デュアルコンバーターの概要

前のチュートリアルでは、デュアル電源回路がどのように設計されているかを見てきましたが、今度は、ACをDCに、DCをACに同時に変換できるデュアルコンバータについて学びます。名前が示すように、デュアルコンバーターには2つのコンバーターがあり、1つのコンバーターは整流器として機能し（ACをDCに変換）、もう1つのコンバーターはインバーターとして機能します（DCをACに変換します）。上の図に示すように、両方のコンバーターは共通の負荷で背中合わせに接続されています。整流器とインバーターの詳細については、リンクをたどってください。

なぜデュアルコンバーターを使用するのですか？1つのコンバーターだけが負荷を供給できるのなら、なぜ2つのコンバーターを使用するのでしょうか。これらの質問が発生する可能性があり、この記事で答えが得られます。

ここでは、2つのコンバーターが背中合わせに接続されています。このタイプの接続により、このデバイスは4象限動作用に設計できます。これは、負荷電圧と負荷電流の両方が可逆的になることを意味します。デュアルコンバーターではどのように4象限動作が可能ですか？これについては、この記事で詳しく説明します。

一般に、デュアルコンバーターはリバーシブルDCドライブまたは可変速DCドライブに使用されます。ハイパワーアプリケーションに使用されます。

デュアルコンバータの4象限動作

第1象限：電圧と電流の両方が正です。

第2象限：電圧は正で、電流は負です。

第3象限：電圧と電流の両方が負です。

第4象限：電圧は負で、電流は正です。

これらの2つのコンバーターのうち、最初のコンバーターは、発射角度αの値に応じて2つの象限で機能します。このコンバータは、αの値が90°未満の場合に整流器として機能します。この動作では、コンバータは正の平均負荷電圧と負荷電流を生成し、第1象限で動作します。

αの値が90°より大きい場合、このコンバータはインバータとして機能します。この動作では、コンバータは負の平均出力電圧を生成し、電流の方向は変更されません。そのため、負荷電流は正のままです。第1象限操作では、エネルギーはソースから負荷に転送され、第4象限操作では、エネルギーは負荷からソースに転送されます。

同様に、2番目のコンバーターは、点火角度αが90°未満の場合は整流器として動作し、点火角度αが90°を超える場合はインバーターとして動作します。このコンバータが整流器として動作する場合、平均出力電圧と電流は両方とも負になります。したがって、第3象限で動作し、電力の流れは負荷から電源になります。ここでは、モーターが逆方向に回転します。このコンバータがインバータとして動作する場合、平均出力電圧は正で、電流は負です。したがって、第2象限で動作し、電力の流れは負荷から電源になります。

電力の流れが負荷から電源への場合、モーターは発電機のように動作し、これにより回生ブレーキが可能になります。

原理

デュアルコンバータの原理を理解するために、両方のコンバータが理想的であると仮定します。これは、純粋なDC出力電圧を生成し、出力端子にリップルがないことを意味します。デュアルコンバータの簡略化された等価図は、次の図に示すとおりです。

上記の回路図では、コンバータは制御可能なDC電圧源として想定されており、ダイオードと直列に接続されています。コンバーターの点火角度は、制御回路によって調整されます。したがって、両方のコンバータのDC電圧は大きさが等しく、極性が反対です。これにより、負荷を逆方向に電流を流すことができます。

整流器として動作するコンバーターは正のグループコンバーターと呼ばれ、インバーターとして動作する他のコンバーターは負のグループコンバーターと呼ばれます。

平均出力電圧は、点火角度の関数です。単相インバータ、三相インバータの場合、平均出力電圧は以下の式になります。

E _DC1 = E _maxのCos⍺ ₁ E _DC2 = E _maxのCos⍺ ₂

ここで、α ₁及びα _2は、それぞれコンバータ1とコンバータ2の点弧角です。

単相デュアルコンバーターの場合、

E _max = 2E _m /π

三相デュアルコンバーターの場合、

E_最大=3√3E_メートル/π

理想的なコンバーターとしては、

E _DC = E _DC1 = -E _DC2 E _maxのCos⍺ ₁ = -E_最大Cos⍺ ₂ Cos⍺ ₁ =-Cos⍺ ₂ Cos⍺ ₁ =コス（180⁰ - ⍺ ₂） ⍺ ₁ =180⁰ - ⍺ ₂ ⍺ ₁ + ⍺ ₂ =180⁰

上で説明したように、平均出力電圧は点火角度の関数です。これは、必要な出力電圧に対して、点火角度を制御する必要があることを意味します。点弧角制御回路は、制御信号Eが、ように使用することができる_Cの角度αを焼成変更、₁及びα _2は、それがグラフの下に満足するように変化します。

実用的なデュアルコンバーター

実際には、両方のコンバーターを理想的なコンバーターと見なすことはできません。コンバータの点弧角が⍺ように設定されている場合₁ +⍺ ₂ =180⁰。この状態では、両方のコンバータの平均出力電圧は、大きさが同じですが、極性が反対です。しかし、リップル電圧のため、正確に同じ電圧を得ることができません。だから、巨大生じる2つのコンバータの直流端子における瞬時電圧差が存在するC irculating電流負荷を通って流れ、変換器との間には。

したがって、実際のデュアルコンバータでは、循環電流を制御する必要があります。循環電流を制御するための2つのモードがあります。

1）循環電流なしの運転

2）循環電流での運転

1）循環電流なしのデュアルコンバータ動作

このタイプのデュアルコンバータでは、1つのコンバータのみが導通しており、別のコンバータが一時的にブロックされています。したがって、一度に1つのコンバーターが動作し、コンバーター間にリアクターは必要ありません。特定の瞬間に、コンバーター1が整流器として機能し、負荷電流を供給しているとします。この瞬間、コンバーター2は発射角度を取り除くことによってブロックされます。反転動作の場合、コンバータ1はブロックされ、コンバータ2は負荷電流を供給しています。

コンバータ２へのパルスは、遅延時間の後に適用される。遅延時間は約10〜20ミリ秒です。なぜ営業変更の間に遅延時間を適用するのですか？サイリスタの信頼性の高い動作を保証します。コンバーター1が完全にオフになる前にコンバーター2がトリガーされると、コンバーター間に大量の循環電流が流れます。

デュアルコンバータの循環電流のない動作のための点火角度を生成するための多くの制御方式があります。これらの制御方式は、非常に高度な制御システムを操作するように設計されています。ここでは、一度に1つのコンバータのみが導通しています。したがって、1つの発射角度単位のみを使用することが可能です。いくつかの基本的なスキームを以下に示します。

A）制御信号の極性によるコンバータの選択

B）負荷電流極性によるコンバータの選択

C）制御電圧と負荷電流の両方によるコンバータの選択

2）循環電流によるデュアルコンバータ動作

循環電流変換器がない場合、非常に高度な制御システムが必要であり、負荷電流は連続的ではありません。これらの困難を克服するために、循環電流で動作できるデュアルコンバータがあります。限流リアクトルは、両方のコンバータの直流端子間に接続されています。両方のコンバーターの点火角度は、最小量の循環電流が反応器を流れるように設定されます。理想的なインバータで論じたように⍺場合、循環電流はゼロである₁ +⍺ ₂ =180⁰。

コンバーター1の発射角度が60°であるとすると、コンバーター2の発射角度は120°に維持する必要があります。この動作では、コンバーター1は整流器として動作し、コンバーター2はインバーターとして動作します。したがって、このタイプの操作では、一度に両方のコンバーターが導通状態になります。負荷電流を逆にすると、整流器として動作するコンバーターがインバーターとして動作し、インバーターとして動作するコンバーターが整流器として動作するようになります。このスキームでは、両方のコンバータが同時に導通します。したがって、2つの発射角度ジェネレータユニットが必要です。

この方式の利点は、反転時にコンバータのスムーズな動作が得られることです。スキームの時間応答は非常に高速です。循環電流のない動作を排除した場合、通常の遅延時間は10〜20ミリ秒です。

このスキームの欠点は、リアクターのサイズとコストが高いことです。循環電流のため、力率と効率は低くなります。循環電流を処理するには、定格電流の高いサイリスタが必要です。

負荷の種類に応じて、単相および三相のデュアルコンバータが使用されます。

1）単相デュアルコンバーター

デュアルコンバータの回路図を下図に示します。別途励磁されるDCモーターを負荷として使用します。両方のコンバータのDC端子は、電機子巻線の端子に接続されています。ここでは、2つの単相フルコンバータが背中合わせに接続されています。両方のコンバーターは共通の負荷を供給します。

コンバータ-1の点弧角をαと₁とα ₁未満90˚です。したがって、コンバータ-1は整流器として機能します。正の半サイクル（0 <t <π）の場合、サイリスタS1とS2が導通し、負の半サイクル（π<t <2π）の場合、サイリスタS3とS4が導通します。この動作では、出力電圧と電流の両方が正です。したがって、この操作は順方向モーター操作と呼ばれ、コンバーターは第1象限で動作します。

α -コンバータ-2の点弧角が180である₁ =α ₂及びα _2は90˚よりも大きいです。したがって、converter-2はインバーターとして機能します。この動作では、負荷電流は同じ方向のままです。出力電圧の極性は負です。したがって、コンバーターは第4象限で機能します。この操作は回生ブレーキとして知られています。

DCモーターの逆回転の場合、コンバーター2は整流器として機能し、コンバーター1はインバーターとして機能します。コンバータ-2αの点弧角₂未満90˚です。代替電圧源が負荷に供給します。この動作では、負荷電流は負であり、出力平均電圧も負です。したがって、コンバータ2は第3象限で動作します。この操作は、リバースモーターとして知られています。

逆の操作では、コンバーター1の点火角度は90°未満であり、コンバーター2の点火角度は90°より大きい。したがって、この動作では、負荷電流は負ですが、平均出力電圧は正です。したがって、converter-2は第2象限で機能します。この操作は、逆回生ブレーキとして知られています。

単相デュアルコンバータの波形は下図のようになります。

2）三相デュアルコンバーター

三相デュアルコンバータの回路図は下図のようになります。ここでは、2つの三相コンバータが背中合わせに接続されています。動作原理は単相デュアルコンバータと同じです。

したがって、これがデュアルコンバータの設計方法であり、すでに述べたように、高電力アプリケーションでリバーシブルDCドライブまたは可変速度DCドライブを構築するために一般的に使用されます。