矩阵变换器的控制装置及其输出电压产生方法 技术领域 本发明涉及一种不将交流变换为直流而进行直接变换的电力变换器的控制装置 及其输出电压产生方法。
背景技术 作为现有的不将交流变换为直流而进行直接变换的电力变换器有矩阵变换器， 其 控制装置通常以 PWM 脉冲的形状生成输出线间电压指令 Vref， 通过 PWM 脉冲的面积控制输出 线间电压的大小， 通过后述的 PWM 脉冲的比率使输入电流接近于正弦波。
图 8 以 PWM 脉冲的形状表示矩阵变换器的输出线间电压。在图 8 中， 111 是由最小 电位相和中间电位相的电位差决定的部分的脉冲， 112 是由最小电位相和最大电位相的电 位差决定的部分的脉冲， S 是该 PWM 脉冲整体的面积， T1 是脉冲 111 的宽度的 1/2， T2 是脉 冲 112 的宽度的 1/2。与电压输出相关的 2 相在 111 期间为输入的最小电位相和中间电位 相， 在 112 期间为最小电位相和最大电位相， 使 T1 与 T2 的比 α 可变而使输入电流的形状可
变。如此， 通过使脉冲面积 S 及 T1 与 T2 的比 α 可变而控制输出电压的大小及控制输入电 流的形状， 111 期间的输入电位相成对使用中间电位相和最小电位相， 或者为了改善输入电 流波形， 分别成对使用中间电位相和最小电位相以及中间电位相和最大电位相。
而且存在如下技术， 修正由主电路半导体元件的换流所产生的输出电压及输入电 流的误差， 降低输入电流和输出电压的畸变 ( 例如参照专利文献 1)。
如此， 现有的不将交流变换为直流而进行直接变换的电力变换器使输入电流接近 于正弦波。
专利文献 1 ： 日本国特开 2007-166749 号公报
在现有的不将交流变换为直流而进行直接变换的电力变换器即矩阵变换器中存 在如下问题， 为了防止 PWM 控制中所使用的载波频率所引起的输入电流的波动流出而设置 的输入滤波器存在共振频率， 在相同的电源系统中连接晶闸管变换器或输入电压存在畸变 时， 发生共振现象， 对外围设备产生不良影响， 或者因提高连接于主电路部的输入滤波器、 缓冲电路的耐压这样的措施而使成本增加。 另外， 在现有的矩阵变换器装置中， 未公开对起 因于输入侧的变化进行修正的方法。 发明内容 本发明是鉴于上述问题而进行的， 目的在于提供一种电力变换器的控制装置及其 输出电压产生方法， 能够使设置在输入侧的输入滤波器的电容器电压接近于正弦波并使峰 值减少， 可利用使用了耐压低的电容器的输入滤波器， 大幅度减轻了对外围设备的影响。
为解决上述问题， 本发明是如下构成的。
方案 1 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其具备 ： 输入电压检测器， 检测 矩阵变换器的输入电压 ； 输出电流检测器， 检测所述矩阵变换器的输出电流 ； 及脉宽调制 部， 根据所述检测出的输入电压、 所述检测出的输出电流及输出线间电压指令生成 PWM 脉
冲指令信号， 其为， 具备运算所述矩阵变换器的输入电压指令的输入电压指令运算部。
方案 2 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其具备 ： 输入电压检测器， 检测 矩阵变换器的输入电压 ； 输出电流检测器， 检测所述矩阵变换器的输出电流 ； 输入电压指 令运算部， 输出整形为相位、 振幅与所述输入电压的基波相等的正弦波的信号 ； 及脉宽调制 部， 利用所述输入电压、 所述输出电流、 所述整形信号及输出线间电压指令生成 PWM 脉冲指 令信号， 其为， 所述脉宽调制部输出所述 PWM 脉冲指令信号， 使所述输入电压与所述整形信 号一致。
方案 3 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其在方案 2 所述的矩阵变换器 的控制装置中具备 ： 滤波器， 在所述矩阵变换器的输入侧由电抗器和电容器组成 ； 及电容 器电压检测器， 检测所述电容器的端子电压， 其为， 所述脉宽调制部输出所述 PWM 脉冲指令 信号， 使所述端子电压与所述整形信号一致。
方案 4 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其在方案 2 所述的矩阵变换器 的控制装置中具备 ： 电容器， 与连接在所述矩阵变换器输入侧的电源装置的内部电抗成对 地构成滤波器 ； 及电容器电流检测器， 检测流向所述电容器的电流， 其为， 所述脉宽调制部 输出所述 PWM 脉冲指令信号， 使根据流向所述电容器的电流求出的所述电容器的端子电压 与所述整形信号一致。 方案 5 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其在方案 2 所述的矩阵变换器 的控制装置中具备 ： 滤波器， 在所述矩阵变换器的输入侧由电抗器和电容器组成 ； 及电容 器电流检测器， 检测流向所述电容器的电流， 其为， 所述脉宽调制部输出所述 PWM 脉冲指令 信号， 使根据流向所述电容器的电流求出的所述电容器的端子电压与所述整形信号一致。
方案 6 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其在方案 2 所述的矩阵变换器 的控制装置中具备 ： 电容器， 与连接在所述矩阵变换器输入侧的电源装置的内部电抗成对 地构成滤波器 ； 及输入电流检测器， 检测所述矩阵变换器的输入电流， 其为， 所述脉宽调制 部输出所述 PWM 脉冲指令信号， 使根据所述输入电流求出的所述矩阵变换器的输入电压与 所述整形信号一致。
方案 7 所述的发明是一种矩阵变换器的控制装置， 其在方案 2 所述的矩阵变换器 的控制装置中具备 ： 滤波器， 在所述矩阵变换器的输入侧由电抗器和电容器组成 ； 及输入 电流检测器， 检测所述矩阵变换器的输入电流， 其为， 所述脉宽调制部输出所述 PWM 脉冲指 令信号， 使根据所述输入电流求出的所述矩阵变换器的输入电压与所述整形信号一致。
方案 8 所述的发明为， 在方案 2 至 7 中任意一项所述的矩阵变换器的控制装置中， 所述脉宽调制部具备 ： 输入电位差运算部， 根据所述输入电压使最小电位相或最大电位相 作为基准电位相， 运算所述基准电位相和中间电位相的第 1 电位差以及所述最小电位相和 所述最大电位相的第 2 电位差 ； 流通率指令部， 使所述 2 个电位差作为脉冲高度， 根据所述 输入电压的相位使脉冲高度与所述第 1 电位差相等的脉冲和脉冲高度与所述第 2 电位差相 等的脉冲的脉宽比作为流通率输出 ； 流通率修正部， 修正所述流通率 ； 及脉冲波形指令部， 根据所述 2 个电位差和所述修正后的流通率生成所述 PWM 脉冲指令信号。
方案 9 所述的发明为， 在方案 8 所述的矩阵变换器的控制装置中， 所述流通率修正 部利用由所述最小电位相和所述中间电位相的电位差决定的部分的脉宽 T1、 由所述最小电 位相和所述最大电位相的电位差决定的部分的脉宽 T2 各自中的相位、 振幅与输入电压的基
波相等的正弦波信号和输入电压 Vin 的误差电压矢量与流向所述滤波器输出侧的电流所引 起的充放电所产生的电容器电压矢量的差求出所述流通率的修正量。
方案 10 所述的发明为， 在方案 2 至 7 中任意一项所述的矩阵变换器的控制装置 中， 使交流为输入， 使单相交流或直流为输出。
方案 11 所述的发明是一种串联多重矩阵变换器， 其为， 串联连接不将交流变换为 直流而通过直接变换输出单相交流的方案 10 所述的矩阵变换器。
方案 12 所述的发明是一种并联多重矩阵变换器， 其为， 并联连接不将交流变换为 直流而通过直接变换进行交流输出的方案 2 至 7 中任意一项所述的矩阵变换器。
为了解决上述问题， 本发明是如下构成的。
方案 13 所述的发明是一种矩阵变换器控制装置的输出电压产生方法， 其为， 在矩 阵变换器的输入侧设置具备电抗器和电容器的滤波器， 包括 ： 检测来自三相交流电源的输 入电压的步骤 ； 运算整形为相位、 振幅与所述输入电压的基波相等的正弦波的信号的步骤 ； 检测所述矩阵变换器的输出电流的步骤 ； 根据所述输入电压、 所述输出电流及输出线间电 压指令生成 PWM 脉冲指令信号的步骤 ； 检测出流向所述电容器的电流或所述矩阵变换器的 输入电流， 利用该电流运算所述电容器端子电压的步骤 ； 及修正所述 PWM 脉冲指令信号使 所述整形信号与所述电容器端子电压的大小及相位一致的步骤。 方案 14 所述的发明是一种矩阵变换器控制装置的输出电压修正方法， 其为， 在矩 阵变换器的输入侧设置具备电抗器和电容器的滤波器， 包括 ： 检测来自三相交流电源的输 入电压的步骤 ； 运算整形为相位、 振幅与所述输入电压的基波相等的正弦波的信号的步骤 ； 检测所述矩阵变换器的输出电流的步骤 ； 根据所述输入电压使最小电位相或最大电位相作 为基准电位相， 运算所述基准电位相和中间电位相的第 1 电位差以及所述最小电位相和所 述最大电位相的第 2 电位差的步骤 ； 使所述 2 个电位差作为脉冲高度， 根据所述整形信号 的相位确定脉冲高度与所述第 1 电位差相等的脉冲和脉冲高度与所述第 2 电位差相等的脉 冲的脉宽比的步骤 ； 根据所述 2 个电位差和所述脉宽比生成所述 PWM 脉冲指令信号的步骤 ； 及修正所述脉宽比使所述整形信号与所述电容器端子电压的大小及相位一致的步骤。
方案 15 所述的发明是一种矩阵变换器控制装置的输出电压产生方法， 其为， 在矩 阵变换器的输入侧设置具备电抗器和电容器的滤波器， 包括 ： 检测来自三相交流电源的输 入电压的步骤 ； 运算整形为相位、 振幅与所述输入电压的基波相等的正弦波的信号的步骤 ； 检测所述矩阵变换器的输出电流的步骤 ； 根据所述输入电压、 所述输出电流及输出线间电 压指令生成 PWM 脉冲指令信号的步骤 ； 检测出流向所述电容器的电流或所述矩阵变换器的 输入电流， 利用该电流运算所述电容器端子电压的步骤 ； 及修正所述 PWM 脉冲指令信号使 所述整形信号与所述电容器端子电压的大小及相位一致的步骤。
方案 16 所述的发明是一种矩阵变换器控制装置的输出电压修正方法， 其为， 在矩 阵变换器的输入侧设置具备电抗器和电容器的滤波器， 包括 ： 检测来自三相交流电源的输 入电压的步骤 ； 运算整形为相位、 振幅与所述输入电压的基波相等的正弦波的信号的步骤 ； 检测所述矩阵变换器的输出电流的步骤 ； 根据所述输入电压使最小电位相或最大电位相作 为基准电位相， 运算所述基准电位相和中间电位相的第 1 电位差以及所述最小电位相和所 述最大电位相的第 2 电位差的步骤 ； 使所述 2 个电位差作为脉冲高度， 根据所述整形信号的 相位确定脉冲高度与所述第 1 电位差相等的脉冲和脉冲高度与所述第 2 电位差相等的脉冲
的脉宽比的步骤 ； 根据所述 2 个电位差和所述脉宽比生成所述 PWM 脉冲指令信号， 检测出流 向所述电容器的电流或所述矩阵变换器的输入电流， 利用该电流运算所述电容器端子电压 的步骤 ； 及修正所述脉宽比使所述整形信号与所述电容器端子电压的大小及相位一致的步 骤。
方案 17 所述的发明是一种矩阵变换器控制装置的输出电压产生方法， 是使交流 为输入并使单相交流或直流为输出的矩阵变换器控制装置的输出电压产生方法， 其为， 利 用方案 13 至 16 所述的任意一项的步骤产生输出电压。
方案 18 所述的发明是一种串联多重矩阵变换器控制装置的输出电压产生方法， 是串联连接使交流为输入并使单相交流或直流为输出的矩阵变换器的串联多重矩阵变换 器控制装置的输出电压产生方法， 其为， 利用方案 17 所述的步骤产生输出电压。
方案 19 所述的发明是一种并联多重矩阵变换器控制装置的输出电压产生方法， 是并联连接不将交流变换为直流而通过直接变换输出交流的矩阵变换器的并联多重矩阵 变换器控制装置的输出电压产生方法， 其为， 利用方案 13 至 17 所述的任意一项的步骤产生 输出电压。
根据方案 1 至 9 以及方案 13 至 16 所述的任意一项发明， 能够抑制输入滤波器用 电容器端子电压的波动， 根据方案 10 及 17 所述的发明， 能够将输入滤波器用电容器端子电 压的波动抑制应用于单相输出的矩阵变换器， 而且， 根据方案 11、 12、 18 及 19 所述的发明， 还能够应用于串联多重矩阵变换器及并联多重矩阵变换器的各功率单元。
由此， 能够使输入滤波器用电容器及主电路部的缓冲电路元件的耐压较低， 可降 低矩阵变换器的成本并减小对其它设备的影响。 附图说明 图 1 是表示本发明第 1 实施例的矩阵变换器的控制装置的框图。
图 2 是表示本发明第 1 实施例的变形例的框图。
图 3 是表示本发明第 2 实施例的矩阵变换器的控制装置的框图。
图 4 是表示本发明第 3 实施例的矩阵变换器的控制装置的框图。
图 5 是表示本发明第 4 实施例的矩阵变换器的控制装置的框图。
图 6 是表示本发明第 5 实施例的串联多重矩阵变换器装置的结构图。
图 7 是表示本发明第 6 实施例的并联多重矩阵变换器装置的结构图。
图 8 示出矩阵变换器的输出电压波形。
符号说明
1- 矩阵变换器 ； 2- 主电路部 3、 3’ - 电抗器 ； 4- 电容器 5- 输入滤波器 ； 6- 缓冲电 路； 7、 23、 32- 负载 ； 8- 输入电压检测器 ； 9- 输出电流检测器 ； 10、 10’ - 脉宽调制部 ； 11-PWM 产生部 ； 12- 输入电压指令运算部 ； 13- 电容器电压检测器 ； 14- 电容器电流检测器 ； 15- 输 入电流检测器 ； 16- 输入电位差运算部 ； 17- 流通率指令部 ； 18- 脉冲波形指令部 ； 19- 流通 率修正部 ； 20- 加法器 ； 21- 变压器 ； 22a ～ 22i、 31a、 31b- 功率单元 ； 24- 串联多重矩阵变换 器； 33- 并联多重矩阵变换器 ； 40、 40a、 40b- 三相电源 ； 111- 由最小电位相和中间电位相的 电位差决定的部分的脉冲 ； 112- 由最小电位相和最大电位相的电位差决定的部分的脉冲。
具体实施方式
下面， 参照附图对本发明的实施方式进行说明。
实施例 1
利用附图对本发明的第 1 实施例进行说明。
图 1 是实施了本发明的矩阵变换器的控制装置的框图。图中， 1 是矩阵变换器， 经 由电抗 3 从三相电源 40 供给三相电源， 在输出侧连接有负载 7。2 是主电路部， 由双向半导 体开关元件组成， 通过来自后述的 PWM 产生部 11 的选通信号而被驱动， 在双向上进行电力 变换。5 是输入滤波器， 由电抗 3 及电容器 4 构成， 设置在三相电源 40 和矩阵变换器 1 的 输入侧之间。另外， 电抗 3 由三相电源 40 的内部电抗或设置在三相电源 40 和矩阵变换器 1 之间的配线上的电抗器构成。6 是缓冲电路， 吸收因主电路部 2 的开关动作而产生的电涌 电压。8 是输入电压检测器， 检测出矩阵变换器 1 的输入电压 Vin。9 是输出电流检测器， 检 测来自矩阵变换器 1 的各相输出电流 Iout。另外， 作为负载 7 的典型例有交流电动机。
10 是脉宽调制部， 根据针对负载 7 的输出线间电压指令 Vref、 输入电压 Vin 及输出 电流 Iout 选择在背景技术中说明的中间电位相及基准电位相相当于输入各相的哪一相以及 运算 T1 和 T2， 生成 PWM 脉冲指令。11 是 PWM 产生部， 利用由脉宽调制部 10 运算的 PWM 脉冲 指令， 生成针对主电路部 2 的选通信号。12 是输入电压指令运算部， 在内部具有 PLL 功能， 利用输入电压 Vin 运算输入电压指令 Vs。在 PWM 产生部 11 中进行根据输入电压 Vin 的极性 进行的换流顺序处理。
对脉宽调制部 10 以使由输入电压指令运算部 12 运算的输入电压指令 Vs 与输入 电压 Vin 一致的方式生成或修正 PWM 脉冲指令的脉宽的动作进行详细说明。另外， 输入电压 指令 Vs 是整形后的信号， 是相位、 振幅与输入电压 Vin 的基波相等的正弦波状信号。
在本发明的动作说明之前， 对本发明的动作原理进行说明。
在图 1 所示的矩阵变换器中输入电压 Vin 直接成为电容器的端子电压。因而， 为了 抑制输入电容器的电压波动， 可以考虑使输入电压矢量 Vin 与指令电压矢量 Vs 一致。指令 电压矢量 Vs 是相位、 振幅与输入电压的基波相等的正弦波信号， 如果能够使输入电压 Vin 与 其一致， 则电容器端子电压也成为正弦波。为了实现该目标， 控制 PWM 脉冲指令的脉宽， 以 使两者的误差电压矢量 ΔVc 变为最小。
可是， 在使与现有技术中说明的中间电位相成对使用的输入相分别使用最小电位 相和最大电位相的矩阵变换器装置中， 向输入的基准电位相和中间电位相之间以及最小电 位相和最大电位相之间分配输出电流而流动的电流流向输入滤波器 5 的输出侧， 通过该电 流对输入滤波器 5 的电容器进行充放电而产生电压。因而， 需要考虑到该电压。使流过输 入滤波器 5 输出侧的电流作为滤波器输出电流矢量 IL， 使通过该 IL 进行的充放电而产生的 电容器电压矢量作为充放电电压矢量 VL 继续以下说明。
滤波器输出电流矢量 IL 近似为固定值时， 可通过公式 (1) 求出该充放电电压矢量 VL。
VL ＝ (1/C) ∫ ILdt ＝ (t/C)IL ＝ k·IL(k ＝ t/C)… (1)
因而， 经过时间 t 后， 电容器电压变为 Vin+VL。
由此， 如果以使误差电压矢量 ΔVc 与通过公式 (1) 运算的充放电电压 VL 一致的方 式进行控制， 则能够使输入电压 Vin 即电容器端子电压成为与指令电压 Vs 相同的正弦波状信号。 下面， 进行本发明的动作说明。
输入电压指令运算部 12 向内部所具有的 PLL 输入由输入电压检测器 8 检测出的 输入电压 Vin。PLL 输出相位与所输入的输入电压 Vin 同步的正弦波。此时， 在与输入电压 Vin 的相位同步之前， 不响应输入电压 Vin 的急剧的电压变化。
如此， PLL 对所输入的输入电压 Vin 进行整形， 从而作为相位、 振幅与输入电压 Vin 的基波相等的正弦波输出。
脉宽调制部 10 确定脉宽 T1、 T2 生成 PWM 脉冲指令。脉宽调制部 10 中输入来自输 出电流检测器 9 的输出电流值 Iout、 由输入电压检测器 8 检测出的输入电压 Vin 及来自输入 电压指令运算部 12 的输入电压指令 Vs。
下面， 说明生成 PWM 脉冲的顺序。
首先， 在脉宽调制部 10 中， 运算脉宽 T1 中的误差电压 ΔVc 和充放电电压 VL 的偏 差 Hmid 以及脉宽 T2 中的误差电压 ΔVc 和充放电电压 VL 的偏差 Hmax。
Imid 是脉宽 T1 时的输出电流值 Iout， Imax 是脉宽 T2 时的输出电流值 Iout， 通过对 输入指令电压值 Vs 及输入电压值 Vin 进行减法运算而求出误差电压 ΔVc， 对于充放电电压 VL 利用公式 (1) 的关系， 通过公式 (2) ～ (5) 定义、 导出偏差 Hmid、 Hmax。
Hmid ＝ |ΔVc-k1·Imid| ＝ |Vs-Vin-k1·Imid|… (2)
Hmax ＝ |ΔVc-k2·Imax| ＝ |Vs-Vin-k2·Imax|… (3)
在此，
k1 ＝ 2·T1/C… (4)
k2 ＝ 2·T2/C… (5)
对应于偏差 Hmid、 Hmax 中值较小一方的输出状态与对应于值较大一方的输出状 态相比 ΔVc 和 VL 的差较小， 因此， 使 Vin 与 Vs 一致的效果较大。因而， 以使偏差 Hmax、 Hmid 较小一方的输出状态变长的方式确定脉宽 T1 及 T2。
为了实现该目标， 只要如公式 (6) 所示， 使 T1 及 T2 的比等于 Hmax 和 Hmid 的比即 可。
T1 ∶ T2 ＝ Hmax ∶ Hmid… (6)
而且， 为了确定具体的 T1、 T2 的值， 应用如下条件公式 (7)， PWM 脉冲指令的面积 S 等于输出线间电压指令 Vref 及脉冲周期 T 的乘积。
S ＝ T1’ +T2’
2(T1·ΔEmid+T2·ΔEmax) ＝ T·Vref… (7)
在此， ΔEmax 是最大电位相和最小电位相的电位差， ΔEmid 是中间电位相和基准 电位相的电位差。
如此， 脉宽调制部 10 通过根据公式 (2) 至公式 (7) 确定 PWM 脉冲指令的脉宽 T1 及 T2 而生成 PWM 脉冲指令。
以上， 虽然说明了针对 1 个线间电压指令的调制修正， 但是在 3 相负载的情况下， 由于在同一载波周期内输入的最小电位相、 中间电位相、 最大电位相不发生变化， 因此只要 对所具有的 2 个线间电压指令同时实施上述公式 (1) ～ (7) 的运算， 就能够确定如下 T1 及 T2， 可较长地持续使 Vc 与 Vs 一致的效果较大的输出状态， 能够使电容器电压 Vc 与输入指令
电压 Vs 一致。
如此， 由于能够在使 PWM 脉冲指令的面积 S 一定的条件下， 使输入电压 Vin 即电容 器端子电压与输入指令电压 Vs 一致， 因此能够抑制输入电容器端子电压的波动。
实施例 2
下面， 利用附图对本发明的第 2 实施例进行说明。
图 3 是表示第 2 实施例的结构的框图， 省略图中与图 1 相同结构的说明， 以下对不 同部分进行说明。第 1 实施例的特征在于具备输入电压指令运算指令 12 及电容器电压检 测器 13， 但是第 2 实施例与第 1 实施例的不同之处在于， 代替直接检测出电容器端子电压 Vc， 检测出电容器电流矢量 Ic， 根据该 Ic 求出电容器电压矢量 Vc。
脉宽调制修正部 14 利用由电容器电流检测器 15 检测出的电容器电流 Ic 通过公 式 (8) 运算电容器电压矢量 Vc。
Vc ＝ (1/C) ∫ Icdt… (8)
如此， 由于运算了电容器电压矢量 Vc， 因此能够与第 1 实施例同样地实施本发明。
实施例 3
下面， 利用附图对本发明的第 3 实施例进行说明。 图 4 是表示第 3 实施例的结构的框图， 省略图中与图 1 相同结构的说明， 以下对不 同部分进行说明。第 1 实施例的特征在于具备输入电压指令运算指令 12 及电容器电压检 测器 13， 但是第 3 实施例与第 1 实施例的不同之处在于， 代替直接检测出电容器端子电压 Vc， 检测出流向矩阵变换器 1 的输入电流 Iin， 根据该 Iin 求出电容器电压矢量 Vc。
脉宽调制修正部 14 利用由输入电流检测器 16 检测出的流向矩阵变换器 1 的输入 电流 Iin， 通过考虑了输出电流 Iout 分配至输入侧的电流矢量 IL 的公式 (9) 运算电容器电 压矢量 Vc。
Vc ＝ (1/C) ∫ (Iin-IL)dt… (9)
如此， 由于运算了电容器电压矢量 Vc， 因此能够与第 1 实施例同样地实施本发明。
如上所述， 在实施例 1 至实施例 3 的说明中， 以构成输入滤波器 5 的电抗使用三相 电源 40 或虽未图示但位于矩阵变换器 1 输入侧的变压器中存在的内部电抗的情况为例说 明了实施例。
在此， 以实施例 1 为例说明实施例 1 至实施例 3 的变形例。图 2 是在为了得到构 成输入侧滤波器的电抗而在矩阵变换器内部设有电抗器的矩阵变换器中应用了本发明方 法的情况的框图。其如下构成， 除输入电压检测器 8 以外还设有电容器电压检测器 13， 使 误差电压矢量 ΔVc 作为指令电压 Vs 与由电容器电压检测器 13 检测出的电容器端子电压 Vc 的差电压， 输入电压值 Vin 作为由输入电压检测器 8 检测出的电压， 在生成 PWM 脉冲指令时， 确定 PWM 脉冲指令的脉宽 T1 及 T2。
如此， 即使将实施例 1 的图 1 变形为图 2， 也就是说， 即使在矩阵变换器 1 中内置电 抗器 3’ ， 用该电抗器在输入侧构成滤波器， 也能够实施实施例 1 至实施例 4 中的发明。另 外， 即使另外设置补充内部电抗器的部分也是一样的。
实施例 4
下面， 对本发明的第 4 实施例进行说明。第 4 实施例在通过使脉冲面积 S 以及脉 宽 T1 与 T2 的比即流通率 α 可变来控制输出电压大小以及控制输入电流形状的矩阵变换器
中， 即， 在上述背景技术中所示的确定流通率 α 使输入电流波形接近于正弦波的矩阵变换 器中应用了本发明。
图 5 是表示第 4 实施例的结构的框图， 省略与图 2 相同结构的说明， 以下对不同部 分进行说明。
图 5 所示的矩阵变换器的控制装置将图 2 的脉宽调制部 10 替换为 10’ ， 由输入电 位差运算部 16、 流通率指令部 17、 脉冲波形指令部 18、 流通率修正部 19、 加法器 20 构成。
输入电位差运算部 16 根据由输入电压检测器 8 检测出的输入电压值判断输入 电压三相的大小关系， 确定最大电位相、 中间电位相、 最小电位相相当于输入三相的哪一 相， 运算最大电位相和最小电位相的电位差 ΔEmax、 中间电位相和基准电位相的电位差 ΔEmid， 并向脉冲波形指令部 18 输出。
流通率指令部 17 与输入电位差运算部 16 一样， 根据由输入电压检测器 8 检测出 的输入电压值确定最大电位相、 中间电位相、 最小电位相相当于输入三相的哪一相， 作为与 中间电位相的电压值 Vmid 与中间电位相及基准电位相以外的相的电压值 Vex 的比相等的值， 通过公式 (10) 确定流通率 α， 并向加法器 20 输出。
α ＝ T1/T2 ＝ Vmid/Vex… (10)
流通率修正部 19 与实施例 1 一样， 使用上述公式 (2)、 (3) 运算偏差 Hmid 及 Hmax 后， 通过公式 (11) 求出流通率 α 的修正量 Δα， 并向加法器 20 输出。
Δα ＝ K(Hmax-Hmid)… (11)
另外， K： 比例常数。
加法器 20 在由流通率指令部 17 运算的流通率 α 上加上流通率 α 的修正量 Δα， 将加法值输出至脉冲波形指令部 18。
脉冲波形指令部 18 根据针对负载 7 的输出线间电压指令 Vref、 最大电位相和最小 电位相的电位差 ΔEmax、 中间电位相和基准电位相的电位差 ΔEmid 及输出电流值 Iout 考虑 上述说明的中间电位相及基准电位相相当于输入各相的哪一相， 使流通率为 α+Δα 通过 实施例 1 中说明的 PWM 脉冲生成顺序求出 PWM 脉冲指令， 向 PWM 产生部 11 输出。
如此， 通过将流通率 α 变更为 α+Δα 来调制修正流通率， 使输入电压指令 Vs 与 电容器的端子电压 Vc 一致。
通过上述处理， 在 Hmid 大于 Hmax， 与 T1 的状态相比 T2 的状态使 Vc 与 Vs 一致的效 果较大时， 修正为使流通率 α 变小， 增大脉宽 T2， 减小 T1。而且， 相反在 Hmax 大于 Hmid， 与 T2 的状态相比 T1 的状态使 Vc 与 Vs 一致的效果较大时， 修正为使流通率 α 变大， 增大脉宽 T1， 减小 T2。
以上， 虽然说明了针对 1 个线间电压指令的调制修正， 但是在 3 相负载的情况下， 只要对所具有的 2 个线间电压指令同时实施上述公式 (2)、 (3)、 (10) 及 (11) 的运算， 就能 够针对各个线间电压指令运算流通率 α 的加法量 Δα。 通过在共通的流通率 α 上加上该 分别运算的 Δα， 与第 1 实施例一样， 能够使电容器电压 Vc 与输入指令电压 Vs 一致， 因此， 能够抑制输入电容器的电压 Vin 的波动。
而且， 如第 2 实施例中说明的那样， 即使将图 5 的电容器电压检测器 11 替换为电 容器电流检测器 13， 也能够通过实施例 4 实施本发明。
而且， 如第 3 实施例中说明的那样， 即使将图 5 的电容器电压检测器 11 替换为输入电流检测器 14， 也能够通过实施例 4 实施本发明。
而且， 如上所述， 虽然以输出相数为 3 相的情况进行了说明， 但是不用说无论输出 相数为几相， 只要作为输出电压指令给予比输出相数少一个数量的线间电压指令， 针对各 个线间电压指令实施本发明， 就能够使电容器电压 Vc 与输入指令电压 Vs 一致。
如此， 本发明可应用于单相输出至多相输出的矩阵变换器。
实施例 5
下面， 对本发明的第 5 实施例进行说明。第 5 实施例在串联连接输出为单相交流 或直流的矩阵变换器的输出而构成的串联多重矩阵变换器装置中应用了本发明。
图 6 是第 5 实施例的结构图， 图中， 变压器 21 将来自三相电源 40 的三相交流电源 作为输入， 变换为矩阵变换器的输入电压， 功率单元 22a ～ 22i 将变压器 21 的二次电压作 为输入并输出单相交流电压。负载 23 连接于使功率单元 22a ～ 22i 串联多重化而构成的 矩阵变换器 24。
构成串联多重矩阵变换器 24 的功率单元 22a ～ 22i 串联连接， 生成输出多相交流 的 1 相电压。而且， 由于功率单元 22a ～ 22i 应用了实施例 1 至实施例 4 中说明的矩阵变 换器 1， 因此在串联多重矩阵变换器 24 中也同样能够抑制功率单元 22a ～ 22i 所内置的输 入滤波器用电容器的电压波动。
实施例 6
下面， 对本发明的第 6 实施例进行说明。第 6 实施例在并联连接矩阵变换器的输 出而构成的并联多重矩阵变换器装置中应用了本发明。
图 7 是第 6 实施例的结构图， 图中， 功率单元 31a、 31b 分别将来自三相电源 40a、 40b 的三相交流电源作为输入， 输出交流电压。负载 32 连接于使功率单元 31a、 31b 并联多 重化而构成的矩阵变换器 33。
由于构成该并联多重矩阵变换器 33 的功率单元 31a、 31b 应用了实施例 1 至实施 例 4 中说明的矩阵变换器 1， 因此在并联多重矩阵变换器 33 中也同样能够抑制功率单元 31a、 31b 所内置的输入滤波器用电容器的电压波动。
如此， 电容器电压矢量 Vc 接近输入电压指令矢量 Vs， 抑制了输入用滤波器的电容 器电压峰值增大， 因此， 能够使电容器及缓冲电路元件的耐压较低， 能够降低矩阵变换器成 本并减小对其它设备的影响。
实施例 7
下面， 作为第 7 实施例， 对应用了本发明的矩阵变换器控制装置的输出电压产生 方法进行说明。
所应用的矩阵变换器控制装置在输入侧设置有具备电抗器 3 和电容器 4 的滤波 器， 具备 ： 输入电压检测器 8， 检测来自三相电源 40 的输入电压 ； 输出电流检测器 9， 检测矩 阵变换器 1 的输出电流 ； 电容器电压检测器 13， 检测电容器 4 的端子电压 ； 及第 1 实施例中 说明的脉宽调制部 10， 以下述顺序产生输出电压。
( 步骤 001)
该顺序为， 首先， 输入电压检测器 8 检测出来自三相电源 40 的输入电压。
( 步骤 002)
之后， 电容器电压检测器 13 检测出电容器的端子电压值。之后， 脉宽调制部 10 进行下述处理。 ( 步骤 003) 首先， 运算相位、 振幅与步骤 001 中检测出的输入电压值的基波相等的输入电压指令值。 ( 步骤 004)
之后， 根据步骤 003 中运算的输入电压值使最小电位相或最大电位相作为基准电 位相， 运算基准电位相和中间电位相的第 1 电位差以及最小电位相和最大电位相的第 2 电 位差。
( 步骤 005)
之后， 将步骤 004 中运算的 2 个电位差作为脉冲高度， 确定脉冲高度与第 1 电位差 相等的脉冲的脉宽以及脉冲高度与第 2 电位差相等的脉冲的脉宽， 以使输入电压指令值与 所检测出的电容器的端子电压值的大小及方向一致。
( 步骤 006)
之后， 根据步骤 005 中确定的两个脉宽生成 PWM 脉冲指令信号。
另外， 由于上述的具体处理已在第 1 实施例中详细说明， 因此此处省略说明。
如此， 由于生成了 PWM 脉冲指令信号， 因此后面通过按照以往的顺序进行处理而 产生矩阵变换器控制装置的输出电压。
实施例 8
下面， 作为第 8 实施例， 对应用了本发明的矩阵变换器控制装置具备检测电容器 4 端子电流的电容器电流检测器 14 来代替电容器电压检测器 13 时的输出电压产生方法进行 说明。
电容器电流检测器 14 检测出流向电容器 4 的电流值， 通过第 2 实施例中记载的方 法运算电容器的端子电压值， 通过应用第 7 实施例， 即使代替电容器的端子电压值而利用 流向电容器的端子电流值也能够同样地实施。
而且， 即使不具备电容器电流检测器 14， 也可检测出矩阵变换器 1 的输入电流， 通 过第 3 实施例所记载的方法运算电容器的端子电压值， 从而应用第 7 实施例。
实施例 9
下面， 作为第 9 实施例， 对应用了本发明的矩阵变换器控制装置的输出电压修正 方法进行说明。
所应用的矩阵变换器控制装置在输入侧设置有具备电抗器 3 和电容器 4 的滤波 器， 具备 ： 输入电压检测器 8， 检测来自三相电源 40 的输入电压 ； 输出电流检测器 9， 检测矩 阵变换器 1 的输出电流 ； 电容器电压检测器 13， 检测电容器 4 的端子电压 ； 及第 4 实施例中 说明的输入电位差运算部 16、 流通率指令部 17、 脉冲波形指令部 18、 流通率修正部 19、 加法 器 20， 以下述顺序产生输出电压。
( 步骤 001)
该顺序为， 首先， 检测出来自三相电源 40 的输入电压。
( 步骤 002)
之后， 检测出电容器的端子电压值。
( 步骤 003)
首先， 运算相位、 振幅与在步骤 001 中检测出的输入电压值的基波相等的输入电 压指令值。
( 步骤 004)
之后， 根据步骤 003 中运算的输入电压值使最小电位相或最大电位相作为基准电 位相， 运算基准电位相和中间电位相的第 1 电位差以及最小电位相和最大电位相的第 2 电 位差。
( 步骤 005)
之后， 将步骤 004 中运算的 2 个电位差作为脉冲高度， 根据所运算的输入电压指令 值的相位确定脉冲高度与第 1 电位差相等的脉冲和脉冲高度与第 2 电位差相等的脉冲的脉 宽比。
( 步骤 006)
之后， 根据步骤 004 中运算的 2 个电位差和步骤 005 中确定的脉宽比生成 PWM 脉 冲指令信号。
( 步骤 007)
之后， 修正步骤 005 中确定的脉宽比， 以使输入电压指令值与所检测出的电容器 的端子电压值的大小及方向一致。 另外， 由于上述的具体处理已在第 4 实施例中详细说明， 因此此处省略说明。
而且， 由于第 7 至第 9 实施例中所示的方法无论输出相数是几相都能够进行应用， 因此也能够完全同样地应用于单相或直流输出的矩阵变换器。
而且， 能够在第 5 实施例中所示的串联连接矩阵变换器的输出而构成的串联多重 矩阵变换器装置中， 还能够在第 6 实施例中所示的并联连接矩阵变换器的输出而构成的并 联多重矩阵变换器装置中， 具备并应用适用了第 7 至第 9 实施例中所示的方法的矩阵变换 器。
由于能够作为输出电压指令给予比输出相数少一个数量的线间电压指令， 针对各 个线间电压指令实施本发明， 因此能够应用于单相输出至多相输出的矩阵变换器， 另外， 还 能够应用于串联连接该矩阵变换器的串联多重矩阵变换器、 并联连接该矩阵变换器的并联 多重矩阵变换器。