JP2011108455A - 電子式ブレーカ - Google Patents

Abstract

【課題】 電源オン／オフ操作することなく電源回路に組み込まれている平滑コンデンサの容量変化を監視し、容量が低下したらそれを検知する機能を備えた電子式ブレーカを提供する。
【解決手段】 演算回路５に、平滑コンデンサ１６の端子電圧波形の最大値と最小値の差電圧を求めるリプル電圧演算部１８と、平滑コンデンサ１６の端子電圧の平均電圧を求める平均電圧演算部１９と、求めたリプル電圧が３０Ｖ以上で且つ求めた平均電圧が３００Ｖ以下の場合に表示部９を表示動作させる第１論理回路２０と、求めたリプル電圧が５０Ｖ以上で且つ求めた平均電圧が２００Ｖ以下の場合に遮断信号を出力する第２論理回路２１とを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電路に過電流等の異常電流が流れたら電路を遮断するブレーカに関し、特に電路電流情報を基に演算により電路異常を判断して遮断動作する電子式ブレーカに関する。

電子式ブレーカは、電路の電流情報を基に内蔵されたＣＰＵが演算して電路異常を判断している。このＣＰＵは、電路に接続された電源回路から電流が供給されて駆動される（例えば、特許文献１参照）。
ここで使用される電源回路は、整流回路、平滑コンデンサ、電圧変換回路等を備え、例えば交流２００Ｖを直流の５Ｖや３Ｖに変換している。そして、平滑コンデンサには耐圧が高く容量が大きいアルミ電解コンデンサが広く使用されている。

ところが、電解コンデンサは温度等の影響を受けて使用時間の経過と共に劣化し、静電容量が低下する問題を有している。平滑コンデンサが劣化すると、ＣＰＵの電源が不安定になり、ＣＰＵ誤動作の原因となる。そのため、この特性劣化を検出する機能を備えた電子機器が提案されている。例えば、特許文献２では、電源投入時の直流電圧の立ち上がり時間から特性劣化を検出する機能を備えている。

特開２００９−８１８９９号公報 特開平６−２０９５８３号公報

しかしながら、上記特許文献２の検出方法は、ブレーカのように常に通電状態にある機器に対しては適用することができなかった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、電源オン／オフ操作することなく電源回路に組み込まれている平滑コンデンサの容量変化を監視し、容量が低下したらそれを検知する機能を備えた電子式ブレーカを提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、負荷に交流電力を供給する電路の電流情報を基に演算回路の演算により電路異常を判断し、電路異常発生と判断したら遮断手段を動作させて電路を遮断する電子式ブレーカにおいて、前記演算回路を駆動するために直流電圧を生成する電源回路に設けられた平滑コンデンサの劣化を監視する平滑コンデンサ監視手段と、平滑コンデンサ劣化を報知するための報知手段とを有し、前記平滑コンデンサ監視手段は、平滑コンデンサの端子電圧波形の最大値と最小値の差電圧を求めるリプル電圧演算部と、前記リプル電圧演算部が求めた差電圧を予め設定した第１の閾値と比較する第１比較部と、前記報知手段から平滑コンデンサの劣化を報知させる報知信号を出力する報知制御部とを備え、前記差電圧が前記第１の閾値以上となったら前記報知信号を出力することを特徴とする。
この構成によれば、リプル電圧の大きさで平滑コンデンサの劣化を判断するため、電源回路を通電した状態、即ち電路を通電した状態で平滑コンデンサの劣化を判断でき、負荷を停止して検査する必要がない。そして、平滑コンデンサの劣化を検出したら報知動作するので、必要な処置を講ずることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、前記平滑コンデンサ監視手段は、平滑コンデンサの端子電圧の平均電圧を演算する平均電圧演算部と、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧と予め設定した第１の電圧値とを比較する第２比較部と、前記リプル電圧演算部が求めた差電圧が前記第１の閾値以上であっても、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧が前記第１の電圧値以上であったら前記報知信号を出力しない第１論理演算部とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、平滑コンデンサの劣化を検出しても、電源回路が出力する電圧が一定値より大きければ報知動作を行わない。即ち、第１の閾値を特定の電圧とすることで演算回路の動作上問題のないレベルであれば報知動作することがない。よって、過度の報知動作を防止でき、報知動作を最小限に止めることができる。

請求項３野発明は、請求項１又は２に記載の構成において、前記平滑コンデンサ監視手段は、前記前記リプル電圧演算部が求めた差電圧を、前記第１の閾値より大きな値で設定した第２の閾値と比較する第３比較部と、前記遮断手段を動作させる遮断信号を出力する遮断制御部とを備え、前記差電圧が前記第２の閾値以上となったら前記遮断信号を出力することを特徴とする。
この構成によれば、平滑コンデンサの劣化を検出した後、劣化が更に進んだら遮断動作するので、ブレーカが誤動作したり過電流を検出できない無反応を防止できる。

請求項４の発明は、請求項３に記載の構成において、前記平滑コンデンサ監視手段は、平滑コンデンサの端子電圧の平均電圧を演算する平均電圧演算部と、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧と予め設定した第２の電圧値とを比較する第４比較部と、前記リプル電圧演算部が求めた差電圧が前記第２の閾値以上であっても、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧が前記第２の電圧値以上であったら前記遮断信号を出力しない第２論理演算部とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、平滑コンデンサの劣化が進んでも、整流された電圧が一定値より大きければ電路を遮断しない。即ち、演算回路が動作可能な電圧であれば遮断動作しない。よって、過度な遮断動作を防止できるし、電路異常以外の原因による遮断動作を最小限に止めることができる。また、外来ノイズ等によりリプル分が増加して遮断するような誤動作も防止できる。

本発明によれば、リプル電圧の大きさで平滑コンデンサの劣化を判断するため、電路を通電した状態で平滑コンデンサの劣化を判断でき、負荷を停止して検査する必要がない。そして、平滑コンデンサの劣化を検出したら報知動作するので、必要な処置を講ずることができるし、更に劣化が進行したら電路を遮断するので、誤動作を防止できる。

本発明に係る電子式ブレーカの一例を示す回路ブロック図である。 図１の電源回路の波形説明図であり、（Ａ）は電源電圧波形、（Ｂ）は整流回路出力波形、（Ｃ）は平滑コンデンサで平滑された電圧波形を示している。 平滑コンデンサの容量変化に対するリプル電圧の変化を示す実験結果の一覧である。 欠相がある場合の平滑コンデンサの容量変化に対するリプル電圧の変化を示す実験結果の一覧である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電子式ブレーカの一例を示す回路ブロック図であり、１は三相３線式の電路、２は電路１を開閉する主接点、３は主接点２を開動作させて電路１を遮断するトリップコイル、４はトリップコイル３を駆動するトリップコイル駆動回路、５は過電流等の電路異常を検出したり平滑コンデンサの劣化を判断する演算回路、６は演算回路５に電源を供給する電源回路、７は電路電流を検出するために個々の電路１に設置された変流器、８は検出した電流情報や電圧情報をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部、９はＬＥＤ等で構成される表示部である。尚、電路１は三相３線式電路を示し、１０は電源側端子、１１は負荷側端子である。また、演算回路５は必要なデータ等が予め記憶されたＣＰＵで構成されている。

電源回路６は、半導体ブリッジ回路等で構成されて三相交流電圧を整流する整流回路１５、整流された波形を平滑するアルミ電解コンデンサ等から成る平滑コンデンサ１６、平滑された直流電圧を５Ｖ或いは３．５Ｖに降圧するＦＥＴやコイルから成る電圧変換回路１７等を備えている。

演算回路５は、整流されて平滑化された電圧である平滑コンデンサ１６の端子電圧波形の最大値と最小値の差を求めるリプル電圧演算部１８、平滑コンデンサ１６の端子電圧の平均値を求める平均電圧演算部１９、リプル電圧演算部１８と平均電圧演算部１９の出力信号を論理演算する第１論理回路（第１論理演算部）２０及び第２論理回路（第２論理演算部）２１、過電流や短絡電流を判断すると共に遮断動作時間を併せて演算する過電流判定部２２、トリップコイル駆動回路４を制御する遮断制御部２３、表示部９の表示を制御する表示制御部２４等を備えている。

そして、第１論理回路２０は、リプル電圧が所定値以上であれば信号を出力する第１比較部２０ａ、平均電圧が所定値以下であれば信号を出力する第２比較部２０ｂ、第１比較部２０ａ及び第２比較部２０ｂのＡＮＤを取る第１ＡＮＤ回路２０ｃ等を備えている。
また、第２論理回路２１も同様に、リプル電圧が所定値以上であれば信号を出力する第３比較部２１ａ、平均電圧が所定値以下であれば信号を出力する第４比較部２１ｂ、第３比較部２１ａ及び第４比較部２１ｂのＡＮＤを取る第２ＡＮＤ回路２１ｃ等を備えている。

尚、第１比較部２０ａにおける閾値より、第３比較部２１ａにおける閾値の方が大きく設定され、第２比較部２０ｂにおける閾値より、第４比較部２１ｂにおける閾値の方が小さく設定されている。例えば、第１比較部２０ａの閾値は３０Ｖ、第２比較部２０ｂの閾値は３００Ｖ、第３比較部２１ａの閾値は５０Ｖ、第４比較部２１ｂの閾値は２００Ｖに設定される。

このような回路を備えた電子式ブレーカは次のように動作する。最初に基本動作である電路異常による遮断動作を説明する。
電路１を流れる負荷電流は常時変流器７により検出され、Ａ／Ｄ変換部８でデジタルデータに変換されて演算回路５の過電流判定部２２に入力される。過電流判定部２２では、入力された電流情報から過電流や短絡電流を判定する。例えば、予め設定された短絡電流判定のための閾値と変流器７が測定した電流のピーク値とを比較することで、閾値を超えた電流を検出すると短絡電流が流れていると判断し、短絡発生信号を遮断制御部２３へ出力する。

また、定格電流を越えた過電流が流れた場合は、その大きさに反比例するように設定されている継続時間との関係を図示しない記憶部に記憶されたデータから読み取り、遮断時間を決定する。こうして読み取った時間が経過しても過電流が流れ続けた過電流発生信号が遮断制御部２３に出力される。
遮断制御部２３は、短絡発生信号や過電流発生信号を受けてトリップコイル駆動回路４を動作させ、トリップコイル３がトリップ動作する。こうして主接点部２が開動作して電路１は遮断される。

次に、電源回路６に設けられた平滑コンデンサ１６の劣化を検出する動作の流れを説明する。演算回路５は、リプル電圧演算部１８と平均電圧演算部１９の演算結果に基づいて、第１論理回路２０が報知するか演算し、第２論理回路２１が電路１を遮断するか演算する。
図２は電源回路６の各部の波形を示し、この図２を参照して説明する。図２において、（Ａ）は電路１の電圧波形、（Ｂ）は平滑コンデンサ１６を設けない整流回路１５単独の整流波形、（Ｃ）は平滑コンデンサ１６により平滑された電圧波形を示している。また、（１）は正常動作状態、（２）は電源電圧が低下した状態、（３）は欠相が発生した状態、（４）は平滑コンデンサ１６が劣化した状態を夫々示している。

通常、電源回路６の整流回路１５はＡ１に示す三相電路１の各相の電圧波形を整流し、Ｂ１に示すような交流成分を含む（リプル電圧Δｖａを有する）整流波形を出力する。この電圧は平滑コンデンサ１６で平滑され、正常時はＣ１に示すようにリプルの無い一定の直流電圧が出力される。そして、この直流電圧が電圧変換回路１７で所定の直流電圧に変換される。

また、負荷電流の増加等で電路電圧がＡ２に示すように低下すると、整流回路１５の出力電圧も低下し、Ｂ２に示す波形を出力する。この電圧波形は、平滑コンデンサ１６により平滑されて、上記Ｃ１に比べて僅かに低下するが交流成分の無い一定の直流電圧Ｃ２が出力される。

そして、Ａ３に示すように三相のうちの一相の欠相が発生した場合には、整流回路はＢ３に示す大きいリプルを有する直流電圧を出力する。この電圧波形は平滑コンデンサ１６により平滑されるが、完全には平滑されずに僅かなリプル電圧Δｖｂを有するＣ３に示すような直流が生成される。

このような、正常時の波形に対して平滑コンデンサ１６が劣化して静電容量が小さくなった場合は次のように動作する。整流回路１５の出力はＢ１波形と同様の波形Ｂ４を出力するが、平滑コンデンサ１６は十分に平滑しなくなり大きなリプル電圧Δｖｃを含むＣ４に示すような波形を生成する。本発明では、このリプル電圧Δｖｃの発生を検出することで平滑コンデンサの劣化を判断する。

演算回路５は、平滑コンデンサ１６のない場合の波形であるリプル電圧Δｖａの大きさを基準とし、この電圧より小さい電圧Δｖｔを閾値として記憶し、この閾値より大きなリプル電圧を検出したら平滑コンデンサ１６が劣化したと判断する。
尚、この閾値ΔｖｔをΔｖｔ１とΔｖｔ２（Δｖｔ１＜Δｖｔ２（＜Δｖａ））の２段階で設け、第１の閾値Δｖｔ１を越えたら平滑コンデンサ１６の劣化発生を表示部９の点滅等で報知し、第２の閾値Δｖｔ２を越えたら電路１を遮断するよう動作させる。

但し、この表示動作及び遮断動作は、平滑した電圧の平均電圧が所定の電圧以下の場合に実施している。具体的に、図３，図４の実験データを参照して説明する。図３は三相が正常に接続されている場合，図４は１相（Ｔ相）が欠相している場合を示し、何れも平滑コンデンサ１６を１５μＦの電解コンデンサとし、Δｖ１を３０Ｖ、Δｖ２を５０Ｖとしている。また、平均電圧の閾値を、表示動作いおいては３００Ｖ、遮断動作においては２００Ｖとしている。

即ち、リプル電圧が３０Ｖ以上となり且つ平均電圧が３００Ｖ以下の場合に、第１ＡＮＤ回路２０ｃが表示制御部２４に信号を出力し、表示部９を表示させる。また、リプル電圧が５０Ｖ以上で且つ平均電圧が２００Ｖ以下の場合に、第２ＡＮＤ回路２１ｃが信号を出力し、遮断制御部２３が遮断信号を出力する。

具体的に図３に示すように、平滑コンデンサ１６が３μＦになり、且つ電路電圧が１６０Ｖになると、平均電圧が２１２．４Ｖ、リプル電圧が３２．５Ｖとなり、リプル電圧が３０Ｖ（Δｖｔ１）以上で且つ平均電圧が３００Ｖ以下であるため、表示部９が点滅動作する。そして、平滑コンデンサ１６が１μＦになった場合、リプル電圧が７５．８Ｖ、平均電圧が１９４．８Ｖになり、リプル電圧が５０Ｖ（Δｖｔ２）以上で且つ平均電圧が２００Ｖ以下であるため、遮断動作する。
また図４に示すように、欠相が発生した場合は平滑コンデンサ１６の容量が４μＦまで劣化すると、平均電圧が２９２．２Ｖ且つリプル電圧が３１．１Ｖとなり、点滅条件を満たすため表示部９が点滅動作する。そして、３μＦまで劣化し、且つ電路電圧が１６０Ｖに低下すると、リプル電圧が５０．１Ｖ、平均電圧が１９８．９Ｖと遮断条件を満たすため遮断動作する。

このように、リプル電圧を判断基準として平滑コンデンサの劣化を判断するため、電源回路を通電した状態、即ち電路を通電した状態で電解コンデンサの劣化を判断でき、電路に接続された負荷を停止する必要がない。
また、平滑コンデンサの劣化を検出したら報知動作するので、必要な処置を講ずることができる。そして、平滑コンデンサの劣化を検出しても、電源回路が出力する電圧が一定値より大きければ報知動作を行わない。即ち、第１の閾値を特定の電圧とすることで演算回路の動作上問題のないレベルであれば報知動作することがないので、過度の報知動作を防止でき、報知動作を最小限に止めることができる。
また、平滑コンデンサの劣化を検出した後、劣化が更に進んだら遮断動作するので、ブレーカが誤動作したり過電流を検出できない無反応を防止できる。そして、平滑コンデンサの劣化が進んでも、整流された電圧が一定値より大きければ電路を遮断しない。即ち、演算回路が動作可能な電圧であれば遮断動作しないので、過度な遮断動作を防止できるし、電路異常以外の原因による遮断動作を最小限に止めることができる。また、外来ノイズ等によりリプル分が増加して遮断するような誤動作も防止できる。

尚、上記実施形態では、平均電圧を加味して報知動作や遮断するか判断しているが、リプル電圧だけで判断させても良い。その場合、合第１論理回路２０及び第２論理回路２１は第１比較部２０ａ、及び第３比較部２１ａのみで良い。
また、リプル電圧の閾値を表示に関しては３０Ｖ，遮断に関しては５０Ｖとしているが、この値に限定するものではないし、平均電圧に閾値を設定したが、整流後の電圧や電路電圧の実効値に対して閾値を設け、この実効値とリプル電圧により判定しても良い。
更に、表示部９を表示動作させて平滑コンデンサ１６の劣化を報知する構成となっているが、ブザーを設けて警報音を発報して平滑コンデンサ１６の劣化を報知させても良い。
また。論理回路をＣＰＵの演算で実施しているが、ＯＰアンプにより論理回路を構成しても良い。
また、三相電路の例を説明したが、単相電路にも容易に適用できるものである。

１・・電路、２・・主接点、３・・遮断手段としてのトリップコイル、５・・演算回路（リップル監視部）、６・・電源回路、９・・報知手段としての表示部、１５・・整流回路、１６・・平滑コンデンサ（電解コンデンサ）、１８・・リプル電圧演算部、１９・・平均電圧演算部、２０・・第１論理回路（第１論理演算部）、２０ａ・・第１比較部、２０ｂ・・第２比較部、２０ｃ・・第１ＡＮＤ回路、２１・・第２論理回路（第２論理演算部）、２１ａ・・第３比較部、２１ｂ・・第４比較部、２１ｃ・・第２ＡＮＤ回路、２２・・過電流判定部、２３・・遮断制御部、２４・・報知制御部としての表示制御部。

Claims (4)

1. 負荷に交流電力を供給する電路の電流情報を基に演算回路の演算により電路異常を判断し、電路異常発生と判断したら遮断手段を動作させて電路を遮断する電子式ブレーカにおいて、
   前記演算回路を駆動するために直流電圧を生成する電源回路に設けられた平滑コンデンサの劣化を監視する平滑コンデンサ監視手段と、平滑コンデンサ劣化を報知するための報知手段とを有し、
   前記平滑コンデンサ監視手段は、平滑コンデンサの端子電圧波形の最大値と最小値の差電圧を求めるリプル電圧演算部と、前記リプル電圧演算部が求めた差電圧を予め設定した第１の閾値と比較する第１比較部と、前記報知手段から平滑コンデンサの劣化を報知させる報知信号を出力する報知制御部とを備え、
   前記差電圧が前記第１の閾値以上となったら前記報知信号を出力することを特徴とする電子式ブレーカ。
2. 前記平滑コンデンサ監視手段は、平滑コンデンサの端子電圧の平均電圧を演算する平均電圧演算部と、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧と予め設定した第１の電圧値とを比較する第２比較部と、
   前記リプル電圧演算部が求めた差電圧が前記第１の閾値以上であっても、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧が前記第１の電圧値以上であったら前記報知信号を出力しない第１論理演算部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の電子式ブレーカ。
3. 前記平滑コンデンサ監視手段は、前記リプル電圧演算部が求めた差電圧を、前記第１の閾値より大きな値で設定した第２の閾値と比較する第３比較部と、前記遮断手段を動作させる遮断信号を出力する遮断制御部とを備え、
   前記差電圧が前記第２の閾値以上となったら前記遮断信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の電子式ブレーカ。
4. 前記平滑コンデンサ監視手段は、平滑コンデンサの端子電圧の平均電圧を演算する平均電圧演算部と、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧と予め設定した第２の電圧値とを比較する第４比較部と、
   前記リプル電圧演算部が求めた差電圧が前記第２の閾値以上であっても、前記平均電圧演算部が求めた平均電圧が前記第２の電圧値以上であったら前記遮断信号を出力しない第２論理演算部とを備えたことを特徴とする請求項３記載の電子式ブレーカ。

Images