矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法
2023-05-19 02:40:16
矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法
【專利摘要】矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法。實施方式中一方式的矩陣變換器具備多個雙向開關和控制部。多個雙向開關連接交流電源的各相與旋轉電機的各相。控制部分別控制構成多個雙向開關的多個單向開關元件，進行交流電源與旋轉電機之間的電力變換控制。另外，控制部進行使構成雙向開關的多個單向開關元件接通的時刻比120度通電控制時提前且使單向開關元件接通的期間比120度通電控制時延長的開關控制。
【專利說明】矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法
【技術領域】
[0001]公開的實施方式涉及矩陣變換器。
【背景技術】
[0002]矩陣變換器因為能夠進行高次諧波電流的抑制或再生電力的有效利用，所以作為新的電力變換裝置而受到關注。該矩陣變換器具有連接交流電源的各相與旋轉電機的各相的多個雙向開關，並控制這些雙向開關進行電力變換。
[0003]在該矩陣變換器中，已知當交流電源由於某些原因而成為低電壓時停止電力變換動作的技術。例如，具有如下這樣的技術:在通過雙向開關控制交流電源的各相電壓來驅動發動機的狀態下，當交流電源成為低電壓時，停止向發動機供電(例如，參照日本特開2005-287200 號公報)。
[0004]但是，在將旋轉電機作為負載的矩陣變換器中，希望即使在交流電源成為低電壓時，也不停止電力變換動作而繼續進行。
【發明內容】
[0005]實施方式的一方式是鑑於上述情況而完成的，其目的是提供即使在交流電源成為低電壓時也能夠繼續進行電力變換動作的矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法。
[0006]實施方式中的一方式的矩陣變換器具備多個雙向開關和控制部。多個雙向開關連接交流電源的各相與旋轉電機的各相。控制部控制上述多個雙向開關進行上述交流電源與上述旋轉電機之間的電力變換控制。另外，上述控制部具備:第I驅動控制部，其使分別構成上述多個雙向開關的多個單向開關元件共同接通，進行上述電力變換控制；以及第2驅動控制部，其使構成上述多個雙向開關的單向開關元件中的在上述交流電源側的任意2相之間流過電流的單向開關元件始終接通，而且切換是使在上述旋轉電機側的任意I組的2相之間流過電流的單向開關元件始終接通、還是使在任意2組的2相之間流過電流的單向開關元件接通，來進行上述電力變換控制。
[0007]實施方式中的另一方式的矩陣變換器的控制方法包括以下步驟:檢測交流電源的電壓；判斷所述交流電源的電壓是否為預定值以下；在所述交流電源的電壓超過預定值的情況下，使分別構成連接所述交流電源的各相與旋轉電機的各相的多個雙向開關的多個單向開關元件共同接通而進行電力變換控制；以及在所述交流電源的電壓為預定值以下的情況下，使構成所述多個雙向開關的單向開關元件中的在所述交流電源側的任意2相之間流過電流的單向開關元件始終接通，而且切換是使在所述旋轉電機側的任意I組的2相之間流過電流的單向開關元件始終接通還是使在任意2組的2相之間流過電流的單向開關元件接通，來進行電力變換控制。
[0008]根據實施方式，可提供即使在交流電源為低電壓時也能夠繼續電力變換動作的矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法。【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]關於對本發明更完全的認識及與其相伴的優點，只要對照附圖閱讀以下發明的詳細說明，就能夠容易地理解。
[0010]圖1是示出實施方式的矩陣變換器的結構例的圖。
[0011]圖2是示出圖1所示的雙向開關的結構例的圖。
[0012]圖3是示出圖1所示的第2驅動控制部的具體結構的一例的圖。
[0013]圖4是示出系統無功電流指令與系統電壓值的關係的一例的圖。
[0014]圖5是示出電流形逆變器模型的圖。
[0015]圖6是示出系統相位與變換器的開關驅動信號的關係的圖。
[0016]圖7是示出實施方式的發電機脈衝模式生成器的具體結構的一例的圖。
[0017]圖8是示出實施方式的中間信號與發電機相位的關係的圖。
[0018]圖9是示出實施方式的發電機脈衝模式生成器的動作的一例的圖。
[0019]圖10是示出由實施方式的發電機脈衝模式生成器生成的開關驅動信號的脈衝模式的圖。
[0020]圖11是示出圖1所示的電力變換部的結構例的圖。
[0021]圖12是示出變形例I的第2驅動控制部的結構的圖。
[0022]圖13是示出變形例I的發電機脈衝模式生成器的結構的圖。
[0023]圖14是示出變形例I的發電機脈衝模式生成器的動作的一例的圖。
[0024]圖15是示出由變形例I的發電機脈衝模式生成器生成的開關驅動信號的脈衝模式的圖。
[0025]圖16是示出變形例2的發電機脈衝模式生成器的結構的圖。
[0026]圖17是示出變形例2的脈衝模式表的圖。
[0027]圖18是示出由變形例2的發電機脈衝模式生成器生成的開關驅動信號的脈衝模式的圖。
[0028]圖19是示出實施方式的串聯多重矩陣變換器的結構例的圖。
[0029]圖20是示出圖19所示的電力變換單元的具體結構的一例的圖。
[0030]圖21是示出串聯多重矩陣變換器中的系統脈衝模式生成器、GeGr開關驅動信號生成器以及GrGe開關驅動信號生成器的結構的圖。
[0031]圖22是示出實施方式的控制部執行的處理的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下，參照附圖來詳細說明本申請所公開的矩陣變換器以及矩陣變換器的控制方法的實施方式。本發明不被以下所示的實施方式限定。
[0033]圖1是示出實施方式的矩陣變換器的結構例的圖。在以下的實施方式中，舉例說明對作為交流發電機(ACG)的旋轉電機的發電電力進行轉換而向交流電源提供的矩陣變換器，但旋轉電機不限於交流發電機，例如可以為交流電動機。另外，作為交流電源，舉例說明電力系統(Grid)，但交流電源不限於此。
[0034]如圖1所示，實施方式的矩陣變換器I設置在3相交流的電力系統2與旋轉電機3之間，進行電力系統2與旋轉電機3之間的電力變換。以下，說明採用同步發電機作為旋轉電機3的一例時的例子。
[0035]在旋轉電機3的旋轉軸上設置有檢測旋轉電機3的旋轉位置的位置檢測器4，由該位置檢測器4檢測到的旋轉電機3的旋轉位置Θ G被輸入到矩陣變換器I。
[0036]矩陣變換器I具備電力變換部10、LC濾波器11、電流檢測部12、16、電壓檢測部
13、停電檢測部14和控制部15。另外，矩陣變換器I具備系統側端子Tr、Ts, Tt以及發電機側端子Tu、Tv、Tw,系統側端子Tr、Ts、Tt與電力系統2連接，發電機側端子Tu、Tv、Tw與旋轉電機3連接。
[0037]電力變換部10具備連接電力系統2的R相、S相以及T相的各相與旋轉電機3的U相、V相以及W相的各相的多個雙向開關Swl?Sw9。雙向開關Swl?Sw3是分別連接電力系統2的R相、S相、T相與旋轉電機3的U相的雙向開關。雙向開關Sw4?Sw6是分別連接電力系統2的R相、S相以及T相與旋轉電機3的V相的雙向開關。雙向開關Sw7?Sw9是分別連接電力系統2的R相、S相以及T相與旋轉電機3的W相的雙向開關。
[0038]雙向開關Swl?Sw9例如具有圖2所示的結構。圖2是示出各雙向開關Swl?Sw9的結構例的圖。如圖2所示，各雙向開關Swl?Sw9是基於單向開關元件31與二極體33的串聯連接體和基於單向開關元件32與二極體34的串聯連接體反向並聯連接而構成。
[0039]單向開關兀件31、32 例如米用 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:絕緣柵雙極型電晶體)等半導體元件。可通過分別使構成雙向開關Swl?Sw9的單向開關元件31、32進行通斷，來控制通電方向。
[0040]雙向開關Swl?Sw9不限於圖2所示的結構。例如，雙向開關Swl?Sw9可以是使單向開關元件31、32分別成為逆阻型的開關元件並相互反向並聯連接這些開關元件的結構，另外，也可以是後述的圖11所示的結構。
[0041]LC濾波器11設置在電力系統2的R相、S相以及T相與電力變換部10之間，抑制電力變換部10對電力系統2的噪聲影響。具體地說，LC濾波器11由3個電抗器和3個電容器構成，去除由構成電力變換部10的雙向開關Swl?Sw9的開關動作引起的高頻成分噪聲(PWM成分噪聲)。由此，可抑制電力變換部10所產生的高頻成分噪聲向電力系統2輸出。此外，LC濾波器11不限於圖1所示的結構，例如也可以是不設置電抗器的結構。
[0042]此外，3個電抗器的一端與電力系統2的R相、S相以及T相連接，3個電抗器的另一端與電力變換部10連接。另外，3個電容器連接在不同的2個電抗器的另一端之間。
[0043]電流檢測部12設置在電力系統2與LC濾波器11之間，檢測流過電力系統2的R相、S相、T相的各相與LC濾波器11之間的電流的電流值Ir、Is、It (以下，記載為「系統相電流值Ir、Is、It」)。
[0044]另一方面，電流檢測部16設置在旋轉電機3與電力變換部10之間，檢測流過旋轉電機3的U相、V相、W相的各相與電力變換部10之間的電流的電流值Iu、Iv、Iw (以下，記載為「發電機電流值Iu、Iv、Iw」)。此外，電流檢測部12、16例如是利用作為磁電轉換元件的霍爾元件來檢測電流的電流傳感器。
[0045]電壓檢測部13設置在電力系統2與LC濾波器11之間，檢測電力系統2的R相、S相、T相的各相的瞬時電壓值Vr、Vs、Vt (以下，記載為「系統相電壓值Vr、Vs、Vt」)。
[0046]停電檢測部14檢測系統電壓的有功電壓值Va (以下，記載為系統電壓值Va)是否是電壓值Vl以下。停電檢測部14在系統電壓值Va是電壓值Vl以下時，判定為電力系統2已停電，輸出高電平的停電檢測信號Sd。另一方面，停電檢測部14在系統電壓值Va超過電壓值Vl時，判定為電力系統2沒有停電，輸出低電平的停電檢測信號Sd。
[0047]停電檢測部14將系統相電壓值Vr、Vs、Vt轉換為固定坐標上的垂直的2軸的α β成分，求出α軸方向的系統電壓值Va和β軸方向的系統電壓值ve。並且,停電檢測部
14運算系統電壓值Va、Ve的平方和的平方根(=√(va2+vβ2))，將運算結果作為系統電壓值Va。
[0048]這裡，為了容易理解控制部15的各功能，假設控制部15是具備第I驅動控制部20、第2驅動控制部21和切換部22的結構，但是，應當理解為第I驅動控制部20、第2驅動控制部21和切換部22功能一併由控制部15實現。即，第I驅動控制部20相當於權利要求中的第I驅動控制，第2驅動控制部21相當於權利要求中的第2驅動控制，切換部22相當於權利要求中的切換動作。只要實現控制部15的功能，則不限於該結構。第I驅動控制部20根據指示旋轉電機3所產生的轉矩量的轉矩指令來生成電壓指令，並生成用於通過公知的矩陣變換器的PWM控制方法向旋轉電機3輸出與電壓指令相應的電壓的開關驅動信號SI~S18，輸出到電力變換部10。
[0049]此外，根據轉矩指令，利用公知的同步發電機的矢量控制法則來生成電壓指令。另外，利用開關驅動信號SI~S18，電力變換部10使分別構成多個雙向開關Swl~Sw9的多個單向開關元件31、32同時接通，並且通過PWM控制，輸出與電壓指令相應的電壓，進行流過的電流的大小、通電方向由輸出電壓與發電電壓的關係決定的電力變換。
[0050]第2驅動控制部21根據系統相電壓值Vr、Vs、Vt、系統相電流值Ir、Is、It以及發電機電流值Iu、Iv、Iw,使分別構成多個雙向開關Swl~Sw9的多個單向開關元件31、32的一部分接通，進行電力變換控制。
[0051]通過使分別構成多個雙向開關Swl~Sw9的多個單向開關元件31、32的一部分接通，可控制通電方向。由此，即使在電力系統2的電壓是遠遠低於旋轉電機3的電壓的停電的情況下，也能夠避免大電流持續流過旋轉電機3與電力系統2之間，進行電流控制並且進行電力變換動作。
[0052]例如，第2驅動控制部21使構成多個雙向開關Swl~Sw9的單向開關元件31、32中的、在電力系統2側的任意兩相之間流過電流的單向開關元件始終接通。另外，第2驅動控制部21使構成多個雙向開關Swl~Sw9的單向開關元件31、32中的、在旋轉電機3側的任意兩相之間流過電流的單向開關元件始終接通。通過該控制，能夠使電流持續流過電力系統2的某兩相之間以及旋轉電機3的某兩相之間。
[0053]切換部22根據從停電檢測部14輸出的停電檢測信號Sd，選擇並輸出向電力變換部10輸出的開關驅動信號SI~S18。具體地說，切換部22在從停電檢測部14輸出的停電檢測信號Sd是低電平的情況下，將由第I驅動控制部20生成的開關驅動信號Sal~SalS作為開關驅動信號SI~S18輸出。
[0054]另一方面，切換部22在從停電檢測部14輸出的停電檢測信號Sd是高電平的情況下，將由第2驅動控制部21生成的開關驅動信號Sbl~SblS作為開關驅動信號SI~S18輸出。
[0055]因此，在電力系統2為低電壓的情況下，進行這樣的電力變換控制:利用由第2驅動控制部21生成的開關驅動信號Sbl~Sbl8，使分別構成雙向開關Swl~Sw9的多個單向開關元件31、32的一部分接通。由此，即使在電力系統2為低電壓的情況下也能夠繼續電力變換動作。
[0056]以下，具體說明第2驅動控制部21的具體結構的一例。圖3是示出第2驅動控制部21的具體結構的一例的圖。如圖3所示，第2驅動控制部21具備有功電流補償部41、無功電流補償部42和脈衝模式生成部43。
[0057]首先，說明有功電流補償部41。有功電流補償部41具備PQ轉換器51、低通濾波器(LPF)52、系統有功電流指令器53、減法器54和系統有功電流控制器55。該有功電流補償部41以使系統有功電流值與系統有功電流指令IPref —致的方式生成系統相位補償值d Θ rst,並將生成的系統相位補償值d Θ rst輸出到脈衝模式生成部43。
[0058]PQ轉換器51將系統相電流值Ir、Is、It轉換為固定坐標上的垂直的2軸的α β成分，求出α軸方向的系統電流值Ia和β軸方向的系統電流值10。此外，PQ轉換器51還通過將α β軸坐標系的成分轉換為根據電力系統2的電壓相位Θ rst(以下，記載為「系統相位Θ rst」)而旋轉的旋轉坐標系的成分，求出系統有功電流IP和系統無功電流IQ。
[0059]PQ轉換器51例如通過進行下式(I)的運算，求出系統有功電流IP和系統無功電流IQo
【權利要求】
1.一種矩陣變換器，其具備: 多個雙向開關，它們連接交流電源的各相與旋轉電機的各相；以及 控制部，其控制所述多個雙向開關，進行所述交流電源與所述旋轉電機之間的電力變換控制， 所述控制部進行第I驅動控制和第2驅動控制， 該第I驅動控制是使分別構成所述多個雙向開關的多個單向開關元件共同接通而進行所述電力變換控制， 該第2驅動控制是使構成所述多個雙向開關的單向開關元件中的在所述交流電源側的任意2相之間流過電流的單向開關元件始終接通，而且切換是使在所述旋轉電機側的任意I組的2相之間流過電流的單向開關元件始終接通還是使在任意2組的2相之間流過電流的單向開關元件接通，來進行所述電力變換控制。
2.根據權利要求1所述的矩陣變換器，其中， 所述控制部在所述第2驅動控制中，使構成所述多個雙向開關的單向開關元件中的從所述交流電源側向所述旋轉電機側流過電流的單向開關元件的任意I個或2個、和從所述旋轉電機側向所述交流電源側流過電流的單向開關元件的任意I個或2個接通,使總共2個或3個所述單向開關元件接通。
3.根據權利要求2所述的矩陣變換器，其中， 所述控制部在所述第2驅動控制中，將針對具有變換器和逆變器的電流形逆變器模型中的所述變換器的開關驅動信號與針對所述逆變器的開關驅動信號合成，生成控制所述單向開關元件的開關驅動信號。
4.根據權利要求3所述的矩陣變換器，其中， 利用針對所述變換器的開關驅動信號進行120度通電，使通電的上升比利用針對所述逆變器的開關驅動信號進行120度通電時提前，而且使通電的下降比利用針對所述逆變器的開關驅動信號進行120度通電時延遲。
5.根據權利要求4所述的矩陣變換器，其中， 該矩陣變換器具備檢測所述旋轉電機的各相中的電流值的電流檢測部， 所述控制部在所述通電的上升之後，在所述電流檢測部檢測出的所述電流的絕對值成為預定的閾值以下之前，使所述通電的下降延遲。
6.根據權利要求4所述的矩陣變換器，其中， 所述控制部使所述通電的下降比利用針對所述逆變器的開關驅動信號進行120度通電控制時延遲的期間與所述通電的上升比利用針對所述逆變器的開關驅動信號進行120度通電控制時提前的期間相同。
7.根據權利要求4所述的矩陣變換器，其中， 該矩陣變換器具有表，該表將所述通電的上升比利用針對所述逆變器的開關驅動信號進行120度通電控制時提前的期間與所述通電的下降比利用針對所述逆變器的開關驅動信號進行120度通電控制時延遲的期間對應起來， 所述控制部根據所述表，控制所述單向開關元件。
8.根據權利要求1~7中的任意一項所述的矩陣變換器，其中， 所述控制部切換地執行第I控制模式和第2控制模式，該第I控制模式共同控制構成所述雙向開關的多個單向開關元件而進行所述電力變換控制，該第2控制模式分別控制構成所述雙向開關的多個單向開關元件而進行所述電力變換控制。
9.根據權利要求8所述的矩陣變換器，其中， 該矩陣變換器具備檢測所述交流電源的電壓的電壓檢測部， 所述控制部在所述交流電源的電壓超過預定值時，通過所述第I控制模式進行所述電力變換控制，在所述交流電源的電壓是預定值以下時，通過所述第2控制模式進行所述電力變換控制。
10.根據權利要求1~7中的任意一項所述的矩陣變換器，其中， 該矩陣變換器具有通過所述電力變換控制進行電力變換的電力變換部， 該電力變換部按照所述旋轉電機的每一相具有電力變換單元部，該電力變換單元部是串聯地多級連接具有所述多個雙向開關的電力變換單元而構成的。
11.一種矩陣變換器的控制方法，其包括以下步驟: 檢測交流電源的電壓； 判斷所述交流電源的電壓是否為預定值以下； 在所述交流電源的電壓超過預定值的情況下，使分別構成連接所述交流電源的各相與旋轉電機的各相的多個雙向開關的多個單向開關元件共同接通而進行電力變換控制；以及 在所述交流電源的電壓為預定值以下的情況下，使構成所述多個雙向開關的單向開關元件中的在所述交流電源側的任意2相之間流過電流的單向開關元件始終接通，而且切換是使在所述旋轉電機側的任意I組`的2相之間流過電流的單向開關元件始終接通還是使在任意2組的2相之間流過電流的單向開關元件接通，來進行電力變換控制。
【文檔編號】H02M1/08GK103887989SQ201310704739
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2012年12月21日
【發明者】原英則, 豬又健太朗, 山中克利, 森本進也, 武田弘太郎 申請人:株式會社安川電機