JP5236057B2 - AC / DC converter, control method for AC / DC converter, heat pump type water heater and air conditioner - Google Patents

AC / DC converter, control method for AC / DC converter, heat pump type water heater and air conditioner Download PDF

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Description

本発明は、高調波電流を抑制し、直流電圧を制御する交流直流変換装置及び交流直流変換装置の制御方法並びにこの交流直流変換装置を用いたヒートポンプ式給湯器及び空気調和機に関する。   The present invention relates to an AC / DC converter that suppresses harmonic current and controls a DC voltage, a control method for the AC / DC converter, a heat pump water heater and an air conditioner using the AC / DC converter.

従来の交流直流変換装置として、電源電圧のゼロクロス信号などにより、電源に同期させながら半周期に1回だけリアクタを介して電源短絡を行ないリアクタに電流を流してエネルギーを蓄積させた後、この蓄積エネルギーにより充電電流を流すことで、高調波電流を抑制し力率を改善するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a conventional AC / DC converter, the power supply is short-circuited through the reactor only once every half cycle while being synchronized with the power supply using a zero-cross signal of the power supply voltage, etc. It is known that a charging current is caused to flow by energy to suppress a harmonic current and improve a power factor (see, for example, Patent Document 1).

また、電源半周期に1回だけの電源短絡ではリアクタが大型化してしまう。そこで、電源半周期に2回以上短絡動作させることでリアクタを小型化するものが知られている(例えば、特許文献2参照)。   Further, the reactor becomes large when the power supply is short-circuited only once in a half cycle of the power supply. In view of this, there has been known one that reduces the size of a reactor by performing a short-circuit operation twice or more in a power supply half cycle (for example, see Patent Document 2).

さらに、全波整流と倍電圧整流を切替えるスイッチ手段と、電源短絡を行うためのスイッチ手段と、2つのスイッチ手段にて構成して、高調波電流を抑制し、力率改善するものが知られている(例えば、特許文献3、4参照)。   Furthermore, a switch means for switching between full-wave rectification and voltage doubler rectification, a switch means for performing a power supply short circuit, and two switch means are known to suppress harmonic current and improve power factor. (For example, see Patent Documents 3 and 4).

さらに、2つのスイッチ手段を交互にスイッチングすることでコンデンサ容量を低減するものや、スイッチングのオンタイミングをずらし、所定のオン時間スイッチングすることで力率改善するものが知られている(例えば、特許文献5、6参照)。   Furthermore, there are known ones that reduce the capacitor capacity by alternately switching two switch means, and those that improve the power factor by shifting the on-timing of switching and switching for a predetermined on-time (for example, patents) References 5 and 6).

また、スイッチ手段を高周波のPWMにて動作させることにより、入力電流を略正弦波状に制御して高調波を抑制し、力率改善を図るものが知られている。(例えば、特許文献7参照)。   Further, it is known that the switch means is operated by high-frequency PWM to control the input current in a substantially sine wave shape to suppress harmonics and improve the power factor. (For example, refer to Patent Document 7).

さらに、2つのスイッチング素子を動作させることにより、高調波電流を抑制しようとするものが知られている(例えば、特許文献8、非特許文献1参照)。   Furthermore, what is trying to suppress a harmonic current by operating two switching elements is known (for example, refer patent document 8, nonpatent literature 1).

特許第2763479号公報(第9頁〜第10頁、図1〜7)Japanese Patent No. 2763479 (pages 9 to 10, FIGS. 1 to 7) 特許第3485047号公報(第3頁〜第6頁、図1〜7)Japanese Patent No. 3485047 (pages 3 to 6, FIGS. 1 to 7) 特開2003−9535号公報(第4頁〜第7頁、図1〜図13)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-9535 (pages 4 to 7, FIGS. 1 to 13) 特許第3687641号公報(第7頁〜第9頁、図1〜図5)Japanese Patent No. 3687641 (pages 7-9, FIGS. 1-5) 特開2005−110491号公報(第17頁〜第25頁、図1〜4)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-110491 (pages 17 to 25, FIGS. 1 to 4) 特開2008−99512号公報(第5頁〜第10頁、図1〜図15)JP 2008-99512 A (Pages 5 to 10, FIGS. 1 to 15) 特許第2140103号公報(第2頁、図4)Japanese Patent No. 2140103 (second page, FIG. 4) 特開2008−22625号公報(第4頁〜第5頁、図1〜4)JP 2008-22625 A (Pages 4 to 5, FIGS. 1 to 4)

星伸一、大口國臣、「単相マルチレベル整流回路のスイッチングパターン決定法」、H17年度電気学会産業応用部門大会、No.1−61(第2頁、図3)Shinichi Hoshi, Kuniomi Oguchi, “Switching pattern determination method for single-phase multi-level rectifier circuit”, H17 Annual Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, No. 1-61 (2nd page, FIG. 3)

特許文献1で示される従来の技術は、非常に単純な制御であり、電源半周期でのスイッチ手段の動作は、100Hzもしくは120Hzでの比較的低周波のスイッチングとなり、発生ノイズも少なく、安価に高調波電流抑制を実現できる方式として広く実用化されている。   The conventional technique shown in Patent Document 1 is very simple control, and the operation of the switch means in the half cycle of the power supply is switching at a relatively low frequency at 100 Hz or 120 Hz, generating less noise, and inexpensive. Widely used as a method that can realize harmonic current suppression.

一方、電源から流入する入力電流に含まれる高調波電流には限度値が決められており、その限度値以下に抑制する必要がある。しかし、上記特許文献1に記載された技術によって限度値以下へ高調波電流を抑制しようとする場合、インピーダンスを所定値より大きくする必要があるが、スイッチング周波数は比較的低いため、インダクタンス値を大きくする必要があり、リアクタの大型化を招いてしまうという課題があった。   On the other hand, a limit value is determined for the harmonic current included in the input current flowing from the power source, and it is necessary to suppress it to the limit value or less. However, when the harmonic current is to be suppressed below the limit value by the technique described in Patent Document 1, the impedance needs to be larger than a predetermined value. However, since the switching frequency is relatively low, the inductance value is increased. Therefore, there is a problem that the size of the reactor is increased.

そこで、特許文献2には、スイッチ手段の短絡動作の回数を増加させることで高調波抑制性能を変えることなく、リアクタを小型化する技術が示されているが、消費電力が増加し、入力電流が増加すると、インダクタンス値は同一でもリアクタの大型化を招いてしまうという課題があった。   Therefore, Patent Document 2 discloses a technique for downsizing the reactor without changing the harmonic suppression performance by increasing the number of short-circuit operations of the switch means, but the power consumption increases and the input current increases. However, there is a problem that the reactor becomes large even if the inductance value is the same.

そこで、特許文献7に示す高周波のPWM(この文献には特に周波数に対しての記載はないが一般的には15〜20kHz以上のスイッチング周波数にてスイッチ手段を動作させる技術)によれば、入力電流が略正弦波となり、高調波電流は激減する。また、出力される直流電圧をPWMのデユーティを調整することで基準電圧(スイッチ手段がオフしている時の直流電圧)よりも高く昇圧することは、理論的に可能であり、リアクタが磁気飽和するまで昇圧可能である。   Therefore, according to the high frequency PWM shown in Patent Document 7 (in this document, there is no particular description about the frequency, but in general, a technique for operating the switching means at a switching frequency of 15 to 20 kHz or more) The current becomes a substantially sine wave, and the harmonic current decreases drastically. In addition, it is theoretically possible to boost the output DC voltage higher than the reference voltage (DC voltage when the switch means is off) by adjusting the PWM duty factor. The pressure can be increased until

しかしながら、この高周波のPWMは、入力電流を検出し、入力電流を略正弦波化する電流制御であるため、高速な制御処理を必要とし、高周波なPWM制御が必要となる。従って、発生ノイズが多く、ノイズ対策のためのコストが膨大となる。また、高速な制御が必要であるため、処理性能の高いマイコンや専用ICによるアナログ制御のための複雑な周辺回路を用いる必要があり、高価であるという課題があった。   However, this high-frequency PWM is current control that detects an input current and converts the input current into a substantially sine wave, and therefore requires high-speed control processing and high-frequency PWM control. Therefore, there are many generated noises, and the cost for noise countermeasures is enormous. In addition, since high-speed control is required, it is necessary to use a complicated peripheral circuit for analog control by a microcomputer having high processing performance or a dedicated IC, and there is a problem that it is expensive.

また、特許文献3および特許文献4で示される従来技術では、全波整流と倍電圧整流とを切替えるスイッチ手段と、電源短絡を行うスイッチ手段とを設けることにより、直流電圧の可変範囲は広くなるが、比較的低周波のスイッチングであるため、リアクタの大型化を招くという課題は解決出来ない。   Moreover, in the prior art shown by patent document 3 and patent document 4, the variable range of direct-current voltage becomes wide by providing the switch means which switches full wave rectification and voltage doubler rectification, and the switch means which performs a power supply short circuit. However, since the switching is relatively low frequency, the problem of increasing the size of the reactor cannot be solved.

さらに、特許文献5で示される従来技術では、電源周波数より高い周波数(文献では例えば、1/1000秒)にて相補的にスイッチングを行うことでコンデンサを小容量化することは可能となるが、コンデンサ小容量化のためのスイッチングであり、相補的なスイッチングでは電源高調波電流の低減には課題があった。   Furthermore, in the prior art shown in Patent Document 5, it is possible to reduce the capacitance of the capacitor by performing complementary switching at a frequency higher than the power supply frequency (for example, 1/1000 second in the literature) This is switching for reducing the capacity of the capacitor, and complementary switching has a problem in reducing the power supply harmonic current.

また、特許文献6では特許文献1や2で示される技術に対し、スイッチング素子を2個にし、そのオン時間の組合せによって、リアクタから発生する磁気音を抑制するといった技術が示されているが、この技術でもリアクタの小型化には限界があった。   In addition, Patent Document 6 shows a technique in which two switching elements are used with respect to the technique shown in Patent Documents 1 and 2, and the magnetic sound generated from the reactor is suppressed by a combination of the ON times. Even with this technology, there was a limit to miniaturization of the reactor.

さらに、特許文献8では特許文献7で示される高周波のPWMを2個のスイッチング素子を用いて行う技術が示されているが、これも電流を検出して制御内部に取込む電流制御であるため、高周波なPWM制御が必要となり、高価であるという課題は解決出来ない。   Further, Patent Document 8 discloses a technique for performing high-frequency PWM shown in Patent Document 7 using two switching elements. However, this is also current control in which current is detected and taken into the control. High frequency PWM control is required, and the problem of high cost cannot be solved.

非特許文献1では2つのスイッチ手段で整流器の入力電圧のレベルを増加させることで入力電流の高調波を抑制する技術が示されており、この技術によれば、比較的低周波のスイッチングでもリアクタを小型化することが可能である。この技術は、直流電圧を制御したり消費電力が変化したりするなどの動作条件が変化することを想定して、GA(遺伝的アルゴリズム)によりスイッチ手段のオン・オフタイミングを演算しておくというものである。しかしながら、GAは複雑な演算と世代交代を繰返した後でなければ、パラメータが決定されないと言う点でマイコンなどの制御CPUに搭載することに課題があり、予め演算したパラメータをメモリなどに記憶させておく必要があり、機種数の多い製品への実用は開発期間が長くかかり、また、記憶量も多く、実用上の難があった。   Non-Patent Document 1 discloses a technique for suppressing the harmonics of the input current by increasing the level of the input voltage of the rectifier using two switch means. According to this technique, the reactor can be operated even at relatively low frequency switching. Can be miniaturized. This technology calculates the on / off timing of switch means by GA (genetic algorithm) on the assumption that operating conditions change, such as controlling DC voltage or changing power consumption. Is. However, GA has a problem in mounting it in a control CPU such as a microcomputer in that a parameter is not determined unless it is repeated complicated calculation and generation change, and the previously calculated parameter is stored in a memory or the like. Therefore, it takes a long time to develop a product with a large number of models, and it has a large amount of memory, which causes practical difficulties.

この発明は、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、高周波PWMよりも安価に高調波電流を抑制し、力率改善を図ることができる交流直流変換装置及び交流直流変換装置の制御方法並びにこの交流直流変換装置を用いたヒートポンプ式給湯器及び空気調和機を得ることにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and a first object of the present invention is to suppress the harmonic current at a lower cost than the high-frequency PWM and to improve the power factor. And a method for controlling the AC / DC converter, and a heat pump type water heater and an air conditioner using the AC / DC converter.

また、第2の目的はリアクタの小型化を図ることができる交流直流変換装置及び交流直流変換装置の制御方法並びにこの交流直流変換装置を用いたヒートポンプ式給湯器及び空気調和機を得ることにある。   A second object is to obtain an AC / DC converter, a control method for the AC / DC converter, and a heat pump water heater and an air conditioner using the AC / DC converter that can reduce the size of the reactor. .

また、第3の目的は、動作条件が異なる複数の機種でも適用可能な交流直流変換装置及び交流直流変換装置の制御方法並びにこの交流直流変換装置を用いたヒートポンプ式給湯器及び空気調和機を得ることにある。   The third object is to obtain an AC / DC converter, a control method for the AC / DC converter, and a heat pump water heater and an air conditioner using the AC / DC converter that can be applied to a plurality of models having different operating conditions. There is.

本発明に係る交流直流変換装置は、交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、コンデンサ間の接続点と第1のスイッチと第2のスイッチの接続点とを接続し、第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるように第1のスイッチと第2のスイッチから成るスイッチ群をPWM制御する制御手段とを備え、制御手段は、スイッチ群のオンオフの組合せの各々の時間比率及び発生順序を制御して、3レベルの略正弦波電圧を整流器の入力端子間に生成させるものである。 An AC / DC converter according to the present invention includes a first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor, two capacitors connected in series between output terminals of the first rectifier, A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier, a connection point between the capacitors, a connection point of the first switch and the second switch, and a first switch Control means for PWM-controlling a switch group consisting of the first switch and the second switch so that the voltage between the output terminals of the rectifier becomes a predetermined value, and the control means is a combination of ON / OFF of the switch group. Each time ratio and generation order are controlled to generate a three-level substantially sinusoidal voltage between the input terminals of the rectifier .

本発明の交流直流変換装置によれば、制御手段が第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるように第1のスイッチと第2のスイッチから成るスイッチ群をPWM制御して、第1の整流器の出力端子間の電圧を制御することにより、リアクタに流れる電流を正弦波化することができる。これにより、従来の電源半周期に1回もしくは数回だけスイッチ手段を動作させる方式よりもリアクタを小型化することが可能となる。   According to the AC / DC converter of the present invention, the control means performs PWM control on the switch group including the first switch and the second switch so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. By controlling the voltage between the output terminals of the first rectifier, the current flowing through the reactor can be converted into a sine wave. As a result, the reactor can be made smaller than the conventional method in which the switch means is operated once or several times in the half cycle of the power supply.

また、1kHz〜5kHz程度の低周波によるPWM信号にて動作させることが可能となり、高周波PWMによるノイズ対策でのコストアップがなく、安価に実用化することができる。   Further, it is possible to operate with a PWM signal with a low frequency of about 1 kHz to 5 kHz, and there is no cost increase due to noise countermeasures with the high frequency PWM, and it can be put into practical use at a low cost.

本発明の実施の形態1を示す回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram showing a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1を説明する理想状態での回路構成図である。It is a circuit block diagram in the ideal state explaining Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1を説明する原理動作波形図である。It is a principle operation | movement waveform diagram explaining Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1を説明する動作モードを示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the operation mode explaining Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1を説明する交流電圧・電流のベクトル図である。It is a vector diagram of the alternating voltage and electric current explaining Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1を説明するフィードバック制御ブロック図である。It is a feedback control block diagram explaining Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1を説明する動作信号の変調波形図である。It is a modulation waveform diagram of the operation signal for explaining the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1を説明する動作信号のPWM波形図である。It is a PWM waveform diagram of the operation signal explaining Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1を説明する動作信号のPWMの変調波形図である。It is a modulation waveform diagram of PWM of the operation signal for explaining the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2を説明するPWMキャリア波形図である。It is a PWM carrier waveform figure explaining Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3を説明するリアクタの構造図である。It is a structural diagram of the reactor explaining Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4を説明する他の回路ブロック図である。It is another circuit block diagram explaining Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態における他の双方向スイッチ手段のブロック図である。It is a block diagram of the other bidirectional | two-way switch means in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態5を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows Embodiment 5 of this invention.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1を示す回路ブロック図である。図1において、交流直流電源装置は、交流電源1の交流を整流するための整流器2と、整流器2の入力端子に一方が接続される第1のスイッチ手段3と、整流器2の他方の入力端子に一方が接続される第2のスイッチ手段4と、交流電源1と第1のスイッチ手段3または第2のスイッチ手段4の間に挿入されたリアクタ5と、整流器2の出力端子に一方が接続された第1のコンデンサ6と、整流器2の他方の出力端子に一方が接続された第2のコンデンサ7と、整流器2の出力に接続される直流負荷8とから構成されている。第1のスイッチ手段3、第2のスイッチ手段4、第1のコンデンサ6、第2のコンデンサ7、これらの各々の他端は共に接続されている。また、第1のコンデンサ6と並列にダイオード10と抵抗12が、第2のコンデンサ7と並列にダイオード11と抵抗13が接続され、ダイオード10およびダイオード11は第1のコンデンサ6と第2のコンデンサ7と極性が逆極性となっている。また、第1のコンデンサ6は複数のコンデンサを並列または直列に接続して構成しても良い。第2のコンデンサ7についても同様である。また、第1のスイッチ手段3は複数のスイッチを並列または直列に接続して構成しても良い。第2のスイッチ手段4についても同様である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit block diagram showing Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, an AC / DC power supply apparatus includes a rectifier 2 for rectifying an alternating current of an AC power supply 1, a first switch means 3 connected to one input terminal of the rectifier 2, and the other input terminal of the rectifier 2. Are connected to the second switch means 4 to which one is connected, the reactor 5 inserted between the AC power source 1 and the first switch means 3 or the second switch means 4, and one to the output terminal of the rectifier 2. The first capacitor 6 is connected, the second capacitor 7 is connected to the other output terminal of the rectifier 2, and the DC load 8 is connected to the output of the rectifier 2. The first switch means 3, the second switch means 4, the first capacitor 6, the second capacitor 7, and the other end of each of them are connected together. A diode 10 and a resistor 12 are connected in parallel with the first capacitor 6, and a diode 11 and a resistor 13 are connected in parallel with the second capacitor 7, and the diode 10 and the diode 11 are connected to the first capacitor 6 and the second capacitor. 7 and the polarity is reversed. The first capacitor 6 may be configured by connecting a plurality of capacitors in parallel or in series. The same applies to the second capacitor 7. The first switch means 3 may be configured by connecting a plurality of switches in parallel or in series. The same applies to the second switch means 4.

さらに、第1のスイッチ手段は、例えばIGBT3aとダイオード整流器3bから構成される双方向スイッチ手段、第2のスイッチ手段も例えばIGBT4aとダイオード整流器4bから構成される双方向スイッチ手段であり、直流電圧を検出する電圧検出器21の出力と交流電源1の位相角を検出するゼロクロス検出器22の出力とに基づいてこれらのスイッチ手段を動作させる制御手段20が具備されている。
本発明の交流直流変換装置は、図2に示すような仮想交流電源として表されるように、2つのスイッチ手段3および4が相互的に動作することで実現される。
Further, the first switch means is a bidirectional switch means composed of, for example, an IGBT 3a and a diode rectifier 3b, and the second switch means is also a bidirectional switch means composed of, for example, an IGBT 4a and a diode rectifier 4b. Control means 20 for operating these switch means based on the output of the voltage detector 21 to detect and the output of the zero cross detector 22 for detecting the phase angle of the AC power supply 1 is provided.
The AC / DC converter of the present invention is realized by the two switch means 3 and 4 operating in a mutual manner as represented by a virtual AC power supply as shown in FIG.

そこで、本発明の交流直流変換装置について図2を用いて説明する。交流電源1およびリアクタ5は図1に示すものと同様であり、交流直流変換装置を仮想交流電源9とする。交流電源1の両端電圧をVs、仮想交流電源9の両端電圧をVc、リアクタ5に流れる電流をIとする点も図1と同様である。   The AC / DC converter of the present invention will be described with reference to FIG. The AC power source 1 and the reactor 5 are the same as those shown in FIG. 1, and the AC / DC converter is a virtual AC power source 9. The voltage across the AC power supply 1 is Vs, the voltage across the virtual AC power supply 9 is Vc, and the current flowing through the reactor 5 is I as in FIG.

交流電源1と仮想交流電源9との差電圧によって、リアクタ5に流れる電流Iが決まる。リアクタ電流Iは交流量であるため、リアクタ5の両端電圧をjωLIとおくと、交流電源1と仮想交流電源9との差電圧は下記の式(1)で表される。
jωLI=Vs−Vc・・・・(1)
ここで、ωは角周波数、Lはリアクタ5のインダクタンス、jは虚数を示す。
The current I flowing through the reactor 5 is determined by the voltage difference between the AC power supply 1 and the virtual AC power supply 9. Since the reactor current I is an AC amount, if the voltage across the reactor 5 is set to jωLI, the voltage difference between the AC power source 1 and the virtual AC power source 9 is expressed by the following equation (1).
jωLI = Vs−Vc (1)
Here, ω is an angular frequency, L is the inductance of the reactor 5, and j is an imaginary number.

また、交流電源1の電圧実効値をV1とおくと、交流電源1の電圧Vsは、下記の式(2)で表される。
Vs=√2・V1・sin(ωt)・・・・(2)
仮想交流電源9の電圧実効値をV2とおくと、仮想交流電源9の電圧Vcは、下記の式(3)で表される。
Vc=√2・V2・sin(ωt−φ)・・・・(3)
但し、φはVsとVcの位相差である。
ここで、V1=V2と仮定すると、リアクタ5に流れる電流Iは、式(1)〜(3)より演算により下記の式(4)で表すことができる。
I=√2・V1/(jωL)・2・sin(φ/2)・cos(ωt−φ/2)
・・・・(4)
VsとVcの位相差が変動しなければ、sin(φ/2)は定数となるので、定数をひとくくりにKとおくと、電流Iは、下記の式(5)で表される。
I=−j・K・cos(ωt−φ/2)・・・・(5)
ここで、cos(ωt−φ/2)はsin(ωt−φ/2+π/2)と表すことができるため、電流Iの波形は正弦波であることが容易に分かる。
When the voltage effective value of the AC power supply 1 is set to V1, the voltage Vs of the AC power supply 1 is expressed by the following formula (2).
Vs = √2 · V1 · sin (ωt) (2)
When the voltage effective value of the virtual AC power supply 9 is set to V2, the voltage Vc of the virtual AC power supply 9 is represented by the following formula (3).
Vc = √2 · V2 · sin (ωt−φ) (3)
Where φ is the phase difference between Vs and Vc.
Here, assuming that V1 = V2, the current I flowing through the reactor 5 can be expressed by the following formula (4) by calculation from formulas (1) to (3).
I = √2 · V1 / (jωL) · 2 · sin (φ / 2) · cos (ωt−φ / 2)
.... (4)
If the phase difference between Vs and Vc does not fluctuate, sin (φ / 2) becomes a constant. Therefore, if the constant is set to K all together, the current I is expressed by the following equation (5).
I = −j · K · cos (ωt−φ / 2) (5)
Here, since cos (ωt−φ / 2) can be expressed as sin (ωt−φ / 2 + π / 2), it can be easily understood that the waveform of the current I is a sine wave.

このように、仮想交流電源9より出力される電圧Vcが、正弦波状に出力されれば、リアクタ5に流れる電流、言い換えると入力電流は、交流電源1の周波数と同じ周波数を有する正弦波化された電流が流れ、高調波電流が抑制される。また、この電流と交流電源1との位相差がゼロとなると、電源力率は100%となることから、仮想交流電源9における振幅V2と交流電源1との位相差φを適切に制御して正弦波電圧を出力すれば、入力電流の高調波を抑制し、力率向上を実現できる。   Thus, if the voltage Vc output from the virtual AC power supply 9 is output in a sine wave shape, the current flowing in the reactor 5, in other words, the input current is converted into a sine wave having the same frequency as the frequency of the AC power supply 1. Current flows and harmonic current is suppressed. Further, when the phase difference between this current and the AC power source 1 becomes zero, the power source power factor becomes 100%. Therefore, the phase difference φ between the amplitude V2 in the virtual AC power source 9 and the AC power source 1 is appropriately controlled. If a sine wave voltage is output, the harmonics of the input current can be suppressed and power factor improvement can be realized.

そこで、図1における整流器2の入力端子間にコンバータ電圧Vcとして図3に示すような3レベルの略正弦波状の電圧を出力するための第1のスイッチ手段3および第2のスイッチ手段4を動作について説明する。図3において、Voは負荷8に印加される出力直流電圧である。   Therefore, the first switch means 3 and the second switch means 4 for outputting the three-level substantially sinusoidal voltage as shown in FIG. 3 as the converter voltage Vc between the input terminals of the rectifier 2 in FIG. 1 are operated. Will be described. In FIG. 3, Vo is an output DC voltage applied to the load 8.

図3に示す略正弦波状の電圧を整流器2の入力端子間に出力するための第1のスイッチ手段3および第2のスイッチ手段4の動作について図4を用いて説明する。第1のスイッチ手段3と第2のスイッチ手段4の2つのスイッチについて、そのオンとオフの組合せは22=4通りある。2つのスイッチ手段3および4が同時にオンする時、整流器2の入力端子間が短絡されたこととなる。この時の回路動作を図4(a)に示す。尚、図4では、第1のスイッチ手段3および第2のスイッチ手段4をそれぞれ理想スイッチSa、Sbと記載してある。第1のスイッチ手段3と第2のスイッチ手段4が同時にオンしている場合、整流器2の入力端子間は短絡されているため、コンバータ電圧Vcは、Vc=0となり、図3において、領域アに相当する。   The operation of the first switch means 3 and the second switch means 4 for outputting the substantially sinusoidal voltage shown in FIG. 3 between the input terminals of the rectifier 2 will be described with reference to FIG. For the two switches of the first switch means 3 and the second switch means 4, there are 22 = 4 combinations of on and off. When the two switch means 3 and 4 are simultaneously turned on, the input terminals of the rectifier 2 are short-circuited. The circuit operation at this time is shown in FIG. In FIG. 4, the first switch means 3 and the second switch means 4 are described as ideal switches Sa and Sb, respectively. When the first switch means 3 and the second switch means 4 are turned on simultaneously, the input terminals of the rectifier 2 are short-circuited, so the converter voltage Vc becomes Vc = 0. It corresponds to.

第1のスイッチ手段3がオン、第2のスイッチ手段4がオフの場合、図4(b)に示すように、整流器2の入力端子間は第2のコンデンサ7の両端電圧と等しいため、出力直流電圧Voの1/2が出力され、コンバータ電圧Vcは、Vc=Vo/2となり図3において、領域イに相当する。   When the first switch means 3 is on and the second switch means 4 is off, the output voltage between the input terminals of the rectifier 2 is equal to the voltage across the second capacitor 7 as shown in FIG. 1/2 of the DC voltage Vo is output, and the converter voltage Vc is Vc = Vo / 2, which corresponds to the area A in FIG.

逆に、第1のスイッチ手段3がオフ、第2のスイッチ手段がオンの場合は、図4(c)に示すように、整流器2の入力端子間の電圧は、コンデンサ6の両端電圧に等しいため、出力直流電圧Voの1/2であり、この場合もコンバータ電圧Vcは、Vc=Vo/2となる。よって、図3において、領域イに相当する。   Conversely, when the first switch means 3 is off and the second switch means is on, the voltage between the input terminals of the rectifier 2 is equal to the voltage across the capacitor 6 as shown in FIG. Therefore, it is ½ of the output DC voltage Vo. In this case, the converter voltage Vc is Vc = Vo / 2. Therefore, it corresponds to the area a in FIG.

次に、第1のスイッチ手段3がオフ、第2のスイッチ手段4がオフの場合、図4(d)に示すように、全波整流状態となるので、整流器2の入力端子間の電圧は、コンデンサ6とコンデンサ7の両端電圧であるVoと等しくなり、Vc=Voとなる。これが図3における領域ウである。   Next, when the first switch means 3 is off and the second switch means 4 is off, as shown in FIG. 4 (d), a full-wave rectification state occurs, so the voltage between the input terminals of the rectifier 2 is The voltage across the capacitor 6 and the capacitor 7 is equal to Vo, and Vc = Vo. This is the area C in FIG.

制御手段20が図3の領域ア〜ウの発生する時間比率や発生順序を適切に制御することによって、コンバータ電圧Vcとして3レベルの正弦波電圧を出力することが可能である。   When the control means 20 appropriately controls the time ratio and order of occurrence of the areas a to c in FIG. 3, it is possible to output a three-level sine wave voltage as the converter voltage Vc.

図4における(e)〜(h)も上述と同じ動作で、交流電源1の極性が異なるだけの違いであり、また、同図において、Vcの矢印の方向を図4の(a)〜(d)と同じ方向にとっているから、図3ではマイナスの値になっている。
よって、図3における領域もVc=−Vo/2の逆極性となる領域イ’、Vc=−Voとなる領域ウ’を発生させることができる。
(E) to (h) in FIG. 4 are also the same operations as described above, except that the polarity of the AC power supply 1 is different. In FIG. 4, the direction of the arrow Vc in FIG. Since it is in the same direction as d), it is a negative value in FIG.
Accordingly, the region in FIG. 3 can also generate a region a ′ having a reverse polarity of Vc = −Vo / 2 and a region c ′ in which Vc = −Vo.

さらに、図4の(b)、(c)、(f)、(g)の状態は、第1のコンデンサ6および第2のコンデンサ7の接続点と交流電源1の一端が接続されるので、所謂、倍電圧整流と同構成の回路となる。このような2つのスイッチ手段のうち、片側だけがオンする状態の出現率、いいかえると、Vo/2がコンバータ電圧Vcとして出力される割合を適切に制御することにより、出力直流電圧Voの値を全波整流で得られる直流電圧値以上の値に制御できることを意味する。   Further, in the states of (b), (c), (f), and (g) in FIG. 4, the connection point of the first capacitor 6 and the second capacitor 7 and one end of the AC power supply 1 are connected. The circuit has the same configuration as so-called voltage doubler rectification. By appropriately controlling the appearance rate of the state where only one of the two switch means is turned on, in other words, the ratio at which Vo / 2 is output as the converter voltage Vc, the value of the output DC voltage Vo is set. This means that it can be controlled to a value that is greater than or equal to the DC voltage obtained by full-wave rectification.

次に、2つのスイッチ手段のオン・オフタイミングの決定方法について説明する。本発明では、予め、演算によりオン・オフのタイミングを探索するのではなく、フィードバック制御により、2つのスイッチ手段のオン・オフタイミングを決定しようとするものである。   Next, a method for determining the on / off timing of the two switch means will be described. In the present invention, the on / off timing is not searched by calculation in advance, but the on / off timing of the two switch means is determined by feedback control.

図5により、本発明のフィードバック制御について説明する。図5(a)は、図2における原理回路構成から導いたベクトル関係を表すベクトル図であり、教科書にも記載される一般的なものである。交流電源1の電圧Vsに対し、リアクタ5で電流Iが遅れ位相となる。この電流Iに直交するようにリアクタ5での電圧降下jωLIが発生し、整流器2の入力端子間のコンバータ電圧となるVcとのベクトル加算で交流電源1の電圧Vsと一致する。   The feedback control of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a vector diagram showing a vector relationship derived from the principle circuit configuration in FIG. 2, and is generally described in textbooks. The current I is delayed in the reactor 5 with respect to the voltage Vs of the AC power supply 1. A voltage drop jωLI occurs in the reactor 5 so as to be orthogonal to the current I, and coincides with the voltage Vs of the AC power supply 1 by vector addition with Vc that is a converter voltage between the input terminals of the rectifier 2.

そこで、力率が1となるようにコンバータ電圧Vcを出力するには、電流Iの遅れ位相が0となるようにすればよい。即ち、図5の三角形がVsとjωLIが直交する直角三角形となる図5(b)のような状態になればよい。従って、コンバータ電圧Vcの交流電源1の電圧Vsに対する遅れ位相差φが、下記の式(6)となるように位相差φを制御すればよい。
φ=tan−1(ωLI/V1)・・・・(6)

また、コンバータ電圧Vcの振幅V2が、下記の式(7)となるようにコンバータ電圧Vcを出力すればよい。
Therefore, in order to output the converter voltage Vc so that the power factor becomes 1, the delay phase of the current I may be 0. That is, the state shown in FIG. 5B may be a state in which the triangle in FIG. 5 is a right triangle in which Vs and jωLI are orthogonal to each other. Therefore, the phase difference φ may be controlled so that the delay phase difference φ of the converter voltage Vc with respect to the voltage Vs of the AC power supply 1 becomes the following formula (6).
φ = tan-1 (ωLI / V1) (6)

Further, the converter voltage Vc may be output so that the amplitude V2 of the converter voltage Vc becomes the following expression (7).

Figure 0005236057
Figure 0005236057

コンバータ電圧Vcと交流電源1の電圧Vsとの位相差φおよび振幅V2が一意に決まるようにフィードバック制御系を構築すれば、公知であるノコギリ波変調や三角波変調、空間ベクトル変調、ダイポーラ変調などの変調方式を適用することでスイッチ手段3および4を動作させるべき動作信号を生成できる。   If a feedback control system is constructed so that the phase difference φ and the amplitude V2 between the converter voltage Vc and the voltage Vs of the AC power supply 1 are uniquely determined, known sawtooth wave modulation, triangular wave modulation, space vector modulation, dipolar modulation, etc. By applying the modulation method, an operation signal for operating the switch means 3 and 4 can be generated.

以上の動作原理に基づき、制御手段20は以下のように動作する。
制御手段20は、まず、交流直流変換装置の出力直流電圧を制御するため、直流電圧フィードバック制御により、交流電源1の電圧Vsとコンバータ電圧Vcとの位相差φを導出する。
Based on the above operating principle, the control means 20 operates as follows.
First, the control means 20 derives the phase difference φ between the voltage Vs of the AC power source 1 and the converter voltage Vc by DC voltage feedback control in order to control the output DC voltage of the AC / DC converter.

図6に位相差φの制御のための制御ブロックの一例を示す。直流電圧指令値と直流電圧検出値(ここではVo)とを比較し、その差分をPI制御器に入力する。PI制御器の出力は電流指令になるように構成されており、PI制御器からの出力値として電流が得られる。なお、このPI制御器はソフトウェアによって実現されているが、ハードウェアにより実現してもよいことはいうまでもない。制御手段20は、PI制御器の出力である電流指令I*をこの位相差φの数式(6)の電流Iに入力することで、位相角φを得る。また、制御手段20は、位相差φの導出の際に同時にコンバータ電圧Vcの振幅V2を式(7)(即ち、図5(b)の直角三角形のピタゴラス定理)により算出する。   FIG. 6 shows an example of a control block for controlling the phase difference φ. The DC voltage command value and the DC voltage detection value (here, Vo) are compared, and the difference is input to the PI controller. The output of the PI controller is configured to be a current command, and a current is obtained as an output value from the PI controller. Although this PI controller is realized by software, it goes without saying that it may be realized by hardware. The control means 20 obtains the phase angle φ by inputting the current command I *, which is the output of the PI controller, into the current I in the equation (6) of the phase difference φ. Further, the control means 20 calculates the amplitude V2 of the converter voltage Vc simultaneously with the expression (7) (that is, the right triangle Pythagorean theorem in FIG. 5B) when the phase difference φ is derived.

次に、制御手段20はコンバータ電圧Vcを式(3)により生成する。コンバータ電圧Vcから第1のスイッチ手段3および第2のスイッチ手段4への分配は、一般的なユニポーラ変調で実現できる。そのユニポーラ変調の波形図を図7に示す。図7の(a)、(b)に示す正弦波波形は式(3)によって生成されたコンバータ電圧Vcである。また、図7(a)が第1のスイッチ手段3のための変調信号、図7(b)が第2のスイッチ手段4のための変調信号である。   Next, the control means 20 generates the converter voltage Vc according to the equation (3). Distribution from the converter voltage Vc to the first switch means 3 and the second switch means 4 can be realized by general unipolar modulation. A waveform diagram of the unipolar modulation is shown in FIG. The sine wave waveforms shown in FIGS. 7A and 7B are the converter voltage Vc generated by the equation (3). FIG. 7A shows a modulation signal for the first switch means 3 and FIG. 7B shows a modulation signal for the second switch means 4.

図7(a)の波形について説明する。制御手段20は正極性と負極性にて反転した三角波(搬送波)と式(3)により生成されたコンバータ電圧Vcとを比較する。負極側の絶対値をとれば、正極側と一致するのでユニポーラ変調である。コンバータ電圧Vcが搬送波である三角波より大きい場合にオフすることで、第1のスイッチ手段3の動作信号、図7(c)の波形(Hi側がオン)が得られる。   The waveform in FIG. 7A will be described. The control means 20 compares the triangular wave (carrier wave) inverted by the positive polarity and the negative polarity with the converter voltage Vc generated by the equation (3). If the absolute value on the negative electrode side is taken, it corresponds to the positive electrode side, so unipolar modulation is performed. By turning off when the converter voltage Vc is larger than the triangular wave as the carrier wave, the operation signal of the first switch means 3, the waveform of FIG. 7C (Hi side is on) is obtained.

同じように、図7(b)の波形であるが、第2のスイッチ手段4はコンバータ電圧Vcに対し負側となるので、変調波形は図7(a)に対し180度位相を反転した正弦波の−Vcとなる。さらに搬送波である三角波も図7(a)に対し180度位相を反転させている。制御手段20はこの変調波と搬送波を前述と同様に、比較し、第2のスイッチ手段4の動作信号、図7(d)の波形が得られる。   Similarly, although the waveform of FIG. 7B is the second switch means 4 is on the negative side with respect to the converter voltage Vc, the modulation waveform is a sine whose phase is inverted by 180 degrees with respect to FIG. It becomes -Vc of the wave. Further, the triangular wave as a carrier wave also has a phase inverted by 180 degrees with respect to FIG. The control means 20 compares the modulated wave and the carrier wave in the same manner as described above, and the operation signal of the second switch means 4 and the waveform of FIG.

次に、制御手段20は図7の(c)と(d)の波形にて、第1のスイッチ手段3と第2のスイッチ手段4を動作させる。これにより、図7の(c)と(d)の波形が足し合わされることで3レベルのコンバータ電圧Vcが得られる。しかし、図7の(c)、(d)はHiがスイッチ手段のオンであるため、判り易い説明のため、Hiを0、Loを1として加算すると、図7(e)で示されるようなチョッピングされたコンバータ電圧Vcが得られる。制御手段20は、このユニポーラ変調により得られた3レベルのコンバータ電圧VcをPWM信号として第1のスイッチ手段3および第2のスイッチ手段4へ出力する。   Next, the control means 20 operates the first switch means 3 and the second switch means 4 with the waveforms of (c) and (d) of FIG. Thereby, the three-level converter voltage Vc is obtained by adding the waveforms of (c) and (d) of FIG. However, since (c) and (d) in FIG. 7 are Hi and the switch means is ON, for easy explanation, when Hi is set to 0 and Lo is set to 1, as shown in FIG. A chopped converter voltage Vc is obtained. The control means 20 outputs the three-level converter voltage Vc obtained by this unipolar modulation to the first switch means 3 and the second switch means 4 as a PWM signal.

ここで、図4における(b)、(c)は交流電源1が同一極性であり、Vo/2を出力する同一回路形態(所謂倍電圧整流の構成)であるが、同一極性中に異なるVo/2を出力する回路構成を設ける必要がある。コンデンサを直列に2個設けて出力電圧Voの1/2を出力しているが、Vo/2を出力している時は倍電圧整流であるため、第1のコンデンサ6もしくは第2のコンデンサ7の何れかが充電されることとなる。片側のコンデンサだけ充電するとコンデンサ両端間の出力電圧の1/2と成らなくなり、コンバータ電圧Vcが歪むことにより、入力電流も歪んでしまい、高調波電流を抑制出来ない。   Here, (b) and (c) in FIG. 4 are the same circuit form (so-called voltage doubler rectification configuration) in which the AC power supply 1 has the same polarity and outputs Vo / 2, but different Vos in the same polarity. It is necessary to provide a circuit configuration for outputting / 2. Two capacitors are provided in series to output ½ of the output voltage Vo. However, when Vo / 2 is output, voltage rectification is performed, so the first capacitor 6 or the second capacitor 7 is output. Any of these will be charged. If only one capacitor is charged, it does not become half of the output voltage across the capacitor, and the converter voltage Vc is distorted, whereby the input current is also distorted and the harmonic current cannot be suppressed.

したがって、交流電源1の同一極性中に第1のコンデンサ6および第2のコンデンサ7が充電され、出力電圧Voの1/2のバランスが保たれるように第1のスイッチ手段3と第2のスイッチ手段4をバランス良く動作させる必要がある。   Therefore, the first switch 6 and the second capacitor 7 are charged in the same polarity of the AC power supply 1 and the first switch means 3 and the second switch 7 are maintained so that a balance of 1/2 of the output voltage Vo is maintained. It is necessary to operate the switch means 4 in a balanced manner.

図7のユニポーラ変調であれば、第1のスイッチ手段3のみオンの状態と、第2のスイッチ手段4のみオンの状態と、この2つのVc=Vo/2となる動作モードが交互に発生する点でバランス良く動作するので本発明の回路構成に非常に適している変調方式といえる。   In the unipolar modulation of FIG. 7, only the first switch means 3 is on, only the second switch means 4 is on, and these two operation modes Vc = Vo / 2 occur alternately. It can be said that this is a modulation system that is very suitable for the circuit configuration of the present invention because it operates in a balanced manner.

尚、本発明の実施の形態1では、ユニポーラ変調として説明しているが、ユニポーラ変調でなくとも2つのスイッチ手段にてコンバータ電圧Vcが出力されるようにバランス良く分配できれば、例えば、バイポーラ変調やダイポーラ変調、ノコギリ波変調など、どのような変調方法でも同等効果を有することは言うまでもない。   In the first embodiment of the present invention, the unipolar modulation is described. However, even if the unipolar modulation is not used, if it is possible to distribute the converter voltage Vc in a balanced manner so that the converter voltage Vc is output by two switch means, for example, bipolar modulation or It goes without saying that any modulation method such as dipolar modulation or sawtooth wave modulation has the same effect.

以上のように、第1のスイッチ手段3と第2のスイッチ手段4をバランスよく動作させ、整流器2の入力端子間にコンバータ電圧Vcとして3レベルの正弦波電圧を出力することにより、リアクタ5に流れる電流を正弦波化することができる。これにより、従来の電源半周期に1回もしくは数回だけスイッチ手段を動作させて電源短絡を行う方式よりもリアクタ5を小型化することが可能となる。   As described above, the first switch means 3 and the second switch means 4 are operated in a well-balanced manner, and a three-level sine wave voltage is output as the converter voltage Vc between the input terminals of the rectifier 2. The flowing current can be converted into a sine wave. As a result, the reactor 5 can be made smaller than the conventional system in which the switch means is operated only once or several times in a half cycle of the power source to short-circuit the power source.

また、例えば、1kHz〜5kHz程度の低周波のPWMにて動作することが可能となり、高周波PWMによるノイズ対策でのコストアップがなく、安価に実用化することができる。   Further, for example, it is possible to operate at a low frequency PWM of about 1 kHz to 5 kHz, and there is no cost increase due to noise countermeasures by the high frequency PWM, and it can be put into practical use at a low cost.

これは、コンバータ電圧を正弦波化するように出力するだけで入力電流の制御無しで入力電流を略正弦波に実現可能なためであり、これにより低周波のPWMにて動作可能となる。   This is because the input current can be realized in a substantially sine wave without the control of the input current only by outputting the converter voltage so as to be a sine wave, thereby enabling operation with a low-frequency PWM.

さらに、コンバータ電圧を例えばユニポーラ変調などの変調方式を用い、直流電圧をフィードバック制御することにより、所望の出力電圧を得るために必要なパラメータを探索することなく、機種数や仕様の異なる製品群に容易に適用することが可能となる。   In addition, the converter voltage is controlled by using a modulation method such as unipolar modulation, and the DC voltage is feedback controlled, so that it is possible to create a product group with a different number of models and specifications without searching for the parameters necessary to obtain the desired output voltage. It can be easily applied.

本実施の形態におけるPWMキャリア周波数による変調であるが、上述のユニポーラ変調の場合、搬送波となる2つの三角波キャリアが互いに180度の位相差を持っているので、等価的にキャリア周波数の2倍の周波数成分(以下、2倍成分と呼ぶこともある)が入力電流に重畳される。   Although the modulation is based on the PWM carrier frequency in the present embodiment, in the case of the unipolar modulation described above, the two triangular wave carriers that are carrier waves have a phase difference of 180 degrees from each other, and thus equivalently twice the carrier frequency. A frequency component (hereinafter sometimes referred to as a double component) is superimposed on the input current.

このキャリア周波数の2倍成分が重畳された入力電流は、リアクタ5に流れる。リアクタ5は流れた電流によって、磁束が発生するが、キャリア周波数の2倍成分の磁束がリアクタ5で電磁加振力となり、リアクタ5より発生する振動によって、キャリア周波数の2倍成分による電磁音が発生する。   The input current on which the double component of the carrier frequency is superimposed flows to the reactor 5. The reactor 5 generates a magnetic flux by the flowing current, but the magnetic flux having a component twice the carrier frequency becomes an electromagnetic excitation force in the reactor 5, and the vibration generated from the reactor 5 generates an electromagnetic sound due to the component twice the carrier frequency. Occur.

なお、本発明の交流直流変換装置において、低周波のPWM周波数にて動作可能であるが、例えば、5kHzとしても、その2倍の10kHzは可聴領域の周波数であり、周波数が高い分だけ、耳に残る音となる。   The AC / DC converter according to the present invention can operate at a low PWM frequency. For example, even when 5 kHz is used, 10 kHz, which is twice as high, is a frequency in the audible region, and the higher the frequency, the higher the frequency. It becomes the sound that remains.

そこで、このPWM周波数に起因するリアクタ5の電磁音の抑制方法について説明する。
図8の波形図は、図7で示す変調方式の三角波キャリアと2個のスイッチング信号を抜き出したものである。図8(a)は電源ゼロクロス付近、図8(b)は電源ピーク付近での波形である。
Therefore, a method for suppressing the electromagnetic noise of the reactor 5 caused by the PWM frequency will be described.
The waveform diagram of FIG. 8 is obtained by extracting the modulation type triangular wave carrier and two switching signals shown in FIG. 8A shows the waveform near the power supply zero cross, and FIG. 8B shows the waveform near the power supply peak.

図8(a)において、Aのスイッチングの状態は、他方のスイッチがオン、もう一方のスイッチがオフであるため、この状態を図4(c)に対応させると、Bのスイッチングの状態は図4(a)に対応し、Cのスイッチングの状態は図4(b)に対応する。これより、コンバータ電圧Vcとしては、Vo/2の状態が2回出現することでバランスよく、2個のコンデンサ6および7への充電が実現できる。さらに、三角波の半分で対称にスイッチングされるため、キャリア周波数の2倍成分が発生することとなる。   In FIG. 8 (a), the switching state of A is that the other switch is on and the other switch is off. Therefore, when this state corresponds to FIG. 4 (c), the switching state of B is as shown in FIG. Corresponding to 4 (a), the switching state of C corresponds to FIG. 4 (b). Thus, as the converter voltage Vc, the charging of the two capacitors 6 and 7 can be realized in a well-balanced manner when the state of Vo / 2 appears twice. Furthermore, since switching is performed symmetrically with half of the triangular wave, a double component of the carrier frequency is generated.

また、図8(b)も同様に、図4(b)に対応するCのスイッチング状態、図4(d)に対応するDのスイッチング状態、図4(c)に対応するAのスイッチング状態へ変化し、コンバータ電圧Vcとしては、Vo/2の状態が2回出現することで、2個のコンデンサ6および7へバランスよく充電できる。   Similarly, in FIG. 8B, the switching state of C corresponding to FIG. 4B, the switching state of D corresponding to FIG. 4D, and the switching state of A corresponding to FIG. As the converter voltage Vc changes, the state of Vo / 2 appears twice, whereby the two capacitors 6 and 7 can be charged in a well-balanced manner.

また、半分の三角波で対称性を有しているため、キャリア周波数の2倍成分を抑制するのであれば、三角波の1周期間での出現率を一定にして、非対称となるようにPWMを補正すればキャリア周波数の2倍成分での電磁音ピークを抑制できる。例えば、Aの出現率が三角波1周期の30%であるならば、対称の時、15%ずつ、三角波の半分ずつに分配されているが、それを20%と10%に分配し直す。   In addition, since half the triangular wave has symmetry, if the double component of the carrier frequency is suppressed, the PWM is corrected to be asymmetric with the appearance rate of one period of the triangular wave being constant. By doing so, it is possible to suppress the electromagnetic sound peak at a component twice the carrier frequency. For example, if the appearance rate of A is 30% of one period of the triangular wave, it is distributed to each half of the triangular wave by 15% at the time of symmetry, but it is redistributed to 20% and 10%.

しかしながら、非対称にする場合、三角波の半キャリア毎にPWMを生成する必要が生じるため、その分、制御に関する処理負荷が増大する。本発明は、制御の処理負荷を軽減することができる制御で有るため、との特長をいかすために、キャリア周期毎のPWM生成、換言すると、対称性を維持したまま、キャリア周波数の2倍成分の電磁音ピークを抑制することを目的とする。   However, when making it asymmetrical, it becomes necessary to generate a PWM for each half-carrier of the triangular wave, so that the processing load related to control increases accordingly. Since the present invention is a control that can reduce the processing load of the control, in order to take advantage of the feature, PWM generation for each carrier period, in other words, a component twice the carrier frequency while maintaining symmetry The purpose is to suppress the electromagnetic sound peak.

図8(a)、(b)において、それぞれ3つのスイッチング状態が出現しているが、そのうち2つはどちらの場合も、倍電圧整流、換言すると、Vo/2を出力する状態である。そこで、この2つの倍電圧整流の状態の出現比率を操作することで、対称性を維持したまま、キャリア周波数の2倍成分を抑制する。一方、前述の通り、2つの倍電圧整流の状態はバランスよく出現させないと、2つのコンデンサの電圧バランスが崩れ、入力電流も歪んでしまい、高調波電流を抑制できなくなる。よって、2つの倍電圧整流の状態の出現比率をバランスよく操作する。   In FIGS. 8A and 8B, three switching states appear, but two of them are in a state where voltage rectification, in other words, Vo / 2 is output in either case. Therefore, by manipulating the appearance ratio of the two voltage doubler rectification states, the double component of the carrier frequency is suppressed while maintaining symmetry. On the other hand, as described above, unless the two voltage doubler rectification states appear in a balanced manner, the voltage balance between the two capacitors is lost, the input current is also distorted, and the harmonic current cannot be suppressed. Therefore, the appearance ratio of the two voltage doubler rectification states is manipulated in a balanced manner.

倍電圧整流の状態の出現比率をバランスよく操作するための方法として、例えば偶数のキャリアを単位として、その中の半分のキャリアにおいてパルス幅を従来のものとは異なるように変え、残りの半分のキャリアでは偶数キャリア全体におけるパルス幅が従来のものとほぼ同じになるように補正したパルス幅を生成する。例えば、2つのキャリアを単位として、最初のキャリアでは、倍電圧整流ではその出現比率を拡大させ、次のキャリア即ち残りのキャリアでは上記一方の倍電圧整流の出現比率を縮小させるように操作する。
具体的な操作方法を図9に示す。図9(a)、(b)は図8(a)、(b)と対比する波形図であり、図9中の1点鎖線のスイッチング信号は図8に示すスイッチング信号を表す。図9の三角波キャリアは、キャリア1周期ごとにHi、Loとなる方形波が重畳された波形である。この方形波は、キャリア1周期ごとに変化するため、キャリアの半分の周波数で対称性が維持される波形となる。この三角波と比較されるため、スイッチング信号は、1キャリア中の対称性は確保され、かつ、1キャリアを一つの纏まりと考えると、隣り合うスイッチング信号とは異なる波形となる。
As a method for controlling the appearance ratio of the voltage doubler rectification in a balanced manner, for example, with even number of carriers as a unit, the pulse width is changed to be different from the conventional one in half of the carriers, and the other half In the carrier, a pulse width corrected so that the pulse width in the entire even-numbered carrier becomes substantially the same as that in the conventional carrier is generated. For example, with the two carriers as a unit, the first carrier is operated so as to increase the appearance ratio in the double voltage rectification, and the next carrier, that is, the remaining carriers, is reduced in the appearance ratio of the one voltage doubler rectification.
A specific operation method is shown in FIG. FIGS. 9A and 9B are waveform diagrams for comparison with FIGS. 8A and 8B, and the alternate long and short dash line switching signal in FIG. 9 represents the switching signal shown in FIG. The triangular wave carrier in FIG. 9 is a waveform in which square waves that become Hi and Lo are superimposed for each carrier period. Since this square wave changes every carrier period, it becomes a waveform in which symmetry is maintained at half the frequency of the carrier. Since the switching signal is compared with the triangular wave, symmetry in one carrier is ensured, and when one carrier is considered as one group, the switching signal has a waveform different from that of the adjacent switching signal.

従って、入力電流波形には、キャリア周波数の2倍成分と2倍成分に対して方形波に起因して発生するキャリア周波数の1/2成分のサイドバンドが発生することとなる。例えば、キャリアを5kHzとすると、その2倍の10kHzを中心に、5kHzの半分の2.5kHzのサイドバンドとなり、ピークで表れるのは、10kHzの他に7.5kHzおよび12.5kHzとなる。所謂、ピーク周波数が他の周波数にエネルギーを分散することとなり、単純にPWM制御するよりは、キャリア周波数の2倍成分のピークが低減される。   Therefore, in the input current waveform, a side band of 1/2 component of the carrier frequency generated due to the square wave with respect to the double component and the double component of the carrier frequency is generated. For example, assuming that the carrier is 5 kHz, a side band of 2.5 kHz, which is half of 5 kHz, is centered on 10 kHz, which is twice that, and peaks appear at 7.5 kHz and 12.5 kHz in addition to 10 kHz. The so-called peak frequency disperses energy to other frequencies, and the peak of the double component of the carrier frequency is reduced rather than simple PWM control.

また、Vo/2ではないスイッチング条件、図9(a)では、Bのスイッチング状態(図9(b)では、Dのスイッチング状態)が図8と図9で同一比率に維持されているため、出力するコンバータ電圧Vcには影響せず、また、Vo/2の出現率は、隣り合うスイッチング信号で相殺されている(即ち、図8(a)のAの幅よりも図9(a)のAの幅の方が大きいが、図8(a)のCの幅よりも図9(a)のCの幅がその分小さくなるため、Vo/2の出現率であるAの幅とCの幅との和は図8と図9では等しくなる)ため、コンデンサ電圧のアンバランスも発生せず、入力電流波形が改善し、高調波電流を抑制できる。   In addition, in the switching condition other than Vo / 2, in FIG. 9A, the switching state of B (the switching state of D in FIG. 9B) is maintained at the same ratio in FIG. 8 and FIG. It does not affect the output converter voltage Vc, and the appearance rate of Vo / 2 is canceled by the adjacent switching signal (that is, the width of A in FIG. 8A is larger than the width of A in FIG. 8A). Although the width of A is larger, the width of C in FIG. 9A is correspondingly smaller than the width of C in FIG. Since the sum of the widths is equal in FIGS. 8 and 9, the capacitor voltage is not unbalanced, the input current waveform is improved, and the harmonic current can be suppressed.

また、キャリアの1/2となる周波数の方形波を三角波に重畳しているが、なにもキャリア周波数の1/2に限ったことではなく、1/3でも1/4でも、制御処理能力を増加させることなく、1キャリア周波数毎にPWM生成すればよい方法であれば、同等効果を有することは言うまでも無い。更に言えば、乱数的に出現率を操作することも考え得るが、0〜1までが発生する乱数の平均値が0.5となるように乱数を発生させないとコンデンサ電圧のバランスが崩れることから、乱数よりも処理負荷を軽減できるものである。   In addition, although a square wave having a frequency that is ½ of the carrier is superimposed on the triangular wave, the control processing capability is not limited to ½ of the carrier frequency. Needless to say, any method that generates PWM for each carrier frequency without increasing the frequency has the same effect. Furthermore, it can be considered that the appearance rate is manipulated in a random manner, but if the random number is not generated so that the average value of the random numbers generated from 0 to 1 becomes 0.5, the balance of the capacitor voltage will be lost. The processing load can be reduced compared to random numbers.

また、方形波を重畳するように説明しているが、なにも方形波でなく、正弦波や三角波などでも上述と同様な効果を有することは言うまでも無い。さらに、搬送波である三角波キャリアに重畳することで説明していたが、変調波側に重畳させても同様な効果があることは言うまでも無い。   In addition, although the description is made so that the square wave is superimposed, it is needless to say that a sine wave or a triangular wave has the same effect as described above, not a square wave. Furthermore, although it has been described by superimposing it on a triangular wave carrier that is a carrier wave, it goes without saying that the same effect can be obtained even if it is superimposed on the modulated wave side.

次に、図1におけるダイオード10および11の効果について説明する。ダイオード10および11は、並列接続されたコンデンサ6またはコンデンサ7が電荷を有して正の電圧を持つ通常状態であれば、不通流となり、オフしているため、接続されていないことと同義である。   Next, effects of the diodes 10 and 11 in FIG. 1 will be described. The diodes 10 and 11 have the same meaning as not being connected because the capacitor 6 or the capacitor 7 connected in parallel is in a non-current state and is turned off if the capacitor 6 or the capacitor 7 is in a normal state having electric charges and a positive voltage. is there.

しかし、交流電源1からの電圧供給が無くなり、負荷8での電力消費が0で無い場合、コンデンサ6および7は電荷がなくなる(すなわち、直流電圧が0になる)まで放電する。この時、負荷8は直列に接続されたコンデンサ6および7から一様に電荷を消費するが、コンデンサ6および7の容量にばらつきがあると、他方のコンデンサの電荷が消費されても、もう一方のコンデンサに電荷が残ってしまい、直流電圧は0とならない。   However, when the voltage supply from the AC power supply 1 is lost and the power consumption at the load 8 is not zero, the capacitors 6 and 7 are discharged until there is no charge (that is, the DC voltage becomes zero). At this time, the load 8 uniformly consumes charges from the capacitors 6 and 7 connected in series. However, if the capacitances of the capacitors 6 and 7 vary, the other capacitor is consumed even if the charge of the other capacitor is consumed. The charge remains in the capacitor, and the DC voltage does not become zero.

負荷8は直流電圧が0になるまで消費するため、電荷が消費されたコンデンサは帯電量が負となり、負電圧が印加されることとなる。   Since the load 8 is consumed until the DC voltage becomes 0, the capacitor in which the charge is consumed has a negative charge amount, and a negative voltage is applied.

そこで、ダイオードを逆並列に接続することにより、負電圧の印加がダイオードの順方向電圧降下以下になることを抑制できる。これにより、電圧極性を有する電解コンデンサを使用した場合であっても、コンデンサの故障を防ぎ、コンデンサの信頼性を向上させることができる。   Therefore, by connecting the diodes in antiparallel, it is possible to suppress the application of the negative voltage from being less than the forward voltage drop of the diode. Thereby, even when an electrolytic capacitor having a voltage polarity is used, it is possible to prevent the failure of the capacitor and improve the reliability of the capacitor.

実施の形態2.
リアクタ5からの電磁音抑制方法について、別の実施の形態の一例を図10にて説明する。図10(a)の波形は、上述までの一定の周波数を搬送波として用いた図、図10(b)の波形は、この実施の形態2にて説明する電源に同期して変化する周波数を搬送波として用いた図である。
Embodiment 2. FIG.
An example of another embodiment of the method for suppressing electromagnetic noise from the reactor 5 will be described with reference to FIG. The waveform of FIG. 10A is a diagram using the above-described constant frequency as a carrier wave, and the waveform of FIG. 10B is a carrier wave having a frequency that changes in synchronization with the power source described in the second embodiment. It is the figure used as.

図10(a)に示すような一般的なキャリア周波数が一定の場合には、キャリア周波数を基底にした電磁音が発生する。本発明の交流直流変換装置では、キャリア周波数の2倍成分が発生する。また、交流電源1のゼロクロス付近では電源電圧≒0であるため、いくらスイッチングしても電流は流れず、無駄にスイッチングしていることとなる。   When a general carrier frequency as shown in FIG. 10A is constant, an electromagnetic sound based on the carrier frequency is generated. In the AC / DC converter of the present invention, a component twice the carrier frequency is generated. In addition, since the power supply voltage is approximately 0 near the zero cross of the AC power supply 1, no current flows regardless of how much switching is performed, and switching is performed wastefully.

ゼロクロス付近はスイッチングを減らしても電流波形改善効果が損なわれることなく、高調波電流が増加する訳ではない。そこで、図10(b)に示すように、ゼロクロス付近はキャリア周波数を低下させる。また、電源のピークに向かってキャリア周波数を上昇させ、ピーク後よりゼロクロスへの移行により、再び、キャリア周波数を低下させる。   In the vicinity of the zero crossing, even if switching is reduced, the current waveform improvement effect is not impaired, and the harmonic current does not increase. Therefore, as shown in FIG. 10B, the carrier frequency is lowered near the zero cross. Further, the carrier frequency is increased toward the peak of the power supply, and the carrier frequency is decreased again by shifting to zero crossing after the peak.

ここで重要であるのが、キャリア周波数と電源周波数が同期している点である。非同期の場合、時間経過とともにズレが大きくなり、低くなったキャリア周波数が電源のピーク付近になることも想定できる。   What is important here is that the carrier frequency and the power supply frequency are synchronized. In the case of non-synchronization, it can be assumed that the deviation increases with time and the lowered carrier frequency is near the peak of the power supply.

図10(b)のような搬送波を用いると、電源半周期毎に複数のキャリア周波数が発生し、複数のピーク周波数に電磁音が分散される。更に言えば、ゼロクロス付近の無駄なスイッチングが無くなり、スイッチング損失の低減によって、回路効率の向上が実現できる。また、キャリア周波数の管理ができているため、入力電流に発生するピーク周波数を意図的に設定できるため、例えば、電源高調波電流(例えば、電源周波数のn倍高調波)に重ならないようにピーク周波数をずらして設定することができ、高次高調波電流の増加を抑制することもできる。   When a carrier wave as shown in FIG. 10B is used, a plurality of carrier frequencies are generated for each half cycle of the power source, and electromagnetic sound is dispersed in a plurality of peak frequencies. Furthermore, unnecessary switching near the zero crossing is eliminated, and the circuit efficiency can be improved by reducing the switching loss. In addition, since the carrier frequency is managed, the peak frequency generated in the input current can be set intentionally. For example, the peak is not overlapped with the power supply harmonic current (for example, n times the power supply frequency). The frequency can be set by shifting, and an increase in high-order harmonic current can also be suppressed.

また、図10(b)のように交流電源1にPWMキャリア周波数を同期させて、さらに、図9のようにキャリア周波数より低い周期の信号を重畳させて、2つの方法を併用してPWM生成を実現することは可能であり、前述までと同等効果を有することは言うまでも無い。   Further, the PWM carrier frequency is synchronized with the AC power source 1 as shown in FIG. 10B, and a signal having a period lower than the carrier frequency is superimposed as shown in FIG. Needless to say, it has the same effect as described above.

実施の形態3.
実施の形態2では、キャリア周波数の2倍成分のピーク電磁音の制御による抑制について説明したが、本実施の形態3ではリアクタ5の機械的なピーク電磁音の抑制方法について説明する。
Embodiment 3 FIG.
In the second embodiment, the suppression by the control of the peak electromagnetic sound having the double component of the carrier frequency has been described. In the third embodiment, the mechanical peak electromagnetic noise suppression method of the reactor 5 will be described.

図11は、本発明の交流直流変換装置に使用するリアクタの構造図である。
中央部に巻線が施されている形状のリアクタは、中央部のコアが電磁石となり、頭上の横向きに配置されたコアを引き寄せ、ここが振動するために電磁騒音の原因となる。中央部の電磁石と上側のコアとの間には空隙(所謂ギャップ)が介在しており、空気層を形成している。そこで、このギャップに例えば非磁性物質の柔軟性を有する樹脂41を挿入することで、上側のコアの撓み振動を抑制し、リアクタ40からの電磁騒音を抑制できる。コアから発生する電磁騒音であるため、巻線がアルミ線、銅線、その他の素材であっても同等効果を有することは言うまでも無い。
FIG. 11 is a structural diagram of a reactor used in the AC / DC converter of the present invention.
In a reactor having a shape in which a winding is provided in the central part, the core in the central part becomes an electromagnet, attracting the core disposed horizontally above the head, and this vibrates, causing electromagnetic noise. An air gap (so-called gap) is interposed between the central electromagnet and the upper core to form an air layer. Therefore, by inserting, for example, a resin 41 having flexibility of a non-magnetic substance into this gap, the bending vibration of the upper core can be suppressed, and electromagnetic noise from the reactor 40 can be suppressed. Since the electromagnetic noise is generated from the core, it goes without saying that even if the winding is made of aluminum wire, copper wire, or other material, the same effect is obtained.

ギャップ部に樹脂製の物質を挿入するとしているが、なにも樹脂製のもので無くとも良く、リアクタからの電磁騒音を抑制することが可能な材質あるいはリアクタからの電磁騒音を抑制することが可能な構造であれば、どのようなものを用いてもなんら問題は無い。   It is said that a resin substance is inserted into the gap part, but it does not have to be made of resin, and can suppress electromagnetic noise from the reactor or a material that can suppress electromagnetic noise from the reactor. There is no problem using any structure that can be used.

さらに、コイル同士の反発力が図11の側面のコアを振動させ、電磁騒音の原因となっている。そこで、コイル自体を側面のコアに固定させるような構造を採用する。例えば、コイル自体に樹脂材を含浸させる、または樹脂で固定するなどの方法でもよい。このような機械的な抑制方法と制御的な抑制方法を併用することによって、耳障りな数kHz帯の電磁騒音を抑制できる。   Furthermore, the repulsive force between the coils vibrates the side core of FIG. 11 and causes electromagnetic noise. Therefore, a structure is adopted in which the coil itself is fixed to the side core. For example, the coil itself may be impregnated with a resin material or fixed with resin. By combining such a mechanical suppression method and a control suppression method, it is possible to suppress unpleasant electromagnetic noise in the several kHz band.

実施の形態4.
実施の形態1では、図1のような構成にて説明したが、図12に示すような回路構成であっても実施の形態1と同様な制御が適用できる。図12の基本回路は、スイッチ素子であるIGBT3a、4aの動作は図1と図12では変わらなく、ダイオード整流器14が単方向通流スイッチ素子のIGBT3a、4aを等価的に双方向スイッチ手段に変換していることから、上述と同等効果を有することは言うまでも無い。
Embodiment 4 FIG.
In the first embodiment, the configuration as shown in FIG. 1 has been described. However, the same control as in the first embodiment can be applied even in the circuit configuration as shown in FIG. In the basic circuit of FIG. 12, the operation of the IGBTs 3a and 4a which are switching elements is the same as in FIG. 1 and FIG. 12, and the diode rectifier 14 equivalently converts the IGBTs 3a and 4a of the unidirectional flow switching elements into bidirectional switching means. Therefore, it goes without saying that it has the same effect as described above.

また、図12のような回路構成をとることにより、IGBT3a、4aのオン動作時に、電流が流れる経路のダイオードの数が、図1の半分となり、ダイオードによる損失が図1の回路構成に対して、1/2に低減できる。これにより、交流直流変換装置の変換効率を向上させることができるという効果を有する。   Further, by adopting the circuit configuration as shown in FIG. 12, the number of diodes in the path through which the current flows becomes half of that in FIG. , And 1/2. Thereby, it has the effect that the conversion efficiency of an AC / DC converter can be improved.

さらに、上述までは、双方向スイッチ手段として、IGBTとダイオード整流器にて構成しているが、IGBT2つを直列で逆向きに接続する図13のような構成であっても、前述までと同等効果を有することは言うまでも無い。   Further, until now, the bidirectional switch means is composed of an IGBT and a diode rectifier. However, even with the configuration as shown in FIG. Needless to say, it has.

実施の形態5.
図14は、本発明の実施の形態5を示す回路ブロック図である。1は交流電源、50は電力を供給する送電線による系統インピーダンス、51は本発明の交流直流変換装置を採用した製品、52は電源ラインに接続される他の製品、53は交流直流変換装置を採用した製品の電圧歪みを抑制する電圧歪み抑制部、54は一般的な世帯の電力供給配線範囲である。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 14 is a circuit block diagram showing the fifth embodiment of the present invention. 1 is an AC power source, 50 is a system impedance by a transmission line for supplying power, 51 is a product adopting the AC / DC converter of the present invention, 52 is another product connected to the power line, and 53 is an AC / DC converter. A voltage distortion suppression unit 54 that suppresses voltage distortion of the adopted product is a general household power supply wiring range.

本発明の交流直流変換装置は、スイッチング動作時にキャリア周波数の2倍成分がコンバータの入力電流に重畳する。また、低周波のスイッチングにて動作可能であるから、動作周波数が低く、低い周波数のエネルギーは強いため、系統インピーダンス50が大きいような住宅やビルでは、本発明の交流直流変換装置によるスイッチングがキャリア周波数に起因した電圧歪みを発生させる。   In the AC / DC converter according to the present invention, the double component of the carrier frequency is superimposed on the input current of the converter during the switching operation. Further, since the operation is possible with low frequency switching, the operating frequency is low and the energy of the low frequency is strong. Therefore, in a house or building where the system impedance 50 is large, switching by the AC / DC converter of the present invention is a carrier. Generates voltage distortion due to frequency.

この電圧歪みの周波数が、キャリア周波数の数倍程度の周波数の場合、この電源ラインに接続される他の製品52などが、この電圧歪みの影響を受ける。具体的に言えば、他の製品52が例えば、IHクッキングヒーターであった場合、IHクッキングヒーターで調理している鍋からこの電圧歪みの周波数帯域の音が聞こえたり、照明器具の場合、電圧歪みの周波数のチラツキが発生したり、換気扇の場合、換気扇の動作中に、この電圧歪みの周波数の音が聞こえたりする。   When the frequency of the voltage distortion is about several times the carrier frequency, other products 52 connected to the power supply line are affected by the voltage distortion. Specifically, when the other product 52 is, for example, an IH cooking heater, a sound of this voltage distortion frequency band can be heard from a pan cooked by the IH cooking heater, or in the case of a lighting fixture, the voltage distortion frequency. In the case of a ventilation fan, the sound of the frequency of this voltage distortion is heard during the operation of the ventilation fan.

このような影響は、系統インピーダンス50によって変わるため、一般的な世帯ではほとんど発生しないが、ごく稀に、高圧送電線から変電所、柱上変圧器などを経由することで、系統インピーダンスが非常に大きい場合があり、上述のような影響が発生することもある。   Such an effect varies depending on the system impedance 50, so it rarely occurs in general households, but very rarely, the system impedance is very high by passing from a high-voltage transmission line to a substation, pole transformer, etc. It may be large and the above-mentioned influence may occur.

その場合には、電圧歪みを抑制する電圧歪み抑制部53を挿入する。挿入する位置は、図1および図12に記載してあるA点とB点のところになる。本発明の交流直流変換装置での電圧歪みは、前述の通り、キャリア周波数の2倍成分であり、その周波数にピークが集中している。そこで、LCによるバンドパス型フィルタやπ型フィルタ、共振フィルタなどでキャリア周波数の2倍成分に特定して電圧歪みを引き起こす入力電流のキャリア周波数成分を減衰させる。   In that case, the voltage distortion suppression part 53 which suppresses voltage distortion is inserted. The insertion positions are at points A and B described in FIGS. 1 and 12. As described above, the voltage distortion in the AC / DC converter according to the present invention is a component twice the carrier frequency, and the peak is concentrated at that frequency. Therefore, the carrier frequency component of the input current that causes voltage distortion is specified by using a LC band-pass filter, π-type filter, resonance filter, or the like, as a component twice the carrier frequency.

製品51の消費電力が大きい場合、単純なノーマルフィルタのような構成では、サイズが増大となり、実用的ではない。よって、このキャリア周波数の2倍成分に特定させることで、小型で実用的なフィルタを構成することができる。   When the power consumption of the product 51 is large, a configuration such as a simple normal filter increases the size and is not practical. Therefore, a small and practical filter can be configured by specifying the double component of the carrier frequency.

本発明の活用例として、直流で電力消費を行う負荷向けの電源装置に利用可能である。特に、直流交流変換装置であるインバータの電源装置として利用でき、永久磁石電動機を駆動するインバータに適用することによる省エネの実現、安価でノイズの少ない交流直流変換装置の構成などから、ヒートポンプ式給湯機、空気調和機や冷凍機、洗濯乾燥機のほか、冷蔵庫、除湿器、ショーケース、掃除機など家電製品全般に適用可能であり、ファンモータや換気扇、手乾燥機などへの適用も可能である。   As an application example of the present invention, the present invention can be used for a power supply device for a load that consumes power by direct current. In particular, the heat pump water heater can be used as a power supply device for an inverter that is a DC / AC converter, and can be applied to an inverter that drives a permanent magnet motor, realizing energy savings, and a low-cost, low-noise AC / DC converter configuration. In addition to air conditioners, refrigerators, and washer / dryers, it can be applied to general household appliances such as refrigerators, dehumidifiers, showcases, vacuum cleaners, and can also be applied to fan motors, ventilation fans, hand dryers, etc. .

1 電源、2 整流器、3 第1のスイッチ手段、3a IGBT、3b ダイオード整流器、4 第2のスイッチ手段、4a IGBT、4b ダイオード整流器、5 リアクタ、6 第1のコンデンサ、7 第2のコンデンサ、8 負荷、9 仮想交流電源、10 第1のダイオード、11 第2のダイオード、12 抵抗、13 抵抗、20 制御手段、21 電圧検出器、22 ゼロクロス検出器、40 リアクタ、41 樹脂、50 送電線による系統インピーダンス、51 本発明の交流直流電源装置を採用した製品、52 他の製品、53 電圧歪み抑制部、54 一般的な世帯の電力供給配線範囲。   1 power supply, 2 rectifier, 3 first switch means, 3a IGBT, 3b diode rectifier, 4 second switch means, 4a IGBT, 4b diode rectifier, 5 reactor, 6 first capacitor, 7 second capacitor, 8 Load, 9 Virtual AC power supply, 10 First diode, 11 Second diode, 12 Resistor, 13 Resistor, 20 Control means, 21 Voltage detector, 22 Zero-cross detector, 40 Reactor, 41 Resin, 50 Power transmission line system Impedance, 51 Products adopting the AC / DC power supply device of the present invention, 52 Other products, 53 Voltage distortion suppression unit, 54 General household power supply wiring range.

Claims (23)

交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、
前記第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、
前記第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、
前記コンデンサ間の接続点と前記第1のスイッチと前記第2のスイッチの接続点とを接続し、前記第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるように前記第1のスイッチと前記第2のスイッチから成るスイッチ群をPWM制御する制御手段とを備え
前記制御手段は、
前記スイッチ群のオンオフの組合せの各々の時間比率及び発生順序を制御して、3レベルの略正弦波電圧を前記整流器の入力端子間に生成させる
ことを特徴とする交流直流変換装置。
A first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor;
Two capacitors connected in series between the output terminals of the first rectifier;
A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier;
The connection point between the capacitors, the connection point of the first switch and the second switch are connected, and the first switch is set so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. And a control means for PWM controlling a switch group consisting of the second switches ,
The control means includes
3. An AC / DC converter characterized by generating a three-level substantially sinusoidal voltage between the input terminals of the rectifier by controlling the time ratio and generation order of each on / off combination of the switch group .
交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、
前記第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、
前記第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、
前記コンデンサ間の接続点と前記第1のスイッチと前記第2のスイッチの接続点とを接続し、前記第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるように前記第1のスイッチと前記第2のスイッチから成るスイッチ群をPWM制御する制御手段とを備え、
前記2つのコンデンサのそれぞれにダイオードを逆並列に接続し、
前記制御手段は、
前記スイッチ群のオンオフの組合せの各々の時間比率及び発生順序を制御して、3レベルの略正弦波電圧を前記整流器の入力端子間に生成させる
ことを特徴とする交流直流変換装置。
A first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor;
Two capacitors connected in series between the output terminals of the first rectifier;
A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier;
The connection point between the capacitors, the connection point of the first switch and the second switch are connected, and the first switch is set so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. And a control means for PWM controlling a switch group consisting of the second switches,
A diode is connected in antiparallel to each of the two capacitors ;
The control means includes
3. An AC / DC converter characterized by generating a three-level substantially sinusoidal voltage between the input terminals of the rectifier by controlling the time ratio and generation order of each on / off combination of the switch group .
交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、A first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor;
前記第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、Two capacitors connected in series between the output terminals of the first rectifier;
前記第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier;
前記コンデンサ間の接続点と前記第1のスイッチと前記第2のスイッチの接続点とを接続し、前記第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるように前記第1のスイッチと前記第2のスイッチから成るスイッチ群をPWM制御する制御手段と、The connection point between the capacitors, the connection point of the first switch and the second switch are connected, and the first switch is set so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. And a control means for PWM controlling a switch group consisting of the second switches,
前記整流器の出力端子の直流電圧を検出する検出手段とを備え、Detecting means for detecting a DC voltage of the output terminal of the rectifier,
前記制御手段は、The control means includes
前記検出手段の出力と予め設定された直流電圧指令に基づいて前記整流器の入力端子に生成すべき電圧の位相と振幅を演算し、算出された位相と振幅に基づいて前記スイッチ群のオン・オフタイミングを決定するBased on the output of the detection means and a preset DC voltage command, the phase and amplitude of the voltage to be generated at the input terminal of the rectifier are calculated, and the switch group is turned on / off based on the calculated phase and amplitude. Determine timing
ことを特徴とする交流直流変換装置。AC-DC converter characterized by this.
交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、A first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor;
前記第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、Two capacitors connected in series between the output terminals of the first rectifier;
前記第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier;
前記コンデンサ間の接続点と前記第1のスイッチと前記第2のスイッチの接続点とを接続し、前記第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるように前記第1のスイッチと前記第2のスイッチから成るスイッチ群をPWM制御する制御手段と、The connection point between the capacitors, the connection point of the first switch and the second switch are connected, and the first switch is set so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. And a control means for PWM controlling a switch group consisting of the second switches,
前記整流器の出力端子の直流電圧を検出する検出手段とを備え、Detecting means for detecting a DC voltage of the output terminal of the rectifier,
前記2つのコンデンサのそれぞれにダイオードを逆並列に接続し、A diode is connected in antiparallel to each of the two capacitors;
前記制御手段は、The control means includes
前記検出手段の出力と予め設定された直流電圧指令に基づいて前記整流器の入力端子に生成すべき電圧の位相と振幅を演算し、算出された位相と振幅に基づいて前記スイッチ群のオン・オフタイミングを決定するBased on the output of the detection means and a preset DC voltage command, the phase and amplitude of the voltage to be generated at the input terminal of the rectifier are calculated, and the switch group is turned on / off based on the calculated phase and amplitude. Determine timing
ことを特徴とする交流直流変換装置。AC-DC converter characterized by this.
前記2つのコンデンサはそれぞれ複数のコンデンサを並列または直列に接続して構成される
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
The AC / DC converter according to claim 1, wherein each of the two capacitors is configured by connecting a plurality of capacitors in parallel or in series.
前記第1のスイッチと前記第2のスイッチはそれぞれ複数のスイッチを並列または直列に接続して構成される
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
AC-DC converter according to claim 1, characterized in that configured by connecting the first switch and the second respective switch plurality of switches in parallel or in series.
前記制御手段は、
前記スイッチ群を1kHz〜5kHzの低周波でPWM制御する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
The control means includes
AC-DC converter according to any one of claims 1 to 6, characterized in that PWM control the switches in the low frequency 1KHz~5kHz.
前記制御手段は、
前記スイッチ群のオンオフの組合せの各々の時間比率及び発生順序を制御して、3レベルの略正弦波電圧を前記整流器の入力端子間に生成させる
ことを特徴とする請求項3、4と、請求項3、4に従属する請求項5〜7とのいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
The control means includes
By controlling the time ratio and the order of occurrence of each combination of on-off of the switches, and claim 3, 4, characterized in that to produce a substantially sinusoidal voltage of a three-level between the input terminals of the rectifier, wherein The AC / DC converter according to any one of claims 5 to 7, which is dependent on the items 3 and 4 .
前記スイッチ群は、
全波整流、第1の倍電圧整流、第2の倍電圧整流及び電源短絡の4つの整流状態を生成するように動作し、
前記制御手段は、
前記出力端子間の電圧が所定の値となるように前記4つの整流状態を組み合わせて前記スイッチ群を動作させる
ことを特徴とする請求項8に記載の交流直流変換装置。
The switch group includes:
Operate to generate four rectification states: full wave rectification, first voltage rectification, second voltage rectification and power supply short circuit;
The control means includes
The AC / DC converter according to claim 8, wherein the switch group is operated by combining the four rectification states so that a voltage between the output terminals becomes a predetermined value.
前記制御手段は、
前記第1の倍電圧整流の出現率と前記第2の倍電圧整流の出現率が同一になるよう前記スイッチ群を制御する
ことを特徴とする請求項又はに記載の交流直流変換装置。
The control means includes
The AC / DC converter according to claim 8 or 9 , wherein the switch group is controlled so that an appearance rate of the first voltage doubler rectification and an appearance rate of the second voltage doubler rectification are the same.
前記制御手段は、
ユニポーラ変調又はダイポーラ変調の変調方式をPWM制御に適用して前記略正弦波電圧を生成する
ことを特徴とする請求項8〜10のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
The control means includes
The AC / DC converter according to any one of claims 8 to 10 , wherein the substantially sine wave voltage is generated by applying a unipolar modulation or a dipolar modulation method to PWM control.
前記整流器の出力端子の直流電圧を検出する検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記検出手段の出力と予め設定された直流電圧指令に基づいて前記整流器の入力端子に生成すべき電圧の位相と振幅を演算し、算出された位相と振幅に基づいて前記スイッチ群のオン・オフタイミングを決定する
ことを特徴とする請求項1、2と、請求項1、2に従属する請求項5〜11とのいずれかに記載の交流直流変換装置。
Comprising detection means for detecting a DC voltage at the output terminal of the rectifier,
The control means includes
Based on the output of the detection means and a preset DC voltage command, the phase and amplitude of the voltage to be generated at the input terminal of the rectifier are calculated, and the switch group is turned on / off based on the calculated phase and amplitude. Timing is determined. The AC / DC converter according to any one of claims 1 and 2, and claims 5 to 11 subordinate to claims 1 and 2 .
前記制御手段は、
PWMのキャリアに対して、前記PWMの1周期毎に予め設定された電圧のオフセット量を与える
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
The control means includes
The PWM carrier, AC-DC converter according to any one of claims 1 to 12, characterized in providing an offset amount of preset voltage for each cycle of the PWM.
前記制御手段は、
PWM周期と交流電源の周期を同期させた
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
The control means includes
AC-DC converter according to any one of claims 1 to 13, characterized in that to synchronize the period of the PWM cycle an AC power source.
前記制御手段は、
交流電源のゼロクロス付近でのPWM周期をピーク付近でのPWM周期より低くさせた
ことを特徴とする請求項14に記載の交流直流変換装置。
The control means includes
The AC / DC converter according to claim 14 , wherein the PWM cycle near the zero cross of the AC power supply is lower than the PWM cycle near the peak.
前記リアクタの空隙に樹脂製物質を挿入して前記リアクタを固定した
ことを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の交流直流変換装置。
AC-DC converter according to any one of claims 1 to 15, characterized in that by inserting a resin material in the gap of the reactor was fixed the reactor.
請求項1〜16のいずれかに記載の交流直流変換装置を備えた
ことを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
A heat pump type water heater comprising the AC / DC converter according to any one of claims 1 to 16 .
前記交流直流変換装置のPWM周波数の2倍成分を減衰させるフィルタを前記交流電源と前記交流直流変換装置との間に設けた
ことを特徴とする請求項17に記載のヒートポンプ式給湯器。
The heat pump type water heater according to claim 17, wherein a filter for attenuating a double component of a PWM frequency of the AC / DC converter is provided between the AC power supply and the AC / DC converter.
請求項1〜16のいずれか一項に記載の交流直流変換装置を備えた
ことを特徴とする空気調和機。
An air conditioner comprising the AC / DC converter according to any one of claims 1 to 16 .
前記交流直流変換装置のPWM周波数の2倍成分を減衰させるフィルタを前記交流電源と前記交流直流変換装置との間に設けた
ことを特徴とする請求項19に記載の空気調和機。
The air conditioner according to claim 19, wherein a filter for attenuating a double component of a PWM frequency of the AC / DC converter is provided between the AC power supply and the AC / DC converter.
交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、
前記第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、
前記第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、
前記コンデンサ間の接続点と前記第1のスイッチと前記第2のスイッチの接続点とを接続し、前記第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるようにPWM制御され、全波整流、第1の倍電圧整流、第2の倍電圧整流及び電源短絡の4つの整流状態を生成する第1のスイッチと前記第2のスイッチから成るスイッチ群を具備する交流直流変換装置の制御方法において、
前記交流直流変換装置の出力端子間の電圧が所定の値となるように前記4つの整流状態を組み合わせて前記スイッチ群を動作させ
前記スイッチ群のオンオフの組合せの各々の時間比率及び発生順序を制御して、3レベルの略正弦波電圧を前記整流器の入力端子間に生成させる
ことを特徴とする交流直流変換装置の制御方法。
A first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor;
Two capacitors connected in series between the output terminals of the first rectifier;
A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier;
The connection point between the capacitors and the connection point of the first switch and the second switch are connected, and PWM control is performed so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. Control of an AC / DC converter including a switch group including a first switch that generates four rectification states of wave rectification, first voltage rectification, second voltage rectification, and power supply short-circuit, and the second switch In the method
The switch group is operated by combining the four rectification states so that the voltage between the output terminals of the AC / DC converter becomes a predetermined value ,
By controlling the time ratio and generation order of each on / off combination of the switch group, a three-level substantially sinusoidal voltage is generated between the input terminals of the rectifier.
A control method for an AC / DC converter characterized by the above.
交流電源にリアクタを介して接続される第1の整流器と第2の整流器と、A first rectifier and a second rectifier connected to an AC power source via a reactor;
前記第1の整流器の出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサと、Two capacitors connected in series between the output terminals of the first rectifier;
前記第2の整流器の出力端子間に直列に接続された第1のスイッチと第2のスイッチと、A first switch and a second switch connected in series between output terminals of the second rectifier;
前記コンデンサ間の接続点と前記第1のスイッチと前記第2のスイッチの接続点とを接続し、前記第1の整流器の出力端子間の電圧が所定の値となるようにPWM制御され、全波整流、第1の倍電圧整流、第2の倍電圧整流及び電源短絡の4つの整流状態を生成する第1のスイッチと前記第2のスイッチから成るスイッチ群と、The connection point between the capacitors and the connection point of the first switch and the second switch are connected, and PWM control is performed so that the voltage between the output terminals of the first rectifier becomes a predetermined value. A first switch that generates four rectification states of a wave rectification, a first voltage doubler rectification, a second voltage doubler rectification, and a power supply short circuit, and a switch group including the second switch,
前記第1の整流器の出力端子の直流電圧を検出する検出手段とを具備する交流直流変換装置の制御方法において、In a control method for an AC to DC converter comprising detection means for detecting a DC voltage at an output terminal of the first rectifier,
前記交流直流変換装置の出力端子間の電圧が所定の値となるように前記4つの整流状態を組み合わせて前記スイッチ群を動作させ、The switch group is operated by combining the four rectification states so that the voltage between the output terminals of the AC / DC converter becomes a predetermined value,
前記検出手段の出力と予め設定された直流電圧指令に基づいて前記整流器の入力端子に生成すべき電圧の位相と振幅を演算し、算出された位相と振幅に基づいて前記スイッチ群のオン・オフタイミングを決定するBased on the output of the detection means and a preset DC voltage command, the phase and amplitude of the voltage to be generated at the input terminal of the rectifier are calculated, and the switch group is turned on / off based on the calculated phase and amplitude. Determine timing
ことを特徴とする交流直流変換装置の制御方法。A control method for an AC / DC converter characterized by the above.
前記第1の倍電圧整流と前記第2の倍電圧整流を同一の発生割合になるように前記スイッチ群を制御する
ことを特徴とする請求項21又は22に記載の交流直流変換装置の制御方法。
23. The method of controlling an AC / DC converter according to claim 21 , wherein the switch group is controlled so that the first voltage doubler rectification and the second voltage doubler rectification have the same generation ratio. .
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