(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の各相と出力側の各々の相とを自己消弧能力を持つ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に基づいて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の直交流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧をＰＷＭ出力する双方向スイッチＰＷＭ制御手段と、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧を直入れ出力する双方向スイッチ直入れ制御手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段と前記双方向スイッチ直入れ制御手段との制御切替手段を備え、
前記双方向スイッチ直入れ制御手段は、出力周波数指令の極性に基づいて交流電源の各相とＰＷＭサイクロコンバータ装置出力側の各相との接続組合せを選択する機能を有することを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置。
【請求項２】
交流電源の各相と出力側の各々の相とを自己消弧能力を持つ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に基づいて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の直交流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧をＰＷＭ出力する双方向スイッチＰＷＭ制御手段と、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧を直入れ出力する双方向スイッチ直入れ制御手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段と前記双方向スイッチ直入れ制御手段との制御切替手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段から前記双方向スイッチ直入れ制御手段への制御切替に際し、ＰＷＭサイクロコンバータ装置の出力電圧周波数を交流電源電圧周波数に一致させる周波数一致手段を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置。
【請求項３】
交流電源の各相と出力側の各々の相とを自己消弧能力を持つ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に基づいて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の直交流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧をＰＷＭ出力する双方向スイッチＰＷＭ制御手段と、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧を直入れ出力する双方向スイッチ直入れ制御手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段と前記双方向スイッチ直入れ制御手段との制御切替手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段から前記双方向スイッチ直入れ制御手段への制御切替に際し、ＰＷＭサイクロコンバータ装置の出力電圧位相を交流電源電圧位相に一致させる位相一致手段を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置。
【請求項４】
交流電源の各相と出力側の各々の相とを自己消弧能力を持つ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に基づいて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の直交流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧をＰＷＭ出力する双方向スイッチＰＷＭ制御手段と、
前記双方向スイッチを制御して交流電源電圧を直入れ出力する双方向スイッチ直入れ制御手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段と前記双方向スイッチ直入れ制御手段との制御切替手段と、
前記双方向スイッチＰＷＭ制御手段から前記双方向スイッチ直入れ制御手段への制御切替に際し、ＰＷＭサイクロコンバータ装置の出力電圧周波数を交流電源電圧周波数に一致させＰＷＭサイクロコンバータ装置の出力電圧位相を交流電源電圧位相に一致させる周波数位相一致手段を備え、
前記周波数位相一致手段は、前記出力電圧周波数を交流電源電圧周波数に一致させ、その後に前記出力電圧位相を交流電源電圧位相に一致させることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電圧を任意の交直流電圧に変換する電力変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられていたこの種のＰＷＭサイクロコンバータは、一般に図４にて示す構成のものが採用されていた。図４は従来例のＰＷＭサイクロコンバータを用いた電力変換器の回路構成を示すブロック構成図であり、（ａ）は回路全体のブロック構成図、（ｂ）はＰＷＭサイクロコンバータの回路構成図である。図中符号４０１は交流電源、４０８は交流電動機、４３０はＰＷＭサイクロコンバータ、４３１は交流フイルタ、４３２はゲートドライバ、４３３は双方向スイッチモジュール、４３４は双方向スイッチ、４４１は電圧検出手段、４４５は第１のゲート信号発生手段、４４６は電圧指令作成手段、４４７は位相指令作成手段、４５０は出力周波数入力手段、Ｆｒｅｆは出力周波数指令、Ｇ１は第１のゲート信号、Ｇｒｅｆはゲート信号、Ｐｒｅｆは出力位相指令、Ｖｉｎは入力電圧検出値、Ｖｒｅｆは出力電圧振幅指令である。
【０００３】
出力周波数指令入力手段４５０に出力周波数指令Ｆｒｅｆが入力されると、まず出力周波数指令Ｆｒｅｆを受けた位相指令作成手段４４７と電圧指令作成手段４４６より、それぞれ出力位相指令Ｐｒｅｆと出力電圧振幅指令Ｖｒｅｆとが出力される。通常出力周波数指令Ｆｒｅｆを積分することにより出力位相指令Ｐｒｅｆが作成される。また出力電圧振幅指令Ｖｒｅｆは電圧Ｖと周波数ｆとの関係がＶ／ｆ一定制御で運転される場合は（１）式のような一次関数であらわされる。
Ｖｒｅｆ＝Ｖ１＋Ｋ×ｆ                                      （１）
出力位相指令Ｐｒｅｆと出力電圧振幅指令Ｖｒｅｆは第１のゲート信号発生手段４４５へ入力され、パルス幅変調（ＰＷＭ）された後に第１のゲート信号Ｇ１へ変換される。この時、電圧検出手段４４１により交流電源４０１から取り込まれた入力電圧検出値Ｖｉｎも第１のゲート信号発生手段４４５に取り込まれるが、ＰＷＭサイクロコンバータの出力Ｕ、Ｖ、Ｗと入力Ｒ、Ｓ、Ｔ間の接続を決定するために必要である。また、ＰＷＭサイクロコンバータは入力の交流を直接任意の直流および交流へ変換するために、例えばＰＷＭインバータのようなエネルギー蓄積要素を持たないために入力電圧検出値Ｖｉｎで出力電圧を補正する必要がある。第１のゲート信号Ｇ１はゲートドライバ４３２によって絶縁され、ゲート信号Ｇｒｅｆ（ＧＲＵ〜ＧＴＷ）として、双方向スイッチモジュール４３３のそれぞれの双方向スイッチ４３４を駆動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、定格回転速度領域においてもＰＷＭ動作を行うため、出力電圧波形や入力電流波形に高次高調波を含み、電動機および電源系統の負担が大きかった。また最大出力電圧と入力電圧の比（電圧利用率）も８６％（√３／２）と低いためシステムの大型化を招いていた。本発明の目的は、定格速度運転時には入力電流、出力電圧の高次高調波がなく、かつ電圧利用率の高い電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法は、
交流電源の各相と出力側の各々の相とを自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の直交流電圧を出力する電力変換器のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、出力周波数の加減速時はＰＷＭ運転を行い、交流電源周波数および交流電源電圧と出力周波数および出力電圧とが一致した場合は、ＰＷＭサイクロコンバータ内の双方向スイッチのスイッチング動作を停止し、選択的に特定の双方向スイッチを入れたままとし、他の双方向スイッチを切ったままとして交流電源での直接運転を行う。
【０００６】
上述の制御を行うために、制御回路は、電圧検出手段と、ゲート信号切替手段と、第１のゲート信号発生手段と、第２のゲート発生手段と、電圧指令作成手段と、同期手段と、位相指令作成手段と、極性判別手段と、周波数一致検出手段とを有しており、電圧検出手段において入力する交流電源の電圧を検出して交流電源位相と交流電源周波数と入力電圧検出値とを出力し、位相指令作成手段は外部より入力した出力周波数指令により位相指令を計算して同期手段に出力し、極性判別手段は外部より入力した出力周波数指令の極性を判別して極性判別信号を出力し、周波数一致検出手段は電圧検出手段より入力する交流電源周波数と外部より入力した出力周波数指令との一致を判断して周波数一致信号を出力し、同期手段は周波数一致検出手段からの周波数一致信号を受けて、出力する出力位相指令と交流電源位相とが一致するように該出力位相指令を調整して両位相が一致した場合に位相一致信号を出力し、第１のゲート信号発生手段は電圧検出手段からの入力電圧検出値と同期手段からの出力位相指令とより計算されたＰＷＭ信号である第１のゲート信号を発生し、第２のゲート信号発生手段は極性判別手段からの極性判別信号により出力周波数の極性より選ばれた相の組合せである双方向スイッチを駆動する第２のゲート信号を出力し、ゲート信号切替手段は位相一致信号を受け取ると第１のゲート信号から第２のゲート信号への切り替えを行い、ＰＷＭサイクロコンバータの双方向スイッチ駆動信号を出力してＰＭＷサイクロコンバータをＰＷＭ運転から交流電源運転へ切り替える制御を行うことが望ましい。
【０００７】
上述の制御により、定格回転速度運転状態以外ではＰＷＭ運転し、定格速度運転状態では電源直入れ運転とすることができ、また、電源相と出力相との組み合わせが選択できるため、切り替えが早くかつ４象限運転が可能で、さらに電源および電動機の負担を軽くでき、システム効率を上げることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態のＰＷＭサイクロコンバータを用いた電力変換器の回路構成を示すブロック構成図であり、（ａ）は回路全体のブロック構成図、（ｂ）は同期手段のブロック構成図、（ｃ）は第２のゲート信号発生手段の機能を示す模式図である。図中符号１０１は交流電源、１０８は交流電動機、１２０は同期手段、１２１はスイッチ、１２２は位相差検出手段、１２３はフイルタ、１２４はＶＣＯ、１２５は分周器、１２６は位相比較手段、１２７はフイルタ、１２８は比較器、１３０はＰＷＭサイクロコンバータ、１４１は電圧検出手段、１４３はゲート信号切替手段、１４４は第２のゲート信号発生手段、１４５は第１のゲート信号発生手段、１４６は電圧指令作成手段、１４７は位相指令作成手段、１４８は周波数一致検出手段、１５０は出力周波数入力手段、１５１は極性判別手段、ＡＧＲは周波数一致信号、Ｆｉｎは交流電源周波数、Ｆｒｅｆは出力周波数指令、Ｇ１は第１のゲート信号、Ｇ２は第２のゲート信号、Ｇｒｅｆはゲート信号、Ｐｉｎは交流電源位相、Ｐｏｕｔは位相指令、Ｐｒｅｆは出力位相指令、ＳＩＧＮは極性判別信号、ＳＹＮは位相一致信号、Ｖｉｎは入力電圧検出値、Ｖｒｅｆは出力電圧振幅指令である。
【０００９】
電圧検出手段１４１は交流電源１０１を取り込んで交流電源電圧を検出し、交流電源位相Ｐｉｎ、交流電源周波数Ｆｉｎ、入力電圧検出値Ｖｉｎを出力する。周波数一致検出手段１４８では出力周波数入力手段１５０からの出力周波数指令Ｆｒｅｆの絶対値｜Ｆｒｅｆ｜と電圧検出手段１４１からの交流電源周波数Ｆｉｎとを比較し、一致した場合に周波数一致信号ＡＧＲを出力する。極性判別手段１５１では出力周波数入力手段１５０からの出力周波数指令Ｆｒｅｆの極性を判別して極性判別信号ＳＩＧＮを出力する。極性判別信号ＳＩＧＮはＦｒｅｆ＞０のとき１を、Ｆｒｅｆ＜０のとき０を出力する。位相指令作成手段１４７では出力周波数入力手段１５０からの出力周波数指令Ｆｒｅｆを受けて、通常出力周波数指令Ｆｒｅｆを積分することにより位相指令Ｐｏｕｔを出力する。
【００１０】
同期手段１２０は周波数一致検出手段１４８からの周波数一致信号ＡＧＲによりスイッチ１２１で位相指令作成手段１４７からの位相指令Ｐｏｕｔと電圧検出手段１４１からの交流電源位相Ｐｉｎのどちらかに出力位相指令Ｐｒｅｆを同期させる。また同期手段１２０は同期完了すると同期信号ＳＹＮを出力する。具体的に説明すると図１（ｂ）に示すように、同期手段１２０の内部構成は位相差検出手段１２２、フイルタ１２３、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１２４、分周器１２５からなる位相同期ループと、位相比較器１２６、フイルタ１２７、比較器１２８から構成される同期検出回路、および同期させる位相を切り替えるスイッチ１２１から構成される。スイッチ１２１は周波数一致検出手段１４８から周波数一致信号ＡＧＲを受け取ると、電圧検出手段１４１からの交流電源位相Ｐｉｎと接続され、出力位相指令Ｐｒｅｆを交流電源位相Ｐｉｎと同期させる。
【００１１】
第２のゲート信号発生手段１４４は極性判別手段１５１からの極性判別信号ＳＩＧＮにより、交流電源運転時の各双方向スイッチのゲート信号の状態を第２のゲート信号Ｇ２として出力する。極性判別信号ＳＩＧＮ＝１のとき、Ｒ−Ｕ、Ｓ−Ｖ、Ｔ−Ｗが接続され、ゲート信号Ｇｒｅｆは、
ＧＲＵ＝１、ＧＲＶ＝０、ＧＲＷ＝０、ＧＳＵ＝０、ＧＳＶ＝１、ＧＳＷ＝０、ＧＴＵ＝０、ＧＴＶ＝０、ＧＴＷ＝１
となり、極性判別信号ＳＩＧＮ＝０のとき、Ｒ−Ｕ、Ｓ−Ｗ、Ｔ−Ｖが接続され、このときのゲート信号Ｇｒｅｆは、
ＧＲＵ＝１、ＧＲＶ＝０、ＧＲＷ＝０、ＧＳＵ＝０、ＧＳＶ＝０、ＧＳＷ＝１、ＧＴＵ＝０、ＧＴＶ＝１、ＧＴＷ＝０
とならなければならない。ただし、各ゲート信号は１のときＯＮで０のときＯＦＦである。
【００１２】
第１のゲート信号発生手段１４５は同期手段１２０から入力された出力位相指令Ｐｒｅｆと電圧指令作成手段から入力された出力電圧振幅指令Ｖｒｅｆをパルス幅変調（ＰＷＭ）した後に第１のゲート信号Ｇ１として出力する。この時、電圧検出手段１４１により交流電源１０１から取り込まれた入力電圧検出値Ｖｉｎも第１のゲート信号発生手段１４５に取り込まれ出力電圧を補正する。
ゲート信号切替手段１４３には第１のゲート信号発生手段１４５からの第１のゲート信号Ｇ１と、第２のゲート信号発生手段１４４からの第２のゲート信号Ｇ２が入力されており、常時は第１のゲート信号Ｇ１をゲート信号ＧｒｅｆとしてＰＷＭサイクロコンバータ１３１に出力しているが、同期手段１２０から同期信号ＳＹＮが入力するとゲート信号Ｇｒｅｆへの接続を第１のゲート信号Ｇ１から第２のゲート信号Ｇ２に切り替える。
【００１３】
次に、本発明の実施例をタイミングチャートで説明する。図２は本発明の実施例を説明するタイミングチャートであり、図３は図２の切り替え点を拡大したタイミングチャートである。図２には運転停止時、加速時、定格運転時、減速時の出力周波数指令Ｆｒｅｆ、ゲート信号Ｇｒｅｆ、周波数一致信号ＡＧＲ、位相一致信号ＳＹＮ、極性判別信号ＳＩＧＮの変化の状態を示す。加速時のゲート信号ＧｒｅｆはＧ１を出力し、ＰＷＭ運転で動作する。出力周波数指令Ｆｒｅｆが交流電源周波数Ｆｉｎまたは−Ｆｉｎと一致すると、周波数一致信号ＡＧＲ＝１となり、同期手段１２０によって出力位相指令Ｐｒｅｆが位相指令Ｐｏｕｔから徐々に交流電源位相Ｐｉｎになるように制御される。出力位相指令ＰｒｅｆがＰｒｅｆ＝Ｐｉｎとなったとき、同期信号ＳＹＮがＳＹＮ＝１となり、ゲート信号Ｇｒｅｆが第２のゲート信号Ｇ２と接続され、交流電源運転に速やかに移動する。
【００１４】
図３において、出力周波数指令Ｆｒｅｆと交流電源周波数Ｆｉｎとの関係がＦｒｅｆ＝Ｆｉｎとなった時点においては、交流電源位相Ｐｉｎと出力位相指令Ｐｒｅｆとは位相差を生じているが同期シーケンスに入った後、徐々に出力位相指令Ｐｒｅｆが交流電源位相Ｐｉｎに近づき最後に一致することがわかる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば定格回転速度運転状態以外ではＰＷＭ運転し、定格速度運転では電源直入れ運転とすることができ、また、電源相と出力相の組み合わせが選択できるため、切り替えが早くかつ４象限運転が可能で、さらに電源および電動機の負担を軽くでき、システム効率を上げることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＰＷＭサイクロコンバータを用いた電力変換器の回路構成を示すブロック構成図である。
（ａ）は回路全体のブロック構成図である。
（ｂ）は同期手段のブロック構成図である。
（ｃ）は第２のゲート信号発生手段の機能を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例を説明するタイミングチャートである。
【図３】図２の切り替え点を拡大したタイミングチャートである。
【図４】従来例のＰＷＭサイクロコンバータを用いた電力変換器の回路構成を示すブロック構成図である。
（ａ）は回路全体のブロック構成図である。
（ｂ）はＰＷＭサイクロコンバータの回路構成図である。
【符号の説明】
１０１、４０１    交流電源
１０８、４０８    交流電動機
１２０    同期手段
１２１    スイッチ
１２２    位相差検出手段
１２３    フイルタ
１２４    ＶＣＯ
１２５    分周器
１２６    位相比較手段
１２７    フイルタ
１２８    比較器
１３０、４３０    ＰＷＭサイクロコンバータ
１４１、４４１    電圧検出手段
１４３    ゲート信号切替手段
１４４    第２のゲート信号発生手段
１４５、４４５    第１のゲート信号発生手段
１４６、４４６    電圧指令作成手段
１４７、４４７    位相指令作成手段
１４８    周波数一致検出手段
１５０、４５０    出力周波数入力手段
１５１    極性判別手段
４３１    交流フイルタ
４３２    ゲートドライバ
４３３    双方向スイッチモジュール
４３４    双方向スイッチ
ＡＧＲ    周波数一致信号
Ｆｉｎ    交流電源周波数
Ｆｒｅｆ    出力周波数指令
Ｇ１    第１のゲート信号
Ｇ２    第２のゲート信号
Ｇｒｅｆ    ゲート信号
Ｐｉｎ    交流電源位相
Ｐｏｕｔ    位相指令
Ｐｒｅｆ    出力位相指令
ＳＩＧＮ    極性判別信号
ＳＹＮ    位相一致信号
Ｖｉｎ    入力電圧検出値
Ｖｒｅｆ    出力電圧振幅指令
【図１】
0003865007.tif 000002
【図２】
0003865007.tif 000003
【図３】
0003865007.tif 000004
【図４】
0003865007.tif 000005