矩陣變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種矩陣變換器。
【背景技術】
[0002]將交流電不變換成直流電，而直接變換成交流電的電力變換器，一般，作為矩陣變換器而公知。矩陣變換器中進行變換的開關元件為I級。由此，與組合變換器及逆變器的電力變換器相比能夠提高效率。并且，由于不存在處理直流電壓的電路，因此不需要平滑用電容器，從而能夠延長裝置壽命，并且能夠提高可靠性。
[0003]在非專利文獻I中記載有，在矩陣變換器中，考慮虛擬整流器和虛擬逆變器，并對各自的PWM脈沖進行矩陣運算，從而產生矩陣變換器的脈沖。由此，根據非專利文獻1，將被輸入的3相交流電壓變換成具有與該3相交流電壓不同的電壓及頻率的3相交流電壓。
[0004]以往技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本專利特開2011-30409號公報
[0007]非專利文獻
[0008]非專利文獻1:除伊藤淳一外4名“基于利用載波比較方式的虛擬AC/DC/AC變換方式的矩陣變換器的控制方法”電學論D，124，5 (2004-5)
【發明內容】
[0009]在非專利文獻I中記載的變換方法中，當生成虛擬整流器的PffM脈沖時，需要將電壓矢量以矩陣變換成電流矢量的處理等。從而，需要運算量大且復雜的處理。即，在非專利文獻I中記載的變換方法中，如矩陣運算那樣的復雜的運算是必不可少的。
[0010]并且，在非專利文獻I中記載的變換方法中，當生成虛擬逆變器的PffM脈沖時，為了將虛擬逆變器的環流模式均等地分配于虛擬整流器，需要調制三角波載波，或者考慮直流脈動而補正逆變器的控制信號的處理等。從而，仍需要運算量大且復雜的處理。
[0011]另外，在非專利文獻I中記載的變換方法中，認為在載波期間輸入電壓相的選擇始終是最大_最小和最大_中間這兩種選擇。最大_中間的選擇中，中間電壓相的零交叉附近的脈沖寬度變窄，尤其，在低負載時，脈沖寬度容易變窄。因此，脈沖寬度的時間有可能變得比開關元件的開關時間短。因此，在非專利文獻I中記載的變換方法中，作為變換性能，輸入輸出電流波形例如在低負載時電流及電壓的波形的畸變率容易變大。并且，電力的變換效率呈降低的趨勢。
[0012]本發明是鑒于上述課題而完成的，其目的在于獲得一種能夠以簡單的處理便能夠將交流電直接變換成交流電的矩陣變換器。
[0013]為了解決上述課題并實現目的，本發明的第I方面所涉及的矩陣變換器，將被輸入的3相交流電直接變換成3相交流電而輸出給負載，其具備雙向開關電路和控制部。雙向開關電路開啟/關閉所述被輸入的3相交流電向所述負載的供給。控制部生成所述雙向開關電路的開關圖形，以便根據按照所述被輸入的3相交流電中的各相電壓的大小關系而被區分的多個模式，對所述被輸入的3相交流電進行不同的虛擬AC/DC變換處理，且選擇所述被輸入的3相交流電中的2相，對所選擇的2相線間電壓，按照所述多個模式進行不同的虛擬DC/AC變換處理。
[0014]并且，本發明的第2方面所涉及的矩陣變換器，在本發明的第I方面所涉及的矩陣變換器中，所述控制部生成所述雙向開關電路的開關圖形，以便按照所述多個模式，利用不同的第I載波波形圖形，對所述被輸入的3相交流電進行虛擬AC/DC變換處理，且選擇所述被輸入的3相交流電中的2相，對所選擇的2相線間電壓，按照所述多個模式，利用不同的第2載波波形圖形進行虛擬DC/AC變換處理。
[0015]并且，本發明的第3方面所涉及的矩陣變換器，在本發明的第2方面所涉及的矩陣變換器中，所述控制部在所述多個模式的各模式中，作為所述虛擬AC/DC變換處理，由所述第I載波波形圖形和與輸入側的相所對應的第I控制信號來求出多個線間電壓生成區間，且作為所述虛擬DC/AC變換處理而生成與所述多個線間電壓生成區間對應的所述第2載波波形圖形，由所生成的所述第2載波波形圖形和與輸出側的相所對應的第2控制信號來生成所述雙向開關電路的開關圖形。
[0016]并且，本發明的第4方面所涉及的矩陣變換器，在本發明的第3方面所涉及的矩陣變換器中，所述控制部對所述被輸入的3相交流電中的最大電壓相、最小電壓相及中間電壓相進行識別。另外，所述控制部將所述多個線間電壓生成區間分為與中間電壓相及最小電壓相對應的第I區間、與最大電壓相及最小電壓相對應的第2區間、及與最大電壓相及中間電壓相對應的第3區間而求出。
[0017]并且，本發明的第5方面所涉及的矩陣變換器，在本發明的第3方面或第4方面所涉及的矩陣變換器中，所述第2載波波形圖形具有在所述多個線間電壓生成區間中橫跨連續的兩個區間且電平呈山形變化的圖形。
[0018]并且，本發明的第6方面所涉及的矩陣變換器，在本發明的第4方面或第5方面所涉及的矩陣變換器中，所述第2載波波形圖形，在所述多個線間電壓生成區間的各自的兩個電壓相中，將電壓值大的電壓相作為“ + ”側相，且將電壓值小的電壓相作為側相時，當切換模式時在“ + ”側相及側相存在相同的相的情況下，具有橫跨切換的兩個模式且電平呈山形連續的圖形，當切換模式時在“ + ”側相及側相存在反向的相的情況下，具有在切換的兩個模式的邊界電平呈鋸齒狀變化的圖形。
[0019]根據本發明，不進行如矩陣運算那樣復雜的運算，而是生成雙向開關電路的開關圖形，以便根據被輸入的3相交流電的各相電壓的大小關系，進行虛擬AC/DC變換處理及虛擬DC/AC變換處理。因此，能夠以簡單的處理便能夠將交流電直接變換成交流電。
【附圖說明】
[0020]圖1是表示實施方式所涉及的矩陣變換器的結構的圖。
[0021]圖2是表示實施方式中的雙向開關的結構的圖。
[0022]圖3是表示實施方式中的多個模式的圖。
[0023]圖4 (a)、圖4 (b)、圖4 (C)、圖4 (d)、圖4 (e)和圖4 (f)分別是表示實施方式中的虛擬AC/DC變換處理的圖。
[0024]圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別是表不實施方式中的電壓相的選擇思路的圖。
[0025]圖6 (a)、圖6 (b)、圖6 (C)、圖6 (d)、圖6 (e)和圖6 (f)分別是表示實施方式中的虛擬DC/AC變換處理的圖。
[0026]圖7是表示實施方式中的矩陣變換器的動作的波形圖。
[0027]圖8是表示實施方式中的控制信號生成部及控制部的結構例的圖。
[0028]圖9是表示實施方式中的控制部的結構例的圖。
[0029]圖10是表示實施方式中的控制信號生成部及控制部的其它結構例的圖。
[0030]圖11是表示實施方式中的控制信號生成部及控制部的其它結構例的圖。
[0031]附圖標記說明
[0032]I矩陣變換器
[0033]10雙向開關電路
[0034]20控制部
[0035]30控制信號生成部
[0036]40 3相電抗器
[0037]50輸入電容器
[0038]LD 負載
[0039]PS 3相交流電源。
【具體實施方式】
[0040]以下，根據附圖，對本發明所涉及的矩陣變換器的實施方式進行詳細說明。另外，本發明并不限定于以下實施方式。
[0041](實施方式)
[0042]利用圖1、2，對實施方式所涉及的矩陣變換器I進行說明。圖1是表示矩陣變換器I的結構的圖。圖2是表示雙向開關SRU?STW的結構的圖。
[0043]矩陣變換器I中，從3相交流電源PS，經由3相電源線Lr、Ls、Lt被輸入3相交流電。并且，矩陣變換器I暫且不會將被輸入的3相交流電變換成直流電，而將其直接變換成3相交流電，并經由3相電源線Lu、Lv、Lw而輸出給負載LD。被輸入的3相交流電和3相交流電的電壓及頻率互不相同。被輸入的3相交流電例如包括R相交流電、S相交流電、T相交流電。3相交流電例如包括U相交流電、V相交流電、W相交流電。
[0044]具體而言，矩陣變換器I具備3相電抗器40、輸入電容器50、雙向開關電路10、控制信號生成部30及控制部20。
[0045]3相電抗器40例如具有多個電抗器41?43。電抗器41例如串聯插入于R相電源線Lr。電抗器42例如串聯插入于S相電源線Ls。電抗器43例如串聯插入于T相電源線U。3相電抗器40例如減小3相電源線Lr、Ls、Lt中的電流及電壓的脈動。
[0046]輸入電容器50例如具有多個電容器51?53。電容器51例如一端連接于R相電源線Lr，而另一端連接于電容器52、53。電容器52例如一端連接于S相電源線Ls，而另一端連接于電容器51、53。電容器53例如一端連接于T相電源線Lt，而另一端連接于電容器51、52。輸入電容器50例如減小3相電源線Lr、Ls, Lt中的電流及電壓的脈動。
[0047]雙向開關電路10開啟/關閉被輸入的3相交流電向負載的供給，以便將被輸入的3相交流電變換成3相交流電。例如，雙向開關電路10具有9個雙向開關SRU、SSU、STU、SRV, SSV、STV、SRff, SSff, STW。雙向開關電路10根據控制部20的控制使9個雙向開關SRU?STW分別在規定時刻進行開啟/關閉，從而，將被輸入的3相交流電變換成3相交流電。
[0048]雙向開關SRU例如由R相交流電生成U相交流電的成分。雙向開關SRU例如從控制部20接收開關信號Φ SRU。另外，雙向開關SRU根據開關信號Φ SRU來開啟/關閉R相電源線Lr與U相電源線Lu之間的連接。
[0049]雙向開關SSU例如由S相交流電生成U相交流電的成分。雙向開關SSU例如從控制部20接收開關信號(i>SSU。另外，雙向開關SSU根據開關信號(i>SRU來開啟/關閉S相電源線Ls與U相電源線Lu之間的連接。
[0050]雙向開關STU例如由T相交流電生成U相交流電的成分。雙向開關STU例如從控制部20接收開關信號(i)STU。另外，雙向開關STU根據開關信號(i)SRU來開啟/關閉T相電源線Lt與U相電源線Lu之間的連接。
[0051]雙向開關SRU、SSU、STU共同連接于U相電源線Lu。從雙向開關SRU、SSU、STU供給的U相交流電的成分在U相電源線Lu上被合成，作為U相交流電供給到負載LD。
[0052]雙向開關SRV例如由R相交流電生成V相交流電的成分。雙向開關SRV例如從控制部20接收開關信號Φ SRV。另外，雙向開關SRV根據開關信號Φ SRV來開啟/關閉R相電源線Lr與V相電源線Lv之間的連接。
[0053]雙向開關SSV例如由S相交流電生成V相交流電的成分。雙向開關SSV例如從控制部20接收開關信號(i>SSV。另外，雙向開關SSV根據開關信號(i>SRV來開啟/關閉S相電源線Ls與V相電源線Lv之間的連接。
[0054]雙向開關STV例如由T相交流電生成V相交流電的成分。雙向開關STV例如從控制部20接收開關信號(i>STV。另外，雙向開關STV根據開關信號(i>SRV來開啟/關閉T相電源線Lt與V相電源線Lv之間的連接。
[0055]雙向開關SRV、SSV、STV共同連接于V相電源線Lv。從雙向開關SRV、SSV、STV供給的V相交流電的成分在V相電源線Lv上被合成，作為V相交流電供給到負載LD。
[0056]雙向開關SRW例如由R相交流電生成W相交流電的成分。雙向開關SRW例如從控制部20接收開關信號Φ SRW。另外，雙向開關SRW根據開關信號Φ SRff來開啟/關閉R相電源線Lr與W相電源線Lw之間的連接。
[0057]雙向開關SSW例如由S相交流電生成W相交流電的成分。雙向開關SSW例如從控制部20接收開關信號(i>SSW。另外，雙向開關SSW根據開關信號OSRW來開啟/關閉S相電源線Ls與W相電源線Lw之間的連接。
[0058]雙向開關STW例如由T相交流電生成W相交流電的成分。雙向開關STW例如從控制部20接收開關信號Φ STW。另外，雙向開關STW根據開關信號Φ SRff來開啟/關閉T相電源線Lt與W相電源線Lw之間的連接。
[0059]雙向開關SRW、SSff, STW共同連接于W相電源線Lw。從雙向開關SRW、SSff, STff供給的W相交流電的成分在W相電源線Lw上被合成，作為W相交流電供給到負載LD。
[0060]各雙向開關SRU?STW例如與圖2 (a)所示的開關S等效。圖2 (a)所示的開關S從控制部20經由控制端子CT接收開關信號，并進行開啟而連接端子Tl和端子T2，或者進行關閉而切斷端子Tl和端子T2。開關S能夠使電流在端子Tl與端子T2之間向兩個方向流過。
[0061]圖2(a)所示的開關S為理想的的開關。實際上構成開關的元件存在開關時間。因此，考慮換向時的開啟模式、短路模式，開關S例如也可以如圖2(b)、或圖2(c)所示那樣連接而構成。圖2(b)所示的結構，例如為并聯連接具有反向切斷功能的元件EL1、EL2而實現的結構。具有反向切斷功能的元件EL1，EL2例如也可以為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。端子T1’、T2’分別對應于圖2(a)所示的端子Tl、Τ2。控制端子CTI’、CTI’對應于圖2(a)所示的控制端子CT。
[0062]或者，圖2(c)所示的結構例如為，通過串聯連接沒有反向切斷功能的元件EL11、EL12而實現的結構。沒有反向切斷功能的元件EL11、EL12例如可以為兩端連接有環流二極管的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，或者也可以為場效應晶體管(FET)。端子Tl”對應于圖2(a)所示的端子Tl。端子Τ2”對應于圖2(a)所示的端子Τ2。控制端子CT1”、CT2”對應于圖2(a)所示的控制端子CT。
[0063]控制信號生成部30生成與輸出給負載側的任意的3相交流電所對應的控制信號(第2控制信號)CSu、CSv、CSw并供給到控制部20。控制信號CSu、CSv、CSw在本實施方式中為正弦波。控制信號CSu為與應供給到負載LD的U相交流電壓所對應的交流波形(例如，本實施方式中為正弦波)。控制信號CSv為與應供給到負載LD的V相交流電壓所對應的交流波形(例如，本實施方式中為正弦波)。例如，控制信號CSw為與應供給到負載LD的W相交流電壓所對應的交流波形(例如，本實施方式中為正弦波)。
[0064]控制部20生成雙向開關電路10中的各雙向開關SRU?STW的開關圖形。例如，控制部20生成雙向開關電路10的開關圖形(S卩，開關信號的圖形)，以便對雙向開關電路10所輸入的3相交流電進行虛擬AC/DC變換處理，且對已進行虛擬AC/DC變換處理的電力進行虛擬DC/AC變換處理。以下，“進行虛擬AC/DC變換處理”是指虛擬地進行虛擬AC/DC變換處理。并且，“進行虛擬DC/AC變換處理”是指虛擬地進行虛擬DC/AC變換處理。
[0065]此時，控制部20生成雙向開關電路10的開關圖形，以便對被輸入的3相交流電，根據按照被輸入的3相交流電中的各相電壓的大小關系而被區分的多個模式(例如，圖3所示的模式I?VI)進行互不相同的虛擬AC/DC變換處理。
[0066]具體而言，控制部20檢測輸入交流電壓(例如，R相交流電壓)，并由檢測到的輸入交流電壓來檢測輸入交流電壓的零交叉點。控制部20根據檢測到的零交叉點(例如，通過以檢測到的零交叉點為基準推定輸入側的各相的相位)，并將輸入側的各相(R相、S相、T相)的交流電壓推定為第I控制信號。另外，控制部20根據所推定的各相的交流電壓的大小關系來識別此時的模式為多個模式中的哪一種模式。
[0067]此時，控制部20控制雙向開關電路10，以便對多個模式用不同的第I載波波形圖形(例如，圖4所示的第I載波波形圖形CWll?CW13)，對被輸入的3相交流電進行虛擬AC/DC變換處理。S卩，控制部20根據所識別的模式來確定應使用于虛擬AC/DC變換處理的第I載波波形圖形。另外，控制部20將所確定的第I載波波形圖形和與輸入側的相所對應的第I控制信號進行比較。控制部20根據該比較結果來生成使各雙向開關SRU?STW虛擬地生成直流電的虛擬的多個開關信號(R相脈沖、S相脈沖、T相脈沖)。與此同時，控制部20求出與虛擬的多個開關信號(R相脈沖、S相脈沖、T相脈沖)的電平(High、Low)的組合所對應的多個線間電壓生成區間(例如，圖4(a)所示的區間TS11、TS12、TS13)。換言之，控制部20進行控制，以使各雙向開關SRU?STW進行生成直流電的虛擬的開關動作。由此，使各雙向開關SRU?STW虛擬地進行AC/DC變換處理(虛擬AC/DC變換處理)。
[0068]另外，虛擬的開關動作是指與實際上各雙向開關SRU?STW進行的動作不同的開關動作。