JP4265932B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力系統の交流電力を変換してモータの可変速駆動制御を行うモータ制御装置に係り、上記電力系統の周波数や電圧に変動が発生した場合に、その変動を抑制する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のモータ負荷の中で、ファン、ポンプ向けの用途などのように、電力系統の交流電圧を変圧器で変圧して直接モータを駆動しているシステムは、電力系統の周波数や変圧後の交流電圧によってモータの回転数、消費電力が定まる。従って、電力系統の供給能力が低下して例えばその周波数が低下した場合、モータ負荷は、この周波数の低下に伴って低下し、電力系統の周波数低下を抑制する方向に変化することになる。
【0003】
これに対して近年は、半導体デバイスを用いた電力変換装置によるモータの制御装置が普及し、電力系統の交流電圧を任意の周波数や電圧に変換・出力してモータの可変速駆動制御を行う場合が多く、ここでは、電力系統の周波数、電圧とは無関係に、かつ高速に出力制御を行うため、急激な負荷変動や力率の変化を引き起こし、電力系統に悪影響を及ぼす可能性がある。特に電力系統の定格容量を越えたモータ負荷の駆動や、系統側の事故などに起因する供給電力の低下など、電力系統にとって過負荷となる状況下では、これとは無関係にモータの制御装置が所定の電力をモータへ供給するように動作するため、発電システムの電力供給量が不足して系統周波数や電圧の異常低下を招き、最後には発電システムの停止や保護回路の作動などによって停電が発生してモータが停止し運転を継続することが出来なくなる。
【0004】
過負荷時における運転継続の技術として、発電機の周波数を検知して負荷出力を抑制し、発電機を駆動するエンジンの回転数を適正に維持する制御方法がある(例えば、特許文献1参照)。これは発電機の出力が増大するのに伴ってエンジンの回転数が低下していく特性を利用するもので、エンジンの回転数または発電機の周波数を検知し、エンジン回転数または周波数が低下した場合に、定電流特性制御手段でトランジスタをスイッチング制御する、いわゆる直流チョッパによって負荷への出力を抑制する。
その結果、負荷への電力供給を止めることなく運転を継続し、エンジンの回転数を適正に維持して発電を行うことができる。
【0005】
また、上記に類似した技術として、デマンド電力を集計し、ノン・カットでデマンドコントロールを行う方法がある(例えば、特許文献2参照)。これは電力ピークカットを目的に負荷の消費電力逓減を行うもので、発電所と変電所を管理する中央給電指令所においてリアルタイムにデマンド電力を計数し、ピークカット実行時にデマンドコントロール信号を発信する。インバータモータやインバータ照明器の両インバータはリモートターミナルを介してデマンドコントロール信号を受信し、これに従ってインバータモータの周波数を逓減、または照明器の電圧を逓減するようにノン・カットで出力制御を行う。
【0006】
【特許文献1】
特許第2660798号公報(段落0009、図1、図2)
【特許文献2】
特開平7−222360号公報(段落0004、図1、図2)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来技術、例えば、特許文献1のものでは、直流チョッパによる定電流制御が前提であるので、可変速駆動制御を行うモータ制御装置には適用できないという問題点があった。
また、特許文献2のものでは、1個所でデマンド電力を計数するので、複数の発電機や負荷などが電力系統に接続されている場合には、これらの機器の全てとオンラインで情報伝達を行う設備が必要となって装置が全体として複雑高価となり、更に、負荷逓減の制御はリモートコントロールで行うので、発電機や系統に事故が発生した場合やモータの高速出力制御に起因する、急激な負荷変動等には対応できないという問題点があった。
【0008】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電力系統の周波数の異常低下に速やかに応答してモータ負荷を低減し、継続運転を可能とするモータ制御装置を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るモータ制御装置は、電力系統の交流電力を受電し負荷であるモータの回転駆動用電力に変換し上記モータに供給する電力変換装置を備え、速度指令値を入力し、上記モータの速度が上記速度指令値となるよう上記電力変換装置を制御するモータ制御装置において、
上記電力系統の周波数を検出する周波数検出器、および上記検出周波数が上記電力系統の基準周波数以下の所定の設定周波数以下となったとき上記検出周波数と設定周波数との差に応じて上記速度指令値を低減する速度制御回路を備えたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1におけるモータ制御装置を示す構成図である。図1において、原動機1は発電機2と連結して発電システムを構成しており、発電システムの出力は変圧器3と遮断器4を介して電力系統5に接続している。電力系統5には、上記のような発電システムが複数接続されている。このような電力系統5に、遮断器6と変圧器7を介してモータ制御装置8とモータ9を接続している。モータ制御装置8は、変圧器7とモータ9との間に接続した電力変換装置10と、速度検出器11によって検出したモータ9の回転速度および周波数検出器12によって検出した電力系統5の周波数を基にモータ9の速度に応じた出力指令値(速度指令値)を電力変換装置10へ出力する速度制御回路13と、から構成されている。
【0011】
モータ制御装置8は、モータ9の回転速度が所望の値となるようにモータ9の駆動制御を行う。具体的には、速度検出器11で検出したモータ9の回転速度が所定値になるように速度制御回路13で出力指令値を演算し、電力変換装置10に与える。
電力変換装置10は、変圧器7から交流電力を受電し、出力指令値に基づいてモータ9を駆動する交流電力を出力する。なお、電力変換装置10としては、例えば交流電力を直流電力に変換するダイオード整流回路または高力率コンバータと、変換された直流電力を平滑する直流コンデンサと、直流電力を交流電力に変換してモータ9を駆動する自励式インバータとから構成されるコンバータ‐インバータ方式の電力変換装置、あるいはマトリクスコンバータによる交流‐交流変換方式の電力変換装置などがある。
【0012】
図2は、図1の速度制御装置13の内部制御ブロック図で、以下、この図2および図3〜5のタイミングチャートを参照して具体的な制御動作について説明する。
図2において、周波数検出器12で検出された系統周波数fが、電力系統5の基準周波数以下で設定された所定の周波数f1以上の場合は、減算器22の出力は負で周波数制御器23は出力せず、速度指令値wrefがそのまま速度指令値w*となって電力変換装置10に供給される。これによって、モータ9は速度指令値wrefに対応する回転速度、即ち、以下で説明する本発明になる制御が動作する前の回転速度で運転される。
電力系統5が過負荷等になり系統周波数fが所定の周波数f1より低くなると、減算器22の出力が正となり、例えばPI制御系からなる周波数制御器23の出力が増大してその分減算器26により速度指令値wrefから低減した速度指令値w*が電力変換装置10に供給される。これによって、モータ9は速度指令値wrefより低い回転速度で運転されることになりその分出力が低減する。これは、電力系統5から見ると、負荷量の低減につながり、周波数低下の要因であった過負荷状態が軽減されるので、系統周波数fの低下程度が緩和され、やがて系統周波数fの低減量とモータ負荷の低減量とがバランスする平衡状態となる。
【0013】
以上の動作を、各特性を単純化して示す以下のタイミングチャートを参照して確認することにする。
図3は、本願発明を適用しない場合、即ち、速度制御による負荷逓減を行わない場合で、上から順に、系統周波数f、速度指令値w*およびモータ回転速度wを示す。電力系統5が過負荷等になり系統周波数fが下降を始めてもモータ9は速度指令値wrefで定まる回転速度のままで運転を継続する。従って、電力系統5の容量や当該モータ9負荷およびその他の負荷の容量との大小関係にも左右されるが、従来技術の欄で説明したように、系統周波数fの下降が進み、電圧を維持できなくなりやがて停電、モータ9が停止するという事態になる可能性がある。
【0014】
図4は、本願発明を適用しリミッタ24が動作しない場合、即ち、負荷逓減を行って周波数低下を抑制できる場合である。
系統周波数fが下降を始め、所定の周波数f1を切ると周波数制御器23の出力が立ち上がり、速度指令値w*が速度指令値wrefから下降を始め、これに伴いモータ回転速度wも下降しモータ9の出力も低下する。やがて、系統周波数fの低減量とモータ負荷の低減量とがバランスした平衡状態に至る。
【0015】
図5は、本願発明を適用したが、系統周波数fの低下量が大きく、動作途中からリミッタ24が働いてそれ以上速度指令値w*の低減が出来ない場合を想定したケースである。即ち、モータ9はその運転負荷特性により、継続運転ができる回転速度の下限値が決まる。リミッタ24は、減算器がこの下限速度を下回らないよう周波数制御器23からの出力に制限を加えるものである。
図5では、速度指令値w*は、リミッタ24の働きにより(wref−wlmt)まで下降した後は一定値を維持している。従って、これ以降は、系統周波数fの下降を抑制する効果はなくなり、系統周波数fは更に下降を続け、場合によっては電力系統5の停電に至る。もっとも、この場合も、この発明の適用により停電に至る可能性は確率的に減少し、また、停電となっても該停電に至るまでの運転継続時間が長くなるという利点がある。
【0016】
この図5のケースとしては、当該モータ9の容量より大きな容量の負荷が同じ電力系統5に接続されており、その大容量負荷で過負荷が発生して系統周波数fが低下する場合等が想定されるが、この大容量負荷を含め電力系統5に接続されるモータ負荷のすべてにこの発明になる負荷逓減手段が施されていれば、これらが一斉に負荷逓減動作を行い、その結果、図4で説明した現象に該当して、即ち、リミッタ24の動作にかからず、停電等の支障が回避される可能性もある。
【0017】
以上のように、この発明の実施の形態1においては、電力系統5の周波数fを検出する周波数検出器12、および検出周波数fが電力系統5の基準周波数以下の所定の設定周波数f1以下となったとき検出周波数fと設定周波数f1との差に応じて速度指令値w*を低減する速度制御回路13を備えたので、系統周波数fの異常低下に速やかに応答してモータ9の負荷を低減し、モータ9の継続運転が可能となる。
【0018】
また、速度制御回路13は、速度指令値w*の低減量を、モータ9の運転負荷特性から定まる所定の範囲内に制限するリミッタ24を備えたので、モータ9の運転継続に支障を来すことなく、系統周波数fの低下を抑制するための負荷制御が確実になされる。
【0019】
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2におけるモータ制御装置を示す構成図である。
図6において、図1と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図6に示すように、モータ制御装置8は、実施の形態1の構成に加えて、電力系統5の系統電圧を検出する電圧検出器14と、出力指令値を演算して電力変換装置10へ出力する交流電圧制御回路15と、から構成されている。
【0020】
図7は、図6の交流電圧制御回路15の内部制御ブロック図で、以下、この図7および図8〜10のタイミングチャートを参照して具体的な制御動作について説明する。
なお、以下の交流電圧制御回路15の動作は、実施の形態1で説明した速度制御装置13の動作と独立して行われる。
図7において、交流電圧制御回路15は、電圧検出器14で検出された系統電圧vと電力系統5の基準電圧である交流電圧指令値vrefとが等しくなるように無効電流指令値iqrefを出力して電力変換装置10に供給する。即ち、系統電圧vが交流電圧指令値vrefより低くなると、減算器32からの電圧差分v*は正となり電圧制御器33からは進相無効電流に相当する無効電流指令値iqrefを出力し系統電圧vを上昇させるように動作する。反対に、系統電圧vが交流電圧指令値vrefより高くなると、減算器32からの電圧差分v*は負となり電圧制御器33からは遅相無効電流に相当する無効電流指令値iqrefを出力し系統電圧vを下降させるように動作する。これによって、後述するリミッタ34が動作しない範囲では、系統電圧vは交流電圧指令値vrefの値一定に保たれることになる。
【0021】
以上の動作を、各特性を単純化して示す以下のタイミングチャートを参照して確認することにする。
図8は、本願発明を適用しない場合、即ち、電力系統5の電圧変動に基づく無効電流制御を行わない場合で、上から順に、系統電圧v、電圧差分v*、無効電流指令値iqrefを示す。系統電圧vが変化しても、無効電流制御は行わないので、電圧変動がそのまま現れる。
図9は、本願発明を適用し、無効電流制御を行って電力系統5の電圧が一定に保たれている場合を示す。即ち、図では、系統電圧vおよび電圧差分v*はそれぞれ交流電圧指令値vrefおよび零レベルを維持しているように見えるが、実際は、系統電圧vが交流電圧指令値vrefから変動して電圧差分v*が発生しそれに応じて電圧制御器33が動作して無効電流指令値iqrefを出力し、系統電圧vを交流電圧指令値vrefにほぼ等しい値に留めているわけである。
【0022】
図10は、本願発明を適用したが、系統電圧vの変化量が大きく、無効電流制御を行っても系統電圧vを一定に維持できない場合である。即ち、電力変換装置10の容量は、本来、モータ9を回転駆動するのに必要な値に設定されている。従って、電力変換装置10で発生できる無効電力、無効電流は、このモータ9の容量に応じて決められた電力変換装置10の容量の範囲内に制限される。リミッタ34は、無効電流指令値iqrefがこの制限値を越えないよう電圧制御器33からの出力に制限を加えるものである。
図10では、系統電圧vの一定範囲までの変動に対しては、無効電流による電圧一定制御が実現しているが、リミッタ34が働き、無効電流指令値iqrefがリミット値iqlmtに至った後は、電圧一定制御はならず、系統電圧vは交流電圧指令値vrefから逸脱している。
このように、一定範囲までの電圧変動抑制効果となるが、電力変換装置10が過負荷となることが無く、安定した動作が補償されるという利点がある。
【0023】
以上のように、この発明の実施の形態2においては、電力系統5の交流電圧vを検出する電圧検出器14、および上記検出電圧vと所定の設定電圧vrefとの差に応じ、上記差が低減するように電力変換装置10の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路15を備えたので、電力系統5の電圧変動を抑制して、より安定したモータ9の継続運転が可能となる。
【0024】
また、交流電圧制御回路15は、制御する発生無効電力を、電力変換装置10がモータ9を回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタ34を備えたので、電力変換装置10が過負荷となることなく、安定した動作が補償される。
【0025】
実施の形態3.
図11は、この発明の実施の形態3におけるモータ制御装置を示す構成図である。
図11において、図1と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図11に示すように、モータ制御装置8は、実施の形態1の構成に加えて、電力系統5の系統電圧を検出する電圧検出器14と、電力系統5の系統電圧の経時変化量である振動成分を取り出すフィルタ16と、出力指令値を演算して電力変換装置10へ出力する交流電圧制御回路17と、から構成されている。
【0026】
図12は、図11の交流電圧制御回路17の内部制御ブロック図で、以下、この図12および図13〜15のタイミングチャートを参照して具体的な制御動作について説明する。
なお、以下の交流電圧制御回路17の動作は、実施の形態1で説明した速度制御装置13の動作と独立して行われる。
図12において、フィルタ16は、電圧検出器14で得られた系統電圧vから直流分を除去し、経時変化量で有る振動成分v*のみを交流電圧制御回路17へ出力する。交流電圧制御回路17では、電圧制御器43が系統電圧vの振動成分から無効電流指令値iqrefを出力して電力変換装置10に供給する。
即ち、系統電圧vは必ずしも基準電圧値でなくても、定常状態であれば直流となり、フィルタ16は直流成分を除去するので、無効電流指令値iqrefは出力されない。
【0027】
しかし、事故等で系統電圧vが経時的に変動すると、フィルタ16はその振動成分v*を出力しこの振動成分が低減するよう電圧制御器43が無効電流指令値iqrefを出力する。電圧制御器43の出力側には、電力変換装置10へ供給する無効電流指令値iqrefを、電力変換装置10がモータ9を回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタ44が設けられている。
【0028】
以上の動作を、各特性を単純化して示す以下のタイミングチャートを参照して確認することにする。
図13は、本願発明を適用しない場合、即ち、電力系統5の電圧振動成分に基づく無効電流制御を行わない場合で、上から順に、系統電圧v、電圧振動成分v*、無効電流指令値iqrefを示す。振動成分v*が発生しても、無効電流制御は行わないので、電圧の振動成分がそのまま現れる。
図14は、本願発明を適用し、無効電流制御を行って電力系統5の電圧振動成分がほぼ零のレベルに保たれている場合を示す。即ち、図では、系統電圧vおよび振動成分v*はそれぞれ一定値および零レベルを維持しているように見えるが、実際は、系統電圧vが変動して振動成分が発生しそれに応じて電圧制御器43が動作して無効電流指令値iqrefを出力し、系統電圧vの経時変化をほぼ零に留めているわけである。
【0029】
図15は、本願発明を適用したが、系統電圧vの経時変化量が大きく、リミッタ44が動作し、系統電圧vを一定に維持できない場合である。即ち、振動成分v*の一定範囲までの値に対しては、無効電流による電圧振動成分抑制制御が実現しているが、リミッタ44が働き、無効電流指令値iqrefがリミット値iqlmtに至った後は、振動成分抑制制御はならず、振動成分は発生し系統電圧vも経時的に変動している。
このように、一定範囲までの電圧振動成分抑制効果となるが、電力変換装置10が過負荷となることが無く、安定した動作が補償されるという利点がある。
【0030】
以上のように、この発明の実施の形態3においては、電力系統5の交流電圧vを検出する電圧検出器14、上記検出電圧vからその経時変化量を出力するフィルタ16、および上記経時変化量に応じ、上記経時変化量が低減するように電力変換装置10の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路17を備えたので、電力系統5の電圧振動成分を抑制して、より安定したモータ9の継続運転が可能となる。
【0031】
また、交流電圧制御回路15は、制御する発生無効電力を、電力変換装置10がモータ9を回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタ44を備えたので、電力変換装置10が過負荷となることなく、安定した動作が補償される。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るモータ制御装置は、電力系統の交流電力を受電し負荷であるモータの回転駆動用電力に変換し上記モータに供給する電力変換装置を備え、速度指令値を入力し、上記モータの速度が上記速度指令値となるよう上記電力変換装置を制御するモータ制御装置において、
上記電力系統の周波数を検出する周波数検出器、および上記検出周波数が上記電力系統の基準周波数以下の所定の設定周波数以下となったとき上記検出周波数と設定周波数との差に応じて上記速度指令値を低減する速度制御回路を備えたので、系統周波数の異常低下に速やかに応答してモータの負荷を低減し、モータの継続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1におけるモータ制御装置を示す構成図である。
【図2】 図1の速度制御装置13の内部制御ブロック図である。
【図3】 本願発明を適用しない場合の、電力系統5の周波数変動を示すタイミングチャートである。
【図4】 負荷逓減を行って周波数低下を抑制する動作を示すタイミングチャートである。
【図5】 リミッタ24が働いた場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図6】 この発明の実施の形態2におけるモータ制御装置を示す構成図である。
【図7】 図6の交流電圧制御回路15の内部制御ブロック図である。
【図8】 本願発明を適用しない場合の、電力系統5の電圧変動を示すタイミングチャートである。
【図9】 無効電流制御を行って交流電圧を一定に維持する動作を示すタイミングチャートである。
【図10】 リミッタ34が働いた場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図11】 この発明の実施の形態3におけるモータ制御装置を示す構成図である。
【図12】 図11の交流電圧制御回路17の内部制御ブロック図である。
【図13】 本願発明を適用しない場合の、電力系統5の電圧変動を示すタイミングチャートである。
【図14】 無効電流制御を行って交流電圧の振動成分を抑制する動作を示すタイミングチャートである。
【図15】 リミッタ44が働いた場合の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
5 電力系統、8 モータ制御装置、9 モータ、10 電力変換装置、
11 速度検出器、12 周波数検出器、13 速度制御装置、
14 電圧検出器、15 交流電圧制御回路、16 フィルタ、
17 交流電圧制御回路、23 周波数制御器、24 リミッタ、
33 電圧制御器、43 電圧制御器、44 リミッタ。
Claims (5)
- 電力系統の交流電力を受電し負荷であるモータの回転駆動用電力に変換し上記モータに供給する電力変換装置を備え、速度指令値を入力し、上記モータの速度が上記速度指令値となるよう上記電力変換装置を制御するモータ制御装置において、
上記電力系統の周波数を検出する周波数検出器、および上記検出周波数が上記電力系統の基準周波数以下の所定の設定周波数以下となったとき上記検出周波数と設定周波数との差に応じて上記速度指令値を低減する速度制御回路を備えたことを特徴とするモータ制御装置。 - 上記速度制御回路は、上記速度指令値の低減量を、上記モータの運転負荷特性から定まる所定の範囲内に制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
- 上記電力系統の交流電圧を検出する電圧検出器、および上記検出電圧と所定の設定電圧との差に応じ、上記差が低減するように上記電力変換装置の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
- 上記電力系統の交流電圧を検出する電圧検出器、上記検出電圧からその経時変化量を出力するフィルタ、および上記経時変化量に応じ、上記経時変化量が低減するように上記電力変換装置の発生無効電力を制御する交流電圧制御回路を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
- 上記交流電圧制御回路は、制御する発生無効電力を、上記電力変換装置が上記モータを回転駆動することから定まる容量の範囲内に制限するリミッタを備えたことを特徴とする請求項3または4に記載のモータ制御装置。
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