(57)【要約】【課題】２つの三相交流負荷を少ない数の双方向スイッチで交流―交流直接変換すること。【解決手段】２つの三相交流負荷２１、２２への入力線のうち１本数を共通（Ｗ１およびＵ２）とし、負荷への入力線と三相交流電源からの出力線の１５個の交点をすべて双方向スイッチ１０１〜１１５を介して接続して駆動することで、２つの三相交流負荷２１、２２を任意の周波数と任意の電圧振幅で独立に駆動でき、また、スイッチングの駆動制御方法を工夫することスイッチングノイズ等の低減を図ることが可能となる。【選択図】図１
2010183756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの三相交流電源から、２つの三相交流負荷をそれぞれ任意の周波数と電圧で駆動するマトリクスコンバータであって、２つの三相交流負荷のそれぞれの入力端子のうち、１つの相を共通に接続せしめ、負荷側の５本の入力線と、三相交流電源の３本の出力線とをマトリクス状に１５個の双方向スイッチを介して接続したことを特徴とするマトリクスコンバータ。
【請求項２】
２つの三相交流負荷のそれぞれに印加する交流電圧のうち、共有する相を基準として求めた共有しない相との電位差の中で、最も絶対値の大きい電位差とその相を求め、求めた相の電位が共有する相の電位よりも高い場合には、求めた相と交流電源の最も高い電位をもつ相との間にある双方向スイッチを、低い場合には、求めた相と交流電源の最も低い電位をもつ相との間にある双方向スイッチをそれぞれ直通せしめることを特徴とする請求項１記載のマトリクスコンバータ。
【請求項３】
２つの三相交流負荷のそれぞれに印加する交流電圧のうち、共有する相を基準とし、共有しない相を含めた全ての相に対して、最も電位の低い相もしくは高い相と、交流電源側の最も電位の低い相もしくは高い相との間にある双方向スイッチを直通せしめることを特徴とする請求項１記載のマトリクスコンバータ。
【請求項４】
三相交流電源を三相フルブリッジダイオード回路に入力せしめ、２つの三相交流負荷への５本の入力線を五相フルブリッジダイオード回路に入力せしめ、かつ前記２つのフルブリッジダイオード回路の直流側の出力をそれぞれ接続し、直流側にパルスノイズ吸収回路を具備したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマトリクスコンバータ。
【請求項５】
パルスノイズ吸収回路にコンデンサを含むことを特徴とする請求項４記載のマトリクスコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源を周波数や振幅などを自在に変化せしめて別の交流負荷を駆動するための電力変換装置、いわゆるマトリクスコンバータに関するものであり、特に、２つの交流負荷を、２つの電力変換装置を用いることなく別個に駆動することができるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のマトリクスコンバータは、三相の交流電源に対して、１つの三相の交流負荷を任意の周波数および任意の電圧で駆動するものである（例えば、特許文献１参照）。三相交流電源の場合、どれかの２つの相間の電圧を用いることにより、瞬時の電圧はゼロになることがないので、直流に変換することなく任意の周波数の交流に変換することができる。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載された従来のマトリクスコンバータを示すものである。図６に示すように、三相交流電源１と三相の交流負荷２とを双方向スイッチ（４０１〜４０９）を介して、マトリクス上に接続している。双方向スイッチは合計９個必要である。
【０００４】
また、このようなコンバータ回路では、寄生インダクタンスを含む配線に断続的な電流が流れることにより、サージ電圧が発生し、その電圧が大きい場合には、双方向スイッチを破壊するおそれがある。このため、図７に示すように、入力側および出力側のそれぞれの三相電力線から、それぞれ三相ダイオードブリッジを経由させて直流とし、直流部分にパルスノイズ吸収回路２０１を接続している、マトリクスコンバータ用パルスノイズ吸収システム回路４００を設けている。パルスノイズ吸収回路２０１の具体構成は、図５（ａ）に示すような、ダイオード、抵抗、コンデンサによるＲＣＤスナバ回路構成や、簡単な場合には、図５（ｂ）に示すような、コンデンサのみによるＣスナバ回路構成がとられる。
【特許文献１】特開２００８−５４４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、交流からの直接変換を用いて、２つの交流負荷をそれぞれ任意の周波数で駆動する方法は、現在のところ提示されておらず、例えば、図８のように、２つのマトリクスコンバータを用いて、２つの負荷２１，２２を駆動する方法しか知られていない。この場合、２つのマトリクスコンバータが必要になるので、双方向のスイッチ素子（３１１〜３１９，３２１〜３２９）が合計１８個必要になる。
【０００６】
また、図９に示すように、パルスノイズ吸収システム回路３００もダイオードブリッジが９相になってしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、２つの交流負荷を駆動することができ、２つのマトリクスコンバータ用いるよりも少ない数の双方向スイッチで、２つの交流負荷を独立自在に駆動することができるマトリクスコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマトリクスコンバータは、１つの三相交流電源から、２つの三相交流負荷をそれぞれ任意の周波数と電圧で駆動するマトリクスコンバータであって、２つの三相交流負荷のうち、それぞれの入力端子のうち、１つの相を共
通に接続せしめ、負荷側の５本の入力線と、三相交流電源の３本の出力線とをマトリクス状に１５個の双方向スイッチを介して接続したものである。
【０００９】
これによって、少ない数の双方向スイッチで２つの三相交流負荷を独立自在に駆動することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のマトリクスコンバータは、少ない数の双方向スイッチやダイオードブリッジで２つの三相交流負荷を独立自在に駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、２つの三相交流負荷をそれぞれ任意の周波数と電圧で駆動するマトリクスコンバータであって、２つの三相交流負荷のうち、それぞれの入力端子のうちの、１つの相を共通に接続せしめ、負荷側の５本の入力線と、三相交流電源の３本の出力線とをマトリクス状に１５個の双方向スイッチを介して接続する。
【００１２】
これにより、２つの負荷に対して共通になっている線に接続される双方向スイッチは共通となるので、双方向スイッチの数を３個少なくして回路を簡素化でき、２つの三相交流負荷を独立自在に駆動することができる。
【００１３】
第２の発明は、第１のマトリクスコンバータの回路構成において、２つの三相交流負荷のそれぞれに印加する交流電圧のうち、２つの負荷の共有する相を基準として求めた共有しない相との電位差の中で、最も絶対値の大きい電位差とその相を求め、求めた相の電位が共有する相の電位よりも高い場合には、求めた相と交流電源の最も高い電位をもつ相との間にある双方向スイッチを、低い場合には、求めた相と交流電源の最も低い電位をもつ相との間にある双方向スイッチをそれぞれ直通せしめる。
【００１４】
これによって、直通せしめている電源側の相と負荷側の相との間にある双方向スイッチがＯＮ／ＯＦＦ状態ではなく、ＯＮ状態になるので、ＯＮ／ＯＦＦにかかわる損失やノイズ、いわゆるスイッチング損失やスイッチングノイズを低減することができる。しかも、直通せしめる双方向スイッチが分散されるので、双方向スイッチの負担も分散することができるので、双方向スイッチに余分な容量のものを用いる必要がなくなる。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明のマトリクスコンバータにおいて、２つの負荷の共有する相を基準として、最も低い（もしくは高い）電位の相と、交流電源側の最も電位の低い（もしくは高い）相との間にある双方向スイッチを直通せしめる。
【００１６】
これによって、直通せしめている電源側の相と負荷側の相との間にある双方向スイッチがＯＮ／ＯＦＦ状態ではなく、ＯＮ状態になるので、ＯＮ／ＯＦＦにかかわる損失やノイズ、いわゆるスイッチング損失やスイッチングノイズを低減することができる。しかも、直通せしめる双方向スイッチの電位が相対的に高い電位のところもしくは、低い電位のところになるので、負荷における平均電位の変動すなわちコモンモード成分が少なくなるので、さらに回路のノイズを低減することができる。
【００１７】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明のマトリクスコンバータにおいて、三相交流電源を三相フルブリッジダイオード回路に入力せしめ、２つの三相交流負荷への５本の入力線を五相フルブリッジダイオード回路に入力せしめ、かつ前記２つのフルブリッジダイオード回路の直流側の出力をそれぞれ接続し、直流側にパルスノイズ吸収回路を具備するものである。
【００１８】
これにより、寄生インダクタンスなどを含む配線に、断続的な電流が流れることにより発生するサージ電圧の吸収を、相数の少ないダイオードブリッジで構成した回路で実現することができる。
【００１９】
また、第５の発明は特に第４の発明におけるパルスノイズ吸収回路にコンデンサを含む構成としたもので、入力の電位差を利用することでパルスノイズを吸収することが可能となる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるマトリクスコンバータの構成を示す回路図である。
【００２２】
図１において、交流電源１の出力線と１つの相を共有する２つの交流負荷２１，２２の入力線との交点に１５個の双方向スイッチ１０１〜１１５をマトリクス状態に具備するものである。
【００２３】
以上のように構成されたマトリクスコンバータについて、以下その動作、作用を説明する。
【００２４】
三相交流負荷を駆動するには、３つの相の間の電圧が三相交流の関係を維持する必要があるが、一般には、その入力電源に対する電位の関係は規定されていない。そこで、本実施の形態においては、共有の入力線を基準として該基準入力線（Ｗ１相、Ｕ２相）に対して各々の負荷の他の相が三相交流の関係を維持するよう制御する。
【００２５】
すなわち、共通になっている、第一の三相交流負荷２１のＷ相と、第二の三相交流負荷２２のＵ相の平均電位を、双方向スイッチ１０７，１０８，１０９を用いて、入力側の三相交流電源１の中性点電位に略等しくなるように制御を行う。そして、第一の三相交流負荷２１のＵ１相、Ｖ１相の平均電位がＷ１相に対して、それぞれ、Ｗ１相に対して、三相交流の関係となるように、双方向スイッチ１０１〜１０６を駆動する。同様に、第二の三相交流負荷２２のＶ２相、Ｗ２相の平均電位が、それぞれＵ２相に対して、三相交流の関係となるように双方向スイッチ１１０〜１１５を駆動する。これによって、２つの三相交流負荷２１，２２に任意の周波数と平均電圧振幅の電力を独立的に供給できる。
【００２６】
以上のように本実施の形態のマトリクスコンバータによれば、双方向スイッチを３個減らした構成により、２つの三相交流負荷を任意の周波数と平均電圧振幅で独立駆動することができるため、高価な双方向スイッチ数を減らして安価にマトリクスコンバータを提供することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
実施の形態１におけるマトリクスコンバータは、第１の実施の形態で示した図１の回路構成に対して、さらに、双方向スイッチ１０１〜１１５のＯＮ／ＯＦＦ制御を工夫することで、改善を行うものである。
【００２８】
図２はその制御方法を示した波形図である。３つの波形のうち、（ａ）の波形は電源側の波形を示しており、（ｂ）の波形は負荷２１の波形を示しており、（ｃ）の波形は負荷２２の波形を示している。ここで、負荷２１のＷ１相と負荷２２のＵ２相は共有する相であり、同じ電位になる。
【００２９】
負荷２１の波形（ｂ）および負荷２２の波形（ｃ）において、共有する相Ｗ１、Ｕ１から、最も電位差のある相を順次求めていくと、破線矢印のａ１、ａ２、ａ３・・・で示すところになる。ここで、ａ１からａ４までの期間は、負荷２１のＶ１相がこれに該当する相であり、ａ５では、負荷２２のＷ２相が該当する相になる。さらに、ａ６からａ９までは、負荷２１のＵ１相が該当する相になり、ａ１０からａ１４までは負荷１のＶ１相が該当する相になり、ａ１５では負荷２２のＶ２相が該当する相になる。以下、同様にして求めていくことができる。
【００３０】
次に、このようにして得られた相と負荷２１および２２の共通相との電位差をもとに、電源電圧との関係を決める。すなわち、ａ１からａ４までは、共有するＷ１相よりも電位の低いＶ１相が該当しているので、Ｖ１相が電源電圧の最も低い電位の相であるＳ相となるように双方向スイッチ１０５を導通せしめる。ａ５では最も電位の離れた相はＷ２相であるので、Ｗ２相を電源電圧の最も低い電位の相であるＳ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１１４を導通せしめる。次にａ６からａ９では、最も電位の離れた相はＵ１であり、かつ、共有する相Ｗ１とＵ２よりも電位が高いので、Ｕ１相を電源電圧の最も高い電位の相であるＲ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１０１を導通せしめる。ａ１０からａ１４では、最も電位の離れた相はＶ１であり、かつ、共有する相Ｗ１とＵ２よりも電位が高いので、Ｖ１相を電源電圧のもっとも高い電位の相であるＲ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１０４を導通せしめる。
【００３１】
このように制御した場合の、共有するＷ１相またはＵ２相の電源の電圧に対する波形を図２（ａ）中の太い実線で示している。また、破線矢印のｂ１、ｂ２、ｂ３・・は、図２（ｂ）（ｃ）のグラフにおける、電位差ａ１、ａ２、ａ３・・・と同じ振幅をもつものである。
【００３２】
本実施の形態では以上のように、負荷側の共通相以外の相のうち、１つの相の電位を交流電源１のいずれかの相に固定することで、直通せしめている電源側の相と負荷側の相との間にある双方向スイッチがＯＮ／ＯＦＦ状態ではなく、ＯＮ状態になる。すなわち、双方向スイッチの一部の頻雑なオンオフを回避することができる。結果として、双方向スイッチのＯＮ／ＯＦＦにかかわる損失やノイズ、いわゆるスイッチング損失やスイッチングノイズを低減することができる。さらに、本実施の形態における手法では、相の平均電位が分散して変動しており、直通せしめる双方向スイッチが分散されるので、双方向スイッチの負担も分散することができるので、双方向スイッチに余分な容量のものを用いる必要がなくなる。
【００３３】
（実施の形態３）
図３は、第２の実施の形態において図２で示した制御方法とは異なる方法によって制御を行ったときの波形を示している。なお、回路構成は第２の実施の形態と同様に図１に示したものである。
【００３４】
図２の場合と同様に、３つの波形のうち図３（ａ）の波形は電源側の波形、（ｂ）の波形は負荷２１の波形、（ｃ）の波形は負荷２２の波形をそれぞれ示している。ここで、負荷２１のＷ１相と負荷２２のＵ２相は共有する相であり、同じ電位になる。
【００３５】
本実施の形態では、負荷２１の波形および負荷２２において、共有する相Ｗ１、Ｕ１からみて最も低い電位の相を判断し、該相と電源側の最も低電位の相と導通させるものである。二つの負荷２１、２２にそれぞれ供給される三相交流電圧のうち、上述の共通する相より最も低電位となる相を順次求めていくと、図３（ｂ）および（ｃ）の破線矢印のａ１、ａ２、ａ３・・・で示すところになる。ここで、ａ１からａ４までの期間は、負荷２１
のＶ１相が該当する相であり、ａ５からａ１２では、負荷２２のＷ２相が該当する相になる。さらに、ａ１３からａ１９までは、負荷２１のＵ１相が該当する相になり、ａ２０からａ２５までは負荷２１のＶ１相が該当する相になり、以下、同様にしてもとめていくことができ、少し先のａ４６からａ４８では、共有する相そのものが最も電位の低い相になる。
【００３６】
次に、このようにして得られた相との電位差をもとに電源電圧との関係、すなわちどの相を電源の三相に導通させて固定するかを決める。ａ１からａ４までは、最も電位の低い相はＶ１相であり、Ｖ１相が電源電圧の最も低い電位の相であるＳ相となるように双方向スイッチ１０５を導通せしめる。ａ５からａ８では最も電位の低い相はＷ２相であるので、Ｗ２相を電源電圧の最も低い電位の相であるＳ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１１４を導通せしめる。次にａ９からａ１２では、最も電位の低い相はＷ２相であり、Ｗ２相を電源電圧の最も低い電位の相であるＴ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１１５を導通せしめる。ａ１３からａ１９では、最も電位の低い相はＵ１であり、Ｕ１相を電源電圧のもっとも低い電位の相であるＴ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１０３を導通せしめる。同様に、ａ４６からａ４８では、最も電位の低い相は共有している相そのものであるので、Ｗ１、Ｕ２の共有相を電源電圧の最も電位の低い相であるＴ相と同じ電位になるように双方向スイッチ１０９を導通せしめる。
【００３７】
図３（ａ）の電源電圧波形の中に太い実線で示す波形は、このように制御した場合の負荷の共有する相の電源電圧に対する電位（平均電位）の波形を示したものである。また、破線矢印のｂ１、ｂ２、ｂ３・・は、（ｂ）および（ｃ）のグラフにおける、電位差ａ１、ａ２、ａ３・・・と同じ振幅をもつものである。
【００３８】
このようにすることにより、双方向スイッチの一部の頻雑なオンオフを回避することができる。結果として、双方向スイッチのＯＮ／ＯＦＦにかかわる損失やノイズ、いわゆるスイッチング損失やスイッチングノイズを低減することができる。さらに、図２の場合に比べて、負荷の平均電位の変動が連続的であるため、負荷におけるコモンモード成分が少なくなり、さらにノイズが低下するという効果を有する。
【００３９】
なお、本実施の形態での説明では、共有する相を基準として最も電位の低い相を調べ、電源側の最も電位の低い相に直結せしめる方法を示したが、共有する相を基準として最も電位の高い相を調べ、電源側の最も電位の高い相に直結せしめる方法でも同じ効果を得ることができることはいうまでもない。
【００４０】
（実施の形態４）
本実施の形態におけるマトリクスコンバータは、第１の実施の形態におけるマトリクスコンバータの回路に、さらにパルスノイズ吸収回路を備えたものである。
【００４１】
図４は、本発明の第４の実施の形態のマトリクスコンバータの回路図を示している。図４に示すように、三相交流電源１と２つの三相交流負荷２１，２２を実施の形態と同様に１５個の双方向スイッチを介して接続する。さらに、三相交流電源１の出力線、および、２つの三相交流負荷への５本の入力線をパルスノイズ吸収システム回路２００へと入力する。パルスノイズ吸収システム回路２００では、三相交流電源１の出力線と三相ダイオードブリッジ回路とを接続し、２つの交流負荷への５本の入力線と５相ダイオードブリッジ回路とを接続する。３相及び５相の２つのダイオードブリッジ回路の出力には、パルスノイズ吸収回路２０１を共通に接続する。
【００４２】
なお、パルスノイズ吸収システム回路２００の具体構成は、図５（ａ）や（ｂ）に示すものが考えられ、図５のようにコンデンサを含む構成によってパルスノイズを吸収するこ
とが可能である。
【００４３】
マトリクスコンバータは複数の負荷を駆動するものであっても、本質的には入力電圧を降圧するので、負荷側における瞬時電圧は、電源側の瞬時電位の最高値および最低値を超過することはない。すなわち、交流電源１を三相ブリッジで整流して得られる直流電圧の最高値および最低値はそれぞれ電源側の瞬時電位の最高値および最低値と等しくなっているので、負荷側の瞬時電位は交流電源側の瞬時電位の最高値や最低値を超えることがないので、結果として、直流電圧の最高値と最低値を超えることがない。従って、交流負荷側で発生したパルスノイズ成分を、５相ダイオードブリッジで整流してパルスノイズ吸収回路２０１で吸収することができる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態におけるマトリクスコンバータは、パルスノイズ吸収回路のダイオードブリッジの相数を１相減らすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかるマトリクスコンバータは、双方向スイッチやパルスノイズ吸収回路用のダイオードの数を少なくして２つの三相負荷を交流負荷を任意の周波数と任意の平均電圧振幅で独立駆動することが可能になるので、複数の圧縮機や送風機を駆動して冷暖房などを行う大型の冷凍空調装置などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマトリクスコンバータの回路図
【図２】本発明の実施の形態２における、共通線の平均電位と三相入力電源の電圧との相対関係を示す波形図
【図３】本発明の実施の形態３における、共通線の平均電位と三相入力電源の電圧との相対関係を示す波形図
【図４】本発明の実施の形態４におけるパルスノイズ吸収回路を含むマトリクスコンバータの回路図
【図５】本発明の実施の形態４におけるパルスノイズ吸収回路の具体回路図
【図６】従来のマトリクスコンバータの回路図
【図７】従来のパルスノイズ吸収回路を含むマトリクスコンバータの回路図
【図８】従来の２つの負荷を駆動するマトリクスコンバータの回路図
【図９】従来のパルスノイズ吸収回路を含む２つの負荷駆動するマトリクスコンバータの回路図
【符号の説明】
【００４７】
１  三相交流電源
２，２１，２２  三相交流負荷
１０１〜１１５、３１１〜３１９、３２１〜３２９、４０１〜４０９  双方向スイッチ
２０１  パルスノイズ吸収回路
２００、３００、４００  パルスノイズ吸収システム回路
【図１】
2010183756.tif 000003
【図２】
2010183756.tif 000004
【図３】
2010183756.tif 000005
【図４】
2010183756.tif 000006
【図５】
2010183756.tif 000007
【図６】
2010183756.tif 000008
【図７】
2010183756.tif 000009
【図８】
2010183756.tif 000010
【図９】
2010183756.tif 000011