JP2013183571A - 電力変換装置並びにそれを備えた圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫 - Google Patents

電力変換装置並びにそれを備えた圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫 Download PDF

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Abstract

【課題】電流検出器によって直接検出できない電流を、電流検出器によって検出することができる電流に基づいて、演算して検出することを可能とすることによって、実装面積の縮小及び低コスト化を図る。
【解決手段】コンバーターにおけるスイッチング素子5の状態によって、流れる電流の経路が変わることを利用して、リアクター電流i1及びコンデンサー電流i5から、電流検出部で直接検出できないインバーター8に流れる負荷電流i4を演算により検出する。
【選択図】図2

Description

本発明は、電力変換装置並びにそれを備えた圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫に関する。
空気調和機等の冷凍サイクルを備えた装置において、圧縮機及びファン等に使用しているモーターを省エネのためインバーターで駆動する方式が主流となっている。この方式によれば、交流をコンバーターで一旦直流に変換し、この直流をインバーターによって任意の電圧の大きさ及び周波数を有する交流に変換してモーターを駆動することにより、モーターを高効率で運転することができる。
また、近年では、さらなる省エネ性を追求して、インバーターの入力側に昇圧回路を設け、コンバーターにおいて整流出力をその昇圧回路によって昇圧させ、インバーターに入力させるようにした空気調和機が提案されている。この種の昇圧回路を用いた空気調和機における制御装置は、直流電圧を昇圧してインバーターに入力させることによってインバーターの出力電圧範囲を拡大させ、その出力電圧範囲に応じてモーター設計を最適化することにより、省エネを可能としている。
上記のような空気調和機における過電流検出手段として、例えば、「入力電流、スイッチング素子に流れる電流、及び、負荷電流を検出し、それらの電流が過電流であるときに、整流回路における自己消弧可能な整流素子の導通を遮断する異常判定部とを備え」たものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−014155号公報(第4頁、図1)
しかしながら、特許文献1に記載された空気調和機の電源回路は、入力電流、スイッチング素子に流れる電流、及び、負荷電流を検出するそれぞれの電流検出器を配置する必要があり、実装面積の増加及びコストアップを招くという問題点がある。
また、任意の箇所に電流検出器を配置するためには、整流器及びスイッチング素子等の各素子をディスクリート品で構成したほうが安易に設計できるが、この場合、部品点数が増加し、実装面積の増加及びコストアップを伴う等の問題点がある。
また、ディスクリート品については、ディスクリート品同士を基板上で配線を行う必要があり、大電流の流れる箇所でのパターン配線となる。したがって、実装面積の増加及びパターンの複雑化を伴い、コストアップ及び回路の大型化を伴い、さらに、配線長も長くなるため、配線インダクタンスによるサージ電圧の発生の原因となるという問題点もある。
また、安価に構成できるシャント抵抗のような電流検出器を主回路の大電流が流れる場所に配置した場合、損失が大きくなるという問題点がある。また、シャント抵抗ではない電流検出器を用いた場合でも、主回路においては定格の大きいものを使う必要があるためコストアップになるという問題点がある。
また、上記のような問題点を低減することを図るものとして、整流器及びスイッチング素子を同一パッケージ内に構成したモジュールがある。しかし、安価な市販のモジュールでは、電流検出器を接続するための端子が限られており、電流検出器を任意の位置に配置することができず、実装スペースが限られるという問題点があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第1の目的は、電流検出器によって直接検出できない電流を、電流検出器によって検出することができる電流に基づいて、演算して検出することを可能とすることによって、実装面積の縮小及び低コスト化を図ることである。
また、第2の目的は、大きな電流が流れる主回路ではない回路に電流定格の小さい電流検出器を配置することによって、低コスト化を図ることである。
また、第3の目的は、電流検出器によって直接検出することができない電流を検出可能とし、その電流が流れる部品について過電流保護を図ることである。
そして、第4の目的は、整流器及びスイッチング素子等が同一のパッケージ内に構成されたモジュールを用いて小型化を図り、そのモジュールを用いた場合においても、モジュール内部の検出した電流を検出することを可能とすることである。
本発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に整流する整流器と、リアクター、逆流防止素子、スイッチング素子及び平滑コンデンサーから構成され、前記整流器の出力電圧を変化させ、その変化させた電圧が前記平滑コンデンサーによって平滑されるチョッパー回路とを備えたコンバーターと、該コンバーターから出力された直流電圧を高周波電圧に変換し、該高周波電圧をモーターに印加して回転駆動させるインバーターと、回路電流を検出する複数の電流検出器と、該電流検出器によって検出された電流から、該電流検出器が設置されていない箇所であって該電流検出器によって直接電流を検出できない箇所の電流である演算対象電流を前記スイッチング素子の動作状態によって演算を切り替えて検出する演算手段と、を備えたものである。
本発明によれば、電流検出器によって検出できる電流によって、電流検出器によって直接検出できない電流の検出が可能となり、実装面積の縮小及び低コスト化を実現できる。
本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成図である。 本発明の実施の形態1に係る電力変換装置における電流の流れを示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電力変換装置において負荷電流の検出方法及びその異常判定動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係る電力変換装置においてスイッチング素子5の状態と、リアクター電流i1及びコンデンサー電流i5との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構成図である。 本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の別形態の構成図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和機の構成図である。 本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成図である。 本発明の実施の形態3に係る冷蔵庫の構造図である。
実施の形態1.
(電力変換装置の構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成図である。
図1で示されるように、三相の交流電圧を供給する交流電源1は、その交流電圧を全波整流する整流器3に接続されている。この整流器3の出力側には、リアクター4とMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子5との直列回路が並列に接続されており、そのうちリアクター4が整流器3の正極側に、そして、スイッチング素子5(スイッチング素子5がMOSFETである場合、そのソース側)が整流器3の負極側に接続されている。また、リアクター4とスイッチング素子5との接続部は、ダイオード等の逆流防止素子6を介してインバーター8の正極の入力側に接続され、整流器3の負極の出力側は、インバーター8の負極の入力側に接続されている。この逆流防止素子6は、リアクター4からインバーター8の入力側にのみ電流が流れるように設置されている。また、インバーター8の入力側には、電解コンデンサー等である平滑コンデンサー7が並列に接続されている。そして、インバーター8の出力側には、三相のモーター10が接続されている。
本実施の形態に係る電力変換装置を構成する上記の各部品のうち、リアクター4、スイッチング素子5、逆流防止素子6及び平滑コンデンサー7によって、整流器3から出力される整流電圧(直流電圧)を昇圧する昇圧チョッパー回路が構成される。また、この昇圧チョッパー回路及び整流器3によって、交流電源1から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバーターが構成される。このとき、平滑コンデンサー7の両端電圧が、コンバーターの出力電圧となる。
整流器3は、交流電源1から供給される交流電圧を全波整流して直流電圧に変換するものである。図1で示される交流電源1は三相交流電源であるので、整流器3は、例えば、6つの整流用ダイオードが接続された構成となっている。
なお、交流電源1は三相交流電源であることに限定されるものではなく、二相交流電源でもよい。この場合、整流器3は、例えば、4つの整流用ダイオードを接続して構成するものとすればよい。
インバーター8は、コンバーターから出力される直流電圧を高周波電圧に変換し、その高周波電圧をモーター10に印加して駆動するものである。
また、本実施の形態に係る電力変換装置は、電流検出器9a〜9d、電圧検出手段11、コンバーター制御手段12、インバーター制御手段13及び過電流保護手段14を備えている。
電流検出器9aは、リアクター4を流れる電流(図2において後述するリアクター電流i1)を検出するものであり、検出した電流値をコンバーター制御手段12及び過電流保護手段14へ送信する。
電流検出器9bは、平滑コンデンサー7に流れる電流(図2において後述するコンデンサー電流i5)を検出するものであり、検出した電流値を過電流保護手段14へ送信する。
電流検出器9c、9dは、モーター10に流れるモーター電流を検出するものであり、検出したモーター電流値をインバーター制御手段13へ送信する。
電圧検出手段11は、インバーター8に入力される直流電圧(平滑コンデンサー7の両端電圧)を検出するものであり、検出した電圧値をコンバーター制御手段12へ送信する。
コンバーター制御手段12は、電流検出器9aによって検出された電流値、及び、電圧検出手段11によって検出された電圧値に基づいて、スイッチング素子5へON/OFF動作させるための駆動信号を出力する。このように、コンバーター制御手段12によって、スイッチング素子5のON/OFF動作が制御されることによって、整流器3から出力した直流電圧が昇圧される。
インバーター制御手段13は、電流検出器9c、9dによって検出されたモーター電流値に基づいて、インバーター8を構成するスイッチング手段(図示せず)を駆動するための駆動信号を出力する。
過電流保護手段14は、マイコン等によって構成され、後述するように、電流検出器9a、9bによって検出された電流値、又は、それに基づく演算値が異常を示す場合、コンバーター制御手段12及びインバーター制御手段13の動作を停止させるため、それぞれに停止信号を出力するものである。
また、上記の各部品のうち、整流器3、スイッチング素子5、逆流防止素子6及びインバーター8は、同一パッケージ内に構成されてモジュール化され、複合モジュール2が形成している。複合モジュール2は、複合モジュール2の外部の各部品が、複合モジュール2内の回路に接続するための接続端子を備えている。複合モジュール2は、その接続端子として、入力端子20a〜20c、出力端子21a〜21c、及び、汎用端子22a、22b、23a、23b、24a、24bを備えている。
入力端子20a〜20cは、交流電源1と、複合モジュール2内の整流器3の入力側との接続を中継するものである。
出力端子21a〜21cは、モーター10と、複合モジュール2内のインバーター8の出力側との接続を中継するものである。
汎用端子22aは、複合モジュール2内の整流器3の正極の出力側に接続するための端子である。
汎用端子22bは、複合モジュール2内におけるスイッチング素子5と逆流防止素子6との接続部に接続するための端子である。
この汎用端子22aと汎用端子22bとの間は、電流検出器9aとリアクター4との直列回路によって接続されている。
汎用端子23aは、複合モジュール2内の整流器3の負極の出力側に接続するための端子である。
汎用端子23bは、複合モジュール2内におけるスイッチング素子5とインバーター8との接続部に接続するための端子である。
この汎用端子23aと汎用端子23bとの間は、図1においては短絡されている。具体的には、汎用端子23aと汎用端子23bとの間をジャンパー線等によって短絡するものとすればよい。
汎用端子24aは、複合モジュール2内のインバーター8の正極の入力側に接続するための端子である。
汎用端子24bは、複合モジュール2内のインバーター8の負極の入力側に接続するための端子である。
この汎用端子24aと汎用端子24bとの間は、電流検出器9bと平滑コンデンサー7との直列回路によって接続されている。
また、図1において図示していないが、複合モジュール2は、電圧検出手段11がインバーター8の入力電圧を検出するための端子、コンバーター制御手段12がスイッチング素子5を駆動するための駆動信号用の端子、及び、インバーター制御手段13がインバーター8を駆動するための駆動信号用の端子を有している。
以上のように、図1で示される各部品のうち、交流電源1及びモーター10を除いた部品で構成される回路構成が、本実施の形態に係る電力変換装置に相当する。
なお、スイッチング素子5は、MOSFET等としているが、MOSFETに限定されるものではなく、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のその他のスイッチング素子でもよい。
また、上記の複合モジュール2内のコンバーター内に昇圧チョッパー回路が構成されているものとしているが、これに限定されるものではなく、昇圧チョッパー回路に代えて、降圧チョッパー回路、昇降圧チョッパー回路、又は、昇圧チョッパー回路及び降圧チョッパー回路の組み合わせ等によって構成するものとしてもよい。また、コンバーターは、リアクター4、スイッチング素子5及び逆流防止素子6を備えず、整流器3及び平滑コンデンサー7によって構成されるものとしてもよい。
また、図1で示されるように、リアクター電流i1を検出する電流検出器9aは、汎用端子22aと汎用端子22bとの間に接続されるものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、電流検出器9aは、リアクター電流i1を検出することができる位置に設置されればよく、例えば、汎用端子23aと汎用端子23bとの間に接続される構成としてもよい。
また、図1で示されるように、コンデンサー電流i5を検出する電流検出器9bは、汎用端子24aと平滑コンデンサー7との間に接続されるものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、電流検出器9bは、コンデンサー電流i5を検出することができる位置に設置されればよく、例えば、平滑コンデンサー7と汎用端子24bとの間に接続される構成としてもよい。
(電力変換装置の基本動作)
図2は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置における電流の流れを示す図である。なお、図2においては、本実施の形態に係る電力変換装置内に流れる電流を示すために必要な構成のみを図示しており、電流の流れを分かりやすくするため、当該電力変換装置の各部品の符号を略している。以下、図1及び図2を参照しながら、本実施の形態に係る電力変換装置の基本動作について説明する。
交流電源1から供給される交流電圧は、整流器3によって全波整流され、その整流電圧は、昇圧チョッパー回路に入力される。
昇圧チョッパー回路は、コンバーター制御手段12による駆動信号によって制御されるスイッチング素子5のON/OFF動作によって、整流器3からの整流電圧を昇圧させる。具体的には、スイッチング素子5がON状態の場合、リアクター4には、整流器3の整流電圧が印加されることにより、リアクター4に電流が流れ、リアクター4にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子5がOFF状態になると、リアクター4に蓄積されたエネルギーによって、逆流防止素子6を介して負荷であるインバーター8側に電流が流れる。このように、コンバーター制御手段12によりスイッチング素子5のON/OFF動作のデューティー比が制御されることによって、昇圧チョッパー回路の出力電圧が変化する。
昇圧チョッパー回路によって昇圧された出力電圧は、平滑コンデンサー7によって平滑され、その平滑された直流電圧がコンバーターの出力電圧となり、この出力電圧は、インバーター8に入力される。インバーター8は、このコンバーターからの出力電圧を高周波電圧に変換し、その高周波電圧をモーター10に印加して回転駆動させる。
(負荷電流i4の検出方法及びその異常判定動作)
図3は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置において負荷電流の検出方法及びその異常判定動作を示すフローチャートであり、図4は、同電力変換装置においてスイッチング素子5の状態と、リアクター電流i1及びコンデンサー電流i5との関係を示すグラフである。以下、図1〜図4を参照しながら、負荷であるインバーター8に流れる電流である負荷電流i4の検出方法について説明する。
図2で示されるように、負荷電流i4の他、電流検出器9aによって検出され、リアクター4に流れる電流をリアクター電流i1、スイッチング素子5に流れる電流を電流i2、逆流防止素子6に流れる電流を電流i3、そして、電流検出器9bによって検出され、平滑コンデンサー7に流れる電流をコンデンサー電流i5と定義すると、以下の式(1)が得られる。
1=i2+i3=i2+i4+i5 (1)
上記の式(1)において、リアクター電流i1及びコンデンサー電流i5は、前述のように、それぞれ電流検出器9a及び電流検出器9bによって検出が可能である。ここで、コンバーターにおけるスイッチング素子5の状態によって、流れる電流の経路が変わることを利用して、電流検出部で直接検出できないインバーター8に流れる負荷電流i4を演算により検出(導出)する手順を説明する。
まず、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がON状態となっている場合、負荷であるインバーター8側に電流は流れない(すなわち、i3=0)ので、上記の式(1)から、下記の式(2)が導出される。
1=i2 (2)
また、i3=0であることから、下記の式(3)が導出される。
4=−i5 (3)
また、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がOFF状態となっている場合、スイッチング素子5には電流が流れない(すなわち、i2=0)ので、上記の(1)から、下記の式(4)が導出される。
4=i1−i5 (4)
このように、コンバーターのスイッチング素子5がON状態かOFF状態かによって、演算方法を切り替えることによって、負荷電流i4をはじめ、電流i1〜i5のいずれの電流の検出も可能となる。
次に、図3及び図4を参照しながら、負荷電流i4の検出動作及びその異常判定動作について説明する。
(S1)
過電流保護手段14は、電流検出器9aによって検出されたリアクター電流i1、及び、電流検出器9bによって検出されたコンデンサー電流i5を受信する。そして、過電流保護手段14は、図4で示されるように、コンデンサー電流i5が負の値を示す場合、スイッチング素子5がON状態であり、コンデンサー電流i5が正の値を示す場合、スイッチング素子5がOFF状態であると判定する。そして、ステップS2へ進む。
なお、過電流保護手段14は、コンデンサー電流i5に基づいて、スイッチング素子5のON/OFF状態を判定するものとしているが、これに限定されるものではなく、リアクター電流i1に基づいて判定するものとしてもよい。具体的には、過電流保護手段14は、図4で示されるように、リアクター電流i1が増加(すなわち、電流変化率が正)している場合、スイッチング素子5がON状態であり、リアクター電流i1が減少(すなわち、電流変化率が負)している場合、スイッチング素子5がOFF状態であると判定するものとすればよい。
また、過電流保護手段14は、上記のように、スイッチング素子5のON/OFF状態をコンデンサー電流i5又はリアクター電流i1の挙動によって判定しているが、これに限定されるものではない。すなわち、過電流保護手段14は、電圧検出手段11からスイッチング素子5のON/OFF動作に同期した駆動パルス信号を受信するものとし、この駆動パルス信号によって、スイッチング素子5のON/OFF状態を判定するものとしてもよい。
(S2)
過電流保護手段14が、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がON状態であると判定した場合、ステップS3へ進み、スイッチング素子5がOFF状態であると判定した場合、ステップS4へ進む。
(S3)
過電流保護手段14は、スイッチング素子5がON状態であるとして、受信したコンデンサー電流i5から上記の式(3)によって、負荷電流i4を演算して検出する。そして、ステップS5へ進む。
(S4)
過電流保護手段14は、スイッチング素子5がOFF状態であるとして、受信したリアクター電流i1及びコンデンサー電流i5から上記の式(4)によって、負荷電流i4を演算して検出する。そして、ステップS5へ進む。
(S5)
過電流保護手段14は、検出した負荷電流i4が所定の過電流閾値を超えているか否かを判定する。その判定の結果、負荷電流i4が過電流閾値を超えている場合、ステップS6へ進み、超えていない場合、処理を終了する。
(S6)
過電流保護手段14は、インバーター8に過電流が流れていると判定し、異常時処理を実行する。具体的には、過電流保護手段14は、インバーター8への直流電圧の供給を停止させるため、コンバーター制御手段12へ停止信号を出力し、その動作を停止させる。さらに、過電流保護手段14は、過電流に基づくインバーター8の動作を停止させるため、インバーター制御手段13へ停止信号を出力し、その動作を停止させる。そして、処理を終了する。これによって、インバーター8を保護することができる。
過電流保護手段14は、上記のステップS1〜ステップS6の処理を、所定時間ごとに実行する。また、過電流保護手段14は、電流検出器9aによって検出されたリアクター電流i1が、所定の過電流閾値を超えている場合、コンバーターに異常が発生していると判定し、コンバーター制御手段12の動作、又は、コンバーター制御手段12及びインバーター制御手段13の双方の動作を停止させるものとしてもよい。これによって、コンバーターを保護することができる。
(実施の形態1の効果)
以上の構成及び動作のように、コンバーターのスイッチング素子5のON/OFF動作に同期して、電流の演算方法を切り替えることにより、2つの電流検出器9a、9bによって検出できるリアクター電流i1及びコンデンサー電流i5によって、電流検出器によって直接検出できない負荷電流i4を加えた3箇所の電流の検出が可能となる。実際には、電流i2、i3について、前述のように、スイッチング素子5がON状態の場合には、i3=0、及び、i2=i1であり、スイッチング素子5がOFF状態の場合には、i2=0、及び、i3=i1(式(1)及び式(3)から導出)であるので、電流i1〜i5のすべてを検出することが可能となっている。これによって、複合モジュール2内の内部配線を短く結線でき、低ノイズ化を図ることができる。さらに、実装面積の縮小、複合モジュール2の小型化、及び、低コスト化を図ることができる。
また、上記のように、コンバーターのスイッチング素子5のON/OFF状態によって、直接検出できない負荷電流i4を導出することが可能となるので、この負荷電流i4によってインバーター8が異常であるか否かを判定することができる。また、電流検出器9aによって検出されたリアクター電流i1によってコンバーターが異常であるか否かを判定することもできる。したがって、コンバーター及びインバーター8の異常をそれぞれ判定することができるので、コンバーター及びインバーターの保護を独立に実施することが可能となるので信頼性が向上する。
また、図1で示されるような、コンバーター及びインバーター8を1つのモジュール内に構成した複合モジュール2の場合のように、端子が限られた数しか存在せず、また、必ずしも任意の箇所に電流検出器を配置できないモジュールに対しても、スペース的に配置しやすい個所に電流検出器を配置し、モジュール内部の検出したい電流(図1の場合、負荷電流i4)を検出することが可能である。
また、負荷電流i4を検出するために、主回路(整流器3の出力部又はインバーター8の入力部等)のように大電流が流れる場所に配置する必要があり、電流定格の大きな電流検出器を用いる必要性がありコストアップとなる。しかし、例えば、図1で示される電流検出器9bのように、平滑コンデンサー7の電流であるリプル電流は、主回路に流れる電流よりもはるかに小さいものであるので、電流定格の小さい電流検出器を用いることが可能となり、低コストで回路を構成することが可能となる。
また、前述の図4におけるステップS1のように、コンデンサー電流i5又はリアクター電流i1の挙動によって、スイッチング素子5のON/OFF状態を判定しているが、そのコンデンサー電流i5又はリアクター電流i1が図4で示されるグラフとは異なる意図しない挙動を示す場合、スイッチング素子5自体の動作不良を検出することが可能となり、さらなる信頼性の向上に寄与することになる。
なお、図1で示されるスイッチング素子5は、高速スイッチング動作が可能なワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものを使用するものとしてもよい。ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン(Si)素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体の総称であり、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)及びダイヤモンド素子が挙げられる。このような、ワイドバンドギャップ半導体によってスイッチング素子5を構成した場合、電流検出器が複合モジュール2に対して外付けであるため、周波数応答性のよい電流検出器を採用することができる。ただし、このようなワイドバンドギャップ半導体によってスイッチング素子5を構成した場合、高速スイッチングによるノイズの発生量が多くなり、電流検出器の誤検知の懸念がある。具体的には、一般的に、電流検出器として安価に構成できるシャント抵抗を用いて構成するが、大電流が流れる主回路に配置するため、損失が小さくなるように抵抗値の小さなものを用いる。しかし、低い抵抗値で保護をする必要があるため、ノイズの発生量が増加するワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、誤検知する懸念がある。ここで、前述のように、周波数応答性のよい電流検出器を採用することによって、精度よく電流を検出することができ、ノイズ耐力の信頼性を改善することができる一方で、大電流が流れる主回路に設置する場合、電流定格の大きなものを用いる必要があるためコストアップとなる。しかし、電流検出器9bについては、主回路に流れる電流より小さい平滑コンデンサー7に流れるリプル電流を検出するように構成することが可能で、電流検出器9bとして電流定格の小さなものを用いることができ、低価格、かつ、ノイズ耐力の信頼性を確保することができる。
また、本実施の形態に係る電力変換装置は、その駆動対象として、モーター10を駆動するものとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、誘導加熱調理器における加熱コイル、又は、放電灯等を駆動することにも適用できる。
また、過電流保護手段14は、本発明の「演算手段」に相当し、その過電流保護手段14によって演算により検出される負荷電流i4は、本発明の「演算対象電流」に相当する。
実施の形態2.
本実施の形態に係る電力変換装置について、実施の形態1に係る電力変換装置と相違する点を中心に説明する。
(電力変換装置の構成)
図5は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構成図である。なお、図5においては、電圧検出手段11、コンバーター制御手段12、インバーター制御手段13及び過電流保護手段14の図示を略して構成を記載している。
図5で示されるように、整流器3、スイッチング素子5、逆流防止素子6及びインバーター8が、同一パッケージ内に構成されてモジュール化され、複合モジュール2が形成されているのは実施の形態1に係る電力変換装置と同様である。この複合モジュール2は、複合モジュール2の外部の各部品が、複合モジュール2内の回路に接続するための接続端子を備えており、図5において図示していないが、入力端子20a〜20c、出力端子21a〜21c、及び、汎用端子22a、22b、23a、23b、24a、24bを備えている。本実施の形態における複合モジュール2は、さらに、汎用端子として、複合モジュール2内のコンバーターの正極の出力側に接続するための端子、及び、複合モジュール2内のインバーター8の正極の入力側に接続するための端子を備えている。
本実施の形態に係る電力変換装置においては、汎用端子24a(図5において図示せず)と汎用端子24b(図5において図示せず)との間は、平滑コンデンサー7を介して接続されている。また、前述のコンバーターの正極の出力側に接続するための端子と、インバーター8の正極の入力側に接続するための端子との間は、電流検出器9bを介して接続されている。したがって、電流検出器9aによってリアクター電流i1が検出され、電流検出器9bによって負荷電流i4が検出されることになる。
また、図5で示されるように、負荷電流i4を検出する電流検出器9bは、インバーター8における電流が流入する入力正極側に接続されるものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、電流検出器9bは、負荷電流i4を検出することができる位置に設置されればよく、例えば、インバーター8における電流が流出する入力負極側に接続される構成としてもよい。
(コンデンサー電流i5の検出方法及びその異常判定動作)
次に、図5を参照しながら、コンデンサー電流i5について説明する。
実施の形態1とは異なり、図5で電力変換装置においては、リアクター電流i1及び負荷電流i4については、それぞれ電流検出器9a及び電流検出器9bによって直接検出が可能であるが、コンデンサー電流i5については電流検出器によって直接検出できない。以下、コンバーターにおけるスイッチング素子5の状態によって、流れる電流の経路が変わることを利用して、電流検出部で直接検出できないコンデンサー電流i5を演算により検出(導出)する手順を説明する。
まず、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がON状態となっている場合、負荷であるインバーター8側に電流は流れない(すなわち、i3=0)ので、上記の式(2)が導出されるのは前述の通りである。また、i3=0であることから、下記の式(5)が導出される。
5=−i4 (5)
また、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がOFF状態となっている場合、スイッチング素子5には電流が流れない(すなわち、i2=0)ので、上記の(1)から、下記の式(6)が導出される。
5=i1−i4 (6)
このように、コンバーターのスイッチング素子5がON状態かOFF状態かによって、演算方法を切り替えることによって、電流検出器によって直接検出できないコンデンサー電流i5の検出が可能となり、このコンデンサー電流i5に基づいて、平滑コンデンサー7を保護することができる。具体的な、平滑コンデンサー7の異常判定動作については、実施の形態1における図3のフローチャートに準じる動作とすればよい。
(電力変換装置の別形態の構成)
図6は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の別形態の構成図である。なお、図6においては、電圧検出手段11、コンバーター制御手段12、インバーター制御手段13及び過電流保護手段14の図示を略して構成を記載している。
図6で示される電力変換装置においては、汎用端子24a(図6において図示せず)と汎用端子24b(図6において図示せず)との間は、電流検出器9bと平滑コンデンサー7との直列回路によって接続されている。また、前述のコンバーターの正極の出力側に接続するための端子と、インバーター8の正極の入力側に接続するための端子との間は、電流検出器9aを介して接続されている。したがって、電流検出器9aによって負荷電流i4が検出され、電流検出器9bによってコンデンサー電流i5が検出されることになる。
また、図6で示されるように、負荷電流i4を検出する電流検出器9aはインバーター8における電流が流入する入力正極側に接続されるものとし、コンデンサー電流i5を検出する電流検出器9bは平滑コンデンサー7の正極側に接続されるものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、前述と同様に、電流検出器9aは負荷電流i4を検出できる位置に設置されればよく、電流検出器9bはコンデンサー電流i5を検出できる位置に設置されればよいので、例えば、電流検出器9aについてはインバーター8における電流が流出する入力負極側に接続される構成としてもよく、電流検出器9bについては平滑コンデンサー7の負極側に接続される構成としてもよい。
(リアクター電流i1の検出方法及びその異常判定動作)
次に、図6を参照しながら、リアクター電流i1について説明する。
実施の形態1とは異なり、図6で電力変換装置においては、負荷電流i4及びコンデンサー電流i5については、それぞれ電流検出器9a及び電流検出器9bによって直接検出が可能であるが、リアクター電流i1については電流検出器によって直接検出できない。以下、コンバーターにおけるスイッチング素子5の状態によって、流れる電流の経路が変わることを利用して、電流検出部で直接検出できないリアクター電流i1を演算により検出(導出)する手順を説明する。
まず、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がON状態となっている場合、負荷であるインバーター8側に電流は流れない(すなわち、i3=0)ので、上記の式(2)が導出されるのは前述の通りである。ただし、電流i2は直接検出することができないので、スイッチング素子5がON状態となっている場合においては、リアクター電流i1を直接演算によって検出することができないことになる。
次に、コンバーターの動作状態として、スイッチング素子5がOFF状態となっている場合、スイッチング素子5には電流が流れない(すなわち、i2=0)ので、上記の(1)から、下記の式(7)が導出される。
1=i4+i5 (7)
このように、コンバーターのスイッチング素子5がON状態の場合、リアクター電流i1は演算することができないが、スイッチング素子5がOFF状態の場合、電流検出器によって直接検出できないリアクター電流i1の検出が可能となり、このリアクター電流i1に基づいて、リアクター4を保護することができる。具体的な、リアクター4の異常判定動作については、実施の形態1における図3のフローチャートに準じる動作とすればよい。
(実施の形態2の効果)
以上の構成及び動作のように、コンバーターのスイッチング素子5のON/OFF動作に同期して、電流の演算方法を切り替えることにより、2つの電流検出器によって検出できる電流によって、電流検出器によって直接検出できない電流の検出が可能となる。その具体的な例として、本実施の形態においては、図5及び図6を示したものであり、図5においては、直接検出できない電流としてコンデンサー電流i5を演算によって検出が可能であり、そして、図6においては、直接検出できない電流としてリアクター電流i1を演算によって検出が可能である。これによって、複合モジュール2内の内部配線を短く結線でき、低ノイズ化を図ることができ、さらに、実装面積の縮小、複合モジュール2の小型化、及び、低コスト化を図ることができるのは実施の形態1と同様である。
また、上記のように、コンバーターのスイッチング素子5のON/OFF状態によって、直接検出できない電流を導出することが可能となるので、図5の電力変換装置においては、演算により検出したコンデンサー電流i5によって平滑コンデンサー7が異常であるか否かを判定することができ、図6の電力変換装置においては、演算により検出したリアクター電流i1によってリアクター4が異常であるか否かを判定することができる。
また、その他の効果として実施の形態1において記載した効果に準じた効果を有するのは言うまでもない。
なお、図5で示される電力変換装置におけるコンデンサー電流i5、及び、図6で示される電力変換装置におけるリアクター電流i1は、本発明の「演算対象電流」に相当する。
実施の形態3.
本実施の形態においては、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を、圧縮機、空気調和機、送風機又は冷蔵庫に適用した例について説明する。
(空気調和機の構成及び動作)
図7は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の構成図である。以下、図7を参照しながら、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を圧縮機及び空気調和機に適用した場合について説明する。
図7で示される電力変換装置101は、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置であり、交流電源1から電力供給を受け、高周波電圧をモーター10aに供給して回転駆動させるものである。このモーター10aは、圧縮要素51aに連結されており、このモーター10及び圧縮要素51aによって、冷媒を圧縮する圧縮機51が構成されている。
圧縮機51、四方弁52、室外熱交換器53、膨張装置54、室内熱交換器55、四方弁52、そして、圧縮機51の順に冷媒配管によって接続され冷凍サイクルが構成されている。このうち、室外機61は、圧縮機51、四方弁52、室外熱交換器53及び膨張装置54を備えて構成され、室内機62は、室内熱交換器55を備えて構成されている。
次に、図7で示される空気調和装置の動作について、冷房運転を例に説明する。
暖房動作をするに際し、四方弁52は、予め、圧縮機51から吐出された冷媒が室外熱交換器53へ向かうように、かつ、室内熱交換器55から流出した冷媒が圧縮機51へ向かうように流路を切り替えているものとする。
電力変換装置101によって圧縮機51のモーター10aが回転駆動することによって、モーター10aに連結した圧縮機51の圧縮要素51aが冷媒を圧縮し、圧縮機51は高温高圧冷媒を吐出する。圧縮機51から吐出した高温高圧冷媒は、四方弁52を経由して、室外熱交換器53へ流入し、室外熱交換器53において外部の空気と熱交換を実施して放熱する。室外熱交換器53から流出した冷媒は、膨張装置54によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内熱交換器55へ流入し、空調対象空間の空気と熱交換を実施して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって、室内熱交換器55から流出する。室内熱交換器55から流出したガス冷媒は、四方弁52を経由して、圧縮機51に吸入され、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。
なお、図7においては、空気調和機の圧縮機51に、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を適用した例を示したが、これに限定されるものではなく、空気調和機の他、ヒートポンプ装置、冷凍装置その他の冷凍サイクル装置一般に適用できるのは言うまでもない。
(送風機の構成及び動作)
図8は、本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成図である。以下、図8を参照しながら、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を送風機に適用した場合について説明する。
図8で示される電力変換装置101は、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置であり、交流電源1から電力供給を受け、高周波電圧をモーター10bに供給して回転駆動させるものである。このモーター10bのモーター軸には、ファン部77aが接続されており、モーター軸の回転に連動してファン部77aも回転して送風を発生させる。このモーター10b及びファン部77aによって蒸発器用送風機77が構成されている。
圧縮機71、凝縮器73、膨張装置74、蒸発器75、そして、再び圧縮機71の順に冷媒配管によって接続され冷凍サイクルが構成されている。このうち、蒸発器75の近傍には、上記の蒸発器用送風機77が設置されており、凝縮器73の近傍には、ファン部76a及びそれを回転させるモーター部76bによって構成された凝縮器用送風機76が設置されている。
次に、図8で示される冷凍サイクル装置の動作について説明する。
圧縮機71によって圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器73に流入し、凝縮器用送風機76によって送風される空気と熱交換を実施して放熱する。凝縮器73から流出した冷媒は、膨張装置74によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器75へ流入する。蒸発器75へ流入した気液二相冷媒は、蒸発器用送風機77によって送風される空気と熱交換を実施して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって、蒸発器75から流出する。蒸発器75から流出したガス冷媒は、圧縮機71に吸入され、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。
なお、図8で示される冷凍サイクル装置において、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を蒸発器用送風機77に適用した例を示したが、これに限定されるものではなく、凝縮器用送風機76のモーター部76bを当該電力変換装置によって駆動させる構成としてもよい。
また、図8においては、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を、冷凍サイクル装置における送風機(図8においては蒸発器用送風機77)に適用した例を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、冷凍サイクル装置における送風機の他、換気扇又は冷蔵庫等の送風機に、当該電力変換装置を適用するものとしてもよい。
(冷蔵庫の構成及び動作)
図9は、本発明の実施の形態3に係る冷蔵庫の構造図である。以下、図9を参照しながら、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を冷蔵庫に適用した場合について説明する。
図9で示される電力変換装置101は、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置であり、交流電源(図示せず)から電力供給を受け、高周波電圧を圧縮機81内のモーター(図示せず)に供給して回転駆動させるものである。また、図9で示されるように、冷蔵庫内部の下方には、圧縮機81、冷却器82及びファン83が設置されている。また、図9で示される冷蔵庫は、貯蔵室として、上から冷蔵室85、製氷室86、野菜室87及び冷凍室88を備えており、そのうち、製氷室86の内部には、製氷機84が設置されている。
次に、図9で示される冷蔵庫の動作について説明する。
圧縮機81及び冷却器82等によって構成される冷凍サイクルによって生成された冷気は、ファン83の回転によって、冷蔵庫内の風路を循環し、前述の各貯蔵室に送られ、その内部に貯蔵されている食品等の品質を維持する。
なお、図9で示される冷蔵庫において、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を圧縮機81に適用した例を示したが、これに限定されるものではなく、ファン83のモーター部を当該電力変換装置によって駆動させる構成としてもよい。
(実施の形態3の効果)
以上の構成及び動作のように、実施の形態1又は実施の形態2に係る電力変換装置を圧縮機又は送風機、そして、それらの少なくとも一方を備える空気調和機又は冷蔵庫等に適用することによって、実施の形態1及び実施の形態2における効果を有する、圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫等を得ることができる。
1 交流電源、2 複合モジュール、3 整流器、4 リアクター、5 スイッチング素子、6 逆流防止素子、7 平滑コンデンサー、8 インバーター、9a〜9d 電流検出器、10、10a、10b モーター、11 電圧検出手段、12 コンバーター制御手段、13 インバーター制御手段、14 過電流保護手段、20a〜20c 入力端子、21a〜21c 出力端子、22a、22b、23a、23b、24a、24b 汎用端子、51 圧縮機、51a 圧縮要素、52 四方弁、53 室外熱交換器、54 膨張装置、55 室内熱交換器、61 室外機、62 室内機、71 圧縮機、73 凝縮器、74 膨張装置、75 蒸発器、76 凝縮器用送風機、76a ファン部、76b モーター部、77 蒸発器用送風機、77a ファン部、81 圧縮機、82 冷却器、83 ファン、84 製氷機、85 冷蔵室、86 製氷室、87 野菜室、88 冷凍室、101 電力変換装置。

Claims (14)

  1. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に整流する整流器と、リアクター、逆流防止素子、スイッチング素子及び平滑コンデンサーから構成され、前記整流器の出力電圧を変化させ、その変化させた電圧が前記平滑コンデンサーによって平滑されるチョッパー回路とを備えたコンバーターと、
    該コンバーターから出力された直流電圧を高周波電圧に変換し、該高周波電圧を駆動対象に印加して回転駆動させるインバーターと、
    回路電流を検出する複数の電流検出器と、
    該電流検出器によって検出された電流から、該電流検出器が設置されていない箇所であって該電流検出器によって直接電流を検出できない箇所の電流である演算対象電流を前記スイッチング素子の動作状態によって演算を切り替えて検出する演算手段と、
    を備えた
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記電流検出器は、前記リアクターに流れるリアクター電流を検出できる位置、及び、前記平滑コンデンサーに流れるコンデンサー電流を検出できる位置にそれぞれ設置され、
    前記演算手段は、前記電流検出器によって検出された前記リアクター電流及び前記コンデンサー電流から、前記インバーターに流れる負荷電流を前記演算対象電流として前記スイッチング素子の動作状態によって演算を切り替えて検出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  3. 前記演算手段は、前記スイッチング素子の動作状態を、前記電流検出器によって検出された前記リアクター電流若しくは前記コンデンサー電流、又は、前記スイッチング素子の駆動用の信号に基づいて判定する
    ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。
  4. 前記電流検出器は、前記リアクターに流れるリアクター電流を検出できる位置、及び、前記インバーターに流れる負荷電流を検出できる位置にそれぞれ設置され、
    前記演算手段は、前記電流検出器によって検出された前記リアクター電流及び前記負荷電流から、前記平滑コンデンサーに流れるコンデンサー電流を前記演算対象電流として前記スイッチング素子の動作状態によって演算を切り替えて検出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  5. 前記電流検出器は、前記インバーターに流れる負荷電流を検出できる位置、及び、前記平滑コンデンサーに流れるコンデンサー電流を検出できる位置にそれぞれ設置され、
    前記演算手段は、前記電流検出器によって検出された前記負荷電流及び前記コンデンサー電流から、前記リアクターに流れるリアクター電流を前記演算対象電流として前記スイッチング素子の動作状態によって演算を切り替えて検出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  6. 前記演算手段は、前記スイッチング素子の動作状態を、前記スイッチング素子の駆動用の信号に基づいて判定する
    ことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の電力変換装置。
  7. 前記演算手段は、検出した前記演算対象電流を、該演算対象電流が流れる部品における過電流保護に利用する
    ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  8. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された
    ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム又はダイヤモンドのうち少なくともいずれかによって形成された
    ことを特徴とする請求項8記載の電力変換装置。
  10. 前記整流器、前記逆流防止素子、前記スイッチング素子及び前記インバーターは、同一パッケージ内に構成されたモジュールとして形成され、
    前記電流検出器、前記リアクター及び前記平滑コンデンサーは、前記モジュール外に配置され、該モジュールが有する接続端子を介して、該モジュールの内部回路に接続された
    ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  11. 請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
    該電力変換装置によって駆動されるモーターと、
    該モーターの回転動力によって冷媒を圧縮する圧縮要素と、
    を備えた
    ことを特徴とする圧縮機。
  12. 請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
    該電力変換装置によって駆動されるモーターと、
    該モーターのモーター軸に接続されたファン部と、
    を備えた
    ことを特徴とする送風機。
  13. 圧縮機、利用側熱交換器、膨張装置及び熱源側熱交換器が冷媒配管によって接続されて形成された冷凍サイクル回路と、
    前記利用側熱交換器又は前記熱源側熱交換器に備えられた送風機と、
    を備え、
    前記圧縮機は、請求項11記載の圧縮機であり、あるいは、前記送風機は、請求項12記載の送風機である
    ことを特徴とする空気調和機。
  14. 複数の貯蔵室と、
    冷媒を圧縮する圧縮機、及び、冷風を生成する冷却器を備えた冷凍サイクル回路と、
    前記冷却器によって生成された冷風を前記各貯蔵室に送り込む送風機と、
    を備え、
    前記圧縮機は、請求項11記載の圧縮機であり、あるいは、前記送風機は、請求項12記載の送風機である
    ことを特徴とする冷蔵庫。
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