平成 23年電気学会産業応用部門大会

1-170

200 kHz 出力三相-単相マトリックスコンバータの入力電流波形改善に関する検討
学生員

高山裕次

学生員

久保田洋平

野口正員

季彦（静岡大学）

Study on Improvement of Input Current Waveformfor 200-kHz Output Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter
Yuji Takayama , Student Member , Yohei Kubota , Student Member , Toshihiko Noguchi , Member (Shizuoka University)

This paper proposes a leading current compensation of a 200-kHz output three-phase to single-phase matrix converter. The
operating characteristics of the proposed and conventional methods are compared and evaluated. The simulation results show thatthe total harmonic distortion can effectively be improved while the input power factor is slightly sacrificed.
キーワード：マトリックスコンバータ，誘導加熱，入力電流波形
Keywords：Matrix converter , induction heating , input current waveform

１．まえがき筆者らはこれまでに 200 kHz 出力三相－単相マトリック
スコンバータにおいて負荷を広範囲に変化させた場合の入図1

力力率 1 制御に関して検討し，シミュレーションで運転特性を確認してきた(1),(2)。本稿では従来方式をインダイレクト

三相－単相マトリックスコンバータの主回路構成
Fig. 1. Main circuit configurationof three-phase to single-phase matrix converter.

マトリックスコンバータに適用した場合の問題点を述べる
id*とともに，進み電流補償により入力電流の総合歪率を改善
irisit２．制御原理＜2・1＞

回路構成

図 1 に三相－単相マトリックスコンバータの主回路構成を示す。入力側は三相なので瞬時電力が一定であるが，出vr
vsvt

力側は単相であるため 2 倍の周波数で電力が脈動する。しかし，本稿で検討するように出力が 200 kHz と高周波である
場合は，入力側の LC フィルタにより瞬時電力のインバラン

s

Kds

Kdv
/v

++
++

i/++
sin

id +－i/iq
dq －+200-kHzcarriervr*
vs*vq* / v * / v *PItPI

vd* dq v *iq*

3vcr
vcs
vctcos6

S1 S63

S7200-kHzPolarity signal

S8
180°Phase Shift

S9S 10スを吸収することができる。
＜2・2＞

Kd

Switching modetable

する手法について検討したので報告する。

s

図 2 制御ブロック図Fig. 2. Control block diagram.

制御原理

図 2 に制御ブロック図を示す。まず，入力部は LC フィルタによる共振を抑制するために微分補償を施した入力電流と電源電圧を三相－二相変換する。電源位相を算出し回転座標変換した値と指令値との偏差を PI 制御器に入力し，その出力を再び三相量に戻して三角波キャリア比較を行う。
そこで得られた信号と vcr，vcs，vct により三相－単相マトリックスコンバータのスイッチング信号を得る。出力部は 200
kHz の三角波キャリアから得た信号をもとに出力する極性を切り換える。
＜2・3＞(a) 入力力率 1 制御（ φ < π / 6 ）進み電流補償(b) 進み電流補償（ φ ≥ π / 6 ）

図 3 進み電流補償
Fig. 3. Leading current compensation．

インダイレクトマトリックスコンバータの場合は直流バ[I - 747]

平成 23年電気学会産業応用部門大会

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200
100vr (V) 0-100-200642ir (A) 0-2-4-680
40vout (V) 0-40-8080
40iout (A) 0-40-80

200100vr (V) 0-100-200642ir (A) 0-2-4-680
40vout (V) 0-40-80
80
40iout (A) 0-40-80

Time 10 (ms/div)

Total input power factor (%)

Total harmonic distortion (%)

80
70
60
50
4030
20
1000.0Conventional
Proposed

0.5

1.0

1.5
2.0
Load (kW)

2.5

3.0

Time 10 (ms/div)

図 5 シミュレーション波形（提案法）
Fig. 5. Simulation result (proposed control method).

図 4 シミュレーション波形（従来法）
Fig. 4. Simulation result (conventional control method).

3.5

100959085
Conventional
Proposed

8075
0.0

0.5

1.0

1.5
2.0
Load (kW)

2.5

3.03.5図 7 総合入力力率
Fig. 7. Total input power factor.

図 6 入力電流の総合歪率
Fig. 6. Total harmonic distortion of input current.

３．シミュレーションによる運転特性の検証

表 1 主回路の電気的パラメータ
Table 1. Electric parameters of main circuit.
Input Power Source
3φ, 200 V, 60 Hz
Lf = 0.6 mH, Cf = 50 μ F
Input LC Filter（ Lf = 0.028 p.u., Cf = 0.15 p.u.）
Load
R = 0.324 Ω, L = 7.19 μ H

表 1 に示すパラメータを用いてシミュレーションを行った。図 4 に従来の入力力率 1 制御を行った場合，図 5 に提案する進み電流補償を行った場合の波形（0.48 kW 出力），入力電流の総合歪率（30 次まで）と総合入力力率を比較しOutput Resonant Capacitor

C = 89.2 nFたものを図 6 と図 7 に示す。軽負荷時に従来のように入力

Output Frequency

200 kHz

力率 1 制御を行った場合，直流バスに負極性出力しようとするため入力電流が歪むが，進み電流補償した場合は入力スが存在するため，そこで負極性出力することは不可能で力率を犠牲にすることで負極性出力を防ぎ入力電流の歪率あり，その影響で入力電流に歪が生じる。そこで図 3 のよを改善することができる。0.48 kW のような軽負荷時においうな進み電流補償を施すことにより負極性出力を防ぎ入力電流の歪を改善する。負極性出力しようとする φ ≥ π / 6 におて，総合入力力率は従来法が 82.7 %であったのに対し，提いては， φ = π / 6 を保つように q 軸電流指令値を与える。

あったのに対し，提案法は 1.62 %と大幅に改善できる。

φ = π / 6 のとき，

４．まとめ

3 I s = 3 I mc + 3 I c ，I∗
3I c = d3(1)であるので， φ = π / 6 を保つには q 軸電流指令値にI∗
3I c − d

本稿では 200 kHz 出力三相－単相マトリックスコンバー
タのインダイレクト化について検討し，従来法と提案する制御方式を用いた場合の動作特性を比較評価した。シミュ(2)

3

案法は 75.9 %と悪化するが，総合歪率は従来法が 71.2 %でを加えることで実現できる。また， φ < π / 6 においては従来

レーション結果より，軽負荷時（0.48 kW 出力）において入力力率を犠牲にすることで入力電流総合歪率を 69.5 ポイン
ト改善できることを確認した。

通り力率 1 制御を行う。q 軸電流指令値を次式に示す。
⎧ I ∗ ωKd⎪ d∗ ⎪Iq = ⎨I d∗∗⎪ I d ωK d + 3 I c −3⎩⎪π⎞⎛
⎜φ < ⎟6⎠⎝π⎞⎛⎜φ ≥ ⎟6⎠⎝

文(3)[I - 748]

献(１) 小杉・野口・平石・市川：「誘導加熱用三相/単相マトリックスコンバータ」半導体電力変換研究会資料，SPC-10-036 (2010)(２) 高山・久保田・野口：「200 kHz 出力三相-単相マトリックスコンバー
タの入力電流波形改善法」電気学会全国大会，4-028 (2011)(３) 石川・竹下：「三相/三相マトリックスコンバータの入力力率制御法」
電学論 D，129 巻，3 号，p.p.258-266 (2009)