直接電力制御法を適用したマトリックスコンバータの運転特性
中富奏明＊，竹内大裕，佐藤明，野口季彦 (長岡技術科学大学)

Operation Characteristics of Matrix Converter Based on Direct Power Control

1. はじめにvb用したシステムを検討し，計算機シミュレーションによりその妥当性を検証してきた(1)。

vc

本稿では，このシステムの基本的な運転特性を実験的に確認したので報告する。

図2

制御原理

Input Filter

筆者らは直接電力制御法をマトッリクスコンバータに適

2.

Sau
Sav
Saw

va

図 1 に直接電力制

va
vb
vc

vu
vv
vw

Scu
Scv
Scw

Sap

Matrix converter.

Sbp

Scp

Sup

Svp Swpvuvv
vw

Vdc

San

マトリックスコンバータFig. 2.

＜2.1＞スイッチングパターンの合成

Sbu
Sbv
Sbw

Input Filter

Somei Nakatomi, Daisuke Takeuchi, Akira Sato， and Toshihiko Noguchi (Nagaoka University of Technology)

図3SbnScn

SunSvn Swn

仮想 AC/DC/AC 変換器

Fig. 3. Virtual AC/DC/AC converter.

＜2.2＞仮想電流形 PWM 整流器の制御

仮想電流形 PWM

御法を適用したマトリックスコンバータのシステム構成を

整流器の制御には，高速な電力制御が可能な直接電力制御示す。本システムは仮想AC/DC/AC変換方式によりスイッチ法を適用する(4)。まず，電源電圧と電流に三相−二相絶対変ングパターンの合成を行う(2)(3)。制御対象であるマトリック換を施し，vα，vβ およびiα，iβ を得る。これらの値を用いて，スコンバータを図 2，またそれに対応した仮想AC/DC/AC変交流側の瞬時有効電力Pと瞬時無効電力Qを算出する。瞬時換器を図 3 に示す。仮想AC/DC/AC変換器のPWM整流器と有効電力指令値P*は，仮想電圧形インバータ制御系から算PWMインバータのスイッチング関数を用いると，マトリッ出された負荷電力PLと基準信号(2) を乗ずることにより得クスコンバータのスイッチング関数は(1)のように合成するる。これは平均的に高い仮想直流バス電流を得るためであことができる。ただし，各スイッチング関数は 1 か 0 のいる。瞬時無効電力指令値Q*は入力力率に応じて外部から直ずれかの値しかとらない。

接与える。

⎡S au
⎢
⎢ S av⎢⎣S au

Sbu
Sbv
Sbw

S cu ⎤ ⎡ Sup⎥ ⎢S cv ⎥ = ⎢ S vp
S cw ⎥⎦ ⎢⎣S wp
Vrms , ω va

Sun ⎤⎥ ⎡S
S vn ⎥ ⎢ ap
SS wn ⎥⎦ ⎣ ania

Sbp
Sbn

S cp ⎤⎥
S cn ⎦iu

Lfibvbvciv
iw

ic

3φ2φ3φ2φvαvβ iαiβP and Q Calculation

Pskmskm++6Latch6Switching Table++

ΘnSq

∆Q

∆P+Q*

Trigger

Sp+-+-+-PL + ++Pvu*

vv*- Iv *+Pvw*

Eq. (2)図1(2)LR

3φLoad-+ P*vuvv
vw- Iu *+9Eq. (1)

CfQcos ωt⎤⎡ 1 −1 0 ⎤ ⎡⎥⎥⎢⎢
Vdc _ ref = max ⎢ 0 1 − 1⎥ ⎢cos(ωt − 2π / 3)⎥⎢⎣− 1 0 1 ⎥⎦ ⎢⎣cos(ωt − 4π / 3)⎥⎦(1)

直接電力制御法を適用したマトリックスコンバータのシステム構成
Fig. 1. Block diagram of matrix converter based on direct-power-control.

- Iw*+P

各瞬時電力の偏差∆P，∆Qはヒステリシス要素で二値化し量子化信号Sp，Sqとする。また，電源電圧位相も 6 つの領域Θnに量子化して検出する。Sp，SqおよびΘnの組み合わせに応じてPWMコンバータのスイッチングモードSa，Sb，Scを

Sp S qΘ1

Θ2

Θ3

Θ4Θ5Θ61
100

PON
PNO
OOO
ONP

OPN
PON
OOO
PNO

NPO
OPN
OOO
PON

NOP
NPO
OOO
OPN

ONP
NOP
OOO
NPO

PNO
ONP
OOO
NOP

0101

P = Smp : 1，Smn : 0
O = Smp，Smn : 1 (or 0)
N = Smp : 0，Smn : 1∵ m = a,b,c

スイッチングテーブルで直接決定することによりP とQのリレー制御を行う。図 4 に最適スイッチングテーブルと各

図4

最適スイッチングテーブル

スイッチングモードの定義を示す。

Fig. 4.

Optimum switching mode table.

図530 Hz 出力における各種波形＜2.3＞仮想電圧形PWMインバータの制御

仮想電圧形

PWMインバータの制御には電流フィードバックによる電流制御を適用する。PWMに使用するキャリアはゼロ電圧ベクトルを出力しない三相三角波キャリアとする。また，前述の仮想電流形PWM整流器の制御に必要な負荷電力PLは，仮想電圧形インバータの制御系で(3)により算出する。
PL = vu*iu + vv*iv + vw*iw(3)

また，仮想電流形PWM整流器はゼロ電流ベクトルを出力する場合があるため，仮想直流バス電圧がゼロになる期間が生じて出力を乱す。そこで，仮想電流形PWMコンバータの量子化信号Sp，Sqを用いて，両者が 0 のときは 0 を，それ以外は 1 を出力するTrigger信号を生成する。このTrigger信号を用いてスイッチングモードに一定の制限を加える。

3．実験結果
実験は電源電圧 200 V，入力フィルタ Lf = 0.6 mHおよびCf = 20 µF，負荷 L = 3.7 mHおよびR = 25 Ωの条件で行った。
図 5 に出力電流指令値 30 Hz，無効電力指令値 0 varにおけFig. 5.

Waveforms at 30-Hz output current.

る電源電圧，電源電流，出力電流波形を示す。無効電力が 0varに制御されているため，結果的に電源電流と電源電圧がほぼ同相になり基本波入力力率は 1 に制御がされている。
しかし，高調波まで含めた総合入力力率は 92 %にとどまり，今後，波形改善を検討しなければならない。一方，出力電流は指令値どおりの周波数で正弦波状に制御されていることがわかる。図 6 に出力電流を 100 Hzとした場合の実験結果を示す。図 5 と同様に所望の周波数で電流が出力されている。

3．まとめ
本稿ではマトリックスコンバータに直接電力制御法を適用できることを実機により確認した。今後は入出力波形の改善を図る。
文 献(1) 竹内･佐藤･野口「直接電力制御法を適用したマトリクスコンバータの新制御法」H16 年電学産応，1, 309-312 (2004)(2) 伊藤･高橋：｢マトリクスコンバータにおける入出力無効電力の非干渉制御法｣ 電学研究会，SPC-01-121 (2001)(3) 伊東･佐藤･大口･佐藤･小高･江口：「キャリア変調方式を用いた仮想 AC/DC/AC 変換方式によるマトリックスコンバータの制御法」電学論 D，124，5，457-463 (2004)(4) 佐藤･野口：「電流形 PWM コンバータの直接電力制御法」
電学全大，4-026 (2004)

図6Fig. 6.

100 Hz 出力における各種波形

Waveforms at 100-Hz output current.