JP2010022124A - 三相用瞬時電圧低下保護装置 - Google Patents

三相用瞬時電圧低下保護装置 Download PDF

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Abstract

【課題】三相交流電源用の瞬時電圧低下保護装置を低廉なコストで且つ短納期で提供できるようにする。
【解決手段】2台の単相用瞬低保護装置3、4に三相用インタフェイス部2を追加し、それらの間を配線することで三相用瞬低保護装置1を構成する。三相用インタフェイス部2は、R相−T相間の電圧低下を検出する機能と、そのR相−T相間電圧低下、単相用瞬時電圧低下保護装置3、4によりそれぞれ検出されるR相−S相間電圧低下、T相−S相間電圧低下のいずれかに応じて瞬低保護動作を開始していない単相用瞬低保護装置3、4に動作指令を与える機能と、瞬低保護動作に際して生成される交流電圧の位相を規定通りに同期させる同期信号生成機能と、を含む。コンスタントな需要があってコストダウンが見込める単相用瞬低保護装置を利用することで、コストの削減や納期短縮を図ることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力系統等の三相交流電源から負荷に供給される三相交流電力の電圧が一時的に低下した場合や一時的な停電が発生した場合に、負荷に三相交流電力を供給する三相用瞬時電圧低下保護装置に関する。
従来より、100V或いは200Vの商用交流電源から負荷に供給される単相交流電力の電圧が瞬低等により短時間低下した場合に、これに代えて交流電力を負荷に供給するための瞬時電圧低下保護装置が広く利用されている(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。
上記文献などに記載の瞬時電圧低下保護装置は、電力系統の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するとともにその逆変換も可能な双方向インバータと、直流電力によるエネルギーを蓄積する蓄電用コンデンサと、負荷に出力される交流電力を切り替えるためのスイッチと、入力される交流電力の電圧低下を検出し、入力交流電力が正常に供給されているときにはそれを負荷に出力するとともに双方向インバータを介してコンデンサにエネルギーを蓄積し、入力交流電力の電圧低下を検出すると上記スイッチにより入力交流電力と負荷とを切り離し、蓄電用コンデンサに蓄積されている電気エネルギーに基づく直流電力を双方向インバータにより交流電力に変換して負荷に出力する制御部と、を備えている。
一般的には単相交流電力が使用されることが多いが、工場などでは単相交流電力のほかに三相交流電力もよく使用されている。このため、三相交流電源用の瞬時電圧低下保護装置に対する要求もあるが、従来一般に、三相交流電源用の瞬時電圧低下保護装置の価格は同程度の定格容量を持つ単相交流電源用の瞬時電圧低下保護装置に比べるとかなり高価となっている。その主な理由は、三相交流電源用瞬時電圧低下保護装置は単相交流電源用瞬時電圧低下保護装置に比べれば需要が少ないため、製造上で量産することによるコストメリットが殆どなく、逆に受注生産、少量生産などのためのコスト上昇要因があるためである。また、三相交流電源用の瞬時電圧低下保護装置の製品のラインナップは単相交流電源用瞬時電圧低下保護装置に比べて少ないため、ユーザーが要望する定格容量の製品が見つからず、実際に必要な出力容量に比べてかなり大きな定格容量の、つまり高価な装置を購入せざるをえないことが多い、という理由もある。
特開2008−54468号公報 「瞬低保護装置のエキスパート KDPseries」、[online]、京都電機器株式会社、[平成20年7月7日検索]、インターネット<URL : http://www.kdn.co.jp/kdp/lineup.html>
即ち、瞬時電圧低下保護装置の製造メーカーからみると、三相交流電源用瞬時電圧低下保護装置は需要が少なく、受注見込みで製造しておくメリットが殆どないために、製品価格を上げざるを得ない。また、受注生産するにしても、製品のラインナップを揃えることは難しい。一方、ユーザーからみると、三相交流電源用瞬時電圧低下保護装置は単相交流電源用瞬時電圧低下保護装置に比べて高価であるうえに、入手までに時間が掛かるという大きな不満がある。
本発明はこうした課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、従来に比べ、低廉なコストで且つ短い納期でユーザーが入手することができる三相用の瞬時電圧低下保護装置を提供することにある。
上記課題に鑑みて本願発明者は、比較的コンスタントに需要があり、量産によるコストダウン効果も発揮し易い単相用の瞬時電圧低下保護装置の基本的な回路を殆どそのまま利用し、最低限必要なハードウエアやソフトウエアを追加することで、三相用瞬時電圧低下保護機能を実現することに想到した。
即ち、上記課題を解決するために成された本発明は、三相交流電源と負荷との間に介挿され、三相交流電源から供給される三相交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧断が発生したとき、負荷に三相交流電力を一時的に供給する三相用瞬時電圧低下保護装置において、
a)三相交流電源の第1相と第2相の交流電力が入力される入力端と、該入力端に供給される交流電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、前記入力端に供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電手段を充電するインバータ手段と、前記入力端に供給される交流電圧が一時的に低下したときに、それに代えて前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを前記インバータ手段により交流電力に変換して外部へと供給することにより瞬時電圧低下保護動作を実行する制御手段と、を有する第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部と、
b)その入力端に三相交流電源の第2相と第3相の交流電力が入力され、第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部と同様の構成を有する第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部と、
c)三相交流電源線の第1相と第3相との間の交流電力の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
d)前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出されたか、前記第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部において第1相と第2相との間の交流電力の電圧低下が検出されたか、又は、前記第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部において第2相と第3相との間の交流電力の電圧低下が検出されたかの、いずれかが起きたときに、瞬時電圧低下保護動作を実行していない、第1又は第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部の一方又は両方に対し、瞬時電圧低下保護動作を開始させるべくそれら制御手段に指令を与える協働指令手段と、
e)前記協働指令手段による指令により第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部の両者が共に瞬時電圧低下保護動作を実行する際に、出力される三相交流電力の各相の位相を調整する位相調整手段と、
を備えることを特徴としている。
本発明に係る三相用瞬時電圧低下保護装置において、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部は、それぞれ入力端に供給された交流電力の電圧低下を検出すると瞬時電圧低下保護動作を実行し、入力端に供給される交流電力に代えて、蓄電手段に蓄えておいた電気エネルギーを元にした交流電力を出力する。但し、三相交流電源の場合にはいずれかの1相のみの電圧低下が起こることもあり得るため、例えば第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部では電圧低下を検出したものの、第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部では電圧低下を検出しないという状況が起こり得る。また、第1相と第3相との間の交流電力の電圧低下は、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部のいずれでも検出されないという状況も起こり得る。
そこで、上述したような電圧低下検出の漏れを補完するために、上記電圧低下検出手段は三相交流電源線の第1相と第3相との間の交流電力の電圧低下を検出する。協働指令手段は、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部における電圧低下検出の有無と上記電圧低下検出手段における電圧低下検出の有無とをそれぞれ監視し、電圧低下が検出されたならば、瞬時電圧低下保護動作を実行していない、第1又は第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部の一方又は両方に対し、瞬時電圧低下保護動作を開始させる。例えば、第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部で電圧低下が検出されると、当該回路部の機能として瞬時電圧低下保護動作が開始され、他方の第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部は、協働指令手段による指令に基づいて瞬時電圧低下保護動作を開始する。これにより、どのような状態の電圧低下が生じた場合でも、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部がいずれも瞬時電圧低下保護動作を実行する。
また、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部が共に瞬時電圧低下保護動作を実行する際に、出力される三相交流電力の各相の電圧の位相関係が規定通り(例えばS相を基準とした場合にR相は120°位相進み、T相は120°位相遅れ)になっている必要がある。そこで、位相調整手段は、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部の両者が共に瞬時電圧低下保護動作を実行する際に、出力される三相交流電力の各相の位相を調整し、各相の電圧が位相が規定通りになるように同期をとる。具体的には基準となる例えばS相の位相を持つ同期信号を提供し、これに対し他の2相の電圧が120°進み、120°遅れの位相となるように位相調整を行うものとすることができる。
本発明に係る三相用瞬時電圧低下保護装置では、瞬時電圧低下保護動作を実行するための主要なハードウエアであるインバータ手段や蓄電手段などについて単相交流電源用として開発・製造されたものをそのまま利用することができるから、量産効果等によりコストメリットを発揮し易い。一方、電圧低下検出手段、協働指令手段、位相調整手段などの、三相交流電源用として追加すべき構成要素は、CUPを含むマイクロコントローラなどを中心に構成されるものであり、ソフトウエアを開発する必要はあるもののハードウエアは比較的簡単であり、コストを抑えることが容易である。したがって、本発明に係る三相用瞬時電圧低下保護装置によれば、従来に比べて、安価な装置をユーザーに提供することができる。また、コンスタントに需要がある単相用瞬時電圧低下装置をベースに製造することができるので、装置をユーザーに供給するまでの納期を短縮することができ、製造メーカーにとっては商機を逃すことも回避することができる。
なお、本発明に係る三相用瞬時電圧低下保護装置の実施態様として、全てを1つの筐体に収容した構成としてもよいが、単相用瞬時電圧低下保護回路部を単体の単相用瞬時電圧低下保護装置として提供できるメリットを考えた場合、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部はそれぞれ別々の筐体に収容され、前記電圧低下検出手段、前記協働指令手段、及び前記位相調整手段は、さらに別の1つの筐体に収容されてなる構成とするとよい。これによれば、三相用瞬時電圧低下保護装置の低コスト化や納期短縮に一層有効である。
本発明に係る三相用瞬時電圧低下保護装置の一実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。図1は本実施例による三相用瞬時電圧低下保護装置の概略ブロック構成図である。
本実施例の三相用瞬時電圧低下保護装置1は、基本構成として、2台の単相用瞬時電圧低下保護装置(本発明における第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部)3、4と、三相用インタフェイス(I/F)部2と、を備える。
電源系統の三相交流電源100から供給されるR相、S相、T相の三相交流電力は三相用瞬時電圧低下保護装置1に入力され、このうちR相とS相の交流電力が第1単相用瞬時電圧低下保護装置3の電力入力端30に入力され、S相とT相の交流電力が第2単相用瞬時電圧低下保護装置4の電力入力端30に入力され、R相、S相、T相の交流電力が三相用インタフェイス部2の電力入力端24に入力される。また、第1単相用瞬時電圧低下保護装置3の電力出力端33と第2単相用瞬時電圧低下保護装置4の電力出力端33とから、R相、S相、T相の三相交流電力が出力され、図示しない負荷に供給される。上述した交流電力電源線のほかに、第1単相用瞬時電圧低下保護装置3の制御信号端子47と三相用インタフェイス部2の制御信号端子25との間は相互に制御線で接続され、第2単相用瞬時電圧低下保護装置4の制御信号端子47と三相用インタフェイス部2の制御信号端子26との間も相互に制御線で接続されている。
第1及び第2単相用瞬時電圧低下保護装置3、4は基本的に同一の回路構成を有する。図3はこの単相用瞬時電圧低下保護装置3、4の概略構成図である。なお、この基本的な回路構成は特許文献1などに開示されているものを用いることができる。
図3において、電力入力端30に供給される交流電力は、FETスイッチ311と過電流保護用の双方向サイリスタ312とが並列に接続されて成る切替部31を経て電力出力端33に出力され、さらに、この交流電力は複数のスイッチング素子を含むインバータ部35に入力される。FETスイッチ311と双方向サイリスタ312とはそれぞれ独立に、切替駆動部44より与えられる駆動信号によりオン/オフが制御される。
インバータ部35には蓄電手段としての電解コンデンサ36が接続され、インバータ部35は交流電力を直流に変換して電解コンデンサ36を充電する、或いは、逆に電解コンデンサ36に保持されている電気エネルギーを直流/交流変換する、双方向の機能を有する。後者の際に、インダクタンスとコンデンサとから成るフィルタ34により、交流電力に重畳している高周波成分は除去される。また、電解コンデンサ36を充電するために、別に補充電部37を備える。補充電部37は、トランス371、トランス371の一次側巻線に直列接続された双方向サイリスタ372、トランス371の二次側巻線に接続された整流用ダイオード373、コンデンサ374、抵抗器375などを含む、電解コンデンサ36はインバータ部35及び補充電部37の両方から充電が可能である。補充電部37の双方向サイリスタ372は補充電駆動部41により与えられる駆動信号によりオン/オフが制御される。また、インバータ部35の各スイッチング素子はインバータ駆動部43により与えられる駆動信号によりオン/オフが制御される。
電圧低下検出部40は電力入力端30に与えられる交流電力の電圧の低下を監視し、電圧低下を検出すると速やかに制御部46にそれを知らせる。充電電圧検出部42は電解コンデンサ36に保持された充電電圧を検出し、その電圧値を制御部46に入力する。また、本装置から出力される負荷電流は電流トランス32及び負荷電流検出部45で検出され、その電流値が制御部46に入力される。制御部46はCPUなどを中心に構成され、予め設定されたプログラムに従って、瞬時電圧低下保護動作のための各種制御や処理を実行する。
この単相用瞬時電圧低下保護装置3、4の基本的な動作を概略的に説明する。電力入力端30に供給される交流電力の電圧が正常である場合、切替部31のFETスイッチ311が導通状態となり、入力交流電力が電力出力端33に供給される。このときにこの交流電力を元に後述のように電解コンデンサ36が充電され、電解コンデンサ36に電気エネルギーが蓄えられる。入力交流電力の電圧が一時的に低下すると、制御部46は電圧低下検出部40からの検出信号により電圧低下を認識し、切替駆動部44を介して切替部31のFETスイッチ311をオフさせて電力出力端33と電力入力端30とを切り離す。
これと同時に、インバータ駆動部43によりインバータ部35を動作させ、その直前まで電解コンデンサ36に保持されていた電圧を直流/交流変換し、フィルタ34を介して波形整形し補償電力として電力出力端33に供給する。そして、電力入力端30に入力される交流電力の電圧低下が解消されると、制御部46はインバータ部35の動作を停止して補償電力の供給を止め、その後速やかに切替部31により電力入力端30と電力出力端33とを接続し、入力交流電力を電力出力端33から出力させる。
例えば放電動作により電解コンデンサ36の電気エネルギーが大きく減じた場合、次の瞬時電圧低下に備えて急速に電解コンデンサ36を充電しておく必要がある。そこで、充電電圧が或る所定値よりも低い場合にはインバータ部35を動作させ、供給された交流電力を直流電力に変換して電解コンデンサ36を急速に充電する。一方、充電電圧が定格電圧に達した後に自然放電により徐々に電圧が下がって或る規定値まで下がったときには、インバータ部35ではなく補充電部37を動作させ、減少した電圧分を補うように充電を行う。これにより、通常時(入力交流電力が正常であるとき)にはインバータ部35を殆ど動作させずに済ますことができ、インバータ部35の頻繁な動作に伴うノイズの発生を回避することができる。
上述のように電圧低下検出部40により電圧低下が検知されて瞬時電流低下保護動作が行われる際には、電圧低下検出信号が制御信号端子47に出力される。一方、自己の電圧低下検出によるもの以外に、制御信号端子47に強制的な動作指令が与えられると、制御部46は自己の電圧低下検出の有無に拘わらず瞬時電圧低下保護動作を実行する。さらに、制御信号端子47の1つには位相同期信号として交流電圧と同じ周波数(50Hz又は60Hz)の基準信号が入力されている。交流電力が正常であるときにはこの位相同期信号は位相差として記憶され、瞬時電圧低下保護動作の際には、この位相同期信号と同位相の交流電圧をS相とし、R相の交流電圧出力は位相同期信号から位相が120°進んだものとし、T相の交流電圧出力は位相同期信号から位相が120°遅れたものとするように位相を合わせる。
図2は三相用インタフェイス部2の概略構成図である。三相用インタフェイス部2は、電圧低下検出部21と、同期信号発生部22と、制御部23と、を備える。電圧低下検出部21は、R相入力とS相入力との間の電圧、S相入力とT相入力との間の電圧をそれぞれモニタして擬似的なR相−T相電圧を生成し、この電圧の低下を検出する。制御部23には、第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護装置3、4のそれぞれの制御信号端子47に出力され、制御線を通して制御信号端子25、26に入力される2つの、つまりR相−S相間及びS相−T相間の電圧低下検出信号と、内部の電圧低下検出部21によるS相−T相間の電圧低下検出信号と、が入力される。これら3つの電圧低下検出信号のいずれかで電圧低下が認識されると、制御部23は、電圧低下が検出されていない単相用瞬時電圧低下保護装置3、4の一方又は両方に対し制御信号端子25、26から動作指令を送る。
一方、同期信号発生部22はS相入力の位相に同期した位相同期信号を生成し、仮にS相入力が低下したときでも、それ以前のS相入力に同期した位相同期信号を制御信号端子25、26から出力し続ける。これを基準にして上述したように他の相の位相を合わせることで、電圧低下時に補償電圧として出力される三相交流電力の位相を規定通りにすることができる。
本実施例の瞬時電圧低下保護装置の具体的な動作の一例を説明する。三相交流電源100から正常に三相交流電力が供給されている状態から、例えばR相−S相間電圧が異常に低下したものとする。このとき、第1単相用瞬時電圧低下保護装置3において、電圧低下検出部40が電圧低下を検出し、制御部46の制御の下に瞬時電圧低下保護動作が実行されて、電解コンデンサ36に蓄積されていた電気エネルギーに基づいた補償交流電圧が電力出力端33に出力される。このときのR相交流電圧は位相同期信号に対し120°位相進みの波形となり、S相交流電圧は位相同期信号と同位相の波形となる。
この瞬時電圧低下保護動作の開始とほぼ同時に、電圧低下検出信号が第1単相用瞬時電圧低下保護装置3から三相用インタフェイス部2に送られ、制御部23はこれを受けて第2単相用瞬時電圧低下保護装置4に動作指令を送る。動作指令を受けた第2単相用瞬時電圧低下保護装置4において制御部46は、インバータ部35を動作させ、電解コンデンサ36に蓄積されていた電気エネルギーに基づいた補償交流電圧を電力出力端33に出力させる。このときのT相交流電圧は位相同期信号に対し120°位相遅れの波形となり、S相交流電圧は位相同期信号と同位相の波形となる。
以上のようにして本実施例の三相用瞬時電圧低下保護装置1では、一時的に電圧が低下した又は停電した三相交流電源100に代わって、負荷に三相交流電力を供給し続けることができる。また、T相−S相間電圧が異常に低下した場合には、第2単相用瞬時電圧低下保護装置4において電圧低下検出部40が電圧低下を検出して瞬時電圧低下保護動作が開始され、第1単相用瞬時電圧低下保護装置3は三相用インタフェイス部2から動作指令を受けて瞬時電圧低下保護動作を開始する。S相−T相間電圧が異常に低下した場合には、三相用インタフェイス部2において電圧低下検出部21がまず電圧低下を検出し、制御部23から出された動作指令に従って第1及び第2単相用瞬時電圧低下保護装置3、4が共に瞬時電圧低下保護動作を開始する。
図4は本実施例の三相用瞬時電圧低下保護装置1の形態の一例を示す外観図である。単相用瞬時電圧低下保護装置3、4はそれぞれそれ単独で単相交流電源の瞬時電圧低下保護に利用可能なものである。そこで、図4に示した例では、単相用瞬時電圧低下保護装置3、4はそれぞれ筐体に収容された独立の装置として利用できるようにし、これとほぼ同じ横幅や奥行きを有する別の筐体に三相用インタフェイス部2を収容し、3台を積層させたときの外観上の統一性を持たせている。電力電源線や制御線などの配線は各筐体の背面側に設けたコネクタ間で行うことができるが、図4のように積み重ねたときに上側の筐体の底面と下側の筐体の天面との間で相互に接続を行えるようなコネクタを別途設けてもよい。
なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
本発明の一実施例による三相用瞬時電圧低下保護装置の概略ブロック構成図。 図1中の三相用インタフェイス部の概略構成図。 図1中の単相用瞬時電圧低下保護装置の概略構成図。 本実施例の三相用瞬時電圧低下保護装置の形態の一例を示す外観図。
符号の説明
1…三相用瞬時電圧低下保護装置
100…三相交流電源
2…三相用インタフェイス部
21…電圧低下検出部
22…同期信号発生部
23…制御部
24…電力入力端
25、26…制御信号端子
3、4…単相用瞬時電圧低下保護装置
30…電力入力端
31…切替部
311…FETスイッチ
312…双方向サイリスタ
32…電流トランス
33…電力出力端
34…フィルタ
35…インバータ部
36…電解コンデンサ
37…補充電部
371…トランス
372…双方向サイリスタ
373…整流用ダイオード
374…コンデンサ
375…抵抗器
40…電圧低下検出部
41…補充電駆動部
42…充電電圧検出部
43…インバータ駆動部
44…切替駆動部
45…負荷電流検出部
46…制御部
47…制御信号端子

Claims (2)

  1. 三相交流電源と負荷との間に介挿され、三相交流電源から供給される三相交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧断が発生したとき、負荷に三相交流電力を一時的に供給する三相用瞬時電圧低下保護装置において、
    a)三相交流電源の第1相と第2相の交流電力が入力される入力端と、該入力端に供給される交流電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、前記入力端に供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電手段を充電するインバータ手段と、前記入力端に供給される交流電圧が一時的に低下したときに、それに代えて前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを前記インバータ手段により交流電力に変換して外部へと供給することにより瞬時電圧低下保護動作を実行する制御手段と、を有する第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部と、
    b)その入力端に三相交流電源の第2相と第3相の交流電力が入力され、第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部と同様の構成を有する第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部と、
    c)三相交流電源線の第1相と第3相との間の交流電力の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
    d)前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出されたか、前記第1の単相用瞬時電圧低下保護回路部において第1相と第2相との間の交流電力の電圧低下が検出されたか、又は、前記第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部において第2相と第3相との間の交流電力の電圧低下が検出されたかの、いずれかが起きたときに、瞬時電圧低下保護動作を実行していない、第1又は第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部の一方又は両方に対し、瞬時電圧低下保護動作を開始させるべくそれら制御手段に指令を与える協働指令手段と、
    e)前記協働指令手段による指令により第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部の両者が共に瞬時電圧低下保護動作を実行する際に、出力される三相交流電力の各相の位相を調整する位相調整手段と、
    を備えることを特徴とする三相用瞬時電圧低下保護装置。
  2. 請求項1に記載の三相用瞬時電圧低下保護装置であって、
    第1及び第2の単相用瞬時電圧低下保護回路部はそれぞれ別々の筐体に収容され、前記電圧低下検出手段、前記協働指令手段、及び前記位相調整手段は、さらに別の1つの筐体に収容されてなることを特徴とする三相用瞬時電圧低下保護装置。
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