矩阵变换器以及矩阵变换器的控制方法
【专利摘要】矩阵变换器以及矩阵变换器的控制方法。实施方式中一方式的矩阵变换器具备多个双向开关和控制部。多个双向开关连接交流电源的各相与旋转电机的各相。控制部分别控制构成多个双向开关的多个单向开关元件，进行交流电源与旋转电机之间的电力变换控制。另外，控制部进行使构成双向开关的多个单向开关元件接通的时刻比120度通电控制时提前且使单向开关元件接通的期间比120度通电控制时延长的开关控制。
【专利说明】矩阵变换器以及矩阵变换器的控制方法
【技术领域】
[0001]公开的实施方式涉及矩阵变换器。
【背景技术】
[0002]矩阵变换器因为能够进行高次谐波电流的抑制或再生电力的有效利用，所以作为新的电力变换装置而受到关注。该矩阵变换器具有连接交流电源的各相与旋转电机的各相的多个双向开关，并控制这些双向开关进行电力变换。
[0003]在该矩阵变换器中，已知当交流电源由于某些原因而成为低电压时停止电力变换动作的技术。例如，具有如下这样的技术:在通过双向开关控制交流电源的各相电压来驱动发动机的状态下，当交流电源成为低电压时，停止向发动机供电(例如，参照日本特开2005-287200 号公报)。
[0004]但是，在将旋转电机作为负载的矩阵变换器中，希望即使在交流电源成为低电压时，也不停止电力变换动作而继续进行。
【发明内容】
[0005]实施方式的一方式是鉴于上述情况而完成的，其目的是提供即使在交流电源成为低电压时也能够继续进行电力变换动作的矩阵变换器以及矩阵变换器的控制方法。
[0006]实施方式中的一方式的矩阵变换器具备多个双向开关和控制部。多个双向开关连接交流电源的各相与旋转电机的各相。控制部控制上述多个双向开关进行上述交流电源与上述旋转电机之间的电力变换控制。另外，上述控制部具备:第I驱动控制部，其使分别构成上述多个双向开关的多个单向开关元件共同接通，进行上述电力变换控制；以及第2驱动控制部，其使构成上述多个双向开关的单向开关元件中的在上述交流电源侧的任意2相之间流过电流的单向开关元件始终接通，而且切换是使在上述旋转电机侧的任意I组的2相之间流过电流的单向开关元件始终接通、还是使在任意2组的2相之间流过电流的单向开关元件接通，来进行上述电力变换控制。
[0007]实施方式中的另一方式的矩阵变换器的控制方法包括以下步骤:检测交流电源的电压；判断所述交流电源的电压是否为预定值以下；在所述交流电源的电压超过预定值的情况下，使分别构成连接所述交流电源的各相与旋转电机的各相的多个双向开关的多个单向开关元件共同接通而进行电力变换控制；以及在所述交流电源的电压为预定值以下的情况下，使构成所述多个双向开关的单向开关元件中的在所述交流电源侧的任意2相之间流过电流的单向开关元件始终接通，而且切换是使在所述旋转电机侧的任意I组的2相之间流过电流的单向开关元件始终接通还是使在任意2组的2相之间流过电流的单向开关元件接通，来进行电力变换控制。
[0008]根据实施方式，可提供即使在交流电源为低电压时也能够继续电力变换动作的矩阵变换器以及矩阵变换器的控制方法。【专利附图】
【附图说明】
[0009]关于对本发明更完全的认识及与其相伴的优点，只要对照附图阅读以下发明的详细说明，就能够容易地理解。
[0010]图1是示出实施方式的矩阵变换器的结构例的图。
[0011]图2是示出图1所示的双向开关的结构例的图。
[0012]图3是示出图1所示的第2驱动控制部的具体结构的一例的图。
[0013]图4是示出系统无功电流指令与系统电压值的关系的一例的图。
[0014]图5是示出电流形逆变器模型的图。
[0015]图6是示出系统相位与变换器的开关驱动信号的关系的图。
[0016]图7是示出实施方式的发电机脉冲模式生成器的具体结构的一例的图。
[0017]图8是示出实施方式的中间信号与发电机相位的关系的图。
[0018]图9是示出实施方式的发电机脉冲模式生成器的动作的一例的图。
[0019]图10是示出由实施方式的发电机脉冲模式生成器生成的开关驱动信号的脉冲模式的图。
[0020]图11是示出图1所示的电力变换部的结构例的图。
[0021]图12是示出变形例I的第2驱动控制部的结构的图。
[0022]图13是示出变形例I的发电机脉冲模式生成器的结构的图。
[0023]图14是示出变形例I的发电机脉冲模式生成器的动作的一例的图。
[0024]图15是示出由变形例I的发电机脉冲模式生成器生成的开关驱动信号的脉冲模式的图。
[0025]图16是示出变形例2的发电机脉冲模式生成器的结构的图。
[0026]图17是示出变形例2的脉冲模式表的图。
[0027]图18是示出由变形例2的发电机脉冲模式生成器生成的开关驱动信号的脉冲模式的图。
[0028]图19是示出实施方式的串联多重矩阵变换器的结构例的图。
[0029]图20是示出图19所示的电力变换单元的具体结构的一例的图。
[0030]图21是示出串联多重矩阵变换器中的系统脉冲模式生成器、GeGr开关驱动信号生成器以及GrGe开关驱动信号生成器的结构的图。
[0031]图22是示出实施方式的控制部执行的处理的流程图。
【具体实施方式】
[0032]以下，参照附图来详细说明本申请所公开的矩阵变换器以及矩阵变换器的控制方法的实施方式。本发明不被以下所示的实施方式限定。
[0033]图1是示出实施方式的矩阵变换器的结构例的图。在以下的实施方式中，举例说明对作为交流发电机(ACG)的旋转电机的发电电力进行转换而向交流电源提供的矩阵变换器，但旋转电机不限于交流发电机，例如可以为交流电动机。另外，作为交流电源，举例说明电力系统(Grid)，但交流电源不限于此。
[0034]如图1所示，实施方式的矩阵变换器I设置在3相交流的电力系统2与旋转电机3之间，进行电力系统2与旋转电机3之间的电力变换。以下，说明采用同步发电机作为旋转电机3的一例时的例子。
[0035]在旋转电机3的旋转轴上设置有检测旋转电机3的旋转位置的位置检测器4，由该位置检测器4检测到的旋转电机3的旋转位置Θ G被输入到矩阵变换器I。
[0036]矩阵变换器I具备电力变换部10、LC滤波器11、电流检测部12、16、电压检测部
13、停电检测部14和控制部15。另外，矩阵变换器I具备系统侧端子Tr、Ts, Tt以及发电机侧端子Tu、Tv、Tw,系统侧端子Tr、Ts、Tt与电力系统2连接，发电机侧端子Tu、Tv、Tw与旋转电机3连接。
[0037]电力变换部10具备连接电力系统2的R相、S相以及T相的各相与旋转电机3的U相、V相以及W相的各相的多个双向开关Swl?Sw9。双向开关Swl?Sw3是分别连接电力系统2的R相、S相、T相与旋转电机3的U相的双向开关。双向开关Sw4?Sw6是分别连接电力系统2的R相、S相以及T相与旋转电机3的V相的双向开关。双向开关Sw7?Sw9是分别连接电力系统2的R相、S相以及T相与旋转电机3的W相的双向开关。
[0038]双向开关Swl?Sw9例如具有图2所示的结构。图2是示出各双向开关Swl?Sw9的结构例的图。如图2所示，各双向开关Swl?Sw9是基于单向开关元件31与二极管33的串联连接体和基于单向开关元件32与二极管34的串联连接体反向并联连接而构成。
[0039]单向开关兀件31、32 例如米用 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)等半导体元件。可通过分别使构成双向开关Swl?Sw9的单向开关元件31、32进行通断，来控制通电方向。
[0040]双向开关Swl?Sw9不限于图2所示的结构。例如，双向开关Swl?Sw9可以是使单向开关元件31、32分别成为逆阻型的开关元件并相互反向并联连接这些开关元件的结构，另外，也可以是后述的图11所示的结构。
[0041]LC滤波器11设置在电力系统2的R相、S相以及T相与电力变换部10之间，抑制电力变换部10对电力系统2的噪声影响。具体地说，LC滤波器11由3个电抗器和3个电容器构成，去除由构成电力变换部10的双向开关Swl?Sw9的开关动作引起的高频成分噪声(PWM成分噪声)。由此，可抑制电力变换部10所产生的高频成分噪声向电力系统2输出。此外，LC滤波器11不限于图1所示的结构，例如也可以是不设置电抗器的结构。
[0042]此外，3个电抗器的一端与电力系统2的R相、S相以及T相连接，3个电抗器的另一端与电力变换部10连接。另外，3个电容器连接在不同的2个电抗器的另一端之间。
[0043]电流检测部12设置在电力系统2与LC滤波器11之间，检测流过电力系统2的R相、S相、T相的各相与LC滤波器11之间的电流的电流值Ir、Is、It (以下，记载为“系统相电流值Ir、Is、It”)。
[0044]另一方面，电流检测部16设置在旋转电机3与电力变换部10之间，检测流过旋转电机3的U相、V相、W相的各相与电力变换部10之间的电流的电流值Iu、Iv、Iw (以下，记载为“发电机电流值Iu、Iv、Iw”)。此外，电流检测部12、16例如是利用作为磁电转换元件的霍尔元件来检测电流的电流传感器。
[0045]电压检测部13设置在电力系统2与LC滤波器11之间，检测电力系统2的R相、S相、T相的各相的瞬时电压值Vr、Vs、Vt (以下，记载为“系统相电压值Vr、Vs、Vt”)。
[0046]停电检测部14检测系统电压的有功电压值Va (以下，记载为系统电压值Va)是否是电压值Vl以下。停电检测部14在系统电压值Va是电压值Vl以下时，判定为电力系统2已停电，输出高电平的停电检测信号Sd。另一方面，停电检测部14在系统电压值Va超过电压值Vl时，判定为电力系统2没有停电，输出低电平的停电检测信号Sd。
[0047]停电检测部14将系统相电压值Vr、Vs、Vt转换为固定坐标上的垂直的2轴的α β成分，求出α轴方向的系统电压值Va和β轴方向的系统电压值ve。并且,停电检测部
14运算系统电压值Va、Ve的平方和的平方根(=√(va2+vβ2))，将运算结果作为系统电压值Va。
[0048]这里，为了容易理解控制部15的各功能，假设控制部15是具备第I驱动控制部20、第2驱动控制部21和切换部22的结构，但是，应当理解为第I驱动控制部20、第2驱动控制部21和切换部22功能一并由控制部15实现。即，第I驱动控制部20相当于权利要求中的第I驱动控制，第2驱动控制部21相当于权利要求中的第2驱动控制，切换部22相当于权利要求中的切换动作。只要实现控制部15的功能，则不限于该结构。第I驱动控制部20根据指示旋转电机3所产生的转矩量的转矩指令来生成电压指令，并生成用于通过公知的矩阵变换器的PWM控制方法向旋转电机3输出与电压指令相应的电压的开关驱动信号SI~S18，输出到电力变换部10。
[0049]此外，根据转矩指令，利用公知的同步发电机的矢量控制法则来生成电压指令。另外，利用开关驱动信号SI~S18，电力变换部10使分别构成多个双向开关Swl~Sw9的多个单向开关元件31、32同时接通，并且通过PWM控制，输出与电压指令相应的电压，进行流过的电流的大小、通电方向由输出电压与发电电压的关系决定的电力变换。
[0050]第2驱动控制部21根据系统相电压值Vr、Vs、Vt、系统相电流值Ir、Is、It以及发电机电流值Iu、Iv、Iw,使分别构成多个双向开关Swl~Sw9的多个单向开关元件31、32的一部分接通，进行电力变换控制。
[0051]通过使分别构成多个双向开关Swl~Sw9的多个单向开关元件31、32的一部分接通，可控制通电方向。由此，即使在电力系统2的电压是远远低于旋转电机3的电压的停电的情况下，也能够避免大电流持续流过旋转电机3与电力系统2之间，进行电流控制并且进行电力变换动作。
[0052]例如，第2驱动控制部21使构成多个双向开关Swl~Sw9的单向开关元件31、32中的、在电力系统2侧的任意两相之间流过电流的单向开关元件始终接通。另外，第2驱动控制部21使构成多个双向开关Swl~Sw9的单向开关元件31、32中的、在旋转电机3侧的任意两相之间流过电流的单向开关元件始终接通。通过该控制，能够使电流持续流过电力系统2的某两相之间以及旋转电机3的某两相之间。
[0053]切换部22根据从停电检测部14输出的停电检测信号Sd，选择并输出向电力变换部10输出的开关驱动信号SI~S18。具体地说，切换部22在从停电检测部14输出的停电检测信号Sd是低电平的情况下，将由第I驱动控制部20生成的开关驱动信号Sal~SalS作为开关驱动信号SI~S18输出。
[0054]另一方面，切换部22在从停电检测部14输出的停电检测信号Sd是高电平的情况下，将由第2驱动控制部21生成的开关驱动信号Sbl~SblS作为开关驱动信号SI~S18输出。
[0055]因此，在电力系统2为低电压的情况下，进行这样的电力变换控制:利用由第2驱动控制部21生成的开关驱动信号Sbl~Sbl8，使分别构成双向开关Swl~Sw9的多个单向开关元件31、32的一部分接通。由此，即使在电力系统2为低电压的情况下也能够继续电力变换动作。
[0056]以下，具体说明第2驱动控制部21的具体结构的一例。图3是示出第2驱动控制部21的具体结构的一例的图。如图3所示，第2驱动控制部21具备有功电流补偿部41、无功电流补偿部42和脉冲模式生成部43。
[0057]首先，说明有功电流补偿部41。有功电流补偿部41具备PQ转换器51、低通滤波器(LPF)52、系统有功电流指令器53、减法器54和系统有功电流控制器55。该有功电流补偿部41以使系统有功电流值与系统有功电流指令IPref —致的方式生成系统相位补偿值d Θ rst,并将生成的系统相位补偿值d Θ rst输出到脉冲模式生成部43。
[0058]PQ转换器51将系统相电流值Ir、Is、It转换为固定坐标上的垂直的2轴的α β成分，求出α轴方向的系统电流值Ia和β轴方向的系统电流值10。此外，PQ转换器51还通过将α β轴坐标系的成分转换为根据电力系统2的电压相位Θ rst(以下，记载为“系统相位Θ rst”)而旋转的旋转坐标系的成分，求出系统有功电流IP和系统无功电流IQ。
[0059]PQ转换器51例如通过进行下式(I)的运算，求出系统有功电流IP和系统无功电流IQo
【权利要求】
1.一种矩阵变换器，其具备: 多个双向开关，它们连接交流电源的各相与旋转电机的各相；以及 控制部，其控制所述多个双向开关，进行所述交流电源与所述旋转电机之间的电力变换控制， 所述控制部进行第I驱动控制和第2驱动控制， 该第I驱动控制是使分别构成所述多个双向开关的多个单向开关元件共同接通而进行所述电力变换控制， 该第2驱动控制是使构成所述多个双向开关的单向开关元件中的在所述交流电源侧的任意2相之间流过电流的单向开关元件始终接通，而且切换是使在所述旋转电机侧的任意I组的2相之间流过电流的单向开关元件始终接通还是使在任意2组的2相之间流过电流的单向开关元件接通，来进行所述电力变换控制。
2.根据权利要求1所述的矩阵变换器，其中， 所述控制部在所述第2驱动控制中，使构成所述多个双向开关的单向开关元件中的从所述交流电源侧向所述旋转电机侧流过电流的单向开关元件的任意I个或2个、和从所述旋转电机侧向所述交流电源侧流过电流的单向开关元件的任意I个或2个接通,使总共2个或3个所述单向开关元件接通。
3.根据权利要求2所述的矩阵变换器，其中， 所述控制部在所述第2驱动控制中，将针对具有变换器和逆变器的电流形逆变器模型中的所述变换器的开关驱动信号与针对所述逆变器的开关驱动信号合成，生成控制所述单向开关元件的开关驱动信号。
4.根据权利要求3所述的矩阵变换器，其中， 利用针对所述变换器的开关驱动信号进行120度通电，使通电的上升比利用针对所述逆变器的开关驱动信号进行120度通电时提前，而且使通电的下降比利用针对所述逆变器的开关驱动信号进行120度通电时延迟。
5.根据权利要求4所述的矩阵变换器，其中， 该矩阵变换器具备检测所述旋转电机的各相中的电流值的电流检测部， 所述控制部在所述通电的上升之后，在所述电流检测部检测出的所述电流的绝对值成为预定的阈值以下之前，使所述通电的下降延迟。
6.根据权利要求4所述的矩阵变换器，其中， 所述控制部使所述通电的下降比利用针对所述逆变器的开关驱动信号进行120度通电控制时延迟的期间与所述通电的上升比利用针对所述逆变器的开关驱动信号进行120度通电控制时提前的期间相同。
7.根据权利要求4所述的矩阵变换器，其中， 该矩阵变换器具有表，该表将所述通电的上升比利用针对所述逆变器的开关驱动信号进行120度通电控制时提前的期间与所述通电的下降比利用针对所述逆变器的开关驱动信号进行120度通电控制时延迟的期间对应起来， 所述控制部根据所述表，控制所述单向开关元件。
8.根据权利要求1~7中的任意一项所述的矩阵变换器，其中， 所述控制部切换地执行第I控制模式和第2控制模式，该第I控制模式共同控制构成所述双向开关的多个单向开关元件而进行所述电力变换控制，该第2控制模式分别控制构成所述双向开关的多个单向开关元件而进行所述电力变换控制。
9.根据权利要求8所述的矩阵变换器，其中， 该矩阵变换器具备检测所述交流电源的电压的电压检测部， 所述控制部在所述交流电源的电压超过预定值时，通过所述第I控制模式进行所述电力变换控制，在所述交流电源的电压是预定值以下时，通过所述第2控制模式进行所述电力变换控制。
10.根据权利要求1~7中的任意一项所述的矩阵变换器，其中， 该矩阵变换器具有通过所述电力变换控制进行电力变换的电力变换部， 该电力变换部按照所述旋转电机的每一相具有电力变换单元部，该电力变换单元部是串联地多级连接具有所述多个双向开关的电力变换单元而构成的。
11.一种矩阵变换器的控制方法，其包括以下步骤: 检测交流电源的电压； 判断所述交流电源的电压是否为预定值以下； 在所述交流电源的电压超过预定值的情况下，使分别构成连接所述交流电源的各相与旋转电机的各相的多个双向开关的多个单向开关元件共同接通而进行电力变换控制；以及 在所述交流电源的电压为预定值以下的情况下，使构成所述多个双向开关的单向开关元件中的在所述交流电源侧的任意2相之间流过电流的单向开关元件始终接通，而且切换是使在所述旋转电机侧的任意I组`的2相之间流过电流的单向开关元件始终接通还是使在任意2组的2相之间流过电流的单向开关元件接通，来进行电力变换控制。
【文档编号】H02M1/08GK103887989SQ201310704739
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】原英则, 猪又健太朗, 山中克利, 森本进也, 武田弘太郎 申请人:株式会社安川电机