JP2006506037A - マトリクスコンバータの作動方法、並びにこの方法を実施するためのマトリクスコンバータ - Google Patents

Abstract

マトリクスコンバータ（１０）はそれが発電機（１１）のｍ個の相（Ｇ１，…，Ｇ６）を有する交番電圧から回路網に接続されている負荷（１２）のｎ個の（ｎ＜ｍ）相（Ｌ１，…，Ｌ３）を有する交番電圧に変換するように作動されるとき、前記負荷（１２）のｎ個の相を交番的に、（ｍ×ｎ）のマトリクスに配置されている多数の制御可能な双方向スイッチ（１４）に接続し、ここで発電機（１１）のｎ個の相は常に負荷（１２）に接続されており、一方発電機（１１）の（ｍ−ｎ）個の相は負荷（１２）に接続されていないという形式のマトリクスコンバータの作動方法において、マトリクスコンバータ（１０）を逆の仕方でサイクロコンバータモードにおいて作動することによって、マトリクスコンバータを始動の少なくとも部分、殊に発電機の始動の初期フェーズに対して使用することが可能になる。このことは、回路網（１２）を介して使用することができる電力を使用して行われ、その際発電機のｍ個の相（Ｇ１，…，Ｇ６）の群は相応のサブ群（Ａ，Ｂ，Ｃ）に分割される。
ことを特徴とする方法。

Description

技術分野
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野、殊に同期電源周波数の上方で作動される同期発電機による電力生成、並びに可変速度同期モータおよび誘導モータの駆動に関する。

本発明は、請求項１の上位概念に記載されているように、マトリクスコンバータはそれが発電機のｍ個の相を有する交番電圧から回路網に接続されている負荷のｎ個（ｎ＜ｍ）の相を有する交番電圧に変換するように作動されるとき、前記負荷のｎ個の相を交番的に、（ｍ×ｎ）のマトリクスに配置されている多数の制御可能な双方向スイッチに接続し、ここで発電機のｎ個の相は常に負荷に接続されており、一方発電機の（ｍ−ｎ）個の相は負荷に接続されていないという形式のマトリクスコンバータの作動方法に関する。本発明は更にこの形式の方法の使用並びにこの形式の方法を実施するためのマトリクスコンバータに関する。

従来の技術
電力生成の際にタービンの回転数を上げると。出力が決まっているとした場合大きさおよびコストは低減できる。効率も改善することができる。７０ＭＷまでの電力生成のためのタービンでも伝動装置を介して発電機に接続されて、より高い回転数が可能になるようにされる。出力がもっと高い場合には安全性の理由から伝動装置の使用はますます難しくなる。その場合タービンは同期速度で作動される。

伝動装置が使用されるとき、次の不都合が生じる：
・ 固定の変速比；
・ ４０ＭＷに対する１００ｄＢもしくは７０ＭＷに対する１１５ｄＢより上側の騒音レベル；
・ その都度の負荷に依存していない機械的な損失；および
・ 冷却およびオイルでの潤滑に対する高度な要求。

択一的に、整流器／インバータの形のスタチック周波数コンバータ（パワーエレクトロニクス）を使用することも可能である。この場合次のような利点が期待される：
・ 容積および回転数の一定の積と一致して低減される発電機コスト；
・ ５０Ｈｚに対しても６０Ｈｚに対しても標準化される発電機；
・ タービンの部分負荷効率の回復を可能にする調整設定可能な速度；
・ 少なくとも部分負荷における伝動装置に関連して低減される損失；
・ 著しい騒音低減；
・ クリーンな（オイルのいらない）冷却；
・ 可能な出力に上限はなく、これにより小型化によるタービンの著しいコスト低減が可能になり、一方伝動装置は同じ態様を提供しない；かつ
・ 発電機の、スタータモータとしての使用（ガスタービン用途の場合）。

電力生成の場合も駆動の場合もスタチック周波数コンバータの損失が低減されると結果としてコストが著しく節約されることになる。損失が低減されるととりわけ、投資コストが低減されることになる。というのは冷却はコンバータの総コストの重要な部分だからである。

更に、冷却に対する要求が低減されると、エレクトロニクスをよりコンパクトに実現し、かつこれによりパワーエレクトロニクスの、発電所装置または発電機ユニットへの組み込みを容易にする可能性が得られる。パワーエレクトロニクスの、発電機ユニットへの近くへの組み込みにより接続線路を短くでき、冷却装置および共通に利用できしかも全体の容積は小さくなるという付加的な利点が生じる（建物での所要スペースの低減）。

数十ＭＷまでの大きな駆動の領域においても低減された損失から産まれるこの利点は生じ、かつタービンの直接的な機械的な駆動に比べてこのように産業上に価値ある利点が得られる。

コンバータ（整流器／インバータ）において利用される間接的な変換（ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ）は、３相源（モータに対する電源、電力生成のための発電機）からの整流された直流電流または整流された直流電圧の生成によって行われ得る。それから直流電流または直流電圧はインバータによって再び交流電流に変換される。

インダクタンス（電流コンバータ）またはコンデンサバンク（電圧コンバータ）が中間回路にスイッチインされて、電流のリップル特性もしくは電圧ピークが低減されるようにされる。

今日のコンバータはサイリスタを使用している。サイリスタの自然な転流が可能であるとき、コンバータにおける損失は低減される。しかし例えば誘導モータは無効電力を必要とする。このような無効電力を電源から使用できるようにするために、コンバータの前以て決められているアームの電流を任意の時点で遮断するできるようにすることも可能である。この場合強制転流およびこれにより高められる損失が生じる。電気機器（発電機またはモータ）において相電流はチョッパされた直流電流である。電機子反作用は一定の速度および振幅で回転せず、転流サイクルに従ってあちこち跳び回る。６または１２パルスのコンバータは電機子反作用に対する６つまたは１２の種々異なった角度位置を与える。このことから、電気機器に強い脈動するトルクおよび大きな付加的な損失が生じ、このために機械の劣化が引き起こされる可能性がある。１２パルス式コンバータにおいてはこの効果は６パルス式コンバータの場合より４倍少ない。

電圧コンバータはそれに固有の高いスイッチング損失を有するＧＴＯ、並びにＩＧＢＴまたはＩＧＣＴを使用する。個々の素子はサイリスタより僅かな電力を有しているので、前以て決められた電圧ないし前以て決められた電流に対して多くの構成部分が必要とされる。電圧コンバータは、電流曲線の形状を改善しかつ高調波を低減するパルス幅変調技術の使用によって利用価値を高めることができる。その際スイッチング周波数は高ければ高いほどよいが、損失と誘電体疲労の点で問題が出てくる。電流の曲線形状はほぼ正弦波状であるので、電気機器の電力低下は回避される。

直接変換（ＡＣ／ＡＣ）は例えばいわゆるサイクロコンバータによって可能である。それは電気機器の側に著しい利点を有している。というのは電流は多かれ少なかれ正弦波でありかつチョッピングされる直流電流ではないからである。これは電気機器内で生じる付加的な損失の高さを低減し、かつそれは脈動するトルクを回避する。

しかしサイクロコンバータの使用の際、実現可能な周波数領域は入力周波数の０〜１／３に制限されている。１／３の限界値を越えると補償されない作動のために係数３まで過大に設計しなければならないことになる。

直接変換の別の可能性はいわゆるマトリクスコンバータによって得られ、その場合多相源（発電機または電源）のそれぞれの相は多相の負荷（電源、受動負荷、モータなど）のそれぞれの相にそれぞれ双方向のスイッチによって接続されているもしくは接続可能である（例えば N. Mohan et al. 著、 Power Electronics, 2. Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 11 - 12 参照）。スイッチは適当な数のサイリスタから成っていて、相間電圧と相電流が持ち堪えられかつ電流反転が可能になるようにされる。これらスイッチは、スナバのような付加回路または逆並列な素子に対するドライブパルス用給電部を共通に利用する可能性を持っている、真に双方向の素子と見なすことができる。

スイッチはソースの相がｍで負荷の相がｎ個の場合、（ｍ×ｎ）個のマトリクスにおいて配置されている。これにより、入力相と出力相との間の任意の接続の可能性が提供されるが、同時に、マトリクスの所定のスイッチング状態はそうしないと例えば短絡が発生する理由から許されてはならないという欠点を有している。更に、相から別の相への転流を、できるだけ僅かなスイッチング損失しか生じないように実施することが望まれる。

ＵＳ−Ａ−５５９４６３６には、相間の転流が部分的に自然の転流として実施されるが、自然の転流が可能ではないとき、強制転流としても実施される、マトリクスコンバータおよびその作動方法が記載されている。自然の転流に基づいてこの形式のドライブ制御ではスイッチング損失は低減されているにも拘わらず、強制転流の際に生じるスイッチング損失は依然残る。更に有り得る強制転流のためにマトリクスのすべての場所に遮断可能な素子が使用されなければならず、これにより回路コストは著しく高められる。

にも拘わらず、自然転流だけが生じるようにマトリクスコンバータを作動させることが可能である。このことは、発電機の選択された接続されている相から発電機の選択された接続されていない相への切換が所定の条件が満たされているときにだけ許容されるようにすることで行うことができる。マトリクスコンバータの安価でしかも信頼できるコントロールを許容するこの形式の作動法は周波数を制御するためにだけ使用することができるが、電圧を制御することはできない。それ故に電圧は、このことは例えば大きな電力生成の領域において通例そうであるように、励磁システムを用いて制御される。この形式の電圧制御は、回転機器が発電機モードにおいて作動される限りには問題ない。しかし回転機器がモータとして利用されるとき、トルクおよび電流制御には速度が低い場合、いわゆる一定のＶ／ｆルールに一致して電圧の実際の変調が必要になってくる。

エネルギー装置の駆動部がガスタービンであるとき、通例はスタチック周波数コンバータ、すなわち整流器／インバータは発電機を軸の始動のためのモータとして使用するために使用される。ガスタービンはまず、それが定格速度の４０ないし５０％に達したときに正のトルクを発生する。すなわちマトリクスコンバータは完全に自然の転流に基づいて多数の利点を有している一方、殊に、いわゆる「一定のＶ／ｆルール」が充足されなければならない０ないし２０％の負荷の領域に対して、ガスタービンの始動のための付加的な手段を用意する必要がある。自然転流されるコンバータの、殊に値段、コンパクトさおよび効率に関する高い魅力は付加的なスタート構成部品が要求されることで低減される。

発明の開示
そこで本発明の課題は、公知のマトリクスコンバータ解決法の欠点を回避したマトリクスコンバータの作動方法、並びにマトリクスコンバータおよびこの形式のマトリクスコンバータの使用を提供することである。これは、例えば発電機を使用したタービンの始動のために、別個のサイクロコンバータまたはスタチック周波数コンバータを使用するという択一例も使用可能であるという意味においてである。

この課題の解決は請求項１、６および８の特徴部分全部に記載の構成によって実現される。本発明の要点は、マトリクスコンバータを「リバースモード」において、いわばサイクロコンバータとして作動する点にある。単純にマトリクスコンバータの作動法を変えることによってかつ発電機のｍ個の相を相応のサブ群に分割できるようにする手段を用意することによって、このことは相当簡単にしかもマトリクスコンバータのハードウェアのどんな修正もなしに可能であるという事実は予期していなかったことであり、かつこれによって、発電機をモータとしておよび主電源を電力源（パワーソース）として使用して、マトリクスコンバータのこの形式の作動法をガスタービンの始動のために使用することが可能になったのである。

本発明の第１の有利な実施形態によれば、マトリクスコンバータはそれが発電機から負荷にエネルギーを変換するように作動されるとき、周波数の調整のみを許容し、電圧の調整は許容しない。マトリクスコンバータが、少なくとも、電気機器のように振る舞う発電機の始動の初期フェーズ内での電圧の制御を必要にする「一定のＶ／ｆルール」のためにガスタービンの始動のために逆の仕方（リバースモード）を直接使用できないこの状況においては殊に、２つの異なったモード間の切換は有利である。

本発明の別の有利な実施形態によれば本発明の方法は、マトリクスコンバータはそれが発電機から負荷にエネルギーを変換するように作動されるとき、発電機の選択されている接続されている相から発電機の選択されている接続されているない相への切り換えのみを許容し、その結果自然の転流だけが発生するようにすることによって特徴付けられている。この形式のマトリクスコンバータ並びにその作動法はＤＥ１００５１２２２Ａ１並びに対応するＥＰ１１９９７９４Ａ２に開示されている。これら２つの刊行物の内容はこの出願の開示内容に明示的に組み込まれることとする。

典型的にはスイッチの切換状態、発電機の相の接続状態、および発電機の相電流の極性、並びに発電機の相間差分電圧が監視されかつ測定される。特定された、有利には周期的な時点で切換が行われかつ切換のために発電機の相の１つまたは複数が選択されるが、それは監視および測定によって使用可能な情報に相応して接続されておらずかつ条件を満たしている発電機相である。殊に双方向スイッチとして逆並列なサイリスタが使用される。上に挙げた刊行物に開示されているようにマトリクスコンバータは周波数の制御だけを許容し、電圧の制御は許容せず、かつそれ故に、少なくとも始動の初期フェーズ内で発電機の始動のために反対の手法で（リバースモード）直接使用することができない。しかしｍ個の発電機相の、サブ群への冒頭に述べた形式のグループ分けであるこのちょっとした変形により、この形式のマトリクスコンバータを逆の作動法で作動しかつ同時に周波数および電圧を制御できるようになる。

別の有利な実施形態によれば、発電機は６つの相を有しかつ負荷は３つの相を有し、かつサイクロコンバータモードのために６つの相は３つのサブ群に分割される。この特有のトポロジーのために、発電機の相をグループ分けするために僅か２つのスイッチだけが必要である。

別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は更に、上に説明されているように、本発明の方法の、発電機の始動のための使用に関する。その際殊に、発電機の、すなわち発電機および（ガス）タービンの始動のために、発電機の定格速度の２０ないし３０％まで、マトリクスコンバータはサイクロコンバータモードで作動され、一方発電機の定格速度の２０ないし３０％から５０％までまたは１００％までも、マトリクスコンバータは、切り離される、すなわち相互に分離されるサブ群のない通常の作動モードにおいて作動される。発電機の定格速度の最初の２０ないし３０％内でだけ電圧制御が必要であり、一方それより上の領域において簡単な周波数制御で十分であることは周知である。それ故に、マトリクスコンバータを電圧制御が絶対に必要であるこの最初の相においてだけサイクロコンバータモードにおいて運転し、かつそれからはこのことも上に記載されているように、有利には自然の転流のみを使用して、通常のマトリクスコンバータモードに切り換えることで十分である。

上に述べた使用の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

上に述べたことの他に、本発明は上述したように、マトリクスコンバータの作動法をインプリメンテーションするための、または上に述べた使用のためのマトリクスコンバータにも関する。その際マトリクスコンバータは（ｍ×ｎ）マトリクスに配置されている多数の双方向スイッチを有しており、ここで制御部によって制御されるスイッチはｍ個の入力側をｎ個の出力側に選択可能に接続する。マトリクスコンバータは、入力側の電流の極性を突き止めるための第１の手段が設けられており、かつ入力側間の電圧の極性を突き止めるための第２の手段が設けられており、かつ第１の手段および第２の手段は制御部とアクティブに接続されていることによって特徴付けられている。この形式のマトリクスコンバータは例えば、自然の転流のみの場合には、ＤＥ１００５１２２２Ａ１並びに対応するＥＰ１１９９７９４Ａ２にも開示されているようなものである。これら２つの刊行物の開示内容は、マトリクスコンバータ自体に関連しても、本願の開示内容に明示的に組み込まれるものとする。この形式のマトリクスコンバータは有利には、有利には逆並列接続されているサイリスタを含んでいるスイッチが制御部（制御ユニット）と信号線路を介して接続されており、ここで信号線路を介してスイッチの切換状態に関する情報が制御部に伝送されることによって特徴付けられている。

本発明のマトリクスコンバータの別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

特に本発明は、上に説明したような少なくとも１つのマトリクスコンバータと、回転子および固定子を有している少なくとも１つの発電機とを有している全体の発電機ユニットであって、サイクロコンバータモードをスイッチオンするために、固定子の巻線に相応のサブ群に分割するためのスイッチが設けられていることを特徴とする発電機ユニットにも関する。言い換えると、通例は、固定子のマトリクスコンバータとは反対の側にある浮遊アースを単純なスイッチを使用して上に述べたサブ群に分配することができ、その結果作動法に応じて、１つの共通の浮遊アースかまたはサブ群（スイッチが開放されている場合）かが生じている。

本発明の別の有利な実施形態において、発電機は６つの相を有しかつ負荷は３つの相を有し、その際サイクロコンバータモードのために、６つの相が３つのサブ群に分割されている。この場合有利には、２つのスイッチが配置されており、該スイッチは固定子の巻線の浮遊アースを通常のマトリクスコンバータモードのために接続するのを可能にしかつ該浮遊アースを３つの接続されていない、すなわち相互に分離されているサブ群において分離するのを可能にし、ここで該サブ群のそれぞれは２つの発電機相を有している。

その他の実施形態は従属請求項から明らかである。

図の簡単な説明
次に本発明を図面を参照して実施例に基づき詳細に説明する。その際：
図１は完全に自然な転流に使用することができるような、６つの入力相と３つの出力相とを有しているマトリクスコンバータによる転流を略示し、
図２は有利な実施例である、３つの入力相と３つの出力相とを有しているサイクロコンバータの回路接続を略示し、
図３は位相接続を２つの作動モードにおいて略示し、かつ
図４はマトリクスコンバータをサイクロコンバータモードで作動するための手段を備えている、始動すべき発電機の６つの相に接続されているマトリクスコンバータを略示している。

本発明を実施するための方策
図１には、自然な転流だけを許容するように設計されておりかつ制御されるようになっている、６つの入力相と３つの出力相とを有しているマトリクスコンバータの接続が略示されている。この形式のマトリクスコンバータはＤＥ１００５１２２２Ａ１並びに対応するＥＰ１１９９７９４Ａ２に開示された。しかし提案された原理は、強制転流を使用しているマトリクスコンバータにも適用できるものである。これら刊行物に記載されているマトリクスコンバータ並びにこれら刊行物に記載されている作動法がここに説明する例に対する基礎となるものである。発電機１１によって生成される電圧の周波数を、負荷１２、すなわち発電機が接続されている負荷回路網によって要求される周波数に変換するために使用されるとき、発電機１１の相Ｇ１〜Ｇ６を負荷１２の３つの相Ｌ１，…，Ｌ３に接続する。このために必要な電力部１３は逆並列接続されているサイリスタの形の１８個の双方向スイッチ１４を有している。スイッチ１４は（６×３）、マトリクスにおいて配置構成されている。制御部（制御ユニット）１７は、スイッチ１４を選択するように設けられており、その際制御部には時計１８の時間信号（クロック周波数）が供給される。スイッチ１４のスイッチング状態（オン、オフ）は監視されかつその都度制御部１７に信号線路２０を介して伝送される。スイッチ１４は制御部１７によって制御線路１９を介して選択される。

発電機１１の個々の相それぞれＧ１〜Ｇ６に電流測定装置１５が配置されており、これらはそれぞれ、第２の信号線路２１を介して制御部１７に位相電流の極性を伝送する。付加的に、発電機１１の相Ｇ１〜Ｇ６間に電圧測定装置１６が配置されており、これら測定装置はそれぞれの相差の極性を第３の信号線路２２を介して制御部１７に伝送する。

ＤＥ１００５１２２２Ａ１並びに対応するＥＰ１１９９７９４Ａ２に開示されているように、転流に対する転流判断基準はマトリクスコンバータ内で導出することができる。この判断基準は実質的に、スイッチオフすべき相とスイッチオンすべき相との間の相差電圧と、スイッチオフすべき相の相電流との積の極性に基づいている。この積が負のとき、２つの相の間の転流は許容されている。その他の場合転流は禁止されている。転流は、転流が前以て決められた時間後に生じているとき、および転流判断基準が充足されているとき、制御部１７によってトリガされる。転流のためには発電機１１の「フリー」な相が必要であり、かつその都度所定のスイッチ１４は活性化されてはならないので、制御部１７は短絡を防止するためにそれぞれの時点において、相Ｇ１〜Ｇ６のいずれがフリーであるか、すなわち電力を運んでいないかを知っていなければならない。制御部１７は更に、出力相Ｌ１，…，Ｌ３のいずれに転流すべき相がスイッチングされて、この転流に適しているスイッチによって正確にスイッチングされるようにするのかを知っていなければならない。上に述べた転流判断基準は次の物理的な仮定に基づいている：２つの発電機相間の自然な転流は、転流の瞬間ｔ０においてそこから転流しようとする相Ｇｘの電流ｉＧｘの絶対値が降下し（低下し）、一方そこへ転流しようとする相Ｇｙの電流ｉＧｙの絶対値が増加するときにのみ上手く実施することができるこの必要条件は、そこへ転流しようとする相がより高い起電力および同時にそこから転流しようとする相と同じ方向を有していることを意味している。しかし起電力は無負荷でしか測定することができないので、手に入れ易くかつ測定可能な量を有する判断基準が見つけられなければならない。

ＤＥ１００５１２２２Ａ１並びに対応するＥＰ１１９９７９４Ａ２に詳細に論述されているように、次の式によって表される、専ら自然の転流の選択のためのこの形式の転流判断基準を見つけることができる：
（１） Ｉ_ｋ／（Ｖ_ｋ−Ｖ_ｌ）・Ｋ_ｉｊｋｌ＜０
ここでＫ_ｉｊｋｌは、発電機の相の相互インダクタンスおよび負荷のインダクタンスに依存している定数である。相応に、発電機および負荷の自己インダクタンスと相互インダクタンスとによって決められているＫ_ｉｊｋｌが既知であるとき、それぞれの時点における簡単に測定可能な量、相電流Ｉ_ｋおよび相間電圧Ｖ_ｋ−Ｖ_ｉを用いて、発電機の相ｋとｌとの間の意図した自然の転流を実施することができるかまたはそうでないかを突き止めることができる。条件または式（１）は電流および電圧の極性にだけ依存しており、その瞬時の値には依存していない。相応に、転流条件に対して必要な情報は非常に簡単な検出器および測定装置を使用して得ることができる。

図２のマトリクスコンバータ１０においてスイッチ１４のドライブ制御を行うことにする決定プロセスは非常に簡単である：
・ まず、時計１８が制御部１７に、所望の周波数および場合によっては帰還される情報に従って、いつ新たな転流が行われるべきであるか、すなわち負荷１２にその時接続されている相が別の相によって置換されるべきであるかを伝える。
・ スイッチ１４および相Ｇ１〜Ｇ６の連続的な監視によって、制御部１７はどの相がフリーであるかもしくはどの相が電流を導いていないかかつこれに基づいてどの相を確実に転流することができるかが分かる。１つまたは２つの転流が可能であるとき、所属のスイッチ１４がトリガされる。既に上に説明したように、３つの相の同時の転流は回避される。（それ自体可能な）第２および第３の転流は、それが確実に実施されるようになるまで遅延される。

提案されたマトリクスコンバータは固有の無効電力消費を有していない。例えば同様に、直接的なＡＣ／ＡＣ変換を実施するサイクロコンバータは、正弦波形状の電圧を実現するために必要であるトリガー遅延のために非常に小さな力率を有している。間接コンバータも、直流電流のチョッピングのために必要である安全角度および磁化電力のために低減された力率を有している。

全体として専ら自然の転流が行われる作動法によって次の利点が生じる：
（１） サイクロコンバータに関して：
・ コンバータの力率は０．７ではなくてほぼ１であるので、入力電力、構成素子の電力および損失電力が低減されている。
・ 改善された力率に無関係に、新しい変換プロセスで生じる固有損失は係数２だけ小さくなり、従ってより軽くかつより安価な冷却システムが可能になる。
・ 出力周波数は入力周波数の１／３に制限されていない。
・ 制御エレクトロニクスは非常に簡単である。
（２） 間接ＡＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータに関して（スタチック周波数コンバータ、整流器／インバータ）：
・ 入力側および出力側の力率は同じであるので、構成部品の入力電力および出力電力は最小化されている。
・ 作動は完全に可逆的である。
・ エネルギーは一時的に蓄積されず、このことはコストおよび損失の削減に役立つ。
・ 脈動するトルクは生じず、ほんの僅かな量の高調波しか生じず、しかもチョッピングされる直流電流が原因の、入力側における電力低下は生じない。
・ 損失電力は僅かである。

マトリクスコンバータ１０に接続されている同期機器はモータとしても発電機としても作動することができる。それはモータ作動から発電機作動に切り換えかつこうしてスタータモータとして動作することができる。進み作動も遅れ作動も制御方法の変更なしに可能である。電圧が発電機の励磁によって決定されかつ周波数の制御が発電機１１とコンバータの間に分割されているという独自の作動も可能である。

それにも拘わらず、上に既に述べたように、この形式のマトリクスコンバータは周波数の変換しか許容せず、かつ電圧の制御のために使用することができない。しかし回転子をモータとして使用して回転子を始動するために、速度が低い場合には、この形式のマトリクスコンバータでは使用することができない本当の電圧変調が必要である。このよく知られたスタートアップ問題は、回転する電気機器が非常に弱い電気的な抵抗のために殆ど純然たるインダクタンスになることから生じる。相応に、インピーダンスは多かれ少なかれ回転速度に比例している。停止状態においてこの形式の回転機器は殆ど短絡となりかつ印加される電圧は低減されるべきである。定格速度の大部分まで、印加される電圧は回転速度に比例していなければならない（一定のＶ／ｆルール）。電圧制御は、回転速度が定格速度の２０ないし３０％より上に来るや否やもはや必要ない。この条件がサイクロコンバータの周波数領域と完全に一致し、サイクロコンバータの出力周波数が電源（電源回路網）の周波数の１／３に制限されているように実現することが非常に重要である。

相応に、マトリクスコンバータ（図１参照）のアーキテクチャを図２のサイクロコンバータのよく知られているアーキテクチャと比較してみたい。

スイッチの数は両方の場合とも同じである。唯一のトポグラフィーの差異は回転機器のスター結線にある。

図１および図２に示されているような作動法を考慮すると、電流パスも相当類似している。これらの図においてマトリクスコンバータ（図１）およびサイクロコンバータ（図２）における類似のパスは太いラインで示されていて、これら２つのトポロジーにとって実際に同じパスが見つけられるように図示されている。しかしマトリクスコンバータモードからサイクロコンバータモードへの切換を許容するにはどのような仕方が可能であるかという問題が残る。

図３には、６つの発電機相および３つの主電源相に対してある作動モードから別の作動モードへの切換を許容するために僅か２つの付加的なスイッチだけが必要であることを示している。図３のａ）はマトリクスコンバータがマトリクスコンバータモードで作動されるときの条件を図１に示されているように６相配置構成においておよび１つの共通の浮遊アース２５を有しているものとして示している。図３のｂ）には、マトリクスコンバータの、サイクロコンバータモードへの逆の（「リバース」）作動法を許容するために必要である２つのスイッチＳ１およびＳ２が示されている。相応に図３に示されていることは、ある作動モードから別の作動モードへ切り換えるために僅か２つの付加的なスイッチしか必要でないことを示すものである。

これら２つのスイッチのインプリメンテーションは図４の略図において示されている。換言すると、２つの作動モード間の切換を許容するために、単純に２つの（または別の数の相の場合にはそれ以上の数の）スイッチが固定子巻線に設けられて、浮遊アース２５の分離が実現されるようにすることが必要である。浮遊アース２５はマトリクスコンバータモードのためには必要であるが、サイクロコンバータとしての作動モードに対してはサブグループＡ，Ｂ，Ｃへの分離が必要である。これらスイッチは機械的スイッチでも固体スイッチでもよい。スイッチはサイクロコンバータモードに対してはオープンでなければならず、かつマトリクスコンバータモードに対してはスイッチは浮遊アース２５を形成して単純に閉じられる。

提案された解決法の利点：
・ 提案された解決法の第１の利点は、小さな変更だけが必要であること、すなわちマトリクスコンバータの通常の作動法および所属のハードウェアは殆ど変わらないという点にある。
・ 別の利点は、サイクロコンバータモードは当業者にはよく知られており、かつこの作動のためには原理的にこれ以上の開発は必要でない（サイクロコンバータの作動をテーマとした一般的な情報のためには例えば次の文献が参考になる：Thomas H. Barton：Rectifiers, Cycloconverters and AC Controllers, Clarendon Press, Oxford, 1984、殊にその中の第４２０ないし４７８頁）点にある。
・ 更に切換のための付加的な手段に対する強制的な要求がない。その際機械的スイッチでもよいし、固体スイッチでもよい。

スイッチのスイッチング電力は非常に低い。スイッチは通例、電圧および電流が零であるときの停止状態において開放している。スイッチは、サイクロコンバータモードが終了するや否や閉じられる。マトリクスコンバータモードからサイクロコンバータモードに戻し切り換えしなければならないとき、コンバータのすべてのスイッチをスイッチオフして、数ミリ秒内にすべての電流が遮断されるようにすることができる。

言い換えると、安価でしかも信頼性のある解決法である。

そこでこの形式のマトリクスコンバータをユニットの始動のために使用する、すなわち発電機をモータとして使用しようとする場合、次のことが留意されるべきである：
電源回路が約５０Ｈｚの周波数を有していることから出発すると、始動の際実質的にリニヤに増加する仕方で（Ｖ／ｆルール）約１０ないし１５Ｈｚまで電圧が調整されなければならない。このことは、上で説明したように、マトリクスコンバータがマトリクスコンバータモードにおいて作動されるときは実施することができない。それは電圧制御が可能ではないからである。他方においてサイクロコンバータは、同様に上に説明したように、電圧制御およびこの場合は上に挙げた５０Ｈｚによって決められている電源回路の１／３までの周波数の変換を可能にする。相応に、電源回路が主電源として使用されるとき、約１６Ｈｚの周波数までのサイクロコンバータモードが可能であり、これは、比較的高い周波数に対して電圧制御は必要なく、かつ回転子をマトリクスコンバータによってマトリクスコンバータモードにおいて作動することができるという理由から今日の状況に完璧に適合する。言い換えると、両方の作動モード、すなわちマトリクスコンバータモードおよびサイクロコンバータモードは発電機の始動に相互に理想的に適合している。というのは、サイクロコンバータモードは理想的には電源周波数の１／３までしか可能ではなくかつ同時にこの領域において電圧制御を許容し、一方より高い周波数に対して発電機の駆動は電圧制御によって実施する必要はなく、これによりマトリクスコンバータモードが可能であるからである。冒頭に述べたスイッチング手段を使用することができる場合には、始動のための別個に必要とされる構成部分はなくなり、これにより大幅な節約が可能である。

相応に、始動のために次のストラテジーが提案される：
マトリクスコンバータは定格速度の２０ないし３０％までサイクロコンバータとして作動される。この速度は常にまだ、ガスタービンが実際に出力を生成する速度の下方にある。定格速度の２０％ないし３０％から５０％または更に１００％まではマトリクスコンバータは単に、周波数制御だけが可能である通常の作動モードにおいて運転することができる。

完全に自然な転流に使用することができるような、６つの入力相と３つの出力相とを有しているマトリクスコンバータによる転流の略図 有利な実施例である、３つの入力相と３つの出力相とを有しているサイクロコンバータの回路接続の略図 位相接続を２つの作動モードにおいて示す略図 マトリクスコンバータをサイクロコンバータモードで作動するための手段を備えている、始動すべき発電機の６つの相に接続されているマトリクスコンバータの略図

符号の説明

１０ マトリクスコンバータ
１１ 発電機
１２ 負荷／主電源（作動モードに応じて）
１３ 電力部
１４ スイッチ（双方向）
１５ 電流測定装置
１６ 電圧測定装置
１７ 制御部（制御ユニット）
１８ 時計
１９ 制御線路
２０〜２２ 信号線路
２３ サイクロコンバータ
２４ 固定子の巻線
２５ 浮遊アース
Ｇ１〜Ｇ６ 相（発電機）
Ｌ１〜Ｌ３ 相（負荷／主電源、作動モードに応じて）
Ｓ スイッチ
Ｓ１，Ｓ２ サイクロコンバータモードをスイッチオンもしくはスイッチオフするための固定子側のスイッチ

Claims (12)

1. マトリクスコンバータ（１０）はそれが発電機（１１）のｍ個の相（Ｇ１，…，Ｇ６）を有する交番電圧から回路網に接続されている負荷（１２）のｎ個（ｎ＜ｍ）の相（Ｌ１，…，Ｌ３）を有する交番電圧に変換するように作動されるとき、前記負荷（１２）のｎ個の相を交番的に、（ｍ×ｎ）のマトリクスに配置されている多数の制御可能な双方向スイッチ（１４）に接続し、ここで発電機（１１）のｎ個の相は常に負荷（１２）に接続されており、一方発電機（１１）の（ｍ−ｎ）個の相は負荷（１２）に接続されていない
   という形式のマトリクスコンバータの作動方法において、
   マトリクスコンバータ（１０）を前記回路網（１２）を介して使用可能な電力を使用してサイクロコンバータモードにおいて作動し、ここで発電機のｍ個の相（Ｇ１，…，Ｇ６）の群は相応のサブ群（Ａ，Ｂ，Ｃ）に分割される
   ことを特徴とする方法。
2. マトリクスコンバータはそれが発電機（１１）から負荷（１２）へエネルギー変換するように作動されるとき、周波数の調整のみを許容し、電圧の調整は許容しない
   請求項１記載の方法。
3. マトリクスコンバータはそれが発電機（１１）から負荷（１２）へエネルギーを変換するように作動されるとき、発電機（１１）の選択されている接続されている相（Ｇｋ）から発電機（１１）の選択されている接続されているない相（Ｇｌ）への切り換えのみを許容し、その結果自然の転流だけが発生するようにする
   請求項１または２記載の方法。
4. 発電機は６つの相（Ｇ１，…，Ｇ６）を有し、
   負荷（１２）は３つの相を有し、かつ
   サイクロコンバータモードのために６つの相は３つのサブ群（Ａ：Ｇ１，Ｇ４；Ｂ：Ｇ２，Ｇ５；Ｃ：Ｇ３，Ｇ６）に分割されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 双方向スイッチ（１４）として、逆並列サイリスタを使用する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法の、発電機（１１）の始動のための使用。
7. 発電機（１１）の定格速度の２０ないし３０％まで、マトリクスコンバータ（１０）をサイクロコンバータモードで作動し、一方発電機（１１）の定格速度の２０ないし３０％から相応に引き続いて５０％までまたは１００％までも、マトリクスコンバータを遮断されるサブ群（Ａ：Ｇ１，Ｇ４；Ｂ：Ｇ２，Ｇ５；Ｃ：Ｇ３，Ｇ６）なしに通常の作動モードにおいて作動する
   請求項６記載の使用。
8. 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法を実施するためのまたは請求項６または７のいずれか１項に記載の使用のためのマトリクスコンバータ（１０）であって、
   該マトリクスコンバータは（ｍ×ｎ）マトリクスに配置されている多数の双方向スイッチ（１４）を有しており、ここで制御部（１７）によって制御されるスイッチ（１４）はｍ個の入力側をｎ個の出力側に選択可能に接続する
   そういう形式のものにおいて、
   入力側の電流の極性を突き止めるための第１の手段（１５）が設けられており、かつ
   入力側間の電圧の極性を突き止めるための第２の手段（１６）が設けられており、かつ
   第１の手段および第２の手段（１５または１６）は制御部（１７）とアクティブに接続されている
   ことを特徴とするマトリクスコンバータ。
9. 前記スイッチ（１４）は制御部（１７）と信号線路（２０）に接続されており、該信号線路（２０）を介してスイッチ（１４）の切換状態に関する情報が制御部（１７）に伝送される
   請求項８記載のマトリクスコンバータ。
10. 双方向スイッチ（１４）は逆並列に接続されたサイリスタを有している
    請求項８または９記載のマトリクスコンバータ。
11. 請求項８から１０までのいずれか１項記載の少なくとも１つのマトリクスコンバータ（１０）と、回転子および固定子を有している少なくとも１つの発電機（１１）とを有している発電機ユニットにおいて、
    サイクロコンバータモードをスイッチオンするために、固定子の巻線に相応のサブ群（Ａ，Ｂ，Ｃ）に分割するためのスイッチが設けられている
    ことを特徴とする発電機ユニット。
12. 請求項４記載の方法を実施するための請求項１０記載の発電機において、
    ２つのスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）が配置されており、該スイッチは固定子の巻線の浮遊アース（２５）を通常のマトリクスコンバータモードのために接続するのを可能にしかつ該浮遊アース（２５）を３つの接続されていないサブ群（Ａ，Ｂ，Ｃ）に分離するのを可能にし、ここで該サブ群のそれぞれは２つの発電機相を有している
    ことを特徴とする発電機。

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