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発電機を電源とするマトリックスコンバータの入出力波形制御に関する研究

氏名 春名 順之介
学位の種類 博士(工学)
学位記番号 博甲第581号
学位授与の日付 平成23年3月25日
学位論文題目 発電機を電源とするマトリックスコンバータの入出力波形制御に関する研究
論文審査委員
 主査 准教授 伊東 淳一
 副査 教授 近藤 正示
 副査 教授 大石 潔
 副査 准教授 宮崎 敏昌
 副査 名古屋工業大学教授 竹下 隆晴

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目次
第1章 序論 p.1
 1.1 研究背景 p.1
 1.2 本研究の目的 p.6
 1.3 論文の概要 p.10
 参考文献 p.12

第2章 発電機を電源とするマトリックスコンバータ p.15
 2.1 緒言 p.15
 2.2 マトリックスコンバータの基本回路構成 p.16
 2.3 発電機を接続したマトリックスコンバータの入力側動作特性 p.22
 2.4 発電機電源時におけるマトリックスコンバータの入出力波形改善方法 p.28
 2.4.1 これまでの入力側ひずみを低減する制御 p.28
 2.4.2 発電機電源に適した制御方式 p.30
 2.4.3 出力電圧指令,入力電流指令に波形改善指令を重畳する方式 p.32
 2.5 本研究の位置付け p.34
 2.6 結言 p.35
 参考文献 p.37

第3章 入力電流高調波が少ないスイッチングパターンの検討 p.41
 3.1 緒言 p.41
 3.2 瞬時空間ベクトル図によるスイッチングパターンの可視化 p.43
 3.3 瞬時空間ベクトル図による解析手順 p.47
 3.3.1 出力電圧,入力電流の可否判定 p.47
 3.3.2 出力電圧,入力電流のリプル判定 p.49
 3.3.3 出力電圧ベクトルと入力電流ベクトルの関係 p.49
 3.3.4 選択ベクトルの移動とスイッチング損失 p.51
 3.4 評価結果 p.51
 3.4.1 瞬時空間ベクトルによる解析結果 p.53
 3.4.2 出力電圧,入力電流ひずみ率による定量的評価 p.58
 3.4.3 発電機電源時のマトリックスコンバータに適した制御方式 p.58
 3.5 結言 p.60
 参考文献 p.61

第4章 発電機電源時の入力電流安定化制御 p.63
 4.1 緒言 p.63
 4.2 入力電流安定化制御 p.64
 4.3 最適入力力率制御 p.66
 4.3.1 入力力率と発電機の端子電圧の関係 p.68
 4.3.2 出力電圧と入力力率の関係 p.70
 4.4 発電機の電圧変動補償 p.73
 4.5 実験結果 p.75
 4.5.1 RL負荷実験結果 p.75
 4.5.2 誘導電動機の負荷実験結果 p.79
 4.5.3 誘導電動機の加減速実験結果 p.79
 4.5.4 同期発電機加減速実験結果 p.82
 4.6 結言 p.83
 参考文献 p.85

第5章 発電機電源時の入力電流ベクトル制御 p.85
 5.1 緒言 p.86
 5.2 軽負荷時の従来法の動作 p.88
 5.3 入力電流ベクトル制御 p.94
 5.4 実験結果 p.100
 5.5 結言 p.102
 参考文献

第6章 入力電流安定化制御と電動機側の出力電流制御の統合化 p.105
 6.1 緒言 p.105
 6.2 マトリックスコンバータの直流等価回路 p.106
 6.3 入力電流安定化制御と電動機側の出力電流制御の統合化 p.110
 6.4 シュミレーションによる三相交流上での提案制御の動作確認 p.115
 6.5 実験結果 p.121
 6.6 結言 p.124
 参考文献 p.125

第7章 結論 p.127
 7.1 本研究の成果 p.127
 7.2 今後の課題 p.131

発表論文 p.133

謝辞 p.139

 近年,省エネルギー, 地球環境汚染の防止,化石燃料枯渇に対する対策として,風力発電などの自然エネルギーの積極的な利用が求められている。自動車産業においても,ハイブリッドEV,EVに代表される電動機を用いた車両駆動技術が研究開発されている。これらの用途には,発電機を電源とする交流/直流/交流電力変換器が使用され,電力変換器の高性能化が課題となる。交流/直流/交流電力変換器にはいくつかの回路構成があるが,効率の低下やシステムの大形化,大形の電解コンデンサによる寿命の低下など,高性能化に対する様々な課題が存在する。
 従来システムの課題を解決する方法として,マトリックスコンバータが挙げられる。マトリックスコンバータは商用の交流電源から直流電力に変換することなく,任意の電圧振幅,周波数を持つ交流電力に直接変換できる電力変換器であり,小形,高効率,長寿命化を達成できる。以上より,ハイブリッドEVや風力発電機に適用することで,従来システムの課題を解決できる。一方,発電機は通常の系統電源と比較すると様々な点において異なる特性を持ち,発電機の構造,運用方法に起因して,様々な問題が発生する。
 本研究では風力発電機やハイブリッドEVにマトリックスコンバータを適用し,システムの高性能化を達成することを目的とする。しかし,発電機を電源とした場合のマトリックスコンバータには制御方式などにおいて様々な課題があるため,問題点を整理・解決し,上記システムにおいて小型,高効率,長寿命である電力変換器を達成する。以下に発電機を電源とするマトリックスコンバータにおける課題と解決方法について述べる。
 第1章では,本研究の背景と目的を述べ,目標達成のための手順を示す。
 第2章では,マトリックスコンバータの基本原理について述べ,発電機を電源とするマトリックスコンバータにおける問題点について検討する。発電機をマトリックスコンバータに接続した場合には,入出力波形のひずみが増大し,動作が不安定になるため,システムを安定化する制御方式や,入出力波形のひずみを検討する必要がある。以上の解決法について第3章から6章までで詳細を述べる。
 第3章では,発電機を接続したマトリックスコンバータの入力電流ひずみを最小にする制御方式を発見することを目的として,種々の制御方式の特性を検討する。マトリックスコンバータのスイッチングパターンを統一的に評価する方法についてはこれまでに述べられていないため,マトリックスコンバータのスイッチングパターンを評価する方法を検討する。本章ではスイッチングパターンを瞬時空間ベクトルによって可視化し,出力電圧と入力電流の制御の可否,瞬時電圧,電流リプルの定性的評価より,出力電圧,および,入力電流のひずみを定量的に評価する。以上の評価方法を用いて6種類のスイッチングパターンを評価し,本評価方式の妥当性を確認すると共に,発電機を電源とするマトリックスコンバータの最適な制御法を確認する。本章にて入力電流ひずみの低減が可能な制御方式を,第4章以降のシミュレーション,実機実験にて使用する。
 第4章では,発電機を電源とするマトリックスコンバータにおける入力側の安定化手法を確立するために,発電機の端子電圧のひずみを利用して発電機側電流のひずみを除去できる入力電流指令を生成する安定化手法を提案する。また,発電機の電圧降下と入力力率制御を検討し,システムの安定化制御と入力力率の制御方式について確立する。提案制御をシミュレーションと実験にて検討し,有用性を確認する。
 第5章では,第4章の制御方式をさらに発展させ,発電機側の電流制御にフィードバック制御を用いた制御法を提案する。第4章で述べた制御方式と比較し,フィードバック制御を適用したことによる軽負荷領域での安定動作をシミュレーションと実験により確認する。
 第6章では,第4章の制御方式を応用して,発電機に加えて電動機をマトリックスコンバータの出力側に接続し,発電機との連系制御について検討する。マトリックスコンバータは直接形電力変換器であるため,入出力に独立した制御方式を導入することで,動作が不安定化する。従って,入力側,あるいは出力側に制御を統合する必要がある。そこで,第5章では出力側の電流制御に大4章にて提案した入力側の安定化制御を組み合わせた制御法を提案する。提案制御を発電機と電動機を接続したマトリックスコンバータに適用され,その有用性を確認する。
 第7章では,本論文の成果と各提案制御の総括を述べ,それぞれの今後の課題についてまとめる。
 以上の通り,発電機とマトリックスコンバータの制御法を確立したことは,社会的に大きな価値があるものである。

 本論文は、「発電機を電源とするマトリックスコンバータの入出力波形制御に関する研究」と題し、全7章で構成されている。
 第1章では、発電機を電源とするマトリックスコンバータの動作や制御方式に関する問題点について概説し、本研究の具体的な目的を設定した。
 第2章では、マトリックスコンバータの動作原理について述べ、発電機を接続した場合の問題点について言及した。また、本章は発電機を接続したマトリックスコンバータの安定動作、入出力波形の正弦波化を達成するために必要なアプローチについて述べた。
 第3章では、発電機を電源とするマトリックスコンバータに最適なスイッチングパターンの制御方式を適用することを目的とし、マトリックスコンバータの出力電圧ひずみ、入力電流ひずみを評価する方法について述べた。以上の評価方法を用いて、本章では入力電流ひずみを低減できる制御方式を検討し、提案システムに適した制御方式を明らかにした。
 第4章では、マトリックスコンバータに同期発電機と誘導電動機を接続した場合の動作特性について検討した。発電機側の動作を安定にするために、本章では入力電流の制御に回転座標変換とダンピング制御を組み合わせた安定化制御を提案し、発電機側の安定化と回転数の変動に対応した。加えて、提案法は入力カ率と発電機の端子電圧、出力電圧の関係から、電圧利用率を最大にできる。さらに、提案法は発電機の運転状況に応じて出力電圧の変動を補償できる。以上の制御を実験機に適用し、提案法の有用性を明らかにした。
 第5章では、発電機を電源とするマトリックスコンバータにおいて、発電機電流をフィードバックする入力電流ベクトル制御を提案した。提案法を適用したことによる安定性の向上は状態方程式から導出された根配置によって確認された。また、実験によってその動作と有用性が明らかになった。
 第6章では発電機と電動機を接続したマトリックスコンバータにおける、入力側発電機の安定化制御と出力側電動機の制御を統合する方法を提案した。提案法は、まず直流等価回路上でその動作と安定性が確認された。その後、シミュレーションと実験によって、提案法の有用性が明らかにされた。
 第7章では本論文の有用性と総括を述べ、本研究の有用性を明らかにするとともに、今後の課題についてまとめた。
以上の通り、本研究では発電機を電源とするマトリックスコンバータの問題点である、発電機側の動作の安定化と、系統連系や電動機駆動を想定した出力側の電流制御の方法にっいて提案し、提案法の有用性をシミュレーション、および、実験で明らかにした。これらの結果から、本研究は発電機を電源とするマトリックスコンバータの実用化に大きく貢献できる。よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士(工学)の学位論文として十分な価値を有するものと認める。

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