JP2004156986A - 停電検出装置 - Google Patents

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寛和 徳田
Akio Suzuki
明夫 鈴木
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Abstract

【課題】高速で誤検出の少ない停電検出を可能とし、また、フィルタを用いる場合でもその調整を容易とし柔軟な回路設計ができるようにする。
【解決手段】三線3相の電源に接続されてその電圧を検出する電圧検出器1と、電圧検出器1の検出信号に同期する信号を生成するPLL(位相同期)回路5と、電圧検出器1の検出信号をα,β成分の2相量に変換する変換回路2と、PLL回路5からの同期信号を基準に回転座標変換する回転座標変換回路3と、この回転座標変換された信号の少なくとも1つの成分について、その成分と第1設定値との差が、その成分に対する第2成分と第3成分との間から外れたとき停電と判断する判定回路4とから構成する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無停電電源装置のように、電源が停電したときに動作を切り換える必要がある装置に用いて好適な停電検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の停電検出装置の例として、例えば特許文献1に示すものがある。これは、ウインドウコンパレータ形波形監視装置を設け、これにより検出される電圧を基準電圧と比較して、検出される電圧が例えば図14に点線で示す所定範囲を超えていれば停電として検出するもので、迅速な停電検出を可能にするものである。
【0003】
【特許文献1】
特開平06−205547号公報(図1、第4頁)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような装置で高速に停電を検出するためには、ウインドウコンパレータの正常電圧範囲を狭く設定する必要があるが、こうすると逆に本来停電と見なさなくても良いような小さい電圧の変動や、電圧不平衡により停電を誤検出する可能性がある。このような誤検出を避けるためにフィルタを設置する場合も、交流量をそのまま用いて停電判定を行なうこととなり、交流量を例えば一次遅れフィルタ等のフィルタを通すと位相遅れが生じることなどにより、電圧振幅の変動を通過させず、かつ位相遅れの無視できるフィルタを選定するなど、フィルタの定数の選定が難しいだけでなく、フィルタの選定に制限があるので柔軟な設計が難しいなどの問題がある。
したがって、この発明の課題は、高速で誤検出が少なく、しかもフィルタを用いる場合でもその調整や柔軟な設計を容易にできるようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、三相3線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分の2相量に変換し、前記同期信号生成手段からの同期信号を基準にして回転座標変換する変換手段と、この回転座標変換された信号のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを設けたことを特徴とする。
【0006】
請求項2の発明では、三相4線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分,0成分に変換し、そのうちのα成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号を基準にして回転座標変換する変換手段と、この回転座標変換された信号と前記0成分のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定することを特徴とする。
【0007】
請求項3の発明では、三相3線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分の2相量に変換する変換手段と、このα成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の正回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する正回転座標変換・抽出手段と、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の逆回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する逆回転座標変換・抽出手段と、この正回転,逆回転座標変換され、抽出された信号のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【0008】
請求項4の発明では、三相4線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分,0成分に変換する変換手段と、そのうちのα成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の正回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する変換を行なう正回転座標変換・抽出手段と、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の逆回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する変換を行なう逆回転座標変換・抽出手段と、この正回転,逆回転座標変換され、抽出された信号と前記0成分のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【0009】上記請求項1ないし4のいずれかの発明においては、前記判定手段に入力される少なくとも1つの成分が、フィルタ要素を介して入力されることができ(請求項5の発明)、または、前記判定手段の後段に、前記差の値がその成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れた回数を計測する回数計測手段を設け、その回数が予め設定された回数連続して外れたとき停電と判定することができる(請求項6の発明)。
【0010】
請求項1または2の発明においては、前記判定手段に入力される少なくとも1つの成分が、電源電圧の2倍周波数の周期で移動平均処理をする移動平均処理手段を介して入力されることができ(請求項7の発明)、また、請求項3または4の発明においては、前記正回転座標変換・抽出手段の代わりに、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の正回転信号を基準にして回転座標変換し電源電圧の2倍周波数の周期で移動平均処理をする正回転座標変換・移動平均処理手段を、また前記逆回転座標変換・抽出手段の代わりに、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の逆回転信号を基準にして回転座標変換し電源電圧の2倍周波数の周期で移動平均処理をする逆回転座標変換・移動平均処理手段をそれぞれ用いることができる(請求項8の発明)。
【0011】
この発明は、電源健全時に三相電源に同期した回転座標系で電源電圧を監視することにより停電を監視するもので、まず、その原理について説明する。
電源電圧を三相の交流量からα−β成分、またはα−β−0成分に変換する方法としては、例えば「瞬時無効電力の一般化理論とその応用」電気学会論文誌B、103巻7号、p483〜486に詳しく述べられているので、以下ではごく簡単に説明する。
検出された三相3線の電圧(相電圧:VR,VS,VT)の2相量(VA,VB)への変換は、次の数1に示す変換式▲1▼により行なうことができる。
【数1】
【0012】
三相3線式の場合には、中性線がないため零相電圧が意味を持たないので、検出される量が線間電圧である場合には、VR+VS+VT=0の条件を用い、検出された線間電圧より相電圧を導き出してから、上記▲1▼式を適用すれば良い。また、三相4線式の場合には、相電圧VR,VS,VTからα−β−0成分VA,VB,0への変換は次の数2に示す変換式▲2▼により行なうことができる。ただし、変換式▲1▼,▲2▼の変換行列の係数の選び方や基準軸の取り方は一意ではないため、全体の係数などは変更される場合もある。
【数2】
【0013】
これらの変換により、三相の交流量からα成分,β成分が導き出されるが、これは、正相回転の成分と逆相回転の成分との合成に変換したものと考えることができる。つまり、仮に相電圧VR,VS,VTが三相平衡の交流電圧であったならば、その中には逆相成分は含まず、正相分のみ含むことになるため、変換後のVA,VBは正相回転成分のみを持ち、基準を余弦(cos)とするならば、VAがVRと同相の余弦(cos)波、VBが正弦(sin)波となる。
【0014】
次に、2相量VA,VBから、回転座標上の2軸量Vd,Vqへの変換について説明する。
この変換は、次の数3に示す変換式▲3▼により行なうことができる。ただし、(cosωt,sinωt)、(−sinωt,cosωt)は、この回転座標変換の基準となる回転座標系(直交座標系)の単位ベクトルを、変換前の静止座標系で見たものである。ωは電源の角周波数である。
【数3】
【0015】
上式から容易に分かるように、電源電圧が振幅1pu(per−unit:1単位)の三相平衡交流である場合には、Vd=Vd0(Vd0は定数であるが、変換行列の係数による。上記の係数の場合Vd0=1)、Vq=0となるので、電源健全時には電圧を直流量として監視できることが分かる。なお、三相4線式の場合には、電源健全時には電圧の零相成分はないことを考えると、V0=0である。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は以上のような原理に基づくこの発明の第1の実施の形態を示す構成図で、三相3線の電源に適用した例である。
電源の電圧は電圧検出器1で検出され、その出力はフェーズロックドループ(PLL:位相同期回路)回路5に与えられる。PLL5は電圧検出器1に同期した正弦波信号を出力するが、その位相は電源のR相に同期した余弦(cos)成分と、その90°移相成分である正弦(sin)成分を出力する。なお、PLL5での演算は電源の1相の信号を基準にする構成としても、または電源の3相の信号を基準にする構成としても良い。
【0017】
また、電圧検出器1の出力である線間電圧VRS,VSTが、α−β変換器2に入力される。α−β変換器2はここでは線間電圧VRS,VSTを、
VR−VS=VRS
VS−VT=VST
VR+VS+VT=0
を連立して解いて求まるVR,VS,VTへの変換式で相電圧に直し、その後、α成分,β成分を導出する上記▲1▼式に従う演算を行なってα成分,β成分を求めるようにしている。なお、この場合は電源が三相3線なので、第3の式を仮定しても問題はない。
【0018】
このα成分,β成分はPLL5の出力である余弦成分と正弦成分の信号を基準に、回転座標変換回路3にて回転座標変換されd成分とq成分に変換される。その結果は判定回路4に入力され、ここで停電かどうかが判断される。
判定回路4の例を図4に示す。一相判定回路6とオア回路7から構成され、図1の場合は図4の左側に示す入力端子にそれぞれd成分,q成分が入力され、一相判定回路6の出力のどちらか一方が信号を出力した場合に、右側の出力端子に信号が出力される動作となる。
【0019】
図5に図4の一相判定回路の具体例を示す。
設定器61は、入力信号の正常値を設定するための設定器である。入力信号は減算回路64で設定器61の出力信号から減算され、その差信号が演算される。その結果の信号は、設定器62の信号と比較される比較回路65と、設定器63の信号と比較される比較回路66とに入力される。設定器62の信号と比較される比較回路65では、減算回路64の出力信号が設定器62の信号レベルを上回ったときに信号を出力する。一方、設定器63の信号と比較される比較回路66では、減算回路64の出力信号が設定器63の信号レベルを下回ったときに信号を出力する。これらの信号はオア回路67に入力され、どちらかの信号が発生したときに信号を出力するように動作する。なお、q軸成分は通常0であるので、判定回路4としては図4の回路を用いずに、図5の回路をd軸成分にのみ適用して停電検出するような、1相のみの信号を用いる簡略化した構成とすることもできる。
【0020】
図2はこの発明の第2の実施の形態を示す構成図である。
図1との相違点は、電圧検出器1の出力に線間電圧VRS,VST,VTRの三相の信号を用いた点にある。そのため、α−β変換器21は、この場合VRS,VST,VTRの信号から相電圧VR,VS,VTを演算し、その後、α成分,β成分を導出する上記▲1▼式に従う演算を行なってα成分,β成分を求めるようにしている。構成は多少異なるが、基本的に図1と同じ演算を行なっていることになる。
【0021】
図3はこの発明の第3の実施の形態を示す構成図で、三相4線の電源に適用した例である。
そのため、電圧検出器1は電源のN相に対するR相,S相,T相の電圧を検出する。検出された電圧信号はα−β−0変換器22に入力され、上記▲2▼式に従う演算を行なってα成分,β成分,0成分を求める。PLL5の機能は図1,図2の場合と同じである。演算されたα成分,β成分はPLL5からの余弦成分,正弦成分の信号を基準に、回転座標変換回路3にて回転座標変換されd成分とq成分に変換される。そして、それらの結果は判定回路4に入力され、ここで停電かどうかが判断される。
【0022】
図3で用いられる判定回路4の構成例を図6に示す。
この場合d成分,q成分,零成分が一相判定回路6にそれぞれ入力されるので、一相判定回路6が3個必要であるが、その数が異なるだけでその動作は図4と同様なので説明は省略する。また、一相判定回路における設定器8の設定値の一例は、d軸成分1puで、q軸成分と0成分はそれぞれ0である。そこで、図3の判定回路4を、d軸成分の一相のみ、またはd軸成分とq軸成分の2相のみを検出するような、簡略化した構成とすることも可能である。
【0023】
図7に図1の、図8に図2の、また図9に図3の変形例をそれぞれ示す。
各図からも明らかなように、いずれも回転座標変換されたα成分,β成分の2相量を変換回路8にて正相回転の座標変換をした後フィルタ10を通過させる点、同じくα成分,β成分の2相量を変換回路9で逆相回転の座標変換(同期信号の逆回転信号を基準にした回転座標変換)をした後フィルタ101を通過させる点が特徴である。
すなわち、正相回転の座標変換を施すことにより、最初に検出した電圧に含まれる正相電圧成分は直流成分に、逆相電圧成分は基本波の2倍周波数成分に変換されるので、フィルタにより直流を抽出することにより、最初に検出した電圧の正相分のみを分離することができる。
【0024】
また、逆相回転の座標変換を施すことにより、最初に検出した電圧に含まれる正相電圧成分は基本波の2倍周波数成分に、逆相電圧成分は直流成分に変換されるので、フィルタにより直流を抽出することにより、最初に検出した電圧の逆相分のみを分離することができる。こうすれば、正相,逆相それぞれの感度を変えたい場合に、独立して設定値を設けることができるようになり、柔軟な設定が実現可能となる。なお、逆相回転の座標変換は数4に示す▲4▼式で表わすことができる。
【数4】
【0025】
図10に第4の実施の形態を示す。
これは、図1〜図3の回転座標変換回路3と判定回路4との間、図7〜図9のフィルタ回路10,101と判定回路4との間に、フィルタ回路11をそれぞれ設けるもので、その他の部分は図示を省略している。フィルタ回路の具体例としては、1/(1+sT)なる伝達関数で示される一次遅れフィルタがあり、d軸成分,q軸成分にそれぞれ対応して設けることができる。これにより、停電と見なしたくないような微小な電圧変動などを除去することが可能となる。
図11に第5の実施の形態を示す。
これは、図1〜図3の回転座標変換回路3と判定回路4との間に移動平均回路12をそれぞれ設けるもので、その他の部分は図示を省略している。なお、この移動平均回路12は、図7〜図9ではフィルタ回路10,101の代わりに用いることもできる。
つまり、検出した電圧に逆相成分が含まれる場合には、回転座標変換後の信号に電源電圧の2倍の周波数信号が重畳されて現われるので、この影響を除くべく回転座標変換した後の信号を、電源電圧の2倍の周期で移動平均をとるようにするものである。
【0026】
図12に第6の実施の形態を示す。
これは、図1〜図3と図7〜図9の判定回路4の後段に回数確認回路13を設けるもので、その他の部分は図示を省略している。
図13は回数確認回路13の動作説明図である。横軸は時間軸で、縦線が判定時刻を示す。同図(a1),(a2)は回数確認回路13の入力信号、同図(b1),(b2)は回数確認回路13の出力信号を示す。すなわち、設定回数を「4」とした場合、図13(a1)のように4回連続して判定回路4の出力が入力されると、図13(b1)のように4回目で出力が得られる。これに対し、図13(a2)のように2回しか判定回路4の出力が入力されないと、図13(b2)のように出力は得られないことになる。このように、回数確認回路13により、図13(a2)のような小さい電圧変動を停電検出から除外して、より確実に停電検出を行なうことができる。
【0027】
【発明の効果】
この発明によれば、小さな電圧の変動や電圧不平衡によっては誤検出しない高速な停電検出装置を提供できる。また、その調整も柔軟かつ容易なので、本装置を無停電電源装置に適用すれば、より高速に停電に対応できるだけでなく、誤検出が少なく調整も柔軟かつ容易な無停電電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す構成図
【図2】この発明の第2の実施の形態を示す構成図
【図3】この発明の第3の実施の形態を示す構成図
【図4】図1で用いられる判定回路の例を示す構成図
【図5】一相判定回路の具体例を示す回路図
【図6】図3で用いられる判定回路の例を示す構成図
【図7】図1の変形例を示す構成図
【図8】図2の変形例を示す構成図
【図9】図3の変形例を示す構成図
【図10】この発明の第4の実施の形態を示す要部構成図
【図11】この発明の第5の実施の形態を示す要部構成図
【図12】この発明の第6の実施の形態を示す要部構成図
【図13】回数確認回路の動作説明図
【図14】従来例の動作原理説明図
【符号の説明】
1…電圧検出器、2,21…α−β変換器、22…α−β−0変換器、3…回転座標変換回路、4…判定回路、5…フェーズロックドループ(PLL)、6…一相判定回路、7,67…オア回路、8…正相回転座標変換回路、9…逆相回転座標変換回路、10,11,101…フィルタ回路、12…移動平均回路、13…回数確認回路、61,62,63…設定器、64…減算回路、65,66…比較回路。

Claims (8)

  1. 三相3線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分の2相量に変換し、前記同期信号生成手段からの同期信号を基準にして回転座標変換する変換手段と、この回転座標変換された信号のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを備えた停電検出装置。
  2. 三相4線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分,0成分に変換し、そのうちのα成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号を基準にして回転座標変換する変換手段と、この回転座標変換された信号と前記0成分のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを備えた停電検出装置。
  3. 三相3線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分の2相量に変換する変換手段と、このα成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の正回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する正回転座標変換・抽出手段と、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の逆回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する逆回転座標変換・抽出手段と、この正回転,逆回転座標変換・抽出された信号のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを備えた停電検出装置。
  4. 三相4線の電源に接続されて電源電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段による検出信号に同期した信号を生成する同期信号生成手段と、前記電圧検出手段による検出信号をα成分,β成分,0成分に変換する変換手段と、そのうちのα成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の正回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する変換を行なう正回転座標変換・抽出手段と、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の逆回転信号を基準にして回転座標変換しその出力の直流成分を抽出する変換を行なう逆回転座標変換・抽出手段と、この正回転,逆回転座標変換・抽出された信号と前記0成分のうちの少なくとも1つの成分について、この成分に対する第1設定値との差が、その成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れたとき停電と判定する判定手段とを備えた停電検出装置。
  5. 前記判定手段に入力される少なくとも1つの成分が、フィルタ要素を介して入力されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の停電検出装置。
  6. 前記判定手段の後段に、前記差の値がその成分に対する第2設定値とその成分に対する第3設定値との間から外れた回数を計測する回数計測手段を設け、その回数が予め設定された回数連続して外れたとき停電と判定することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の停電検出装置。
  7. 前記判定手段に入力される少なくとも1つの成分が、電源電圧の2倍周波数の周期で移動平均処理をする移動平均処理手段を介して入力されることを特徴とする請求項1または2に記載の停電検出装置。
  8. 前記正回転座標変換・抽出手段の代わりに、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の正回転信号を基準にして回転座標変換し電源電圧の2倍周波数の周期で移動平均処理をする正回転座標変換・移動平均処理手段を、また前記逆回転座標変換・抽出手段の代わりに、前記α成分,β成分を前記同期信号生成手段からの同期信号の逆回転信号を基準にして回転座標変換し電源電圧の2倍周波数の周期で移動平均処理をする逆回転座標変換・移動平均処理手段をそれぞれ用いることを特徴とする請求項3または4に記載の停電検出装置。
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