JP2017200281A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】構成を簡略化しつつ、接続される交流電源の電源システムを判別することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】本実施形態の電力変換装置は、3相の交流電源より供給される交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部から出力される直流を所定の周波数を持つ交流に変換して負荷に出力するインバータ部と、コンバータ部の2つの直流出力端子のいずれか一方とインバータ部の出力端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出された電圧の基本周波数に基づいて交流電源の電源システムを検出する検出部と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
電力変換装置であるインバータ装置は、例えばIGBTなどのスイッチング素子をPWM制御でスイッチングすることにより所望の周波数の交流電力をモータなどの負荷に供給する。そして、このようなスイッチング動作に伴う電圧の急峻な変化により、モータとインバータ装置との間を接続するケーブルやモータの浮遊容量を介してアースへと高周波の漏れ電流が流れる。
このような漏れ電流は、伝導ノイズとしてインバータ装置に接続される交流電源を介して他の機器の動作に影響を与えるおそれがある。そのため、一般に、インバータ装置の入力に伝導ノイズを抑制するためのフィルタを挿入し、漏れ電流の交流電源への回り込みを抑制することが行われている。
しかし、上記フィルタは、一端が接地されるコンデンサ(以下、接地コンデンサと呼ぶ)を含む構成となることが多い。そのため、フィルタを設けた構成の場合、高周波の漏れ電流を抑制するというメリットがある一方で、交流電源周波数の漏れ電流を発生させてしまうというデメリットがある。この場合、接地コンデンサの容量に応じて各漏れ電流の抑制効果が変化するが、高周波の漏れ電流の抑制効果と、交流電源周波数の漏れ電流の抑制効果とはトレードオフの関係にある(例えば特許文献1参照)。
このような交流電源周波数の漏れ電流の大きさは、インバータ装置に接続される交流電源の種類に応じて変化する。具体的には、交流電源が中性点接地の電源システム(Y結線された3相交流電源)の場合、システムがアースに近い電位でバランスしていることから、上記漏れ電流は小さく抑えられる。これに対し、交流電源が相接地の電源システム(Δ結線された3相交流電源)の場合、中性点のバランスが悪く、上記漏れ電流が大きくなってしまう。
そこで、接続される交流電源の種類などに応じて接地コンデンサの接地側の端子をスイッチなどで切り離すことにより、交流電源周波数の漏れ電流を低減する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかし、この場合、3相交流電源に対してY結線されたコンデンサの中点の電位を検出する回路を駆動するための絶縁電源が別途必要になるなど、部品点数の増加や構成の複雑化を招くという課題がある。
特開平1−243843号公報 特表2011−501631号公報
そこで、構成を簡略化しつつ、接続される交流電源の電源システムを判別することができる電力変換装置を提供する。
本実施形態の電力変換装置は、3相の交流電源より供給される交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部から出力される直流を所定の周波数を持つ交流に変換して負荷に出力するインバータ部と、コンバータ部の2つの直流出力端子のいずれか一方とインバータ部の出力端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出された電圧の基本周波数に基づいて交流電源の電源システムを検出するシステム検出部と、を備える。
第1実施形態に係るインバータ装置および周辺の構成を模式的に示す図 交流電源および整流回路の具体的な構成を模式的に示す図その1 直流電源線の対地電圧の波形を模式的に示す図その1 システム検出部に入力される電圧の波形を模式的に示す図その1 交流電源および整流回路の具体的な構成を模式的に示す図その2 直流電源線の対地電圧の波形を模式的に示す図その2 システム検出部に入力される電圧の波形を模式的に示す図その2 第2実施形態に係るインバータ装置および周辺の構成を模式的に示す図 第3実施形態に係るインバータ装置および周辺の構成を模式的に示す図 第4実施形態に係るインバータ装置および周辺の構成を模式的に示す図 直流電源線の対地電圧の波形を模式的に示す図その3 直流電源線の対地電圧の波形を模式的に示す図その4
以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
図1に示すインバータ装置1は、3相の交流電源2より入力された電力を変換して負荷である3相のモータ3に出力する電力変換装置である。ここで、交流電源2は、いずれかの端子がアースに接続されている。モータ3は、その内部において巻線と筐体との間に浮遊容量を有しているため、筐体が接地された場合には対地浮遊容量Csを介してアースに接続される。また、モータ3とインバータ装置1との接続ケーブルにも対地浮遊容量が存在するため、インバータ装置1の出力端子は、これらの対地浮遊容量を介して接地されている。このように、交流電源2およびモータ3は、いずれも接地されている。
インバータ装置1は、インバータ主回路4、電圧検出部5およびシステム検出部6を備えている。制御装置(図示略)によりインバータ主回路4の動作が制御されることにより、インバータ主回路4の出力側に取り付けられたモータ3の速度制御が行われる。インバータ主回路4の入力側には、例えば商用電源である3相の交流電源2が接続される。インバータ主回路4は、整流回路7およびコンデンサ8を備えたコンバータ部9と、インバータ部10とを備えている。
整流回路7は、例えばダイオード(図2に符号D1〜D6を付して示す)を3相ブリッジ接続した構成となっており、交流電源2から与えられる3相の交流電圧を整流する。整流回路7の高電位側出力端子(ダイオードD1〜D3の共通のカソード)は直流電源線L1に接続され、低電位側出力端子(ダイオードD4〜D6の共通のアノード)は直流電源線L2に接続される。コンデンサ8は、一対の直流電源線L1、L2間に接続されており、整流回路7の出力を平滑する。このような構成により、コンバータ部9は、交流電源2より供給される交流を直流に変換し、一対の直流電源線L1、L2を介して出力する。
インバータ部10は、例えばIGBTやパワーMOSトランジスタなどのスイッチング素子を3相ブリッジ接続した構成となっている。インバータ部10の各スイッチング素子は、上記制御装置から出力される制御信号に従い動作する駆動回路(図示略)により駆動される。インバータ部10は、直流電源線L1、L2を通じて与えられる直流電圧を所定の周波数を持つ3相の交流電圧に変換し、インバータ装置1の駆動対象であるモータ3に供給する。
電圧検出部5を構成する抵抗R1、R2は、インバータ部10のU相の出力端子と、直流電源線L2との間に直列接続されている。つまり、電圧検出部5は、U相の出力端子および直流電源線L2の間の電圧を分圧して検出する。なお、電圧検出部5は、インバータ部10のV相またはW相の出力端子および直流電源線L2の間の電圧を分圧して検出する構成でもよい。
システム検出部6には、電圧検出部5により検出された電圧(以下、検出電圧と呼ぶ)が入力される。システム検出部6は、入力された検出電圧の基本周波数を検出する周波数検出回路を備えている。なお、このような周波数検出回路は、検出電圧をコンパレータによりパルス化(二値化)してCPUでカウントする構成や、FFTを使用した構成など、一般的な回路で実現することができる。
また、システム検出部6は、検出電圧の基本周波数に基づいてインバータ装置1に接続されている交流電源2の電源システムを検出する。なお、このような電源システムの検出動作は、例えばインバータ装置1の起動時など、モータ3の回転が停止されている期間(以下、運転停止期間と呼ぶ)に実行される。
続いて、システム検出部6による交流電源2の電源システムの検出手法について説明する。上記構成では、運転停止期間にも「アース→対地浮遊容量Cs→モータ3→電圧検出部5→直流電源線L2→整流回路7→交流電源2」といった経路で電流が流れる。そのため、運転停止期間においてシステム検出部6に入力される検出電圧は、下記[1]〜[3]のような電圧波形となる。
[1]交流電源2が中性点接地の電源システムである場合
図2に示すように、インバータ装置1に対し、中性点接地(Y結線)の電源システムの交流電源2が接続されている場合における直流電源線L2の対地電位は、図3において太線で示すような電圧波形となる。したがって、その直流電源線L2を基準とした検出電圧は、図3に太線で示した波形(直流電源線L2の対地電位波形)を上下逆にしたような波形となる(図4参照)。なお、電圧検出部5には一方向にしか電流が流れないため、検出電圧として負の電圧は発生しない。この場合、検出電圧の基本周波数は、交流電源2の周波数(50Hzまたは60Hz)の3倍の周波数となる。
[2]交流電源2が相接地の電源システムである場合
図5に示すように、インバータ装置1に対し、相接地(Δ結線)の電源システムの交流電源2が接続されている場合における直流電源線L2の対地電位は、図6において太線で示すような電圧波形となる。したがって、その直流電源線L2を基準とした検出電圧は、図6に太線で示した波形を上下逆にしたような波形となる(図7参照)。この場合、検出電圧の基本周波数は、交流電源2の周波数と同じ周波数となる。
[3]交流電源2が未接地またはモータ3が未接地である場合
インバータ装置1に対し、未接地の電源システムの交流電源(例えば、未接地の発電機など)が接続されている場合、またはモータ3および接続ケーブルに浮遊容量Csが存在しない場合(モータ3が未接地である場合)、U相、V相およびW相の各出力端子は、ほぼフローティングポテンシャルとなる。したがって、この場合における検出電圧には、交流成分が現れない。
なお、図3、図4、図6および図7に示した電圧波形は、あくまでも概略的なもの(おおよそこのような波形になるというもの)であり、実際の波形としては、浮遊容量などの条件に応じて多少変化することがある。
本実施形態では、上記したような検出電圧の電圧波形の違いに着目し、システム検出部6は、次の2つの判断手法のいずれかにより交流電源2の電源システムを検出する。
[第1判断手法]
この場合、システム検出部6は、交流電源2の周波数を予め記憶している必要がある。そのため、インバータ装置1は、接続される交流電源2の周波数が50Hzおよび60Hzのいずれであるかを検出する構成、またはユーザの入力操作などにより交流電源2の周波数を取得するための構成を備えている。
第1判断手法では、システム検出部6は、検出電圧の基本周波数が交流電源2の周波数(50Hzまたは60Hz)と同じ周波数である場合には交流電源2が相接地の電源システムであると判断し、検出電圧の基本周波数が交流電源2の周波数の3倍の周波数と同じ周波数である場合には交流電源2が中性点接地の電源システムであると判断する。なお、本明細書における「同じ周波数」とは、周波数が完全に一致するものだけでなく、目的とする効果(電源システムの検出)を奏するものであれば、周波数に若干の差があり厳密には一致していないようなものも含む。
また、システム検出部6は、検出電圧の基本周波数を検出することができない場合、または検出電圧の基本周波数が交流電源2の周波数と異なるとともに交流電源2の3倍の周波数とも異なる場合、交流電源2が未接地の電源システムであるか、またはモータ3が未接地の状態であると判断する。
[第2判断手法]
この場合、システム検出部6は、交流電源2の周波数を予め記憶している必要はないため、インバータ装置1は、交流電源2の周波数を検出または取得する構成を備えていなくともよい。
第2判断手法では、システム検出部6は、検出電圧の基本周波数が所定のしきい値fthより低い場合には交流電源2が相接地の電源システムであると判断し、検出電圧の基本周波数がしきい値fth以上である場合、交流電源2が中性点接地の電源システムであると判断する。
ここで、しきい値fthは、下記(1)式を満たす値に設定される。ただし、faは、交流電源2の周波数の最大許容値(商用電源の場合、例えば、周波数許容誤差が5%であるとすると、63Hz)であり、fbは、交流電源2の周波数の最小許容値の3倍(商用電源の場合、例えば、周波数許容誤差が5%であるとすると、142.5Hz=3×47.5Hz)である。
fa<fth<fb …(1)
また、システム検出部6は、検出電圧の基本周波数を検出することができない場合、交流電源2が未接地の電源システムであるか、またはモータ3が未接地の状態であると判断する。
以上説明したように、本実施形態のインバータ装置1は、検出電圧の基本周波数に基づいて交流電源2の電源システムを検出するシステム検出部6を備えている。そして、システム検出部6の電源としては、インバータ部10の下アーム側スイッチング素子を駆動する駆動回路と共通のコモン電位を持つ電源を用いることができる。また、インバータ装置1として、インバータ部10の下アーム側スイッチング素子をPWM駆動するための駆動信号を生成するコントローラを有する場合には、そのコントローラを用いて検出電圧の基本周波数を検出可能である。したがって、本実施形態によれば、絶縁電源を別途設ける必要がなく、電圧検出部5を構成する2つの抵抗R1、R2など、少数の部品を追加するだけで、交流電源2の電源システムを検出することができる。つまり、本実施形態によれば、構成を簡略化しつつ、接続される交流電源2の電源システムを判別することができる。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について、図8を参照して説明する。
図8に示すように、本実施形態のインバータ装置21は、第1の実施形態のインバータ装置1に対し、動作実行部22が追加されている点が異なる。
この場合、システム検出部6は、交流電源2の電源システムの検出結果を表す信号を動作実行部22に与えるようになっている。動作実行部22は、検出された交流電源2の電源システムに対応した所定の動作を実行する。
続いて、動作実行部22が実行する所定の動作の2つの具体例について説明する。
[1]具体例1
インバータ装置21には、色々な種類の交流電源2が接続される可能性があるが、インバータ装置21の仕様として、何ら制限なく使用可能とする交流電源2の種類が限定される場合がある。例えば、Δ結線(相接地)の交流電源2が接続された場合には、Y結線(中性点接地)の交流電源2が接続された場合に比べ、インバータ装置21に印加される対地電圧が高くなる。そのため、インバータ装置21に用いられる回路素子(例えば、フィルタ基板上の接地コンデンサなど)の許容電圧の関係上、インバータ装置21の仕様として、Y結線の交流電源2の使用は何ら制限を課すことなく許容するが、Δ結線の交流電源2の使用は制限無しでは許容しない(使用不可とする)ことがある。
なお、この場合の制限としては、例えば、フィルタ基板上の接地コンデンサをアースから機械接点などを用いて切り離す、つまり接地コンデンサの機能を無効化する、といったものが挙げられる。
そこで、具体例1では、動作実行部22は、検出された交流電源2の電源システムがインバータ装置21の仕様として許容されない電源システムであるとき、その旨をユーザに報知する動作、つまり警告動作を実行する。すなわち、この場合、インバータ装置21またはその周辺装置は、ディスプレイなどの表示装置を備えている。そして、動作実行部22は、上記警告動作として、接続された交流電源2がインバータ装置21の仕様として許容されない電源システムであることを上記ディスプレイに表示させるための信号を出力するといった動作を行う。
[2]具体例2
具体例2では、動作実行部22は、検出された交流電源2の電源システムがインバータ装置21の仕様として許容されない電源システムであるとき、交流電源2からコンバータ部9に至る電力供給経路を遮断する遮断動作を実行する。すなわち、この場合、インバータ装置21またはその周辺装置は、交流電源2から整流回路7への電力供給経路を開閉する回路遮断器を備えている。そして、動作実行部22は、上記遮断動作として、上記回路遮断器に対し交流電源2から整流回路7への電力供給を遮断させるための信号を出力するといった動作を行う。なお、上記回路遮断器は、インバータ装置21の内部に設けてもよいし、外部に設けてもよい。
以上説明したように、本実施形態のインバータ装置21は、検出された交流電源2の電源システムに対応した所定の動作を実行する動作実行部22を備えている。したがって、例えば、交流電源2がインバータ装置21の仕様として許容されない電源システムの交流電源2が接続された場合などに、その旨をユーザに報知する警告動作を実行したり、交流電源2とインバータ装置21の間を遮断したりすることが可能となる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について、図9を参照して説明する。
図9に示すように、本実施形態のインバータ装置31は、第2の実施形態のインバータ装置21に対し、ノイズフィルタ部32および開閉部33が追加されている点が異なる。
ノイズフィルタ部32は、インバータ部10のスイッチング動作に伴い生じる高周波の漏れ電流を抑制するためのものであり、交流電源2からコンバータ部9に至る電力供給経路に設けられ、一方の端子がアース端子に接続される接地コンデンサを含んでいる。開閉部33は、ノイズフィルタ部32の接地コンデンサとアース端子との間を開閉するリレーなどにより構成されている。
この場合、動作実行部22は、検出された交流電源2の電源システムに応じて開閉部33の状態を切り替える動作を実行する。すなわち、従来技術の説明でも述べたように、高周波の漏れ電流を抑制するためのノイズフィルタ部32を備えるインバータ装置31では、中性点接地の交流電源2が接続された場合には交流電源周波数の漏れ電流は比較的小さいため問題が生じないが、相接地の交流電源2が接続された場合には、交流電源周波数の漏れ電流が比較的大きくなり問題が生じるおそれがある。
そこで、動作実行部22は、検出された交流電源2の電源システムが中性点接地の電源システムであるとき、開閉部33のリレーを閉じ、ノイズフィルタ部32の接地コンデンサの一端をアース端子に接続する。これにより、ノイズフィルタ部32の機能が有効化され、その結果、高周波の漏れ電流を低く抑えることができる。
また、動作実行部22は、検出された交流電源2の電源システムが相接地の電源システムであるとき、開閉部33のリレーを開き、ノイズフィルタ部32の接地コンデンサの一端とアース端子との間を切り離す。これにより、ノイズフィルタ部32の機能が無効化され、その結果、交流電源2の周波数の漏れ電流を低く抑えることができる。さらに、ノイズフィルタ部32の接地コンデンサに対する電圧ストレスも軽減される。
(第4実施形態)
以下、第4実施形態について、図10〜図12を参照して説明する。
図10に示すように、本実施形態のインバータ装置41は、第1実施形態のインバータ装置1に対し、電圧検出部5に代えて電圧検出部42を備えている点が異なる。
電圧検出部42を構成する抵抗R41、R42は、直流電源線L1とインバータ部10のU相の出力端子との間に直列接続されている。つまり、電圧検出部42は、直流電源線L1およびU相の出力端子の間の電圧を分圧して検出する。なお、電圧検出部42は、直流電源線L1およびインバータ部10のV相またはW相の出力端子の間の電圧を分圧して検出する構成でもよい。システム検出部6には、電圧検出部42により検出された電圧(以下、検出電圧と呼ぶ)が入力されている。
上記構成のインバータ装置41に対し、中性点接地の電源システムの交流電源2が接続されている場合における直流電源線L1の対地電位は、図11において太線で示すような電圧波形となる。したがって、この場合の検出電圧は、第1実施形態と同様の波形となる(図4参照)。そのため、この場合、検出電圧の基本周波数は、第1実施形態と同様、交流電源2の周波数の3倍の周波数となる。また、インバータ装置41に対し、相接地の電源システムの交流電源2が接続されている場合における直流電源線L1の対地電位は、図12において太線で示すような電圧波形となる。したがって、この場合の検出電圧は、第1実施形態と同様の波形となる(図7参照)。そのため、この場合、検出電圧の基本周波数は、第1実施形態と同様、交流電源2の周波数と同じ周波数となる。
したがって、本実施形態のように、直流電源線L1とインバータ部10の各相出力端子のうちいずれか1つの出力端子(例えばU相の出力端子)との間の電圧を検出する構成であっても、その検出した電圧の基本周波数に基づいて、第1実施形態と同様の手法により交流電源2の電源システムを検出することができる。また、この場合も、システム検出部6の電源としては、インバータ部10の上アーム側スイッチング素子を駆動する駆動回路と共通のコモン電位を持つ電源を用いることができるため、絶縁電源を別途設ける必要がなく、簡易な構成で実現することができる。
(その他の実施形態)
本発明は、上記各実施形態で例示した3相のモータ3を駆動するインバータ装置1、21、31、41に限らず、3相の交流電源2から入力された交流を直流に変換し、その直流を交流に変換して出力する電力変換装置全般に適用することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や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。
図面中、1、21、31、41はインバータ装置(電力変換装置)、3はモータ(負荷)、5、42は電圧検出部、6はシステム検出部、9はコンバータ部、10はインバータ部、22は動作実行部、32はノイズフィルタ部、33は開閉部を示す。

Claims (10)

  1. 3相の交流電源より供給される交流を直流に変換し、一対の直流電源線を介して出力するコンバータ部と、
    前記コンバータ部から出力される直流を所定の周波数を持つ交流に変換して負荷に出力するインバータ部と、
    前記一対の直流電源線のいずれか一方と前記インバータ部の出力端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部により検出された電圧の基本周波数に基づいて前記交流電源の電源システムを検出するシステム検出部と、
    を備える電力変換装置。
  2. 前記システム検出部は、
    前記検出した電圧の基本周波数が前記交流電源の周波数と同じ周波数である場合、前記交流電源が相接地の電源システムであると判断し、
    前記検出した電圧の基本周波数が前記交流電源の周波数の3倍の周波数と同じ周波数である場合、前記交流電源が中性点接地の電源システムであると判断する請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記システム検出部は、
    前記検出した電圧の基本周波数が前記交流電源の周波数を含む所定の第1範囲内の周波数である場合、前記交流電源が相接地の電源システムであると判断し、
    前記検出した電圧の基本周波数が前記交流電源の周波数の3倍の周波数を含む所定の第2範囲内の周波数である場合、前記交流電源が中性点接地の電源システムであると判断する請求項1に記載の電力変換装置。
  4. 前記システム検出部は、
    前記検出した電圧の基本周波数が検出できない場合、または、前記検出した電圧の基本周波数が、前記交流電源が相接地の電源システムであると判断する周波数および前記交流電源が中性点接地の電源システムであると判断する周波数のいずれとも異なる場合、前記交流電源が未接地の電源システムであるか、または前記負荷が未接地の状態であると判断する請求項2または3に記載の電力変換装置。
  5. さらに、前記システム検出部により検出された前記交流電源の電源システムに対応した所定の動作を実行する動作実行部を備える請求項1から4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. さらに、
    前記交流電源から前記コンバータ部に至る電力供給経路に設けられ、一方の端子がアース端子に接続される接地コンデンサを含むノイズフィルタ部と、
    前記接地コンデンサと前記アース端子との間を開閉する開閉部と、を備え、
    前記動作実行部は、検出された前記交流電源の電源システムに応じて前記開閉部の状態を切り替える動作を実行する請求項5に記載の電力変換装置。
  7. 前記動作実行部は、検出された前記交流電源の電源システムが装置の仕様として許容されない電源システムであるとき、その旨をユーザに報知する動作を実行する請求項5に記載の電力変換装置。
  8. 前記動作実行部は、検出された前記交流電源の電源システムが装置の仕様として許容されない電源システムであるとき、前記交流電源から前記コンバータ部に至る電力供給経路を遮断する動作を実行可能である請求項5に記載の電力変換装置。
  9. 前記システム検出部は、装置の起動時に前記交流電源の電源システムを検出する請求項1から8のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  10. 前記インバータ部は、前記コンバータ部から出力される直流を所定の周波数を持つ3相の交流に変換して前記負荷であるモータに供給する請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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