JPWO2017168577A1 - 回生コンバータ - Google Patents

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Abstract

回生コンバータ100は、電力変換部12と、電力変換部12の交流側に接続される交流端子11と、電力変換部12の直流側の一端に接続される第1の端子と、逆流防止素子を介して電力変換部の直流側の一端に接続される第2の端子と、電力変換部12の直流側の他端に接続される第3の端子と、第1の端子および第3の端子の各々に配線が接続されているか、第2の端子および第3の端子の各々に配線が接続されているかを検出する検出回路とを備える。

Description

本発明は、電源から供給される電力を変換して負荷へ出力すると共に負荷から供給される電力を変換して電源へ出力する回生コンバータに関する。
回生コンバータは、交流電動機の可変速制御を行うインバータと交流電源との間に配置され、交流電動機の減速時に発生する誘導起電力を交流電源に回生する電力変換器である。特許文献1に示す従来の電力変換器は、回生コンバータの機能とインバータの機能とを併せ持ち、インバータ単体または回生コンバータ単体で使用できるため使い勝手が良く、また生産性の向上を図ることが可能である。
特開平7−194144号公報
回生コンバータは2種類に分類され、一方は交流電源から交流電動機に供給される力行電流と交流電動機から交流電源に回生される回生電流との双方が、回生コンバータを構成する主回路の電力変換部に流れるコンバータであり、他方は回生電流のみが電力変換部に流れるコンバータである。以下では説明を簡単化するため、前者のコンバータを全回生コンバータと称し、後者を部分回生コンバータと称する。全回生コンバータでは力行電流が電力変換部に流れるのに対して、部分回生コンバータでは力行電流が電力変換部に流れないようにするため力行電流防止用ダイオードが設けられている。従って全回生コンバータと部分回生コンバータは共用することができない。特許文献1に示す従来技術は、回生コンバータの機能とインバータの機能とを併せ持つが、全回生コンバータの機能と部分回生コンバータの機能とを併せ持つものではなく、回生電力が小さい用途であっても力行電力に対応できる全回生コンバータが必要となるため、回生コンバータのユニットサイズ低減を図るというニーズに対応することができないという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ユニットサイズの更なる低減を図ることができる回生コンバータを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の回生コンバータは、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を交流電力に変換する回生コンバータであって、電力変換部と、電力変換部の交流側に接続される交流端子と、電力変換部の直流側の一端に接続される第1の端子と、逆流防止素子を介して電力変換部の直流側の一端に接続される第2の端子と、電力変換部の直流側の他端に接続される第3の端子と、第1の端子および第3の端子の各々に配線が接続されているか、第2の端子および第3の端子の各々に配線が接続されているかを検出する検出回路とを備えることを特徴とする。
本発明に係る回生コンバータは、ユニットサイズの更なる低減を図ることができるという効果を奏する。
実施の形態に係る回生コンバータの構成図 図1に示す回生コンバータに接続されるインバータの構成図 図1に示す回生コンバータが全回生コンバータとして使用されるときの回生コンバータと図2に示すインバータとの接続例を示す図 図1に示す回生コンバータが部分回生コンバータとして使用されるときの回生コンバータと図2に示すインバータとの接続例を示す図 図1に示す回生コンバータと図2に示すインバータとの接続状態を検出する検出回路の構成例を示す図 図5に示す回生コンバータが全回生コンバータとして使用されるときの検出回路の動作を説明するための図 図5に示す回生コンバータが部分回生コンバータとして使用されるときの検出回路の動作を説明するための図
以下に、本発明の実施の形態に係る回生コンバータを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
図1は実施の形態に係る回生コンバータの構成図であり、図2は図1に示す回生コンバータに接続されるインバータの構成図である。図1に示す回生コンバータ100は、交流端子11と、交流端子11に接続され、複数のスイッチング素子で構成される電力変換部12と、直流端子16と、突入電流防止回路13と、力行電流防止用ダイオード14と、主回路コンデンサ15とを備える。以下の説明では電力変換部12の交流端子11側を「電力変換部12の交流側」とし、電力変換部12の直流端子16側を「電力変換部12の直流側」とする。
直流端子16は、突入電流防止回路13を介して電力変換部12の直流側の一端である正極母線Pに接続されると共に、図2に示すインバータ200の直流端子24を構成する正極端子Pに接続される第1の端子P1を備える。また直流端子16は、力行電流防止用ダイオード14を介して電力変換部12の正極母線Pに接続されると共に、図2に示すインバータ200の直流端子24を構成する正極端子Pに接続される第2の端子P2を備える。また直流端子16は、電力変換部12の直流側の他端である負極母線Qに接続されると共に、図2に示すインバータ200の直流端子24を構成する負極端子Nに接続される第3の端子N1を備える。
突入電流防止回路13は、一端が電力変換部12の直流側の正極母線Pと力行電流防止用ダイオード14との接続点に接続され、他端が主回路コンデンサ15と第1の端子P1との接続点に接続される。力行電流防止用ダイオード14は、電力変換部12から第2の端子P2側へ流れる電流、すなわち力行電流を防止する逆流防止素子の一例であり、図示例ではアノードが第2の端子P2に接続され、カソードが突入電流防止回路13に接続される。
主回路コンデンサ15は、一端が突入電流防止回路13と第1の端子P1との接続点に接続され、他端が電力変換部12の直流側の負極母線Qと第3の端子N1との接続点に接続される。なお、第1の端子P1と第2の端子P2と第3の端子N1と力行電流防止用ダイオード14と突入電流防止回路13との配置関係は図示例に限定されるものではなく、力行電流防止用ダイオード14と突入電流防止回路13とを電力変換部12の直流側の負極母線Q側に接続し、かつ、力行電流防止用ダイオード14の向きを反転させる構成でもよい。
電力変換部12は、スイッチング素子12aとスイッチング素子12dとで構成される直列回路と、スイッチング素子12bとスイッチング素子12eとで構成される直列回路と、スイッチング素子12cとスイッチング素子12fとで構成される直列回路とを備える。また電力変換部12は、スイッチング素子12aと並列に接続されるダイオード12a1と、スイッチング素子12bと並列に接続されるダイオード12b1と、スイッチング素子12cと並列に接続されるダイオード12c1とを備える。また電力変換部12は、スイッチング素子12dと並列に接続されるダイオード12d1と、スイッチング素子12eと並列に接続されるダイオード12e1と、スイッチング素子12fと並列に接続されるダイオード12f1とを備える。
スイッチング素子12cとスイッチング素子12fとの接続点は交流端子11のR相端子に接続され、スイッチング素子12bとスイッチング素子12eとの接続点は交流端子11のS相端子に接続され、スイッチング素子12aとスイッチング素子12dとの接続点は交流端子11のT相端子に接続されている。6つのスイッチング素子12a,12b,12c,12d,12e,12fの各々には図示しない制御回路から出力されるスイッチング信号が入力される。
図2に示すインバータ200は、交流端子21と、複数の整流ダイオードで構成され、交流端子21に接続される整流回路22と、交流端子27とを備える。またインバータ200は、複数のスイッチング素子で構成され、整流回路22から供給される直流電力または図1に示す回生コンバータ100から供給される直流電力を交流電力に変換すると共に、交流端子27を介して供給される交流電力を直流電力に変換する電力変換部26を備える。またインバータ200は、整流回路22と電力変換部26との間の正極母線Pに接続された突入電流防止回路23と、直流端子24と、一端が突入電流防止回路23と電力変換部26との間の正極母線Pに接続され、他端が整流回路22と電力変換部26との間の負極母線Qに接続されるコンデンサ25とを備える。
直流端子24を構成する正極端子Pは、突入電流防止回路23と電力変換部26との間の正極母線Pに接続され、直流端子24を構成する負極端子Nは、整流回路22と電力変換部26との間の負極母線Qに接続される。
図3は図1に示す回生コンバータが全回生コンバータとして使用されるときの回生コンバータと図2に示すインバータとの接続例を示す図である。回生コンバータ100を全回生コンバータとして使用する場合、回生コンバータ100の交流端子11にはリアクトル2を介して交流電源1が接続され、回生コンバータ100の第1の端子P1には、インバータ200の直流端子24を構成する正極端子Pが接続され、回生コンバータ100の第3の端子N1にはインバータ200の直流端子24を構成する負極端子Nが接続される。インバータ200では、交流端子27を構成するU相端子、V相端子、およびW相端子に交流電動機3が接続される。第1の端子P1と正極端子Pは配線41により接続され、第3の端子N1と負極端子Nは配線42により接続される。
以下、図3に示す回生コンバータ100およびインバータ200の動作を説明する。交流電動機3の力行時の動作を説明した後に交流電動機3の回生時の動作を説明する。
交流電動機3の力行時には、電力変換部12を構成する複数のダイオードにより、交流電源1から供給される交流電力が直流電力に変換され、変換された直流電力は直流端子16および直流端子24を経由して電力変換部26に供給される。電力変換部26を構成する複数のスイッチング素子が図示しない制御回路から出力されるスイッチング信号に従い動作することにより、電力変換部26では直流電力が交流電力に変換され、交流電力は交流端子27を介して交流電動機3に供給され、交流電動機3は交流電力の供給を受けて駆動する。
交流電動機3の回生時には、電力変換部26を構成する複数のダイオードにより、交流電動機3から供給される交流電力が直流電力に変換され、変換された直流電力は直流端子24および直流端子16を経由して電力変換部12に供給される。電力変換部12を構成する複数のスイッチング素子が図示しない制御回路から出力されるスイッチング信号に従い動作することにより、電力変換部12では直流電力が交流電力に変換され、交流電力は交流端子11およびリアクトル2を介して交流電源1に回生される。
図4は図1に示す回生コンバータが部分回生コンバータとして使用されるときの回生コンバータと図2に示すインバータとの接続例を示す図である。回生コンバータ100を部分回生コンバータとして使用する場合、回生コンバータ100の交流端子11にはリアクトル2を介して交流電源1が接続され、回生コンバータ100の第2の端子P2には、インバータ200の直流端子24を構成する正極端子Pが接続され、回生コンバータ100の第3の端子N1にはインバータ200の直流端子24を構成する負極端子Nが接続される。インバータ200では、交流端子21に交流電源1が接続され、交流端子27を構成するU相端子、V相端子、およびW相端子に交流電動機3が接続される。第2の端子P2と正極端子Pは配線41により接続され、第3の端子N1と負極端子Nは配線42により接続される。
以下、図4に示す回生コンバータ100およびインバータ200の動作を説明する。交流電動機3の力行時の動作を説明した後に交流電動機3の回生時の動作を説明する。
交流電動機3の力行時には、整流回路22を構成する複数の整流ダイオードにより、交流電源1から供給される交流電力が直流電力に変換され、変換された直流電力は電力変換部26に供給される。電力変換部26を構成する複数のスイッチング素子が図示しない制御回路から出力されるスイッチング信号に従い動作することにより、電力変換部26では直流電力が交流電力に変換され、交流電力は交流端子27を介して交流電動機3に供給され、交流電動機3は交流電力の供給を受けて駆動する。この際、力行電流防止用ダイオード14により電力変換部12には電流が流れないため、電力変換部12では電力変換が行われない。
交流電動機3の回生時には、電力変換部26を構成する複数のダイオードにより、交流電動機3から供給される交流電力が直流電力に変換され、変換された直流電力は直流端子24および直流端子16を経由して電力変換部12に供給される。電力変換部12を構成する複数のスイッチング素子が図示しない制御回路から出力されるスイッチング信号に従い動作することにより、電力変換部12では直流電力が交流電力に変換され、交流電力は交流端子11およびリアクトル2を介して交流電源1に回生される。
以上に説明したように、第2の端子P2および第3の端子N1にインバータ200の直流端子24を接続することにより、回生コンバータ100は部分回生コンバータとして機能する。また、第1の端子P1および第3の端子N1にインバータ200の直流端子24を接続することにより、回生コンバータ100は全回生コンバータとして機能する。従って回生コンバータ100は、第1の端子P1、第2の端子P2、および第3の端子N1への接続を替えることにより、部分回生コンバータと全回生コンバータとの何れにも対応可能である。
このように回生コンバータ100は、全回生コンバータの機能と部分回生コンバータの機能との双方を有するが、電力変換部12の直流側に接続される3つの端子を有するため、使用者が配線41および配線42を誤配線する可能性がある。誤配線の一の例としては、図3に示すように回生コンバータ100を全回生コンバータとして動作させる際、配線41の一端を第1の端子P1ではなく第2の端子P2に接続することである。誤配線の他の例としては、図4に示すように回生コンバータ100を部分回生コンバータとして動作させる際、配線41の一端を第2の端子P2ではなく第1の端子P1に接続することである。
以下では、誤配線された状態で回生コンバータ100およびインバータ200が運転することを未然に防ぐ構成例を説明する。
図5は図1に示す回生コンバータと図2に示すインバータとの接続状態を検出する検出回路の構成例を示す図である。図5に示す検出回路500は、一端が回生コンバータ100の第2の端子P2と力行電流防止用ダイオード14との接続点に接続される抵抗素子53と、一端が抵抗素子53に接続される抵抗素子54とを備える。また検出回路500は、一端が回生コンバータ100の第1の端子P1と主回路コンデンサ15と突入電流防止回路13との接続点に接続される抵抗素子51と、一端が抵抗素子51の他端に接続され、他端が回生コンバータ100の第3の端子N1と主回路コンデンサ15との接続点に接続される抵抗素子52とを備える。
また検出回路500は、非反転入力端子56、反転入力端子57および出力端子58を有するコンパレータ55を備える。非反転入力端子56は抵抗素子53と抵抗素子54との接続点に接続され、反転入力端子57は抵抗素子51と抵抗素子52との接続点に接続される。
抵抗素子53および抵抗素子54で構成される第1の分圧回路50−1は、一端が第2の端子P2に接続され、他端が第3の端子N1に接続される。抵抗素子51および抵抗素子52で構成される第2の分圧回路50−2は、一端が第1の端子P1に接続され、他端が第3の端子N1に接続される。
また検出回路500には、コンパレータ55の出力レベルに応じて回生コンバータ100への配線41の接続状態を判定する接続状態判定回路600が接続される。なお図5では、検出回路500および接続状態判定回路600が回生コンバータ100の外部に配置されているが、検出回路500および接続状態判定回路600は回生コンバータ100の内部に配置してもよい。
以下、検出回路500の動作を説明する。
図6は図5に示す回生コンバータが全回生コンバータとして使用されるときの検出回路の動作を説明するための図である。図6の接続状態で電源が投入された場合、回生コンバータ100の主回路コンデンサ15とインバータ200のコンデンサ25とに電荷が充電され、第1の端子P1と第3の端子N1との間には電位差が生じる。このとき、第2の端子P2には何も接続されていないため、第2の端子P2と第3の端子N1との間には電位差が生じない。従って、第1の分圧回路50−1で分圧される電圧は、第2の分圧回路50−2で分圧される電圧よりも低い値になる。この場合、コンパレータ55は、非反転入力端子56に印加される電圧と反転入力端子57に印加される電圧とを比較し、Lowレベルの信号を出力する。なお、インバータが、第2の端子P2に接続されていない場合、理想的には、力行電流防止用ダイオード14があるため抵抗素子53および抵抗素子54には電流が流れない。すなわちP2−N1間には電圧降下が発生しないため電位差が生じない。しかしながら、実際は力行電流防止用ダイオード14の漏れ電流で若干の電流が流れるため、この漏れ電流が流れても非反転入力端子56の電圧が、反転入力端子57の電圧よりも小さくなるように、抵抗素子53および抵抗素子54を調整する必要がある。この調整条件は以下の通りである。
(1)部分回生接続時には、P2−N1間の電位差がP1−N1間の電位差よりも大きいという条件を満たすこと。
(2)P2−N間の電位差とP1−N1間の電位差との差分がコンパレータ55の定格仕様を超えないこと。
(3)全回生接続時には、P1−N1間の電位差がP2−N1間の電位差よりも大きいという条件を満たすこと。
なお力行電流防止用ダイオード14の漏れ電流が大きい場合、上記の調整条件(3)を満たすためには抵抗素子53および抵抗素子54を小さくする必要がある。しかしながら抵抗素子51および抵抗素子52が先に決定されている場合、上記の調整条件(1)および(3)を同時に満たすためには、漏れ電流分を消費するために図示しない抵抗を接続する必要がある。
図7は図5に示す回生コンバータが部分回生コンバータとして使用されるときの検出回路の動作を説明するための図である。図7の接続状態で電源を投入した場合、回生コンバータ100の主回路コンデンサ15とインバータ200のコンデンサ25とに電荷が充電され、第2の端子P2と第3の端子N1との間に電位差が生じる。このとき、第1の端子P1の電位は、第2の端子P2の電位から力行電流防止用ダイオード14の順電圧分を差し引いた値となる。ただし、力行電流防止用ダイオード14の順電圧が、第2の端子P2と第3の端子N1との間の電位差に比べて小さいとき、第2の端子P2と第3の端子N1との間の電位差は、第1の端子P1と第3の端子N1との間の電位差に等しい。ここで抵抗素子53と抵抗素子54との分圧比は、非反転入力端子56に印加される電圧が反転入力端子57に印加される電圧よりも大きくなるように、調整される。この場合、コンパレータ55は、非反転入力端子56に印加される電圧と反転入力端子57に印加される電圧とを比較し、Highレベルの信号を出力する。
コンパレータ55の出力端子58から出力される信号は接続状態判定回路600に入力され、接続状態判定回路600は、出力端子58から出力される信号がLowレベルであるときには、図6に示すように配線41,42が接続されていると判定する。また接続状態判定回路600は、出力端子58から出力される信号がHighレベルであるときには、図7に示すように配線41,42が接続されていると判定する。これらの判定結果の情報は、図示しない表示手段または音声出力手段に送信される。
表示手段は、接続状態判定回路600から送信された情報を基に、接続状態を示す文字情報を表示する。表示情報としては「全回生コンバータとして使用可能な接続状態」または「部分回生コンバータとして使用可能な接続状態」といった内容を例示できる。
音声出力手段は、接続状態判定回路600から送信された情報を基に、接続状態を示す音声ガイダンスを再生する。音声ガイダンスとしては「全回生コンバータとして使用可能な接続状態です」または「部分回生コンバータとして使用可能な接続状態です」といった内容を例示できる。
これにより使用者は、回生コンバータ100が全回生コンバータとして使用されるときの接続状態であるか、回生コンバータ100が部分回生コンバータとして使用されるときの接続状態であるかを知ることができる。従って、使用者が意図しない接続状態、すなわち誤配線された状態で回生コンバータ100およびインバータ200が運転することを未然に防ぐことができる。
なお本実施の形態に係る突入電流防止回路13の接続箇所は図示例に限定されるものではない。すなわち図1に示す突入電流防止回路13の代わりに、一端が電力変換部12の直流側の正極母線Pに接続され、他端が力行電流防止用ダイオード14と第1の端子P1との接続点に接続される突入電流防止回路を用いてもよい。この場合、力行電流防止用ダイオード14のカソードは、第1の端子P1と主回路コンデンサ15との接続点に接続される。
また本実施の形態に係る検出回路500は、第1の分圧回路50−1に抵抗素子53および抵抗素子54を用いることにより、第2の端子P2と第3の端子N1との間の浮遊容量にチャージされる電荷を消費することができる。具体的に説明すると、力行電流防止用ダイオード14において逆方向に漏れ電流が流れると、第2の端子P2と第3の端子N1との間の電位差が高まる。この漏れ電流は、第2の端子P2と第3の端子N1との間の電位差が、第1の端子P1と第3の端子N1との間の電位差と等しくなるまで流れ続ける。前述したように全回生で運転する場合、第2の端子P2の電位は第1の端子P1の電位より低い値にする必要がある。抵抗素子53および抵抗素子54によって浮遊容量にチャージされた電荷が消費されるため、第2の端子P2の電位が第1の端子P1の電位より低い値になり、抵抗素子の値にばらつきがある場合でも、検出回路500における接続状態の検出精度が向上する。
以上に説明したように本実施の形態に係る回生コンバータは、第1の端子、第2の端子および第3の端子を備える。部分回生コンバータと全回生コンバータとの何れにも対応可能である。第1の端子、第2の端子、および第3の端子で構成される直流端子の接続を切り替えることにより、全回生コンバータの機能と部分回生コンバータの機能とを発揮することができ、各々の機能を有する回生コンバータを個別に製作する必要がなく、ユニットサイズの更なる低減を図ることが可能である。
また本実施の形態に係る回生コンバータは、第1の端子および第3の端子の各々に配線が接続されているか、第2の端子および第3の端子の各々に配線が接続されているかを検出する検出回路を備える。この構成により、電力変換部の直流側に接続される3つの端子へ誤配線された状態で回生コンバータおよびインバータが運転することを未然に防ぐことができる。
また本実施の形態に係る第1の分圧回路は、逆流防止素子の順電圧が第2の端子と第3の端子との間の電位差に比べて小さい場合と、逆流防止素子の順電圧が第2の端子と第3の端子との間の電位差に比べて大きい場合とにより、コンパレータの出力を反転させる抵抗素子を備える。この構成によれば、抵抗素子の値を変えるだけでコンパレータの出力を変化させることができ、ユニットサイズの増加を抑制しながら精度良く接続状態を判定することができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 交流電源、2 リアクトル、3 交流電動機、11,21,27 交流端子、12,26 電力変換部、12a,12b,12c,12d,12e,12f スイッチング素子、12a1,12b1,12c1,12d1,12e1,12f1 ダイオード、13,23 突入電流防止回路、14 力行電流防止用ダイオード、15 主回路コンデンサ、16,24 直流端子、22 整流回路、25 コンデンサ、41,42 配線、50−1 第1の分圧回路、50−2 第2の分圧回路、51,52,53,54 抵抗素子、55 コンパレータ、56 非反転入力端子、57 反転入力端子、58 出力端子、100 回生コンバータ、200 インバータ、500 検出回路、600 接続状態判定回路。

Claims (6)

  1. 交流電力を直流電力に変換し、直流電力を交流電力に変換する回生コンバータであって、
    電力変換部と、
    前記電力変換部の交流側に接続される交流端子と、
    前記電力変換部の直流側の一端に接続される第1の端子と、
    逆流防止素子を介して前記電力変換部の直流側の一端に接続される第2の端子と、
    前記電力変換部の直流側の他端に接続される第3の端子と、
    前記第1の端子および前記第3の端子の各々に配線が接続されているか、前記第2の端子および前記第3の端子の各々に配線が接続されているかを検出する検出回路と
    を備えることを特徴とする回生コンバータ。
  2. 一端が前記電力変換部の直流側の一端に接続され、他端が前記逆流防止素子と前記第1の端子との接続点に接続される突入電流防止回路を備えることを特徴とする請求項1に記載の回生コンバータ。
  3. 一端が前記電力変換部の直流側の一端と前記逆流防止素子との接続点に接続され、他端が前記第1の端子に接続される突入電流防止回路を備えることを特徴とする請求項1に記載の回生コンバータ。
  4. 前記検出回路は、
    前記第2の端子と前記第3の端子との間に接続される第1の分圧回路と、
    前記第1の端子と前記第3の端子との間に接続される第2の分圧回路と、
    前記第1の分圧回路で分圧された電圧と前記第2の分圧回路で分圧された電圧とを比較するコンパレータと
    を備えることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の回生コンバータ。
  5. 前記第1の分圧回路は、前記逆流防止素子の順電圧が前記第2の端子と前記第3の端子との間の電位差に比べて小さい場合と、前記逆流防止素子の順電圧が前記第2の端子と前記第3の端子との間の電位差に比べて大きい場合とにより、前記コンパレータの出力を反転させる抵抗素子を備えることを特徴とする請求項4に記載の回生コンバータ。
  6. 前記第1の分圧回路は、前記第2の端子に帯電する電荷を消費する抵抗素子を備えることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の回生コンバータ。
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