電力変換器についての備忘録（インバータ補足用）

電力変換機とは、電気の性質（電圧、電流、周波数、電力形式）を変換する装置の総称。
主に半導体素子（スイッチング素子）を用いて電気を高速にオンオフすることで
効率良く、かつ高精度に電力を制御する。

電力変換器の種類と仕組み

電力変換器とは直流と交流を変換したり、交流の周波数を変えたり、直流の電圧を変えたりと
電圧や電流を変換する機器で、大きく4つに分類できる。

AC-DCコンバータ（整流器）

交流（AC）を直流（DC）に変換する機器。

交流電力を直流電力に変換するもので
「順変換装置（コンバータ）」または「整流装置」と呼ばれている。

仕組み

ダイオードなどの半導体素子を使って交流の波形を一方向に流れるように「整流」し
コンデンサで波の凸凹をならして滑らかな直流に変換する。

主な使用用途

電気鉄道
電気めっき用の大容量直流電源
スマートフォンの充電器

DC-ACインバータ

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直流（DC）を交流（AC）に変換する機器。

直流電力を交流電力に変換することを「逆変換」と呼び
これを行う装置を「インバータ」という。

仕組み

スイッチング素子を高速にオンオフし、直流電圧をパルス状に変換する。
このパルスの幅を調整するPWM (Pulse Width Modulation)制御によって
交流の正弦波に近い波形を作り出す。

主な用途

無停電電源装置（UPS）
太陽光発電
エアコン

DC-DCコンバータ

直流（DC）電圧を別の直流電圧に変換（昇圧・降圧）する機器。

ある直流電源から異なる電圧の直流に変換するもの。
直流からスイッチングにより直接直流を得るものは「DCチョッパ」と呼ばれる。

仕組み

スイッチング素子とコイルやコンデンサを組み合わせて
電気を蓄えたり放出したりすることで電圧を変換する。

主な用途

直流電動機の制御
バッテリー駆動の電子機器
電気自動車

AC-ACコンバータ

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交流（AC）電圧を、同じまたは異なる電圧・周波数の交流に変換する機器。

ある交流電源から異なる電圧、周波数の交流に変換するもの。
電圧のみを変換するものを交流電圧調整器、電圧と周波数の両方を変換するものを
「サイクロコンバータ」という
※「マトリクスコンバータ」もある。

仕組み（内容）

• サイクロコンバータ
  入力された交流を直接、異なる周波数の交流に変換する。
  
  
• マトリックスコンバータ
  スイッチング素子を多数用いて、入力と出力を自由に接続することで、効率よく変換する。

主な用途

大容量交流電動機の可変速駆動用
電車や産業用モーターの速度制御

電力変換器の役割と応用例

• エネルギー効率の向上
  モーターの回転数などを必要に応じて制御することで、無駄な電力消費を削減する。
  エアコンや鉄道のインバータ制御が代表例。
  
  
• 再生可能エネルギーの有効活用
  太陽光発電や風力発電で得られる直流電力を
  家庭や電力系統で使用できる交流電力に変換する。
  
  
• 機器の安定動作と長寿命化
  機器に最適な電圧や電流を供給することで
  安定した動作を確保し、故障のリスクを減らす。
  
  
• 電力系統の安定化
  高圧直流送電（HVDC）などで、異なる周波数を持つ電力系統間を接続し
  安定した電力融通を可能にする。

参考資料

新電気2023,11月号　現場の疑問解決塾「インバータ」より画像引用