CN105391308A - 矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够提高电力转换的精度的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置以及矩阵变换器的控制方法。本发明的实施方式涉及的矩阵变换器具备选择部和换流控制部。选择部基于交流电源的相电压的状态和负载的相电流的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式。换流控制部利用由选择部选择出的换流模式控制电力转换部的双向开关来进行切换交流电源和负载的连接状态的换流控制。基于由选择部进行的换流模式的选择比例对多种换流模式的特性值加权得到的值的合计值为成为比较对象的一个换流模式的特性值以下。

Description

矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法

技术领域

本发明涉及矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法。

背景技术

矩阵变换器具有连接交流电源和负载的多个双向开关，通过控制这些双向开关直接切换交流电源的各相电压，从而向负载输出任意的电压、频率。

该矩阵变换器通过按照规定的顺序对构成双向开关的开关元件独立进行接通、断开控制，来进行切换负载的相和交流电源的相的连接状态的换流控制。由此，例如防止交流电源的相间短路、输出相的开路等。

作为用于换流控制的换流法，提出有以四步电压换流法、四步电流换流法为首的各种换流法，进而，还提出由将多个换流法组合并根据交流电源的相电压、负载的相电流的状态来切换用于换流控制的换流法的方法(例如，参考专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010－246174号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，由于例如换流法的组合方式、换流法的切换条件的不同，电力转换的精度存在下降的风险。

本发明的实施方式的一个方案就是鉴于上述问题而做出的，其目的是提供能够提高电力转换精度的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法。

用于解决问题的技术方案

本发明的实施方式的一个方式所涉及的矩阵变换器具备电力转换部、选择部、以及换流控制部。所述电力转换部具有多个双向开关，并在交流电源的各相和负载的各相之间设有所述多个双向开关。所述选择部基于所述交流电源的相电压的状态和所述负载的相电流的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式。所述换流控制部利用由所述选择部选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制。基于由所述选择部进行的换流模式的选择比例对所述多种换流模式的特性值加权得到的值的合计值为成为比较对象的一个换流模式的特性值以下。

发明效果

根据本发明的实施方式的一个方式，可以提供能够提高电力转换的精度的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置及矩阵变换器的控制方法。

附图说明

图1是表示实施方式所涉及的矩阵变换器的结构例的图。

图2是表示双向开关的结构例的图。

图3是表示向各输出相输出的输入相电压的切换的一例的图。

图4是表示多个双向开关的单向开关和门信号的对应关系的图。

图5A是表示在四步电流换流法中输出相电流为正时的、输出相电压及门信号的关系的图。

图5B是表示在四步电流换流法中输出相电流为负时的、输出相电压及门信号的关系的图。

图6是表示图5A所示的四步电流换流法中的单向开关的状态的图。

图7是表示四步电压换流法中的输出相电压、门信号、以及与换流动作的各步骤之间的关系的图。

图8是表示图7所示的四步电压换流法中的单向开关的状态的图。

图9A是表示三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图9B是表示三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图10A是表示三步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图10B是表示三步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图11A是表示模拟三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图11B是表示模拟三步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图12A是表示三步电压电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图12B是表示三步电压电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图13A是表示二步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图13B是表示二步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图14是表示第一二步电压换流法中的输出相电压、门信号、以及与换流动作的各步骤之间的关系的图。

图15A是表示第二二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图15B是表示第二二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图16A是表示第三二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图16B是表示第三二步电压换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图17A是表示一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图17B是表示一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图18A是表示模拟一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图18B是表示模拟一步电流换流法中的输出相电压及门信号的关系的图。

图19是用于说明换流换流模式的组合的一例的图。

图20是表示各换流法中的、相对于输出相电流的依赖度和相对于输入相电压的依赖度的关系的图。

图21是表示各换流法的换流完成时间的关系的图。

图22是表示由所选择的换流法的组合进行换流控制时和由四步电流换流法进行换流控制时各自的仿真结果的图。

图23是表示控制部的结构例的图。

图24是表示输出相电流和规定范围的关系的图。

图25是表示输入相电压和规定范围的关系的图。

图26是表示控制部的控制处理的流程的一例的流程图。

附图标记的说明

1矩阵变换器

2三相交流电源

3负载

10电力转换部

11LC滤波器

12输入电压检测部

13输出电流检测部

20控制部

30电压指令运算部

31PWM占空比运算部

32换流部

33切换部

34确定部

41电压判定部

42电流判定部

43换流控制部

44选择部

51第一换流控制部

52第二换流控制部

53第三换流控制部

54第四换流控制部

具体实施方式

以下，参考附图对本申请公开的矩阵变换器、矩阵变换器的控制装置以及矩阵变换器的控制方法的实施方式进行详细说明。此外，本发明不限于以下所示的实施方式。

[1.矩阵变换器的结构]

图1是表示实施方式涉及的矩阵变换器的结构例的图。如图1所示，实施方式涉及的矩阵变换器1设置于三相交流电源2(以下，仅记为交流电源2)和负载3之间。交流电源2例如是电力系统。另外，负载3例如是交流电动机或交流发电机。以下，将交流电源2的R相、S相和T相记载为输入相，将负载3的U相、V相和W相记载为输出相。

矩阵变换器1具备：输入端子Tr、Ts、Tt；输出端子Tu、Tv、tw；电力转换部10；LC滤波器11；输入电压检测部12；输出电流检测部13；以及控制部20。矩阵变换器1将从交流电源2经由输入端子Tr、Ts、Tt供给的三相交流电压转换成任意的电压和频率的三相交流电压并从输出端子Tu、Tv、tw向负载3输出。此外，输入电压检测12也可以检测电力转换部10和LC滤波器11之间的电压。

电力转换部10具备连接交流电源2的各相和负载3的各相的多个双向开关Sru、Ssu、Stu、Srv、Ssv、Stv、Srw、Ssw、Stw(以下，有时统称作双向开关S)。

双向开关Sru、Ssu、Stu分别连接交流电源2的R相、S相、T相和负载3的U相。双向开关Srv、Ssv、Stv分别连接交流电源2的R相、S相、T相和负载3的V相。双向开关Srw、Ssw、Stw分别连接交流电源2的R相、S相、T相和负载3的W相。

图2是表示双向开关S的结构例的图。如图2所示，双向开关S具有将单向开关Sio和二极管Dio串联连接的电路、以及将单向开关Soi和二极管Doi串联连接的电路，这些串联连接电路反向并联连接。

此外，双向开关S只要是具有多个单向开关而能够控制导通方向的结构即可，不限于图2所示的结构。例如，在图2所示的例子中，二极管Dio、Doi的阴极彼此连接，但双向开关S也可以是二极管Dio、Doi的阴极彼此不连接的结构。

另外，单向开关Sio、Soi例如是MOSFET(Metal－Oxide－SemiconductorField－EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等半导体开关元件。另外，单向开关Sio、Soi例如也可以是GaN的FET、SiC的MOSFET等宽带隙的半导体开关元件。

返回到图1，继续矩阵变换器1的说明。LC滤波器11设置于交流电源2的R相、S相及T相与电力转换部10之间。该LC滤波器11包括三个电抗器Lr、Ls、Lt和三个电容器Crs、Cst、Ctr，去除由双向开关S的开关引起的高频成分。

输入电压检测部12检测交流电源2的R相、S相、T相的各相电压。例如，输入电压检测部12检测交流电源2的R相、S相、T相的各相电压的瞬时值Er、Es、Et(以下，记载为输入相电压Er、Es、Et)。

输出电流检测部13检测在电力转换部10和负载3之间流动的电流。例如，输出电流检测部13检测在电力转换部10和负载3的U相、V相、W相的各相之间流动的电流的瞬时值Iu、Iv、Iw(以下，记载为输出相电流Iu、Iv、Iw)。

此外，以下，有时将交流电源2的R相、S相、T相的各相的电压统一记载为输入相电压Vi，将输出相电流Iu、Iv、Iw统一记载为输出相电流Io。另外，有时将从电力转换部10向负载3的U相、V相、W相的各相输出的电压记载为输出相电压Vu、Vv、Vw。

控制部20基于输入相电压Er、Es、Et和输出相电流Iu、Iv、Iw，生成门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w。

图3是表示向输出相输出的输入相电压Ep、Em、En的切换的一例的图。输入相电压Ep是输入相电压Er、Es、Et中的最大的输入相电压。输入相电压Em是输入相电压Er、Es、Et中的中间的输入相电压。输入相电压En是输入相电压Er、Es、Et中的最小的输入相电压。

如图3所示，通过由门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w对双向开关S的控制，在PWM电压指令的每个载波期间Tc，例如向输出相输出的输入相电压切换为En→Em→Ep→Em→En。此外，向输出相输出的输入相电压的切换有时根据换流模式而不同，而不限于图3所示的例子。

图4是表示多个双向开关Sru、Ssu、Stu、Srv、Ssv、Stv、Srw、Ssw、Stw的单向开关Sio、Soi与门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w的对应关系的图。此外，在图4中，省略了LC滤波器11和输出电流检测部13。

双向开关Sru、Ssu、Stu的单向开关Sio(参考图2)分别由门信号S1u、S3u、S5u控制。另外，双向开关Sru、Ssu、Stu的单向开关Soi(参考图2)分别由门信号S2u、S4u、S6u控制。

控制部20进行以下的换流控制：基于输入相电压Vi的状态和输出相电流Io的状态，从两种以上的换流模式之中选择一个换流模式，并利用所选择的换流模式控制双向开关S从而切换交流电源2和负载3的连接状态。成为控制部20的选择对象的换流模式以满足基于其选择比例和特性值的条件的方式被选择。以下，依次说明换流模式的种类、换流模式的选择方法、以及控制部20。

[2.换流模式]

换流模式根据换流法而各不相同。作为换流法，例如有四步电流换流法、四步电压换流法、三步电流换流法、三步电压换流法、模拟三步电流换流法、三步电压电流换流法、二步电流换流法、第一～第三二步电压换流法、一步电流换流法、模拟一步电流换流法等。以下，分别对这些换流法的换流模式进行说明。

(四步电流换流法的换流模式)

在四步电流换流法中，为了防止输入相间的短路和输出相的开路，根据输出相电流Io的极性，利用由以下步骤1～步骤4组成的换流模式进行换流控制。

步骤1：使构成切换源的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相反极性的单向开关断开。

步骤2：使构成切换目标的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相同极性的单向开关接通。

步骤3：使构成切换源的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相同极性的单向开关断开。

步骤4：使构成切换目标的双向开关S的单向开关中的、与输出相电流Io相反极性的单向开关接通。

基于四步电流换流的换流控制例如如图5A和图5B所示那样执行。图5A和图5B是表示四步电流换流法中的输出相电压Vu和门信号S1u～S6u的关系的图。图5A表示输出相电流Iu为正时的换流控制，图5B表示输出相电流Iu为负时的换流控制。另外，图6是表示图5A所示的时刻t1～t4下的单向开关Sio、Soi的状态的图。此外，设为处于Ep＝Er、Em＝Es、En＝Et的状态。

(四步电压换流法的换流模式)

在四步电压换流法中，为了防止输入相间的短路和输出相的开路，根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系，利用由以下的步骤1～步骤4组成的换流模式进行换流控制。

步骤1：使成为切换目标的被反向偏压的单向开关接通。

步骤2：使成为切换源的被反向偏压的单向开关断开。

步骤3：使成为切换目标的被正向偏压的单向开关接通。

步骤4：使成为切换源的被正向偏压的单向开关断开。

此外，在单向开关Sio中，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压低的状态称作反向偏压，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压高的状态称作正向偏压。另外，在单向开关Soi中，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压低的状态称作正向偏压，即将换流控制之前输入侧电压比输出侧电压高的状态称作反向偏压。

基于四步电压换流的换流控制例如如图7所示那样执行。图7是表示四步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及与换流控制的各步骤之间的关系的图。图8是表示图7所示的时刻t1～t4下的单向开关Sio、Soi的状态的图。此外，设为处于Ep＝Er、Em＝Es、En＝Et的状态。

(三步电流换流法的换流模式)

三步电流换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该三步电流换流法同时进行四步电流换流法的四步中的两步。该三步电流换流法例如同时进行四步电流换流法的步骤1～步骤4中的、使被反向偏压的两个单向开关中的一个开关断开的步骤和使被反向偏压的两个单向开关中的另一个开关接通的步骤。

基于三步电流换流法的换流控制例如如图9A和图9B所示那样执行。图9A和图9B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(三步电压换流法的换流模式)

三步电压换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该三步电压换流法同时进行四步电压换流法的四步的两步。三步电压换流法例如同时进行四步电压换流法的步骤1～步骤4中的、使与输出相电流Io相反极性的开关断开的步骤和使与输出相电流Io相反极性的开关接通的步骤。

基于三步电压换流法的换流控制如图10A和图10B所示那样执行。图10A和图10B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(模拟三步电流换流法的换流模式)

模拟三步电流换流法是根据输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该模拟三步电流换流法例如同时进行四步电流换流法的步骤1～步骤4中的、使与输出相电流Io相同极性的两个开关中的一个开关断开的步骤和使与输出相电流Io相同极性的两个开关中的另一个开关接通的步骤。

基于模拟三步电流换流法的换流控制例如如图11A和图11B所示那样执行。图11A和图11B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(三步电压电流换流法的换流模式)

三步电压电流换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在三步中切换向输出相输出的输入相电压的换流法。该三步电压电流换流法的步骤1～步骤3例如是三步电流换流法的步骤1～3的一部分和三步电压换流法的步骤1～3的一部分组合后的步骤。

基于三步电压电流换流法的换流控制例如如图12A和图12B所示那样执行。图12A和图12B是与图5A和图5B相对应的图，是表示三步电压电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(二步电流换流法的换流模式)

二步电流换流法是根据输出相电流Io的极性在二步中切换向输出相输出的输入相电压的换流方法。该二步电流换流法例如使成为切换目标的双向开关S中的与输出相电流Io的极性相同极性的单向开关接通(步骤1)。然后，之后使成为切换源的双向开关S中的与输出相电流Io的极性相同极性的单向开关断开(步骤2)。

基于二步电流换流法的换流控制例如如图13A和图13B所示那样执行。图13A和图13B是与图5A和图5B相对应的图，是表示二步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(第一二步电压换流法的换流模式)

第一二步电压换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系在二步中切换向输出相输出的输入相电压的电压换流法。该第一二步电压换流法例如在要切换成En→Em→Ep的情况下，使成为切换源的单向开关Soi断开，使成为切换目标的单向开关Sio接通。另外，第一二步电压换流法例如是在要切换成Ep→Em→En的情况下，使成为切换源的单向开关Sio断开，使成为切换目标的单向开关Soi接通的换流法。

基于第一二步电压换流法的换流控制例如如图14所示那样执行。图14是与图7相对应的图，是表示第一二步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(第二二步电压换流法的换流模式)

第二二步电压换流法是根据输入相的相间电压的大小关系在二步中切换向输出相输出的输入相电压的电压换流法。该第二二步电压换流法是利用输入相的最小相间电压的换流被禁止的换流法。

基于第二二步电压换流法的换流控制例如如图15A和图15B所示那样执行。图15A和图15B是与图7相对应的图，是表示第二二步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。图15A表示Ep－Em＞Em－En的情况的例子，图15B表示Ep－Em＜Em－En的情况的例子。

(第三二步电压换流法的换流模式)

第三二步电压换流法是根据输入相的相间电压的大小关系在二步中切换向输出相输出的输入相电压的电压换流法。

基于第三二步电压换流法的换流控制例如如图16A和图16B所示那样执行。图16A和图16B是与图7相对应的图，是表示第三二步电压换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。图16A表示Ep－Em＞Em－En的情况的例子，图16B表示Ep－Em＜Em－En的情况的例子。

(一步电流换流法的换流模式)

一步电流换流法是根据输入相电压Er、Es、Et的大小关系和输出相电流Io的极性在每一步中切换向输出相输出的输入相电压的换流方法。该一步电流换流法例如是使与输出相电流Io的极性相同极性且被正向偏压的单向开关依次接通、或者使与输出相电流Io的极性相同极性且被反向偏压的单向开关依次断开的换流法。

基于一步电流换流法的换流控制例如如图17A和图17B所示那样执行。图17A和图17B是与图5A和图5B相对应的图，是表示一步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

(模拟一步电流换流法的换流模式)

模拟一步电流换流法是根据输出相电流Io的极性在每一步中切换向输出相输出的输入相电压的换流方法。该模拟一步电流换流法例如是切换与输出相电流Io的极性相同极性的单向开关的换流法。

基于模拟一步电流换流法的换流控制例如如图18A和图18B所示那样执行。图18A和图18B是与图5A和图5B相对应的图，是表示模拟一步电流换流法中的输出相电压Vu、门信号S1u～S6u、以及换流控制的各步骤之间的关系的图。

[3.换流模式的选择方法]

接下来，对换流模式的选择方法的一例进行说明。图19是用于说明换流模式的组合的一例的图。

在图19所示的例子中，从换流法A、换流法B、换流法C和换流法D中选择与输入相电压Er、Es、Et的状态和输出相电流Iu、Iv、Iw的状态相应的换流法，并利用所选择的换流法的换流模式进行换流控制。换流法A～D从两种以上的换流法中选择。

换流法A的换流模式(第一换流模式的一例)是在有可能弄错输入相电压Er、Es、Et的大小关系(以下，有时记载为输入电压位次)的情况下选择的换流法的换流模式。换流法B的换流模式(第二换流模式的一例)是在有可能弄错输出相电流Iu、Iv、Iw的极性(以下，有时记载为输出电流极性)的情况下选择的换流法的换流模式。

换流法C的换流模式(第三换流模式的一例)是在有可能弄错输入电压位次和输出电流极性的情况下选择的换流法的换流模式。换流法D的换流模式是在不满足换流法A、B、C的任一选择条件的情况下选择的换流法的换流模式。

如上所述，换流法有各种类型。因此，如图19所示，在根据输入相电压Er、Es、Et的状态和输出相电流Iu、Iv、Iw的状态选择在换流控制中使用的换流法的情况下，根据将哪个换流法设为换流法A～D，电力转换的精度发生变化。

例如，考虑无论输入相电压Er、Es、Et的状态、输出相电流Iu、Iv、Iw的状态如何都在换流控制中单独使用一个换流法Z的矩阵变换器。该情况下，期望选择换流法A～D，使得与使用单独的换流法Z的矩阵变换器相比电力转换等特性不会下降。

因此，控制部20以使基于换流法A～D的选择比例对换流法A～D的特性值加权得到的值的合计值为换流法Z的特性值以下的方式来选择换流法A～D。另外，如下所述，根据换流法的选择条件，有时可以将换流法A～D中的一部分特性值忽视为零。

另外，换流法和换流模式虽然称呼相互不同，但所要特定的内容相同。即，换流法的特性值是换流模式的特性值，换流法的选择是换流模式的选择。另外，换流法Z例如是被选择作为比较对象的换流法，例如，是设定成换流法A～D的换流法之一。

作为换流法的特性值，例如，有与换流失败时间相应的值、与换流控制的所需时间(下述的换流完成时间)相应的值、双向开关S上的电力损耗等。

首先，对与换流失败时间相应的值进行说明。换流失败时间包括由输入电压位次的判定错误产生的输入相间的短路时间、由输出电流极性的判定错误产生的输出相的开路时间。以下，作为与由输入电压位次的判定错误产生的输入相间的短路时间相应的值的一例，说明“相对于输入电压位次的依赖度Xshort”。另外，作为与由输出电流极性的判定错误产生的输出相的开路时间相应的值的一例，说明“相对于输出电流极性的依赖度Xopen”。

图20是表示各换流法中的相对于输入电压位次的依赖度Xshort和相对于输出电流极性的依赖度Xopen的关系的图。如图20所示，根据换流法，依赖度Xshort和依赖度Xopen不同。

相对于输入电压位次的依赖度Xshort表示由于输入电压位次的判定错误发生换流失败时的对电力转换精度的影响程度。该依赖度Xshort例如通过下式(1)的运算求出。在下式(1)中，将输出相间的短路时间Tshort相对于PWM信号的载波周期Tc之比设为相对于输入电压位次的依赖度Xshort。

【式1】

$X_{short}=\frac{T_{short}}{T_c}\mathrm{...}\left(1\right)$

在此，输入相电压Er、Es、Et处于输入电压位次有可能判定错误的状态时所选择的换流法是换流法A、C，可忽视换流法B、D。即，仅换流法A的依赖度XshortA和换流法C的依赖度XshortC对依赖度Xshort产生影响。因此，选择换流法A～D进行换流控制时的依赖度XshortABCD由下式(2)的运算求出。此外，选择比例KA～KD是换流法A～D的选择比例，选择比例KA～KD的总和是1。

【式2】

$X_{shortABCD}=\frac{K_A{X}_{shortA}+K_C{X}_{shortC}}{K_A+K_B+K_C+K_D}\mathrm{...}\left(2\right)$

如此，依赖度XshortABCD是对于换流法A的依赖度XshortA加权选择比例KA得到的值和对于换流法C的依赖度XshortC加权选择比例KC得到的值的合计值。该依赖度XshortABCD越小，电力转换的精度越提高。

因此，例如，如下式(3)所示，通过以使依赖度XshortABCD为换流法Z的依赖度XshortZ以下的方式选择换流法A、C，由此能够提高电力转换的精度。

【式3】

X_shortABCD≤X_shortZ…(3)

另外，相对于输出电流极性的依赖度Xopen例如表示由于输出电流极性的判定错误发生换流失败时的对电力转换精度的影响程度。该依赖度Xopen例如由下式(4)的运算求出。在下式(4)中，将输入相的开路时间Topen相对于PWM信号的载波周期Tc之比设为相对于输出电流极性的依赖度Xopen。

【式4】

$X_{open}=\frac{T_{open}}{T_c}\mathrm{...}\left(4\right)$

在此，输出相电流Iu、Iv、Iw处于输出电流极性有可能判定错误的状态时所选择的换流法是换流法B、C，可忽视换流法A、D。即，仅换流法B的依赖度XopenB和换流法C的依赖度XopenC对依赖度Xopen产生影响。因此，选择换流法A～D进行换流控制时的依赖度XopenABCD由下式(5)的运算求出。此外，选择比例KA～KD是换流法A～D的选择比例，选择比例KA～KD的总和是1。

【式5】

$X_{openABCD}=\frac{K_B{X}_{openB}+K_C{X}_{openC}}{K_A+K_B+K_C+K_D}\mathrm{...}\left(5\right)$

如此，依赖度XopenABCD是对于换流法B的依赖度XopenB加权选择比例KB得到的值和对于换流法C的依赖度XopenC加权选择比例KC得到的值的合计值。该依赖度XopenABCD越小，电力转换的精度越提高。

因此，例如，如下式(6)所示，通过以使依赖度XopenABCD为换流法Z的依赖度XopenZ以下的方式选择换流法B、C，能够提高电力转换的精度。

【式6】

X_openABCD≤X_openZ…(6)

此外，控制部20还能够以使依赖度XshortABCD满足上式(3)、且依赖度XopenABCD满足上式(6)的方式来选择换流法A～D。如此，能够减小由输入电压位次的判定错误引起的换流失败和由输出电流极性的判定错误引起的换流失败，并且能够进一步提高电力转换的精度。

如此，控制部20以使基于选择比例KB对换流法B的依赖度XshortB加权得到的值和基于选择比例KC对换流法C的依赖度XshortC加权得到的值的合计值为换流法Z的依赖度XshortZ以下的方式，选择换流法A～D。由此，能够抑制由于输入相电压Ep、Em、En的判定错误发生换流失败时的对电力转换精度的影响度。

另外，控制部20以使基于选择比例KA对换流法A的依赖度XopenA加权得到的值和基于选择比例KC对换流法C的依赖度XopenC加权得到的值的合计值为换流法Z的依赖度XopenZ以下的方式，选择换流法A～D。由此，能够抑制由于输出相电流Iu、Iv、Iw的极性的判定错误发生换流失败时的对电力转换精度的影响度。

此外，换流法D是在未发生换流失败的区域中选择的换流法，故利用在该区域中选择的换流法D，不会发生换流失败。因此，换流法D可以是任何换流法，但从最小脉冲的观点出发，优选换流法的换流控制所需的时间(以下，记载为换流完成时间)短的换流法。

接下来，说明将换流法的特性值设为换流完成时间的情况。本实施方式涉及的控制部20为了抑制由最小脉冲引起的电力转换精度的下降，作为换流法的特性值，例如可以使用换流完成时间。图21是表示各换流法的换流完成时间的关系的图。如图21所示，根据换流法，换流完成时间不同。

因此，例如，将换流法i(i＝A，B，C，D)的特性值设为换流完成时间Tci，以满足下式(7)的方式选择换流法A～D。在下式(7)中，将换流法i的选择比例设为选择比例Ki。

【式7】

$T_{cZ}\≥\frac{\ΣKi\·T_{ci}}{\ΣKi},(i=A,B,C,D)\mathrm{...}\left(7\right)$

例如，换流法A的选择比例KA是30％，换流法B的选择比例KB是20％，换流法C的选择比例KC是6％，换流法D的选择比例KD是44％。该情况下，例如，通过将一步电流换流法设为换流法A、C、D、将二步电压换流法设为换流法B，满足上式(7)。

如此，以使基于换流法A～D各自的选择比例Ki对换流法A～D各自的换流完成时间Tci加权得到的值的合计值TcABCD为换流法Z的换流完成时间TcZ以下的方式，选择换流法A～D。由此，能够抑制由最小脉冲引起的电力转换精度的下降。

图22是表示由以满足上式(7)的方式选择的换流法A～D的组合进行换流控制的情况和由四步电流换流法进行换流控制的情况各自的仿真结果的图。此外，图22将输出相电流Iu、Iv、Iw的值设为纵轴，将时间设为横轴。

此外，例如，通过以满足上式(3)、(6)的至少任一个、以及上式(7)的方式选择换流法A～D的组合，能够抑制由换流失败引起的电力转换精度的下降和由最小脉冲引起的电力转换精度的下降。

在此，对以满足所有的上式(3)、(6)、(7)的方式选择换流法A～D的组合进行说明。例如，KA＝27％、KB＝7％、KC＝3％和KD＝63％时，将换流法Z设为四步电流换流法。该情况下，换流法A～D的组合例如为以下的(a)～(d)的情况下，满足所有的上式(3)、(6)、(7)。此外，在下面(a)～(d)中记载换流法的简称，但换流法的正式名和简称的关系如图20所示。

(a)换流法A：1C、换流法B：2V、换流法C：4C、换流法D：1C

(b)换流法A：2C、换流法B：2V、换流法C：4C、换流法D：2C

(c)换流法A：2C、换流法B：3V、换流法C：4C、换流法D：2C

(d)换流法A：1C、换流法B：4C、换流法C：4C、换流法D：1C

另外，例如，KA＝27％、KB＝7％、KC＝3％和KD＝63％时，将换流法Z设为第二二步电压换流法。该情况下，换流法A、B、C、D的组合例如为以下的(e)、(f)的情况下，满足所有的上式(3)、(6)、(7)。

(e)换流法A：1C、换流法B：2V2、换流法C：2V2、换流法D：1C

(f)换流法A：4C、换流法B：2V2、换流法C：2V2、换流法D：1C

此外，以满足所有的上式(3)、(6)、(7)并进一步满足XshortABC＜XshortZ、XopenABCD＜XopenZ、以及TcABCD＜TcZ中的至少任一个的方式选择换流法A～D。由此，能够更高精度地抑制电力转换精度的降低。

另外，换流法Z例如是无论输入相电压Er、Es、Et的状态、输出相电流Iu、Iv、Iw的状态如何单独用于换流控制时能够获得期望的结果的换流法。例如，换流法Z是在单独使用时电力转换部10能够不发生故障地进行电力转换的换流法、是在单独使用时能够获得额定的电力转换特性的换流法。

另外，控制部20例如在不可能发生最小脉冲的情况下，以满足上式(3)、(6)的至少任一个的方式选择换流法A～D的组合。另一方面，控制部20在有可能发生最小脉冲的情况下，以满足上式(7)的方式选择换流法A～D的组合。由此，也能够抑制由换流失败引起的电力转换精度的下降和由最小脉冲引起的电力转换精度的下降。

接下来，对将换流法的特性值设为双向开关S上的电力损耗的情况进行说明。控制部20为了减小电力损耗，也可以基于双向开关S上的电力损耗选择换流法的组合。例如，将换流法i(i＝A，B，C，D)的特性值设为电力损耗Pi、并将换流法Z的电力损耗设为PZ，以满足下式(8)的方式，选择换流法A～D。在下式(8)中将换流法i的选择比例设为选择比例Ki。

【式8】

$P_Z\≥\frac{\ΣKi\·P_i}{\ΣKi},(i=A,B,C,D)\mathrm{...}\left(8\right)$

双向开关S的电力损耗例如包括双向开关S的开关损耗和双向开关S的导通损耗。例如，在如第二二步电压换流等那样禁止利用线间最小电压的换流的换流法中，开关损耗增加。另外，在单向开关Sio、Soi是FET时，使单向开关Sio、Soi中的仅一个开关接通的期间多的情况下，则导通损耗增加。

此外，控制部20例如能够以满足上式(3)、(6)中的至少任一个和上式(7)、(8)的方式，选择换流法A～D的组合。如此，能够抑制由换流失败引起的电力转换精度的下降和由最小脉冲引起的电力转换精度的下降，并且能够抑制电力损耗的增加。

此外，在能够预测选择比例KA～KD的情况下，能够以满足上式(3)、(6)、(7)、(8)中的一个以上式子的方式，预先选择换流法A～D。因此，在这种情况下，也可以不是由控制部20选择换流法A～D的组合，而将换流法A～D的组合预先设定于控制部20。

[4.控制部20的结构]

图23是表示控制部20的结构例的图。如图23所示，控制部20具有电压指令运算部30、PWM占空比运算部31、换流部32、切换部33、以及确定部34。

控制部20例如包括：具有CPU(CentralProcessingUnit：中央处理器)、ROM(ReadOnlyMemory：只读存储器)、RAM(RandomAccessMemory：随机存取存储器)、输入输出端口等的微型计算机和各种电路。微型计算机的CPU通过读出并执行存储在ROM中的程序，而作为电压指令运算部30、PWM占空比运算部31、换流部32、切换部33以及确定部34发挥功能。

另外，电压指令运算部30、PWM占空比运算部31、换流部32、切换部33和确定部34的至少任一个或全部也可由ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit：专用集成电路)、FPGA(FieldProgrammableGateArray：现场可编程门阵列)等硬件构成。

[4.1.电压指令运算部30]

电压指令运算部30基于频率指令f*和输出相电流Iu、Iv、Iw，生成并输出各输出相的电压指令Vu*、Vv*、Vw*。频率指令f*是输出相电压Vu、Vv、Vw的频率的指令。

[4.2.PWM占空比运算部31]

PWM占空比运算部31基于电压指令Vu*、Vv*、Vw*和输入相电压Er、Es、Et，生成PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*。生成PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*的技术是公知技术，例如，使用在日本特开2008－048550号公报、日本特开2012－239265号公报等中记载的技术。

例如，PWM占空比运算部31在输入相电压Er、Es、Et的大小的大小关系不变的期间中，按输入相电压Er、Es、Et的大小由大到小的顺序，设为输入相电压Ep、Em、En。PWM占空比运算部31将电压指令Vu*、Vv*、Vw*转换为与输入相电压Ep、Em、En的各电压值相对应的脉宽调制信号，并分别输出作为PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*。

[4.3.换流部32]

换流部32执行通过双向开关S切换与输出相连接的输入相的换流控制。该换流部32例如基于各输出相电流Iu、Iv、Iw的极性以及输入相电压Er、Es、Et的大小的大小关系，选择换流法A～D中的任一换流法。换流部32以形成与所选择的换流法的换流模式相对应的切换顺序的方式，由PWM电压指令Vu1*、Vv1*、Vw1*生成门信号S1u～S6u、S1v～S6v、S1w～S6w。

该换流部32具备电压判定部41、电流判定部42、换流控制部43、以及选择部44。

电压判定部41判定输入电压位次，并将判定结果通知给换流控制部43。另外，如图24所示，电压判定部41判定输入相的相间电压(例如，R相和S相之间的电压)是否在规定范围RA内。图24是表示输入相电压Er、Es、Et和规定范围RA的关系的图。此外，电压判定部41也能够基于输入相电压Vi的相位θi，判定输入相的相间电压是否在规定范围RA内。

电流判定部42判定输出电流极性，并将该判定结果通知给换流控制部43。另外，如图25所示，电流判定部42判定输出相电流Io是否在包含零的规定范围RB内。图25是表示输出相电流Io和规定范围RB的关系的图。此外，电流判定部42也能够基于输出相电流Io的相位θo，判定输出相电流Io是否在规定范围RB内。

换流控制部43例如具备第一至第四换流控制部51～54。第一换流控制部51利用换流法A的换流模式生成门信号Sg，第二换流控制部52利用换流法B的换流模式生成门信号Sg。另外，第三换流控制部53利用换流法C的换流模式生成门信号Sg，第四换流控制部54利用换流法D的换流模式生成门信号Sg。

选择部44基于电压判定部41的判定结果和电流判定部42的判定结果，从第一至第四换流控制部51～54之中选择一个换流控制部，并使所选择的换流控制部执行换流控制。

选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA内、且输出相电流Io在规定范围RB外的情况下，选择第一换流控制部51。另外，选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA外、且输出相电流Io在规定范围RB内的情况下，选择第二换流控制部52。

另外，选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA内、且输出相电流Io在规定范围RB内的情况下，选择第三换流控制部53。另外，选择部44例如在输入相的相间电压在规定范围RA外、且输出相电流Io在规定范围RB外的情况下，选择第四换流控制部54。

[4.4.切换部33]

切换部33在如上所述利用由选择部44选择的换流模式进行换流控制的第一模态和利用固定的换流模式进行换流控制的第二模态之间进行切换。换流控制部43在由切换部33设定成第一模态的情况下，通过第一至第四换流控制部51～54中的由选择部44选择的换流控制部，生成门信号Sg。

另外，换流控制部43在由切换部33设定成第二模态的情况下，通过预先设定的换流法(例如，第二二步电压换流法)的换流模式，生成门信号Sg。此外，在第二模态中，例如通过第一至第四换流控制部51～54中的第一换流控制部51生成门信号Sg。

[4.5.确定部34]

确定部34基于第一至第四换流控制部51～54各自的选择比例，确定在第一至第四换流控制部51～54的各换流控制部中使用的换流法，并将所确定的换流法设定于第一至第四换流控制部51～54。

确定部34基于换流法i的选择比例Ki，以抑制上述的电力转换精度的下降和电力损耗中的至少任一个的方式，从上述的换流法中选择换流法A～D，并将所选择的换流法分别设定于第一至第四换流控制部51～54。

确定部34例如从上述的换流法中选择满足上式(3)、(6)、(7)、(8)中的一个以上的式子的换流法A～D，并将所选择的换流法分别设定于第一～第四换流控制部51～54。

此外，确定部34也能够存储设定有与交流电流2的各个种类和负载3的各个种类相对应的换流法A～D的组合的表。该情况下，确定部34从表中获得与设置者等经由矩阵变换器1的输入部(图未示)指定的交流电源2的种类和负载3的种类相应的换流法A～D的组合，并将该组合设定于第一至第四换流控制部51～54。

另外，确定部34例如将所确定的换流模式的表的信息设定于第一至第四换流控制部51～54。也可以，第一至第四换流控制部51～54例如存储多个换流模式的表，确定部34将表示换流法的编号的信息通知给第一至第四换流控制部51～54。该情况下，第一至第四换流控制部51～54也能够基于与从确定部34通知的换流法的编号相对应的换流法的换流模式的表，生成门信号Sg。

另外，在图23所示的例子中，说明了换流控制部43具有第一至第四换流控制部51～54的例子，但也可以在换流控制部43中将换流法的换流模式的所有的必要的组合保存作为表。该情况下，换流控制部43从由确定部34确定出的换流法A～D的组合中，选择与输出电流极性、输入电压位次相对应的换流法，并使用所选择的换流法的换流模式生成门信号Sg。

如此，确定部34基于换流法的特性值和选择部44的选择比例来确定换流法A～D，由此能够根据与矩阵变换器1连接的交流电源2、负载3选择适当的换流法A～D。因此，即使在交流电源2、负载3不同的情况下，也能够抑制电力转换精度的下降和电力损耗。

[5.控制部20的控制流程]

图26是表示控制部20的控制处理的流程的一例的流程图。控制部20以规定周期反复执行图26所示的控制处理。

如图26所示，控制部20基于输入相电压Vi的状态和输出相电流Io的状态，从换流法A～D中选择一个换流法(步骤S10)。控制部20例如基于输出相电流Io是否在规定范围RA内、以及两个输入相电压Vi之差是否在规定范围RB内，从换流法A～D中选择一个换流法。

控制部20基于输出相电流Io的极性以及输入相电压Er、Es、Et的大小关系中的至少一者，使用在步骤S10中选择的换流法的换流模式进行换流控制(步骤S11)。

控制部20基于换流法A～D的选择比例和特性值，更新换流法A～D的组合(步骤S12)。例如，控制部20以使基于由选择部44选择的换流法的选择比例对换流法A～D的特性值加权得到的值的合计值为换流法Z的特性值以下的方式，确定换流法A～D。此外，控制部20将换流法Z的特性值作为特性值的目标值，存储在内部存储器中。控制部20将所确定的换流法A～D设定于第一～第四换流控制部51～54。

此外，在上述的实施方式中，将换流控制中使用的组合设为四个换流法A～D的组合，但换流控制中使用的组合也可以是两个或三个换流法的组合，也可以是五个以上的换流法的组合。

另外，在上述的实施方式中，对换流部32具有第一至第四换流控制部51～54的构成进行了说明，但也可以构成为由一个换流控制部进行利用多种换流法的换流模式的换流控制。

本领域的技术人员能够容易导出本发明进一步的效果和变形例。因此，本发明的更广泛的方式不限于如上表示和记述的特定的细节和代表性的实施方式。因此，在不脱离由所附权利要求书及其等同物定义的总的发明概念的精神或范围的情况下，能够进行各种变更。

Claims (9)

1.一种矩阵变换器，其特征在于，具备：

电力转换部，其具有多个双向开关，并在交流电源的各相和负载的各相之间设有所述多个双向开关；以及

换流部，其进行通过所述多个双向开关切换与输出相连接的输入相的换流控制，

所述换流部具备：

选择部，其基于所述交流电源的相电压的状态和所述负载的相电流的状态中的至少任一者，从多种换流模式之中选择一个换流模式；以及

换流控制部，其利用由所述选择部选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制，

基于利用所述选择部对各换流模式进行选择的选择比例对所述多种换流模式的所述各换流模式的特性值加权得到的值的合计值为成为比较对象的一个换流模式的特性值以下。

2.根据权利要求1所述的矩阵变换器，其特征在于，

所述特性值是与基于所述各换流模式的所述换流控制的所需时间相应的值。

3.根据权利要求1或2所述的矩阵变换器，其特征在于，

所述换流部还具备判定所述负载的所述相电流的极性的电流判定部，

所述特性值是与所述负载的所述相电流的极性被所述电流判定部错误判定时所述负载的相被开路的时间相应的值。

4.根据权利要求1或2所述的矩阵变换器，其特征在于，

所述换流部还具备判定所述交流电源的所述相电压的大小关系的电压判定部，

所述特性值是与所述交流电源的所述相电压的大小关系被所述电压判定部错误判定时所述交流电源的相间短路的时间相应的值。

5.根据权利要求1或2所述的矩阵变换器，其特征在于，所述矩阵变换器还具备：

确定部，其获取由所述选择部进行的所述各换流模式的选择比例，并基于该获取到的所述选择比例来确定所述多种换流模式。

6.根据权利要求1或2所述的矩阵变换器，其特征在于，所述矩阵变换器还具备：

切换部，其在利用由所述选择部选择出的换流模式进行换流控制的第一模态和利用固定的换流模式进行换流控制的第二模态之间进行切换，

所述换流控制部基于由所述切换部切换出的模态来进行所述换流控制。

7.根据权利要求1或2所述的矩阵变换器，其特征在于，

所述换流部还具备：

电流判定部，其判定所述负载的所述相电流的极性；以及

电压判定部，其判定所述交流电源的所述相电压的大小关系，

所述多种换流模式包括第一换流模式至第四换流模式，

在所述电流判定部有可能错误判定所述极性的情况下，由所述选择部选择所述第一换流模式，

在所述电压判定部有可能错误判定所述大小关系的情况下，由所述选择部选择所述第二换流模式，

在所述电流判定部有可能错误判定所述极性、且所述电压判定部有可能错误判定所述大小关系的情况下，由所述选择部选择所述第三换流模式，

在不满足所述第一换流模式至第三换流模式的选择条件的情况下，由所述选择部选择所述第四换流模式。

8.一种矩阵变换器的控制装置，其特征在于，具备：

选择部，其基于经由具有多个双向开关的电力转换部而相互连接的交流电源的各相和负载的各相的各自的状态，从多种换流模式之中选择一个换流模式；以及

换流控制部，其利用由所述选择部选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制，

基于利用所述选择部对各换流模式进行选择的选择比例对所述多种换流模式的所述各换流模式的特性值加权得到的值的合计值为成为比较对象的一个换流模式的特性值以下。

9.一种矩阵变换器的控制方法，其特征在于，包括：

选择工序，基于经由具有多个双向开关的电力转换部而相互连接的交流电源的各相和负载的各相的各自的状态，从多种换流模式之中选择一个换流模式；

换流控制工序，利用由所述选择工序选择出的换流模式控制所述双向开关来进行切换所述交流电源和所述负载的连接状态的换流控制；以及

设定工序，以使基于利用所述选择工序对各换流模式进行选择的选择比例对所述多种换流模式的所述各换流模式的特性值加权得到的值的合计值为成为比较对象的一个换流模式的特性值以下的方式，来设定在所述选择工序中使用的所述多种换流模式。