JP2006060275A - 電子遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子からなる開閉回路を備えた電子遮断装置において、地絡事故や短絡事故が発生したとき、短時間で給電路を遮断すること。
【解決手段】 主開閉回路２２のＩＧＢＴ１，２は、逆方向に直列に接続し、両ＩＧＢＴのゲートは、共通に接続してある。またＩＧＢＴ１，２には、夫々ダイオードＤ１，Ｄ２を逆極性になるように接続してある。ＩＧＢＴ１，２は、主制御回路２４からゲートＧへゲート電圧が送られている間導通し、ゲート電圧が停止すると非導通になる。変流器ＣＴ１は、地絡電流を検出し、変流器ＣＴ２は、短絡電流を検出する。主制御回路２４は、変流器ＣＴ１，２の検出電流を設定値と比較して、設定値を超えると、ＩＧＢＴ１，２のゲートＧへ送出しているゲート電圧を停止する。そのとき主開閉回路２２は、給電路を遮断する。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、半導体素子からなる開閉回路を備えた電子遮断装置に関する。

従来電力線の短絡事故等の際、電力線の過電流を検出して給電路を遮断するため、サイリスターからなる開閉回路を備えた電子遮断装置が提案されている。
図６により、従来のサイリスターからなる開閉回路を備えた電子遮断装置を説明する（特許文献１、特許文献２参照）。
図６（ａ）は、電子遮断装置の構成を示し、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、電力線１１に印加する交流電圧と電力線１１を流れる交流電流の波形を示す。
まず図６（ａ）について説明する。
電力線１１には、開閉回路１３を接続し、電力線１１の電流を検出する変流器ＣＴを装着してある。開閉回路１３は、２個のサイリスターを逆向きに並列に接続してある、
開閉回路１３は、通常、サイリスターが導通して閉路状態にあり、そのとき電力線１１には電流が流れている。制御装置１２は、変流器ＣＴが検出した電力線１１の電流を設定値と比較し、設定値より大きいときは、開閉回路１３のサイリスターを非導通にし、開閉回路１３を開路状態にする。そのとき給電路は、遮断される。

次に図６（ｂ）、図６（ｃ）によりサイリスターの動作を説明する。
図６（ｂ）において、時刻Ｔ１に、制御回路１２から、開閉回路１３のサイリスターへトリガーを送ると、サイリスターは導通して給電路を形成するため、電圧Ｖ１が負荷（図示せず）に印加され、電力線１１に電流Ｉ１が流れる。サイリスターは、一旦導通すると、電圧Ｖ１が０（Ｖ）になる時刻Ｔｈまで導通状態を維持する。次の半サイクルについても同様に動作する。そのため例えば、図６（ｃ）のように、時刻Ｔ２に、短絡事故等が発生して電流Ｉ１が急上昇した場合、その状態は、時刻Ｔｈまで継続する。その結果、事故時の電流が大きいときは、時刻Ｔｈまでの間に、ヒューズが溶断したり、電力線１１に接続されている機器が故障したり、或いは電力線１１に触れた人が怪我をしたりすることがある。

特開平５−１４４３５０号公報 特開平１０−３３６８７４号公報

本願発明は、従来の電子遮断装置の前記問題点を解決することを目的とし、短絡事故等が発生して電力線の電流が設定値を超えると、短時間で給電路を遮断できる開閉回路を備えた電子遮断装置を提供することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の電子遮断装置は、給電路を開閉する主開閉回路、給電路の電流を検出する電流センサ、及び電流センサの検出電流を設定値と比較して前記主開閉回路の開閉を制御する主制御回路を備え、
前記主開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記主制御回路に接続してあることを特徴とする。
請求項２に記載の電子遮断装置は、給電路を開閉する主開閉回路、給電路の電流を検出する電流センサ、電流センサの検出電流を設定値と比較して前記主開閉回路の開閉を制御する主制御回路、前記主開閉回路と同じ構成の回路からなる補助開閉回路、及び負荷の両端の電圧を設定値と比較して前記補助開閉回路の開閉を制御する補助制御回路を備え、
前記主開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記主制御回路に接続してあり、
前記補助開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記補助制御回路に接続してあり、
前記補助開閉回路と抵抗を直列に接続した回路を負荷と並列に接続してあることを特徴とする。
請求項３に記載の電子遮断装置は、給電路を開閉する主開閉回路、給電路の電流を検出する電流センサ、及び電流センサの検出電流を設定値と比較して前記主開閉回路の開閉を制御する主制御回路を、ケースに収容し、ケースには電源との接続手段及び負荷との接続手段を設けてあり、
前記主開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記主制御回路に接続してあることを特徴とする。

本願発明の電子遮断装置の給電路を開閉する主開閉回路は、ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を用い、２個のＦＥＴ等を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ等に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続してあるから、交流電流を通すことができ、かつ電力線の地絡事故や短絡事故が発生すると、２個のＦＥＴ等のゲートに印加しているゲート電圧を停止することにより、直ちに給電路を遮断することができる。したがって地絡事故や短絡事故によって発生する大電流を短時間で遮断できる。
本願発明の電子遮断装置は、補助開閉回路と抵抗を直列に接続した回路を、負荷と並列に接続してあるから、誘導性負荷の給電路を遮断したとき、主開閉回路の破壊を防ぐことができる。また補助開閉回路は、主開閉回路と同じ構成の回路を利用できるから、回路設計や回路形成が容易になる。
本願発明の電子遮断装置は、電子遮断装置を構成する主開閉回路、電流センサ等を１個のケースに収容し、電源や負荷との接続手段を設けてあるから、工場、電気工事現場、学校、家庭等において手軽に安全に使用できる。

本願発明の実施の形態に係る電子遮断装置は、２個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、又は２個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）及び２個のダイオードからなる開閉回路を備え、２個のＦＥＴ又は２個のＩＧＢＴは、逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＩＧＢＴには、ダイオードを逆極性となるように並列に接続してある。
図１〜図５により本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。

図１は、実施例１の電子遮断装置の構成を示す。
図１は、単相式電力線の例で、２１は交流電源、２２は主開閉回路、２３は負荷、２４は主制御回路、ＣＴ１，ＣＴ２は変流器（電流センサ）である。主制御回路２４は、ＣＰＵによって構成し、後述する各種設定値の設定手段を設けることもできる。
主開閉回路２２は、ＩＧＢＴ１，２、ダイオードＤ１，Ｄ２によって構成し、両ＩＧＢＴは、逆向きに直列に接続し（エミッタとエミッタを接続する）、両ＩＧＢＴのゲートは、共通に接続して主制御回路２４に接続してある。またＩＧＢＴ１，２には、夫々ダイオードＤ１，Ｄ２を逆極性となるように並列に接続してある（ＩＧＢＴ１とダイオードＤ１は導通方向が逆になり、ＩＧＢＴ２とダイオードＤ２も導通方向が逆になる）。ＩＧＢＴ１，２は、ゲート電圧が、主制御回路２４からゲートＧへ送られている間導通し、ゲート電圧が停止すると非導通になる。ＩＧＢＴ１，２が導通すると、主開閉回路２２は閉路状態になり、交流電源２１から負荷２３へ電力を供給する給電路が形成され、ＩＧＢＴ１，２が非導通になると、主開閉回路２２は開路状態になり、給電路は遮断される。

変流器ＣＴ１は、地絡電流（零相電流）検出用の電流センサであり、変流器ＣＴ２は、短絡電流検出用の電流センサである。２本の電力線のいずれか一方が地絡したり、電力線に人や樹木が触れたりすると、両電力線の電流はバランスが崩れて零相電流が変化するが、その零相電流の変化は、変流器ＣＴ１によって検出される。一方２本の電力線が、短絡すると、給電路の電流が急増するが、給電路の電流の変化は、変流器ＣＴ２によって検出される。
主開閉回路２２のＩＧＢＴ１，２は、通常、主制御回路２４からゲートＧへ送られているゲート電圧により導通しているが、地絡事故等が発生すると、ゲート電圧が停止して非導通になる。
主制御回路２４は、変流器ＣＴ１，２の検出電流を、設定値と比較して、検出電流が設定値内のときは、ＩＧＢＴ１，２へゲート電圧を送り続けるが、検出電流が設定値を超えると、ゲート電圧を停止する。

実施例１の主開閉回路２２は、ＩＧＢＴを用いているが、ＩＧＢＴに限らず、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のＦＥＴの複合素子を用いてもよい。
また主開閉回路２２の電流容量を大きくする必要がある場合には、主開閉回路２２の回路を複数個並列に接続すればよい。

ここで図２により主開閉回路２２及びＩＧＢＴの動作を説明する。
図２（ａ）は、図１（ａ）の主開閉回路２２と同じ回路である。
まず図２（ａ）において、ゲートＧにゲート電圧が印加されると、ＩＧＢＴ１，２は導通する。この状態で、例えば電力線のＷ１側が正、Ｗ２側が負になると、電流は、Ｗ１―ＩＧＢＴ１―ダイオードＤ２―Ｗ２を通って流れ、Ｗ１側が負、Ｗ２側が正になると、電流は、Ｗ２―ＩＧＢＴ２―ダイオードＤ１―Ｗ１を通って流れる。即ち電力線の電流は、一方のダイオードと他方のＩＧＢＴ、及び一方のＩＧＢＴと他方のダイオードを介してＷ１からＷ２へ、及びＷ２からＷ１へ流れる。したがって主開閉回路２２は、交流電流を流すことができる。

次に図２（ｂ）、図２（ｃ）によりＩＧＢＴの動作を説明する。
図２（ｂ）において、ＩＧＢＴは、交流電圧Ｖ２が印加されているとき、時刻Ｔ１にゲート電圧が印加されると、導通して電流Ｉ２が実線のように流れ、時刻Ｔｎにゲート電圧を停止すると、非導通になって電流Ｉ２は遮断される。次の半サイクルについても同様に動作する。したがってＩＧＢＴは、ゲート電圧が印加されている時刻Ｔ１―時刻Ｔｎの間、電流Ｉ２が流れる。即ちＩＧＢＴは、サイリスターのように電圧Ｖ２が０（Ｖ）になる時刻Ｔｈまで流れ続けることはなく、ゲート電圧が停止したとき電流Ｉ２も停止する（遮断する）。
したがって図２（ｃ）のように、時刻Ｔ２に、電力線に地絡事故或いは短絡事故が発生すると、電流Ｉ２は急増するが、時刻Ｔ３にゲート電圧を停止すると、電流Ｉ２は遮断され、急増した電流は、時刻Ｔ２−時刻Ｔ３の間の短時間流れるだけである。そのため短絡事故等が発生したとき、図２（ａ）のＩＧＢＴからなる主開閉回路２２は、従来のサイリスターからなる開閉回路よりも短時間で給電路の電流を遮断できる。

図３は、実施例２の電子遮断装置を示す。
図３は、３相式電力線の例で、１個の地絡電流検出用の変流器ＣＴ１、２個の短絡電流検出用の変流器ＣＴ２１，ＣＴ２２、及び２個の主開閉回路２２１，２２２を設けてある。
図３の場合、主制御回路２４は、地絡や短絡の個所に対応して、主開閉回路２２１，２２２を個別に、又は双方を同時に制御する。

図４は、実施例３の電子遮断装置を示す。電子遮断装置は、主開閉回路の保護用の補助開閉回路を備えている。
図４において、２５は、補助開閉回路２６の補助制御回路である。
負荷２３がモータ等の誘導性負荷の場合、負荷２３の運転中に、主開閉回路２２を開路状態にして給電路を遮断すると、インダクタンスに蓄積したエネルギーにより主開閉回路２２に高電圧が印加して、ＩＧＢＴやダイオードが破壊されることがある。
そこで図４は、主開閉回路２２を保護するため、補助開閉回路２６と抵抗Ｒ１を接続してある。補助開閉回路２６は、主開閉開路２２と同じ構成の回路を用いる。

補助開閉回路２６は、負荷２３の運転中、開路状態にある。負荷２３の運転中に、主開閉回路２２が給電路を遮断すると、補助制御回路２５は、負荷２３の両端の電圧を設定値と比較して、設定値を超えると、補助開閉回路２６へゲート電圧を送る。補助開閉回路２６のＩＧＢＴは、そのゲート電圧によって導通し、補助開閉回路２６は、閉路状態になる。補助開閉回路２６が閉路状態になると、補助開閉回路２６と抵抗Ｒ１は、負荷２３と並列に接続され、負荷２３に蓄積したエネルギーは、抵抗Ｒ１によって消費される。したがって主開閉回路２２の破壊を防ぐことができる。また補助開閉回路２６は、主開閉回路２２と同じ構成の回路を利用できるから、回路設計や回路形成が容易になる。

図５は、実施例４の電子遮断装置を示す。
電子遮断装置を構成する変流器ＣＴ１，２、主開閉回路２２、主制御回路２４は、ケース３１に収容し、ケース３１には、電源２１に接続する手段、例えばコンセント３２２に接続するプラグ３２１、負荷を接続する手段、例えばプラグ３２３を接続するコンセント３２４を設けてある。
実施例４の電子遮断装置は、主制御回路２４が変流器ＣＴ１、２の検出電流と比較する設定値を変える手段や、変流器ＣＴ１，２のいずれか一方の検出電流を選択して比較する手段を設けてもよい。また変流器ＣＴ１，２の検出電流を個別に比較して、発生した事故が地絡か、短絡かを判別して表示する手段を設けてもよい。また擬似的に地絡や短絡を発生する手段を設けてもよい。
実施例４の電子遮断装置は、プラグ３２１を１００Ｖ,２００Ｖ等の電源２１のコンセント３２２に接続し、負荷２３、例えば電気機器、電子機器等の試作品のプラグ３２３をコンセント３２４に接続して使用する。仮に試作品に誤配線がある場合にも、試作品を電源に安全に接続できる。
実施例４の電子遮断装置は、電源や負荷との接続手段を設けてあるから、工場、電気工事現場、学校、家庭等において手軽に安全に使用できる。
実施例４の電子遮断装置には、補助開閉回路、補助制御回路等を組み込むこともできる。

本願発明の実施例１の電子遮断装置を示す。 図１の主開閉回路の動作を説明する図である。 本願発明の実施例２の電子遮断装置を示す。 本願発明の実施例３の電子遮断装置を示す。 本願発明の実施例４の電子遮断装置を示す。 従来の電子遮断装置を示す。

符号の説明

２１ 交流電源
２２，２２１，２２２ 主開閉回路
２３ 負荷
２４ 主制御回路
２５ 補助制御回路
２６ 補助開閉回路
３１ ケース
３２１，３２３ プラグ
３２２，３２４ コンセント
ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ２１，ＧＴ２２ 変流器

Claims (3)

1. 給電路を開閉する主開閉回路、給電路の電流を検出する電流センサ、及び電流センサの検出電流を設定値と比較して前記主開閉回路の開閉を制御する主制御回路を備え、
   前記主開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記主制御回路に接続してあることを特徴とする電子遮断装置。
2. 給電路を開閉する主開閉回路、給電路の電流を検出する電流センサ、電流センサの検出電流を設定値と比較して前記主開閉回路の開閉を制御する主制御回路、前記主開閉回路と同じ構成の回路からなる補助開閉回路、及び負荷の両端の電圧を設定値と比較して前記補助開閉回路の開閉を制御する補助制御回路を備え、
   前記主開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記主制御回路に接続してあり、
   前記補助開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記補助制御回路に接続してあり、
   前記補助開閉回路と抵抗を直列に接続した回路を負荷と並列に接続してあることを特徴とする電子遮断装置。
3. 給電路を開閉する主開閉回路、給電路の電流を検出する電流センサ、及び電流センサの検出電流を設定値と比較して前記主開閉回路の開閉を制御する主制御回路を、ケースに収容し、ケースには電源との接続手段及び負荷との接続手段を設けてあり、
   前記主開閉回路は、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子を逆向きに直列に接続し、各ＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子に、夫々ダイオードを逆極性となるように並列に接続し、２個のＦＥＴ又はＦＥＴの複合素子のゲートは前記主制御回路に接続してあることを特徴とする電子遮断装置。

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