JP2014222961A - インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】自立出力開始時に、インバータ回路の入力電圧と出力電圧との落ち込みの発生等を防止する。
【解決手段】インバータ装置は、インバータ回路20と、リレー接点31と、ラインフィルタ回路40と、インバータ回路20及びリレーコイル30を制御する制御部70と、を有している。制御部70は、インバータ回路20の出力電圧の電圧検出信号SV20と、インバータ回路20の出力電流の電流検出信号SI20と、に基づき、制御信号S11〜S16を出力して、インバータ回路20の出力電圧V20を緩やかに立ち上げるソフトスタートの制御を行い、ソフトスタートが完了して出力電圧V20が定格電圧に達したことを判定すると、所定時間後に、制御信号S17を出力してリレー接点31をオン状態にする。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流(以下「DC」という。)電力を交流(以下「AC」という。)電力に変換するインバータ装置に関するものである。
従来、DC電力をAC電力に変換するインバータ装置が、例えば、下記の特許文献1等に開示されている。
図2は、特許文献1等に開示された従来の系統連系用のインバータ装置を示す概略の構成図である。
この系統連系用のインバータ装置は、太陽電池1から供給されるDC電力(例えば、DCリンク電圧V1が数百V)を入力する三相のインバータ回路2を有している。インバータ回路2は、複数の制御信号S1〜S6に基づき、入力されるDC電力をスイッチングして、UVW相からなる三相のAC電力(例えば、出力電圧V2及び出力電流I2のうち、出力電圧V2がAC202V、50/60Hz)を出力する回路である。このインバータ回路2の出力側には、自立運転用のリレーコイル3によりオン/オフされる三極のリレー接点3aを介して、三相のラインフィルタ回路4が接続されている。
リレーコイル3は、制御信号S7により動作して、三極のリレー接点3aをオフ状態からオン状態に切り替えるものである。ラインフィルタ回路4は、インバータ回路2の出力電力に含まれる高周波成分を除去する回路であり、このUVW相からなる三相の出力側に、三相の負荷5(例えば、AC202V、50/60Hzの電動機等)が接続されている。ラインフィルタ回路4の出力側と負荷5の入力側との間には、図示しない解列用の開閉器を介して電力系統(例えば、商用の三相3線式、AC202V、50/60Hz)が接続されている。
このインバータ装置には、DC電圧を出力する制御電源部6が設けられ、この制御電源部6の出力側に、制御部7が接続されている。制御部7は、インバータ装置の全体を制御するものであり、インバータ回路2の出力電圧V2における電圧検出信号SV2と、インバータ回路2の出力電流I2における電流検出信号SI2と、に基づき、インバータ回路2及びリレーコイル3を動作させるための複数の制御信号S1〜S7を出力する機能を有している。
このように構成されるインバータ装置において、太陽電池1から出力されたDC電力は、インバータ回路2によりスイッチングされてUVW相からなる三相のAC電力に変換される。インバータ回路2の出力電力は、オン状態のリレー接点3aを介して、ラインフィルタ回路4により高周波成分が除去される。高周波成分が除去された三相のAC電力は、図示しない電力系統と連系して三相の負荷5へ供給される。これに対し、電力系統が停電等の場合、この電力系統が解列用の開閉器により切り離され、インバータ装置の自立運転が行われて、このインバータ装置から出力されるAC電力が負荷5へ供給される。
特開2001−320884号公報
しかしながら、従来の図2に示すインバータ装置では、次のような課題があった。
図3は、図2のインバータ装置における三相自立出力開始時の動作を示す波形図である。この図3の横軸は時刻t、及び縦軸は電圧である。
図3の時刻t1において、制御部7から出力される制御信号S7により、リレーコイル3が動作してリレー接点3aがオン状態になる。同時に、制御部7から出力される複数の制御信号S1〜S6により、インバータ回路2が起動してこの三相自立出力が開始され、インバータ回路2の出力電圧V2が徐々に立ち上がっていくソフトスタートSSが行われる。ソフトスタートSSを行うことで、起動時にインバータ回路2に流れ込む突入電流を制限する。その後、時刻t2において、インバータ回路2の出力電圧V2が定格電圧まで立ち上がると、ソフトスタートSSが完了し、通常の自立運転が行われる。
ところが、時刻t1において、三相自立出力開始のソフトスタートSS時に、インバータ回路2のDCリンク電圧V1が低下(V1a)し、この低下(V1a)の発生のため、インバータ回路2の出力電圧V2が落ち込んでしまう。出力電圧V2の落ち込みは、主に、負荷5の容量が大きく(例えば、十数kW)、定格負荷容量でのソフトスタートSS時に発生し易い。起動時は、インバータ回路2の出力電圧V2が低く、ある程度の大きさのインバータ回路2の出力電流I2も必要とするため、DCリンク電圧V1の落ち込み(V1a)が発生する。このように、DCリンク電圧V1の落ち込み(V1a)が発生すると、定電圧アラームの発生や、制御電源部6の停止へのおそれがあるため、DCリンク電圧V1の低下が少ない方が望ましいが、これを解決することが困難であった。
本発明のインバータ装置は、DC電源から供給されるDC電力を入力し、第1制御信号に基づき、前記DC電力をスイッチングして、AC電力を出力するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力側と負荷との間に接続され、第2制御信号に基づき、前記インバータ回路と前記負荷との間をオン状態又はオフ状態に切り替えて、前記負荷への前記AC電力の供給又は停止を行うスイッチ手段と、前記第1制御信号及び前記第2制御信号を出力する制御部と、を有している。
そして、前記制御部は、前記インバータ回路から出力される前記AC電力のうちのAC電圧の電圧検出信号と、前記AC電力のうちのAC電流の電流検出信号と、に基づき、前記第1制御信号を出力して、前記インバータ回路の出力電圧を緩やかに立ち上げるソフトスタートの制御を行い、前記ソフトスタートが完了して前記インバータ回路の出力電圧が定格電圧に達したことを判定すると、所定時間後に、前記第2制御信号を出力して前記スイッチ手段をオン状態にするための制御を行うことを特徴とする。
例えば、前記インバータ装置において、前記インバータ回路と前記負荷との間には、前記インバータ回路の出力電力に含まれる高周波成分を除去するラインフィルタ回路を接続しても良い。
本発明によれば、次の(a)、(b)のような効果がある。
(a) ソフトスタート完了後に、スイッチ手段をオフ状態からオン状態に切り替えるようにしている。そのため、自立出力開始時に、インバータ回路の入力電圧とこのインバータ回路の出力電圧との落ち込みの発生を防止できる。
(b) ソフトスタート時は、インバータ回路の出力電圧が定格電圧に達していない。そのため、途中で、負荷が停電状態から起動し、突入電流が発生してインバータ回路の出力電流が過大となり、低電圧アラームの発生や、制御電源部の停止といった従来の課題を、解決できる。
図1は本発明の実施例1におけるインバータ装置を示す概略の構成図である。 図2は従来の系統連系用のインバータ装置を示す概略の構成図である。 図3は図2のインバータ装置における三相自立出力開始時の動作を示す波形図である。 図4は図1中の主要部の構成例を示す回路図である。 図5は図1及び図4のインバータ装置における三相自立出力開始時の動作を示す波形図である。
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1におけるインバータ装置を示す概略の構成図である。
本実施例1のインバータ装置は、例えば、系統連系用のインバータ装置であり、太陽電池、燃料電池等の高インピーダンスを有する分散型電源としての直流電源10から供給されるDC電力(例えば、DCリンク電圧V10が数百V)を入力する三相のインバータ回路20を有している。インバータ回路20は、第1制御信号としての複数のインバータ制御信号S11〜S16に基づき、入力されるDC電力をスイッチングして、UVW相からなる三相のAC電力(例えば、出力電圧V20及び出力電流I20のうち、出力電圧V20がAC202V、50/60Hz)を出力する回路である。このインバータ回路20の出力側には、自立運転用のスイッチ手段(例えば、リレーコイル30によりオン/オフされる三極の常開型リレー接点31)を介して、三相のラインフィルタ回路40が接続されている。
リレーコイル30は、第2の制御信号としてのリレー制御信号S17により動作して、三極のリレー接点31をオフ状態からオン状態に切り替えるものである。ラインフィルタ回路40は、インバータ回路20の出力電力に含まれる高周波成分を除去する回路であり、このUVW相からなる三相の出力側に、三相の負荷50(例えば、AC202V、50/60Hzの電動機等)が接続されている。ラインフィルタ回路40の出力側と負荷50の入力側との間には、図示しない解列用の開閉器を介して電力系統(例えば、商用の三相3線式、AC202V、50/60Hz)が接続されている。
本実施例1のインバータ装置には、更に、一定のDC電圧を出力する制御電源部60が設けられ、この制御電源部60の出力側に、制御部70が接続されている。
制御部70は、制御電源部60からDC電圧が供給されると動作して、インバータ装置の全体を制御するものであり、インバータ回路20の出力電力のうちの出力電圧V20の電圧検出信号SV20と、その出力電力のうちの出力電流I20の電流検出信号SI20と、に基づき、複数のインバータ制御信号S11〜S16を出力して、インバータ回路20の出力電圧V20を緩やかに立ち上げるソフトスタートの制御を行い、このソフトスタートが完了してインバータ回路20の出力電圧V20が定格電圧に達したことを判定すると、所定時間後に、リレー制御信号S17を出力してリレーコイル30の三極のリレー接点31をオフ状態からオン状態に切り替えるための制御を行うものである。
電圧検出信号SV20は、図示しないが、例えば、インバータ回路20の出力側に接続されたコンパレータ等の電流検出センサから出力される。又、電流検出信号SI20は、図示しないが、例えば、インバータ回路20の出力側に接続されたシャント抵抗等の電流検出センサから出力される。
この制御部70は、ソフトスタート制御手段、ソフトスタート完了判定手段、計時手段、及びドライブ手段を有している。
前記ソフトスタート制御手段は、インバータ回路20の起動時に、電圧検出信号SV20及び電流検出信号SI20に基づき、複数のインバータ制御信号S11〜S16を出力して、ソフトスタートの制御を行うものであり、例えば、パルス幅変調(以下「PWM」という。)制御部71と、ドライブ手段としてのドライブ回路74の一部と、により構成されている。前記ソフトスタート完了判定手段は、電圧検出信号SV20に基づき、ソフトスタートが完了してインバータ回路20の出力電圧V20が定格電圧に達したか否かを判定し、その定格電圧に達したと判定した時には完了判定信号S72を出力するものであり、例えば、ソフトスタート完了判定部72により構成されている。更に、前記計時手段は、完了判定信号S72を入力した時から所定時間の経過を計時し、所定時間が経過した時には計時信号S73を出力するものであり、例えば、タイマ73により構成されている。
PWM制御部71は、電流検出信号SI20に基づき、PWMの電流指令信号S71aを生成して出力する電流指令信号生成部71aと、鋸波のキャリア信号S71bを生成して出力するキャリア信号生成部71bと、電流指令信号S71aとキャリア信号S71bとを比較して比較信号S71cを出力する比較器71cと、インバータドライブ信号生成部71dと、を有している。インバータドライブ信号生成部71dは、電圧検出信号SV20と比較信号S71cとに基づき、ソフトスタートの制御を行うためのPWMのインバータドライブ信号S71dを生成して出力するものである。インバータドライブ信号S71dと計時信号S73とは、ドライブ手段としてのドライブ回路74にそれぞれ駆動されて、複数のインバータ制御信号S11〜S16とリレー制御信号S17とが生成される。
PWM制御部71、ソフトスタート完了判定部72、及びタイマ73は、例えば、中央処理装置(CPU)、或いは個別回路により構成されている。
図4(a)、(b)は、図1中の主要部の構成例を示す回路図である。
三相のインバータ回路20は、図4(a)に示すように、例えば、フルブリッジ型のインバータ回路であり、6つのインバータ制御信号S11〜S16によりそれぞれオン/オフ動作する6つのスイッチング素子(例えば、スイッチング速度の速い絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、これを以下「IGBT」という。)21〜26を有している。2つのIGBT21,22が直列接続された第1アームと、2つのIGBT23,24が直列接続された第2アームと、2つのIGBT25,26が直列接続された第3アームとは、直流電源10に対して並列に接続されている。IGBT21,22間の接続点U相と、IGBT23,24間の接続点V相と、IGBT25,26間の接続点W相と、には、三極のリレー接点31を介して、三極のラインフィルタ回路40が接続されている。
ラインフィルタ回路40は、3組のリアクトル41,42,43及びコンデンサ44,45,46により構成され、この出力側に、三相の負荷50が接続されている。負荷50は、例えば、デルタ形(Δ形)の回路である。この負荷50は、図4(b)に示すように、星形(Y形)の回路であっても良い。
(実施例1の動作)
本実施例1のインバータ装置において、(A)電力系統との連系動作と、(B)三相自立出力開始時の動作と、について説明する。
(A) 電力系統との連系動作
図1及び図4のインバータ装置において、制御電源部60から出力された一定のDC電圧により、制御部70が動作する。制御部70が動作すると、ドライブ回路74から、6つのインバータ制御信号S11〜S16とリレー制御信号S17とが出力される。DC電源10から出力されたDC電力は、インバータ回路20において、インバータ制御信号S11〜S16によりオン/オフ動作するIGBT21〜26によってスイッチングされ、UVW相からなる三相のAC電力に変換される。この際、リレー制御信号S17によってリレーコイル30が動作し、三極のリレー接点31がオン状態になっている。
インバータ回路20の出力電力は、オン状態の三極のリレー接点31を介して、ラインフィルタ回路40内のリアクトル41〜43及びコンデンサ44〜46により、高周波成分が除去される。高周波成分が除去された三相のAC電力は、図示しない電力系統と連系して三相の負荷50へ供給される。
これに対し、電力系統が停電等の場合、この電力系統が、図示しない解列用の開閉器により切り離され、インバータ装置の自立運転が行われて、このインバータ装置から出力されるAC電力が負荷50へ供給される。
(B) 三相自立出力開始時の動作
図5は、図1及び図4のインバータ装置における三相自立出力開始時の動作を示す波形図である。この図5の横軸は時刻t、及び縦軸は電圧である。
図5の時刻t1において、制御部70内のドライブ回路74からインバータ制御信号S11〜S16が出力され、インバータ回路20がスイッチング動作を開始する。すると、インバータ回路20の出力電圧V20が徐々に立ち上がっていくソフトスタートSSが行われる。
このソフトスタートSSでは、制御部70のPWM制御部71内において、インバータ回路20の出力電流I20に対する電流検出信号SI20に基づいて、電流指令信号生成部71aからPWMの電流指令信号S71aが出力され、更に、キャリア信号生成部71bから鋸波のキャリア信号S71bが出力される。出力された電流指令信号S71aとキャリア信号S71bとは、比較器71cで比較され、この比較信号S71cがインバータドライブ信号生成部71dへ与えられる。インバータドライブ信号生成部71dでは、比較信号S71cと、インバータ回路20の出力電圧V20における電圧検出信号SV20と、に基づき、その出力電圧V20を徐々に立ち上げるためのソフトスタート制御を行い、PWMのインバータドライブ信号S71dを出力する。
出力されたインバータドライブ信号S71dは、ドライブ回路74で駆動され、PWMのインバータ制御信号S11〜S16が出力される。このインバータ制御信号S11〜S16により、インバータ回路20内のIGBT21〜26がオン/オフ動作し、インバータ回路20の出力電圧V20が徐々に立ち上がっていく。この間、制御部70内のソフトスタート完了判定部72は、インバータ回路20の出力電圧V20における電圧検出信号SV20を監視している。
その後、図5の時刻t2において、インバータ回路20の出力電圧V20が定格電圧まで立ち上がると、ソフトスタートSSが完了する。ソフトスタート完了判定部72は、電圧検出信号SV20に基づき、ソフトスタートSSの完了を判定(好ましくは、ソフトスタート完了後の出力電圧V20が安定したことを判定)すると、完了判定信号S72を出力する。この完了判定信号S72により、タイマ73が計時動作を開始する。所定時間T(例えば、500ms)が経過すると、タイマ73から計時信号S73が出力される。
計時信号S73は、ドライブ回路74で駆動され、このドライブ回路74から、リレー制御信号S17が出力される。すると、リレー制御信号S17により、リレーコイル30が動作して三極のリレー接点31がオフ状態からオン状態に切り替わり、インバータ回路20の出力電力がラインフィルタ回路40へ送られる。インバータ回路20の出力電力は、ラインフィルタ回路40で高周波成分が除去された後、負荷50へ供給され、DC電源10による自立運転が行われる。
(実施例1の効果)
本実施例1によれば、次の(a)、(b)のような効果がある。
(a) ソフトスタートSS完了後に、リレーコイル30を動作させてリレー接点31をオフ状態からオン状態に切り替えるようにしている。そのため、三相自立出力開始時に、DCリンク電圧V10とインバータ回路20の出力電圧V20との落ち込みの発生を防止できる。
(b) ソフトスタートSS時は、インバータ回路20の出力電圧V20が定格電圧に達していない。そのため、図5の時刻t1から時刻t2の途中で、負荷50となる装置が停電状態から起動し、突入電流が発生してインバータ回路20の出力電流I20が過大となり、低電圧アラームの発生や、制御電源部60の停止といった従来の課題を、的確に解決できる。
(変形例)
本発明は、上記実施例1に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(1)〜(4)のようなものがある。
(1) 図4中のインバータ回路20は、図示以外の回路構成に変更しても良い。例えば、スイッチングノイズやスイッチング損失を抑制するために、IGBT21〜26をゼロ電圧期間においてスイッチングを行うソフトスイッチング方式の構成等に変更しても良い。又、IGBT21〜26は、他のトランジスタのスイッチング素子に置き換えても良い。
(2) リレーコイル30及びリレー接点31は、半導体素子等を用いた他のスイッチ手段であっても良い。
(3) 図4中のラインフィルタ回路40や、図1中の制御部70は、図示以外の他の回路構成に変更しても良い。
(4) 三相自立出力開始時における従来のDCリンク電圧V1の落ち込みは、負荷5の容量が大きい場合に発生し易い。そのため、実施例1において、負荷50が単相で、これに対するインバータ回路20が単相の場合であっても、実施例1の構成を適用でき、実施例1とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
10 DC電源
20 インバータ回路
21〜26 IGBT
30 リレーコイル
31 リレー接点
40 フィルタ回路
50 負荷
70 制御部
71 PWM制御部
71a 電流指令信号生成部
71b キャリア信号生成部
71c 比較器
71d インバータドライブ信号生成部
72 ソフトスタート完了判定部
73 タイマ
74 ドライブ回路

Claims (6)

  1. 直流電源から供給される直流電力を入力し、第1制御信号に基づき、前記直流電力をスイッチングして、交流電力を出力するインバータ回路と、
    前記インバータ回路の出力側と負荷との間に接続され、第2制御信号に基づき、前記インバータ回路と前記負荷との間をオン状態又はオフ状態に切り替えて、前記負荷への前記交流電力の供給又は停止を行うスイッチ手段と、
    前記第1制御信号及び前記第2制御信号を出力する制御部と、
    を有するインバータ装置において、
    前記制御部は、
    前記インバータ回路から出力される前記交流電力のうちの交流電圧の電圧検出信号と、前記交流電力のうちの交流電流の電流検出信号と、に基づき、前記第1制御信号を出力して、前記インバータ回路の出力電圧を緩やかに立ち上げるソフトスタートの制御を行い、前記ソフトスタートが完了して前記インバータ回路の出力電圧が定格電圧に達したことを判定すると、所定時間後に、前記第2制御信号を出力して前記スイッチ手段をオン状態にするための制御を行うことを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記インバータ回路と前記負荷との間には、前記インバータ回路の出力電力に含まれる高周波成分を除去するラインフィルタ回路が、接続されていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
  3. 前記制御部は、
    前記インバータ回路の起動時に、前記電圧検出信号及び前記電流検出信号に基づき、前記第1制御信号を出力して、前記ソフトスタートの制御を行うソフトスタート制御手段と、
    前記電圧検出信号に基づき、前記ソフトスタートが完了して前記インバータ回路の出力電圧が前記定格電圧に達したか否かを判定し、前記定格電圧に達したと判定した時には完了判定信号を出力するソフトスタート完了判定手段と、
    前記完了判定信号を入力した時から前記所定時間の経過を計時し、前記所定時間が経過した時には計時信号を出力する計時手段と、
    を有し、
    前記計時信号を駆動して前記第2制御信号を生成することを特徴とする請求項1又は2記載のインバータ装置。
  4. 前記ソフトスタート制御手段は、
    前記電流検出信号に基づき、電流指令信号を生成して出力する電流指令信号生成部と、
    鋸波のキャリア信号を生成して出力するキャリア信号生成部と、
    前記電流指令信号と前記キャリア信号とを比較して比較信号を出力する比較器と、
    前記電圧検出信号と前記比較信号とに基づき、前記ソフトスタートの制御を行うためのパルス幅変調されたインバータドライブ信号を生成して出力するインバータドライブ信号生成部と、
    を有し、
    前記インバータドライブ信号を駆動して前記第1制御信号を生成することを特徴とする請求項3記載のインバータ装置。
  5. 前記スイッチ手段は、リレーであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  6. 前記インバータ回路は、三相のインバータ回路であり、
    前記負荷は、三相の負荷であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のインバータ装置。
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