JP2008206286A - Controller for ac-ac direct converter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a controller which enables the drive of a motor without increasing an output current without generating low-frequency torque pulsation or noise, even in case that it outputs voltage 0.866 times as high as the power voltage. <P>SOLUTION: An AC-AC direct converter includes first absolute value limiting means 11u, 11v, 11w which limit first phase voltage command of each phase so that the instant absolute value may be a first reference value or under, a means 12 which calculates zero-phase components from these output, addition means 13u, 13v, 13w which calculate second phase voltage commands by adding the above zero phase components to the first phase voltage command, and a second absolute value limiting means 2 which calculates a third phase voltage command by limiting the second phase voltage command so that the instant absolute value may be a second reference value or under. It calculates the on-off command to the semiconductor switching element of the AC-AC direct converter, using a third phase voltage command. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、多相の交流電圧を任意の振幅・周波数の交流電圧に直接変換する交流交流直接変換器の制御装置に関するものである。   The present invention relates to a control device for an AC / AC direct converter that directly converts a polyphase AC voltage into an AC voltage having an arbitrary amplitude and frequency by a switching operation of a semiconductor switching element.

この種の交流交流直接変換器として、マトリクスコンバータがよく知られている。
図7はマトリクスコンバータの主回路構成図であり、系統接続端子R,S,Tと出力端子U,V,Wとの間に、複数の半導体スイッチング素子を組み合わせて電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチSru,Rsu,Stu,Srv,Ssv,Stv,Srw,Ssw,Stwをそれぞれ接続して構成されている。
A matrix converter is well known as this type of AC / AC direct converter.
FIG. 7 is a diagram showing the main circuit configuration of the matrix converter. A plurality of semiconductor switching elements can be combined between the system connection terminals R, S, T and the output terminals U, V, W to allow current to flow bidirectionally. The bidirectional switches S ru , R su , S tu , S rv , S sv , S tv , S rw , S sw , S tw are respectively connected.

上記マトリクスコンバータの制御方法には様々なものがあるが、ここでは、図9に示すような仮想整流器100及び仮想インバータ200からなるシステム(仮想整流器/仮想インバータシステム)を想定し、マトリクスコンバータの双方向スイッチ(双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子)のオン・オフ指令を作成する方法を例にとって説明する。
なお、図9において、300は直流中間コンデンサ、S1r〜S6rは仮想整流器100を構成する半導体スイッチング素子、S〜Sは仮想インバータ200を構成する半導体スイッチング素子である。
There are various control methods for the matrix converter. Here, a system (virtual rectifier / virtual inverter system) including a virtual rectifier 100 and a virtual inverter 200 as shown in FIG. A method for creating an on / off command for a directional switch (a semiconductor switching element constituting a bidirectional switch) will be described as an example.
In FIG. 9, 300 is a DC intermediate capacitor, S 1r to S 6r are semiconductor switching elements constituting the virtual rectifier 100, and S 1 to S 6 are semiconductor switching elements constituting the virtual inverter 200.

図8は、仮想整流器/仮想インバータシステムの制御装置の構成を示すブロック図である。
図8において、仮想整流器指令演算手段21、及び、出力周波数指令fが入力される仮想インバータ指令演算手段23では、それぞれ従来の整流器・インバータと全く同様の方法で、図9に示した仮想整流器100、仮想インバータ200の電流指令i ,i ,i 及び電圧指令v ,v ,v をそれぞれ演算する。スイッチングパターン演算手段22,24では、上記の各指令に基づいて、仮想整流器100、仮想インバータ200を構成する各スイッチング素子のスイッチングパターン(オン・オフ指令)を演算する。指令合成手段25では、上記演算手段22,24により演算された仮想整流器100、仮想インバータ200のオン・オフ指令を合成してマトリクスコンバータの双方向スイッチに対するオン・オフ指令を生成し、出力する。
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the control device of the virtual rectifier / virtual inverter system.
In FIG. 8, the virtual rectifier command calculation means 21 and the virtual inverter command calculation means 23 to which the output frequency command f * is input are respectively the same as the conventional rectifier / inverter, in the virtual rectifier shown in FIG. 100, current command i r * of the virtual inverter 200, i s *, i t * and the voltage command v u *, v v *, v computes w *, respectively. The switching pattern calculation means 22 and 24 calculate the switching pattern (on / off command) of each switching element constituting the virtual rectifier 100 and the virtual inverter 200 based on the above commands. The command synthesizing unit 25 synthesizes the on / off commands of the virtual rectifier 100 and the virtual inverter 200 calculated by the calculating units 22 and 24 to generate and output an on / off command for the bidirectional switch of the matrix converter.

例えば、図9におけるスイッチング素子S1r,Sがオンとなっている状態は、入力側のR相と出力側のV相とが接続された状態に他ならない。この状態は、図7に示したマトリクスコンバータにおいて、双方向スイッチSrvがオンしていることに相当する。
上記の考えに基づいた数式1の演算を図8の指令合成手段25が行うことにより、仮想整流器100及び仮想インバータ200のスイッチングパターンから一意にマトリクスコンバータのオン・オフ指令を得ることができる。
For example, the state in which the switching elements S 1r and S 2 in FIG. 9 are on is nothing but a state in which the R phase on the input side and the V phase on the output side are connected. This state corresponds to the bidirectional switch Srv being on in the matrix converter shown in FIG.
8 is performed by the command synthesizing unit 25 in FIG. 8, the matrix converter ON / OFF command can be uniquely obtained from the switching pattern of the virtual rectifier 100 and the virtual inverter 200.

Figure 2008206286
Figure 2008206286

数式1に示した記号は、同一記号を付した図7の双方向スイッチ及び図9のスイッチング素子のスイッチング関数であり、各双方向スイッチまたはスイッチング素子がオンの場合は1、オフの場合は0となる。この制御方式によれば、従来の整流器・インバータの制御をそのまま適用できるため、実現が非常に容易である。この種の技術は、後述する非特許文献1に開示されている。   The symbol shown in Formula 1 is the switching function of the bidirectional switch of FIG. 7 and the switching element of FIG. 9 with the same symbol, and is 1 when each bidirectional switch or switching element is on, and 0 when it is off. It becomes. According to this control method, since the conventional control of the rectifier / inverter can be applied as it is, it is very easy to realize. This type of technology is disclosed in Non-Patent Document 1 described later.

一方、マトリクスコンバータは、電源電圧を双方向スイッチにより直接スイッチングして電圧を出力するので、PWM制御により電圧を出力できる範囲は、6相交流の包絡線範囲となる。従って、所望の出力電圧が得られる出力電圧指令の範囲は、最大で電源電圧(相電圧)の0.866倍となる。この範囲は、図10に網掛けして示した範囲であり、以下ではPWM可能範囲ともいう。
電源電圧の0.866倍を超える電圧を出力する場合(いわゆる過変調領域での運転時)には、前記PWM可能範囲の制約から、図10に太線で示すように出力電圧の歪みが生じる。この歪みにより、出力周波数の奇数倍成分だけでなく、入出力の周波数で決まるマトリクスコンバータ特有の低周波成分が発生する。
On the other hand, since the matrix converter directly switches the power supply voltage with a bidirectional switch and outputs the voltage, the range in which the voltage can be output by the PWM control is an envelope range of a six-phase alternating current. Therefore, the range of the output voltage command for obtaining a desired output voltage is 0.866 times the power supply voltage (phase voltage) at the maximum. This range is a range shown by hatching in FIG. 10, and is also referred to as a PWM possible range below.
When a voltage exceeding 0.866 times the power supply voltage is output (during operation in a so-called overmodulation region), distortion of the output voltage occurs as shown by a thick line in FIG. Due to this distortion, not only an odd multiple component of the output frequency but also a low frequency component peculiar to the matrix converter determined by the input / output frequency is generated.

ここで、マトリクスコンバータによって電動機を駆動するケースを想定し、特に電動機の電圧定格が電源電圧と同等である場合には、マトリクスコンバータが、電源電圧の0.866倍を超える電圧を出力する必要がある。しかし、このような場合、前述した出力電圧の歪みによりトルクの脈動や回転ムラが発生し、騒音発生や電動機を破壊する原因になる。特に、入力周波数以下の成分によるトルク脈動は、その影響が顕著に現れる。   Here, assuming a case where the electric motor is driven by a matrix converter, particularly when the voltage rating of the electric motor is equal to the power supply voltage, the matrix converter needs to output a voltage exceeding 0.866 times the power supply voltage. is there. However, in such a case, the pulsation of the torque and the rotation unevenness occur due to the distortion of the output voltage described above, which causes noise generation and destruction of the electric motor. In particular, the effect of torque pulsation due to components below the input frequency is significant.

これらの問題を解決する制御方法として、非特許文献2や特許文献1には、過変調領域において電動機の磁束を弱めて端子電圧を抑制することにより、歪みを発生させずに運転する技術が開示されている。   As a control method for solving these problems, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 disclose a technique of operating without generating distortion by weakening the magnetic flux of the motor and suppressing the terminal voltage in the overmodulation region. Has been.

伊東 淳一ほか5名,「キャリア比較方式を用いた仮想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」,電気学会論文誌D,第124巻第5号,p.457−p.463,2004年5月号Shinichi Ito and five others, “Controlling Matrix Converter by Virtual AC / DC / AC Conversion System Using Carrier Comparison System”, IEEJ Transactions D, Vol. 124, No. 5, p.457-p.463 May 2004 issue 佐藤 以久也ほか5名,「マトリックスコンバータの電動機駆動性能改善に関する研究」,電気学会半導体電力変換研究会論文,SPC−04−75,2004年Ikuya Sato et al., “Research on improvement of motor drive performance of matrix converter”, IEEJ Semiconductor Power Conversion Study Paper, SPC-04-75, 2004 特開平5−260762号公報(段落[0014]〜[0020]、図1等)Japanese Patent Laid-Open No. 5-260762 (paragraphs [0014] to [0020], FIG. 1 etc.)

非特許文献2や特許文献1に開示されている技術を用いれば、出力電圧を正弦波状に制御できるので、トルクの脈動や騒音などの問題は解決可能である。しかし、これらの従来技術では、マトリクスコンバータの出力電圧を電源電圧の0.866倍以下に抑えて変調領域内で正弦波電圧を出力するため、出力電流が大きく増加する。その結果、電動機の損失が増加して異常過熱を招いたりスイッチング素子などの故障を引き起こす恐れがあり、これらの不都合を回避するためには、容量の大きな電動機が必要になってシステムのコストを上昇させる原因となる。   If the techniques disclosed in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 are used, the output voltage can be controlled in a sine wave form, so problems such as torque pulsation and noise can be solved. However, in these conventional techniques, the output voltage of the matrix converter is suppressed to 0.866 times or less of the power supply voltage and a sine wave voltage is output in the modulation region, so that the output current increases greatly. As a result, the loss of the motor may increase, leading to abnormal overheating and failure of the switching element, etc. In order to avoid these inconveniences, a motor with a large capacity is required and the system cost is increased. Cause it.

そこで、本発明の解決課題は、電源電圧の0.866倍以上の電圧を出力する場合においても、低周波のトルク脈動や騒音を発生させず、しかも出力電流を増加させることなく電動機を駆動可能とした交流交流直接変換器の制御装置を提供することにある。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is that even when a voltage more than 0.866 times the power supply voltage is output, the motor can be driven without generating low-frequency torque pulsation or noise and without increasing the output current. It is in providing the control apparatus of the alternating current direct current converter which was made.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、多相の交流電圧を任意の振幅・周波数の交流電圧に直接変換する交流交流直接変換器において、
各相の第1の相電圧指令に対してその瞬時の絶対値が第1の基準値以下となるように制限する第1の絶対値制限手段と、
第1の絶対値制限手段の出力から零相成分を演算する手段と、
前記零相成分を第1の相電圧指令に加算して第2の相電圧指令を演算する手段と、
第2の相電圧指令に対してその瞬時の絶対値が第2の基準値以下となるように制限することにより第3の相電圧指令を演算する第2の絶対値制限手段と、を備え、
第3の相電圧指令を用いて前記半導体スイッチング素子のオン・オフ指令を演算するものである。
In order to solve the above-described problem, an invention according to claim 1 is an AC / AC direct converter that directly converts a multiphase AC voltage into an AC voltage having an arbitrary amplitude and frequency by a switching operation of a semiconductor switching element.
First absolute value limiting means for limiting the instantaneous absolute value to be equal to or less than the first reference value with respect to the first phase voltage command of each phase;
Means for calculating a zero-phase component from the output of the first absolute value limiting means;
Means for calculating the second phase voltage command by adding the zero phase component to the first phase voltage command;
Second absolute value limiting means for calculating a third phase voltage command by limiting the instantaneous absolute value of the second phase voltage command to be equal to or less than the second reference value;
An on / off command for the semiconductor switching element is calculated using a third phase voltage command.

請求項2に係る発明は、請求項1記載に記載した制御装置において、第1の基準値及び第2の基準値を電源相電圧の振幅の0.75倍に設定するものである。   According to a second aspect of the present invention, in the control device described in the first aspect, the first reference value and the second reference value are set to 0.75 times the amplitude of the power supply phase voltage.

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した制御装置において、
前記交流交流直接変換器として、仮想整流器と、直流中間回路を介して前記仮想整流器に接続された仮想インバータと、からなる電力変換器を想定し、
前記第3の相電圧指令を用いて前記仮想インバータのスイッチングパターンを演算する手段と、
前記仮想整流器のスイッチングパターンを演算する手段と、
前記仮想インバータ及び前記仮想整流器の両スイッチングパターンを合成して前記交流交流直接変換器を構成する半導体スイッチング素子のオン・オフ指令を演算する手段と、を備えたものである。
The invention according to claim 3 is the control device according to claim 1 or 2,
As the AC / AC direct converter, assuming a power converter comprising a virtual rectifier and a virtual inverter connected to the virtual rectifier via a DC intermediate circuit,
Means for calculating a switching pattern of the virtual inverter using the third phase voltage command;
Means for computing a switching pattern of the virtual rectifier;
And means for synthesizing both switching patterns of the virtual inverter and the virtual rectifier to calculate an on / off command of a semiconductor switching element constituting the AC / AC direct converter.

本発明によれば、各相出力電圧指令の絶対値を考慮して出力電圧指令を補正することにより、交流交流直接変換器の理論限界である電源電圧の0.866倍までの正弦波電圧を出力することができる。また、出力電圧を台形波状とすることにより、変調領域のみを用いて電源電圧の0.866倍以上の電圧を出力可能である。このように変調領域のみを利用するため、電源電圧の0.866倍以上の電圧を出力する場合においても、交流交流直接変換器固有の低周波の出力歪みは発生しない。
特に電動機駆動を行う場合、低周波のトルク脈動を発生させないだけでなく、電源電圧の0.866倍以上の電圧が出力可能であるから、出力電流の増加も抑制することができる。その結果、容量に余裕を見込んだ電動機を用いる必要がなくなるため、交流交流直接変換器を用いた電力変換システムを安価に実現することができる。
According to the present invention, by correcting the output voltage command in consideration of the absolute value of each phase output voltage command, a sinusoidal voltage up to 0.866 times the power supply voltage, which is the theoretical limit of the AC / AC direct converter, can be obtained. Can be output. Further, by making the output voltage trapezoidal, it is possible to output a voltage of 0.866 times or more of the power supply voltage using only the modulation region. Since only the modulation region is used in this way, even when a voltage more than 0.866 times the power supply voltage is output, low frequency output distortion inherent to the AC / AC direct converter does not occur.
In particular, when electric motor driving is performed, not only low-frequency torque pulsation is not generated, but also a voltage more than 0.866 times the power supply voltage can be output, so that an increase in output current can also be suppressed. As a result, it is not necessary to use an electric motor that allows for a capacity, so that a power conversion system using an AC / AC direct converter can be realized at low cost.

以下、本発明の実施形態を図に沿って説明する。まず、図1はこの実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図であり、従来技術と同様に、電動機を駆動するマトリクスコンバータ等の交流交流直接変換器を制御するためのものである。
本実施形態では、いかなる大きさの電圧指令が入力されても、変調領域のみを用いて電圧を出力する。このように変調領域のみを利用するため、従来技術のような低周波の出力歪みを発生させることなく、電源電圧の0.866倍以上の電圧が出力可能となる。
なお本実施形態では、仮想整流器/仮想インバータシステムを想定した制御によりマトリクスコンバータの制御を行う方式について記載しているが、本発明はマトリクスコンバータの制御に他の方式を用いる場合についても適用可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device according to this embodiment, and is for controlling an AC / AC direct converter such as a matrix converter for driving an electric motor, as in the prior art.
In this embodiment, no matter how large a voltage command is input, the voltage is output using only the modulation region. Since only the modulation region is used in this way, a voltage that is at least 0.866 times the power supply voltage can be output without generating low-frequency output distortion as in the prior art.
In this embodiment, the method of controlling the matrix converter by the control assuming the virtual rectifier / virtual inverter system is described, but the present invention is also applicable to the case of using another method for controlling the matrix converter. is there.

図1において、図8と同一の構成要素には同一の記号を付してあり、図8と異なるのは、電圧指令補正手段1及び絶対値制限手段(便宜的に第2の絶対値制限手段という)2を付加した点にある。
電圧指令補正手段1は、仮想インバータ指令演算手段23により演算した三相の相電圧指令(第1の相電圧指令という)v ,v ,v に対して後述の絶対値制限操作を行った後に零相電圧成分を求め、この零相電圧成分を元の第1の相電圧指令v ,v ,v に加算する補正を行うことにより、第2の相電圧指令v **,v **,v **を出力する。次に、第2の絶対値制限手段2により、第2の相電圧指令v **,v **,v **の瞬時の絶対値が第2の基準値以下となるように制限した第3の相電圧指令v ***,v ***,v ***を作成する。
In FIG. 1, the same components as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals. The difference from FIG. 8 is that the voltage command correcting means 1 and the absolute value limiting means (second absolute value limiting means for convenience). 2).
The voltage command correcting means 1 is a three-phase voltage command (referred to as a first phase voltage command) v u * , v v * , v w * calculated by the virtual inverter command calculating means 23, which will be described later in absolute value restriction After the operation, the zero-phase voltage component is obtained, and the zero-phase voltage component is corrected by adding the zero-phase voltage component to the original first phase voltage command v u * , v v * , v w *. Outputs voltage commands v u ** , v v ** , and v w ** . Next, the second absolute value limiting means 2 limits the instantaneous absolute values of the second phase voltage commands v u ** , v v ** , and v w ** to be equal to or lower than the second reference value. The third phase voltage commands v u *** , v v *** , and v w *** are generated.

そして、最終的には、第2の絶対値制限手段2から出力される第3の相電圧指令v ***,v ***,v ***を用いて、従来と同様にスイッチングパターン演算手段24により仮想インバータ200のスイッチングパターンを演算し、指令合成手段25により、前記スイッチングパターンを仮想整流器100のスイッチングパターンと合成して交流交流直接変換器の双方向スイッチに対するオン・オフ指令を生成する。 Finally, the third phase voltage commands v u *** , v v *** , and v w *** output from the second absolute value limiting means 2 are used as in the conventional case. The switching pattern computing means 24 computes the switching pattern of the virtual inverter 200, and the command synthesizing means 25 synthesizes the switching pattern with the switching pattern of the virtual rectifier 100 to turn on and off the bidirectional switch of the AC / AC direct converter. Is generated.

図2は、前記電圧指令補正手段1の構成を示すブロック図である。
各相に設けられた第1の絶対値制限手段11u,11v,11wでは、第1の相電圧指令v ,v ,v に対して、それぞれの瞬時の絶対値が常に第1の基準値以下となるような処理を行う。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the voltage command correction means 1.
In the first absolute value limiting means 11u, 11v, and 11w provided in each phase, the instantaneous absolute values of the first phase voltage commands v u * , v v * , and v w * are always the first. Processing is performed so that the reference value is 1 or less.

図3は、第1の絶対値制限手段11u,11v,11wの動作を示す波形図である。正弦波電圧指令のピーク値が第1の基準値Aを超える場合、電圧指令のピーク値は基準値Aと等しくなるように制限され、図3のように正弦波のピーク部分が欠けた台形波状の波形が出力される。
このような絶対値制限手段11u,11v,11wは、例えばCPU等の演算処理によって容易に実現可能である。
FIG. 3 is a waveform diagram showing the operation of the first absolute value limiting means 11u, 11v, 11w. When the peak value of the sine wave voltage command exceeds the first reference value A, the peak value of the voltage command is limited to be equal to the reference value A, and a trapezoidal wave shape lacking the peak portion of the sine wave as shown in FIG. Is output.
Such absolute value limiting means 11u, 11v, 11w can be easily realized by arithmetic processing such as a CPU.

また、図2における零相分演算手段12では、三相分の絶対値制限手段11u,11v,11wの出力を加算し、零相成分vを演算する。そして、加算手段13u,13v,13wにより、数式2のように、第1の相電圧指令v ,v ,v にvをそれぞれ加算して、第2の相電圧指令v **,v **,v **を得る。
[数2]
**=v +v
**=v +v
**=v +v
Also, the zero-phase calculating means 12 in FIG. 2, three phases of the absolute value limiting means 11u, 11v, the output of 11w adds calculates a zero-phase component v 0. Then, the addition means 13u, 13v, by 13w, as in Equation 2, the first phase voltage command v u *, v v *, v is added w * to v 0, respectively, the second phase voltage command v u **, v v **, get the v w **.
[Equation 2]
v u ** = v u * + v 0
v v ** = v v * + v 0
v w ** = v w * + v 0

図1における第2の絶対値制限手段2では、第2の相電圧指令v **,v **,v **の瞬時の絶対値を第2の基準値以下とする処理を行い、その結果を第3の相電圧指令v ***,v ***,v ***として出力する。第2の絶対値制限手段2の動作は、図3に示した第1の絶対値制限手段11u,11v,11wの動作と全く同様である。
そして、最終的に、絶対値制限手段2の出力である第3の相電圧指令v ***,v ***,v ***を用いて、仮想インバータ200のスイッチングパターンを演算する。
The second absolute value limiting means 2 in FIG. 1 performs processing for setting the instantaneous absolute values of the second phase voltage commands v u ** , v v ** , and v w ** to be equal to or less than the second reference value. The result is output as third phase voltage commands v u *** , v v *** , and v w *** . The operation of the second absolute value limiting means 2 is exactly the same as the operation of the first absolute value limiting means 11u, 11v, 11w shown in FIG.
Finally, the switching pattern of the virtual inverter 200 is calculated using the third phase voltage commands v u *** , v v *** , and v w *** that are the outputs of the absolute value limiting means 2. To do.

以上の構成により、第1,第2の基準値を適切に設定することで、電源電圧の0.866倍までは指令通りの振幅を持つ正弦波電圧を出力可能である。また、電源電圧の0.866倍以上の出力電圧が要求される場合は、変調領域(図10の網掛け部分)のみを用いて台形波状の電圧指令を出力する。この場合、出力電圧の振幅が制限されることになるが、電圧指令の波形を台形波状にすることにより、同一の振幅を持つ正弦波指令に対して出力電圧を増加させることができる。
また、電圧指令として変調領域のみを用いるため、従来技術では問題となるような固有の低周波の出力歪みは発生しない。更に、電圧指令に応じて正弦波、台形波という異なる形状の電圧を出力することになるが、切り替えのための特別なシーケンスは必要なく、実現は容易である。
With the above configuration, by appropriately setting the first and second reference values, a sinusoidal voltage having a commanded amplitude can be output up to 0.866 times the power supply voltage. When an output voltage of 0.866 times or more of the power supply voltage is required, a trapezoidal voltage command is output using only the modulation region (shaded portion in FIG. 10). In this case, although the amplitude of the output voltage is limited, the output voltage can be increased with respect to a sine wave command having the same amplitude by making the waveform of the voltage command trapezoidal.
Further, since only the modulation region is used as the voltage command, there is no inherent low frequency output distortion that would be a problem in the prior art. Furthermore, although voltages having different shapes such as a sine wave and a trapezoidal wave are output according to the voltage command, a special sequence for switching is not necessary, and the implementation is easy.

次に、本発明の効果をシミュレーション結果から説明する。図4〜6は、相電圧指令の大きさを変化させた場合のシミュレーション波形であり、何れも上から第1の相電圧指令v、零相分電圧v、第2及び第3の相電圧指令v**,v***、線間電圧vuvを示している。
ただし、絶対値制限手段11u,11v,11w,12に対して適用される第1,第2の基準値は、共に電源相電圧の振幅の0.75倍とした。また、電源相電圧のピーク値を1.0puとして表している。
Next, the effect of the present invention will be described from simulation results. 4 to 6 are simulation waveforms when the magnitude of the phase voltage command is changed, and all of the first phase voltage command v * , the zero-phase divided voltage v 0 , the second and third phases from the top. Voltage commands v ** , v *** , and line voltage vuv are shown.
However, the first and second reference values applied to the absolute value limiting means 11u, 11v, 11w, and 12 are both 0.75 times the amplitude of the power supply phase voltage. Further, the peak value of the power supply phase voltage is expressed as 1.0 pu.

図4は、電源相電圧の0.6倍の振幅を持つ第1の相電圧指令vを与えた場合のシミュレーション波形を示す。この場合、v ,v ,v は第1、第2の基準値を超えることはないので、図2の零相分演算手段12から出力されるvは0である。その結果、次の数式3が成り立つ。
[数3]
***=v
***=v
***=v
以上により、電源相電圧の0.75倍以下の振幅を持つ第1の相電圧指令を与えた場合は、第3の相電圧指令と第1の相電圧指令とは等しくなるため、マトリクスコンバータは第1の相電圧指令通りの正弦波電圧を出力することができる。
FIG. 4 shows a simulation waveform when the first phase voltage command v * having an amplitude 0.6 times the power supply phase voltage is given. In this case, since v u * , v v * , and v w * do not exceed the first and second reference values, v 0 output from the zero-phase component calculating means 12 in FIG. As a result, the following Equation 3 is established.
[Equation 3]
v u *** = v u *
v v *** = v v *
v w *** = v w *
As described above, when the first phase voltage command having an amplitude not more than 0.75 times the power supply phase voltage is given, the third phase voltage command and the first phase voltage command are equal. A sine wave voltage according to the first phase voltage command can be output.

図5は、電源相電圧の0.8倍の振幅を持つ第1の相電圧指令を与えた場合のシミュレーション波形を示している。この場合、絶対値制限手段11u,11v,11wが動作するため、第2の相電圧指令v **,v **,v **及び第3の相電圧指令v ***,v ***,v ***は正弦波状ではなく、台形波状となっている。この場合には、振幅の絶対値が最大となる相の電圧指令を第1の基準値に固定する代わりに、零相分電圧vにより他の2相に補正を加えることにより、出力線間電圧を指令値通りの正弦波状に保つ動作が行われる。その結果、出力線間電圧は第1の相電圧指令から演算した線間電圧指令と一致し、指令値通りの電圧を出力することができる。以上の原理により、理論限界である電源電圧の0.866倍までの正弦波電圧を指令値通りに出力可能となる。 FIG. 5 shows a simulation waveform when a first phase voltage command having an amplitude 0.8 times the power supply phase voltage is given. In this case, since the absolute value limiting means 11u, 11v, and 11w operate, the second phase voltage commands v u ** , v v ** , v w **, and the third phase voltage commands v u ** , v v *** and v w *** are not sinusoidal but trapezoidal. In this case, instead of fixing the voltage command of the phase where the absolute value of the amplitude is maximum to the first reference value, by correcting the other two phases with the zero-phase divided voltage v 0 , The operation of keeping the voltage in a sine wave shape as the command value is performed. As a result, the output line voltage coincides with the line voltage command calculated from the first phase voltage command, and a voltage according to the command value can be output. Based on the above principle, a sinusoidal voltage up to 0.866 times the power supply voltage, which is the theoretical limit, can be output according to the command value.

図6は、電源相電圧の0.95倍の振幅を持つ第1の相電圧指令を与えた場合のシミュレーション波形を示している。この場合、電圧指令が交流交流直接変換器の出力可能な電圧の理論限界を超えているため、各相電圧指令に零相分電圧vを加算する操作を行っても、正弦波状の電圧指令を出力できず、固有の低周波の歪みが発生する。
しかし、このような場合、本実施形態では図1における第2の絶対値制限手段2が動作し、第2の相電圧指令v **,v **,v **の瞬時の絶対値を常に第2の基準値以下に制限する。その結果、第1の相電圧指令としてどのような値が入力されても、第3の相電圧指令v ***,v ***,v ***のピーク値は第2の基準値以下に制限されるので、v ***,v ***,v ***は台形波状の波形となり、実際の出力電圧も台形波状となる。
FIG. 6 shows a simulation waveform when a first phase voltage command having an amplitude 0.95 times the power supply phase voltage is given. In this case, since the voltage command exceeds the theoretical limit of the voltage that can be output from the AC / AC direct converter, even if an operation for adding the zero-phase voltage v 0 to each phase voltage command is performed, a sinusoidal voltage command Cannot be output, and inherent low-frequency distortion occurs.
However, in such a case, in the present embodiment, the second absolute value limiting unit 2 in FIG. 1 operates, and the instantaneous absolute values of the second phase voltage commands v u ** , v v ** , v w ** Always limit the value below the second reference value. As a result, no matter what value is input as the first phase voltage command, the peak value of the third phase voltage command v u *** , v v *** , v w *** is the second phase voltage command. Since it is limited to the reference value or less, v u *** , v v *** , and v w *** have a trapezoidal waveform, and the actual output voltage also has a trapezoidal waveform.

本実施形態によれば、出力電圧のピーク値を制限することになるが、同一のピーク値を持つ正弦波に対して実効値を増加できるため、電源電圧の0.866倍以上の電圧を出力することができる。更に、過変調領域での運転を行うことはないため、電動機の低周波トルク脈動を発生させる電圧歪みは発生しない。
以上より、過変調領域において発生する固有の低周波の歪みを発生させることなく、交流交流直接変換器から電源電圧の0.866倍以上の電圧を出力することが可能になる。
According to the present embodiment, the peak value of the output voltage is limited. However, since the effective value can be increased with respect to a sine wave having the same peak value, a voltage more than 0.866 times the power supply voltage is output. can do. Further, since the operation in the overmodulation region is not performed, the voltage distortion that generates the low frequency torque pulsation of the motor does not occur.
As described above, it is possible to output a voltage of 0.866 times or more of the power supply voltage from the AC / AC direct converter without generating the inherent low-frequency distortion that occurs in the overmodulation region.

なお、図4〜図6に示した動作例では、第1及び第2の基準値を電源相電圧の振幅の0.75倍としたが、第1及び第2の基準値を電源相電圧の振幅の0.75倍未満としても同様の効果が得られる。
但し、第1及び第2の基準値を電源相電圧の振幅の0.75倍とした時に電圧利用率(=出力電圧/入力電圧)が最も高く、直接変換器の理論限界である電源電圧の0.866倍まで正弦波出力が可能となり、この場合に本発明の効果が最大となる。
第1及び第2の基準値を電源相電圧の振幅の0.75倍未満とすると、正弦波出力が可能な範囲が狭くなるため、負荷として電動機を駆動する場合に出力電流が増加するが、その場合でも、本発明では過変調領域を用いることがなく、固有の低周波の歪み成分は発生しないため、低周波のトルク脈動が発生するおそれもない。
4 to 6, the first and second reference values are set to 0.75 times the amplitude of the power supply phase voltage, but the first and second reference values are set to the power supply phase voltage. The same effect can be obtained even if the amplitude is less than 0.75 times the amplitude.
However, when the first and second reference values are set to 0.75 times the amplitude of the power supply phase voltage, the voltage utilization factor (= output voltage / input voltage) is the highest, and the power supply voltage that is the theoretical limit of the direct converter is A sine wave output is possible up to 0.866 times, and in this case, the effect of the present invention is maximized.
If the first and second reference values are less than 0.75 times the amplitude of the power supply phase voltage, the range in which the sine wave output is possible becomes narrow, so the output current increases when the motor is driven as a load. Even in such a case, the present invention does not use an overmodulation region, and an inherent low-frequency distortion component does not occur, so there is no possibility of low-frequency torque pulsation.

本発明の実施形態を示す制御装置のブロック図である。It is a block diagram of a control device showing an embodiment of the present invention. 図1における電圧指令補正手段の構成図である。It is a block diagram of the voltage command correction | amendment means in FIG. 図2における第1の絶対値制限手段の動作を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows operation | movement of the 1st absolute value limiting means in FIG. 本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the simulation result by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示すシミュレーション波形図である。It is a simulation waveform diagram which shows the simulation result by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示すシミュレーション波形図である。It is a simulation waveform diagram which shows the simulation result by embodiment of this invention. マトリクスコンバータの主回路構成図である。It is a main circuit block diagram of a matrix converter. 仮想整流器/仮想インバータシステムの制御装置の従来技術を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the prior art of the control apparatus of a virtual rectifier / virtual inverter system. 仮想整流器/仮想インバータシステムの構成図である。It is a block diagram of a virtual rectifier / virtual inverter system. マトリクスコンバータの過変調時における出力電圧波形図である。It is an output voltage waveform figure at the time of the overmodulation of a matrix converter.

符号の説明Explanation of symbols

1:電圧指令補正手段
2:絶対値制限手段(第2の絶対値制限手段)
11u,11v,11w:絶対値制限手段(第1の絶対値制限手段)
12:零相分演算手段
13u,13v,13w:加算手段
21:仮想整流器指令演算手段
22:スイッチングパターン演算手段
23:仮想インバータ指令演算手段
24:スイッチングパターン演算手段
25:指令合成手段
1: Voltage command correcting means 2: Absolute value limiting means (second absolute value limiting means)
11u, 11v, 11w: Absolute value limiting means (first absolute value limiting means)
12: Zero-phase component calculating means 13u, 13v, 13w: Adding means 21: Virtual rectifier command calculating means 22: Switching pattern calculating means 23: Virtual inverter command calculating means 24: Switching pattern calculating means 25: Command combining means

Claims (3)

半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、多相の交流電圧を任意の振幅・周波数の交流電圧に直接変換する交流交流直接変換器において、
各相の第1の相電圧指令に対してその瞬時の絶対値が第1の基準値以下となるように制限する第1の絶対値制限手段と、
第1の絶対値制限手段の出力から零相成分を演算する手段と、
前記零相成分を第1の相電圧指令に加算して第2の相電圧指令を演算する手段と、
第2の相電圧指令に対してその瞬時の絶対値が第2の基準値以下となるように制限することにより第3の相電圧指令を演算する第2の絶対値制限手段と、を備え、
第3の相電圧指令を用いて前記半導体スイッチング素子のオン・オフ指令を演算することを特徴とする交流交流直接変換器の制御装置。
In the AC / AC direct converter that directly converts multi-phase AC voltage to AC voltage of arbitrary amplitude and frequency by switching operation of the semiconductor switching element,
First absolute value limiting means for limiting the instantaneous absolute value to be equal to or less than the first reference value with respect to the first phase voltage command of each phase;
Means for calculating a zero-phase component from the output of the first absolute value limiting means;
Means for calculating the second phase voltage command by adding the zero phase component to the first phase voltage command;
Second absolute value limiting means for calculating a third phase voltage command by limiting the instantaneous absolute value of the second phase voltage command to be equal to or less than the second reference value;
A control device for an AC / AC direct converter, wherein an on / off command of the semiconductor switching element is calculated using a third phase voltage command.
請求項1記載に記載した制御装置において、
第1の基準値及び第2の基準値を電源相電圧の振幅の0.75倍に設定することを特徴とする交流交流直接変換器の制御装置。
The control device according to claim 1,
A control apparatus for an AC / AC direct converter, wherein the first reference value and the second reference value are set to 0.75 times the amplitude of the power supply phase voltage.
請求項1または2に記載した制御装置において、
前記交流交流直接変換器として、仮想整流器と、直流中間回路を介して前記仮想整流器に接続された仮想インバータと、からなる電力変換器を想定し、
前記第3の相電圧指令を用いて前記仮想インバータのスイッチングパターンを演算する手段と、
前記仮想整流器のスイッチングパターンを演算する手段と、
前記仮想インバータ及び前記仮想整流器の両スイッチングパターンを合成して前記交流交流直接変換器を構成する半導体スイッチング素子のオン・オフ指令を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流直接変換器の制御装置。
In the control device according to claim 1 or 2,
As the AC / AC direct converter, assuming a power converter comprising a virtual rectifier and a virtual inverter connected to the virtual rectifier via a DC intermediate circuit,
Means for calculating a switching pattern of the virtual inverter using the third phase voltage command;
Means for computing a switching pattern of the virtual rectifier;
Means for synthesizing both switching patterns of the virtual inverter and the virtual rectifier to calculate an on / off command of a semiconductor switching element constituting the AC / AC direct converter;
An AC / AC direct converter control device comprising:
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