JP2011243288A - 溶断遮断回路及びアーク放電抑止回路 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

特開２０１０−８０２００号公報

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

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。
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。
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。
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。

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