矩阵式转换器（二）：提高效率与抑制高次谐波电流难以兼顾

　　上接本站报道： 矩阵式转换器(一)：电力转换技术的“救世主”，有望大幅实现小型及高效率化

　　因此，如图1(c)所示的那样，以数k～数十kHz的频率切换开关元件的开和关来逐渐改变脉冲宽度，以控制输出电压的振幅。这就是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation：PWM)控制。另一方面，交流电的频率控制则通过调整图1(b)及图1(c)的动作周期来实现。

　　上述内容可以归纳为以下的公式。以逆变器直流元件的中点电位(即零电位)为基准，假设相电压为Vum、电解电容器的端子电压为E、开关元件Sup的占空比(在1个周期中“开”期间所占的比率)为Dup、Sun的占空比为Dun，则交流输出电压可通过公式(1)求得。

 

　　但是，如果串联连接的上下方开关元件同时开或者关，则会引发短路或者电路断开，从而产生巨大的浪涌电流及浪涌电压，有可能会破坏负荷。因此，必须确保以下关系的成立

 

　　如果在考虑到这种关系再来观察公式(1)就会发现，随着Dup及Dun的值不同，输出电压有时为正、有时为负。另外还可发现，输出电压以E/2为最大值，在此数值以下的范围内可任意进行控制。

　　提高效率与抑制高次谐波电流难以兼顾

 

　　图2　二极管整流器的构成

　　一般情况下，逆变器的输入方式为交流电。而主电路的输入方式为直流电。因此，逆变器必须在主电路的前段设置将交流电转换为直流电的电路。在这方面被广泛采用的电路，是二极管整流器。由6个二极管以及滤波用大容量电解电容器构成。为了抑制高次谐波电流，有时甚至需要插入改善功率因数直流扼流圈。

　　逆变器主电路的输入，通常为50Hz或者60Hz的商用电源。因此，在主电路的输入元件中，必须有将交流电转换成直流电的整流电路。已广泛普及的整流电路是二极管整流器(图2)。这是一种由6个二极管以及负责对直流电压进行滤波的大容量电解电容器组成的电路。这种电路虽然具有廉价高效的特点，但也存在着会产生许多高次谐波电流的问题。

　　包含在输入电流中的高次谐波电流，相当于一种公害物质。这种高次谐波电流如果流出到与逆变器相连的电力系统中，则会导致无功补偿电容器*过热，有时甚至破损。害处还不只是这些。如果电流中含有太多的高次谐波电流，由于电源阻抗导致的电压下降的影响，在所连接负荷的受电端，电压波形会产生较大的变形(图3)。其结果是，引发荧光灯的闪烁、电源变压器及马达的噪声以及马达的转矩脉动(Torque Ripple)*等问题。(未完待续。特邀撰稿人：伊东 淳一，日本长冈技术科学大学)

　　*无功补偿电容器=利用电容器中交流电的相位超前90度的现象，来消除感应性负荷导致的相位滞后的装置。在电力公司的电力系统中经常采用。

　　*转矩脉动=马达中产生的扭矩变动。如果转矩脉动比较大，则会产生马达的频率颤动等。

 

　　图3　引发高次谐波电流的问题

　　如果输入电流I中含有许多高次谐波成分，那么，电源阻抗X导致的电压下降会变得显著，逆变器及马达中受电端电压的波形会产生较大的变形。其结果是，引发荧光灯闪烁、电源变压器及马达的噪声、以及马达产生转矩脉动之类的问题。而且，如果这种输入电流I流出到电力公司的电力系统中，则会带来无功补偿电容器过热之类的不良影响。