JP2013183614A - 漏電検出装置及びそれを備えた高電圧インバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入力電圧Vinをスイッチングして、トランス10の励磁巻線NPに断続的に励磁電流を流し、出力巻線NSに誘起される交流高電圧を、出力ライン11,12を通して負荷に供給する高電圧インバータ5において、出力ライン12のG点がフレームグラウンドGNDに接続され、漏電検出用トランス30の巻数が同じで巻き方向反対の第1の巻線N1と第2の巻線N2を、G点から電流が流出する側と流入する側の出力ラインにそれぞれ直列に介挿する。漏電発生時にその増幅用巻線N20から出力される電圧Vdを、比較回路33によって比較電圧Vrefと比較し、Vd>Vrefのときに漏電検出信号Sdを出力して制御回路20に入力させ、スイッチングパルスSpの発生を停止して、スイッチング素子Qswのスイッチング動作を完全に停止させる。
【選択図】図1
Description
そこで、高電圧インバータ装置の入力電力の変化で出力状態を監視することを試みたが、入力電力の変化では出力状態を正確に把握することは出来なかった。
その漏電検出用トランスの増幅用巻線の両端子間から出力される交流電圧を整流及び平滑して検出電圧を生成する検出回路と、
その検出回路によって生成された検出電圧を予め設定した比較電圧と比較して、その検出電圧が比較電圧を越えたときに漏電検出信号を出力する比較回路とからなる。
上記漏電検出装置を備え、その漏電検出装置の上記比較回路から出力される漏電検出信号を上記制御回路に入力させ、その制御回路は、上記漏電検出信号が所定期間以上連続して入力すると上記スイッチング素子のスイッチング動作を完全に停止させるようにしたことを特徴とする。
これらの高電圧インバータ装置において、上記励磁巻線と出力巻線を有するトランス及び上記スイッチング素子を含む電力変換部と、上記制御回路及び漏電検出装置との間に、磁場を遮断する機能を持つ遮蔽板を設けるとよい。
図1は、この発明による漏電検出装置を備えた高電圧インバータ装置の第1実施例を示す回路図である。
この高電圧インバータ装置は、高電圧インバータ5と漏電検出装置6及び入力端子1a,1bと出力端子2a,2bを備えている。
その出力ライン12は中間のG点で、導電体からなる筐体やシャーシ又はフレーム等によるフレームグラウンドGNDに接続されている。
また、負極側の入力端子1bとスイッチング素子Qswのソース側もフレームグラウンドGNDに接続されている。そのフレームグラウンドGNDはアース(接地)するのが安全上望ましい。
漏電検出用トランス30は、フレームグラウンドGNDに接続された点であるG点から電流が流出する側の出力ライン11に直列に介挿される第1の巻線N1と、G点に電流が流入する側の出力ライン12に直列に介挿される第2の巻線N2と、増幅用巻線N20とを有する。
この漏電検出用トランス30の増幅用巻線N20の両端子d1,d2間から出力される交流電圧VN20 を、検出回路31に入力させる。
この倍電圧整流回路は、2個のダイオードD1,D2と2個のコンデンサC1,C2によって構成されている。
増幅用巻線N20の両端子d1,d2間には、抵抗値が1kΩ〜200kΩ程度の抵抗R2を接続して漏電検出用トランス30のQ(共振の鋭さを示す)を下げ、漏電発生時に増幅用巻線N20の両端子d1,d2間に発生する交流電圧VN20のピークを抑えるようにしている。しかし、この抵抗R2は必須ではない。
その交流電圧VN20が検出回路31によって倍電圧整流されて検出電圧Vdが出力され、それが比較回路33に入力することになる。
制御回路20は漏電検出信号Sdが所定期間(例えばスイッチングパルスSpの1周期程度)以上連続して入力すると、スイッチングパルスSpの発生を停止し、スイッチング素子Qswのスイッチング動作を完全に停止させる。それにより、高電圧インバータ5は動作を停止する。なお、この漏電検出装置6は、比較回路33が出力する漏電検出信号Sdによってブザー等を動作させて警報を発したり、警告ランプを点灯あるいは点滅させるようにしてもよい。
図4は、図1に示した高電圧インバータ装置におけるスイッチングパルスSp、出力電圧Vout、出力電流Iout、漏電検出用トランス30の増幅用巻線N20の両端子間から出力される交流電圧VN20、検出電圧Vd及び漏電検出信号Sdのタイミング関係の一例を示す波形図である。
図4における時点t0〜t1は負荷及びその給電経路で漏電等が発生していない正常な動作期間であり、前述したように、漏電検出用トランス30の第1の巻線N1に流れる負荷に流れ出す電流I1と、第2の巻線N2に流れる負荷を通して戻って来た電流I2の大きさが等しくなっている。したがって、互いに巻方向が逆の第1の巻線N1と第2の巻線N2によって発生する磁束が相殺され、増幅用巻線N20に交流電圧VN20が誘起されることはない。
したがって、漏電等が発生しても、それがかなり大きくなるまでスイッチングパルスSpの発生が完全に停止せず、高電圧インバータ5の動作を停止させることができないことになる。
そのため、この検出電圧Vdを比較回路31に入力して比較電圧Vrefと比較すると、漏電等が発生した場合、図4における時点t2のように短時間で検出電圧Vdが比較電圧Vrefを越え、同図の(f)に示すように比較回路33の出力が反転してローレベルの漏電検出信号Sdを制御回路20に入力し、その状態が継続する。
図4の例では時点t3でスイッチングパルスSpの発生が停止し、その半周期後には高電圧インバータ5が動作を完全に停止する。
高電圧インバータ装置が正常に動作している場合には、出力電圧Voutと出力電流Ioutが図5に示すa点の値であるものとする。もし負荷への給電経路で漏電等が発生すると出力電流Ioutが増加するため、僅かに増加したb点でそれを検知して、出力電圧Voutの発生を停止させるのが理想であると仮定する。
この発明によれば、漏電検出用トランス30の増幅用巻線N20に発生する交流電圧VN20を、検出回路31によって整流及び平滑した正電圧の検出電圧Vdを比較回路33に入力して漏電検出信号Sdを発生させるようにしたため、例えば図5のc点のように、出力電流Ioutがそれ程大きくならない早期に出力電圧Voutの発生を停止させることができ、安全性を高めることができる。
それによって、検出精度を理想値の50%以内に納めることができる。
トランス10の内部の異常放電が発生すると、出力する電流I1と戻って来る電流I2の交流波形の位相に一時的な差異が生じ、そのとき第1の巻線N1と第2の巻線N2によって発生する磁束が相殺されなくなり、増幅用巻線N20にその巻数比によって増幅された交流電圧VN20が誘起され、検出回路31から検出電圧Vdが出力される。
また、漏電検出用トランス30の第1の巻線N1と第2の巻線N2との間、及び増幅用巻線N20との間の絶縁耐圧を低くすることもできる。
次に、漏電検出用トランス30の構成例を図2及び図3によって説明する。図2及び図3は漏電検出用トランス30の異なる構成例を示し、(a)はその回路記号図であり、(b)は巻線部のボビンの窓枠の片側部分の断面図である。
図2の(b)において、35は図示を省略したコアに配置された絶縁材からなるボビンであり、図で下側から第1の巻線N1を1回から数回巻き、トランス内部放電防止用の空間36を設けて、その上に第2の巻線N2を第1の巻線N1と反対巻きに同じ巻数だけまく。その上に絶縁して増幅用巻線N20を数100回から数1000回巻く。各巻線は円形の断面で示されている。
また、この漏電検出用トランス30は高電圧に対する絶縁耐圧を得ることが容易であり、あまり大型化することなく、比較的安価に作製することができる。
次に、この発明による漏電検出装置を備えた高電圧インバータ装置の第2実施例を図6によって説明する。この図6において、図1と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。
この第2実施例では、高電圧インバータ51において交流高電圧を発生させるトランス10′を、同じ構成で同一の特性を持つ2個の共振トランスT1,T2によって構成している。その共振トランスT1,T2の励磁巻線NP1,NP2が入力電源の正極側のa点とFETによるスイッチング素子Qswの正極側のb点との間に並列に接続される。
したがって、複数の励磁巻線に偏磁が生じることがなく、出力巻線の巻数を多くすることができ、昇圧比が高い高電圧を連続して安定にしかも安全に得ることができる。
なお、共振トランスT1,T2の各出力巻線NS1,NS2の出力電圧波形の時間軸が同期するように、スイッチング素子Qswのドレイン端子と各励磁巻線NP1,NP2の負極側端子との配線距離が均等になるようにスイッチング素子Qswを配置するとよい。
また、図1に示した第1実施例と同様に、漏電検出用トランス30と検出回路31と基準電源31と比較回路33とによって漏電検出装置6を構成している。そして、その漏電検出用トランス30の第1の巻線N1を出力ライン11に介挿して、流出する電流I1を流し、第2の巻線N2をG点と出力端子2bとの間の出力ライン12に介挿して、流入する電流I2を流すことによって、漏電発生時には増幅用巻線N20から電流I1とI2の差に応じた交流電圧VN20を得ることができる。
なお、漏電検出用トランス30の第1の巻線N1は、フレームグラウンドGNDに接続されたG点から出力端子2aに向かって電流が流れる経路であればどこに介挿してもよい。例えば、図6の高電圧インバータ51内に示す破線の円A又はBで示すラインに、第1の巻線N1を介挿してもよい。
次に、この発明による漏電検出装置を備えた高電圧インバータ装置の第3実施例を図7によって説明する。この図7において、図1及び図6と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。
この第3実施例では、高電圧インバータ52において交流高電圧を発生させるトランス10″を、同じ構成で同一の特性を持つ3個の共振トランスT1,T2,T3によって構成している。
したがって、より高い高電圧出力及び大きな出力電力を、安定してしかも安全に供給することができる。
この場合も、共振トランスT1,T2,T3の各出力巻線NS1,NS2,NS3の出力電圧波形の時間軸が同期するように、スイッチング素子Qswのドレイン端子と各励磁巻線NP1,NP2、NP3の負極側端子との配線距離が均等になるようにスイッチング素子Qswを配置するとよい。
また、図6に示した第2実施例と同様に、漏電検出用トランス30と検出回路31と基準電源32と比較回路33とによって漏電検出装置6を構成している。その漏電検出用トランス30の第1の巻線N1を出力ライン11に介挿して、流出する電流I1を流し、第2の巻線N2をG点と出力端子2bとの間の出力ライン12に介挿して、流入する電流I2を流すことによって、漏電発生時には増幅用巻線N20から電流I1とI2の差に応じた交流電圧VN20を得ることができる。
なお、漏電検出用トランス30の第1の巻線N1は、フレームグラウンドGNDに接続されたG点から出力端子2aに向かって電流が流れる経路であればどこに介挿してもよい。例えば、図7の高電圧インバータ52内に示す破線の円C,E,Fで示す各ラインのいずれかに、第1の巻線N1を介挿してもよい。
ここで、この発明による漏電検出装置の検出回路の他の例を図8によって説明する。
図8は、図1、図6、図7(以下「図1等」と言う)に示した漏電検出装置6における検出回路31に代わる検出回路を、全波整流回路とCR時定数回路とトランジスタ回路とによって構成した例を示す。
全波整流回路は4個のダイオードDa〜Ddをブリッジ接続したダイオードブリッジ回路40であり、その入力端子j,kを図1等における漏電検出用トランス30の増幅用巻線N20の両端子d1,d2に接続し、増幅用巻線N20に発生する交流電圧VN20を入力する。
トランジスタQ2はNPN型トランジスタであり、そのコレクタには電源43から抵抗R5を介して電源電圧Vaが印加され、エミッタは抵抗R6を介してフレームグラウンドGNDに接続して、エミッタホロワのトランジスタ回路42を構成している。
したがって、この電圧Vdが発生するとトランジスタQ2が導通してコレクタ電流及びエミッタ電流が流れる。それによって、トランジスタQ2のエミッタには、電源電圧Vaを抵抗R5とR6によって分圧した電圧が発生する。この電圧を検出電圧Vd′として出力する。
ダイオードブリッジ回路40による全波整流回路では、図1等の検出回路31に用いた倍電圧整流回路のように入力する交流電圧の先頭値の2倍近くの整流電圧を得ることはできないが、交流電圧が負の期間も整流電圧が出力されるので、安定した整流電圧になる。さらに、CR時定数回路によって時定数を持たせて平滑するので、外来ノイズ等の影響を除去して漏電等の発生による検出電圧Vdを安定して得ることができる。
漏電検出用トランス30の増幅用巻線N20には、高電圧の交番によって発生する磁場の影響で、誘起される電圧にノイズがのることがあるが、それを除去することができる。
この場合、検出電圧Vdの増加に応じて検出電圧Vd′が急激に増加するため、比較電圧Vref の設定が容易であり、漏電の発生を精度よく早期に確実に検出することができ、それによって高電圧インバータ5(又は51,52)の動作を完全に停止させることが容易になる。
あるいは、2段以上のトランジスタを有するトランジスタ回路によって、検出電圧を電圧変換するようにしてもよい。
さらに、この発明による漏電検出装置の検出回路は、少なくとも1個以上のダイオードとコンデンサとによって構成される交流電圧を整流及び平滑する整流回路であればよい。
したがって、前述した全波倍電圧整流回路、全波整流回路と平滑回路に限らず、半波整流回路と平滑回路、半波倍電圧整流回路、多段倍電圧整流回路等も使用できる。
図9は、この発明による高電圧インバータ装置に磁場を遮断する機能を持つ遮蔽板を設ける実施例の概念的な説明図である。
図1等に示した高電圧インバータ装置から負荷への給電経路において漏電や位相ズレ等が発生すると、前述したように漏電検出装置6の漏電検出用トランス30の第1の巻線N1と第2の巻線N2を流れる源流に差が生じ、それにより増幅用巻線N20に電圧が誘起されることによって、その漏電等を早期に検出することができる。
そのため、図9に示すように、電力変換用のトランス10及びスイッチング素子Qsw等からなる電力変換部7、及びその入力端子1a,1bと出力端子2a,2bと、漏電検出装置6及び制御回路20との間に、磁場を遮断する機能を持つ遮蔽板8を設けて磁場の影響を遮断する。
遮蔽板8は、透磁率が高いアモルファス合金や鉄等の金属材料で形成するのがよく、さらには編み込んだ金属繊維であるとなおよい。
ノイズによる高周波電流はエッジ部にしか流れないが、編み込みを入れることによりその表面に高周波電流が流れやすくなる。それにより遮蔽効果を上げ、交流高電圧による磁場の影響を最小限にすることができる。
5,51,52:高電圧インバータ 6:漏電検出装置 7:電力変換部
8:遮蔽板 10,10′,10″:トランス(共振トランス)
11,12:出力ライン 20:制御回路 30:漏電検出用トランス
31:検出回路 32:基準電源 33:比較回路(コンパレータ)
35,35′:ボビン 36,36′:トランス内部放電防止用の空間
40:ダイオードブリッジ回路(全波整流回路) 41:CR時定数回路
42:トランジスタ回路 43:電源
NP,NP1,NP2,NP3:励磁巻線
NS,NS1,NS2,NS3:出力巻線
N1:第1の巻線 N2:第2の巻線 N20:増幅用巻線
D,D1,D2:ダイオード C,C1,C2,C3:コンデンサ
R,R1〜R6:抵抗 GND:フレームグラウンド
Claims (7)
- 直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された入力電圧をスイッチングして、トランスの励磁巻線に励磁電流を流し、該トランスの出力巻線から交流高電圧を出力して、該出力巻線の両端がそれぞれ出力ラインを介して接続された一対の出力端子から負荷に該交流高電圧を供給するように構成され、前記出力巻線の一端と前記出力端子の一方との間の出力ラインがフレームグラウンドに接続された高電圧インバータ装置の漏電検出装置であって、
前記フレームグラウンドに接続された点から電流が流出する側の出力ラインに直列に介挿される第1の巻線と、前記フレームグラウンドに接続された点に電流が流入する側の出力ラインに直列に介挿される第2の巻線と、増幅用巻線とを有し、前記第1の巻線と第2の巻線は互いに巻方向が逆で巻数が同じであり、前記増幅用巻線の巻数は前記第1、第2の巻線より1桁以上多い漏電検出用トランスと、
該漏電検出用トランスの前記増幅用巻線の両端子間から出力される交流電圧を整流及び平滑して検出電圧を生成する検出回路と、
該検出回路によって生成された検出電圧を予め設定した比較電圧と比較して、前記検出電圧が前記比較電圧を越えたときに漏電検出信号を出力する比較回路とからなることを特徴とする漏電検出装置。 - 前記検出回路が、少なくとも1個以上のダイオードとコンデンサとによって構成される整流回路であることを特徴とする請求項1に記載の漏電検出装置。
- 前記整流回路が倍電圧整流回路又は全波整流回路であることを特徴とする請求項2に記載の漏電検出装置。
- 前記検出回路が、ダイオードブリッジによる全波整流回路と、その整流電圧を平滑する抵抗とコンデンサからなるCR時定数回路と、該CR時定数回路によって平滑された電圧を少なくとも1段のトランジスタを介して電圧変換した電圧を前記検出電圧として出力するトランジスタ回路とからなることを特徴とする請求項1に記載の漏電検出装置。
- 励磁巻線と出力巻線を有するトランスと、直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された入力電圧を前記励磁巻線に印加して励磁電流を流す回路をスイッチングするスイッチング素子と、該スイッチング素子を制御する制御回路とを有し、前記出力巻線から交流高電圧を出力して、該出力巻線の両端がそれぞれ出力ラインを介して接続された一対の出力端子から負荷に該交流高電圧を供給するように構成され、前記出力巻線の一端と前記出力端子の一方との間の出力ラインがフレームグラウンドに接続された高電圧インバータ装置であって、
請求項1から4のいずれか一項に記載の漏電検出装置を備え、
該漏電検出装置の前記比較回路から出力される漏電検出信号を前記制御回路に入力させ、該制御回路は、前記漏電検出信号が所定期間以上連続して入力すると前記スイッチング素子のスイッチング動作を完全に停止させるようにしたことを特徴とする高電圧インバータ装置。 - 請求項5に記載の高電圧インバータ装置であって、
前記励磁巻線と出力巻線を有するトランスを、同一の特性を持つ個別の複数の共振トランスによって構成し、該複数の共振トランスの各励磁巻線を並列又は直列に接続して同時に励磁させるようにし、該複数の共振トランスの各出力巻線を互いに直列又は並列に接続し、該複数の共振トランスの各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期するように構成したことを特徴とする高電圧インバータ装置。 - 前記励磁巻線と出力巻線を有するトランス及び前記スイッチング素子を含む電力変換部と、前記制御回路及び前記漏電検出装置との間に、磁場を遮断する機能を持つ遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項5又は6に記載の高電圧インバータ装置。
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