サイクロコンバータ入門

RMS入力AC電圧と周波数は、サイクロコンバータを使用してRMS出力AC電圧と周波数に直接変換されるため、中間DCリンクが不要になります。周波数変換のための特別な容量により、これらのコンバータは入力として受け取るAC波形の周波数を下げることも、可変出力周波数を提供することもできます。出力電圧と周波数のスムーズで連続的な制御が必要な高出力アプリケーションでは、サイクロコンバータが頻繁に使用されます。図4は、三相から三相へのブリッジサイクロコンバータを示しています。

図4 : 三相から三相へのブリッジサイクロコンバータ

他のAC/ACコンバータトポロジーと比較して、サイクロコンバータには多くのメリットがあります。インダクタやコンデンサのようなエネルギー貯蔵部品がないため、高電力レベルで動作し、高効率を実現できます。さらに、サイクロコンバータは、非常に低い周波数を含む幅広い出力周波数を生成できるため、精密な速度制御が必要な大型モータドライブなどのアプリケーションに役立ちます。

しかし、サイクロコンバータには大きな欠点があります。例えば、スイッチが数多く必要なことによる複雑さや、出力波形に高調波の発生などです。これらの欠点にもかかわらず、RMS出力電圧と周波数、および周波数変換の精密制御が重要な多くの高出力アプリケーションでは、サイクロコンバータが依然として必要です。

動作の原理

サイクロコンバータは、適切な入力AC電圧セグメントを選択して調整することにより、必要な出力AC波形を合成することで機能します。これは、サイリスタなどのパワー半導体スイッチを使用して実現されます。サイリスタは、入力波形の異なる部分を選択的に接続または切断して、希望の出力波形を生成できます。

サイクロコンバータには、整流と反転の2つの動作モードがあります。入力電圧の正の半周期は、整流モード中にサイクロコンバータを介して送信され、正の出力電圧が生成されます。逆に、反転モードでは入力電圧の負の半周期を通過して負の出力電圧を生成します。サイクロコンバータは、サイリスタの点弧角を正しく調整することにより、入力波形とは異なる周波数のステップ出力波形を生成することがあります。

サイリスタが作動するシーケンスにより、入力波形から正しい電圧セグメントが選択され、必要な出力波形が生成されます。適切なRMS出力電圧と周波数を維持するために、制御回路は入力および出力波形を分析し、必要な点弧角を決定します。パルス幅変調 (PWM) や空間ベクトル変調 (SVM) などの最先端の制御技術を使用することで、出力波形の高調波成分を低減することができます。

なお、サイクロコンバータはインダクタやコンデンサなどのエネルギー貯蔵部品を必要としないことに留意ましょう。これにより、効率が向上し、より高い電力レベルを管理する能力が向上します。しかし、制御回路の複雑さと必要な電源スイッチの数が膨大であるため、サイクロコンバータのサイズとコストが大きくなる可能性があります。

サイクロコンバータのタイプ

入力と出力の構成に基づいて、サイクロコンバータは4つの主要なカテゴリに分類されます。次に例を示します :

単相から単相へのサイクロコンバータ : これらのサイクロコンバータは、単相交流電流入力電圧を異なる周波数の単相交流電流出力電圧に変換します。家電や小型産業機器などの単相ACモータの速度制御は、単相から単相へのサイクロコンバータの最も代表的なアプリケーションです。

単相から三相へのサイクロコンバータ : 単相交流入力電圧を、周波数の異なる三相交流出力電圧に変換します。単相電源のみが使用できる状況では、このタイプのサイクロコンバータは通常、三相誘導モータまたは同期モータの駆動に使用されます。小型ポンプ、ファン、コンプレッサが一般的な用途です。

三相から単相へのサイクロコンバータ : このタイプのサイクロコンバータでは、三相AC入力電圧を周波数の異なる単相AC出力電圧に変換します。これらのサイクロコンバータはあまり一般的ではありませんが、溶接装置や特殊電源など、単相負荷に三相電源を供給する必要がある状況で使用できます。

三相から三相へのサイクロコンバータ : これらは、三相交流入力電圧を異なる周波数の三相交流出力電圧に変換するように設計されています。このタイプのサイクロコンバータは、圧延装置、セメント工場、または巨大なポンプおよびコンプレッサの大型誘導モータまたは同期モータの速度を制御するなど、高出力産業アプリケーションで一般的に使用されています。高出力レベルを管理し、モータの速度とトルクを正確に制御できるため、これらの要求の厳しいアプリケーションにとって魅力的な代替品です。

矩形波、正弦波、PWM出力など、これらの各サイクロコンバータの出力波形を使用して、さらに分類できます。アプリケーション要件、電力レベル、および求められる出力波形品質のレベルに応じて、特定のタイプのサイクロコンバータが使用されます。

サイクロコンバータの制御戦略

サイクロコンバータの制御は、適切なRMS出力電圧と周波数に到達し、システム全体の性能と効率を保証するために重要です。サイクロコンバータの機能を制御するために、多くの制御システムが考案されてきました。次は最も一般的な制御戦略の一部です。

位相制御戦略 : 位相制御技術は、サイクロコンバータの最も基本的で広く使用されている制御機構です。各コンバータグループのサイリスタの点弧角を変調することにより、RMS出力電圧と周波数を調整する必要があります。点弧角は、希望の出力電圧と入力電圧の波形によって制御されます。この制御アプローチは構築が簡単で、幅広いアプリケーションに対して適切なパフォーマンスを提供します。ただし、出力波形に高調波歪みが生じ、システムの効率や電力品質が低下する可能性があります。

パルス幅変調 (PWM) 制御 : 位相制御技術と比較して、パルス幅変調 (PWM) 制御は、RMS出力電圧と周波数の優れた制御と高調波性能の向上を実現します。出力電圧は、サイリスタの点弧角を変更することで生成される出力パルスの幅を変化させることにより、PWM制御で調整されます。このアプローチは、高調波歪みを低減し、電力品質を向上させる可能性があります。しかし、より複雑な制御アルゴリズムとより高速なスイッチングデバイスが必要です。

ベクトル制御 : ベクトル制御は、サイクロコンバータ、特に三相系のためのもう一つの洗練された制御アプローチです。このアプローチには、三相交流電流値を2次元ベクトル表現に変換することが含まれます。これにより、出力電圧と周波数をより簡単かつ効果的に管理できます。ベクトル制御は、システムへの高調波の影響を軽減しながら、動的性能を向上させます。しかし、他のソリューションよりも複雑な制御アルゴリズムと処理能力が必要です。

ダイレクトトルク制御 (DTC) : DTCは、RMS出力電圧と周波数を調整するのではなく、モータのトルクと磁束を直接操作することに焦点を当てた効率的な制御アプローチです。DTCは、これらの変数を直接操作することにより、モータの動作をより迅速かつ正確に制御できるため、性能と効率が向上します。この制御アプローチは、電気自動車やロボットなど、迅速かつ正確なトルク制御を必要とするアプリケーションで非常に効果的です。一方、DTCはより複雑な制御アルゴリズムと高速デジタル信号処理能力を必要とします。

サイクロコンバータの制御アプローチは、固有のアプリケーション要件、要求される性能特性、および制御システムの複雑さによって決定されます。より高度な制御技術は性能と効率を向上させますが、より複雑で高価な制御装置とソフトウェアが必要になる場合があります。

サイクロコンバータのアプリケーション

1つの周波数の交流電圧を異なる周波数の交流電圧に変換することができるため、サイクロコンバータはさまざまな業界で使用されている柔軟なパワーエレクトロニクスデバイスです。これらは、正確な出力電圧と周波数制御を必要とする状況で特に役立ちます。サイクロコンバータは主に次の目的で使用されます。

モータ駆動 : 電気モータの制御、特に大きな誘導モータと同期モータは、サイクロコンバータの最も一般的な用途の1つです。サイクロコンバータは、RMS出力電圧と周波数を正確に調整することにより、スムーズで効率的なモータ速度とトルク制御を提供します。これにより、製鉄所、鉱業、セメント工場などの重工業分野での使用が可能となり、巨大なモータがさまざまな活動に活用されています。

発電システム : 発電システムでは、サイクロコンバータを使用して、生成される電力の周波数とRMS電圧を調整できます。ガスタービンや水力タービンなどの可変速原動機が使用されるアプリケーションで特に役立ちます。このような状況では、発電機の可変周波数出力を電力グリッドと互換性のある固定周波数に変更することができます。

再生可能エネルギーシステム : 発電電力の周波数とRMS電圧を制御するために、風力タービンや太陽光発電などの再生可能エネルギーシステムにも使用できます。再生可能エネルギー源の可変周波数出力を、グリッドが必要とする固定周波数に変換することで、これらの電源を電力グリッドに統合することが可能になります。

トラクションシステム : 電車や路面電車を含む電気トラクションシステムでは、サイクロコンバータが重要な役割を果たします。これにより、トラクションモータの正確な速度とトルク制御が可能になり、効率的かつスムーズな加速と減速が可能になります。これにより、トラクションシステムのパフォーマンスとエネルギー消費が向上し、乗員の快適性も向上します。

船舶推進システム : 船舶や潜水艦で使われるような大型船舶推進システムは、推進モータの速度とトルクを調整するためにサイクロコンバータを使用します。サイクロコンバータは、推進システムの性能と効率を最適化し、燃料の節約と排出ガスの削減を実現します。これは、モータの機能を正確に制御することによって行われます。

高電力可変周波数ドライブ (VFD) : サイクロコンバータは、直接周波数変換を必要とする高出力VFDアプリケーションに有効なオプションです。従来の整流器やインバータで周波数を変換するVFDと比較して、よりエネルギー効率の高い代替品になります。