JP2012109947A - 電力制御器システム - Google Patents

Abstract

【課題】落雷などの故障過渡電流が流れる間はスイッチング装置を開いて過電流が流れるのを防止する一方、その間、負荷電流が中断されない電力制御器システムを提供する。
【解決手段】電力制御器システム１０は、電気経路３１内に設けられた、負荷２０に電流を供給するスイッチング装置３０を備える。スイッチング装置３０の両端間の電圧または電流が所定のレベルを超えたとき、制御器５０がスイッチング装置１０を開くように構成する。スイッチング装置３０が開いているときも、並列電気経路６０を負荷に接続する回路１１内の誘導素子３２に蓄積された誘導エネルギーの放散により、負荷電流６１が並列電気経路６０および負荷２０に流れ続ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力制御器システムに関し、特に、例えば落雷または故障状態から保護された電力制御器システムに関する。

従来、電力制御器システムは、落雷または故障状態の際に、負荷への電力供給を中断する電気機械スイッチなどのスイッチング装置を含む。しかし、より迅速な反応時間を実現し、かつスイッチング装置のサイズおよびコストを低減させるために、微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）、およびＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタなど、より高速で動作する装置が使用されている。これらの装置は動作がより高速ではあるが、そのサイズは、それらの装置が対処できる故障過渡電流（ｆａｕｌｔ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）に比例する。こうした装置は一般に、熱質量が比較的低いので、限られた故障過渡電流にしか対処することができない。

航空機など航空産業における用途では、故障状態または落雷によって所与の負荷に対する電流が中断しないことが重要であり、中断した場合、例えば、操縦室制御装置および計器、着陸装置、エンジン制御装置、環境システムなど、航空機にとってきわめて重大なことになり得る。さらに、航空産業における電力分配は、ますます高電圧のアーキテクチャに移行しつつあり、したがって故障電流、および落雷など環境上の考慮事項もますます厳しくなりつつある。従来、電力分配システムは過剰設計（ｏｖｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）であり、例えば、トランジスタスイッチは、そのような過渡事象の間、負荷を停止させずに落雷および故障などの事象を吸収できるように遙かに大きなものである。しかし、電力分配システムおよびスイッチの過剰設計によって、コスト、サイズ、および重量が増大し、その結果、航空機の可航距離が減少し、その燃料消費量は増大する。

本発明の第１の態様によれば、回路を介して負荷に電力供給するように構成された電力制御器システムであって、
負荷に電流を供給するために電気経路内に設けられたスイッチング装置と、
スイッチング装置に流れる電流、またはスイッチング装置の両端間の電圧が、所定のレベルを超えたとき、スイッチング装置を開くように構成された制御器と、
負荷に並列の電気経路であって、スイッチング装置が開いているときも、負荷電流が並列電気経路および負荷に流れ続け、並列電気経路を負荷に接続する回路内に蓄積された誘導エネルギーを放散させることを可能とする、電気経路と
を備える、システムが提供される。

落雷など、スイッチング装置に流れる電流が所定のレベル、例えば意図した電流の１０倍を超える故障過渡電流シナリオの間、スイッチング装置は、制御器によってオフの命令を受けることになる。この間、負荷電流は、負荷に並列の電気経路を流れ続けることになり、したがって分配システムと負荷とを接続する回路ケーブル内に蓄積された誘導エネルギーが放散されることになる。したがって、負荷電流が中断されることはなく、このことは、例えば、飛行中の航空機が依存する航空システムにとって非常に重要となる。

電気経路は、好ましくは、回路内に蓄積された誘導エネルギーが、回路中を確実に適切な方向で流れ続けるようにするダイオードを含む。

この制御器は、好ましくは、落雷などの過渡事象が鎮静したと思われる、または故障が修正されたと思われる所定の期間後、スイッチを再度閉じるように構成され、したがって、負荷は、電力分配システムによって引き続き供給を受けることができる。

本発明の第２の態様によれば、回路を介して負荷に電力供給するように構成された電力制御器システムを動作させる方法であって、
スイッチング装置に流れる電流、またはスイッチング装置の両端間の電圧が、所定のレベルを超えたときも、負荷電流が負荷および負荷に並列の電気経路に流れ続け、並列電気経路を含み、かつ並列電気経路を負荷に接続する回路内に蓄積された誘導エネルギーを放散させるように、電気経路内の、負荷に電流を供給するスイッチング装置を開くステップ
を含む、方法が提供される。

このスイッチング装置は、好ましくは、負荷が供給源から電流を再度受け取ることができるように、所定の期間後、閉じられ、供給電流または電圧がなおも所定のレベルを超えている場合には、スイッチング装置は再度開き、そうでない場合は、スイッチング装置は、所定のレベルを超える電流または電圧が再度検出されるまで、閉じたままとなる。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を単なる例によって説明する。

本発明の例を示す、負荷を備えた電力制御器システムを示す図である。 スイッチング装置が開閉している間の、スイッチング装置の両端間の電圧、および負荷に並列の電気経路に流れる電流を示すグラフである。 本発明の実施形態の方法を示す流れ図である。 本発明を示す電力制御器システムのより詳細な例を示す図である。

図１は、負荷２０に電力供給するように構成された電力制御器システム１０を示す。この電力制御器システムは、電気経路３１内に設けられた、負荷２０に電流を供給するスイッチング装置３０を備えた回路１１を含む。電気経路３１は、スイッチング装置３０に接続された電源４０を含み、スイッチング装置３０は、負荷２０に接続されている。実際には、電気経路３１は一般に、電気ケーブルなどを備えることができ、その長さは、航空機によっては数メートル、または数十メートルとなることがあり、こうしたケーブルは、本質的に、図１の符号３２で示す、ある量のインダクタンスとなる。

制御器５０が、スイッチング装置３０に流れる電流、またはスイッチング装置の両端間の電圧が所定のレベルを超えたとき、スイッチング装置３０を開くように構成されている。この制御器５０は、好ましくは、電気経路３１に流れる電流、またはスイッチング装置３０の両端間の電圧を検出するように、電気経路３１に接続されている。制御器５０は、検出した電流または電圧が所定のレベルを超えたとき、スイッチング装置３０を開く、マイクロプロセッサなどの適切な制御手段を含むことができる。スイッチング装置３０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタ、ＭＥＭＳ、または電気機械スイッチなど、適切な任意の装置でよい。

電気経路６０が、負荷２０に並列に設けられている。制御器５０によってスイッチング装置３０が開くと、供給源４０が負荷２０から切断され、電流は、矢印６１で示すように、並列電気経路６０および負荷２０に流れ続け、並列電気経路６０を負荷２０に接続する回路内に蓄積された誘導エネルギー３２を放散させることができる。この回路は、典型的にはケーブルなどから形成されることになる。並列電気経路６０は、電流が、確実にスイッチ３０が閉じた場合と同じ方向で負荷２０に流れ続けるようにするダイオード６２を含むことができる。

制御器５０は、好ましくは、所定の期間後、スイッチング装置３０を再度閉じるように構成される。この所定の期間は、並列電気経路６０を負荷２０に接続する回路内のインダクタンスの量、および落雷などの過渡事象が持続すると思われる持続時間、または故障が自動的に修正される時間に依存することになる。この所定の期間は、例えば、システム内のインダクタンスの量に依存して、数マイクロ秒、数十マイクロ秒、またはそれより長くてもよく、インダクタンスは、寄生インダクタンスの場合も、または追加の構成要素による影響を含む場合もある。並列電気経路６０を負荷２０に接続する回路内のインダクタンスは、矢印６１によって示す電流が維持されるのに十分な時間をもたらすのに適当となり得、したがって、過渡事象は、スイッチ３０が再度閉じられる時点までに実質的に鎮静していることになる。しかし、必要に応じて、追加のインダクタンスを、負荷２０と並列経路６０との間に設けてもよい。この所定の期間の経過後、制御器５０は、スイッチング装置３０を閉じ、したがって電力を供給源４０によって再度供給することができる。この動作によって、負荷２０を並列電気経路６０に接続する回路内のインダクタンスがリフレッシュされることになる。しかし、スイッチング装置３０に流れる電流、またはスイッチング装置３０の両端間の電圧がなおも所定のレベルを超えている場合、制御器５０は、スイッチング装置を再度開き、その結果、並列電気経路６０と負荷２０とを接続するケーブルまたは回路内で生じた誘導エネルギー３２が再度放散されることになる。

この制御器は、過渡事象が終結する、または故障が修正されるまで、スイッチング装置３０をオンおよびオフにし続けることができる。

図１に示す例によって、落雷または故障などの過渡事象の際にも、負荷２０に電流を供給し続けることが可能となる。このことは、例えば、操縦室またはエンジン制御装置など、航空機の重要な構成要素における、過渡的な落雷または故障などの際にも、負荷に供給し続けることが望まれる場合に特に重要となる。上記は、従来技術のようにスイッチング構成要素を過剰設計する必要なく実現され、したがってコストおよび重量が低減される。

図２は、スイッチング装置３０をオンおよびオフにスイッチングする間の、スイッチング装置３０に流れる電流Ｉ_S、およびスイッチング装置３０の両端間の電圧Ｖ_Sを示す。図２から分かるように、スイッチング装置３０が閉じていると、スイッチング装置３０に電流Ｉ_Sが流れ、電圧Ｖ_Sはかからない。しかし、電流または電圧が所定のレベルを超える故障が検出されると、スイッチング装置３０は開き、したがって電流Ｉ_Sはもはやスイッチング装置３０に流れず、電圧Ｖ_Sがスイッチング装置にかかる。その後、電流は並列電気経路６０に流れる。所定の期間後、その間に過渡事象はかなり鎮静したことになり、制御器５０は、スイッチング装置３０を再度閉じ、スイッチング装置３０に流れる電流Ｉ_Sが再開し、並列電気経路６０には電流が流れなくなる。

スイッチング装置３０の両端間の電圧、またはスイッチング装置３０に流れる電流がなおも所定のレベルを超えていることが分かった場合、スイッチング装置３０は２回目で開く。必要ならば、スイッチング装置３０は、故障状態が鎮静するまで繰り返し開閉することができる。スイッチング装置３０が閉じる度に、負荷２０を並列電気経路６０と接続するケーブルなどの回路内のインダクタンス３２がリフレッシュされることになる。

図３は、本発明の実施形態の電力制御器システムを動作させる方法を示す流れ図である。時間ステップ１００で、制御器５０によって、過電流または過電圧状態があるか検出する。過電流または過電圧が検出された場合、ステップ２００で、スイッチング装置３０を開き、発電機または供給源４０からの電流を停止する。スイッチング装置３０が開いている間も、回路３１、および並列電気経路６０のインダクタンスによって、電流が負荷２０に流れ続ける。

ステップ３００で、過渡事象がかなり鎮静したと思われる所定の期間後、制御器によってスイッチング装置３０を閉じる。スイッチング装置３０を閉じた後、制御器５０はステップ１００に戻り、ここでスイッチング装置３０に過電流または過電圧状態があるか判定する。過渡事象が十分に鎮静して、スイッチング装置３０に流れる電流、またはスイッチング装置の両端間の電圧が所定のレベル未満となった場合、スイッチング装置３０は、閉じたままとなる。しかし、スイッチング装置３０に流れる電流、またはスイッチング装置３０の両端間の電圧がなおも所定のレベルより高い場合、図３に示すステップ２００、３００のシーケンスが繰り返される。

図４は、本発明を示す電力制御器システムのより詳細な例を示す。図４から分かるように、構成要素の多くは、図１に示したものと同じであり、同じ参照番号が付されている。図４に示す電力制御器システムは、プラス／マイナス２７０Ｖの直流分配システムに適した、可能なアーキテクチャを示す。この例のスイッチング装置３０は、ＭＯＳＦＥＴであるが、ＭＥＭＳまたはＩＧＢＴなどの他のスイッチング装置を使用してもよい。落雷などの故障過渡電流シナリオの間、ＭＯＳＦＥＴ３０に流れる電流が所定のレベル（例えば、意図した保護電流の１０倍）を超えると、ＭＯＳＦＥＴ３０は、制御器５０によってオフの命令を受けることになる。この間も、負荷電流は、転流ダイオード６２に流れ続け、したがってシステムを負荷２０に接続するケーブルおよび任意の誘導素子３２内に蓄積された誘導エネルギーが放散されることになる。

スイッチング装置３０は、短時間後、制御器５０によってオンに戻る命令を受けることになり、この時点までに、過渡事象はかなり鎮静したことになる。正味の効果は、過渡事象の間も、負荷電流が中断されなかったこと、およびＭＯＳＦＥＴに全過渡エネルギーが加わらなかったことである。

この技術によって、電力分配の目的で電流をデジタルに制限する能力が得られ、スイッチング構成要素の過剰設計が不要となり、したがってコストおよび重量が節減される。

本発明の範囲から逸脱することなく、上述の例に数多くの変更を行うことができる。例えば、回路内に負荷２０をいくつでも設けることができ、または、回路をいくつでも設けることができる。航空産業の例に関して説明してきたが、本発明は、いかなる用途、例えば船舶、車両、工場、電力供給網、または家庭にも使用することができる。

１０ 電力制御器システム
１１ 回路
２０ 負荷
３０ スイッチング装置
３１ 電気経路
３２ インダクタンス、誘導エネルギー、誘導素子
４０ 電源
５０ 制御器
６０ 並列電気経路
６２ 転流ダイオード
１００ ステップ
２００ ステップ
３００ ステップ

Claims (14)

1. 回路を介して負荷に電力供給するように構成された電力制御器システムであって、
   前記負荷に電流を供給するために電気経路内に設けられたスイッチング装置と、
   前記スイッチング装置に流れる電流、または前記スイッチング装置の両端間の電圧が、所定のレベルを超えたとき、前記スイッチング装置を開くように構成された制御器と、
   前記負荷に並列に設けられた電気経路であって、前記スイッチング装置が開いているときも、負荷電流が前記並列電気経路および前記負荷に流れ続け、前記並列電気経路を前記負荷に接続する前記回路内に蓄積された誘導エネルギーを放散させることを可能とする、電気経路と
   を備える、システム。
2. 前記並列電気経路が、前記スイッチング装置が閉じたときと同じ方向で前記回路内に蓄積された前記誘導エネルギーが流れ続けるように構成されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記並列電気経路が、確実に前記スイッチング装置が閉じたときと同じ方向で前記回路内に蓄積された前記誘導エネルギーが流れ続けるようにするダイオードを含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記制御器が、所定の期間後、前記スイッチング装置を閉じるように構成されている、請求項１乃至３のいずれか記載のシステム。
5. 前記制御器が、前記スイッチング装置に流れる前記電流、または前記スイッチング装置にかかる前記電圧がなおも前記所定のレベルを超えている場合、前記スイッチング装置を再度開くように構成されている、請求項４記載のシステム。
6. 前記並列電気経路と、前記負荷との間のインダクタンスを増大させる誘導素子を含む、請求項１乃至５のいずれか記載のシステム。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載の電力制御器システムを含む航空機。
8. 回路を介して負荷に電力供給するように構成された電力制御器システムを動作させる方法であって、
   スイッチング装置に流れる電流、または前記スイッチング装置の両端間の電圧が所定のレベルを超えたときも前記負荷に電流を供給するために電気経路内の前記スイッチング装置を開くステップであって、負荷電流が前記負荷および前記負荷に並列の電気経路に流れ続け、前記並列電気経路を含む、かつ前記並列電気経路を前記負荷に接続する前記回路内に蓄積された誘導エネルギーを放散させるようにする、ステップ
   を含む、方法。
9. 前記スイッチング装置が開いてから所定の期間後、前記スイッチング装置を閉じるステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記スイッチング装置に流れる前記電流、または前記スイッチング装置にかかる前記電圧がなおも所定のレベルを超えている場合、前記スイッチング装置を再度開くステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 前記スイッチング装置に流れる前記電流、または前記スイッチング装置にかかる前記電圧が、前記所定のレベルをもはや超えなくなるまで、前記スイッチング装置を繰返し開閉するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれか１項記載の、航空機の電力制御器システムを動作させる方法。
13. 実質的に添付の図面を参照して上述した回路を介して負荷に電力供給するように構成された電力制御器システム。
14. 実質的に添付の図面を参照して上述した回路を介して負荷に電力供給するように構成された電力制御器システムを動作させる方法。

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