧値との偏差を限りなく最小化するフィードバック制御によって前記非直結の第３の三相側母線に対する電圧ピーク指令値（Ｖ_3ref）を求め、この電圧ピーク指令値（Ｖ_3ref）と前記非直結の第３の三相側母線の電圧（Ｖ₃）の位相（θ₃）から前記非直結の第３の三相側母線の電圧に対する指令ベクトル（Ｖ_α）を求める機能を有し、
前記電流制御演算部は、前記直流側コンデンサの両端電圧（Ｅ）を所定値に安定化させるフィードバック制御によって前記第１の単相側母線に対する単相電流ピーク指令値（Ｉ_ref）を求め、この単相電流ピーク指令値（Ｉ_ref）と前記線間電圧（Ｖ₁₂）の位相（θ₁₂）から単相電流指令ベクトル（Ｉ_Kref）を求め、前記第１または第２の単相側母線における単相電流検出ベクトル（Ｉ_K）と前記単相電流指令ベクトル（Ｉ_Kref）との偏差を限りなく最小化するフィードバック制御を行って、前記直結の第１と第２の三相側母線間の線間電圧（Ｖ₁₂）に対する指令ベクトル（Ｖ_β）を求める機能を有している、という態様がある。

本発明の上記の構成によれば、単相交流を三相交流に変換する交流電力変換装置に関して、トランスを用いることなく、しかも三相インバータを１つ用いるだけの簡単な構成で、単相交流を三相交流に高効率に変換することが可能となる。

本発明によれば、単相交流を三相交流に変換する交流電力変換装置に関して小型化・低コスト化および高効率化を図ることができる。

本発明の実施例における交流電力変換装置の構成を示す回路図本発明の実施例における交流電力変換装置のＬＣ等フィルタの内部構成を示す回路図本発明の実施例における交流電力変換装置の電圧制御演算部の内部構成を示すブロック図本発明の実施例における交流電力変換装置の電流制御演算部の内部構成を示すブロック図本発明の実施例における交流電力変換装置のスイッチング制御信号生成部の内部構成を示すブロック図本発明の実施例における交流電力変換装置の動作を説明するためのベクトル図本発明の実施例における交流電力変換装置の動作を説明するための波形図従来例の交流電力変換装置の構成を示す回路図

以下、上記構成の本発明の交流電力変換装置につき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。

図１は本発明の実施例における交流電力変換装置の構成を示す回路図である。図１において、３０は入力側の単相交流系統、４０は出力側の三相交流系統、５０は三相インバータ、６０はＰＷＭ制御の制御部である。３１は単相交流系統３０における第１の単相側母線、３２は第２の単相側母線、４１は三相交流系統４０における直結の第１の三相側母線、４２は直結の第２の三相側母線、４３は非直結の第３の三相側母線である。ここで、「直結」とは単相交流系統３０における第１の単相側母線３１または第２の単相側母線３２に対して直接的に接続されているということを意味し、「非直結」とはそのような直接的な接続関係がないということを意味している。

５１は三相インバータ５０における第１のスイッチングアーム、５２は第２のスイッチングアーム、５３は第３のスイッチングアーム、５４は直流側コンデンサである。６１は制御部６０における位相検出部、６２は電圧制御演算部、６３は電流制御演算部、６４はスイッチング制御信号生成部である。

入力側の単相交流系統３０と出力側の三相交流系統４０との間に接続された三相インバータ５０は、第１ないし第３のスイッチングアーム５１，５２，５３と直流側コンデンサ５４とが並列接続されて構成されている。これは、一般的な三相インバータと変わるところがない。

三相交流系統４０は３つの三相側母線４１，４２，４３を有しているが、そのうちの２つはそれぞれ、単相交流系統３０の第１、第２の２つの単相側母線３１，３２に対して個別的に直結された第１および第２の三相側母線４１，４２（Ｖ相、Ｗ相）に構成され、残りの１つは、２つの単相側母線３１，３２とは直結されない非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）に構成されている。

本実施例にあっては、三相交流における３つの相（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）と第１ないし第３の三相側母線４１，４２，４３との対応関係につき、一例として、Ｖ相を直結の第１の三相側母線４１に対応させ、Ｗ相を直結の第２の三相側母線４２に対応させ、Ｕ相を非直結の第３の三相側母線４３に対応させることにする。

三相インバータ５０の構成について、第１のスイッチングアーム５１はハイサイドのスイッチング素子Ｑ１ａとローサイドのスイッチング素子Ｑ１ｂとが交流入出力端子Ｎ１を介して直列に接続され、第２のスイッチングアーム５２はハイサイドのスイッチング素子Ｑ２ａとローサイドのスイッチング素子Ｑ２ｂとが交流入出力端子Ｎ２を介して直列に接続され、第３のスイッチングアーム５３はハイサイドのスイッチング素子Ｑ３ａとローサイドのスイッチング素子Ｑ３ｂとが交流入出力端子Ｎ３を介して直列に接続され、さらにこれら第１ないし第３のスイッチングアーム５１，５２，５３が互いに並列に接続され、加えて直流側コンデンサ５４も並列に接続されている。

単相交流系統３０と三相インバータ５０の関係について、第１の単相側母線３１は第１のスイッチングアーム５１の交流入出力端子Ｎ１に接続され、第２の単相側母線３２は第２のスイッチングアーム５２の交流入出力端子Ｎ２に接続されている。

三相交流系統４０と三相インバータ５０の関係について、第１の単相側母線３１に直結の第１の三相側母線４１（Ｖ相）は第１のスイッチングアーム５１の交流入出力端子Ｎ１に接続され、第２の単相側母線３２に直結の第２の三相側母線４２（Ｗ相）は第２のスイッチングアーム５２の交流入出力端子Ｎ２に接続され、第１の単相側母線３１に対しても第２の単相側母線３２に対しても非直結の関係をなす第３の三相側母線４３（Ｕ相）は第３のスイッチングアーム５３の交流入出力端子Ｎ３に接続されている。

交流入出力端子Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の直近で第１ないし第３の三相側母線４１（Ｖ相），４２（Ｗ相），４３（Ｕ相）の相互間にＬＣ等のフィルタ４４が接続されている。このフィルタ４４は、三相インバータ５０のスイッチング動作によって生成される三相交流の電圧波形を高精度な正弦波に成形するためのものである。

フィルタ４４の詳しい回路構成の例を図２に示している。第１の三相側母線４１にはコイルＬ_1a，Ｌ_1bが挿入され、第２の三相側母線４２にはコイルＬ_2a，Ｌ_2bが挿入され、第３の三相側母線４３にはコイルＬ_3a，Ｌ_3bが挿入されている。また、第１・第２の三相側母線４１，４２間にはコンデンサＣ₁₂が接続され、第２・第３の三相側母線４２，４３間にはコンデンサＣ₂₃が接続され、第３・第１の三相側母線４３，４１間にはコンデンサＣ₃₁が接続されている。

上記のように単相交流を三相交流に電力変換するのに、変換器として三相インバータ５０を１つのみで行い、トランスも用いない方式を採用しているが、そのような方式を実現するための三相インバータ５０における第１ないし第３のスイッチングアーム５１，５２，５３に対するＰＷＭ制御の制御部６０を次のように構成している。

すなわち、制御部６０は、位相検出部６１と電圧制御演算部６２と電流制御演算部６３とスイッチング制御信号生成部６４とを備えているが、これらの各構成要素はそれぞれ次のように構成されている。

位相検出部６１は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop：位相同期ループ）回路における前段部分の位相比較器（ＰＦＤ）で処理される検出位相として、第１の単相側母線３１と第２の単相側母線３２との間の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）の位相θ₁₂（θ_VW）を検出するとともに、この線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）の位相θ₁₂（θ_VW）から演算によって非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の電圧Ｖ₃（Ｖ_U ）の位相θ₃(θ_U ）を求める機能を有している。

位相検出部６１は、例えば、
θ₃＝θ₁₂＋９０° つまり θ_U ＝θ_VW＋９０°
の演算に従って、直結の第１の三相側母線４１（Ｖ相）と直結の第２の三相側母線４２（Ｗ相）との間（Ｖ相Ｗ相間）の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）の位相θ₁₂（θ_VW）から非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の電圧Ｖ₃（Ｖ_U ）の位相θ₃(θ_U ）を求める機能を有している。位相θ₁₂（θ_VW）は電流制御演算部６３に送られ、位相θ₃(θ_U ）は電圧制御演算部６２に送られる。

上記の位相の演算において、本実施例では時計方向を位相の正方向としている。

電圧制御演算部６２は、非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）について、検出電圧値Ｖ₃（Ｖ_U ）を所定の大きさに維持するフィードバック制御部６２ａと、非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の電圧Ｖ₃（Ｖ_U ）に対する指令ベクトルＶ_α（第１の指令ベクトルＶ_αとする）を求めるための指令ベクトル演算部６２ｂとを備えている。

前記構成要素としてのフィードバック制御部６２ａは、図３に詳しく示すように、非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の検出電圧値Ｖ₃（Ｖ_U ）について実効値演算を行い、これと所定の目標電圧値との偏差をとり、その偏差が限りなく最小化するようにフィードバック制御を行い、その結果得られた情報を非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）に対する電圧ピーク指令値Ｖ_3ref（Ｖ_Uref）として後段の指令ベクトル演算部６２ｂへと送出する。

前記構成要素としての指令ベクトル演算部６２ｂは、位相検出部６１から非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の電圧Ｖ₃（Ｖ_U ）の位相θ₃(θ_U ）を受け取り、これに対して余弦関数演算（cos演算）を作用させて余弦関数cosθ₃（cosθ_U ）を生成するとともに、前段のフィードバック制御部６２ａから電圧ピーク指令値Ｖ_3ref（Ｖ_Uref）を受け取って、これに前記の余弦関数cosθ₃（cosθ_U ）を乗算して、非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の電圧Ｖ₃（Ｖ_U ）に対する指令ベクトルＶ_α（第１の指令ベクトル）つまり、
Ｖ_α＝Ｖ_3ref・cosθ₃ つまりＶ_α＝Ｖ_Uref・cosθ_U
を求める機能を有するものとして構成されている。第１の指令ベクトルＶ_αはスイッチング制御信号生成部６４に送られる。

電流制御演算部６３は、第１の単相側母線３１の単相電流ピーク指令値Ｉ_refを求めるための前段のフィードバック制御部６３ａと、単相電流指令ベクトルＩ_Krefを求めるための単相電流指令ベクトル演算部６３ｂと、直結の第１の三相側母線４１（Ｖ相）と第２の三相側母線４２（Ｗ相）との間の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）に対する指令ベクトルＶ_β（第２の指令ベクトルＶ_βとする）を求めるための後段のフィードバック制御部６３ｃとを備えている。

前記構成要素としての前段のフィードバック制御部６３ａは、図４に詳しく示すように、三相インバータ５０における直流側コンデンサ５４の両端電圧Ｅと所定の直流電圧指令値Ｅ_refとの偏差をとり、その偏差が限りなく最小化するようにフィードバック制御を行い、その結果得られた情報を単相電流ピーク指令値Ｉ_refとする。

前記構成要素としての単相電流指令ベクトル演算部６３ｂは、位相検出部６１から第１の単相側母線３１と第２の単相側母線３２との間の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）の位相θ₁₂（θ_VW）を受け取り、これに対して余弦関数演算（cos演算）を作用させて余弦関数cosθ₁₂（cosθ_VW）を生成するとともに、前段のフィードバック制御部６３ａから単相電流ピーク指令値Ｉ_refを受け取って、これに前記の余弦関数cosθ₁₂（cosθ_VW）を乗算して、単相電流指令ベクトルＩ_Krefを、
Ｉ_Kref＝Ｉ_ref・cosθ₁₂ つまりＩ_Kref＝Ｉ_ref・cosθ_VW
のように求め、後段のフィードバック制御部６３ｃへと送出する。

前記構成要素としての後段のフィードバック制御部６３ｃは、第１の単相側母線３１における単相電流検出ベクトルＩ_Kと単相電流指令ベクトル演算部６３ｂから受け取った単相電流指令ベクトルＩ_Krefとの偏差をとり、その偏差が限りなく最小化するようにフィードバック制御を行い、その結果として、直結の第１の三相側母線４１（Ｖ相）と第２の三相側母線４２（Ｗ相）間の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）に対する指令ベクトルＶ_β（第２の指令ベクトル）を求める機能を有している。第２の指令ベクトルＶ_βは、
Ｖ_β＝Ｖ₁₂・cosθ₁₂ つまりＶ_β＝Ｖ_VW・cosθ_VW
となる。第２の指令ベクトルＶ_βはスイッチング制御信号生成部６４に送られる。

この電流制御演算部６３での演算によって、結果的に、位相θ₁₂（θ_VW）の基礎である第１の単相側母線３１と第２の単相側母線３２との間の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）に対して、第１の単相側母線３１（あるいは第２の単相側母線３２でも同じ）における単相電流検出ベクトルＩ_Kを同相とし、力率を１に調整することになる。力率を１に調整すると、単相側母線間の線間電圧ベクトルの位相と単相電流ベクトルの位相とが同相に保たれるとともに、これら双方のベクトルの大きさの比が位相の変化にかかわらず常に一定値に保たれる。

したがって、第１の指令ベクトルＶ_αの位相に対する第２の指令ベクトルＶ_βの位相の相対的な関係は、非直結の第３の三相側母線４３（Ｕ相）の電圧Ｖ₃（Ｖ_U ）の位相θ₃(θ_U ）に対する直結の第１および第２の三相側母線４１，４２間（Ｖ相Ｗ相間）の線間電圧Ｖ₁₂（Ｖ_VW）の位相θ₁₂（θ_VW）の相対的な関係と等価なものになる。

スイッチング制御信号生成部６４は、上記で求めた第１の指令ベクトルＶ_αと第２の指令ベクトルＶ_βとに基づいて、第１、第２および第３の３つの三相側母線４１，４２，４３それぞれの出力電圧ベクトルが所定の大きさと位相をもつように、第１ないし第３のスイッチングアーム５１，５２，５３に対するスイッチング制御信号を生成出力する機能を有している。

すなわち、三相インバータ５０における第３のスイッチングアーム５３（Ｕ相）の交流入出力端子Ｎ３からの出力電圧ベクトルＶ_invUについて指令ベクトルＶ_αに一致するように制御し、併せて第１のスイッチングアーム５１（Ｖ相）の交流入出力端子Ｎ１からの出力電圧ベクトルＶ_invVおよび第２のスイッチングアーム５２（Ｗ相）の交流入出力端子Ｎ２からの出力電圧ベクトルＶ_invWについてそれぞれ第１の指令ベクトルＶ_αと第２の指令ベクトルＶ_βとから次の演算に従うように制御を行う（図５）。

Ｖ_invU＝Ｖ_α
Ｖ_invV＝－（１／２）Ｖ_α＋（√３／２）Ｖ_β
Ｖ_invW＝－（１／２）Ｖ_α－（√３／２）Ｖ_β
これらの３つのベクトル演算が同時的に成立するように、スイッチング制御信号生成部６４は、第１ないし第３のスイッチングアーム５１，５２，５３におけるハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ，Ｑ２ａ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ａ，Ｑ３ｂに対するＰＷＭ制御信号を生成して出力する機能を有している。なお、上記の数式において、「√３」の表記は「３の平方根」（square root 3）を意味している。

第１の指令ベクトルＶ_αは、
Ｖ_α＝Ｖ_3ref・cosθ₃ つまりＶ_α＝Ｖ_Uref・cosθ_U
となっている。第２の指令ベクトルＶ_βは、
Ｖ_β＝Ｖ₁₂・cosθ₁₂ つまりＶ_β＝Ｖ_VW・cosθ_VW
となっている。位相θ₃（θ_U ）と位相θ₁₂（θ_VW）の関係は、前述の通り、
θ₃＝θ₁₂＋９０° つまり θ_U ＝θ_VW＋９０°
となっている。

ベクトル図（複素数表示）を用いて第１の指令ベクトルＶ_αと第２の指令ベクトルＶ_βとの相対関係を表すと、図６（ａ）のようになる。横軸は実軸であり、縦軸は虚軸である。第２の指令ベクトルＶ_βの位相θ_βは第１の指令ベクトルＶ_αの位相θ_αよりも負方向（反時計方向）にずれている。そのずれ位相は９０°となる。

第１の指令ベクトルＶ_αを実軸に沿わせる正規化を行うと、図６（ｂ）のようになり、第２の指令ベクトルＶ_βは虚軸（上側）に沿う状態となる。

この状態において、上記の式、
Ｖ_invV＝－（１／２）Ｖ_α＋（√３／２）Ｖ_β
Ｖ_invW＝－（１／２）Ｖ_α－（√３／２）Ｖ_β
に従う第１のスイッチングアーム５１（Ｖ相）からの出力電圧ベクトルＶ_invVと第２のスイッチングアーム５２（Ｗ相）からの出力電圧ベクトルＶ_invWを描くと、図６（ｃ）のようになる。第３のスイッチングアーム５３（Ｕ相）からの出力電圧ベクトルはＶ_invU＝Ｖ_αである。

Ｖ相の出力電圧ベクトルＶ_invVもＷ相の出力電圧ベクトルＶ_invWもその大きさはＵ相の出力電圧ベクトルＶ_invUの大きさと同じになっている。Ｖ相の出力電圧ベクトルＶ_invVの位相θ_invVはＵ相の出力電圧ベクトルＶ_invUの位相θ_invUから１２０°の遅れをもち、Ｗ相の出力電圧ベクトルＶ_invWの位相θ_invWはＶ相の出力電圧ベクトルＶ_invVの位相θ_invVから１２０°の遅れをもっている（時計方向が位相の正方向）。

Ｗ相の出力電圧ベクトルＶ_invWのベクトル先端からＶ相の出力電圧ベクトルＶ_invVのベクトル先端を結ぶ線間電圧Ｖ_invVWのベクトルは虚軸に沿う第２の指令ベクトルＶ_βと平行であり、Ｕ相の出力電圧ベクトルＶ_invUのベクトルに対して垂直の関係となっている。線間電圧Ｖ_invVWのベクトルの大きさは第２の指令ベクトルＶ_βの√３倍である。

本実施例の方式を実験したシミュレーション結果を図７の波形図に示す。波形＃１は単相電圧（Ｖ_VW）の正弦波波形、波形＃２は単相電流（Ｉ_K）の正弦波波形、波形＃３はＵ相の出力電圧（Ｖ_invU）の正弦波波形、波形＃４はＶ相の出力電圧（Ｖ_invV）の正弦波波形、波形＃５はＷ相の出力電圧（Ｖ_invW）の正弦波波形である。

単相電圧（Ｖ_VW）の正弦波波形＃１と単相電流（Ｉ_K）の正弦波波形＃２とは力率１の同相となっている。Ｕ相の出力電圧（Ｖ_invU）の正弦波波形＃３、Ｖ相の出力電圧（Ｖ_invV）の正弦波波形＃４およびＷ相の出力電圧（Ｖ_invW）の正弦波波形＃５は互いに振幅が等しくかつ１２０°ずつの位相差を伴っている。

以上のように、本実施例によれば、三相インバータの必要個数を１つのみとしかつトランスは用いない簡単な構成で、単相交流を三相交流に高効率に変換することが可能となり、交流電力変換装置の小型化・低コスト化および高効率化を実現することができる。

本発明は、単相交流を三相交流に変換する交流電力変換装置に関して、小型化・低コスト化および高効率化を図る技術として有用である。

３０単相交流系統
３１第１の単相側母線
３２第２の単相側母線
４０三相交流系統
４１直結の第１の三相側母線（Ｖ相）
４２直結の第２の三相側母線〈Ｗ相〉
４３非直結の第３の三相側母線（Ｕ相）
５０三相インバータ
５１第１のスイッチングアーム
５２第２のスイッチングアーム
５３第３のスイッチングアーム
５４直流側コンデンサ
６０制御部
６１位相検出部
６２電圧制御演算部
６３電流制御演算部
６４スイッチング制御信号生成部
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３交流入出力端子

Claims

入力側の単相交流系統と出力側の三相交流系統との間に三相インバータが配され、
前記三相インバータは第１ないし第３のスイッチングアームと直流側コンデンサとが並列接続されて構成され、
前記三相交流系統の３つの三相側母線のうちの２つはそれぞれ、前記単相交流系統の第１、第２の２つの単相側母線に対して個別的に直結された第１および第２の三相側母線に構成され、
前記３つの三相側母線のうちの残りの１つは、前記２つの単相側母線とは直結されない非直結の第３の三相側母線に構成され、
前記第１の単相側母線および前記直結の第１の三相側母線は、前記第１のスイッチングアームの交流入出力端子に接続され、
前記第２の単相側母線および前記直結の第２の三相側母線は、前記第２のスイッチングアームの交流入出力端子に接続され、
前記非直結の第３の三相側母線は、前記第３のスイッチングアームの交流入出力端子に接続され、
前記第１ないし第３のスイッチングアームに対するスイッチング制御の制御部は、前記第１および第２のスイッチングアームに対して電流制御を行うとともに、前記第３のスイッチングアームに対して電圧制御を行うことを特徴とする交流電力変換装置。
前記制御部は、位相検出部と電圧制御演算部と電流制御演算部とスイッチング制御信号生成部とを備え、
前記位相検出部は、前記第１の単相側母線と前記第２の単相側母線との間の線間電圧の位相を検出する機能を有し、
前記電圧制御演算部は、前記非直結の第３の三相側母線の電圧に対する指令ベクトルを求める機能を有し、
前記電流制御演算部は、前記直結の第１と第２の三相側母線間の線間電圧に対する指令ベクトルを求める機能を有し、
前記スイッチング制御信号生成部は、前記第３の三相側母線の電圧に対する指令ベクトルと前記第１と第２の三相側母線間の線間電圧に対する指令ベクトルとに基づいて、前記第１、第２および第３の３つの三相側母線それぞれの出力電圧ベクトルが所定の大きさと位相をもつように、前記第１ないし第３のスイッチングアームに対するスイッチング制御信号を生成出力する機能を有している請求項１に記載の交流電力変換装置。
前記位相検出部は、前記第１の単相側母線と前記第２の単相側母線との間の線間電圧の位相から演算によって前記非直結の第３の三相側母線の電圧の位相を求め、
前記電圧制御演算部は、前記非直結の第３の三相側母線の検出電圧値と所定の目標電圧値との偏差を限りなく最小化するフィードバック制御によって前記非直結の第３の三相側母線に対する電圧ピーク指令値を求め、この電圧ピーク指令値と前記非直結の第３の三相側母線の電圧の位相から前記非直結の第３の三相側母線の電圧に対する指令ベクトルを求める機能を有し、
前記電流制御演算部は、前記直流側コンデンサの両端電圧を所定値に安定化させるフィードバック制御によって前記第１の単相側母線に対する単相電流ピーク指令値を求め、この単相電流ピーク指令値と前記線間電圧の位相から単相電流指令ベクトルを求め、前記第１または第２の単相側母線における単相電流検出ベクトルと前記単相電流指令ベクトルとの偏差を限りなく最小化するフィードバック制御を行って、前記直結の第１と第２の三相側母線間の線間電圧に対する指令ベクトルを求める機能を有している請求項２に記載の交流電力変換装置。