JP3608935B2 - 無停電電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の無停電電源装置は、例えば、図5に示すように、商用電源等の常用交流電源20が通電時に充電器22で予め蓄電池23を充電しておき、前記常用交流電源20が停電すると、その直後から前記蓄電池22の直流電力をインバータ24で交流に変換して負荷に電力供給するとともに、自家用発電機等の非常用交流電源21を作動させ、この非常用交流電源21が定常状態に安定化するまでの所定の安定化期間経過後に、所定のスイッチ25を前記常用交流電源20から前記非常用交流電源21へ切り換えて、前記非常用交流電源21がコンバータ26を介して前記インバータ24に接続する回路を形成し、前記非常用交流電源21の直流電力を前記インバータ24で交流に変換して前記負荷に電力供給する構成のものがあった。更に、前記スイッチ25が切り換わって前記非常用交流電源21が無負荷状態から瞬時に負荷状態になるため、その負荷を軽減して発電機のノッキング等を防止するために、前記スイッチ25の切り換わり後に所定の並行運転期間を設け、前記蓄電池23の直流電力と前記コンバータ26で直流に変換された前記非常用交流電源21の直流電力が前記インバータ24で交流変換され、並行して前記負荷に電力供給し、前記並行運転期間経過後に前記蓄電池23から前記インバータ24への回路が遮断され、前記非常用交流電源21から安定して電力供給される構成のものがあった。
かかる構成の従来の無停電電源装置として、例えば、特公昭62−10094号公報に開示されているものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の無停電電源装置では、前記常用交流電源20の停電直後に前記非常用交流電源21の作動を開始するとともに、発電機のノッキングや突出電流の発生を防止するために、所定の安定化期間を待って前記常用交流電源20から前記非常用交流電源21へ電源を切り換えるスイッチ25が少なくとも必要である。更に、前記並行運転期間を設ける場合は、前記並行運転期間から前記非常用交流電源21の定常動作へとスムーズに移行するために、前記非常用交流電源21の電圧値を前記蓄電池23の出力電圧に対して徐々に増加させる制御が必要となる。このように、従来の無停電電源装置では、前記非常用交流電源21への切り換えタイミングや電圧値の制御が複雑であり、適正動作を得るための調整が困難であった。
【0004】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、常用交流電源及び非常用交流電源の特性にかかわらず、両電源間の切り換えに伴う複雑な調整が不要で、両電源間のスムーズな切り換えが可能な無停電電源装置を提供する点にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による無停電電源装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項1に記載した通り、蓄電装置と、常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を所定の第1充電電圧に第1ダイオードを介して充電可能な第1充電器と、非常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を前記第1充電電圧より低い所定の第2充電電圧に第2ダイオードを介して充電可能な第2充電器と、前記蓄電装置からの直流入力を交流出力に変換するインバータと、前記蓄電装置の充電電圧値が所定の閾値以下に低下した場合に前記非常用交流電源の作動を開始する非常用交流電源制御部とを備えて、前記所定の閾値を、前記非常用交流電源の定常状態になるまでの立ち上がり時間が、前記充電電圧値が前記閾値から前記第2充電電圧まで低下する時間より短くなるように、前記第1充電電圧と前記第2充電電圧の間の適切な値に設定してある点にある。
ここで、前記蓄電装置は蓄電池やコンデンサ等の蓄電機能を有する装置を意味する。
【0006】
同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項2に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記蓄電装置の充電電圧値が前記閾値以上に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止する点にある。
【0007】
同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項3に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記蓄電装置の充電電圧値が前記第1充電電圧に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止する点にある。
【0009】
以下に、作用並びに効果について説明する。
本発明による無停電電源装置の第一の特徴構成によれば、前記常用交流電源が通電中に前記蓄電装置が前記第1充電電圧まで充電された状態で、前記常用交流電源から前記第1充電器、前記第1ダイオード及び前記インバータを介して負荷側に電力が供給される。この状態で前記常用交流電源が停電すると、前記第1充電器からの電力供給が停止し、代わって前記蓄電装置から前記インバータを介して負荷側に電力が供給される。従って、前記蓄電装置の充電電圧値は電力供給とともに低下し、前記閾値電圧以下になると前記非常用交流電源制御部によって前記非常用交流電源の作動が開始する。前記非常用交流電源が定常状態にまで立ち上がると前記第2充電器の出力には前記第2充電電圧に前記第2ダイオードの電圧降下分を加えた出力電圧が現れるが、前記充電電圧値が前記第2充電電圧より高い間は、前記第2ダイオードはオフしている。更に、前記充電電圧値が前記第2充電電圧まで低下すると、前記第2ダイオードがオンし、前記第2充電器から前記インバータを介して負荷側に電力供給される。従って、前記第2充電電圧を前記第1充電電圧より低く、前記閾値電圧を前記第1充電電圧と前記第2充電電圧の間の所定の適切な値に設定しておくだけで、前記非常用交流電源が定常状態にまで安定化するのを待って前記常用交流電源から切り換えるためのスイッチを設けず、更に、前記非常用交流電源の電圧値の制御も行わずに、無停電で前記常用交流電源から前記非常用交流電源への電源の切り換えを行うことができるのである。前記非常用交流電源の立ち上がり時において、このようなスイッチによる電源の切り換えを回避できるため、急激な負荷条件の変化が防止でき、前記非常用交流電源が発電機の場合にノッキングを防止できるのである。
【0010】
引き続き、停電した前記常用交流電源が復帰すると、前記第1充電器が作動状態になり、前記第1充電器の出力に前記第1充電電圧に前記第1ダイオードの電圧降下分を加えた出力電圧が現れる。この時、前記充電電圧値は前記第2充電電圧まで低下しているため、前記第1ダイオードはオンし、前記蓄電装置の充電及び前記インバータを介して負荷側への電力供給を開始する。しかし、前記第1充電器の出力は前記常用交流電源の立ち上がりに伴い、徐々に電圧が上昇するため前記第1ダイオードがオンした後の電流も徐々に増加することになり急激な負荷変動が生じず、前記常用交流電源の停電時と同様に復帰時においてもノッキングを効果的に防止できるのである。
【0011】
更に、前記閾値電圧と前記第2充電電圧の関係を、前記常用交流電源の停電時において前記非常用交流電源の定常状態になるまでの立ち上がり時間が前記充電電圧値が前記閾値から前記第2充電電圧まで低下する時間より短くなるように、前記非常用交流電源及び前記蓄電装置の能力や負荷条件等に基づいて設定することにより、前記非常用交流電源のノッキングや突出電流をより効果的に防止できるのである。
【0012】
また、前記閾値電圧と前記第1充電電圧との間に一定の電圧差を設けることで、前記蓄電装置が前記閾値電圧まで放電するまでの期間に前記常用交流電源が復帰した場合は、前記非常用交流電源に対しては何の影響も及ぼさずに通常状態に復帰できるため、前記非常用交流電源に対する不必要な運転の開始及び停止を行わずに済むのである。
【0013】
この結果、本特徴構成によれば、前記常用交流電源及び前記非常用交流電源は、両電源間で位相を同期させる必要が無く、更には、線数、相数、電圧、周波数等の出力形式を夫々独立且つ任意に選択できるため、例えば、前記常用交流電源として商用交流電源をした場合に、前記非常用交流電源として種々の出力形式の発電機を利用できるのである。更に、前記常用交流電源または前記非常用交流電源、或いはその両方を含めた無停電電源システム全体の設計自由度が広がり、システム全体の小型化を図ることができるのである。
【0014】
同第二の特徴構成によれば、停電した前記常用交流電源が復帰すると、前記第1充電器の出力が前記第1充電電圧に前記第1ダイオードの電圧降下分を加えた出力電圧まで上昇し、前記充電電圧値が前記第2充電電圧から前記第1充電電圧まで徐々に上昇するが、前記充電電圧値が前記閾値に達するまでは前記非常用交流電源は作動状態にあるため、万が一負荷状態が急激に変化して前記充電電圧値が前記第2充電電圧まで降下しても、前記非常用交流電源から電力供給できるため安定動作が確保できるのである。また、前記充電電圧値が前記閾値を超えて充電されれば、その後に再び前記常用交流電源が停電しても、前記非常用交流電源の立ち上がり時の過渡状態が通常の停電時と同様になるため、前記充電電圧値に依存して前記閾値電圧を変更する等の特別な調整等が不要となるのである。
【0015】
同第三の特徴構成によれば、第二の特徴構成の作用効果に加えて、前記非常用交流電源のオンとオフの間にヒステリシスを持たせる結果となるため、前記充電電圧値が前記閾値電圧と前記第1充電電圧との間にある場合に、前記常用交流電源が瞬時停電しても、前記非常用交流電源が不必要に作動を開始したり停止したりすることを防止でき、当該不必要な動作に伴う、ノッキング等を回避でき安定動作が可能となるのである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る無停電電源装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、本発明に係る無停電電源装置の第一の実施形態(以下、本発明装置1という。)は、蓄電装置である蓄電池2と、常用交流電源10からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電池2を所定の第1充電電圧V1 に第1ダイオード3を介して充電可能な第1充電器4と、非常用交流電源11からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電池2を前記第1充電電圧V1 より低い所定の第2充電電圧V2 に第2ダイオード5を介して充電可能な第2充電器6と、前記蓄電池2からの直流入力を交流出力に変換するインバータ7と、前記蓄電池2の充電電圧値VC が所定の閾値VT 以下に低下した場合に前記非常用交流電源11の作動を開始する非常用交流電源制御部8とから構成されている。
【0021】
尚、本発明装置1では、前記常用交流電源10として商用電源を、前記非常用交流電源11としてディーゼルエンジンやガスタービン等の原動機による自家発電機を使用することを想定している。図中破線部分が本発明装置1であるが、前記非常用交流電源11を本発明装置1に含む構成としても構わない。
【0022】
前記第1充電器4及び前記第2充電器6は所定の入力条件の交流入力を直流に変換して定電圧で出力するコンバータである。また、前記インバータ7は定電圧定周波数インバータ(CVCF)を使用し、前記充電電圧値VC が変動しても一定の出力電圧と一定の出力周波数を維持できる構成となっている。
【0023】
次に、本発明装置1の動作について説明する。
図2に示すように、前記常用交流電源10が通電中(t<t1 )は前記蓄電池2は前記第1充電器4から前記第1ダイオード3を介して前記第1充電電圧V1 まで充電されている。負荷側への電力供給は、前記常用交流電源10から前記第1充電器4、前記第1ダイオード3及び前記インバータ7を介して行われている。前記非常用交流電源11は運転を停止しているので、前記第2充電器6も当然に作動を停止している。
【0024】
時刻t1 で前記常用交流電源10が停電すると、前記第1充電器4からの電力供給が停止し、代わって前記蓄電池2から前記インバータ7を介して負荷側に電力供給される。かかる電力供給とともに前記蓄電池2の放電が進み、前記蓄電池2の前記充電電圧値VC は低下する。時刻t2 で前記充電電圧値VC が前記閾値電圧VT 以下まで低下すると、前記非常用交流電源制御部8がそれを検知して、前記非常用交流電源11の作動が開始する。前記充電電圧値VC は更に低下を続け、時刻t3 において前記第2充電電圧V2 まで低下する。ここで、前記非常用交流電源11の立ち上がり時においてノッキングや突出電流を効果的に防止するために、前記閾値電圧VT と前記第2充電電圧V2 の関係を、前記非常用交流電源11及び前記蓄電池2の能力や負荷条件等に基づいて予め適正に設定しているので、前記非常用交流電源11は、時刻t2 から時刻t3 までの間に十分に定常状態に達する。時刻t2 から時刻t3 までの間に前記非常用交流電源11が立ち上がり、前記第2充電器6の出力には前記第2充電電圧V2 に前記第2ダイオード5の電圧降下分を加えた出力電圧が現れるが、前記充電電圧値VC が前記第2充電電圧V2 より高い間(t2 <t<t3 )は、前記第2ダイオード5はオフしている。
【0025】
また、前記閾値電圧VT と前記第1充電電圧V1 との間に一定の電圧差を設けることで、前記蓄電池2が前記閾値電圧VT まで放電するまでの期間に前記常用交流電源10が復帰した場合、例えば、前記商用電源の瞬時停電時は、前記非常用交流電源11に対しては何の影響も及ぼさずに通常状態に復帰できるため、前記非常用交流電源11に対する不必要な運転の開始及び停止を行わずに済むのである。
【0026】
時刻t3 で前記充電電圧値VC が前記第2充電電圧V2 まで低下すると、前記第2ダイオード5がオンし、前記第2充電器6から前記インバータ7を介して負荷側に電力供給され、前記常用交流電源10が復帰するまで(t=t4 )、当該状態が継続する。
このように、前記第2充電電圧V2 を前記第1充電電圧V1 より低く、前記閾値電圧VT を前記第1充電電圧V1 と前記第2充電電圧V2 の間の所定の適切な値に設定しておくだけで、無停電で前記常用交流電源10から前記非常用交流電源11への電源の切り換えを行うことができるのである。つまり、従来のように前記非常用交流電源11が定常状態にまで安定化するのを待って前記常用交流電源10から切り換えるためのスイッチを設けたり、前記非常用交流電源11の電圧値の制御を行う必要がないのである。従って、前記非常用交流電源11の立ち上がり時において、このようなスイッチによる電源の切り換えを回避できるため、急激な負荷条件の変化を防止でき、前記非常用交流電源11である自家発電機のノッキングを効果的に防止できるのである。
【0027】
時刻t4 で停電した前記常用交流電源10が復帰すると、前記第1充電器4が作動状態になり、前記第1充電器4の出力に前記第1充電電圧V1 に前記第1ダイオード3の電圧降下分を加えた出力電圧が現れる。この時、前記充電電圧値VC は前記第2充電電圧V2 まで低下しているため、前記第1ダイオード3はオンし、前記蓄電池2の充電を開始し前記充電電圧値VC が上昇し始めるとともに、前記インバータ7を介して負荷側への電力供給を開始する。
前記第1充電器4の出力は前記常用交流電源10の立ち上がりに伴い、徐々に電圧が上昇するため前記第1ダイオード3がオンした後の電流も徐々に増加することになり急激な負荷変動が生じず、前記常用交流電源10が商用電源以外の自家発電機等であっても、その復帰時の立ち上がりにおいてノッキングが発生するのを効果的に防止できるのである。
【0028】
時刻t5 で前記充電電圧値VC が前記閾値電圧VT まで上昇すると、前記非常用交流電源制御部8がそれを検知して、前記非常用交流電源11の作動を停止する。従って、時刻t4 から時刻t5 までの間は、前記非常用交流電源11がまだ定常状態で作動中であるため、もし前記常用交流電源10が再び停電しても、前記非常用交流電源11から前記負荷側へ安定して電力供給できるのである。また、時刻t5 以降に前記常用交流電源10が再び停電したとしても、上述した時刻t2 以降の動作手順を繰り返すことができるので、前記負荷側への安定電力供給を維持できるのである。
かかる前記常用交流電源10の再停電がなければ、図2に示すように、前記蓄電池2の充電が進み、時刻t6 において、前記充電電圧値VC が前記第1充電電圧V1 まで上昇し通常状態に復帰する。
【0035】
以下、別の実施形態について説明する。
〈1〉前記第一の実施形態において、前記負荷が小さい場合や、前記常用交流電源10及び前記非常用交流電源11の立ち上がり時間が短い場合は、前記蓄電池2の代わりにコンデンサを使用しても構わない。
【0036】
〈2〉前記第一の実施形態において、前記非常用交流電源制御部8が、時刻t5 において前記充電電圧値VC が前記閾値電圧VT まで上昇したのを検知して、前記非常用交流電源11の作動を停止する代わりに、時刻t6 において、前記充電電圧値VC が前記第1充電電圧V1 まで上昇し通常状態に復帰するのを待って前記作動の停止を行っても構わない。このようにすると、前記常用交流電源10の立ち上がり時における、前記常用交流電源10或いは前記第1充電器4の不安定動作または負荷変動等によって前記充電電圧値VC が前記閾値電圧VT 付近で不安定に変動しても、前記非常用交流電源11が不安定にオンとオフを繰り返すという異常事態を回避できるのである。
【0037】
〈3〉前記第一の実施形態において、前記常用交流電源10は必ずしも商用電源でなくとも構わない。両交流電源10、11ともに自家発電機であっても構わない。
また、前記第一の実施形態を発展させた形態として、前記常用交流電源10と前記第1充電器4、または、前記非常用交流電源11と前記第2充電器6の何れか一方を、例えば太陽電池等の直流電源と直流入力から直流定電圧を出力するDC/DCコンバータの組み合わせに置換するのも好ましい実施の形態である。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、常用交流電源及び非常用交流電源の特性にかかわらず、両電源間の切り換えに伴う複雑な調整が不要で、両電源間のスムーズな切り換えが可能な無停電電源装置を提供できるようになった。更に、前記常用交流電源及び前記非常用交流電源は、両電源間で位相を同期させる必要が無く、また、線数、相数、電圧、周波数等の出力形式を夫々独立且つ任意に選択できるため、例えば、前記常用交流電源として商用交流電源をした場合に、前記非常用交流電源として種々の出力形式の発電機を利用できるようになった。更に、前記常用交流電源または前記非常用交流電源、或いはその両方を含めた無停電電源システム全体の設計自由度が広がり、システム全体の小型化を図ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る無停電電源装置の第一の実施形態を示すブロック構成図
【図2】本発明に係る無停電電源装置の第一の実施形態の充電電圧波形の模式図
【図3】従来の無停電電源装置の一例を示すブロック構成図
【符号の説明】
1 本発明装置
2 蓄電池(蓄電装置)
3 第1ダイオード
4 第1充電器
5 第2ダイオード
6 第2充電器
7 インバータ
8 非常用交流電源制御部
10 常用交流電源
11 非常用交流電源
Claims (3)
- 蓄電装置と、常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を所定の第1充電電圧に第1ダイオードを介して充電可能な第1充電器と、非常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を前記第1充電電圧より低い所定の第2充電電圧に第2ダイオードを介して充電可能な第2充電器と、前記蓄電装置からの直流入力を交流出力に変換するインバータと、前記蓄電装置の充電電圧値が所定の閾値以下に低下した場合に前記非常用交流電源の作動を開始する非常用交流電源制御部とを備えて、前記所定の閾値を、前記非常用交流電源の定常状態になるまでの立ち上がり時間が、前記充電電圧値が前記閾値から前記第2充電電圧まで低下する時間より短くなるように、前記第1充電電圧と前記第2充電電圧の間の適切な値に設定してある無停電電源装置。
- 前記蓄電装置の充電電圧値が前記閾値以上に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止することを特徴とする請求項1記載の無停電電源装置。
- 前記蓄電装置の充電電圧値が前記第1充電電圧に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止することを特徴とする請求項1記載の無停電電源装置。
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