JP6630198B2

JP6630198B2 - Power converter

Info

Publication number: JP6630198B2
Application number: JP2016048808A
Authority: JP
Inventors: 博志藤本; 基佐藤
Original assignee: University of Tokyo NUC; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: University of Tokyo NUC; Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: JP2017163804A

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power converter.

例えば三相モータ等の多相負荷に供給する多相電圧を出力するために、電力変換装置が様々なシステムで使用されている。従来の電力変換装置として、絶縁回路を構成するトランスの高効率化等を狙い、共振回路を利用して単相高周波電流を発生させ、これを電流源として電力変換を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 For example, in order to output a multi-phase voltage to be supplied to a multi-phase load such as a three-phase motor, a power conversion device is used in various systems. 2. Description of the Related Art As a conventional power conversion device, a device that generates a single-phase high-frequency current using a resonance circuit and performs power conversion using the same as a current source with the aim of increasing the efficiency of a transformer forming an insulation circuit is known. (For example, see Patent Document 1).

この高周波絶縁電流源を用いれば、その単相交流出力を整流器で直流に変換した後、三相ＰＷＭ変換器で三相交流出力に変換することにより、変換効率の良い電力変換装置を実現することが可能となる。 If this high-frequency insulating current source is used, a single-phase AC output is converted to DC by a rectifier, and then converted to a three-phase AC output by a three-phase PWM converter, thereby realizing a power conversion device with high conversion efficiency. Becomes possible.

特開２０１３−２２６００２号公報JP 2013-226002 A

しかし、上述した電力変換装置は、整流器、及び三相ＰＷＭ変換器を要することから、部品点数が多くなり、装置全体が大型化することが懸念される。 However, since the above-described power converter requires a rectifier and a three-phase PWM converter, the number of components is increased, and there is a concern that the entire device will become larger.

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、部品点数を削減でき、小型化を実現できる電力変換装置を提供することにある。 An object of the present invention, which has been made in view of such a viewpoint, is to provide a power conversion device that can reduce the number of components and can realize downsizing.

前記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、電流源から出力された単相高周波電流をＮ相交流電圧（Ｎは２以上の整数）に変換する電力変換装置であって、一端が、前記電流源の一端と接続されるＮ個のスイッチと、一端が、前記電流源の他端と接続されるＮ個のコンデンサと、前記単相高周波電流の極性を判別する極性判別部と、前記極性判別部が判別した前記極性および電流指令ベクトルに基づいて、前記Ｎ個のスイッチのうちの１つを選択的にオンにする制御部と、を備え、前記Ｎ個のスイッチの他端が前記Ｎ個のコンデンサの他端のそれぞれと接続される点をＮ個の接続点として、前記Ｎ個の接続点における前記Ｎ相交流電圧がＮ相負荷に印加されることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a power converter according to the present invention is a power converter that converts a single-phase high-frequency current output from a current source into an N-phase AC voltage (N is an integer of 2 or more). Are N switches connected to one end of the current source, one end is N capacitors connected to the other end of the current source, and a polarity determining unit that determines the polarity of the single-phase high-frequency current. A control unit for selectively turning on one of the N switches based on the polarity and the current command vector determined by the polarity determination unit, the other end of the N switches The N-phase AC voltage at the N connection points is applied to an N-phase load, with a point connected to each of the other ends of the N capacitors being N connection points.

また、好ましくは、前記制御部は、前記Ｎ個のスイッチの他端にＮ相低周波交流電流を出力させるスイッチ切り替え制御を実行し、前記Ｎ相低周波交流電流は、前記Ｎ個のコンデンサによって前記Ｎ相交流電圧に変換される。 Further, preferably, the control unit executes switch switching control for outputting an N-phase low-frequency AC current to the other end of the N switches, and the N-phase low-frequency AC current is controlled by the N capacitors. It is converted to the N-phase AC voltage.

また、好ましくは、前記制御部は、前記スイッチ切り替え制御において、前記電流指令ベクトルに基づいて、出力可能な２×Ｎ個の電流ベクトルのうちの２つの電流ベクトルおよびゼロ電流ベクトルの出力時間を算出する。 Preferably, in the switch switching control, the control unit calculates output times of two current vectors and a zero current vector among the 2 × N outputable current vectors based on the current command vector. I do.

また、好ましくは、前記制御部は、前記スイッチ切り替え制御において、前記出力時間に基づいて、前記単相高周波電流の周期の所定倍の時間に、前記周期毎に前記２つの電流ベクトルおよび前記ゼロ電流ベクトルのいずれか１つを出力させる。 Preferably, in the switch switching control, based on the output time, the control unit performs the two current vectors and the zero current for each cycle at a time that is a predetermined multiple of a cycle of the single-phase high-frequency current. Causes one of the vectors to be output.

また、好ましくは、前記制御部は、前記スイッチ切り替え制御において、前記単相高周波電流の１周期で同じスイッチをオンにし続けることによってゼロ電流ベクトルを出力する。なお、本明細書においては、電流ベクトルで指定される電流を出力することを、電流ベクトルを出力する、のように記載する。 Preferably, in the switch switching control, the control unit outputs a zero current vector by keeping the same switch on in one cycle of the single-phase high-frequency current. In this specification, outputting a current specified by a current vector is described as outputting a current vector.

本発明によれば、部品点数を削減でき、小型化を実現できる電力変換装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the number of parts can be reduced and the power converter which can implement | achieve a size reduction can be provided.

本発明の実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す図である。It is a figure showing the schematic structure of the power converter concerning the embodiment of the present invention. 電流ベクトルを示す図である。It is a figure showing a current vector. 電流ベクトルと流れる電流の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a current vector and a flowing current. 電流指令ベクトルに基づく電流ベクトルの選択について説明する図である。It is a figure explaining selection of a current vector based on a current command vector. 電流ベクトルの出力時間の算出を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating calculation of an output time of a current vector. 出力電流の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an output current.

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（電力変換装置の構成）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の概略構成を示す図である。電力変換装置１は、制御部１０と、極性判別部２０と、スイッチ部３０と、コンデンサ部４０と、を備える。 (Configuration of power converter)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a power conversion device 1 according to the present embodiment. The power conversion device 1 includes a control unit 10, a polarity determination unit 20, a switch unit 30, and a capacitor unit 40.

電力変換装置１は、単相高周波電流Ｉｒを出力する電流源２と端子Ｔ０およびＴ１で接続される。電力変換装置１が受け取る単相高周波電流Ｉｒの周波数は例えば８５〜１００ｋＨｚであるが、特に周波数が限定されるものではない。また、電流源２は、例えば上記の特許文献１の共振回路を備える構成であってもよいし、例えば磁界共振結合を用いたワイヤレス電力伝送の二次側のコイルを備える構成であってもよく、特に限定されるものではない。 Power conversion device 1 is connected to current source 2 that outputs single-phase high-frequency current Ir at terminals T0 and T1. The frequency of the single-phase high-frequency current Ir received by the power converter 1 is, for example, 85 to 100 kHz, but the frequency is not particularly limited. Further, the current source 2 may have a configuration including, for example, the resonance circuit of Patent Document 1 described above, or may have a configuration including, for example, a secondary coil for wireless power transmission using magnetic resonance coupling. It is not particularly limited.

電力変換装置１は三相のモータＭと端子Ｔｕ，ＴｖおよびＴｗで接続される。モータＭはＮ相負荷（Ｎは２以上の整数）の一例であって、より具体的には三相負荷（Ｎは３）の一例である。電力変換装置１は、電流源２からの単相高周波電流Ｉｒを三相交流電圧に変換してモータＭに印加する。また、モータＭは交流モータであれば、特に種類（例えば誘導モーター等）が限定されるものではない。なお、以下において、電力変換装置１における電気的接続で、端子Ｔ０およびＴ１に近い方を入力側、端子Ｔｕ，ＴｖおよびＴｗに近い方を出力側と呼ぶ。 The power converter 1 is connected to a three-phase motor M via terminals Tu, Tv and Tw. The motor M is an example of an N-phase load (N is an integer of 2 or more), and more specifically, is an example of a three-phase load (N is 3). The power conversion device 1 converts the single-phase high-frequency current Ir from the current source 2 into a three-phase AC voltage and applies it to the motor M. The type of the motor M is not particularly limited as long as it is an AC motor (for example, an induction motor). In the following, in the electrical connection in the power converter 1, those closer to the terminals T0 and T1 are referred to as input sides, and those closer to the terminals Tu, Tv and Tw are referred to as output sides.

極性判別部２０は、電流源２から受け取る単相高周波電流Ｉｒの極性を判別して、制御部１０に極性の情報を出力する。本実施形態では、図１の単相高周波電流Ｉｒの矢印の向き（端子Ｔ０からスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗへの向き）の極性を正とし、逆方向に流れる単相高周波電流Ｉｒの極性を負とする。なお、本実施形態では、極性判別部２０は制御部１０に対して単相高周波電流Ｉｒがゼロ電流となるタイミングの情報も出力する。 The polarity determining unit 20 determines the polarity of the single-phase high-frequency current Ir received from the current source 2 and outputs the polarity information to the control unit 10. In the present embodiment, the polarity of the single-phase high-frequency current Ir in FIG. 1 in the direction of the arrow (the direction from the terminal T0 to the switches Su, Sv, Sw) is positive, and the polarity of the single-phase high-frequency current Ir flowing in the opposite direction is negative. And In the present embodiment, the polarity discrimination unit 20 also outputs to the control unit 10 information on the timing at which the single-phase high-frequency current Ir becomes a zero current.

スイッチ部３０は、双方向スイッチであるスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗを備える。スイッチ部３０は、電力変換装置１が負荷に印加する交流電圧がＮ相である場合にＮ個のスイッチを備える。本実施形態では、電力変換装置１が単相高周波電流Ｉｒを三相交流電圧に変換するので、スイッチ部３０は３個の双方向スイッチを備える。スイッチ部３０が備える複数のスイッチのうち、一度にオンされるのは１つのスイッチだけであり、複数のスイッチが同時にオンされることはない。つまり、１つのスイッチだけが選択的にオンになる。また、スイッチ部３０が備える複数のスイッチのうちの何れか１つはオンされており、常に電流源２との電流経路が確保されている。なお、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗとしては、例えばＩＧＢＴを互いに逆向きにして並列接続したモジュール等を用いることができるが、特に限定されるものではない。 The switch unit 30 includes switches Su, Sv, and Sw that are bidirectional switches. The switch unit 30 includes N switches when the AC voltage applied by the power converter 1 to the load is N-phase. In the present embodiment, since the power converter 1 converts the single-phase high-frequency current Ir into a three-phase AC voltage, the switch unit 30 includes three bidirectional switches. Of the plurality of switches included in the switch unit 30, only one switch is turned on at a time, and the plurality of switches are not turned on at the same time. That is, only one switch is selectively turned on. Further, any one of the switches included in the switch unit 30 is turned on, and a current path to the current source 2 is always secured. In addition, as the switches Su, Sv, and Sw, for example, a module in which IGBTs are connected in parallel with their directions reversed may be used, but it is not particularly limited.

コンデンサ部４０は、極性のないフィルタコンデンサであるコンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗを備える。コンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗによって電流が電圧に変換される。コンデンサ部４０は、電力変換装置１が負荷に印加する交流電圧がＮ相である場合にＮ個のコンデンサを備える。本実施形態では、電力変換装置１が単相高周波電流Ｉｒを三相交流電圧に変換するので、コンデンサ部４０は３個のコンデンサを備える。なお、コンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗとしては、例えば極性のないフィルムコンデンサ等を用いることができるが、特に限定されるものではない。 The capacitor unit 40 includes capacitors Cu, Cv, and Cw that are filter capacitors having no polarity. The current is converted into a voltage by the capacitors Cu, Cv, Cw. The capacitor unit 40 includes N capacitors when the AC voltage applied by the power converter 1 to the load is N-phase. In the present embodiment, since the power conversion device 1 converts the single-phase high-frequency current Ir into a three-phase AC voltage, the capacitor unit 40 includes three capacitors. In addition, as the capacitors Cu, Cv, and Cw, for example, a film capacitor having no polarity can be used, but it is not particularly limited.

制御部１０は、極性判別部２０が判別した単相高周波電流Ｉｒの極性および電流指令ベクトルに基づいて、スイッチ部３０が備えるスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗそれぞれのオン、オフを制御する。なお、オンとはスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗを電気信号が流れる電気的な接続状態のことをいい、オフとはスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗを電気信号が流れない電気的な切断状態のことをいう。制御部１０は、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗの出力側の端子（本発明のＮ個のスイッチの他端に対応）に三相低周波交流電流を出力させるようにスイッチ切り替え制御を行う。このとき、制御部１０は、電力損失を低減させるために、極性判別部２０から受け取ったゼロ電流となるタイミングでスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗのオン、オフを切り替える。 The control unit 10 controls on / off of each of the switches Su, Sv, and Sw included in the switch unit 30 based on the polarity of the single-phase high-frequency current Ir determined by the polarity determination unit 20 and the current command vector. Note that “on” refers to an electrical connection state in which an electric signal flows through the switches Su, Sv, and Sw, and “off” refers to an electrically disconnected state in which an electric signal does not flow through the switches Su, Sv, and Sw. . The control unit 10 performs switch switching control so as to output a three-phase low-frequency AC current to output terminals of the switches Su, Sv, and Sw (corresponding to the other ends of the N switches of the present invention). At this time, the control unit 10 switches the switches Su, Sv, Sw on and off at the timing when the current becomes zero, which is received from the polarity discrimination unit 20, in order to reduce the power loss.

制御部１０は、スイッチ切り替え制御において、モータＭに所望の三相交流電圧を印加するための電流指令ベクトルを算出する。電流指令ベクトルは公知の手法で算出可能である。本実施形態では、例えばモータＭの回転角速度等の指令値と、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗの三相の出力電流およびモータＭの回転角速度等の実際の検出値とに基づいて算出される。電流指令ベクトルに基づいてスイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗそれぞれについてオンにするタイミング、およびオフにするタイミングが決定される。スイッチ切り替え制御の詳細については後述する。また、上記の通り、制御部１０はモータＭの回転角速度等の指令値、検出値、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗの三相の出力電流等を受け取るが、図１では表示を省略している。 The controller 10 calculates a current command vector for applying a desired three-phase AC voltage to the motor M in the switch switching control. The current command vector can be calculated by a known method. In the present embodiment, it is calculated based on, for example, a command value such as the rotational angular velocity of the motor M, and three-phase output currents of the switches Su, Sv, Sw, and actual detected values such as the rotational angular velocity of the motor M. The timing of turning on and the timing of turning off each of the switches Su, Sv, Sw are determined based on the current command vector. Details of the switch switching control will be described later. Further, as described above, the control unit 10 receives a command value such as a rotational angular velocity of the motor M, a detection value, three-phase output currents of the switches Su, Sv, Sw, and the like, but the display is omitted in FIG.

図１のように、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗの入力側の端子（本発明のＮ個のスイッチの一端に対応）は、端子Ｔ０を介して、電流源２の一方の端子と電気的に接続される。また、コンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗの入力側の端子（本発明のＮ個のコンデンサの一端に対応）は、端子Ｔ１を介して、電流源２の他方の端子と電気的に接続される。そして、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗの出力側の端子（本発明のＮ個のスイッチの他端に対応）のそれぞれは、コンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗの出力側の端子（本発明のＮ個のコンデンサの他端に対応）のそれぞれと、重複せずに接続点Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗ（本発明のＮ個の接続点に対応）で電気的に接続される。この接続点Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗは端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗと電気的に接続されており、接続点Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに生じる三相交流電圧がモータＭに印加される。 As shown in FIG. 1, the input-side terminals of the switches Su, Sv, Sw (corresponding to one ends of the N switches of the present invention) are electrically connected to one terminal of the current source 2 via the terminal T0. Is done. In addition, terminals on the input side of the capacitors Cu, Cv, and Cw (corresponding to one ends of the N capacitors of the present invention) are electrically connected to the other terminal of the current source 2 via the terminal T1. The output terminals of the switches Su, Sv, Sw (corresponding to the other ends of the N switches of the present invention) are respectively connected to the output terminals of the capacitors Cu, Cv, Cw (the N capacitors of the present invention). Are electrically connected to each other at connection points Pu, Pv, Pw (corresponding to the N connection points of the present invention) without overlapping. The connection points Pu, Pv, Pw are electrically connected to the terminals Tu, Tv, Tw, and a three-phase AC voltage generated at the connection points Pu, Pv, Pw is applied to the motor M.

電力変換装置１の上記構成は、従来の電力変換装置における整流器、平滑コンデンサおよび三相ＰＷＭ変換器を、スイッチＳｕ，Ｓｖ，ＳｗとコンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗとに置き換えるものであり、部品点数を削減でき、全体を小型化することが可能になる。 The above configuration of the power converter 1 replaces the rectifier, the smoothing capacitor, and the three-phase PWM converter in the conventional power converter with switches Su, Sv, Sw and capacitors Cu, Cv, Cw. It is possible to reduce the overall size.

（単相高周波電流の１周期で出力可能な電流ベクトル）
図２は、電力変換装置１の電流ベクトル（実線のｓ０，ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３）を示す図であって、スイッチ部３０が出力する三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの静止座標におけるベクトル図である。スイッチ部３０が受け取る単相高周波電流Ｉｒの１周期を平均して考えると、三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがとり得る電流の組合せは７通りとなる。つまり、単相高周波電流Ｉｒの極性が正である半周期と負である半周期とで異なるスイッチをオンにした場合には６通りの組合せができ、同じスイッチをオンにした場合の１通りと合わせて７通りの組み合わせができる。例えば、単相高周波電流Ｉｒの極性が正である半周期にスイッチＳｕをオンにすると三相低周波交流電流Ｉｕが正の向きに流れて、単相高周波電流Ｉｒの極性が負である半周期にスイッチＳｖをオンにすると三相低周波交流電流Ｉｖが負の向きに流れる。これらを、単相高周波電流Ｉｒの１周期で平均すると、図２の電流ベクトルｓ１が出力されることになる。この７通りの組み合わせをテーブルにまとめたものが図３になる。なお、三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの極性は、図１の矢印の向き（スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗから端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗへの向き）を正とし、図１の矢印の反対の向きを負とする。 (Current vector that can be output in one cycle of single-phase high-frequency current)
FIG. 2 is a diagram showing current vectors (solid lines s0, s1, s2, s3, s-1, s-2, s-3) of the power conversion device 1, and shows the three-phase low-voltage output from the switch unit 30. It is a vector diagram in static coordinates of frequency alternating current Iu, Iv, Iw. Assuming that one cycle of the single-phase high-frequency current Ir received by the switch unit 30 is averaged, there are seven possible combinations of the three-phase low-frequency AC currents Iu, Iv, and Iw. That is, when different switches are turned on in a half cycle in which the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is positive and in a half cycle in which the polarity is negative, six combinations are possible, and one combination when the same switch is turned on. A total of seven combinations are possible. For example, when the switch Su is turned on in a half cycle in which the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is positive, the three-phase low-frequency AC current Iu flows in the positive direction, and the half cycle in which the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is negative. When the switch Sv is turned on, the three-phase low-frequency AC current Iv flows in the negative direction. When these are averaged in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir, the current vector s1 in FIG. 2 is output. FIG. 3 shows these seven combinations in a table. The polarity of the three-phase low-frequency alternating currents Iu, Iv, Iw is positive in the direction of the arrow in FIG. 1 (the direction from the switches Su, Sv, Sw to the terminals Tu, Tv, Tw). The opposite direction is negative.

図３では、「Ｉｒ」は極性が正の単相高周波電流Ｉｒを示し、「−Ｉｒ」は極性が負の単相高周波電流Ｉｒを示す。また、「０」は電流が流れない、すなわち、スイッチＳｕ、スイッチＳｖ、またはスイッチＳｗがオフであることを示す。電流ベクトルは、単相高周波電流Ｉｒの１周期で出力可能な、基本となる７通りの電流ベクトルｓ０，ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３である（図２の実線を参照）。 In FIG. 3, “Ir” indicates a single-phase high-frequency current Ir having a positive polarity, and “−Ir” indicates a single-phase high-frequency current Ir having a negative polarity. “0” indicates that no current flows, that is, the switch Su, the switch Sv, or the switch Sw is off. The current vectors are seven basic current vectors s0, s1, s2, s3, s-1, s-2, and s-3 that can be output in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir (see FIG. 2). See solid line).

例えば制御部１０が単相高周波電流Ｉｒのある１周期において電流ベクトルｓ３を出力する場合を考える。図３を参照すると、単相高周波電流Ｉｒの極性が正の場合にＩｖ＝Ｉｒと示されており、単相高周波電流Ｉｒの極性が負の場合にＩｗ＝−Ｉｒと示されている。制御部１０は、図３のテーブルに従って、極性判別部２０が単相高周波電流Ｉｒの極性が正であると判別した半周期にスイッチＳｖだけをオンにして、三相低周波交流電流Ｉｖとして単相高周波電流Ｉｒを正の向きに流す。また、制御部１０は、その半周期の前後の半周期（極性判別部２０が単相高周波電流Ｉｒの極性が負であると判別した対となる半周期）にスイッチＳｗだけをオンにして、三相低周波交流電流Ｉｗとして単相高周波電流Ｉｒを負の向きに流す。このとき、制御部１０は、単相高周波電流Ｉｒの１周期で、図２の電流ベクトルｓ３をスイッチ部３０から出力させることができる。なお、図３のテーブルは、例えば制御部が備えていてもよいし、アクセス可能な記憶部（具体例ではメモリやハードディスク等）に記憶されていてもよい。制御部１０は電流ベクトルｓ０，ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３の何れかを出力する制御を行う際に当該テーブルの情報を取得してもよい。 For example, consider a case where the control unit 10 outputs the current vector s3 in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir. Referring to FIG. 3, when the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is positive, Iv = Ir is indicated, and when the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is negative, Iw = −Ir. The control unit 10 turns on only the switch Sv in a half cycle in which the polarity determining unit 20 determines that the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is positive according to the table in FIG. The phase high-frequency current Ir flows in the positive direction. In addition, the control unit 10 turns on only the switch Sw in a half cycle before and after the half cycle (a half cycle that is a pair where the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is determined to be negative by the polarity determination unit 20), The single-phase high-frequency current Ir flows in the negative direction as the three-phase low-frequency AC current Iw. At this time, the control unit 10 can output the current vector s3 of FIG. 2 from the switch unit 30 in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir. The table in FIG. 3 may be provided in, for example, the control unit, or may be stored in an accessible storage unit (a memory or a hard disk in a specific example). The control unit 10 may acquire the information of the table when performing control to output any one of the current vectors s0, s1, s2, s3, s-1, s-2, and s-3.

次に、例えば制御部１０が単相高周波電流Ｉｒのある１周期において電流ベクトルｓ０を出力する場合を考える。電流ベクトルｓ０はゼロ電流ベクトルであり、図２に示される通り、単相高周波電流Ｉｒの１周期で平均すると出力電流がゼロになる電流ベクトルである。図３を参照すると、単相高周波電流Ｉｒの極性が正の場合にＩｕ＝Ｉｒと示されており、単相高周波電流Ｉｒの極性が負の場合にＩｕ＝−Ｉｒと示されている。制御部１０は、図３のテーブルに従って、単相高周波電流Ｉｒの１周期で同じスイッチＳｕをオンにし続ける。このとき、制御部１０は、ある半周期で、三相低周波交流電流Ｉｕとして単相高周波電流Ｉｒを正の向きに流す。また、制御部１０は、先の半周期の前後の半周期に同じスイッチＳｕをオンにして、三相低周波交流電流Ｉｕとして単相高周波電流Ｉｒを負の向きに流す。制御部１０は、単相高周波電流Ｉｒの１周期において相殺される電流ベクトルをスイッチ部３０から出力させることができ、ゼロ電流ベクトルの出力を実現できる。なお、図３のテーブルでは、ゼロ電流ベクトル（電流ベクトルｓ０）を出力する場合に、単相高周波電流Ｉｒの１周期で同じスイッチＳｕをオンにし続けるとしているが、スイッチＳｕに代えてスイッチＳｖまたはスイッチＳｗが用いられてもよい。 Next, for example, consider a case where the control unit 10 outputs the current vector s0 in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir. The current vector s0 is a zero current vector, and as shown in FIG. 2, is a current vector in which the output current becomes zero when averaged in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir. Referring to FIG. 3, when the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is positive, Iu = Ir is indicated, and when the polarity of the single-phase high-frequency current Ir is negative, Iu = −Ir is indicated. The control unit 10 keeps turning on the same switch Su in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir according to the table in FIG. At this time, the control unit 10 allows the single-phase high-frequency current Ir to flow in the positive direction as the three-phase low-frequency AC current Iu in a certain half cycle. Further, the control unit 10 turns on the same switch Su in a half cycle before and after the previous half cycle, and causes the single-phase high-frequency current Ir to flow in the negative direction as the three-phase low-frequency AC current Iu. The control unit 10 can cause the switch unit 30 to output a current vector that is canceled in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir, and can output a zero current vector. In the table of FIG. 3, when outputting the zero current vector (current vector s0), the same switch Su is kept on in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir, but the switch Sv or the switch Sv is used instead of the switch Su. A switch Sw may be used.

ここで、本実施形態に係る電力変換装置１は、コンデンサ部４０をバイパスするためのスイッチを含まない。そのため、半周期毎に極性だけが異なる電流ベクトルを出力させることによって、単相高周波電流Ｉｒの１周期で出力される電流ベクトルを相殺してゼロ電流ベクトルを実現する。例えば、電力変換装置１にコンデンサ部４０をバイパスするためのスイッチを追加すれば、単相高周波電流Ｉｒの周期とは無関係にゼロ電流ベクトルを出力することができる。つまり、コンデンサ部４０をバイパスするスイッチをオンにすれば、電流源２から出力される単相高周波電流Ｉｒは、コンデンサ部４０をバイパスして電流源２に戻り、コンデンサ部４０に電流が流れることはない。しかし、コンデンサ部４０をバイパスするためのスイッチを追加することにより、電力変換装置１を構成する部品の点数が増えてしまう。換言すると、本実施形態に係る電力変換装置１は、図１のように、バイパスされないコンデンサ部４０を備える構成であることにより、部品点数を削減する効果を高めて一層の小型化を実現することができる。 Here, the power conversion device 1 according to the present embodiment does not include a switch for bypassing the capacitor unit 40. Therefore, by outputting a current vector that differs only in polarity every half cycle, the current vector output in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir is canceled to realize a zero current vector. For example, if a switch for bypassing the capacitor unit 40 is added to the power converter 1, a zero current vector can be output regardless of the cycle of the single-phase high-frequency current Ir. That is, when the switch that bypasses the capacitor unit 40 is turned on, the single-phase high-frequency current Ir output from the current source 2 bypasses the capacitor unit 40 and returns to the current source 2 so that the current flows through the capacitor unit 40. There is no. However, by adding a switch for bypassing the capacitor unit 40, the number of components constituting the power conversion device 1 increases. In other words, the power conversion device 1 according to the present embodiment includes the capacitor unit 40 that is not bypassed as shown in FIG. 1, thereby increasing the effect of reducing the number of components and realizing further miniaturization. Can be.

（電流指令ベクトル）
上記のように、本実施形態に係る電力変換装置１の制御部１０は、単相高周波電流Ｉｒの１周期において、図２の実線のｓ０，ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３で示される７つの電流ベクトルのいずれかを出力させることができる。ここで、電力変換装置１の制御部１０は、これら７つの電流ベクトルを適宜選択して合成することで、任意の電流ベクトルを出力させることが可能である。本実施形態に係る電力変換装置１の制御部１０は、単相高周波電流の周期の所定倍の時間に、ゼロ電流ベクトルと他の２つの電流ベクトルを適切な時間で出力させることによって、所望の電流指令ベクトルを出力させる。以下に、所望の電流指令ベクトルを生成するために制御部１０が行う制御（スイッチ切り替え制御）について説明する。 (Current command vector)
As described above, the control unit 10 of the power conversion device 1 according to the present embodiment performs s0, s1, s2, s3, s-1, and s-2 of the solid line in FIG. 2 in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir. , S-3, can be output. Here, the control unit 10 of the power conversion device 1 can output an arbitrary current vector by appropriately selecting and combining these seven current vectors. The control unit 10 of the power conversion device 1 according to the present embodiment outputs the zero current vector and the other two current vectors at appropriate times during a predetermined time period of the cycle of the single-phase high-frequency current, thereby providing a desired time. Output the current command vector. Hereinafter, control (switch switching control) performed by the control unit 10 to generate a desired current command vector will be described.

制御部１０は、スイッチ切り替え制御として、まずモータＭを適切に動作させるための電流指令ベクトルを算出する。本実施形態では、制御部１０は、モータＭの回転角速度等の指令値と、スイッチＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗの三相の出力電流（三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）、およびモータＭのエンコーダ等から取得した回転角速度等の検出値に基づいて算出する。ここで、静止座標において、モータＭに三相交流電圧を出力するために必要な電流指令ベクトルｋが図４のように示されたとする。 The control unit 10 first calculates a current command vector for appropriately operating the motor M as switch switching control. In the present embodiment, the control unit 10 includes a command value such as a rotational angular velocity of the motor M, three-phase output currents of the switches Su, Sv, Sw (three-phase low-frequency AC currents Iu, Iv, Iw), and the motor M. It is calculated based on the detected values of the rotational angular velocity and the like acquired from the encoder and the like. Here, it is assumed that a current command vector k necessary for outputting a three-phase AC voltage to the motor M at the stationary coordinates is shown in FIG.

制御部１０は、ゼロ電流ベクトル（電流ベクトルｓ０）を除く、単相高周波電流Ｉｒの１周期において出力可能な６通りの電流ベクトルｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３（本発明の２×Ｎ個の電流ベクトルに対応）から、電流指令ベクトルｋに近い２つの電流ベクトルｓ１，ｓ２を選択する。つまり、制御部１０は、図４において電流指令ベクトルｋを挟む位置にある、隣り合った２つの電流ベクトルｓ１，ｓ２を選択する。そして、制御部１０は、選択した電流ベクトルｓ１，ｓ２およびゼロ電流ベクトルを適切な時間で出力させることによって電流指令ベクトルｋを出力する。なお、制御部１０は、電流指令ベクトルｋが電流ベクトルｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３と重なった場合には、その重なった電流ベクトルと隣接する一方の電流ベクトルとを選択すればよい。例えば、電流指令ベクトルｋが電流ベクトルｓ−３と重なった場合には、制御部１０は、電流ベクトルｓ−３と電流ベクトルｓ−２（または電流ベクトルｓ１）とを選択する。 The control unit 10 outputs six types of current vectors s1, s2, s3, s-1, s-2, and s-3 that can be output in one cycle of the single-phase high-frequency current Ir, excluding the zero current vector (current vector s0). (Corresponding to 2 × N current vectors of the present invention), two current vectors s1 and s2 close to the current command vector k are selected. That is, the control unit 10 selects two adjacent current vectors s1 and s2 that are located at the position sandwiching the current command vector k in FIG. Then, the control unit 10 outputs the current command vector k by outputting the selected current vectors s1 and s2 and the zero current vector at an appropriate time. When the current command vector k overlaps the current vectors s1, s2, s3, s-1, s-2, and s-3, the control unit 10 sets one of the current vectors adjacent to the overlapped current vector. You just have to select For example, when the current command vector k overlaps the current vector s-3, the control unit 10 selects the current vector s-3 and the current vector s-2 (or the current vector s1).

そして、制御部１０は電流指令ベクトルｋを、選択した２つの電流ベクトルを単位ベクトルとして分解して、２つの電流ベクトルのそれぞれの出力時間を計算する。このとき、制御部１０は公知の手法（例えば電流指令ベクトルｋおよび選択した２つの電流ベクトルの座標に基づく演算）でも出力時間を計算可能であるが、本実施形態では図５に示される手法を用いる。 Then, the control unit 10 decomposes the current command vector k using the two selected current vectors as a unit vector, and calculates the output time of each of the two current vectors. At this time, the control unit 10 can calculate the output time by a known method (for example, a calculation based on the coordinates of the current command vector k and the selected two current vectors). Used.

図５で時間Ｔは単相高周波電流Ｉｒの周期の１０倍の時間（本発明の所定倍の時間に対応）である。制御部１０は、電流指令ベクトルｋの出力に相当するように、時間Ｔを所定の比率で分割して電流ベクトルｓ１，ｓ２およびゼロ電流ベクトルのそれぞれを出力する。まず、制御部１０は鋸波Ｗを生成して、調整可能な２つの指令値ａ，ｂを用意する。指令値ａ，ｂは、電流ベクトルｓ１、ｓ２およびゼロ電流ベクトルのそれぞれの出力時間を定めるものである。制御部１０は、鋸波Ｗが指令値ａに到達するまでの時間ｔ１で、選択した一方の電流ベクトル（例えば、図４の例では電流ベクトルｓ１）を出力する。制御部１０は、鋸波Ｗが指令値ａに到達してから指令値ｂに到達するまでの時間ｔ２で、選択した他方の電流ベクトル（例えば、図４の例では電流ベクトルｓ２）を出力する。そして、制御部１０は、鋸波Ｗが指令値ｂに到達してから時間Ｔが終わるまでの時間ｔ３で、ゼロ電流ベクトルを出力する。制御部１０は、指令値ａを０から鋸波Ｗに合わせて段階的に大きくなるように変化させて、指令値ｂも指令値ａから鋸波Ｗに合わせて段階的に大きくなるように変化させる。例えば、指令値ａが３である場合（時間ｔ１が単相高周波電流Ｉｒの３周期である場合）、指令値ｂを３，４，５，６…と変化させることで時間ｔ２を増やしていく。そして、次に指令値ａを４に変更して、指令値ｂを４，５，６，７…と変化させる。制御部１０は、このようにして得られた時間ｔ１と時間ｔ２との組み合わせのうち、最も電流指令ベクトルｋに近い出力となるものを選択して、電流ベクトルｓ１、ｓ２およびゼロ電流ベクトルのそれぞれの出力時間を決定する。なお、時間ｔ１と時間ｔ２とを足しても時間Ｔに満たない場合には、制御部１０は、残りの時間でゼロ電流ベクトルを出力して調整する（残りの時間を時間ｔ３とする）。 In FIG. 5, the time T is 10 times the period of the single-phase high-frequency current Ir (corresponding to a predetermined time of the present invention). The control unit 10 divides the time T by a predetermined ratio so as to correspond to the output of the current command vector k, and outputs each of the current vectors s1, s2 and the zero current vector. First, the control unit 10 generates the sawtooth wave W and prepares two adjustable command values a and b. The command values a and b determine the output time of each of the current vectors s1, s2 and the zero current vector. The control unit 10 outputs one selected current vector (for example, the current vector s1 in the example of FIG. 4) at time t1 until the sawtooth wave W reaches the command value a. The control unit 10 outputs the other selected current vector (for example, the current vector s2 in the example of FIG. 4) at time t2 from when the sawtooth W reaches the command value a to when it reaches the command value b. . Then, the control unit 10 outputs a zero current vector at a time t3 from when the sawtooth wave W reaches the command value b to when the time T ends. The control unit 10 changes the command value a from 0 to increase stepwise according to the sawtooth W, and also changes the command value b so as to increase stepwise from the command value a to the sawtooth W. Let it. For example, when the command value a is 3 (when the time t1 is three periods of the single-phase high-frequency current Ir), the time t2 is increased by changing the command value b to 3, 4, 5, 6,. . Then, the command value a is changed to 4 and the command value b is changed to 4, 5, 6, 7,. The control unit 10 selects, from the combination of the time t1 and the time t2 obtained in this manner, one having an output closest to the current command vector k, and selects each of the current vectors s1, s2 and the zero current vector. To determine the output time. If the sum of the time t1 and the time t2 is less than the time T, the control unit 10 outputs and adjusts the zero current vector in the remaining time (the remaining time is referred to as time t3).

ここで、図５で時間Ｔは単相高周波電流Ｉｒの周期の１０倍であるが、これに限られるものではない。時間Ｔが長ければ、時間ｔ１と時間ｔ２との組み合わせが増加するため、より高い精度で（より少ない誤差で）電流指令ベクトルｋを出力できる。しかし、時間Ｔが長ければ、１つの電流指令ベクトルｋを出力するために長い時間がかかることになる。そのため、モータＭを適切に動作させるために必要な電流指令ベクトルｋの更新タイミングに基づいて時間Ｔが選択されることが好ましい。なお、時間Ｔは固定される必要はなく、モータＭの動作状況に応じて可変であってもよい。 Here, in FIG. 5, the time T is ten times the cycle of the single-phase high-frequency current Ir, but is not limited to this. If the time T is long, the combination of the time t1 and the time t2 increases, so that the current command vector k can be output with higher accuracy (with less error). However, if the time T is long, it takes a long time to output one current command vector k. Therefore, it is preferable that the time T is selected based on the update timing of the current command vector k necessary for appropriately operating the motor M. Note that the time T does not need to be fixed, and may be variable according to the operation state of the motor M.

本実施形態に係る電力変換装置１は、上記のような制御部１０のスイッチ切り替え制御を実行して、単相高周波電流Ｉｒから三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを生成することができる。そして、コンデンサＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗによって三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは三相交流電圧に変換されて、モータＭに印加される。ここで、図６は、電力変換装置１の三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのシミュレーション波形である。図６に示されるように、制御部１０のスイッチ切り替え制御によって、三相低周波交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが良好な三相正弦波となっていることが確認できる。 The power converter 1 according to the present embodiment can execute the switch switching control of the control unit 10 as described above to generate three-phase low-frequency AC currents Iu, Iv, and Iw from the single-phase high-frequency current Ir. . Then, the three-phase low-frequency AC currents Iu, Iv, Iw are converted into three-phase AC voltages by the capacitors Cu, Cv, Cw and applied to the motor M. Here, FIG. 6 is a simulation waveform of the three-phase low-frequency AC currents Iu, Iv, Iw of the power converter 1. As shown in FIG. 6, it can be confirmed that the three-phase low-frequency AC currents Iu, Iv, Iw are good three-phase sine waves by the switch switching control of the control unit 10.

以上のように、電力変換装置１は、従来の電力変換装置における整流器および三相ＰＷＭ変換器を用いずに、単相高周波電流Ｉｒから三相交流電圧を出力するものであり、部品点数を削減でき、全体を小型化することが可能になる。特に、本実施形態に係る電力変換装置１は、コンデンサ部４０をバイパスするためのスイッチも不要であるため、部品点数を削減する効果を高めて一層の小型化を実現することができる。 As described above, the power converter 1 outputs a three-phase AC voltage from a single-phase high-frequency current Ir without using a rectifier and a three-phase PWM converter in a conventional power converter, and reduces the number of parts. It is possible to make the whole smaller. In particular, since the power conversion device 1 according to the present embodiment does not require a switch for bypassing the capacitor unit 40, the effect of reducing the number of components can be enhanced and the size can be further reduced.

なお、本実施形態に係る電力変換装置１は、単相高周波電流Ｉｒから三相交流電圧を生成するものであるが、スイッチ部３０およびコンデンサ部４０の部品数を調整することによって、三相に限らず多相の交流電圧を出力することができる。具体的には、Ｎ相交流電圧（Ｎは２以上の整数）を出力するために、スイッチ部３０、コンデンサ部４０がそれぞれＮ個のスイッチ、Ｎ個のコンデンサを備えるように電力変換装置１の構成を変更すればよい。例えば、二相交流電圧を出力する場合には、図１のスイッチ部３０、コンデンサ部４０からそれぞれスイッチＳｗ、コンデンサＣｗを省略した構成の電力変換装置１を用いればよい。このとき、図２の６つの電流ベクトルは、互いに９０度の位相差を有する４つの電流ベクトルに置き換わる。そして、制御部１０は、スイッチ切り替え制御において、４つの電流ベクトルから電流指令ベクトルｋに近い２つの電流ベクトルを選択し、これらとゼロ電流ベクトルの出力時間を計算する。Ｎが４以上である場合にも、同様の変更によって電力変換装置１は単相高周波電流ＩｒからＮ相交流電圧を生成することができる。 The power conversion device 1 according to the present embodiment generates a three-phase AC voltage from the single-phase high-frequency current Ir. However, by adjusting the number of components of the switch unit 30 and the capacitor unit 40, a three-phase AC voltage is obtained. It is possible to output a multi-phase AC voltage without limitation. Specifically, in order to output an N-phase AC voltage (N is an integer of 2 or more), the power conversion device 1 is configured such that the switch unit 30 and the capacitor unit 40 each include N switches and N capacitors. What is necessary is just to change a structure. For example, when outputting a two-phase AC voltage, the power converter 1 having a configuration in which the switch Sw and the capacitor Cw are omitted from the switch unit 30 and the capacitor unit 40 in FIG. 1 may be used. At this time, the six current vectors in FIG. 2 are replaced with four current vectors having a phase difference of 90 degrees from each other. Then, in the switch switching control, the control unit 10 selects two current vectors close to the current command vector k from the four current vectors, and calculates output times of these and the zero current vector. Even when N is 4 or more, the power converter 1 can generate an N-phase AC voltage from the single-phase high-frequency current Ir by a similar change.

また、電力変換装置１は入出力端子の一部または全てを備えない構成であってもよい。本実施形態に係る電力変換装置１は端子Ｔ０およびＴ１を介して電流源２と接続されていたが、例えば、電力変換装置１は端子Ｔ０およびＴ１を備えずに、電流源２を含む構成であってもよい。 In addition, the power conversion device 1 may be configured not to include some or all of the input / output terminals. Although the power converter 1 according to the present embodiment is connected to the current source 2 via the terminals T0 and T1, for example, the power converter 1 does not include the terminals T0 and T1 but includes the current source 2 There may be.

１電力変換装置
２電流源
１０制御部
２０極性判別部
３０スイッチ部
４０コンデンサ部
Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗコンデンサ
Ｉｒ単相高周波電流
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ三相低周波交流電流
Ｍモータ
Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗ接続点
Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗスイッチ
Ｔ時間
Ｔ０，Ｔ１，Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ端子
Ｗ鋸波
ａ，ｂ指令値
ｋ電流指令ベクトル
ｓ０電流ベクトル（ゼロ電流ベクトル）
ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ−１，ｓ−２，ｓ−３電流ベクトル REFERENCE SIGNS LIST 1 power conversion device 2 current source 10 control unit 20 polarity discrimination unit 30 switch unit 40 capacitor unit Cu, Cv, Cw capacitor Ir single-phase high-frequency current Iu, Iv, Iw three-phase low-frequency AC current M motor Pu, Pv, Pw connection Point Su, Sv, Sw switch T Time T0, T1, Tu, Tv, Tw Terminal W Saw wave a, b Command value k Current command vector s0 Current vector (zero current vector)
s1, s2, s3, s-1, s-2, s-3 current vector

Claims

A power converter for converting a single-phase high-frequency current output from a current source into an N-phase AC voltage (N is an integer of 2 or more),
N switches connected at one end to one end of the current source;
One end having N capacitors connected to the other end of the current source;
A polarity determining unit that determines the polarity of the single-phase high-frequency current,
A control unit that selectively turns on one of the N switches based on the polarity and the current command vector determined by the polarity determination unit,
The point at which the other end of each of the N switches is connected to each of the other ends of the N capacitors is set as N connection points, and the N-phase AC voltage at the N connection points is applied to an N-phase load. A power conversion device characterized by being performed.

The control unit includes:
Performing switch switching control to output an N-phase low-frequency AC current to the other ends of the N switches;
The power converter according to claim 1, wherein the N-phase low-frequency AC current is converted into the N-phase AC voltage by the N capacitors.

The control unit includes:
3. The power conversion according to claim 2, wherein in the switch switching control, based on the current command vector, output times of two current vectors and a zero current vector out of 2 × N current vectors that can be output are calculated. 4. apparatus.

The control unit includes:
In the switch switching control, based on the output time, at a time that is a predetermined multiple of the cycle of the single-phase high-frequency current, one of the two current vectors and the zero current vector is output for each cycle, The power converter according to claim 3.

The control unit includes:
The power converter according to any one of claims 2 to 4, wherein in the switch switching control, a zero current vector is output by continuously turning on the same switch in one cycle of the single-phase high-frequency current.