JP4722541B2 - 電源装置およびこれを用いた空気調和機 - Google Patents

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本発明は、ブリッジ整流回路を利用した整流方式を用い、装置、システム等に高力率、低ひずみで電力を供給する電源装置に関するものである。
従来、高力率で高調波を抑制した低ひずみを実現する従来の電源装置として、全波整流回路にコンデンサを付加した装置が考案されている(例えば、特許文献1参照)。
図9は、特許文献1に記載された従来の電源装置を示すものである。図9に示すように、交流電源1と、ダイオード2〜5より構成されたブリッジ整流回路6と、平滑コンデンサ7と、リアクタ30と、双方向スイッチ9と、コンデンサ10と、ゼロクロス検出手段12と、双方向スイッチ駆動信号生成手段13と、双方向スイッチ駆動手段14から構成されている。
図10は前記従来の電源装置の各部動作波形である。同図を用いてその動作を説明する。
交流電圧の正の半周期において、そのゼロクロス点から△dだけ遅らせて双方向スイッチ9がオンされると、交流電源1−リアクタ30−ダイオード2−平滑コンデンサ7−双方向スイッチ9−コンデンサ10−交流電源1の経路で直列共振電流が流れ、コンデンサ10の電荷が平滑コンデンサ7へ放電される。双方向スイッチ9のオンから△t後に双方向スイッチ9をオフすると、リアクタ30に流れる電流はダイオード2、5を通って通常の全波整流動作として継続される。次に交流電圧の負の半周期において、そのゼロクロス点から△dだけ遅らせて双方向スイッチ9がオンされると、交流電源1−コンデンサ10−双方向スイッチ9−ダイオード3−リアクタ30−交流電源1の経路でコンデンサ10に直列共振の充電電流が流れる。さらに△t後に双方向スイッチ9をオフすると、リアクタ30に流れる電流はダイオード4、3を通って通常の全波整流動作として継続される。
以上の構成、動作において、リアクタ30のインダクタンス、コンデンサ10の静電容量を適当に選定し、前記△d、△tを負荷に応じて適当に設定することにより、図10(c)に示す通り高調波を抑制しながら高力率を実現するとともに、リアクタ30とコンデンサ10の昇圧作用により直流出力電圧を制御することができるというものである。
特開2002−223571号公報
しかしながら、前記のような従来の電源装置では、比較的小容量の電源装置では良好な特性を有するが、電源を大容量化しようとすると直流出力電圧および力率が低下してしまうという課題を有していた。特にIEC高調波規制をクリアする大容量電源を実現するためにはリアクタ30のインダクタンスを大きくする必要があり、その結果リアクタ30による電圧降下が大きくなって直流出力電圧が低下するとともに、入力電流と電源電圧の位相のずれが増大することにより力率が低下するという課題を有していた。
本発明の電源装置は、前記のような従来の課題を解決するものであり、大出力時も直流出力電圧および力率の低下を抑制できる電源装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の電源装置は、前記リアクタのインダクタンス特性として、それに流れる電流が所定値より大きい大電流領域のインダクタンスが、所定値より小さい小電流領域のインダクタンスより小さくなるという特性を持たせたものである。
本発明の電源装置は、交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する4個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された平滑コンデンサとを有する電源装置であって、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の交流入力端との間に接続されリアクタと、前記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記交流電源の電圧の位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段の信号に基づき前記双方向スイッチを制御する双方向スイッチ制御手段とを備え、前記リアクタのインダクタンスは、前記リアクタに流れる電流が所定値より小さい場合に比べて、前記所定値より大きい場合の方が小さいことにより、大出力時のリアクタでの電圧降下と電流位相遅れを抑制し、出力電圧と力率の低下を回避することができる。
本発明の電源装置によれば、大出力時にリアクタのインダクタンスが小さくなるため、リアクタの電圧降下が小さくなるとともに電流位相の遅れも低減されるため、出力電圧の低下を抑制できるとともに、入力電流と電源電圧の位相のずれが小さくなることにより力率低下を抑制できることとなる。
このようにして出力電圧制御を行ないながら、大出力時にも直流出力電圧および力率の低下を抑制することができる。
また、本発明の空気調和機は前記電源装置を搭載することにより、高調波を抑制した運転と圧縮機駆動効率の向上、最大出力の増大を実現することができる。
実施の形態を説明する前に、まず本発明の基本的概念について説明する。
図1は、本発明に係る電源装置の構成の一実施形態を示している。(a)〜(d)に示した電源装置は、4つのダイオード2〜5で形成されたブリッジ整流回路6と、交流電源1とを備えている。交流電源1とブリッジ整流回路6の交流入力端との間にはリアクタ8が、ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間にはコンデンサ10が接続されている。
図1(a)、(b)に示した構成図では、コンデンサ10はブリッジ整流回路6の交流入力端6aまたは6bと、負の直流出力端6dとの間に双方向スイッチ9を介して接続されており、図1(c)、(d)に示した構成図では、コンデンサ10はブリッジ整流回路6の交流入力端6aまたは6bと、正の直流出力端6cとの間に接続されている。
また、ブリッジ整流回路6の正の直流出力端6cと、負の直流出力端6dとの間には、平滑コンデンサ7が接続されている。この平滑コンデンサ7により、ブリッジ整流回路6によって得られた変化の激しい直流を滑らかな直流にすることができる。
さらに、交流電源1の電圧についてゼロクロス点等の位相を検出する位相検出手段12と、位相検出手段12の出力に基づき双方向スイッチ9の駆動信号を生成する双方向スイッチ駆動信号生成手段13と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段13の出力に基づき双方向スイッチ9の駆動を行う双方向スイッチ駆動手段14を有している。なお、図1(b)〜(d)では位相検出手段12、双方向スイッチ駆動信号生成手段13および双方向スイッチ駆動手段14の記載を省略している。
ここで、双方向スイッチ駆動信号生成手段13および双方向スイッチ駆動手段14は、まとめて双方向スイッチ制御手段を構成する。
以下、図2(a)〜(d)を用いて、図1(a)に示した電源装置の動作について説明する。
図2(a)、(b)は交流入力電圧Viが正の半周期の間を示し、図2(c)、(d)は負の半周期の間を示している。また、図3(a)、(b)は図1(a)に示した電源装置についてViを200V、Lを10mH、Cを300μF、Coを1800μFとした場合の実施形態の各波形を示したものである。
図3(a)は、交流入力電圧Vi、リアクタ8を流れる電流(交流入力電流)IL、直流出力電圧Vo、および双方向スイッチ9の駆動信号Vgの各波形を、図3(b)は、交流入力電圧Vi、コンデンサ10を流れる電流Ic、およびコンデンサ10の両端間電圧Vcの各波形を示している。
上記構成において、交流入力電圧Viが正の交流半周期のゼロクロス直後では、双方向スイッチ9はオフされており、直流出力電圧Voが交流入力電圧Viより高く、ダイオード2、5が逆バイアスされているため入力電流は流れない。
なお、この時コンデンサ10は前周期で充電された結果、図示の極性で電圧Vc1を有する。交流入力電圧Viの負から正へのゼロクロス点からの所定時間Δd後に、双方向スイッチ駆動信号生成手段13は双方向スイッチ9のオン信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段14により双方向スイッチ9がオンされると、図2(a)の矢印に示すように電流が流れる。すなわち交流電源1から順に、リアクタ8、ダイオード2、平滑コンデンサ7、コンデンサ10に電流が流れ、コンデンサ10は放電してその電圧はVc1より低下する。なお、この双方向スイッチ9のオン時点で交流入力電圧Viとコンデンサ10の電圧Vc1の和が平滑コンデンサ7の電圧Voより大きくなるようにゼロクロス点からの所定時間Δdを選ぶものとする。
そして、双方向スイッチ9のオン時点からの所定時間Δt後に双方向スイッチ駆動信号生成手段13は双方向スイッチ9のオフ信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段14により双方向スイッチ9がオフされると、コンデンサ10はその時点の電圧Vc2を保持しながら、電流は図2(b)に示すように交流電源1からリアクタ8、ダイオード2、平滑コンデンサ7、ダイオード5の順に流れ、交流入力電圧Viの低下によりやがてゼロとなる。
交流入力電圧Viが負の交流半周期のゼロクロス直後では、双方向スイッチ9はオフされており、直流出力電圧Voが交流入力電圧Viより高く、ダイオード3、4が逆バイアスされているため入力電流は流れない。交流入力電圧Viの正から負へのゼロクロス点からの所定時間Δd後に双方向スイッチ駆動信号生成手段13は双方向スイッチ9のオン信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段14により双方向スイッチ9がオンされると、図2(c)の矢印に示すように電流が流れる。すなわち交流電源1から順に、コンデンサ10、ダイオード3、リアクタ8と電流が流れ、コンデンサ10は充電される。そして、双方向スイッチ9のオン時点からの所定時間Δt後に双方向スイッチ駆動信号生成手段13は双方向スイッチ9のオフ信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段14により双方向スイッチ9がオフされると、コンデンサ10は電圧Vc1まで充電された状態でその電圧を保持し、電流は図2(d)に示すように交流電源1から、ダイオード4、平滑コンデンサ7、ダイオード3、リアクタ8の順に流れ、交流入力電圧Viの低下によりやがてゼロとなる。
以上のようにコンデンサ10を充放電させることにより、入力電圧のゼロクロスに近いところから入力電流を流せることとなるため、高力率化が図れる。
また、オン時点からの所定時間Δtを増加することによりリアクタ8への磁気エネルギー蓄積量およびコンデンサ10への充電量を増加させ、出力電圧Voを増加することができる。同様にオン時点からの所定時間Δtを減少させることにより出力電圧Voを減少させることができ、オン時点からの所定時間Δtの増減により出力電圧Voを可変できることとなる。
さらに、電流はリアクタ8と、コンデンサ10または平滑コンデンサ7との直列共振電流となるため、昇圧回路で一般的に用いられるリアクタの短絡回路より電流の急増が抑制でき、リアクタ8のうなりを抑制できることとなる。さらに電流はリアクタ8と、コンデンサ10または平滑コンデンサ7との直列共振電流となり、高周波のリンギング成分を含まないため、リアクタ8のインダクタンスLとコンデンサ10のキャパシタンスC、ゼロクロス点からの所定時間Δd、オン時点からの所定時間Δtを適当に選ぶことにより、高調波を適切に抑制することができる。図3(c)に入力電流の高調波成分と高調波規制国内ガイドライン15との比較の一例を示している。本図では、横軸が高調波の次数、縦軸が電流値を示している。
以上、図1(a)に示した電源装置の動作について説明したが、図1(b)〜(d)に示した何れの電源装置についても動作は同様であり説明は省略する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1におけるリアクタ8のインダクタンス特性は、図4に示すようになる。ここで、リアクタ8を、0からImaxの電流領域で使用する。このような使用電流領域におけるリアクタ8のインダクタンスの特性は、次の通りである。所定値Iaより小さい小電流領域では、電流値に関わらずほぼ一定の値L1となり、電流が所定値Iaより大きい大電流領域では、電流の増加に伴い低減する。このようなリアクタは、一般的に可飽和リアクタと呼ばれる。大電流領域におけるインダクタンスの低減特性は、リアクタ8のコア、例えば鉄心の磁束飽和特性により生じる。したがってリアクタ8のコア材料や、コアの形状、空間ギャップ形状を調整すれば、最大Imaxまでの使用電流領域内において磁束飽和特性を有する大電流領域を含ませることができる。更に、大電流領域におけるインダクタンスの低減特性を、所望の特性に設定することが可能となる。
ここでは電流の所定値Iaは、IEC電源高調波規制の上限電流値である16Aと設定されている。また、前記インダクタンスL1はコンデンサ10の静電容量とともに、双方向スイッチ9を適切にオン、オフすることによりIEC電源高調波規制をクリアできる定数にあらかじめ設定されている。
以上の構成において図1(a)の回路動作を説明する。比較的入力電力の小さい時は図3に示した通り、双方向スイッチ9のオン時間は比較的短く、コンデンサ10の電圧Vcも変動分が少なく直流バイアスされた状態となる。出力が大きくなるにつれて高調波の抑制と直流出力電圧の維持のために、図3の△dを減少し、かつ△tを増加してゆく。さらに出力が大きくなると△d=0とし、電圧のゼロクロスから双方向スイッチ9をオンさせることとなる。また、出力の増加に伴いコンデンサ10の電圧Vcの変動幅が大きくなり、やがてゼロと直流出力電圧Voとの間で変動することとなる。図5(a)、(b)は入力電流、すなわちリアクタ8に流れる電流がほぼ所定値Iaである16A近辺となる入力電力3.5kW時の各部動作波形例で、電源電圧を230V、50Hz、平滑コンデンサ7の静電容量を3300μF、コンデンサ10の静電容量を100μFとしている。また、リアクタ8のインダクタンスは図4のL1に相当する値として18mHに設定されている。この動作点では直流出力電圧が約268V、力率が96%と良好な特性を有している。また、入力電流の高調波も図5(c)に示す通り、IEC高調波規制値15を下回っている。
ここでリアクタ8が通常のインダクタンス特性を有している、すなわち所定値Ia以上の電流においても18mHを維持している場合に、さらに負荷を増大して、入力電力が5.0kWになった時の入力電流ILと直流出力電圧Voを図6(a)に示す。この動作点では直流出力電圧が約200Vと大幅に低下しており、例えばこの電源装置をDCモータ駆動電源として用いる場合に所望のモータ最高回転数が得られない等、電源装置の用途によって支障が生じることが考えられる。また、入力電流ILは電源電圧Viと大きく位相がずれており、その結果力率は約79%と大幅に低下してしまう。従がって通常のリアクタの適用では実用上はもっと小さい出力範囲に抑制されてしまい、出力の拡大ができないという課題を招く。
本実施例ではリアクタ8のインダクタンス特性を図4に示す通り、電流が所定値Iaを超えると急減する特性としているため、入力電力が大きい大電流領域ではリアクタ8のインダクタンスが減少し、その結果リアクタ8での電圧降下、電流位相遅れが低減されるため、出力電圧の低下、電流位相のずれを抑制することが可能となる。図6(b)は入力電力5.0kW時にリアクタ8のインダクタンスが前記L1の約70%に低減する特性とした時の各部波形例である。出力電圧Voは約248Vと高い値を維持している。また、電源電圧Viと入力電流ILの位相のずれも少ないため、力率も約90%を維持している。
なお、図1(b)、(c)、(d)の動作も上記と同様のため説明は省略する。この図1(b)、(c)、(d)では、位相検出手段12と、双方向スイッチ駆動信号生成手段13と、双方向スイッチ駆動手段14は図示を省略している。
以上のように、リアクタ8に図4に示すようなインダクタンス特性をもたせることにより、大出力時にも直流出力電圧と力率の低下を抑制することができる。また、大電流領域でのインダクタンスが小さいことからリアクタの最大蓄積エネルギーも抑制することができ、リアクタを小型化することができる。
なお、リアクタ8は電流容量および製品サイズによって複数のリアクタの直列、並列接続により構成することも可能である。
(実施の形態2)
本発明の電源装置の構成では、リアクタ8のインダクタンスが大きい方が電源高調波をより抑制できるという特性を有する。一方でインダクタンスの増加は上記の通り大電流領域での電圧降下、電流位相ずれ、リアクタの大型化という弊害をもたらす。以上のことを踏まえ、実施の形態2ではリアクタ8のインダクタンス特性を図7に示すように、Imaxまでの使用電流領域において、電流がほぼ0の時のインダクタンスを前記L1より大きい値に設定し、流れる電流が所定値Iaより小さい小電流領域では電流の増加に伴いインダクタンスが漸減し、所定値IaにてL1となり、所定値Iaより大きい大電流領域では電流の増加に伴いインダクタンスが急減する特性を持たせている。大電流領域での電流増加に対するインダクタンスの減少率は実施の形態1と同様である。
上記構成によれば、入力電流が小さい小電流領域においてはリアクタ8のインダクタンスを大きくできるため、電源高調波をより抑制することができる。また、実際のリアクタの設計においては、図4に示したように、小電流領域においてインダクタンスをほぼ一定とするよりも、図7に示したように電流の増加に対して漸減するようにした方が、コアの空間ギャップを小さくすることができ、リアクタの小型化が可能となる。
以上のようにリアクタ8のインダクタンス特性を図7のようにすることにより、電源高調波のより一層の抑制とリアクタの小型化の両立が可能となる。
(実施の形態3)
図8は本発明の実施の形態3の空気調和機の制御構成図である。図8において実施の形態1もしくは実施の形態2と同じ構成要素には同じ符号を用い、説明を省略する。
本空気調和機は室外機と室内機に分かれており、室外機は実施の形態1もしくは実施の形態2に記載の電源装置により交流電源1の交流を直流に変換し、その直流をインバータ回路16にて可変電圧、可変周波数の交流に変換して圧縮機17のモータを可変速駆動する構成となっている。マイクロコンピュータ29は電源装置の双方向スイッチ9の駆動信号を生成するとともに、インバータ駆動18、室外ファン駆動19、4方弁駆動20を担うとともに温度センサ21の信号処理を行なうなど、空気調和機の室外機全体の制御を司っている。ノイズフィルタ22は室外機の交流電源取り込み口に設置され、室外機から発生する不要輻射をブロックしている。
室内機ではマイクロコンピュータ23が室内ファン駆動24、風向羽根駆動25、表示部駆動26を行なうとともに、温度センサ27、リモコン受信部28からの信号処理を行なうなど、室内機全体の制御を司っている。そして、これらのマイクロコンピュータ29、23が通信することにより空気調和機全体の制御を行なっている。
以上の構成における空気調和機は、リモコンからの運転指令に応じて室内外ファンモータ、風向羽根、4方弁等が適当に駆動されると同時に圧縮機17が適切な回転数で駆動され、所望の空調が行なわれる。
室外機の電源装置は負荷の変動によらず一定の直流電圧をインバータ回路16に供給するように制御されている。ここで実施の形態1もしくは実施の形態2で述べたように大電流領域でも直流電圧の低下が抑制できるために、圧縮機17の最高回転数を高くすることができ、空気調和機の最大出力を大きくすることができる。さらに大出力時にも高力率が維持できるため、空気調和機の最大電流を抑制することができる。また、圧縮機17のモータ巻線のターン数を増加し、モータ電流を抑制することにより省エネ運転が可能になる。また、実施の形態1、2で述べた通りリアクタ8を小型化できるため、室外機の小型軽量化が可能となる。さらに本発明の電源装置はリアクタ8に流れる電流が直列共振波形となるため、双方向スイッチ9を遮断した瞬間のリアクタ電流の変化が滑らかであり、リアクタのうなりを抑えることができるため、空気調和機の静音化が実現できる。また、本発明の電源装置は双方向スイッチ9を電源半周期に1回スイッチングさせるだけなので、そのスイッチングに伴う不要輻射がほとんど発生せず、その結果ノイズフィルタ22を簡単な構成とすることができるため、空気調和機の小型化、コストダウンが可能となる。
以上のように、本発明にかかる電源装置は、大出力時の高力率と出力電圧維持の両立が可能となるので、大出力のインバータエアコン等に適用できる。
本発明の実施の形態1における電源装置の構成図 本発明の実施の形態1における電源装置の動作説明図 本発明の実施の形態1における電源装置の波形特性図 本発明の実施の形態1におけるリアクタのインダクタンス特性図 本発明の実施の形態1における電源装置の電流の所定値Ia近辺の各部動作波形図および高調波成分とIEC高調波規制値の比較を示す特性図 (a)インダクタンス特性が一定の場合における大出力時の入力電流波形と出力電圧波形を示す波形図(b)本発明の実施の形態1における電源装置の大出力時の各部動作波形図 本発明の実施の形態2におけるリアクタのインダクタンス特性図 本発明の実施の形態3における空気調和機の制御構成図 従来の電源装置の構成図 従来の電源装置の一例に係る各部動作波形および高調波成分と高調波規制国内ガイドラインとの比較を示す特性図
符号の説明
1 交流電源
2〜5 ダイオード
6 ブリッジ整流回路
7 平滑コンデンサ
8 リアクタ
9 双方向スイッチ
10 コンデンサ
11 負荷

Claims (6)

  1. 交流電源と、
    前記交流電源からの交流を全波整流する4個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、
    前記ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された平滑コンデンサとを有する電源装置であって、
    前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の交流入力端との間に接続されたリアクタと、
    前記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、
    前記交流電源の電圧の位相を検出する位相検出手段と、
    前記位相検出手段の信号に基づき前記双方向スイッチを制御する双方向スイッチ制御手段とを備え、
    前記リアクタのインダクタンスは、前記リアクタに流れる電流が所定値より小さい場合に比べて、前記所定値より大きい場合の方が小さいことを特徴とする電源装置。
  2. 前記リアクタは、前記リアクタに流れる電流が前記所定値より小さい場合、電流の増加に伴いインダクタンスが大略一定または漸減し、前記所定値より大きい場合、電流の増加に伴いインダクタンスが急減する特性を有することを特徴とする、請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記リアクタの使用電流領域における電流最大値が、前記所定値より大きいことを特徴とする、請求項1または2に記載の電源装置。
  4. 交流を直流に変換する電源装置と、
    前記電源装置で変換された直流を可変電圧、可変周波数の交流に変換して、圧縮機を駆動する電動機に供給するインバータ装置とを備え、
    前記電源装置は、
    交流電源と、
    前記交流電源からの交流を全波整流する4個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、
    前記ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された平滑コンデンサとを有する電源装置であって、
    前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の交流入力端との間に接続されたリアクタと、
    前記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、
    前記交流電源の電圧の位相を検出する位相検出手段と、
    前記位相検出手段の信号に基づき前記双方向スイッチを制御する双方向スイッチ制御手段とを備え、
    前記リアクタのインダクタンスは、前記リアクタに流れる電流が所定値より小さい場合に比べて、前記所定値より大きい場合の方が小さいことを特徴とする空気調和機。
  5. 前記リアクタは、前記リアクタに流れる電流が前記所定値より小さい場合、電流の増加に伴いインダクタンスが大略一定または漸減し、前記所定値より大きい場合、電流の増加に伴いインダクタンスが急減する特性を有することを特徴とする、請求項4に記載の空気調和機。
  6. 前記リアクタの使用電流領域における電流最大値が、前記所定値より大きいことを特徴とする、請求項4または5に記載の空気調和機。
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