JP5902532B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータを駆動するための電力変換装置に関し、特にモータを駆動させなくても欠相を検出することができる電力変換装置に関する。
電力変換装置が運転しているとき、出力される多相交流(例えば、三相交流)に欠相が起きることがある。欠相とは、多相交流のうちのある相の電流が断線などに起因して失われることである。図9は、電力変換装置が運転しているときに欠相が起きた三相交流電流を示している。図9のグラフにおいて、縦軸が電流の大きさを表し、横軸が時間を表している。図9に示す例では、U相に欠相が起こった結果、U相電流はほぼ0となっている。
特公平3−73237号公報
従来から行われている欠相検出方法では、電力変換装置が運転しているときに、各相の出力電流を1周期にわたり計測して、各相の出力電流同士を比較する。欠相が起きていなければ、各相の出力電流の平均値はほぼ同じになる。しかしながら、断線などにより欠相が起きると、欠相している相の出力電流が他の相の出力電流と比較して極めて低くなる。この出力電流の低下を検出することで断線などによる欠相を検出することができる。
しかしながら、上述した従来の欠相検出方法は、電力変換装置により実際にモータを駆動してみないと欠相を検出できない。
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、モータを駆動する前に欠相を検出することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
発明の一参考例は、電動機に可変周波数の電力を供給するインバータと、該インバータの出力電流を測定する電流検出器と、前記インバータの出力電力を制御するインバータ制御部とを備えた電力変換装置であって、前記インバータ制御部は、前記電流検出器により測定された三相電流を二相電流に変換する3/2相変換部と、前記3/2相変換部によって変換された静止座標系上の前記二相電流を回転座標系上のトルク電流および磁化電流に変換する静止/回転座標変換部と、トルク電流指令値と前記トルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令値を決定するトルク電流制御部と、磁化電流指令値と前記磁化電流との偏差に基づいて磁化電圧指令値を決定する磁化電流制御部と、前記電動機のロータの回転角度を算出する角度算出部と、回転座標系上の前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換する回転/静止座標変換部と、前記回転/静止座標変換部によって変換された前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を三相の電圧指令値に変換する2/3相変換部とを備え、前記インバータ制御部は、前記トルク電流制御部での前記トルク電流指令値を0に設定し、かつ前記角度算出部での前記回転角度を所定の角度に設定した条件下で、前記三相の電圧指令値を生成し、前記インバータは、生成された前記三相の電圧指令値を受けて前記電動機に直流電流を流し、前記磁化電圧指令値が所定のしきい値を超えた状態が所定の時間継続した場合には、前記インバータ制御部は欠相が起きたと判断することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記インバータが前記電動機に直流電流を流している間に、前記インバータ制御部は、前記磁化電圧指令値を所定の上限値以下に制限することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記所定の角度は、前記三相電流のいずれもが0とならない角度であることを特徴とする。
本発明の態様は、電動機に可変周波数の電力を供給するインバータと、該インバータの出力電力を制御するインバータ制御部と、前記インバータの出力電流を測定する電流検出器と、前記電動機の誘起電圧を測定する電圧検出器とを備えた電力変換装置であって、前記インバータ制御部は、前記電流検出器により検出された三相電流を二相電流に変換する3/2相変換部と、前記3/2相変換部によって変換された静止座標系上の前記二相電流を回転座標系上のトルク電流および磁化電流に変換する静止/回転座標変換部と、トルク電流指令値と前記トルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令値を決定するトルク電流制御部と、磁化電流指令値と前記磁化電流との偏差に基づいて磁化電圧指令値を決定する磁化電流制御部と、前記電動機のロータの回転角度を算出する角度算出部と、回転座標系上の前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換する回転/静止座標変換部と、前記回転/静止座標変換部によって変換された前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を三相の電圧指令値に変換する2/3相変換部とを備え、前記誘起電圧が設定値を超えたときには、前記誘起電圧を構成する三相電圧の各最大値が順番に現れているか否かを判断し、前記三相電圧の各最大値が順番に現れていない場合には、欠相が起きたと判断し、前記電圧検出器により測定された前記誘起電圧が前記設定値以下のときには、前記インバータ制御部は、前記トルク電流制御部での前記トルク電流指令値を0に設定し、かつ前記角度算出部での前記回転角度を所定の角度に設定した条件下で、前記三相の電圧指令値を生成し、前記インバータは、生成された前記三相の電圧指令値を受けて前記電動機に直流電流を流し、前記磁化電圧指令値が所定のしきい値を超えた状態が所定の時間継続した場合には、前記インバータ制御部は欠相が起きたと判断することを特徴とする。
発明の好ましい態様は、前記インバータが前記電動機に直流電流を流している間に、前記インバータ制御部は、前記磁化電圧指令値を所定の上限値以下に制限することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の角度は、前記三相電流のいずれもが0とならない角度であることを特徴とする。
本発明によれば、モータを駆動する前に、磁化電圧指令値の大きさまたは誘起電圧の最大値の出現パターンから欠相を検出することができる。
本発明に係る電力変換装置の第1の実施形態を示すブロック図である。 インバータ制御部のブロック図である。 電力変換装置から出力される三相電流Iu,Iv,Iwを示すグラフである。 第1の実施形態を実施しているときのインバータ制御部を示すブロック図である。 本発明に係る電力変換装置の第2の実施形態を示すブロック図である。 モータの誘起電圧を示すグラフである。 欠相が起きている誘起電圧を示すグラフである。 欠相検出のプロセスを説明するフロー図である。 電力変換装置が運転しているときの三相交流電流を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る電力変換装置の第1の実施形態を示すブロック図である。図1に示すように、電力変換装置は、モータMに可変周波数の電力を供給するインバータ10と、インバータ10への電圧指令値を決定するインバータ制御部11と、インバータ10からモータMに供給される電流を検出する電流検出器(電流計)12とを備えている。
インバータ10は、電力変換部としてのインバータ回路10Aと、このインバータ回路10Aを駆動するゲートドライバ10Bとから基本的に構成されている。インバータ回路10Aでは、直流電力(例えば、商用電源を全波整流して得られる直流電源からの直流電力)が供給される正極ラインPと負極ラインNとの間に3組の上下アームが並列に接続されており、各相の上下アームにはスイッチング素子(IGBT)S1〜S6とダイオードD1〜D6とからなる逆並列回路が組み込まれている。記号C1はコンデンサである。これらスイッチング素子S1〜S6、ダイオードD1〜D6、およびコンデンサC1によりインバータ回路10Aが構成されている。
各スイッチング素子S1,S2,S3,S4,S5,S6には並列にダイオードD1,D2,D3,D4,D5,D6が設けられている。スイッチング素子S1,S3,S5のエミッタは、スイッチング素子S2,S4,S6のコレクタにそれぞれ接続され、スイッチング素子S1とS2の接続点からU相電流Iuが、スイッチング素子S3とS4の接続点からV相電流Ivが、スイッチング素子S5とS6の接続点からW相電流Iwがそれぞれ出力される。スイッチング素子S1,S3,S5のコレクタは、正極ラインPに接続され、スイッチング素子S2,S4,S6のエミッタは、負極ラインNに接続されている。ゲートドライバ10Bは、インバータ制御部11から送られる電圧指令値に従った電圧が生成されるように、インバータ回路10Aのスイッチング素子S1〜S6を駆動する。
電流検出器12は、インバータ10からモータMに供給される三相電流Iu,Iv,Iwを計測する。その測定値IoutU,IoutV,IoutWは、ゲイン調整器15によって増幅された後、インバータ制御部11に入力される。なお、ゲイン調整器15は省略することもできる。なお、三相電流Iu,Iv,Iwの計測は、任意の2相の電流を計測し、式Iu+Iv+Iw=0から残りの電流を求めてもよい。
インバータ制御部11は、三相電流(測定値)IoutU,IoutV,IoutWおよび外部から入力される角速度指令値に基づいて三相電圧指令値Vu,Vv、Vwを生成する。さらに、インバータ制御部11は、これら三相電圧指令値Vu,Vv、Vwに対応したPWM信号を生成し、このPWM信号をゲートドライバ10Bに送る。ゲートドライバ10Bは、三相電圧指令値Vu,Vv、Vwに対応するPWM信号に基づいてゲートドライブPWM信号を生成し、6個のスイッチング素子S1〜S6は、ゲートドライブPWM信号に基づいて動作(オン、オフ)される。このように、インバータ10はインバータ制御部11からの三相電圧指令値に基づいた電圧を生成し、これをモータMに印加する。
インバータ制御部11の基本的動作は次の通りである。電流検出器12によって検出されたインバータ10の三相電流IoutU,IoutV,IoutWは、回転座標系上の二相電流(ベクトル)に変換される。ここで、回転座標系の一方の軸を1次鎖交磁束の方向に一致させると、他方の軸は1次鎖交磁束に直交する。したがって、1次鎖交磁束に直交する軸上の電流ベクトルを制御することによって、モータMのトルクを制御することができる。すなわち、変換された二相電流とそれぞれの目標値との偏差がなくなるようにPI制御が行なわれ、二相の電圧指令値が求められる。求められた回転座標系上の二相の電圧指令値は、静止座標系上の三相の電圧指令値に変換される。そして、各相の電圧指令値に対応したPWM信号が生成され、このPWM信号はインバータ10のゲートドライバ10Bに送られる。インバータ制御部11は、CPU(中央演算処理装置)または専用の処理装置から構成することができる。
次に、図2を参照してインバータ制御部11について詳細に説明する。電流検出器12によって測定された三相電流IoutU,IoutV,IoutWは3/2相変換部17に送られ、ここで静止座標系上の三相電流IoutU,IoutV,IoutWは静止座標系上の二相電流に変換される。この静止座標系上の二相電流は静止/回転座標変換部18に送られ、ここで位相θに基づいて回転座標系上の二相電流、すなわち磁化電流Imおよびトルク電流Itに変換される。位相θはロータの回転角度である。
トルク電流Itおよび磁化電流Imは、トルク電流制御部21および磁化電流制御部22にそれぞれ送られる。トルク電流制御部21にはトルク電流指令値Itが入力される。トルク電流制御部21は、トルク電流指令値Itと現在のトルク電流Itとの偏差を0とするためのトルク電圧指令値Vtを求める。トルク電流指令値Itは、モータMの角速度ωとインバータ制御部11の外部から入力される角速度指令値との偏差を0とするためのトルク電流であり、PI演算から求められる。磁化電流制御部22には、磁化電流指令値Imが入力される。磁化電流制御部22は、磁化電流指令値Imと磁化電流Imとの偏差を0とするための磁化電圧指令値Vmを求める。トルク電流制御部21および磁化電流制御部22としては、PI制御器(比例積分制御器)が用いられる。
磁化電圧指令値Vmおよびトルク電圧指令値Vtは、回転/静止座標変換部35に入力され、ここで回転座標系上の磁化電圧指令値Vmおよびトルク電圧指令値Vtは、位相θに基づき静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換される。さらに2/3相変換部36により、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値は、三相(u相、v相、w相)の電圧指令値Vu,Vv、Vwに変換される。インバータ10は、上述したように、電圧指令値Vu,Vv、Vwに従って電圧を生成する。
トルク電圧指令値Vtおよび磁化電圧指令値Vmは速度演算部31にも送られ、ここでモータMのロータの角速度ωが求められる。この角速度ωは、角度算出器33に入力される。角度算出器33は、角速度ωを積分してロータの回転角度θを求める。この回転角度θは静止/回転座標変換部18および回転/静止座標変換部35に入力される。
図3は、電力変換装置から出力される三相電流Iu,Iv,Iwを示すグラフである。図3のグラフの縦軸は電流の大きさ[A]を表し、横軸はモータMのロータの回転角度(位相)を表す。三相電流Iu,Iv,Iwの間には、Iu+Iv+Iw=0の関係が成り立つ。ロータの回転角度が0°のとき、三相電流Iu,Iv,Iwは0Aではないある値を持つ。しかしながら、欠相が起こると、三相電流Iu,Iv,Iwのバランスが崩れ(すなわち、Iu+Iv+Iw=0の関係が成り立たず)、結果としてフィードバックされた磁化電流Imはほとんど0のままとなる。磁化電流制御部22は磁化電圧指令値Vmを大きくして磁化電流Imを磁化電流指令値Imに近づけようとするため、磁化電圧指令値Vmは大きく上昇する。
本実施形態に係る電力変換装置は、このような磁化電圧指令値Vmの上昇に基づいて、欠相を検出する。すなわち、図4に示すように、角度算出器33にてロータの回転角度θを0°に設定し、かつトルク電流制御部21にてトルク電流指令値Itを0に設定した条件下で、インバータ制御部11は電圧指令値Vu,Vv、Vwを生成し、インバータ10は、生成された電圧指令値Vu,Vv、Vwに従ってモータMに直流電流を流す。欠相が生じていると、上述したように磁化電圧指令値Vmが大きく上昇する。そこで、インバータ制御部11は、磁化電圧指令値Vmが予め定められたしきい値を超えた状態が所定の時間続いた場合には、欠相が起きていると判断する。この所定の時間は、例えば1〜2秒である。なお、欠相が起きていない正常運転時でも、磁化電圧指令値Vmが瞬間的に大きく上昇することがあるので、正確な欠相の検出を行うために、インバータ制御部11は、磁化電圧指令値Vmがしきい値を超えた状態が所定の時間続いた場合に欠相が起きていると判断する。
直流電流をモータMに流すときのロータの設定回転角度は0°に限らず、正常時に三相電流Iu,Iv,Iwのいずれも0にならない角度であればよい。例えば、図3から分かるように、ロータの回転角度が−180°,−120°,−60°,60°,120°,180°であってもよい。三相電流Iu,Iv,Iwのいずれかが0となる角度(例えば、90°)では、欠相の検出ができない。したがって、欠相の検出は、三相電流Iu,Iv,Iwのいずれも0にならない角度を指定して行われる。
欠相の検出時に磁化電圧指令値Vmが過度に上昇しすぎると、インバータ10やモータMに悪影響を及ぼしてしまうおそれがある。そこで、磁化電圧指令値Vmに上限値を設け、欠相検出のために直流電流を流しているときに磁化電圧指令値Vmが上限値を超えて上昇しないようにすることが好ましい。このような上限値を設けることで、欠相の検出時のインバータ10やモータMを保護することができる。
本実施形態の欠相検出は、モータMが誘導モータであっても同期モータであっても適用することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図5は本発明に係る電力変換装置の第2の実施形態を示すブロック図である。なお、特に説明しない第2の実施形態の構成および動作は、第1の実施形態と同様であるのでその重複する説明を省略する。
モータMは、電力の供給を受けずに、外部の運動エネルギーまたは慣性により回転していることがある。本明細書ではこのような状態を「自由回転」という。モータが自由回転する状況には、例えば、モータMをポンプの駆動に使用する場合において、ポンプ内を流れる液体により羽根車が水車としてモータMを回転させることがある。
モータMが永久磁石同期モータである場合、ロータに埋設された永久磁石の回転により誘起電圧が発生する。欠相を検出するために、自由回転しているモータMに上述のように直流電流を流すと、大きな誘起電圧が発生し、インバータ10を破壊するおそれがある。
そこで、第2の実施形態では、モータMが自由回転しているときは、直流電流をモータMに流さずに、モータMに生じる誘起電圧の出現パターンによって欠相を判断する。モータMの誘起電圧は、インバータ10の出力電圧を測定するための電圧検出器40によって測定される。図6はモータMの誘起電圧を示すグラフである。図6のグラフにおいて、縦軸は電圧[V]を表し、横軸は時間を表す。誘起電圧は、U相電圧、V相電圧、W相電圧の三相電圧からなり、それらの三相電圧の最大値は順番に現れる。
これに対し、図7は欠相が起きている誘起電圧を示すグラフである。図7に示すように、欠相が起きると、三相電圧のうちの二相電圧の最大値のみが交互に現れる。図7に示す例では、W相電圧およびU相電圧の最大値が交互に現れ、V相電圧の最大値は現れない。したがって、インバータ制御部11は、誘起電圧を構成するU相電圧、V相電圧、W相電圧の最大値が順番に現れないときには、欠相が起きていると判断することができる。
以下、インバータ制御部11が欠相の検出をするプロセスについて詳細に説明する。図8は、欠相検出のプロセスを説明するフロー図である。電力変換装置に電源が投入されると(ステップ1)、インバータ制御部11は各種初期設定を行う(ステップ2)。次に、電圧検出器40により誘起電圧を測定し、その誘起電圧の測定値をインバータ制御部11に送る。誘起電圧の測定値が設定値を超えたときには(ステップ3)、インバータ制御部11はモータMが自由回転していると判断して、以下に説明する誘起電圧に基づいた欠相検出を行う(ステップ4)。設定値は、例えば、インバータ10の定格出力電圧の3〜5%である。
インバータ制御部11は、測定された誘起電圧のU相電圧、V相電圧、W相電圧の最大値が少なくとも1周期にわたって順番に現れているか否かを決定する。図6に示すように、U相電圧、V相電圧、W相電圧の最大値が順番に規則的に現れている場合には、インバータ制御部11は欠相が起きていないと判断する。一方、図7に示すように、U相電圧、V相電圧、W相電圧の最大値が順番に現れていない場合には、インバータ制御部11は欠相が起きていると判断する。
欠相が起きている場合には(ステップ6のYES)、インバータ制御部11は欠相の発生を知らせる警報を発する(ステップ7)。欠相が起きていない場合には(ステップ6のNO)、インバータ制御部11は電力変換装置の運転を開始させる(ステップ8)。このように、第2の実施形態によれば、モータMを駆動する前に欠相が起きているか否かを検出することができる。
上記ステップ3において、誘起電圧の測定値が設定値以下であるときは、インバータ制御部11は、誘起電圧による欠相検出が行えないと判断し、第1の実施形態に係る磁化電圧指令値に基づいた欠相検出を実行する(ステップ5)。すなわち、磁化電流制御部22から出力される磁化電圧指令値Vmが所定のしきい値を超えた状態が所定の時間続いた場合には、インバータ制御部11は欠相が起きていると判断する。欠相が起きていると判断された場合には(ステップ6のYES)、インバータ制御部11は欠相の発生を知らせる警報を発する(ステップ7)。欠相が起きていないと判断された場合には(ステップ6のNO)、インバータ制御部11は電力変換装置の運転を開始させる(ステップ8)。なお、モータMが誘導モータである場合には、誘起電圧による欠相検出はできないため、ステップ3は省略され、ステップ2の後に必ずステップ5を行うことになる。これは、第1の実施形態に相当する。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
10 インバータ
11 インバータ制御部
12 電流検出器
17 3/2相変換部
18 静止/回転座標変換部
21 トルク電流制御部
22 磁化電流制御部
24 目標トルク電流決定部
26 目標磁化電流決定部
27 目標出力電圧決定部
30 出力電圧算出部
31 速度演算部
33 角度算出器
35 回転/静止座標変換部
36 2/3相変換部
40 電圧検出器

Claims (3)

  1. 電動機に可変周波数の電力を供給するインバータと、該インバータの出力電力を制御するインバータ制御部と、前記インバータの出力電流を測定する電流検出器と、前記電動機の誘起電圧を測定する電圧検出器とを備えた電力変換装置であって、
    前記インバータ制御部は、
    前記電流検出器により検出された三相電流を二相電流に変換する3/2相変換部と、
    前記3/2相変換部によって変換された静止座標系上の前記二相電流を回転座標系上のトルク電流および磁化電流に変換する静止/回転座標変換部と、
    トルク電流指令値と前記トルク電流との偏差に基づいてトルク電圧指令値を決定するトルク電流制御部と、
    磁化電流指令値と前記磁化電流との偏差に基づいて磁化電圧指令値を決定する磁化電流制御部と、
    前記電動機のロータの回転角度を算出する角度算出部と、
    回転座標系上の前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を、静止座標系上のトルク電圧指令値および磁化電圧指令値に変換する回転/静止座標変換部と、
    前記回転/静止座標変換部によって変換された前記トルク電圧指令値および前記磁化電圧指令値を三相の電圧指令値に変換する2/3相変換部とを備え、
    前記誘起電圧が設定値を超えたときには、前記誘起電圧を構成する三相電圧の各最大値が順番に現れているか否かを判断し、
    前記三相電圧の各最大値が順番に現れていない場合には、欠相が起きたと判断し、
    前記電圧検出器により測定された前記誘起電圧が前記設定値以下のときには、前記インバータ制御部は、前記トルク電流制御部での前記トルク電流指令値を0に設定し、かつ前記角度算出部での前記回転角度を所定の角度に設定した条件下で、前記三相の電圧指令値を生成し、
    前記インバータは、生成された前記三相の電圧指令値を受けて前記電動機に直流電流を流し、
    前記磁化電圧指令値が所定のしきい値を超えた状態が所定の時間継続した場合には、前記インバータ制御部は欠相が起きたと判断することを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記インバータが前記電動機に直流電流を流している間に、前記インバータ制御部は、前記磁化電圧指令値を所定の上限値以下に制限することを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  3. 前記所定の角度は、前記三相電流のいずれもが0とならない角度であることを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
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