JP2015133780A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】入力電流のリップルを低減でき、しかもコモンモード電圧を抑制できる電力変換装置を提供する。【解決手段】各コンバータ用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により各コンバータのスイッチング素子をオン,オフ駆動するとともに、各インバータ用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により前記各インバータのスイッチング素子をオン,オフ駆動する。さらに、各コンバータ用の複数のキャリア信号および各インバータ用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で同位相に設定するとともに、各コンバータ用の複数のキャリア信号の位相を互いに異ならせる。【選択図】図1

Description

本発明は、交流電源の電圧を直流に変換し、変換した直流電圧を所定周波数の交流電圧に変換する電力変換装置に関する。
交流電源の電圧をコンバータで直流に変換し、変換した直流電圧を平滑コンデンサに印加し、この平滑コンデンサの電圧をインバータで所定周波数の交流電圧に変換して出力する電力変換装置が知られている。
また、交流電源の電圧を直流変換するコンバータとして、リアクタ、ダイオード、スイッチング素子を有し、交流電源の電圧を昇圧および直流変換する昇圧型のコンバータがある。
特開2008−259343号公報
複数組のコンバータ、平滑コンデンサ、インバータを有する電力変換装置の場合、入力電流に大きなリップルが生じる。大きなリップルは、電流実効値を増大させて回路損失の原因となるとともに、ノイズの増大を招くという問題がある。
本実施形態の目的は、入力電流のリップルを低減でき、しかもコモンモード電圧を抑制できる電力変換装置を提供することである。
請求項1の電力変換装置は、複数のコンバータ、平滑コンデンサ、複数のインバータ、および制御手段を備える。コンバータは、リアクタ、このリアクタを介して交流電源に接続されるダイオード、このダイオードに並列接続されるスイッチング素子を有し、前記交流電源の電圧を昇圧および直流変換する。平滑コンデンサは、各コンバータの出力端に接続される。インバータは、平滑コンデンサの電圧を所定周波数の交流電圧に変換し負荷への駆動電力として出力する。制御手段は、各コンバータ用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により各コンバータのスイッチング素子をオン,オフ駆動するとともに、各インバータ用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により前記各インバータのスイッチング素子をオン,オフ駆動する。さらに、制御手段は、各コンバータ用の複数のキャリア信号および各インバータ用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で同位相に設定するとともに、各コンバータ用の複数のキャリア信号の位相を互いに異ならせる。
一実施形態の構成を示すブロック図。 一実施形態におけるPWM信号生成を示す図。 一実施形態に関わるリップルの一例を参考として示す図。 一実施形態のリップルの低減を示す図。 一実施形態に関わるコモンモード電圧の一例を参考として示す図。 一実施形態に関わるコモンモード電圧の他の例を参考として示す図。 一実施形態に関わるコモンモード電圧の別の例を参考として示す図。 一実施形態のコモンモード電圧の抑制を示す図。 一実施形態の変形例の構成を示すブロック図。 一実施形態の他の変形例の構成を示すブロック図。 図10の変形例におけるリップルの低減を示す図。 一実施形態の別の変形例の構成を示すブロック図。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、商用の三相交流電源1の相ラインR,S,Tに複数のコンバータ2が接続され、その各コンバータ2の出力端に平滑コンデンサ4がそれぞれ接続される。これら平滑コンデンサ4にインバータ5がそれぞれ接続され、その各インバータ5の出力端に負荷たとえばブラシレスDCモータ6の相巻線Lu.Lv.Lwがそれぞれ接続される。
コンバータ2は、リアクタ21,22,23、これらリアクタ21,22,23を介して三相交流電源1に接続されるダイオード31a〜36bのブリッジ回路、これらダイオード31a〜36bに並列接続されるスイッチング素子たとえばMOSFET31〜36を有し、三相交流電源1の電圧を昇圧および直流変換する。例えば、100Vの交流電圧を300V程度の直流電圧に変換する。
ダイオード31a〜36bのブリッジ回路は、ダイオード31a,32aの直列回路、ダイオード33a,34aの直列回路、ダイオード35a,36aの直列回路からなる。ダイオード31a,32aの相互接続点が三相交流電源1のR相に接続され、ダイオード33a,34aの相互接続点が三相交流電源1のS相に接続され、ダイオード35a,36aの相互接続点が三相交流電源1のT相に接続される。ダイオード31a〜36bは、MOSFET31〜36の寄生ダイオードである。
インバータ5は、MOSFET51,52を直列接続しそのMOSFET51,52の相互接続点がブラシレスDCモータ6の相巻線Luに接続されるU相用直列回路、MOSFET53,54を直列接続しそのMOSFET53,54の相互接続点がブラシレスDCモータ6の相巻線Lvに接続されるV相用直列回路、MOSFET55,56を直列接続しそのMOSFET55,56の相互接続点がブラシレスDCモータ6の相巻線Lwに接続されるW相用直列回路を含み、平滑コンデンサ4の電圧を各MOSFETのスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換し、変換した交流電圧をブラシレスDCモータ6への駆動電力として各MOSFETの相互接続点から出力する。なお、MOSFET51〜56は、寄生ダイオード51a〜56aを有する。
各ブラシレスDCモータ6は、例えば、複数の圧縮機をそれぞれ駆動するもので、星形結線された3つの相巻線Lu,Lv,Lwを有する固定子、および永久磁石を有する回転子により構成される。相巻線Lu,Lv,Lwに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、回転子が回転する。
上記各圧縮機は、同じ対象物(空気/媒体(水等))を冷却/加熱する。例えば、各圧縮機は、同じ冷凍サイクル中に並列接続される構成であり、あるいは各圧縮機を含む冷凍サイクルの各利用側別熱交換器が並列に配置される構成であり、これにより、各圧縮機は同じ対象物(空気/媒体(水等))を冷却/加熱する。
三相交流電源1と各コンバータ2のリアクタ21,22,23との間の通電路に、入力電流検知用の電流センサ71,72,73が配設される。各インバータ5の出力端とブラシレスDCモータ6との間の通電路に、出力電流(相巻線電流)検知用の電流センサ81,82,83が配設される。これら電流センサの検知結果が制御部90に供給される。制御部90には、運転条件設定用のリモートコントロール式の操作器(リモコンという)91が接続される。
制御部90は、各コンバータ2および各インバータ5を制御するもので、主要な機能として次の(1)〜(4)の手段を有する。
(1)各コンバータ2用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により各コンバータ2のMOSFET31〜36をそれぞれオン,オフ駆動する第1制御手段。具体的には、PWM信号は、キャリア信号と正弦波信号との大小比較に基づくパルス幅変調で生成される。この際、各コンバータ2用の複数のキャリア信号をパルス幅変調するための正弦波信号は、三相交流電源1のR相電圧、S相電圧、T相電圧の周期に同期し、コンバータ2の出力電圧目標値及び電流センサ71,72,73の検知結果に基づいて生成される。
(2)各インバータ5用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により各インバータ5のMOSFET31〜36をそれぞれオン,オフ駆動する第2制御手段。ここでも、PWM信号は、キャリア信号と正弦波信号との大小比較に基づくパルス幅変調で生成される。各インバータ5用の複数のキャリア信号をパルス幅変調するための正弦波信号は、各ブラシレスDCモータ6の速度目標値と実回転数との差及び各ブラシレスDCモータ6の相巻線Lu,Lv,Lwに誘起する電圧の大きさに応じて電圧レベルが変化するもので、電流センサ81,82,83の検知結果に基づいて生成する。
(3)各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で同位相に設定するとともに、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに異ならせる第3制御手段。なお、一対のコンバータおよびインバータの相互間で同位相を設定するので、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに異ならせることで、各インバータ5用の複数のキャリア信号の位相も互いに異なる状態となる。
(4)ブラシレスDCモータ6によって駆動される圧縮機の冷凍(空調)負荷に応じて、コンバータ2およびインバータ5の運転台数を制御する第4制御手段。
なお、(1)の第1制御手段は、具体的には、図2に示すように、コンバータ2用の1つのキャリア信号Eoと3つの正弦波信号Eu,Ev,Ewを生成し、その正弦波信号Eu,Ev,Ewによってキャリア信号Eoをパルス幅変調することにより、コンバータ2をスイッチングするための3つのPWM信号Du,Dv,Dwを生成する。このPWM信号Du,Dv,Dwの生成をすべてのコンバータ2について行う。
上記(2)の第2制御手段は、同様に、インバータ5用の1つのキャリア信号と3つの正弦波信号を生成し、その正弦波信号によってキャリア信号Eoをパルス幅変調することにより、インバータ5をスイッチングするための3つのPWM信号を生成する。このPWM信号の生成をすべてのインバータ5について行う。
上記(3)の第3制御手段は、具体的には、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を、互いに所定角度ずつ、異ならせる。この異ならせる角度としては、「360度/コンバータ個数」が好適である。たとえば、コンバータ2が3個の場合、基本となる1台目のコンバータ2のキヤリア信号の位相を基準(0度)にすると、2台目のキヤリア信号の位相は120度ずれ、最後のコンバータ2のキヤリア信号の位相は、240度ずれた値となる。
つぎに、コンバータ2の動作について説明する。
三相交流電源1のR相電圧が正レベルとなる位相では、三相交流電源1からリアクタ21および正側ダイオード31aを通って平滑コンデンサ4に電流が流れ、平滑コンデンサ4を経た電流が、先ず負側ダイオード34aおよびリアクタ22を通って三相交流電源1のS相に戻り、次にR相電圧の位相が進むにつれ、負側ダイオード36aおよびリアクタ23を通って三相交流電源1のT相に戻る経路が形成される。そして、この動作に加え、制御部90で生成されるPWM信号Duに応じてMOSFET32がオン,オフを繰り返す。MOSFET32のオン時、ダイオード31a,32aの相互接続点がコンバータ2の負側出力端と導通し、三相交流電源1に対してリアクタ21、MOSFET32、負側ダイオード34a、リアクタ22を介した短絡路が形成される。この短絡路の形成により、リアクタ21,22にエネルギ(電荷)が蓄えられる。リアクタ21,22に蓄えられたエネルギは、MOSFET32のオフ時に平滑コンデンサ4に供給される。このエネルギ供給により、昇圧がなされる。
三相交流電源1のS相電圧が正レベルとなる位相では、三相交流電源1からリアクタ22および正側ダイオード33aを通って平滑コンデンサ4に電流が流れ、平滑コンデンサ4を経た電流が、先ず負側ダイオード36aおよびリアクタ23を通って三相交流電源1のT相に戻り、次にS相電圧の位相が進むにつれ、負側ダイオード32aおよびリアクタ21を通って三相交流電源1のR相に戻る経路が形成される。そして、この動作に加え、制御部90で生成されるPWM信号Dvに応じてMOSFET34がオン,オフを繰り返す。MOSFET34のオン時、ダイオード33a,34aの相互接続点がコンバータ2の負側出力端と導通し、三相交流電源1に対してリアクタ22、MOSFET34、負側ダイオード36a、リアクタ23を介した短絡路が形成される。この短絡路の形成により、リアクタ22,23にエネルギ(電荷)が蓄えられる。リアクタ22,23に蓄えられたエネルギは、MOSFET34のオフ時に平滑コンデンサ4に供給される。このエネルギ供給により、昇圧がなされる。
三相交流電源1のT相電圧が正レベルとなる位相では、三相交流電源1からリアクタ23および正側ダイオード35aを通って平滑コンデンサ4に電流が流れ、平滑コンデンサ4を経た電流が、先ず負側ダイオード32aおよびリアクタ21を通って三相交流電源1のR相に戻り、次にT相電圧の位相が進むにつれ、負側ダイオード34aおよびリアクタ22を通って三相交流電源1のS相に戻る経路が形成される。そして、この動作に加え、制御部90で生成されるPWM信号Dwに応じてMOSFET36がオン,オフを繰り返す。MOSFET36のオン時、ダイオード35a,36aの相互接続点がコンバータ2の負側出力端と導通し、三相交流電源1に対してリアクタ23、MOSFET36、負側ダイオード32a、リアクタ21を介した短絡路が形成される。この短絡路の形成により、リアクタ23,21にエネルギ(電荷)が蓄えられる。リアクタ23,21に蓄えられたエネルギは、MOSFET36のオフ時に平滑コンデンサ4に供給される。このエネルギ供給により、昇圧がなされる。
R相入力電圧,S相入力電圧,T相入力電圧が負レベルとなる位相では、正側ダイオード31a,33a,35aと並列接続のMOSFET31,33,35がオン,オフを繰り返す。これらMOSFET31,33,35のオン,オフに伴う動作については、正負が反対となるだけで、基本的には正レベル期間と同じ動作パターンとなる。よって、その詳細な説明は省略する。
ところで、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数および互いに同じ位相(同位相)に設定した場合の入力電流波形(リアクタ21,22,23に流れる電流の波形)を参考として図3に示す。1つ目のコンバータ2への入力電流Ir,Is,Itと2つ目のコンバータ2への入力電流Ir,Is,Itが一致しており、これら入力電流を足し合わせたものが総入力電流Iro,Iso,Itoとなる。両入力電流Ir,Is,Itはスイッチングに伴うリップルをそれぞれ含み、これらリップル成分が互いに強め合った状態のリップルを総入力電流Iro,Iso,Itoが含んでいる。
これに対し、図4は、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で互いに同じ位相(同位相)に設定するとともに、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに異なる位相(逆位相:360度/2=180度ずれ)に設定した場合の入力電流波形である。両入力電流Ir,Is,Itに含まれるリップル成分が互いに打ち消し合うように作用し、これに伴い、総入力電流Iro,Iso,Itoのリップルが低減している。
一方、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数および互いに同じ位相(同位相)に設定した場合のコモンモード電圧を参考として図5に示している。各コンバータ2のコモンモード電圧と各インバータ5のコモンモード電圧との関係により、当該装置の全体のコモンモード電圧が抑制された状態にある。
図6は、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定するとともに、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに異なる位相(逆位相)に設定し、各インバータ5用の複数のキャリア信号の位相を互いに同じ位相(同位相)に設定した場合のコモンモード電圧波形である。全体のコモンモード電圧は、図5の場合よりも上昇している。
図7は、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定するとともに、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに同じ位相(同位相)に設定し、各インバータ5用の複数のキャリア信号の位相を互いに異なる位相(逆位相)に設定した場合のコモンモード電圧波形である。この場合も、全体のコモンモード電圧は図5の例よりも上昇している。
図8は、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定するとともに、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに異なる位相(逆位相)に設定し、各インバータ5用の複数のキャリア信号の位相も互いに異なる位相(逆位相)に設定した場合のコモンモード電圧波形である。全体のコモンモード電圧は図5の場合よりも小さい。
したがって、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で同位相に設定するとともに、各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相を互いに所定角度(=360度/コンバータ個数)ずつ異ならせることにより(各インバータ5用の複数のキャリア信号の位相も互いに所定角度ずつ異なる状態となる)、図4の例のように入力電流のリップルを低減できるとともに、図8の例のようにコモンモード電圧を抑制できる。
(変形例)
なお、上記実施形態では、各コンバータ2の出力端にそれぞれ平滑コンデンサ4を接続する構成としたが、図9に示すように、各コンバータ2の出力端に1つの平滑コンデンサ4を接続し、この平滑コンデンサ4の電圧を各インバータ5で交流変換する構成としてもよい。
上記実施形態では、各インバータ5の出力端にそれぞれブラシレスDCモータ6を接続する構成としたが、図10に示すように、各インバータ5の出力端に1つのブラシレスDCモータ6を接続し、各インバータ5の出力端とブラシレスDCモータ6との間の通電ラインにそれぞれ連係リアクタ24,25,26を設ける構成としてもよい。
図11は、コンバータ2およびインバータ5の個数をそれぞれ2個とし、各コンバータ2用の複数のキャリア信号および各インバータ5用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で互いに同じ位相(同位相)に設定するとともに、各インバータ5用の複数のキャリア信号の位相を互いに異なる位相(逆位相)に設定した場合(各コンバータ2用の複数のキャリア信号の位相も互いに異なる状態となる)の出力電流波形(連係リアクタ24,25,26に流れる電流の波形)である。1つ目のインバータ5の出力電流Iu,Iv,Iwと2つ目のインバータ5の出力電流Iu,Iv,Iwが一致しており、これら出力電流を足し合わせたものが総出力電流Iuo,Ivo,Iwoとなる。両出力電流Iu,Iv,Iwに含まれるリップル成分が相殺し合うので、総出力電流Iuo,Ivo,Iwoのリップルが低減する。
また、図12に示すように、各インバータ5の出力端に接続される負荷として、ブラシレスDCモータ6に代えて、複数並列巻線構造のモータ10を接続してもよい。モータ10は、各インバータのU相出力端に接続される複数の相巻線Lu1,Lu2,…Lun、各インバータのV相出力端に接続される複数の相巻線Lv1,Lv2,…Lvn、各インバータのW相出力端に接続される複数の相巻線Lw1,Lw2,…Lwnを有する。
その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…三相交流電源、2…コンバータ、4…平滑コンデンサ、5…インバータ、6…ブラシレスDCモータ(負荷)、21,22,23…リアクタ、31a〜36a…ダイオード、31〜36…MOSFET(スイッチング素子)、51〜56…MOSFET(スイッチング素子)、71,72,73…電流センサ、81,82,83…電流センサ、90…制御部

Claims (4)

  1. リアクタ、このリアクタを介して交流電源に接続されるダイオード、このダイオードに並列接続されるスイッチング素子を有し、前記交流電源の電圧を昇圧および直流変換する複数のコンバータと、
    前記各コンバータの出力端に接続された平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサの電圧を所定周波数の交流電圧に変換し負荷への駆動電力として出力する複数のインバータと、
    前記各コンバータ用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により前記各コンバータのスイッチング素子をオン,オフ駆動するとともに、前記各インバータ用の複数のキャリア信号を用いてパルス幅変調することによりPWM信号を生成し、生成したPWM信号により前記各インバータのスイッチング素子をオン,オフ駆動する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記各コンバータ用の複数のキャリア信号および前記各インバータ用の複数のキャリア信号を互いに同じ周波数に設定し且つ一対のコンバータおよびインバータの相互間で同位相に設定するとともに、前記各コンバータ用の複数のキャリア信号の位相を互いに異ならせる、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記制御手段は、前記各コンバータ用の複数のキャリア信号の位相を、互いに360度/コンバータ個数だけ、異ならせることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  3. 前記負荷は、前記各インバータの出力端に接続される1つの負荷であり、
    前記各インバータの出力端と前記負荷との間の通電ラインにそれぞれ設けられた連係リアクタをさらに備える、
    ことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか記載の電力変換装置。
  4. 前記負荷は、前記各インバータの出力端にそれぞれ接続される複数組の相巻線を有する1つのモータである、
    ことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか記載の電力変換装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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