(57)【要約】  【課題】複雑な演算を要することなく、電流制限時の負荷電流のリプル発生や特定素子への電流の集中を解消しつつ継続的な運転を可能にした交流交流直接変換装置の制御装置を提供する。  【解決手段】交流交流直接変換装置２から出力される負荷電流を検出する電流検出手段５と、検出した負荷電流レベルを過電流レベルより小さい電流制限レベルと比較する比較手段１１とを備えた制御装置において、比較手段１１により、ある相の負荷電流レベルが電流制限レベルを超えたことを検出した際に、変換装置２の各相出力端子に等しい大きさの電圧を出力させるような電圧指令を発生する零電圧指令発生手段１２を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を双方向に通流可能な複数の双方向スイッチのスイッチング動作により、多相交流電圧を任意の大きさ及び周波数の多相交流電圧に直接変換する交流交流直接変換装置の制御装置であって、
前記変換装置から出力される負荷電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段により検出した負荷電流レベルを過電流レベルより小さい電流制限レベルと比較する比較手段と、を備えた制御装置において、
前記比較手段により、ある相の負荷電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、前記変換装置の各相出力端子に等しい大きさの電圧を出力させるような電圧指令を発生する零電圧指令発生手段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。
【請求項２】
請求項１に記載した交流交流直接変換装置の制御装置において、
前記制御装置は、
ある相の負荷電流レベルが前記過電流レベルを超えたことから前記変換装置の異常を検出し、前記零電圧指令発生手段からの電圧指令を解除して前記変換装置に対する故障処理を行う手段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。
【請求項３】
請求項１または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、
ある相の負荷電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、前記制御装置は、
前記零電圧指令発生手段からの電圧指令により、前記変換装置の一相の入力端子に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチをオンさせることを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
【請求項４】
請求項１または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、
ある相の負荷電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、前記制御装置は、
前記変換装置の各相入力電圧の大小関係を判別する判別手段を備えると共に、
前記零電圧指令発生手段からの電圧指令により、前記判別手段が判別した入力電圧の最大電圧相に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチ、または、入力電圧の中間電圧相に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチ、もしくは、入力電圧の最小電圧相に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチをオンさせることを特徴とする交流交流直接変換装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型のエネルギーバッファを用いることなく、多相交流電圧を任意の大きさ及び周波数の多相交流電圧に直接変換する交流交流直接変換装置の制御装置に関し、特に、負荷電流が過電流となるような異常事態を回避する機能を備えた制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は、過電流発生時の処理機能を備えた従来の交流交流直接変換装置の制御ブロック図を示している。
図９において、電圧指令発生手段６から出力された電圧指令値の振幅及び周波数に基づき、ＰＷＭ発生手段７では、電圧検出手段４により検出した電源（三相交流電源）１の電圧、電流検出手段５により検出した負荷３の電流に応じて、直接変換装置２内の双方向スイッチに対するＰＷＭパターンを作成する。なお、上記双方向スイッチは、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を２個組み合わせることで双方向に電流を通流可能に構成されており、この双方向スイッチを交流入出力端子間に合計９個接続して変換装置２が構成されている。
【０００３】
また、故障処理手段８では、負荷電流が過電流となるような異常発生時において、例えば変換装置２を全ゲートオフするスイッチングパターンを出力し、変換装置２を保護するための故障処理動作を行う。
すなわち、負荷電流レベルが過電流レベルを超えたことを異常検出手段９が検出すると、切替スイッチ１０を故障処理手段８側に切り替えて全ゲートオフすることにより、変換装置２の運転を停止する。
しかしながら、変換装置２が運転を停止すると、この変換装置２により駆動される負荷３に急激な変化をもたらし、負荷３として電動機に機械装置が接続されている場合には破損に至る可能性があるため、用途によっては変換装置２を停止させることなく、継続運転を求められることがある。
【０００４】
次に、図１０は、負荷電流制限手段を備えた従来の交流交流直接変換装置の制御ブロック図を示しており、負荷電流が増加した場合でも変換装置２の運転を継続させるようにした従来技術である。なお、図９と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
図１０では、異常事態に相当する過電流レベルより低い電流制限レベルを比較手段１１に設定しておき、電流検出手段５により検出した各相の負荷電流についてそのレベルを電流制限レベルとそれぞれ比較する。
【０００５】
比較手段１１では、ある相の負荷電流レベルが電流制限レベルより大きくなったことを検出した場合、その検出結果を負荷電流制限手段２０に送ると共に、切替スイッチ２１を負荷電流制限手段２０側に切り替える。負荷電流制限手段２０では、負荷電流ベクトルに対して反対方向の出力電圧ベクトルを発生させるためのＰＷＭパターンを出力し、負荷電流を電流制限レベル以下に低減させる。このとき、負荷電流レベルは過電流レベルより小さいため、異常検出手段９は動作しない。
以上の動作により、負荷電流は電流制限レベル以上にならないため、変換装置２の運転を停止することなく、過電流からの保護が可能となる。
この種の技術は、下記の特許文献１に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８０３９０号公報（段落［００１５］〜［００２４］、図１〜図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に開示されている従来技術によれば、負荷電流を電流制限レベル以下に抑えることが可能となり、過電流による変換装置２の運転停止を未然に防止することができる。
しかし、電流制限を行うためには負荷電流ベクトルの位置検出が必須であり、所定の出力電圧を得るための指令値の演算量が増加すると共に制御回路の複雑化を招くおそれがある。また、電動機を駆動する場合に電流制限は可能であるが、負荷電流に大きなリプルが発生し、騒音や振動の原因になるほか、所定の電圧ベクトルを出力させるために特定のスイッチング素子に電流が集中する事態を招き、素子の寿命が低下する等の問題があった。
【０００８】
そこで本発明の解決課題は、複雑な演算を要することなく、また、電流制限時における負荷電流のリプル発生や特定素子への電流の集中を解消しつつ継続的な運転を可能にした信頼性の高い交流交流直接変換装置の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電流を双方向に通流可能な複数の双方向スイッチのスイッチング動作により、多相交流電圧を任意の大きさ及び周波数の多相交流電圧に直接変換する交流交流直接変換装置の制御装置であって、
前記変換装置から出力される負荷電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段により検出した負荷電流レベルを過電流レベルより小さい電流制限レベルと比較する比較手段と、を備えた制御装置において、
前記比較手段により、ある相の負荷電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、前記変換装置の各相出力端子に等しい大きさの電圧を出力させるような電圧指令を発生する零電圧指令発生手段を備えたものである。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、
前記制御装置は、
ある相の負荷電流レベルが前記過電流レベルを超えたことから前記変換装置の異常を検出し、前記零電圧指令発生手段からの電圧指令を解除して前記変換装置に対する故障処理を行う手段を備えたものである。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
ある相の負荷電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、前記制御装置は、
前記零電圧指令発生手段からの電圧指令により、前記変換装置の一相の入力端子に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチをオンさせるものである。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項１または２において、
ある相の負荷電流レベルが前記電流制限レベルを超えたことを検出した際に、前記制御装置は、
前記変換装置の各相入力電圧の大小関係を判別する判別手段を備えると共に、
前記零電圧指令発生手段からの電圧指令により、前記判別手段が判別した入力電圧の最大電圧相に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチ、または、入力電圧の中間電圧相に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチ、もしくは、入力電圧の最小電圧相に一端がそれぞれ接続され、かつ、他端が各相の出力端子にそれぞれ接続されているすべての双方向スイッチをオンさせるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、電流制限時に交流交流直接変換装置が零電圧ベクトルを出力するように制御を行い、負荷電流を電流制限レベル以下に抑えながら変換装置の運転を継続する。零電圧ベクトルを出力するためには、変換装置を構成する特定の複数の双方向スイッチをオンすればよいため、複雑な指令値演算は一切不要である。ここで、零電圧ベクトルを出力するためにオンさせる双方向スイッチの組み合わせは種々存在するので、これらの組み合わせを適宜切り替えることにより、特定のスイッチング素子に電流が集中することもない。
また、零電圧ベクトルの出力時には負荷電流の変化率を減少させることができ、これによって電流リプルの低減にも寄与することができる。
この結果、安全性及び信頼性の高い交流交流直接変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は請求項１，２に相当する本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図であり、図１０と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。なお、変換装置２は入出力が三相の場合を示してある。
【００１５】
図１において、１２は零電圧指令発生手段であり、交流交流直接変換装置２が零電圧ベクトル（以下、単に零電圧ともいう）を出力するような電圧指令を出力するものである。後述するように、零電圧は、例えば変換装置２の入力側Ｒ相と出力側Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相とをそれぞれ同時に接続するスイッチングパターン等によって発生させることができる。
【００１６】
ＰＷＭ発生手段７では、電圧指令発生手段６からの出力電圧指令値、電圧検出手段４により検出した電源電圧、及び、電流検出手段５により検出した負荷電流に基づいて変換装置２の双方向スイッチに対するＰＷＭパターンを発生させる。
前記零電圧指令発生手段１２の出力及びＰＷＭ発生手段７の出力の何れか一方は、切替スイッチ２１により選択されて切替スイッチ１０の一方の切替端子に与えられるようになっており、この切替スイッチ１０の他方の切替端子には、図１０と同様に故障処理手段８の出力が加えられている。
【００１７】
この実施形態の動作を説明すると、通常時には、切替スイッチ２１はＰＷＭ発生手段７側に接続され、かつ、切替スイッチ１０は切替スイッチ２１側に接続されており、ＰＷＭ発生手段７から出力される出力電圧指令値に従って変換装置２が運転されている。
しかし、負荷電流が過電流レベル以下の電流制限レベルを超えたことが比較手段１１によって検出されると、比較手段１１の出力によって切替スイッチ２１が零電圧指令発生手段１２側へ切り替わる。零電圧指令発生手段１２では、電圧検出手段４により検出した電源電圧に基づいて、変換装置２の全相の出力端子に等しい電圧、つまり零電圧を出力するようなＰＷＭパターンを作成し、これを零電圧指令として出力する。このとき、負荷電流は過電流レベルを超えていないため、前記零電圧指令は切替スイッチ２１から切替スイッチ１０を介して変換装置２に入力される。
【００１８】
これにより負荷電流が減少すると共に、負荷電流レベルが電流制限レベル以下になると、比較手段１１の出力によって切替スイッチ２１がＰＷＭ発生手段７側へ再び切り替わるため、通常運転に復帰する。
従って、本実施形態によれば、負荷電流が過電流レベルを超えることなく変換装置２の運転を継続することができる。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態により負荷３としての電動機を駆動する場合の電流制限効果を説明する。
負荷電流ベクトルの変化率ｄｉ／ｄｔは、近似的に数式１によって与えられる。
［数式１］
ｌ・ｄｉ／ｄｔ＝Ｖ−ｅ
ただし、ｌは電動機の漏れリアクタンス、ｉは負荷電流ベクトル、Ｖは変換装置２の出力電圧ベクトル、ｅは電動機の逆起電力ベクトルである。
【００２０】
図２において、仮に負荷電流ベクトルｉの成分であるＵ相電流ベクトル（その方向はα軸と一致するものとする）の大きさが、前記比較手段１１における正の電流制限レベルを超えたとすると、本実施形態では変換装置２が零電圧を出力する（図２の●は変換装置２の出力電圧ベクトルすなわち零電圧ベクトルを示し、○は変換装置２のその他の出力電圧ベクトルの先端部を示す。なお、零電圧ベクトルを含む出力電圧ベクトルは、スイッチングパターンに応じて２４通り存在する）。すると、ｌ・ｄｉ／ｄｔは図２に示す方向になり、これはＵ相電流を減少させる方向となっている。
【００２１】
一方、図３は、前述した特許文献１に開示されている従来技術によって電流制限を行う場合のベクトル図であり、Ｕ相電流ベクトルと反対方向の電圧ベクトルを出力させて電流制限を行うものである。
この図３におけるｌ・ｄｉ／ｄｔのＵ相成分に着目すると、図２の場合と比較してｄｉ／ｄｔが増加していることがわかる。これは、Ｕ相電流に大きなリプルが発生することに相当する。
【００２２】
従って、本実施形態によれば、電流制限を行いつつ変換装置２の運転を継続できるだけでなく、従来技術と比べて電流リプルを低減できることがわかる。
なお、ここではＵ相電流が正の電流制限値を超えた場合について説明したが、その他の相の負荷電流が電流制限レベルを超えた場合についても、電動機駆動時は零電圧を出力することにより、同様の電流低減効果並びにリプル低減効果が得られる。
【００２３】
ここで、交流交流直接変換装置２が零電圧を出力するためには、様々なＰＷＭパターンが考えられる。請求項３，４の発明は、零電圧を出力させるためのＰＷＭパターン（零電圧指令発生手段１２から出力される零電圧指令）に関するものである。ここでは、電源１として最も一般的な三相交流電源を使用し、変換装置２として出力電圧の大きさ及び周波数を制御可能なマトリクスコンバータを例にとって説明する。
【００２４】
図４は、請求項３に係る本発明の第２実施形態における零電圧指令発生手段１２の動作を示すもので、具体的には、マトリクスコンバータの双方向スイッチのオンオフ状態（ＰＷＭパターン）を示す図である。また、図５はマトリクスコンバータ２’の主回路構成図である。
【００２５】
この第２実施形態において、電流制限時には、図４に示すように入力側Ｒ相と出力側Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相との間の双方向スイッチＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷのみをオンさせる。すると、図５から明らかなように、各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗからはいずれも入力側のＲ相電圧が出力される。このとき、各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧が等しくなって零電圧となるのは明らかであり、図２に示した原理によって電動機駆動時の電流制限作用を果たすことができる。
また、この場合には電流制限時にオンする双方向スイッチが決まっているので、複雑な指令値演算は一切不要であり、ＰＷＭパターンの作成演算を簡略化することができる。
上記の例以外でも、入力側Ｓ相と出力側Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相との間の双方向スイッチＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷのみをオンさせたり、入力側Ｔ相と出力側Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相との間の双方向スイッチＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷのみをオンさせても同様の効果が得られる。
【００２６】
ただし、電流制限状態が頻繁に発生すると、例えば図４の例では双方向スイッチＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷに電流が集中してスイッチング素子の寿命を低下させる懸念があるが、この点に関しては、以下の第３実施形態によって解決可能である。
【００２７】
図６は、請求項４に係る本発明の第３実施形態において、三相各相の電源電圧ｖＲ，ｖＳ，ｖＴの大小関係とこれに応じた領域Ａ〜Ｆを示す図である。また、図７は零電圧指令発生手段１２の動作を示すもので、具体的には、図６の領域Ａ〜Ｆに応じた双方向スイッチのオンオフ状態（ＰＷＭパターン）を示す図である。図４と同様に、「１」はオン、「０」はオフを示す。
本実施形態においては、電源側の各相電圧の大小関係を判別し、その判別結果に基づいて電流制限時にマトリクスコンバータから零電圧を出力させるようなＰＷＭパターンを作成する。
【００２８】
更に、図８はマトリクスコンバータの出力側一相分（例えばＵ相）の構成図であるが、双方向スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３は図５における双方向スイッチＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵとそれぞれ物理的に一対一で対応するものではなく、例えば図８の双方向スイッチＳ１は図５の双方向スイッチＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵのいずれにもなり得るものである。このことは、図８の双方向スイッチＳ２，Ｓ３についても同様である。
【００２９】
この図８において、Ｓ１は一端が電源側の最小電圧相（その電圧をｖｍｉｎとする）に接続される双方向スイッチ、Ｓ２は一端が中間電圧相（その電圧をｖｍｉｄとする）に接続される双方向スイッチ、Ｓ３は一端が最大電圧相（その電圧をｖｍａｘとする）に接続される双方向スイッチであり、本実施形態では、図６に示される各相電圧の大小関係に応じた領域Ａ〜Ｆごとに双方向スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３の何れかを三相分、オンさせることとした。
すなわち、電流制限時において、一端が最小電圧相に接続されている三つの双方向スイッチからなる双方向スイッチ群（図８に示すＳ１三相分）、または、一端が中間電圧相に接続されている三つの双方向スイッチからなる双方向スイッチ群（図８に示すＳ２三相分）、もしくは、一端が最大電圧相に接続されている三つの双方向スイッチからなる双方向スイッチ群（図８に示すＳ３三相分）のうち何れか一つの双方向スイッチ群をオンさせるものである。
【００３０】
図７は、上述した三つのケースのうち、一端が中間電圧相に接続されている三つの双方向スイッチからなる双方向スイッチ群（図８に示すＳ２三相分）をオンさせて電流制限を行う場合の零電圧指令発生手段１２の動作を示している。
つまり、図６の領域Ａでは、電源側のＴ相が中間電圧相であるため、図８の双方向スイッチＳ２に相当する図５の双方向スイッチＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷをオンし、図６の領域Ｂでは、電源側のＳ相が中間電圧相であるため、図８の双方向スイッチＳ２に相当する図５の双方向スイッチＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷをオンする、……というように、各相電源電圧の大小関係に応じて、常に双方向スイッチＳ２を三相分、同時にオンさせる。
【００３１】
よって電流制限時には、全ての出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから中間電圧相の電圧が出力されるため、マトリクスコンバータは零電圧を出力することになり、前述した原理によって負荷電流を電流制限レベル以下に抑制することが可能となる。
この実施形態によれば、各相電源電圧の大小関係は頻繁に変化するので、図７から明らかなように、オンする双方向スイッチは交互に入れ替わる。従って、第２実施形態のように特定のスイッチに電流が集中するおそれはない。
【００３２】
勿論、最大電圧相または最小電圧相に接続されている三つの双方向スイッチからなる双方向スイッチ群をオンするように制御しても、同様の効果を得ることができる。但し、出力電圧のコモンモード電圧（＝（ｖｕ＋ｖｖ＋ｖｗ）／３）は、図７のように中間電圧相に接続される双方向スイッチをオンさせる場合に最も小さくなるので、コモンモードノイズを低減させる観点からは図７のような制御方法とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２】第１実施形態の動作を示すベクトル図である。
【図３】特許文献１に記載された従来技術の動作を示すベクトル図である。
【図４】本発明の第２実施形態における零電圧指令発生手段の動作を示す図である。
【図５】マトリクスコンバータの主回路構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態における各相電源電圧の大小関係と領域とを示す図である。
【図７】第３実施形態における零電圧指令発生手段の動作を示す図である。
【図８】マトリクスコンバータの一相分の構成図である。
【図９】従来技術を示す制御ブロック図である。
【図１０】従来技術を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：三相交流電源
２：交流交流直接変換装置
２’：マトリクスコンバータ
３：負荷
４：電圧検出手段
５：電流検出手段
６：電圧指令発生手段
７：ＰＷＭ発生手段
８：故障処理手段
９：異常検出手段
１０，２１：切替スイッチ
１１：比較手段
１２：零電圧指令発生手段
ＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵ，ＳＲＶ，ＳＳＶ，ＳＴＶ，ＳＲＷ，ＳＳＷ，ＳＴＷ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３：双方向スイッチ
【図１】
2007053877.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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