JP2013214406A - Circuit cut-off switch for dc circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流無停電給電システムなどの直流回路に適用する回路遮断スイッチに関する。 The present invention relates to a circuit cutoff switch applied to a DC circuit such as a DC uninterruptible power supply system.
近年、直流電源から需要負荷に直流電力を供給する直流給電システムが展開されるようになってきているが、この直流給電システムに適用する回路遮断スイッチには、その開閉動作に伴って接点間に発生するアークの消弧対策が課題となっている。 In recent years, a DC power supply system that supplies DC power from a DC power source to a demand load has been developed, but a circuit breaker switch applied to this DC power supply system has a contact between contacts according to its switching operation. Measures to extinguish arcs that have occurred are an issue.
すなわち、直流回路に通常の接点を備えた機械式スイッチを適用した場合、スイッチの開閉動作に伴ってその接点間に発生した直流アークが消弧しにくいことから、従来から様々なアーク消去方式が提案されており、その一つに機械式スイッチの接点間に半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開閉動作時に電流を半導体スイッチに転流させて機械式接点間に生じたアークを素早く消滅させた上で、この半導体スイッチをOFF制御して電流を遮断するようにした「機械式スイッチの接点間アークの消去装置」(特許文献1参照)が知られており、次にその回路遮断スイッチの構成を図3に示す。 In other words, when a mechanical switch with a normal contact is applied to a DC circuit, it is difficult to extinguish a DC arc generated between the contacts when the switch is opened and closed. One of them is a semiconductor switch connected in parallel between the contacts of the mechanical switch, and the arc generated between the mechanical contacts is quickly extinguished by commutating the current to the semiconductor switch when the mechanical switch is opened and closed. In addition, there is known a “mechanical switch inter-contact arc erasing device” (refer to Patent Document 1) in which the semiconductor switch is turned off to cut off the current. The configuration is shown in FIG.
この回路遮断スイッチは、図示のように直流電源と負荷との間に接続された機械式スイッチ(機械接点)と、この機械式スイッチの接点間に発生するアークを消去するために並列接続された半導体スイッチ(IGBTなどの半導体スイッチング素子)と、この半導体スイッチをON、OFFする制御回路,電源回路などで構成されている。 As shown in the figure, this circuit breaker switch is connected in parallel to a mechanical switch (mechanical contact) connected between the DC power source and the load, and to eliminate an arc generated between the contacts of the mechanical switch. A semiconductor switch (semiconductor switching element such as IGBT), a control circuit for turning on and off the semiconductor switch, a power supply circuit, and the like are included.
そして、機械式スイッチをONに投入して直流電源から負荷に給電している通電状態では、半導体スイッチはOFF状態としている。これにより、回路電流は機械式スイッチの接点を通じて負荷に通流する。一方、回路電流の遮断時には、まず半導体スイッチをONに制御した上で、続いて機械式スイッチの接点を開極させる。これにより、機械式スイッチの接点にいままで流れていた電流は、接点の開極動作開始と同時に半導体スイッチ側へ転流して機械式スイッチの接点間に生じていたアークが即時消滅する。その後、半導体スイッチをOFF制御することにより、半導体スイッチに流れていた電流も遮断されて回路電流が完全に遮断される。 In the energized state in which the mechanical switch is turned on and power is supplied from the DC power supply to the load, the semiconductor switch is in the OFF state. Thereby, the circuit current flows to the load through the contact of the mechanical switch. On the other hand, when the circuit current is interrupted, the semiconductor switch is first controlled to ON, and then the contact of the mechanical switch is opened. As a result, the current that has been flowing to the contact point of the mechanical switch is commutated to the semiconductor switch side simultaneously with the start of the contact opening operation, and the arc generated between the contact points of the mechanical switch immediately disappears. Thereafter, by turning off the semiconductor switch, the current flowing in the semiconductor switch is also cut off and the circuit current is completely cut off.
上記の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチにアーク消滅のための付加的な消弧装置を設けることが不要となる。さらに、半導体スイッチにおいても常時は通電OFFで、電流遮断時のごく短時間のみ電流を通電させるため、過渡な温度上昇の問題もなく、これにより直流の回路電流を安全,確実に遮断することが可能となる。 According to the circuit breaker switch described above, it is not necessary to provide an additional arc extinguishing device for extinguishing the arc in the mechanical switch. In addition, the semiconductor switch is always energized OFF, and the current is energized for only a very short time when the current is interrupted, so there is no problem of transient temperature rise, and this can safely and reliably interrupt the DC circuit current. It becomes possible.
ところで、先記した特許文献1の回路遮断スイッチにおいては、半導体スイッチで遮断する電流の通流方向は一方向に決まっているため、双方向の電流を遮断することは不可能である。 By the way, in the above-described circuit cutoff switch of Patent Document 1, since the direction of current flow interrupted by the semiconductor switch is determined in one direction, it is impossible to interrupt bidirectional current.
一方、図2で示すように、直流電源1と負荷2との間の給電線路3に二次電池などの蓄電装置4を配線路5を介して分岐接続しておき、平時は直流電源1から負荷2に給電しながら蓄電装置4を浮動充電し、直流電源1からの給電が停止した非常時には蓄電装置4から負荷2への給電を継続して行うようにした直流無停電給電システムにおいては、蓄電装置4の浮動充電時に配線路5に流れる電流(実線矢印)と放電時の電流(点線矢印)とが逆向きになる。このために、蓄電装置4に通じる回路に接続して使用する回路遮断スイッチ6には双方向の電流遮断機能が必要となる。そのほか、分散型直流電源などの間で電力の逆潮流を行う系統連系の直流回路に適用する回路遮断スイッチについても、前記と同様な双方向の電流遮断機能が必要である。
On the other hand, as shown in FIG. 2, a power storage device 4 such as a secondary battery is branched and connected to a
しかしながら、先記した特許文献1の回路遮断スイッチは双方向の電流遮断が不可能であるため、このままでは図2に示した直流無停電給電システムのように回路電流の通流方向が反転するような直流回路には適用できないといった問題がある。 However, since the circuit cut-off switch of Patent Document 1 described above cannot cut off bidirectional currents, the circuit current flow direction is reversed as in the DC uninterruptible power supply system shown in FIG. There is a problem that it cannot be applied to a direct current circuit.
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は機械式スイッチに半導体スイッチを組み合わせた先記の回路遮断スイッチに簡易の手段を追加することで、双方向の電流遮断機能を持たせた直流回路用の回路遮断スイッチを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a bidirectional current cutoff function by adding a simple means to the above-described circuit cutoff switch in which a semiconductor switch is combined with a mechanical switch. Another object of the present invention is to provide a circuit cutoff switch for a direct current circuit.
上記目的を達成するために、本発明によれば、機械式スイッチと、該機械式スイッチと並列に接続された半導体スイッチと、半導体スイッチを制御する制御回路とを備えた直流回路を開閉する回路遮断スイッチにおいて、前記機械式スイッチと並列にダイオードブリッジ回路を接続するとともに、該ダイオードブリッジ回路の二つのダイオードのカソード間と、残りの二つのダイオードのアノード間に、前記半導体スイッチに流れる電流が一定方向となるように、前記半導体スイッチを接続する(請求項1)。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a circuit for opening and closing a DC circuit comprising a mechanical switch, a semiconductor switch connected in parallel with the mechanical switch, and a control circuit for controlling the semiconductor switch. In the cutoff switch, a diode bridge circuit is connected in parallel with the mechanical switch, and a current flowing through the semiconductor switch is constant between the cathodes of the two diodes of the diode bridge circuit and the anodes of the remaining two diodes. The semiconductor switches are connected so as to be in a direction (claim 1).
ここで前記の半導体スイッチには、IGBT,MOS−FET,GTOサイリスタからなる半導体スイッチング素子を採用する(請求項2)。 Here, a semiconductor switching element composed of an IGBT, a MOS-FET, and a GTO thyristor is adopted as the semiconductor switch.
前記構成の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチに流れる回路電流の通流方向に制約されることなく、機械式スイッチの開閉動作時に該機械式スイッチから半導体スイッチに転流した双方向の電流の遮断が可能となる。 According to the circuit cut-off switch configured as described above, the bidirectional current commutated from the mechanical switch to the semiconductor switch during the opening / closing operation of the mechanical switch is not limited by the flow direction of the circuit current flowing through the mechanical switch. Can be cut off.
したがって、直流電源と負荷との間に二次電池などの蓄電装置を分岐接続して負荷への給電を行う直流無停電給電システム、あるいは分散型直流電源の間で電力の逆潮流を行う直流回路などにおいても、機械式スイッチの開閉動作時にその接点間に発生した直流アークを素早く消去して双方向の電流を安全,確実に遮断することができる。 Therefore, a DC uninterruptible power supply system that supplies power to a load by branching a power storage device such as a secondary battery between the DC power supply and a load, or a DC circuit that performs reverse power flow between distributed DC power supplies In such cases, the direct current arc generated between the contacts during the opening / closing operation of the mechanical switch can be quickly erased, and the bidirectional current can be safely and reliably interrupted.
以下、本発明の実施の形態を図1に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例の回路遮断スイッチは、例えば図2の直流無停電給電システムにおける蓄電装置4の配線路5に接続した回路遮断スイッチ6として適用するものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described based on the example shown in FIG. The circuit cutoff switch of the illustrated embodiment is applied as a circuit cutoff switch 6 connected to the
図1において、回路遮断スイッチ6は、直流回路の配線路5に接続した機械式スイッチ7と、該機械式スイッチ7に補助接点8を介して並列接続したダイオードブリッジ回路9と、該ダイオードブリッジ回路9に接続した半導体スイッチ10とから構成されている。
In FIG. 1, a circuit cut-off switch 6 includes a
ここで、図示の機械式スイッチ7は両切り式スイッチ(2接点)であるが、片切り式スイッチ(1接点)を用いてもよい。また、該機械式スイッチ7は、リレーのような電気的な指令を受けて開閉動作する方式のほか、手動あるいは回路の故障電流を検知して開閉動作する方式のものであってもよい。
Here, the illustrated
また、半導体スイッチ10はIGBT,MOS−FET,GTOサイリスタなどの半導体スイッチング素子10a(図示実施例はIGBTを採用しており、以下「半導体スイッチング素子」を「IGBT」と呼称する)と、該IGBT10aに逆並列接続したフリーホイーリング・ダイオード(還流ダイオード)10bからなり、IGBT10aのコレクタ,エミッタの各端子が、4個のダイオードD1〜D4で構成されたダイオードブリッジ回路9におけるダイオードD1/D3,D2/D4の間に接続されている。なお、図示してないが、半導体スイッチ10には図3と同様にIGBT10aをオン、オフ制御する制御回路,およびその電源回路を付属している。
The
次に前記構成による回路遮断スイッチ6の動作を説明する。まず、回路遮断スイッチ6のON(通電)状態では機械式スイッチ7の開閉接点7aが閉極している。この場合に、IGBT10aはON状態でもOFF状態どちらでもよく、補助接点8がONであってもIGBT10a,ダイオードD1〜D4はそのオン電圧(約2V×3=6V)により電流が通流することはない。
Next, the operation of the circuit cutoff switch 6 having the above configuration will be described. First, the open / close contact 7a of the
また、回路遮断スイッチ6を投入する際は、機械式スイッチ7を先にONにするか、あるいは半導体スイッチ10を先にON制御して機械式スイッチ7の開閉接点7aを後から閉極してもよい。但し、半導体スイッチ10を先にONとする場合には、IGBT10aの通電による素子の温度上昇を考慮して、IGBT10aのONから機械式スイッチ7のON動作までの時間を出来るだけ短く制御することが望ましい。これに対して、機械式スイッチ7を先に投入する場合は、IGBT,およびダイオードのオン電圧により、IGBT10aには電流が流れることがないので、機械式スイッチ7の投入からIGBT10aがONするまでの時間制御は比較的長くても問題ない。
When the circuit breaker switch 6 is turned on, the
一方、回路遮断スイッチ6をOFF(遮断)にして配線路5に流れている回路電流を遮断する場合には、機械式スイッチ7の接点開極に先立って、半導体スイッチ10のIGBT10aをON状態に制御しておくことが好ましい。すなわち、機械式スイッチ7の開閉接点7aを先に開極し、IGBT10aを後からON制御すると、機械式スイッチ7の開閉接点7aが開極してからIGBT10aがONするまでの間、機械式スイッチ7の接点間(固定接点と可動接点の間)にアークarcが発生し続け、そのために接点の消耗が早く進行する。
On the other hand, when the circuit interrupting switch 6 is turned off (shut off) and the circuit current flowing through the
この電流遮断時に機械式スイッチ7が開極すると、その接点間にはアークarcが発生してアーク電圧が生じる。この場合に、接点間のアーク電圧は接点材料と電極ギャップにより決まり、開極動作開始の初期では1接点当り約15V程度のアーク電圧が発生し、図示実施例の両切り接点(2接点)の場合は約15V×2=30Vのアーク電圧が発生する。その後、開閉接点7aの開極距離増加とともにアーク電圧が上昇し、このアーク電圧がIGBT10a,およびダイオードD1〜D4のオン電圧を超えると、回路電流が機械式スイッチ7からIGBT10aに転流して機械式スイッチ7の接点間にいままで生じていたアークarcは消滅する。そして、電流がIGBT10aに転流した後にIGBT10aをOFF制御することにより回路電流が完全に遮断する。なお、図示実施例のように、半導体スイッチ10を経由する転流回路側に補助接点8を設け、IGBT10aのOFF制御後に補助接点8を開極すれば、ダイオードブリッジ回路9,半導体スイッチ10のIGBT10aを経由して転流回路に流れる漏れ電流を遮断することが可能となる。
When the
一方、図示実施例の回路遮断スイッチ6では、ダイオードブリッジ回路9を介してIGBT10aを機械式スイッチ7に並列接続している。これにより、図示のように回路遮断スイッチ6を接続した配線路5に実線矢印で表す通電方向1,もしくは点線矢印で表す通電方向2に回路電流が流れた通電状態でも、ダイオードブリッジ回路9を介して半導体スイッチ10のIGBT10aに通流する電流の通電方向は同じ方向となるので、これにより双方向に流れる回路電流の遮断が可能となる。
On the other hand, in the circuit cutoff switch 6 of the illustrated embodiment, the IGBT 10 a is connected in parallel to the
これにより、図2に示した直流無停電給電システムなどに先記の回路遮断スイッチ6を適用することで、双方向に通流する回路電流を安全,かつ確実に遮断することができる。 Thereby, by applying the above-described circuit cutoff switch 6 to the direct current uninterruptible power supply system shown in FIG. 2, the circuit current flowing in both directions can be safely and reliably cut off.
1 直流電源
2 負荷
4 蓄電装置
6 回路遮断スイッチ
7 機械式スイッチ
7a 開閉接点
8 補助接点
9 ダイオードブリッジ回路
D1〜D4 ダイオード
10 半導体スイッチ
10a 半導体スイッチング素子(IGBT)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply 2 Load 4 Power storage device 6
Claims (2)
前記機械式スイッチと並列にダイオードブリッジ回路を接続するとともに、該ダイオードブリッジ回路の二つのダイオードのカソード間と、残りの二つのダイオードのアノード間に、前記半導体スイッチに流れる電流が一定方向となるように前記半導体スイッチを接続したことを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。 In a circuit cut-off switch for opening and closing a DC circuit comprising a mechanical switch, a semiconductor switch connected in parallel with the mechanical switch, and a control circuit for controlling the semiconductor switch,
A diode bridge circuit is connected in parallel with the mechanical switch, and the current flowing through the semiconductor switch is in a constant direction between the cathodes of the two diodes of the diode bridge circuit and the anodes of the remaining two diodes. A circuit cut-off switch for a DC circuit, wherein the semiconductor switch is connected to a DC circuit.
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