説明

溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路

【課題】直流電源を入力し、直流電源を出力する回路において、直流電源出力端、直流電源出力給電電流路、負荷、等が短絡し又は急激な過電流が流れた場合、溶断遮断器を極めて短時間に遮断かつアーク放電が発生しない回路を実現する。
【解決手段】一次巻線に密結合した二次巻線、該一次巻線に疎結合した三次巻線を有するトランスを備え、前記三次巻線の一端には、外部の直流電源の一方の電位極性の電位が印加されるべく構成され、前記一次巻線の一端には、前記三次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、前記二次巻線の一端には、前記一次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、前記一次巻線の他端は、溶断遮断器の一端を介して該溶断遮断器他端から前記一方の電位極性の直流電源を出力すべく構成され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間には、前記一方の電位極性と逆方向に第3整流素子が挿入されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流電源を入力し出力する回路において、直流電源出力端、直流電源出力給電電流路、負荷、等が短絡し又は急激な過電流が発生した場合、溶断遮断器を極めて短時間にかつアーク放電を発生させずに溶断遮断し、また、該回路おける開閉器により電源出力断とするとき、開閉器にアーク放電を発生させない回路に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、直流の高電圧、大電流を遮断する場合、アーク放電は必然的に発生し、この発生したアーク放電を小規模化し又は消去することが課題であった。
アーク放電の発生は、容認せざるを得なく、このアーク放電をいかに最小限に留めるかが主要の課題であった。したがって、アーク放電そのものを発生させない研究は為されていなかった。
しかしながら、近年、高圧大電流の直流給電が研究、実験されている。したがって、この直流をいかにアーク放電を発生させないで遮断するかが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2010−80200号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の動作は以下のとおりである。
特許文献1の目的は、負荷3に流れる電流をスイッチ4で遮断するとき、スイッチ4にはアーク放電が発生する。アーク放電中にもバイポーラトランジスタ6にベース電流が流れるため、バイポーラトランジスタ6は導通状態である。
したがって、インダクタ7、キャパシタ8、バイポーラトランジスタ6に電流が流れ、バイポーラトランジスタ6の増幅率により、コレクタ電流は大であるが、ベース電流は少なく、スイッチ4に少ない電流が流れ、アーク放電電流を少なくできる。
そして、アーク放電が終了し、バイポーラトランジスタ6のベース電流が遮断されるとバイポーラトランジスタ6は非導通状態となり、キャパシタ8の電流も遮断される。
ただし、負荷3が短絡した瞬間は、スイッチ4を遮断する時間的余裕はなく、ダイオード5に大電流が流れ、ダイオード5が破壊される。よって、バイポーラトランジスタ6のベース、エミッタ間に大電流が流れ、この接合部が破壊され、バイポーラトランジスタ6のベース、エミッタ間にアーク放電が発生し、負荷が短絡した場合の電流遮断保護はできない。
【0005】
当社発明は、直流電源出力端、直流電源出力給電電流路、負荷、等が短絡し又は急激な過電流が発生した場合でもアーク放電自体を発生させないで極めて短時間に溶断遮断器を溶断遮断し電源出力端電流(負荷電流)を遮断するものであり、特許文献1には存在しない特有の動作有する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の目的を実現するべく本発明は以下の構成とする。
(1)請求項1に係る溶断遮断回路は、
一次巻線に密結合した二次巻線、該一次巻線に疎結合した三次巻線を有するトランスを備え、
前記三次巻線の一端には、外部の直流電源の一方の電位極性の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の一端には、前記三次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記二次巻線の一端には、前記一次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の他端は、溶断遮断器の一端を介して該溶断遮断器他端から前記一方の電位極性の直流電源を出力すべく構成され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間には、前記一方の電位極性と逆方向に第3整流素子が挿入されていることを特徴とする。
(2)請求項2に係る溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路は、
一次巻線に密結合した二次巻線、該一次巻線に疎結合した三次巻線を有するトランスを備え、
前記三次巻線の一端には、外部の直流電源の一方の電位極性の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の一端には、前記三次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記二次巻線の一端には、前記一次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の他端は、溶断遮断器の一端を介して該溶断遮断器他端から前記一方の電位極性の直流電源を出力すべく構成され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間には、前記一方の電位極性と逆方向に第3整流素子が挿入され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間に、第2整流素子と第2抵抗素子の並列接続回路に第2容量素子が直列接続された第2回路が挿入され、該第2整流素子は、前記一方の電位極性に対し順方向であることを特徴とする。
(3)請求項3に係る溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路は、請求項2の溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路において、
前記一方の電位極性の電位と他方の電位極性の電位との間に、第1整流素子と第1抵抗素子の並列接続回路に第1容量素子が直列接続された第1回路が挿入され、該第1整流素子は、前記一方の電位極性に対し逆方向であり、該第1回路は前記一次巻線の一端と前記他方の電位極性の電位との間に挿入されていることを特徴とする。
(4)請求項4に係る溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路は、請求項3の溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路において、
前記一次巻線の一端と前記三次巻線の他端との間に開閉器を挿入したことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
(A)本発明による溶断遮断回路は、直流電源出力端、直流電源出力給電電流路、負荷、等が短絡し又はこれらに急激な過電流が発生した場合、短絡電流よりも大きな電流を溶断遮断器に流し、極めて短時間に溶断遮断器を溶断遮断する。
(B)本発明による溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路は、溶断遮断器が溶断遮断された場合、該溶断遮断器の両端にアーク放電を発生させない。
(C)本発明による溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路は、一次巻線の一端と三次巻線の他端間が断線した場合、該断線両端にアーク放電が発生しない。
(D)本発明による溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路は、一次巻線の一端と三次巻線の他端間に開閉器を挿入することで、アーク放電を発生させないで該開閉器で回路を遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】は、本発明による溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路の実施の形態を示す回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
(1)実施の形態
(1−1)回路構成
図1は、本発明による実施の形態である溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路を示す回路構成図である。
【0010】
以下、図1を参照して本発明の回路構成を説明する。
直流電源の正極電位を入力する端子T1、直流電源の負極電位を入力する端子T2が存在し、直流電源の正極電位を出力する端子T3、直流電源の負極電位を出力する端子T4が存在している。
端子T1にトランスの三次巻線であるコイルL3の一端と第3抵抗素子である抵抗素子R3の一端が接続されている。
抵抗素子R3の他端には、第3容量素子であるコンデンサC3の一端が接続され、コンデンサC3の他端は、端子T2に接続されている。
【0011】
コイルL3の他端には、第5整流素子であるダイオードD5のカソードが接続され、ダイオードD5のアノードは、コンデンサC3の一端と第4整流素子であるダイオードD4のカソードが接続されている。
さらに、コイルL3の他端には開閉器であるスイッチSWの接点Aが接続され、スイッチSWの基点である接点Cには、トランスの一次巻線であるコイルL1の一端が接続されている。スイッチSWの接点Bには、第4抵抗素子である抵抗素子R4の一端が接続され、抵抗素子R4の他端は、端子T2に接続されている。
【0012】
コイルL1の一端には、第1整流素子であるダイオードD1のカソードと第1抵抗素子である抵抗素子R1の一端が接続され、ダイオードD1のアノードには、抵抗素子R1の他端と第1容量素子であるコンデンサC1の一端が接続され、コンデンサC1の他端は端子T2に接続されている。
【0013】
コイルL1の他端とトランスの二次巻線であるコイルL2の一端の接続部にダイオードD4のアノードと溶断遮断器であるヒューズFの一端が接続され、ヒューズFの他端は端子T3に接続されている。
【0014】
コイルL2の他端には、第3整流素子であるダイオードD3のカソードと第2整流素子であるダイオードD2のアノード及び第2抵抗素子である抵抗素子R2の一端が接続されている。
ダイオードD3のアノードは、端子T3に接続され、ダイオードD2のカソードには、抵抗素子R2の他端と第2容量素子であるコンデンサC2の一端が接続され、コンデンサC2の他端は、端子T3に接続されている。
【0015】
コイルL1とコイルL2は、一本のコイルで中間的タップがあると考えても良く、直列回路を構成し、コイルL1とコイルL2は磁気回路M1により磁気結合されコイルL1とコイルL2は密結合である。コイルL1の一端とコイルL2の一端の電位極性は同一であるようにコイルは巻回されている。
コイルL1及びコイルL2に対し、コイルL3は磁気回路M2により磁気結合され疎結合である。コイルL3の一端とコイルL1の一端の電位極性は同一であるようにコイルは巻回されている。
【0016】
スイッチSWは、接点Cを基点として、接点A又は接点Bに切り替え可能である。端子T2と端子T4は接続されている。
【0017】
(1)実施の形態
(1−2)回路動作
図1を参照して本発明の実施の形態である溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路の回路動作を説明する。
【0018】
(1−2−1)正常時の動作
端子T3、端子T4に負荷が接続され、負荷が正常に動作しているとき、すなわち、端子T3と端子T4間が短絡状態又は準短絡状態でない場合、以下の電流路で、端子T1、端子T2間に接続された外部の直流電源が負荷に供給される。
【0019】
電流の順序は、端子T1、コイルL3、スイッチSW(接点A〜基点C)、コイルL1(一端〜他端)、ヒューズF、端子T3、負荷、端子T4、端子T2、となる。
定常状態で直流電流が負荷に供給されている状態では、コイルL2には電圧が発生しない。すなわち、コイルL2の一端、ヒューズF、ダイオードD3のアノード、ダイオードD3のカソード、コイルL2の他端、という電流路に電流は流れない。
【0020】
また、コンデンサC2は、ダイオードD2を介して間接的にコイルL2の両端に接続されているが、コイルL2の両端に電圧が発生しないため、コンデンサC2には充電はされない。
コンデンサC1は、抵抗素子R1を介して充電され、コンデンサC3は、抵抗素子R3を介して充電される。いずれもコンデンサC1、C3の一端が正極に充電される。
【0021】
ダイオードD2は、一方の電位極性に順方向であるが、コイルL2に電圧が発生しないので電流が流れなく、ダイオードD1、ダイオードD3、ダイオードD5は一方の電位極性に逆方向であるので、正常時(定常状態)では、ダイオードD1〜ダイオードD5には電流が流れない。
【0022】
(1−2−2)異常時の動作
端子T3、端子T4間に急激な過電流が流れた場合。すなわち、端子T3、端子T4間が短絡又は準短絡した場合、負荷に異常な過電流が流れた場合などについて説明する。
【0023】
端子T3と端子T4が短絡又は準短絡した場合、端子T3と端子T4から負荷への給電路が短絡又は準短絡した場合、負荷内部で短絡した場合、等、端子T3の電位が端子T4の電位と略同一となるとコイルL1に急激な過電流、短絡電流が流れる。
このとき、コイルL1の磁気回路に急激な磁束(磁束密度)の増大が発生しようとし、この磁束(磁束密度)の増大を相殺すべく、コイルL2の磁気回路に、コイルL1の磁気回路に発生した磁束に抗する磁束を発生させるための電流をコイルL2に流すべく、コイルL2の一端を正極、他端を負極とする高電圧が急激に発生する。
【0024】
このコイルL2に発生する電圧により、コイルL2の一端から、ヒューズF、ダイオードD3のアノード、ダイオードD3のカソード、コイルL2の他端、という電流路で、コイルL2に大電流が流れる。
このとき同時に、コイルL1の他端からの電流もヒューズFを通り、端子T3、端子4へ流れる。
【0025】
コイルL1とコイルL2の巻数比をN:1とすると、コイルL2から流れる電流は、コイルL1から流れる電流のN倍となり、ヒューズFの電流は、コイルL1から端子T3に流れる本来の過電流又は短絡電流の(N+1)倍となる。ただし、N>1が好適であるが、これに限定されない。
【0026】
たとえば、N=3とすると、ヒューズFに流れる電流は、本来ヒューズFに流れるべく過電流又は短絡電流の4倍となり、ヒューズFは極めて短時間に溶断遮断される。
【0027】
ヒューズFが溶断遮断される前に、もう一つの事象が発生する。
コイルL3は、コイルL1及びコイルL2と磁気回路M2で疎結合されているため、コイルL3の一端が正極、コイルL3の他端が負極となる電圧がコイルL3に発生する。このような電圧が発生するコイルの巻き方を行なっている。
【0028】
端子T3と端子T4は短絡又は準短絡されているため、端子T3は略0電位、コイルL1の一端も極めて低電位となる。仮に、コイルL3が存在しない場合、すなわち、スルー(コイルL3の両端が短絡状態)であれば、端子T1の電位も極めて低電位となる。
【0029】
この場合、端子T1と端子T2に接続されている外部の直流電源の電位は極めて低電位となり、この電源から共通して配電されている他の負荷設備に電源が供給されなくなり、大きな問題となる。
【0030】
本発明の実施の形態である図1では、コイルL3が、端子T1とコイルL1の一端間に挿入されているため、このコイルL3に発生する電圧により端子T1の電位は、他の負荷設備が動作できなくなる程に電位が低下しない。この場合、スイッチSWの基点Cは、接点Aに接続されている状態である。
【0031】
コイルL3が、コイルL1及びコイルL2と疎結合(リーケージインダクタンス)されている理由は、第1には、端子T3と端子T4が短絡されたような場合、コイルL1に急激な電流が流れることによって、コイルL3に急激な高電圧を発生させないためである。
コイルL3が、コイルL1及びコイルL2と密結合していると、コイルの巻き数比にもよるが、コイルL3に急激な高電圧が発生する場合があり、外部の直流電源や他の負荷設備に損傷を与える危惧がある。
【0032】
コイルL3に急激な高電圧が発生すると、端子T1、端子T2を介して、他の負荷設備や外部の直流電源に悪影響を及ぼす。
【0033】
第2には、コイルL3が、コイルL1及びコイルL2と密結合していると、コイルの巻き数比にもよるが、逆にコイルL3に必要な電圧が発生せず、端子T1と端子T2間に必要な電圧を供給できない場合があり、他の負荷設備の動作に支障をきたす。
【0034】
すなわち、密結合であると、コイルL3にリアクタンスが発生しない単なる抵抗線となり、必要な電圧を発生しないことがある。したがって、コイルL3が、コイルL1及びコイルL2と疎結合(リーケージインダクタンス)して動作させる。
【0035】
また、コンデンサC3及びコンデンサC1に充電された電位も、コイルL3の他端に印加されるため、コイルL3を介して、端子T1の電位保持に寄与する。コンデンサC3の電位はダイオードD5を介して、コンデンサC1の電位はダイオードD1を介して、コイルL3の他端に印加され、この電位がコイルL3の一端に出力され端子1に印加される。
【0036】
このようにして、端子T1に対する端子T2電位低下を抑制し、他の負荷設備の動作を保証し、かつ、外部の直流電源を保護する。これらは、ヒューズFが溶断遮断される短時間内の事象である。
【0037】
(1−2−3)ヒューズ溶断後の動作
ヒューズFが溶断遮断されるとコイルL1及びコイルL2の電流が遮断されるため、この瞬間、コイルL1及びコイルL2に自己誘導による逆起電力が発生する。この電位極性は、コイルL1の一端が負極、コイルL1の他端が正極、コイルL2の一端が負極、コイルL2の他端が正極となる。
【0038】
コイルL1の逆起電力を吸収する回路は、コイルL1の他端からダイオードD4、ダイオードD5、スイッチSW、コイルL1の一端の経路となる。
また、コイルL1の他端からダイオードD4、コンデンサC3、端子T2、外部の直流電源、端子T1、コイルL3、スイッチSW、コイルL1の一端を経路とする回路もコイルL1の逆起電力を吸収する。
【0039】
ヒューズFが溶断遮断された瞬間、最も重要な働きをする回路は、ダイオードD2、抵抗素子R2、コンデンサC2で構成される。ヒューズFが溶断遮断されると、外部の直流電源の電位により通常はヒューズFの両端にアーク放電が発生するがこの回路によりヒューズのアーク放電が抑止される。
【0040】
ヒューズFが溶断遮断されると、端子T1から、コイルL3、スイッチSW、コイルL1、コイルL2の他端を経由し、ダイオードD2からコンデンサC2の一端に充電電流が流れる。すなわち、ヒューズFが溶断遮断されても端子T3と端子T4は短絡又は準短絡されたままであるから、コンデンサC2の他端から端子T3と端子T4を経由して端子T2、外部の直流電源へと充電電流が流れる。
【0041】
コンデンサC2には充電されていない状態から充電電流が流れ始めるので、コンデンサC2の一端の電位はダイオードD2のカソード及びアノードと略同電位であり、ダイオードD2のアノード電位は、コイルL2の他端と同電位であり、この電位はコイルL2の一端の電位と近似される。
したがって、ヒューズFの一端の電位は、コンデンサC2の一端の電位とほぼ同等である。ヒューズFの他端の電位はコンデンサC2の他端の電位と同一である。
コンデンサC2は、充電されていなかったから、コンデンサC2の充電開始直後の一端は、ほぼ0電位である。
これは、ヒューズFの一端の電位も、ほぼ0電位でありことを意味する。
【0042】
このような関係から、ヒューズFの両端にはアーク放電が発生する電位差は発生しない。通常は、直流電流において、ヒューズが溶断されるとアーク放電が発生する。アーク放電を抑止するためにはヒューズは大型のものになる。図1の回路では、ヒューズFは交流用の小型のもので足りる。
【0043】
コンデンサC2が充電されると、ヒューズFの一端の電位も、直流電源電圧と略同一になるが、アーク放電は発生しない。
【0044】
(1−2−4)短絡復旧後の動作
端子T3と端子T4間の短絡を解除して、ヒューズFを挿入したとき、抵抗素子R2はコンデンサC2に充電された電荷を放電する電流路を構成する。すなわち、コンデンサC2の一端から抵抗素子R2、コイルL2、ヒューズF、コンデンサC2の他端へと電流を流す。これにより、コンデンサC2は無充電状態となる。
コイルL2の両端には電圧が発生していないので、このようにコンデンサC2の電荷を放電できる。
【0045】
(1−2−5)スイッチSWにより電流を遮断するときの動作
負荷(端子T3、端子T4間)に電流を流しているとき、この電流を遮断する必要がある場合、スイッチSWにより電流を遮断する。このとき、ダイオードD1、コンデンサC1により負荷側にコンデンサC1の電荷を放電させる。
【0046】
定常状態のとき、コンデンサC1には抵抗素子R1により充電させている。スイッチSWの基点Cを接点B側に接続したとき、コンデンサC1の一端の電位をダイオードD1を介して、スイッチSWの接点Aと基点Cとの電位差を略同一とし、アーク放電を抑止する。
【0047】
また、スイッチSWを接点B側に接続したとき、コンデンサC1、コンデンサC2に蓄積された電荷を安全にゆっくりと放電することができる。
【0048】
以上の説明のとおり、端子3と端子4間に過電流が流れたり、端子3と端子4間の電流路に短絡又は準短絡が発生しても、直ちにヒューズFを溶断し、かつ、端子1と端子2間の電位を低下させない回路を本発明は実現した。
【符号の説明】
【0049】
L1〜L3 トランスの一次巻線〜三次巻線
M1、M2 磁気回路
D1〜D5 整流素子
C1〜C3 容量素子
R1〜R4 抵抗素子
SW 開閉器
A〜C 開閉器の接点
T1〜T4 端子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一次巻線に密結合した二次巻線、該一次巻線に疎結合した三次巻線を有するトランスを備え、
前記三次巻線の一端には、外部の直流電源の一方の電位極性の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の一端には、前記三次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記二次巻線の一端には、前記一次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の他端は、溶断遮断器の一端を介して該溶断遮断器他端から前記一方の電位極性の直流電源を出力すべく構成され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間には、前記一方の電位極性と逆方向に第3整流素子が挿入されていることを特徴とする溶断遮断回路。
【請求項2】
一次巻線に密結合した二次巻線、該一次巻線に疎結合した三次巻線を有するトランスを備え、
前記三次巻線の一端には、外部の直流電源の一方の電位極性の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の一端には、前記三次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記二次巻線の一端には、前記一次巻線の他端の電位が印加されるべく構成され、
前記一次巻線の他端は、溶断遮断器の一端を介して該溶断遮断器他端から前記一方の電位極性の直流電源を出力すべく構成され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間には、前記一方の電位極性と逆方向に第3整流素子が挿入され、
前記二次巻線の他端と前記溶断遮断器の他端間に、第2整流素子と第2抵抗素子の並列接続回路に第2容量素子が直列接続された第2回路が挿入され、該第2整流素子は、前記一方の電位極性に対し順方向であることを特徴とする溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路。
【請求項3】
前記一方の電位極性の電位と他方の電位極性の電位との間に、第1整流素子と第1抵抗素子の並列接続回路に第1容量素子が直列接続された第1回路が挿入され、該第1整流素子は、前記一方の電位極性に対し逆方向であり、該第1回路は前記一次巻線の一端と前記他方の電位極性の電位との間に挿入されていることを特徴とする請求項2に記載の溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路。
【請求項4】
前記一次巻線の一端と前記三次巻線の他端との間に開閉器を挿入したことを特徴とする請求項3に記載の溶断遮断回路アーク放電抑止回路。

【図1】
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【公開番号】特開2011−243288(P2011−243288A)
【公開日】平成23年12月1日(2011.12.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−111577(P2010−111577)
【出願日】平成22年5月14日(2010.5.14)
【出願人】(501470544)エヌ・ティ・ティ・データ先端技術株式会社 (29)
【Fターム(参考)】