JP2008206337A - 電源供給回路 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡電流の確実に検知すること。
【解決手段】三相電力を供給する３本のリード線（21）と、各リード線（21）の相電流を遮断する電流遮断器（22）と、各リード線（21）の相電流を検出する過電流センサ（23）とを備えている。そして、過電流センサ（23）が検出した二相の相電流の位相差が１８０度（略１８０度）に変化すると、その二相間で短絡が生じたと判定する判定部（28）を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源供給回路に関し、短絡電流の検知性能の向上に係るものである。

従来より、電動要素に電力供給する電源供給回路が知られており、例えば特許文献１に開示されている。この電源供給回路は、冷凍装置等に設けられる圧縮機のモータに電力供給するものである。圧縮機は、密閉容器内にモータと圧縮要素とが収納され、電力供給されたモータによって圧縮要素が駆動される。この特許文献１の電源供給回路は、リード線が圧縮機の電源供給端子（ターミナル）を介してモータに接続されている。

上記圧縮機のターミナルは、特許文献２に開示されるように、一般的に、圧縮機のケーシングに取り付けられて、端子箱で覆われている。ターミナルは、一端側の端子ピンがモータ側のリード線に接続され、他端側の端子ピンがコネクタを介して電源側のリード線に接続されている。

ところで、上記特許文献１において、例えばモータやそのリード線において何らかの原因で短絡が生じると、電源供給回路では短絡電流が流れて、ターミナルなどが損傷するおそれがある。そのため、上記特許文献１の電源供給回路では、モータ側のリード線にヒューズを設け、短絡電流が流れるとそのヒューズが溶断して電流を遮断するようにしている。これにより、短絡電流によるターミナルなどの損傷防止を図っている。
特開２００１−２００７９０号公報 特許３７７５３３１号公報

しかしながら、上述した特許文献１の電源供給回路では、ヒューズの選定が非常に困難であるため、短絡電流が流れてもヒューズが溶断しない場合があるという問題があった。その結果、短絡電流によるターミナルの損傷を確実には回避できなかった。

一般に、ヒューズは、短絡電流などの過大な電流が流れた際に低融点の金属でできた可溶体が溶断することによって電流を遮断するようになっている。つまり、電流が流れることでジュール熱が発生し、可溶体の温度が上昇して融点に達すると、可溶体が溶断する。ところが、可溶体の熱容量が存在するため、過大な電流が流れても、比較的短時間であれば可溶体の温度は融点まで上昇せず溶断しない場合がある。また、電流が最小溶断電流よりも僅かに大きい場合には、可溶体の温度が融点に達して溶断するまで相当の時間を要する。さらに、短絡電流の大きさは電気配線の径や長さによって左右されるため、可溶体の最小溶断電流の決定が困難となり、高めの最小溶断電流を想定した場合には短絡が生じても溶断しない。

このように、短絡時の電流値を正確に決定し、且つ、その値以上の短絡電流が流れた際に確実に溶断するようにヒューズを選定することは極めて困難である。したがって、ヒューズを誤って選定する可能性が高く、所定の短絡時に電流を確実に遮断することができないおそれがあった。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三相電力を供給するための電源供給回路において、確実に短絡電流を検知して遮断することである。

第１の発明は、電源に接続され、三相電力を供給するリード線（21）と、上記リード線（21）の相電流を遮断する電流遮断器（22）と、上記リード線（21）の相電流を検出する電流センサ（23）と、上記電流センサ（23）の検出した相電流の位相差の変化に基づいて上記リード線（21）が短絡したか否かを判定する判定手段（28）とを備えている電源供給回路である。

上記の発明では、例えば圧縮機などの電力供給対象物にリード線（21）を通じて三相電力が供給される。つまり、３本（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のリード線（21）が電力供給対象物に接続されている。そして、電流センサ（23）により、各リード線（21）の相電流が検出される。この各相電流の位相差は、正常（通常）の場合、１２０度である。

ここで、例えば、電力供給対象物が焼損して３本のリード線（21）がその対象物と電気的に切断されると、その後２本のリード線（21）が繋がって短絡する一方、残りの１本は切断されたままになる。その場合、繋がった２本のリード線（21）には１８０度位相の短絡電流が流れ、残りの１本には電流が流れない。このように、短絡時には、各相電流（各相の短絡電流）の位相差が正常時の１２０度から増大する。つまり、短絡時には、短絡したリード線（21）同士の相電流の位相差が通常時から変化する。したがって、本発明では、各相電流の位相差が正常時から変化すると、判定手段（28）においてリード線（21）が短絡したと判定される。つまり、判定手段（28）において短絡電流が検知される。また、短絡すると、短絡電流の値が小さくても各相間の位相差が変化するので、確実に短絡の有無が判定される。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記判定手段（28）は、上記電流センサ（23）の検出した二相の相電流の位相差が１８０度になると、該二相の間で短絡したと判定するように構成されているものである。

上記の発明では、二相の相電流の位相差が通常時（１２０度）から１８０度に変化すると、判定手段（28）においてその二相間で短絡したと判定される。ここでいう１８０度は、１８０度付近も含まれ、略１８０度という意味である。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記判定手段（28）が短絡したと判定すると、上記電流遮断器（22）を遮断動作させる制御手段（29）を備えているものである。

上記の発明では、判定手段（28）が短絡したと判定すると、制御手段（29）によって電流遮断器（22）が遮断される。これにより、短絡電流が遮断されるので、短絡電流による電機部品等の溶損や焼損が防止される。

第４の発明は、上記第１または第２の発明において、三相交流モータを有する圧縮機のターミナルに上記リード線（21）が接続されて上記モータに電力供給するものである。

上記の発明では、３本のリード線（21）がターミナルに接続され、そのターミナルを通じて圧縮機内のモータに電力供給される。ここで、例えばモータが焼損してリード線（21）が短絡した場合でも、リード線（21）を流れる短絡電流が確実に検知される。

以上のように、本発明によれば、相電流の位相差が変化すると、具体的には二相の相電流の位相差が１８０度（略１８０度）になると、その二相間で短絡が生じたと判定するようにした。したがって、従来のようにヒューズを選定しなくてもよいため、容易に且つ確実に短絡電流を検知することができ、その検知に基づいて電流遮断器（22）を遮断させれば短絡電流を確実に遮断することができる。

特に、短絡電流の大きさに関係なく、短絡した二相間では位相差が変化するので、過大な短絡電流だけでなく比較的小さい短絡電流であっても確実に検知することができる。したがって、配線系統における電気抵抗（配線の径や長さ）を考慮する必要がなく、電源供給回路（20）の設計に必要な手間および労力を著しく削減することができる。

また、第４の発明によれば、短絡電流を確実に検知して遮断できることから、圧縮機のターミナル（17）の損傷を確実に回避することができる。つまり、短絡電流が検知されず圧縮機へ供給され続けると、発熱によってターミナルの特に絶縁部が溶損するが、それを確実に防止することができる。その結果、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る電源供給回路（20）は、空調機の室外機（10）内に配設されている。この電源供給回路（20）は、室外機（10）外のメインブレーカ（2）およびサブブレーカ（3）を介して電源（1）に接続されて、電力を室外機（10）内の圧縮機（11）へ供給するものである。

上記圧縮機（11）は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路に設けられ、冷媒を圧縮するものである。この圧縮機（11）は、全密閉型の高圧ドーム型に構成されている。この圧縮機（11）のケーシング（12）内には、三相交流のモータ（13）と、該モータ（13）に駆動軸で連結された圧縮機構、軸受などが収納されている。すなわち、圧縮機（11）は、モータ（13）に電力が供給されると、その回転動力が駆動軸によって圧縮機構に伝達される。これにより、圧縮機構において、低圧のガス冷媒が吸入されて圧縮される。なお、図１では、圧縮機（11）の圧縮機構、駆動軸、軸受を省略する。

図２にも示すように、上記圧縮機（11）のケーシング（12）の外側で且つ上下方向のほぼ中心付近には、端子箱（15）が取り付けられている。この端子箱（15）は、正面視が略長方形状の箱体であって、ケーシング（12）の外側に固定されたベース部材（15a）と該ベース部材（15a）を覆う上蓋（15b）とを備えている。そして、端子箱（15）内には、圧縮機（11）のケーシング（12）を貫通するように設けられた給電用のターミナル（17）と、該ターミナル（17）に接続されるコネクタ（16）とが配置されている。このコネクタ（16）には、後述する電源供給回路（20）の３本のリード線（21）がボルトによって接続されている。つまり、電源供給回路（20）の各リード線（21）は、コネクタ（16）を介してターミナル（17）に繋がっている。なお、端子箱（15）では、内面にリード線（21）が接触したり、各リード線（21）同士が干渉しないようになっている。

上記ターミナル（17）は、盆状に形成された基部（17a）と、該基部（17a）を貫通して設けられた３本の端子ピン（17b）とを備えている。基部（17a）は、ケーシング（12）に形成された孔に嵌め込まれて溶接固定されている。３本の端子ピン（17b）は、同一ピッチ円上に１２０°間隔で配置されている。また、各端子ピン（17b）は、ケーシング（12）外側の一端がコネクタ（16）に接続される一方、ケーシング（12）内側の他端がリード線（18）によってモータ（13）に接続されている。さらに、各端子ピン（17b）の周囲は、ガラス製の絶縁材により覆われた絶縁部（17c）になっている。

上記電源供給回路（20）は、サブブレーカ（3）から圧縮機（11）のコネクタ（16）に接続される３本のリード線（21）と、圧縮機（11）のケーシング（12）から延びるアース線（26）とを備えている。つまり、３本のリード線（21）は、それぞれＲ相、Ｓ相およびＴ相である。さらに、電源供給回路（20）は、電流遮断器（22）と、過電流センサ（23）と、ヒューズ（25）と、コントローラ（27）とを備えている。

上記電流遮断器（22）は、３本のリード線（21）の途中に接続され、開閉して電流の導通および遮断を行う、いわゆるマグネットスイッチである。

上記過電流センサ（23）は、電流遮断器（22）より下流側（コネクタ（16）側）のリード線（21）に設けられている。また、この過電流センサ（23）は、各リード線（21）毎に設けられ、各リード線（21）の電流（相電流）を検出する電流センサを構成している。

上記ヒューズ（25）は、過電流センサ（23）より下流側（コネクタ（16）側）の各リード線（21）毎に設けられている。このヒューズ（25）は、各リード線（21）に電流遮断器（22）が溶着する程度の過電流が流れると、溶断して電流を遮断するように構成されている。

上記コントローラ（27）は、判定部（28）および制御部（29）を備えている。

上記判定部（28）は、各過電流センサ（23）の検出した電流値（相電流値）が入力されるようになっている。そして、判定部（28）は、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のうち二相の相電流の位相差が１８０度または略１８０度になると、その二相間で短絡が生じたと判定するように構成されている。つまり、正常時の場合、三相の相電流は１２０度の位相差で流れるが、三相のうちの何れか二相間の位相差が１８０度または略１８０度に変わるとその二相間で短絡したと判定される。このように、判定部（28）は、相電流の位相差の変化に基づいてリード線（21）の短絡状態を判定（即ち、短絡電流を検知）している。

上記制御部（29）は、判定部（28）が短絡したと判定した場合、電流遮断器（22）を遮断するように構成されている。つまり、制御部（29）は、電流遮断器（22）を遮断動作させる制御手段を構成している。

次に、上記コントローラ（27）の制御動作について、図３を参照しながら説明する。

上記電源供給回路（20）のリード線（21）からターミナル（17）を介してモータ（13）へ電力供給されると、モータ（13）が駆動して圧縮機構が駆動される。この運転時には、各過電流センサ（23）から相電流値がコントローラ（27）の判定部（28）に連続的に入力される。圧縮機（11）が正常に運転されている場合は、図３に示すように、三相の相電流が１２０度の位相差で流れているのが分かる。

ここで、例えば、モータ（13）が何らかの原因で焼損すると、モータ（13）内またはモータ（13）に接続されているリード線（18）において短絡が生じる。ここでは、モータ（13）に接続されているリード線（18）のうちＲ相とＴ相とが短絡した場合について説明する。この場合、図３に示すように、Ｒ相電流とＴ相電流の位相差が１２０度から略１８０度に変化し、正常時よりも高い短絡電流が流れているのが分かる。また、Ｓ相電流が略ゼロＡ（ゼロアンペア）になっているのが分かる。つまり、短絡した二相において位相差が略１８０度に変化し、残りの短絡していない一相の電流が略ゼロになっている。そうすると、判定部（28）は、Ｒ相電流とＴ相電流の位相差が略１８０度に変化した時点で、リード線（21）が短絡したと判定する。そして、制御部（29）によって電流遮断器（22）が遮断される。これにより、ターミナル（17）への短絡電流の供給が遮断される。

このように、本実施形態では、二相間で短絡すると、その二相の相電流位相差が１８０度または略１８０度になることを発見し、その位相差の変化に基づいて短絡電流と相でない電流とを区別するようにしている。

−実施形態の効果−
本実施形態では、二相間の電流位相差が１８０度または略１８０度になると、その二相間で短絡が生じたと判定するようにした。したがって、従来のようにヒューズを溶断させて短絡電流を遮断するものに比べて、容易に且つ確実に短絡電流を検知することができ、短絡電流を確実に遮断することができる。

さらに、短絡電流の大きさに関係なく、短絡した二相間では位相差が１８０度または略１８０度になるため、過大な短絡電流だけでなく比較的小さい短絡電流であっても確実に検知することができる。

以上により、その大きさに左右されずに短絡電流を確実に検知することができるので、ターミナル（17）の損傷を確実に回避することができる。つまり、短絡電流がターミナル（17）へ供給され続けると発熱して絶縁部（17c）が損傷するが、それが確実に防止される。その結果、圧縮機（11）の信頼性を高めることができる。

また、比較的小さい短絡電流までも検知できるため、配線系統における電気抵抗（配線の径や長さ）を考慮する必要がなく、電源供給回路（20）の構築に必要な手間および労力を著しく削減することができる。

また、本実施形態では、３本のリード線（21）のそれぞれに過電流センサ（23）を設けるようにした。したがって、何れの２本のリード線（21）が短絡しても、確実に短絡電流を検知することができる。

さらに、本実施形態では、電流遮断器（22）が溶着する程度の過電流が流れた際に溶断するヒューズ（25）を設けるようにしたので、過大な短絡電流による電流遮断器（22）の溶着を確実に防止することができる。これにより、判定部（28）において短絡したと判定されても、既に電流遮断器（22）が溶着してしまい遮断できなくなるという状態を回避することができる。つまり、各過電流センサ（23）から相電流が判定部（28）に入力されてから制御部（29）によって電流遮断器（22）が遮断されるまでタイムラグ（数ミリ秒）があるため、その間に電流遮断器（22）が溶着するのを防止することができる。

また、本実施形態では、各リード線（31）の相電流を検出する電流センサとして、許容電流値の高い過電流センサ（23）を用いるようにしたので、万一、短絡の初期時から大電流が流れても破損することなく確実に検知することができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態では、二相の相電流の位相差が１８０度または略１８０度に変化すると、その二相間で短絡が生じたと判定するようにしたが、これに代えて、三相のうち一相の相電流がゼロＡ（ゼロアンペア）または略ゼロＡになると、その一相以外の二相間で短絡が生じたと判定するようにしてもよい。これは、図３にも示すように、短絡した二相の相電流の位相差は略１８０度に変化するが、残りの一相の相電流は略ゼロになることを根拠としています。

また、上記実施形態では、三相の全てに過電流センサ（23）を設けるようにしたが、これに限らず、何れか二相にだけ設けるようにしてもよい。この場合、各過電流センサ（23）が検出した２つの相電流の位相差が１８０度（略１８０度）になるか、または２つの相電流のうち一方がゼロＡ（略ゼロＡ）になると、リード線（21）が短絡したと判定するように判定部（28）が構成される。つまり、検出した２つの相電流の位相差が１８０度（略１８０度）に変化した場合はその二相間で短絡が生じたと判定され、検出した２つの相電流のうち一方がゼロＡ（略ゼロＡ）に変化した場合はその相以外の二相間で短絡が生じたと判定される。

また、上記実施形態において、ヒューズ（25）を省略するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電力供給対象物として圧縮機（11）に電力供給する場合について説明したが、本発明は、その他の電力供給対象物であってもよい。

なお、上記実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、三相電力を供給するための電源供給回路として有用である。

本発明の実施形態に係る電源供給回路の構成を示す配線系統図である。 圧縮機の端子箱の構成を示す断面図である。 検出した各相電流の波形図である。

符号の説明

1 電源
11 圧縮機
17 ターミナル
20 電源供給回路
21 リード線
22 電流遮断器
23 過電流センサ（電流センサ）
28 判定部（判定手段）
29 制御部（制御手段）

Claims (4)

1. 電源に接続され、三相電力を供給するリード線（21）と、
   上記リード線（21）の相電流を遮断する電流遮断器（22）と、
   上記リード線（21）の相電流を検出する電流センサ（23）と、
   上記電流センサ（23）の検出した相電流の位相差の変化に基づいて上記リード線（21）が短絡したか否かを判定する判定手段（28）とを備えている
   ことを特徴とする電源供給回路。
2. 請求項１において、
   上記判定手段（28）は、上記電流センサ（23）の検出した二相の相電流の位相差が１８０度になると、該二相の間で短絡したと判定するように構成されている
   ことを特徴とする電源供給回路。
3. 請求項２において、
   上記判定手段（28）が短絡したと判定すると、上記電流遮断器（22）を遮断動作させる制御手段（29）を備えている
   ことを特徴とする電源供給回路。
4. 請求項１または２において、
   三相交流モータを有する圧縮機のターミナルに上記リード線（21）が接続されて上記三相交流モータに電力供給する
   ことを特徴とする電源供給回路。

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