高周波インバータについてご教示ください。

質問

高周波インバータは、商用電源をいったん直流に変換し、それを例えば半導体スイッチみたいなもので高速スイッチングして高周波に変換するようなものと思っています。
そこで疑問なのですが、一旦直流に変換するのはなぜなんでしょうか？

以下勝手な想像なので、間違っていたら指摘をお願いします。

交流の場合、常にその時の電圧なり電流なりが変動していて一定ではない。
そのため、ある瞬間に半導体スイッチがonになっても出力が0になってしまっている場合もあったりして、安定した奇麗な交流が作れなくなり、高周波ノイズ？が大量発生する。
そのため、常に一定の値を示す直流に一度変換し、時間による変動をなくして高周波化した際に生じる高周波ノイズの発生を低減する。

言ってしまえば、「周波数変換効率を高める」ということでしょうか？
この場合の効率とは、やりやすさという意味と、変換後の綺麗さという両方の意味です。

回答No.4

bogen555 · ベストアンサー

> 一旦直流に変換するのはなぜなんでしょうか？
一言で言って、制御技術的に難しく、適当な素子が無かったとゆうことでしょう。
制御技術の面では、制御理論の進歩とパワエレ制御に使えるDSP（デジタル・シグナル・プロセッサ）が出てきたこと、素子の面では高速動作可能なIGBTが出てきたことから、AC→ACの高速コンバータが数年前から実用化されています。
これを「マトリックスコンバータ」と言います。
ここの説明が技術的にはわかりやすいでしょう（少し古いけど）
http://www.fujielectric.co.jp/company/jihou_archives/pdf/77-02/FEJ-77-02-142-2004.pdf
マトリックスコンバータでAC→AC変換すると、インバータでAC→DC→AC変換するよりも高効率になります。
しかも、インバータでは入力力率を１に近づけるにはSMR（スイッチング整流器）が必要ですが、それも兼用できるわけです。

教科書は古すぎて、大昔の技術しか載ってません。
僕の学生時代の教科書には、サイリスタ（SCR）は載って無くて、水銀整流器でした。
イグナイトロンとかサイラトロンですね。

お礼

回答ありがとうございます。
他の方も仰っていましたが、出来るけど効率が悪すぎて意味がないという印象でした。
マトリックスコンバータの解説もありがとうございました。
勉強させて頂きます。

回答No.5

foobar

直流から交流を作るインバータ構成（あるいは交流から直流を作る整流器構成）の場合、スイッチング素子でON/OFFする電圧もしくは電流が単方向になって半導体スイッチで構成し易い（電圧型だと逆導通型の素子もしくはダイオードでバイパスすればよいし、電流型だと逆阻止型の素子を使えばよい）というのもあります。
マトリクスコンバータだと、双方向の電圧や電流や電流をON/OFFする必要があり、スイッチ部分の構成が面倒です。
また、ご質問にもあるように、入力電圧が変動するので、出力にその影響が残ってしまう、というのもあるでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。
色々な面があるのですね。

回答No.3

KEN_2

ANo.1 です。
補足回答します。

>サイクロコンバータは交流を直接半導体スイッチで変換していたと思います。
>インバータの場合は直流に変換してからでないと半導体スイッチで制御できないが
>コンバータの場合は出来るんでしょうか？

「サイクロコンバータ」の場合は、
サイリスタなどを用いたブリッジ整流回路の位相制御角を調節して、任意の交流出力を実現していて、三相交流電力を別の周波数・電圧の交流電力に直接変換できますが、出力周波数の最大値は入力周波数の1/3 - 1/2程度であり、また力率が悪いなどの問題があります。
高出力・高効率の例として「マトリックスコンバータ」は電源電圧を直接PWM制御して、任意の電圧・周波数を出力する直接変換型電力変換装置もあります。

インバータの場合は直流⇒交流変換の方式そのものを『インバータ』と呼ぶのであって、パワーデバイスの進化と制御回路の工夫で高周波化と高効率を実現しているのです。

参考：電源回路
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%BA%90%E5%9B%9E%E8%B7%AF

お礼

なるほど、そういうことでしたか。
ご丁寧にありがとうございます。

回答No.2

defmerube

私もインバータについて人に解説する程詳しくはありませんが、
もっと基礎的なところから勉強された方が良いと思います。
パワーエレクトロ二クスの参考書などは、読まれたことありますでしょうか？

チョッパ制御から把握していくとイメージがつかめると思います。（下名も勉強中ですが。）
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%81%E3%83%A7%E3%83%83%E3%83%91%E5%88%B6%E5%BE%A1

インバータが出力する波形は、直流電源から出力される（電圧型インバータでは、整流回路と主コンデンサにより変換された直流電圧）矩形波です。

PWM制御の場合、指令値とマイコンから出力される三角波を比較し、
指令値＞三角波のときには、スイッチング素子がＯＮとなることで、直流の電圧がかかります。
指令値＜三角波のときには、スイッチング素子がＯＦＦとなります。

ＯＮが多いところでは、電圧が高くなり、ＯＦＦが多いところでは、電圧が低くなります。
これで、結果的に正弦波のようなものが作られるわけです。

また、インバータの定義はググるとわかると思いますが、直流を交流に変換する装置です。

以上

お礼

回答ありがとうございます。
あと、すいませんちょっと混同していたようです。

元々は、高周波リンク方式について調べていました。
高周波リンク方式は、高周波インバータと工数は変圧器を組み合わせて電力変換装置として用いており
代表的な構成にDC-DCコンバータとサイクロコンバータがある～・・・・・という流れを読んでいました。
このあたりでインバータとコンバータと構成もろもろをごちゃごちゃにしていました。
改めて考えてみれば当たり前すぎました・・・・。

回答No.1

KEN_2

結論を言えば、インバータの場合制御するのに半導体を使用するから、直流電圧に変換するしか方法はないのです。
インバータは直流電力から交流電力を電気的に生成する（逆変換する）電源回路、またはその回路を持つ電力変換装置であるからです。

交流を処理して高周波インバータを実現する適切な方法は、一旦直流に変換して制御回路で周波数を可変したり電圧を可変してモーターなど負荷を制御します。
交流を直接変換して高周波にする適切なデバイスはないので、インバータの方式をとるのです。
インバータの場合も『高周波ノイズ？が大量発生』しますが、回路の工夫でノイズを除去・低減しているのと、効率も回路で工夫しています。
インバータであれば何でも効率が良いのでは無く、回路方式や設計技術の差で大きく異なります。

参考に下記サイトを参照ください。
インバータ
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%90%E3%83%BC%E3%82%BF

参考：電源について　（DC-DCコンバータとしてインバータを使用しています。）
http://www.cosel.co.jp/jp/data/pdf/technotes.pdf#page=18&view=fitH,300

補足

回答ありがとうございます。
1点疑問に思ったので、補足をつけます。

>制御するのに半導体を使用するから、直流電圧に変換するしか方法はないのです
サイクロコンバータは交流を直接半導体スイッチで変換していたと思います。
インバータの場合は直流に変換してからでないと半導体スイッチで制御できないが
コンバータの場合は出来るんでしょうか？
この点がよくわかりませんでした。

その点はひとまず置いておくとして技術的に不可能なため、一旦交流を直流に変換してという手順を踏んでいるということですね。
本を読んでいた所、直流に変換した方がやりやすいから直流にしてるんだよ～って書いてあったのでてっきり直流のほうが質問に書いた通りでいいのかと思ってました。