KR20150036263A

KR20150036263A - 매트릭스 컨버터

Info

Publication number: KR20150036263A
Application number: KR20157002433A
Authority: KR
Inventors: 요시야스 다카세; 히데노리 하라; 신야 모리모토
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2015-04-07
Also published as: US20150137779A1; JP5915751B2; WO2014020703A1; CN104428986A; JPWO2014020703A1

Abstract

실시예의 일 측면에 따른 매트릭스 컨버터는 교류 전원과 교류 부하 사이에 배치되는 복수의 쌍 방향 스위치와, 복수의 쌍 방향 스위치를 제어하는 제어부를 구비한다. 제어부는 교류 전원으로부터의 입력 전류 및/또는 입력 전압의 진동 성분에 기초해서, 출력 전압 지령을 보정한다.

Description

매트릭스 컨버터{MATRIX CONVERTER}

개시된 실시예는 매트릭스 컨버터에 관한 것이다.

종래, 전력 변환 장치로서, 교류 전원의 전력을 임의의 주파수·전압의 교류 전력으로 직접 변환하는 매트릭스 컨버터가 알려져 있다.

이러한 매트릭스 컨버터는 교류-직류 전력 변환기와 직류-교류 전력 변환기를 조합한 종래의 교류-교류 전력 변환 장치에 비해서, 큰 에너지 버퍼가 존재하지않는다.

이 때문에, 입력 전압에 왜곡이 있는 상태에서 매트릭스 컨버터를 동작시키면, 입력 전류나 출력 전압에 왜곡이 생긴다. 이러한 입력 전압의 왜곡에 관한 과제를 해결하는 기술로서, 입력 전류를 왜곡시키는 제어를 행함으로써, 출력 전압의 왜곡을 저감시키는 기술이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 공개 제 2005-269805호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 기술은, 왜곡이 있는 출력 전압이 전동기에 공급되면, 전동기에 트리클 리플(trickle ripple)이 생겨서 소음이 발생하는 것을 과제로 해서, 출력 전압의 왜곡을 저감하는 것으로 하고 있다.

그러나, 매트릭스 컨버터의 사용 용도로서, 전동기에 트리클 리플이 생기는 것보다, 입력 전류의 왜곡이 있는 것 쪽이 문제가 되는 용도가 있고, 이러한 용도에서는 출력 전압의 왜곡을 저감하는 것보다 입력 전류의 왜곡을 저감하는 쪽이 유효한 경우가 있다.

실시예의 1 측면은 상기를 감안해서 이루어진 것으로, 입력 전압의 왜곡에 기인한 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있는 매트릭스 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

실시예의 1 측면에 따른 매트릭스 컨버터는, 교류 전원과 교류 부하 사이에 배치되는 복수의 쌍 방향 스위치와, 상기 복수의 쌍 방향 스위치를 제어하여, 상기 교류 전원으로부터의 입력 전력을 직접 전력 변환하여 상기 교류 부하로 출력하는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는 출력 전압 지령 생성부와, 보정부와, 구동부를 갖는다. 상기 출력 전압 지령 생성부는 상기 교류 부하로의 출력 전압을 규정하는 출력 전압 지령을 생성한다. 상기 보정부는 상기 교류 전원으로부터의 입력 전류 및/또는 입력 전압의 진동 성분에 기초해서, 상기 출력 전압 지령을 보정한다. 상기 구동부는 상기 보정부에 의해 보정된 상기 출력 전압 지령에 기초해서 상기 복수의 쌍 방향 스위치를 제어한다.

실시예의 일 측면에 의하면, 입력 전압의 왜곡에 기인하는 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있는 매트릭스 컨버터를 제공할 수 있다.

도 1은 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터의 구성예를 나타내는 도면,
도 2는, 도 1에 나타내는 쌍 방향 스위치의 일례를 나타내는 도면,
도 3은 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면,
도 4는 실시예 2에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면,
도 5는 실시예 3에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면,
도 6은 실시예 4에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면,
도 7은 실시예 5에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조해서, 본원에 개시하는 매트릭스 컨버터의 실시예를 상세하게 설명한다. 한편, 이하에 나타내는 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1은 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터(1)는 입력 단자(Tr, Ts, Tt) 및 출력 단자(Tu, Tv, Tw)를 구비한다. 입력 단자(Tr, Ts, Tt)에 3상 교류 전원(2)의 각 상이 접속되고, 출력 단자(Tu, Tv, Tw)에 교류 부하(3)의 각 상이 접속된다.

매트릭스 컨버터(1)는 3상 교류 전원(2)으로부터 입력한 교류 전력을 소정의 전압 및 주파수의 교류 전력으로 직접 변환하여 교류 부하(3)로 출력한다. 3상 교류 전원(2)은 예컨대, 전력 계통의 전압을 변압해서 공급하는 전원 설비나 교류 발전기이고, 교류 부하(3)는 예컨대, 교류 전동기 등이다. 한편, 매트릭스 컨버터(1)는 3상 교류 전원(2)으로부터 교류 부하(3)로의 전력 변환에 더해서, 또한 교류 부하(3)측으로부터 3상 교류 전원(2)측으로의 전력 변환을 행할 수도 있다.

매트릭스 컨버터(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 전력 변환부(10)와, 입력 전압 검출부(11)와, 입력 필터(12)와, 입력 전류 검출부(13)와, 출력 전류 검출부(14)와, 제어부(20)를 구비한다.

전력 변환부(10)는 3상 교류 전원(2)의 각 상과 교류 부하(3)의 각 상을 각각 접속하는 복수의 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)를 구비한다. 쌍 방향 스위치(SW1~SW3)는 3상 교류 전원(2)의 R상, S상, T상과 교류 부하(3)의 U상을 각각 접속한다. 쌍 방향 스위치(SW4~SW6)는 3상 교류 전원(2)의 R상, S상, T상과 교류 부하(3)의 V상을 각각 접속한다. 쌍 방향 스위치(SW7~SW9)는 3상 교류 전원(2)의 R상, S상, T상과 교류 부하(3)의 W상을 각각 접속한다.

쌍 방향 스위치(SW1~SW9)는 예컨대, 도 2에 나타낸 바와 같이, 다이오드(D1, D2)와, 단일 방향의 스위칭 소자(Q1, Q2)에 의해 구성될 수 있다. 도 2는, 도 1에 나타내는 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)의 일례를 나타내는 도면이다. 스위칭 소자(Q1, Q2)로서, 예컨대 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 스위치가 이용된다.

이러한 반도체 스위치의 게이트에 신호를 입력해서 각 반도체 스위치를 ON/OFF함으로써 통전 방향이 제어된다. 한편, 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)는 도 2에 나타내는 구성으로 한정되는 것이 아니라, 예컨대 단일 방향의 스위칭 소자를 서로 역 방향으로 병렬 접속한 구성이어도 된다.

입력 전압 검출부(11)는 3상 교류 전원(2)으로부터 매트릭스 컨버터(1)로 입력되는 전압(이하, 입력 전압이라 함)을 검출한다. 구체적으로는 입력 전압 검출부(11)는 3상 교류 전원(2)의 각 상 전압의 순시값(Vr, Vs, Vt)(이하, 입력 전압값(Vr, Vs, Vt)이라고 함)을 검출한다. 한편, 입력 전압 검출부(11)는 도 1에 나타내는 것으로 한정되는 것이 아니라, 입력상 중 2상분의 선간 전압의 값을 검출하고, 이러한 선간 전압의 값에 기초해서 입력 전압값(Vr, Vs, Vt)을 산출하는 구성으로 해서 입력 전압을 검출하도록 해도 된다.

입력 필터(12)는 리액터부(12a)와 캐패시터부(12b)를 구비하고, 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)의 스위칭에 기인한 고조파를 제거한다. 리액터부(12a)는 3상 교류 전원(2)의 R상, S상, T상 각각과 전력 변환부(10) 사이에 마련되는 3개의 리액터를 갖는다. 또한, 캐패시터부(12b)는 R상과 S상 사이, S상과 T상 사이 및 T상과 R상 사이에 각각 배치되는 3개의 콘덴서를 갖는다. 한편, 도 1에 나타내는 예에서는 캐패시터부(12b)는 델타 결선 구성이지만, 스타 결선 구성이어도 된다. 즉, 캐패시터부(12b)는 R상, S 상 및 T상과 중성점 사이에 각각 콘덴서를 접속한 구성이어도 된다.

입력 전류 검출부(13)는 입력 필터(12)와 전력 변환부(10) 사이에 흐르는 전류를 검출한다. 구체적으로는 입력 전류 검출부(13)는 3상 교류 전원(2)의 R상, S상, T상 각각과 전력 변환부(10) 사이에 흐르는 전류의 순시값(Ir, Is, It)(이하, 입력 전류값(Ir, Is, It)이라고 함)을 검출한다. 한편, 입력 전류 검출부(13)는 예컨대, 자전 변환 소자인 홀 소자를 이용해서 전류를 검출하는 전류 센서이다.

출력 전류 검출부(14)는 전력 변환부(10)와 교류 부하(3) 사이에 흐르는 전류를 검출한다. 구체적으로는 출력 전류 검출부(14)는 전력 변환부(10)와 교류 부하(3)의 U상, V상, W상 각각 사이에 흐르는 전류의 순시값(Iu, Iv, Iw)(이하, 출력 전류값(Iu, Iv, Iw)이라 함)을 검출한다. 한편, 출력 전류 검출부(14)는 예컨대, 자전 변환 소자인 홀 소자를 이용해서 전류를 검출하는 전류 센서이다.

제어부(20)는 출력 전압 지령 생성부(31)와, 보정부(32)와, 스위치 구동부(33)와, 입력 전압 위상 검출부(22)를 구비한다. 이러한 제어부(20)는 입력 전압 검출부(11), 입력 전류 검출부(13) 및 출력 전류 검출부(14) 각각의 검출 결과에 기초해서 구동 신호(S1~S9)를 생성해서, 전력 변환부(10)의 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)를 제어한다. 구동 신호(S1~S9)는 예컨대, PWM 신호이다.

출력 전압 지령 생성부(31)는 교류 부하(3)로의 출력 전류를 규정하는 출력 전류 지령(I^*)과, 출력 전류 검출부(14)에 의해 검출된 출력 전류값(Iu, Iv, Iw)에 기초해서, 교류 부하(3)로의 출력 전압을 규정하는 출력 전압 지령(V^*)을 생성해서 보정부(32)로 출력한다.

보정부(32)는 입력 전류 검출부(13)에 의해 검출된 입력 전류값(Ir, Is, It)에 기초해서, 입력 전류의 진동 성분을 추출한 후, 이러한 입력 전류의 진동 성분의 값에 소정의 계수를 승산함으로써 출력 전력 보정값(ΔP^*)을 산출한다. 보정부(32)는 이러한 출력 전력 보정값(ΔP^*)을 출력 전류 지령(I^*)으로 제산함으로써, 전압 보정값(ΔV^*)을 산출한다. 그리고, 보정부(32)는 출력 전압 지령 생성부(31)로부터 출력되는 출력 전압 지령(V^*)에 전압 보정값(ΔV^*)을 가산함으로써 출력 전압 지령(V1^*)을 구한다.

보정부(32)에 의한 보정 결과인 출력 전압 지령(V1^*)은 스위치 구동부(33)로 출력된다. 출력 전압 지령(V1^*)은 출력 전압 지령(V^*)에 대해 전압 보정값(ΔV^*)가 가산된 것으로, 입력 전압의 진동 성분에 따른 전압이 중첩된 출력 전압이 전력 변환부(10)로부터 출력된다.

이러한 구성에 의해, 본 실시예에 따른 매트릭스 컨버터(1)는 입력 전압에 왜곡이 있는 경우에도, 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있다. 이하, 이러한 입력 전류 왜곡의 저감에 대해서 더 설명한다.

입력 전압의 왜곡은 입력 전압의 기본파 성분에 진동 성분이 중첩됨으로써 발생한다. 이러한 입력 전압의 왜곡의 원인으로서는 예컨대, 3상 교류 전원(2)의 품질 조악(inferiority), 또는 전원 임피던스가 크기 때문에 생기는 5차 고조파나 7차 고조파의 중첩 등이 생각된다.

입력 전압에 왜곡이 있는 경우에도, 제어부(20)는 예컨대, 벡터 제어를 이용함으로써 출력 전압 및 출력 전류의 파형을 정현파로 유지하는 것이 가능하고, 이 경우, 출력 유효 전력 Po는 일정하다.

매트릭스 컨버터(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 콘덴서 등의 큰 에너지 버퍼가 없다는 점에서, 입출력의 유효 전력은 같다고 간주할 수 있다. 그리고, 입력 유효 전력 P_i, 출력 유효 전력 P_o, 입력 무효 전력 Q_i 및 출력 무효 전력 Q_o은 다음 식 (1)에 의해서 표현할 수 있다.

한편, 첨자 'd', 'q'는 입력측에 관해서는 입력 전압의 기본파 주파수에 동기해서 회전하는 dq축 직교 좌표계에서의 d축 성분과 q축 성분을 나타낸다. 나아가 이 입력측의 dq축 직교 좌표계에서는 입력 전압의 기본파에 대해서는 항상 Vd_i=0이 성립되는 것으로 한다. 출력측에 관해서는 제어부(20)에 의해 지령되어서, 전력 변환부(10)로부터 출력되는 출력 전압의 기본파 주파수에 동기해서 회전하는 dq축 직교 좌표계에서의 d축 성분과 q축 성분을 나타낸다. 또한, 첨자 'i'는 입력측의 변수를 나타내고, 첨자 'o'는 출력측의 변수를 나타낸다.

일반적으로 제어부(20)는 입력 전압의 기본파에 대한 역율이 지령값에 일치하도록 제어하고 있으며, 입력측의 d축 성분 및 q축 성분에 관해서는 다음 식(2)이 성립된다. 이것은 입력 전압이 왜곡되어 있는 경우에도 마찬가지이다.

입력 전류의 진폭값 Ia는 다음 식 (3)으로 구할 수 있다. 출력측은 통상 입력 전압의 순시값 검출 결과에 기초하는 전압 출력, 전류 제어 기능 등에 의해, 출력 전압 파형, 출력 전류 파형도 고조파가 작은 정현파상으로 유지되기 때문에, 출력 유효 전력 P_o는 일정하게 유지되어 있고, 입력 유효 전력 P_i도 일정하게 되어 있다. 이 때 입력 전압 Vq_i에 왜곡이 있으면, 입력 유효 전력 P_i를 일정하게 유지하기 위해서, 입력 전압 Vq_i의 왜곡에 따라 입력 전류가 왜곡된다. 보다 구체적으로는 제어부(20)에 의해 상기 식 (2)는 성립되지만, 입력 전류의 진폭값 Ia가 일정하지 않게 된다.

따라서, 진동 성분을 출력 전압에 중첩시켜서 출력 유효 전력 P_o를 진동시킴으로써 입력 유효 전력 P_i를 진동시키면, 입력 전류의 왜곡을 저감할 가능성이 생긴다는 것을 알 수 있다.

그래서, 제어부(20)는 상술한 바와 같이, 입력 전류의 진동 성분으로부터 입력 전력의 진동 성분에 따른 전압 보정값(ΔV^*)을 구하고, 이러한 전압 보정값(ΔV^*)이 가산된 출력 전압을 전력 변환부(10)로부터 출력시켜서, 입력 전력의 진동 성분에 따른 진동 성분을 출력 전력에 더하고 있다. 이로써, 제어부(20)는 출력 전압에 왜곡을 발생시켜서 입력 전류의 왜곡을 저감하고 있다.

이와 같이, 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터(1)에서는, 입력 전압의 진동 성분에 따른 진동 성분을 중첩한 출력 전압을 전력 변환부(10)로부터 출력시킴으로써 입력 전류의 왜곡을 저감하도록 하고 있다.

이하, 제어부(20)의 구성에 대해서, 도면을 이용해서 더 구체적으로 설명한다. 도 3은 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터(1)의 제어부(20)의 구성예를 나타내는 도면이다. 한편, 이하에 있어서는 교류 부하(3)가 교류 전동기인 경우의 예를 설명하지만, 교류 부하(3)는 전동기로 한정되는 것이 아니다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 매트릭스 컨버터(1)의 제어부(20)는 입력 전압 위상 검출부(22)와, 출력 주파수 지령부(24)와, 적분기(26)와, 출력 전류 지령 생성부(30)와, 출력 전압 지령 생성부(31)와, 보정부(32)와, 스위치 구동부(33)를 구비한다.

입력 전압 위상 검출부(22)는 입력 전압 검출부(11)가 검출한 입력 전압값(Vr, Vs, Vt)에 기초해서, 입력 전압 위상(θ_i)을 연산한다. 이러한 입력 전압 위상 검출부(22)는 예컨대 PLL(Phase Locked Loop)를 갖고 있다. 이 PLL에 내장되는 루프 게인을 작게 함으로써 입력 전압 위상 검출부(22)가 출력하는 입력 전압 위상 θ_i의, 입력 전압 변동에 대한 감도를 작게 할 수 있다. 이로써, 입력 전압 위상 검출부가 출력하는 입력 전압 위상 θ_i는 거의 입력 전압의 기본파의 위상과 같아진다.

출력 주파수 지령부(24)는 출력 전압의 주파수 지령인 출력 주파수 지령을 결정한다. 예컨대, 교류 부하(3)가 동기 전동기의 경우, 출력 주파수 지령부(24)는 속도 지령을 주파수 환산한 것을 출력 주파수 지령으로 해서, 교류 부하(3)가 유도 전동기인 경우, 출력 주파수 지령부(24)는 공지된 유도 전동기의 벡터 제어측에 의해 출력 주파수 지령을 결정한다.

적분기(26)는 출력 주파수 지령부(24)가 출력하는 출력 주파수 지령을 적분함으로써, 출력 주파수 지령을 출력 위상 지령(θ^*)으로 변환한다.

출력 전류 지령 생성부(30)는 q축 전류 지령(Iq^*) 및 d축 전류 지령(Id^*)을 생성한다. q축 전류 지령(Iq^*)은 출력 전류 지령(I^*)의 q축 성분이고, d축 전류 지령(Id^*)은 출력 전류 지령(I^*)의 d축 성분이다. 이러한 출력 전류 지령(I^*)은 교류 부하(3)가 교류 전동기인 경우에는 예컨대, 속도 지령이나 토크 지령, 나아가 여자 지령 등에 기초해서 생성된다.

출력 전압 지령 생성부(31)는 출력 전류 지령 생성부(30)로부터 출력되는 q축 전류 지령(Iq^*) 및 d축 전류 지령(Id^*)에 기초해서, q축 전압 지령(Vq^*) 및 d축 전압 지령(Vd^*)을 생성한다. q축 전압 지령(Vq^*)은 출력 전압 지령(V^*)의 q축 성분이며, d축 전압 지령(Vd^*)은 출력 전압 지령(V^*)의 d축 성분이다.

이러한 출력 전압 지령 생성부(31)는 3상/2상 변환기(41)와, dq 좌표 변환기(42)와, q축 전류 편차 연산기(43)와, d축 전류 편차 연산기(44)와, q축 전류 조정기(45)와, d축 전류 조정기(46)를 구비한다.

3상/2상 변환기(41)는 출력 전류값(Iu, Iv, Iw)을 고정 좌표 상의 직교하는 2축의 αβ 성분으로 변환해서, α축 방향의 전류값(Iα)과 β축 방향의 전류값(Iβ)을 벡터 성분으로 하는 고정 좌표 전류 벡터(Iαβ)를 구한다.

dq 좌표 변환기(42)는 적분기(26)가 출력하는 출력 위상 지령(θ^*)을 이용해서, 상술한 출력 전압 지령의 주파수에 동기해서 회전하는 2축 직교 좌표계인 d-q 좌표계의 dq 성분으로 고정 좌표 전류 벡터(Iαβ)를 변환한다. 이로써, dq 좌표 변환기(42)는 q축 방향의 전류값인 q축 전류값(Iq)과 d축 방향의 전류값인 d축 전류값(Id)을 벡터 성분으로 하는 회전 좌표계 전류 벡터(Idq)(Id, Iq)를 구한다.

q축 전류 편차 연산기(43)는 q축 전류 지령(Iq^*)과 q축 전류값(Iq)의 편차인 q축 전류 편차를 연산해서 q축 전류 조정기(45)로 출력한다. q축 전류 조정기(45)는 예컨대, 비례 적분 제어(이하, PI 제어라고 함)를 행함으로써, q축 전류 지령(Iq^*)과 q축 전류값(Iq)의 편차를 제로로 하도록 q축 전압 지령(Vq^*)을 조정해서, 보정부(32)로 출력한다.

d축 전류 편차 연산기(44)는 d축 전류 지령(Id^*)과 d축 전류값(Id)의 편차인 d축 전류 편차를 연산해서 d축 전류 조정기(46)로 출력한다. d축 전류 조정기(46)는 예컨대, PI를 제어함으로써, d축 전류 지령(Id^*)과 d축 전류값(Id)의 편차를 제로로 하도록 d축 전압 지령(Vd^*)을 조정하여 스위치 구동부(33)로 출력한다.

한편, 출력 전압 지령 생성부(31)는 또한, 도시하지 않는 비간섭 연산기를 구비해도 된다. 이 비간섭 연산기는 출력 주파수 지령부(24)로부터 출력 주파수 지령을 취득하고, q축 전류 조정기(45)의 출력으로부터, 출력 주파수 지령과 d축 전류 지령(Id^*) 또는 d축 전류값(Id)의 곱에 비례하는 전압을 감산해서, q축 전압 지령(Vq^*)으로 한다. 나아가 비간섭 연산기는 d축 전류 조정기(46)의 출력에, 출력 주파수 지령과 q축 전류 지령(Iq^*) 또는 q축 전류값(Iq)의 곱에 비례하는 전압을 가산해서, d축 전압 지령(Vd^*)으로 한다.

다음으로 보정부(32)에 대해서 설명한다. 보정부(32)는 로우패스 필터(LPF)(51)와, 3상/2상 변환기(52)와, 전류 진폭 검출기(53)와, 하이패스 필터(HPF)(54)와, 승산기(55)와, 제산기(56)와, 가산기(57)를 구비한다. 한편, LPF(51), 3상/2상 변환기(52), 전류 진폭 검출기(53), HPF(54) 및 승산기(55)는 제 1 연산기의 일례에 상당하고, 제산기(56)는 제 2 연산기의 일례에 상당한다.

LPF(51)는 입력 전류값(Ir, Is, It)으로부터 전력 변환부(10)의 스위칭에 따르는 고주파 성분을 제거한다.

3상/2상 변환기(52)는 LPF(51)에 의해 고주파 성분이 제거된 입력 전류값(Ir, Is, It)을 고정 좌표상의 직교하는 2축의 αβ 성분으로 변환해서, α축 방향의 전류값(Iα1)과 β축 방향의 전류값(Iβ1)를 구한다.

전류 진폭 검출기(53)는 전류값(Iα1)과 전류값(Iβ1)으로부터, 다음 식(4)에 의한 연산을 행함으로써 입력 전류의 진폭값(Ia)을 검출한다.

HPF(54)는 전류 진폭 검출기(53)로부터 출력되는 입력 전류의 진폭값(Ia)으로부터 입력 전류의 기본파 성분을 제거해서, 입력 전류의 진동 성분(ΔIa)을 추출한다. 승산기(55)는 HPF(54)에 의해 추출된 입력 전류의 진동 성분(ΔIa)에 계수(K1)를 승산하고, 출력 전력 보정값(ΔP)을 구한다. 한편, 계수(K1)는 매트릭스 컨버터(1)의 사용 용도나 설치 환경에 따른 값으로 외부로부터 설정 가능하고, 예컨대 출력 전력 보정값(ΔP)이 입력 전력의 진동 성분과 대략 일치하도록 설정하거나, 출력 전력 보정값(ΔP)이 입력 전력의 진동 성분의 소정 비율(예컨대, 50%)이 되도록 계수(K1)를 설정할 수도 있다.

여기서, LPF(51)의 컷오프 주파수(f_LPF)와 HPF(54)의 컷오프 주파수(f_HPF)는 f_LPF>f_HPF인 관계를 만족시키도록 결정된다. 이로써, HPF(54)의 출력으로서, 전력 변환부(10)의 스위칭에 의한 고주파 성분이 제거된, 입력 전압의 왜곡에 기인하는 고주파 성분만을 얻을 수 있다.

승산기(55)에 의해서 연산된 출력 전력 보정값(ΔP)은 제산기(56)에 입력된다. 제산기(56)는 출력 전력 보정값(ΔP)을 출력 전류 지령 생성부(30)로부터 출력되는 q축 전류 지령(Iq^*)에 의해 제산되어, 전압 보정값(ΔV^*=ΔP/Iq^*)을 산출한다.

가산기(57)는 출력 전압 지령 생성부(31)로부터 출력되는 q축 전압 지령(Vq^*)에, 제산기(56)로부터 출력되는 전압 보정값(ΔV^*)을 가산해서, q축 전압 지령(Vq1^*)을 산출한다. 가산기(57)는 q축 전압 지령(Vq1^*)을 스위치 구동부(33)로 출력한다.

스위치 구동부(33)는 보정부(32)로부터 출력되는 q축 전압 지령(Vq1^*) 및 출력 전압 지령 생성부(31)로부터 출력되는 d축 전압 지령(Vd^*)에 기초해서, 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)를 구동하는 구동 신호(S1~S9)를 생성한다.

예컨대, 스위치 구동부(33)는 q축 전압 지령(Vq1^*)과 d축 전압 지령(Vd^*)에 기초해서, 예컨대 이하의 식 (5)로부터 출력 전압 지령(V1^*) 및 출력 전압 위상 지령(θa^*)을 구한다. 또한, 스위치 구동부(33)는 출력 전압 위상 지령(θa^*)에 적분기(26)의 출력인 출력 위상 지령(θ^*)을 가산해서 위상(θp)을 구한다.

그리고, 스위치 구동부(33)는 출력 전압 지령(V1^*)와 위상(θp)에 기초해서, 예컨대 이하의 식 (6)으부터, 3상 교류 전압 지령, 즉 교류 부하(3)의 각 상에 대한 출력 전압 지령(Vu^*, Vv^*, Vw^*)을 구한다.

스위치 구동부(33)는 출력 전압 지령(Vu^*, Vv^*, Vw^*)과, 입력 전압값(Vr, Vs, Vt), 입력 전압 위상(θi)에 기초해서, 예컨대 공지된 매트릭스 컨버터의 펄스폭 변조 방법에 의해, 전력 변환부(10)의 각 쌍 방향 스위치(SW1~SW9)를 제어하는 구동 신호(S1~S9)를 생성해서 출력한다. 이로써, 전력 변환부(10)로부터 출력 전압 지령(Vu^*, Vv^*, Vw^*)에 따른 3상 교류 전압이 출력되고, 나아가 입력 전류의 위상은 입력 전압 위상(θi)에 대해서 일정한 위상차를 갖도록 제어되어, 입력측의 역율은 일정한 값이 된다.

이러한 출력 전압 지령(Vu^*, Vv^*, Vw^*)은 입력 전력의 진동 성분에 따른 출력보정값이 가산되어 있다는 점에서, 전력 변환부(10)로부터의 출력 전압에는 입력 전력의 진동 성분에 따른 진동 성분이 중첩되고, 출력 유효 전력(P_o)이 변동된다.

상술한 바와 같이, 입력 유효 전력(P_i)과 출력 유효 전력(P_o)은 같다(상기 식 (1) 참조)는 점에서, 입력 전압의 진동 성분에 따른 진동 성분이 출력 유효 전력(P_o)에 발생한 경우, 입력 유효 전력(P_i)에도 마찬가지로 진동 성분이 발생한다. 이 입력 유효 전력(P_i)의 진동 성분은 입력 전압의 진동 성분에 대응하는 것이기 때문에, 입력 전류의 왜곡이 저감된다. 따라서, 계수(K1)를, 출력 전력의 진동 성분이 입력 전압의 진동 성분과 대략 일치하도록 설정함으로써, 입력 전류를 대략 정현파로 유지하는 것이 가능하다.

(실시예 2)

다음으로 실시예 2에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부에 대해서 설명한다. 실시예 1에 따른 제어부(20)에서는, q축 전압 지령(Vq^*)에 대해 전압 보정값(ΔV^*)을 가산하는 것으로 했지만, 실시예 2에 따른 제어부에서는 d축 전압 지령(Vd^*)에 대해 전압 보정값(ΔV^*)을 가산한다. 한편, 이하에 있어서는 실시예 1과 다른 부분을 주로 설명하고, 공통되는 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고 적절하게 설명을 생략한다.

도 4는 실시예 2에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다. 실시예 2에 따른 매트릭스 컨버터(1A)의 제어부(20A)에서는 보정부(32A)에 의해 전압 보정값(ΔV^*)에 의한 d축 전압 지령(Vd^*)의 보정이 행해진다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 보정부(32A)는 LPF(51)과, 3상/2상 변환기(52)와, 전류 진폭 검출기(53)와, HPF(54)와, 승산기(55)와, 제산기(56A)와, 가산기(57A)를 구비한다. LPF(51), 3상/2상 변환기(52), 전류 진폭 검출기(53), HPF(54) 및 승산기(55)는 보정부(32)의 경우와 마찬가지의 구성이다.

제산기(56A)는 출력 전력 보정값(ΔP)을, 출력 전류 지령 생성부(30)로부터 출력되는 d축 전류 지령(Id^*)에 의해 제산하고, 전압 보정값(ΔV^*=ΔP/Id^*)을 산출한다.

가산기(57A)는 출력 전압 지령 생성부(31)로부터 출력되는 d축 전압 지령(Vd^*)에, 제산기(56A)로부터 출력되는 전압 보정값(ΔV^*)을 가산하여, d축 전압 지령(Vd1^*)을 산출한다. 그리고, 가산기(57A)는 d축 전압 지령(Vd1^*)을 스위치 구동부(33)로 출력한다. 스위치 구동부(33)는 이러한 d축 전압 지령(Vd1^*) 및 q축 전압 지령(Vq^*)에 기초해서, 구동 신호(S1~S9)를 생성한다.

출력 전압의 q축 성분을 보정하는 대신, 출력 전압의 d축 성분을 보정하는 것으로도, 입력 전압의 진동 성분에 따른 진동 성분을 출력 전압에 중첩될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

따라서, 실시예 2에 따른 매트릭스 컨버터(1A)에서도, 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터(1)와 마찬가지로, 입력 전압에 왜곡이 있는 경우에도, 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있다.

(실시예 3)

다음으로 실시예 3에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부에 대해서 설명한다. 실시예 1 및 2에 따른 제어부(20, 20A)에서는 입력 전류의 진동 성분에 따른 전압 보정값(ΔV^*)을 산출하는 것으로 했지만, 실시예 3에 따른 제어부에서는 입력 전압의 진동 성분에 따른 전압 보정값을 산출한다. 한편, 이하에 있어서는 실시예 1 및 2와 다른 부분을 주로 설명하고, 공통하는 부분에 관해서는 동일 부호를 붙이고 적절하게 설명을 생략한다.

도 5는 실시예 3에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다. 실시예 3에 따른 매트릭스 컨버터(1B)의 제어부(20B)에서는 보정부(32B)에 의해 입력 전압의 진동 성분에 따른 전압 보정값의 생성이 행해진다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 보정부(32B)는 LPF(51B)와, 3상/2상 변환기(52B)와, 전압 진폭 검출기(53B)와, HPF(54B)와, 승산기(55B)와, 제산기(56)와, 가산기(57)와, 어드밴스 필터(58)를 구비한다.

LPF(51B)는 입력 전압값(Vr, Vs, Vt)으로부터 전력 변환부(10)의 스위칭에 따른 고주파 성분을 제거한다.

3상/2상 변환기(52B)는 LPF(51B)에 의해 고주파 성분이 제거된 입력 전압값(Vr, Vs, Vt)을 고정 좌표 상의 직교하는 2축의 αβ 성분으로 변환해서, α축 방향의 전압값(Vα)과 β축 방향의 전압값(Vβ)을 구한다.

전압 진폭 검출기(53B)는 전압값(Vα)과 전압값(Vβ)으로부터 다음 식 (7)에 의한 연산을 행함으로써 입력 전압의 진폭값(Va)을 검출한다.

HPF(54B)는 전압 진폭 검출기(53B)로부터 출력되는 입력 전압의 진폭값(Va)로부터 입력 전압의 기본파 성분을 제거하여, 입력 전압의 진동 성분(ΔVa)을 추출한다. 어드밴스 필터(58)는 HPF(54B)에 의해 추출된 입력 전압의 진동 성분(ΔVa)의 위상을 90도 어드밴스해서 승산기(55B)로 출력한다. 입력 전압의 진동 성분(ΔVa)의 위상을 90도 어드밴스함으로써, 입력 전압의 진동 성분(ΔVa)이 입력 전류의 진동 성분에 따른 값으로 변환된다.

승산기(55B)는 어드밴스 필터(58)에 의해 위상이 90도 어드밴스된 입력 전압의 진동 성분(ΔVa)에 계수(K2)를 승산해서 출력 전력 보정값(ΔP)을 구한다. 계수(K2)는 예컨대, 출력 전력 보정값(ΔP)이 입력 전력의 진동 성분과 대략 일치하도록 설정된다. 한편, 계수(K2)는 매트릭스 컨버터(1B)의 사용 용도나 설치 환경에 따른 값으로 외부로부터 설정 가능하고, 출력 전력 보정값(ΔP)이 입력 전력의 진동 성분의 소정 비율(예컨대, 50%)이 되도록 계수(K2)를 설정할 수도 있다.

승산기(55B)에 의해 연산된 출력 전력 보정값(ΔP)은 제산기(56)에 입력된다. 제산기(56)는 출력 전력 보정값(ΔP)을, 출력 전류 지령 생성부(30)로부터 출력되는 q축 전류 지령(Iq^*)에 의해 제산해서, 전압 보정값(ΔV^*=ΔP/Iq^*)을 산출한다.

이와 같이, 실시예 3에 따른 매트릭스 컨버터(1B)에서는 입력 전압의 진동 성분에 기초해서 출력 전력 보정값(ΔP)을 산출하고, 이러한 출력 전력 보정값(ΔP)으로부터 전압 보정값(ΔV^*)을 산출한다.

따라서, 실시예 3에 따른 매트릭스 컨버터(1B)에서는 실시예 1에 따른 매트릭스 컨버터(1)와 마찬가지로, 입력 전압에 왜곡이 있는 경우에도, 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있다. 예컨대, 계수(K2)를, 출력 전력 보정값(ΔP)을 입력 전력의 진동 성분과 대략 일치하도록 설정함으로써, 입력 전류를 대략 정현파로 유지하는 것이 가능하다.

한편, 상술한 구성에서는 q축 전압 지령(Vq^*)에 대해 전압 보정값(ΔV^*)을 가산하는 것으로 했지만, 실시예 2에 따른 매트릭스 컨버터(1A)와 마찬가지로, d축 전압 지령(Vd^*)에 대해 전압 보정값(ΔV^*)을 가산하도록 해도 된다.

(실시예 4)

다음으로 실시예 4에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부에 대해서 설명한다. 실시예 1~3에 따른 제어부(20, 20A, 20B)에서는 입력 전류 또는 입력 전압의 진동 성분에 따른 전압 보정값(ΔV^*)을 산출하는 것으로 했다. 한편, 실시예 4에 따른 제어부에서는 입력 전류의 진동 성분 및 입력 전압의 진동 성분에 따른 전압 보정값(ΔV^*)을 산출한다. 이하에서는 실시예 1과 다른 부분을 주로 설명하고, 공통하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 적절하게 설명을 생략한다.

도 6은 실시예 4에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다. 실시예 4에 따른 매트릭스 컨버터(1C)의 제어부(20C)에서는 보정부(32C)에 의해서 입력 전류의 진동 성분 및 입력 전압의 진동 성분에 따른 전압 보정값의 생성이 행해진다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 보정부(32C)는 LPF(51, 51B)와, 3상/2상 변환기(52, 52B)와, 전류 진폭 검출기(53)와, 전압 진폭 검출기(53B)와, HPF(54, 54B)와, 승산기(59, 55C)와, 제산기(56)와, 가산기(57)를 구비한다.

보정부(32C)에서는 LPF(51), 3상/2상 변환기(52), 전류 진폭 검출기(53) 및 HPF(54)에 의해서 입력 전류의 진폭이 추출되고, LPF(51B), 3상/2상 변환기(52B), 전압 진폭 검출기(53B) 및 HPF(54B)에 의해 입력 전압의 진폭이 추출된다. 한편, HPF(54, 54B)의 컷오프 주파수를 서로 동일하게 함으로써 보정부(32C)에서의 전압보정값(ΔV)의 생성을 정밀도 좋게 행할 수 있다.

승산기(59)는 HPF(54)에 의해 추출된 입력 전류의 진동 성분과, HFP(54B)에 의해 추출된 입력 전압의 진동 성분을 곱셈한다. 이로써, 입력 전력의 진동 성분을 추출할 수 있다.

승산기(55C)는 승산기(59)에 의한 승산 결과에 계수(K3)를 승산한다. 계수(K3)는 매트릭스 컨버터(1C)의 사용 용도나 설치 환경에 따른 값으로 외부로부터 설정 가능하고, 예컨대 출력 전력 보정값(ΔP)을 입력 전력의 진동 성분과 대략 일치시키는 경우에는 예컨대, 계수(K3)를 '1'로 설정한다. 또한, 출력 전력 보정값(ΔP)를 입력 전력의 진동 성분의 소정 비율(예컨대, 50%)로 하는 경우에는 그 비율에 따른 값을 계수(K3)로 설정한다.

제산기(56)는 출력 전력 보정값(ΔP)을, 출력 전류 지령 생성부(30)로부터 출력되는 q축 전류 지령(Iq^*)에 의해 제산해서, 전압 보정값(ΔV^*=ΔP/Iq^*)을 산출한다. 가산기(57)는 출력 전압 지령 생성부(31)로부터 출력되는 q축 전압 지령(Vq^*)에, 제산기(56)로부터 출력되는 전압 보정값(ΔV^*)을 가산해서, q축 전압 지령(Vq1^*)을 산출한다. 가산기(57)는 q축 전압 지령(Vq1^*)을 스위치 구동부(33)로 출력한다.

이와 같이, 실시예 4에 따른 매트릭스 컨버터(1C)에서는 입력 전류의 진동 성분 및 입력 전압의 진동 성분에 따른 출력 전력 보정값(ΔP)을 산출하고, 이러한 출력 전력 보정값(ΔP)으로부터 전압 보정값(ΔV^*)을 산출한다. 따라서, 매트릭스 컨버터(1C)는 매트릭스 컨버터(1, 1A, 1B)와 마찬가지로, 입력 전압의 진동 성분에 따른 진동 성분을 출력 전압에 중첩할 수 있으며, 이로써 입력 전압에 왜곡이 있는 경우에도, 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있다. 예컨대, 계수(K3)를 '1'로 설정함으로써, 입력 전류를 대략 정현파로 유지하는 것이 가능하다.

(실시예 5)

다음으로 실시예 5에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부에 대해서 설명한다. 실시예 1~4에 따른 제어부(20, 20A~20C)에서는 승산기(55, 55B, 55C)에서, 계수(K1~K3)를 외부로부터 설정 가능하게 했다. 한편, 실시예 5에 따른 제어부에서는 입력 전류의 진동 성분의 지령값을 설정 가능하게 하고 있다. 한편, 이하에서는 실시예 1과 다른 부분을 주로 설명하고, 공통하는 부분에 관해서는 동일 부호를 붙여 적절하게 설명을 생략한다.

도 7은 실시예 5에 따른 매트릭스 컨버터의 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다. 실시예 5에 따른 매트릭스 컨버터(1D)의 제어부(20D)에서는 보정부(32D)에 의해 승산기(55D)의 계수(K4)를 조정 가능하게 하고 있다.

구체적으로는 보정부(32D)는 실시예 1에 따른 보정부(32)의 구성에 더해서, 절대값 연산기(70)와, 이동 평균 연산기(71)와, 감산기(72)와, PI 제어기(73)를 구비한다. 절대값 연산기(70)는 HPF(54)에 의해서 추출된 입력 전류의 진동 성분(ΔIa)의 절대값 |ΔIa|을 산출한다. 이동 평균 연산기(71)는 절대값 연산기(70)에 연산 결과인 절대값 |ΔIa|의 이동 평균을 구한다.

감산기(72)는 외부로부터 입력되는 입력 전류의 진동 성분의 지령값(Ia^*)과 절대값 |ΔIa|의 이동 평균의 차분을 산출해서 PI 제어기(73)로 출력한다. PI 제어기(73)는 예컨대, PI 제어를 행함으로써 입력 전류의 진동 성분의 지령값(Ia^*)과 절대값 |ΔIa|의 이동 평균의 편차를 제로로 하도록, 승산기(55D)의 계수(K4)를 조정한다.

승산기(55D)는 승산기(55)에 대응하는 연산기로, 입력 전류의 진동 성분(ΔIa)에 계수(K4)를 승산한 결과를 출력 전력 보정값(ΔP)으로서 제산기(56)로 출력한다. 따라서, 실시예 5에 따른 매트릭스 컨버터(1D)에서는 입력 전류의 진동 성분(ΔIa)을 지령값(Ia^*)에 따른 값으로 할 수 있고, 이로써 입력 전류의 왜곡을 저감할 수 있다.

다른 효과나 변형예는 당업자에 의해서 용이하게 유출될 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 보다 광범한 측면은 이상과 같이 나타내고 또한 기술한 특정한 상세 및 대표적인 실시예로 한정되는 것이 아니다. 따라서, 첨부의 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해서 정의되는 총괄적인 발명의 개념의 정신 또는 범위로부터 일탈하는 일없이, 다양한 변경이 가능하다.

1(1A~1D) : 매트릭스 컨버터 2 : 3상 교류 전원
3 : 교류 부하 10 : 전력 변환부
11 : 입력 전압 검출부 12 : 입력 필터
13 : 입력 전류 검출부 14 : 출력 전류 검출부
20(20A~20D) : 제어부 30 : 출력 전류 지령 생성부
31 : 출력 전압 지령 생성부 32(32A~32D) : 보정부
33 : 스위치 구동부 51(51B) : LPF
52(52B) : 3상/2상 변환부 53 : 전류 진폭 검출기
53B : 전압 진폭 검출기 54(54B) : HPF
55(55B~55D), 59 : 승산기 56, 56A : 제산기
57, 57A : 가산기 58 : 어드밴스 필터

Claims

교류 전원과 교류 부하 사이에 배치되는 복수의 쌍 방향 스위치와,
상기 복수의 쌍 방향 스위치를 제어하여, 상기 교류 전원으로부터의 입력 전력을 직접 전력 변환하여 상기 교류 부하로 출력하는 제어부
를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 교류 부하로의 출력 전압을 규정하는 출력 전압 지령을 생성하는 출력 전압 지령 생성부와,
상기 교류 전원으로부터의 입력 전류 및/또는 입력 전압의 진동 성분에 기초해서, 상기 출력 전압 지령을 보정하는 보정부와,
상기 보정부에 의해서 보정된 상기 출력 전압 지령에 기초해서 상기 복수의 쌍 방향 스위치를 제어하는 스위치 구동부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 1 항에 있어서,
상기 보정부는
상기 입력 전류 및/또는 입력 전압의 진동 성분에 기초해서, 출력 전력 보정값을 산출하는 제 1 연산기와,
상기 출력 전력 보정값에 따른 전압 보정값을 산출하는 제 2 연산기와,
상기 제 2 연산기에 의해서 생성된 상기 전압 보정값을 상기 출력 전압 지령에 가산함으로써, 상기 출력 전압 지령을 보정하는 가산기
를 구비하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 연산기는, 상기 제 1 연산기에 의해서 연산된 상기 출력 전력 보정값을, 상기 교류 부하로의 출력 전류를 규정하는 출력 전류 지령으로 제산함으로써, 상기 전압 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 연산기는 상기 입력 전류의 진동 성분에 소정의 계수를 승산하여 상기 출력 전력 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 연산기는 상기 입력 전압의 진동 성분의 위상을 어드밴스해서, 소정의 계수를 승산해서 상기 출력 전력 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 연산기는 상기 입력 전류의 진동 성분과 상기 입력 전압의 진동 성분을 승산해서 상기 출력 전력 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 연산기는 상기 입력 전류의 진동 성분과 상기 입력 전압의 진동 성분의 승산 결과에 소정의 계수를 승산해서 상기 출력 전력 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 연산기는, 상기 소정의 계수를 외부로부터 설정 가능한 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소정의 계수를 조정하는 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출력 전압 지령 생성부는, 상기 출력 전압 지령으로서, 상기 출력 전압의 주파수에 동기해서 회전하는 2축 직교 좌표계의 dq축 상의 q축 전압 지령 및 d축 전압 지령을 생성하고,
상기 보정부는, 상기 교류 전원으로부터의 입력 전류 및/또는 입력 전압의 진동 성분에 기초해서, 상기 q축 전압 지령 또는 상기 d축 전압 지령을 보정하는
것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.