JP2014512789A - 三相系統内の三相負荷の短絡保護用の電気装置 - Google Patents

三相系統内の三相負荷の短絡保護用の電気装置 Download PDF

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Abstract

本発明の対象は、三相系統内の三相負荷(1)の短絡保護用の装置であって、装置(2、3、4)を三相電力供給系統(5)に接続するための入力部と、三相負荷(1)を装置(2、3、4)に接続するための出力部と、補助短絡を生成する手段をトリガすることにより三相電力供給系統(5)内に補助短絡を生成する手段(4)と、三相負荷(1)における短絡を識別する手段(2)と、短絡が識別されたときにトリガパルスを発生させる手段(3)と、を備え、補助短絡を生成する手段(4)及び短絡を識別する手段(2)が入力部と出力部との間の電流経路内に設けられ、補助短絡を生成する手段(4)がトリガパルスによってトリガされ得る、装置である。

Description

本発明は、三相系統内の三相負荷の短絡保護用の装置、及び前述した装置を備える半導体開閉装置保護デバイスに関し、三相系統内の三相負荷の短絡保護を向上させるための方法にも関する。
三相交流系統又は電源アプリケーションとも呼ばれる三相系統では、多くの場合に周波数変換器、接触器、半導体モータ開閉装置などの開閉装置で三相回路網に接続されている、モータ、加熱要素、ランプなどの三相系統上で運転される三相負荷に対する短絡保護が、電気的安全上の理由で必要である。例えば、ヒューズや遮断器などの電流制限スイッチング要素が短絡保護に使用され得る。
この種のスイッチング要素の容量を決定する主要パラメータは、カットオフ電流、すなわち三相負荷が切断される前に流れる電流のピーク値、そしてまた、スイッチング要素の必要な引外しエネルギー、例えばヒューズの溶断積分、すなわちスイッチング要素を用いて断路を引き起こすのに必要なエネルギーである。前述した両特性の負荷特有の容量決定は、三相回路網の接続されている負荷と、スイッチング要素と、短絡にもかかわらず現在の回路網により接続されている有効なインピーダンス、及び/又は線路インピーダンスと、に依存するとともに、短絡電流を伝導しなければならない他の要素にも依存する。
電流制限スイッチング要素の場合、接触器やモータ開閉装置などの下流側に接続された開閉装置の許容パラメータを超える可能性があり、したがってより小さいヒューズが選定されなければならない、という課題がしばしばある。しかし、関係する原理により高いピーク電流を有する用途では、例えばモータの起動電流の場合、このことは設計コンフリクト(design conflict)につながる。加えて、従来技術から知られている多くの電流制限スイッチング要素は、高短絡電流を実に速く切断することができるが、比較的小さい短絡電流の場合に動作するのが遅過ぎることがあり、したがって、過大な電流が下流負荷に流れる恐れがあり、接続されているモータ及び加熱要素内に損傷を与える可能性がある。
前述した課題に対する従来技術から知られている解決手法は、電流制限スイッチング要素と三相回路網と負荷との間の最良の調和を達成するという概念に基づいている。この点に関連して、規格IEC60947−4−1では、短絡保護の範囲内で、短絡後のデバイス又は負荷の許容損傷レベルを記載している2つの分類タイプに区別している。分類タイプ1では、接触器や半導体開閉装置などの下流デバイスは、下流デバイスに火災などのリスクがない場合、又はむきだしの充電部によるリスクがない場合に破壊される可能性がある。分類タイプ2では、下流デバイスは引き続き機能できなければならないが、簡単な工具を用いて開閉接点を切り離すなどのユーザの介入が必要となり得る。この場合、下流側のデバイス又は負荷の耐用寿命の短縮が許容され、すなわち、短絡状況が任意に起こることはない。接触器などの機械的開閉装置は分類タイプ2に割り当てられることが多いのに対して、分類タイプ1は、通常、例えばモータ用の半導体開閉装置に適用できる。
前述した課題に対する従来技術から知られている解決手法は、短絡電流をできるだけ迅速に切断して、下流側のデバイス又は負荷が損傷を受けないようにするか、又は有害な短絡電流を、例えば直列抵抗器を用いて、下流側のデバイス又は負荷の臨界パラメータを超えない程度に制限する、或いは別法として、開閉装置を結果的に過大な容量になるように設計する、という概念に基づいている。しかしながら、これらの手法はすべて、これらの手法が下流側のデバイス又は負荷に応じて特異的に実施されなければならならず、したがって広く使用され得ないという欠点がある。
したがって、本発明の目的は、分類タイプ1のデバイス又は負荷を、デバイス又は負荷に対する短絡保護の何の技術的な制限を生じさせずに分類タイプ2に分類することを可能にする装置を提供することである。特に、本発明の目的は、保護されるべきデバイス又は負荷のタイプとは無関係に、短絡が発生した場合にデバイス又は負荷を破壊せずにデバイス又は負荷に対する短絡保護を可能にする装置を提供することである。
この目的は、本発明によれば、独立請求項の特徴によって達成される。本発明の有利な実施形態が従属請求項に明記されている。
したがって、この目的は、三相系統内の三相負荷の短絡保護用の装置であって、装置を三相回路網に接続するための入力部と、三相負荷を装置に接続するための出力部と、補助短絡を生成する手段の点火により三相回路網内に補助短絡を生成する手段と、三相負荷での短絡を識別する手段と、短絡を識別したときに点火パルスを発生させる手段と、を備え、補助短絡を生成する手段及び短絡を識別する手段が、入力部と出力部との間の電流経路内に設けられ、補助短絡を生成する手段が点火パルスによって点火可能である、装置によって達成される。
本発明によれば、装置を経た後の短絡及び/又は地絡の場合、すなわち、例えば三相負荷内で短絡が発生した場合、その結果、「バイパス」の形をとる補助短絡として知られているものが装置によって作られ、したがって、三相負荷にとって有害な短絡電流は、三相負荷又は三相負荷の上流側に接続されている開閉装置にはこれ以上流れないが、三相回路網と装置との間に設けられ得るヒューズや遮断器などの従来技術から知られている短絡保護デバイスによってバイパスが作られることにより切断される。この場合、バイパス又は補助短絡は、例えば、三相回路網の2つの相の間の短絡として実施され得、したがって、短絡保護デバイスは次いで三相負荷と三相回路網との間の接続を遮断する。
したがって、本発明による装置により、分類タイプ1に対し従来適していた半導体ベースのモータ開閉装置が非常に簡単な態様で可能になり、装置を介して三相回路網に接続された結果として分類タイプ2を実現することも特に簡単な態様で可能になる、すなわち、前記開閉装置は、従来技術から知られている解決法と比べると、短絡が発生した場合に、もはや破壊を起こし得ない。補助短絡を生成する手段がバイパスを作るので、出力部に接続可能な三相負荷は、短絡が発生した場合にも損傷がないままである、というのは、短絡電流はもはや三相負荷には流れず、バイパスに流れるからである。したがって、装置は、短絡電流による破壊から三相負荷を保護する保護デバイスを、特に有利な態様で構成し、短絡を識別する手段は、短絡が発生した場合に短絡を検出し、短絡を検出すると、次いで点火パルスを発生させる手段は、点火パルスを用いて、バイパス、すなわち短絡又は補助短絡が入力側で装置から三相回路網内に供給されるような態様で、補助短絡を生成する点火可能手段を点火して、上流の短絡保護デバイスが作動し、装置のエネルギー供給を遮断し、したがって装置に接続された三相負荷のエネルギー供給も遮断するようにする。
原理上、補助短絡を生成する手段、及び/又は短絡を識別する手段、及び/又は点火パルスを発生させる手段は、任意に具現され得る。しかしながら、本発明の一発展形態によれば、補助短絡を生成する手段は、点火入力部、結合要素及び点火可能アークギャップを備えることが特に好ましく、点火入力部、結合要素及びアークギャップは、点火入力部に印加され得る点火パルスの形をとる点火電圧が、アークを点火するために、結合要素を通じてアークギャップに作用するような態様で具現され、アークギャップは、補助短絡が三相回路網の少なくとも2つ相の間にアークによって生成され得るような態様で具現されることが好ましい。この場合、点火パルスをトリガする点火電圧は、補助短絡を生成するために点火入力部に印加される電圧過渡現象であることが好ましく、結合要素及びアークギャップは、アークが比較的低い電圧でも生成され、そして三相回路網を短絡させるような態様で容量決定されることが好ましい。アークにより、主電流経路の短絡電流は生成済みアークに転流し、もはや三相負荷の中を流れない。転流により、バイパスがそれによって短絡電流に対して作られ、したがって、装置に接続された三相負荷はもはや短絡電流によって損傷を受けることはない。この種のアークには原理上、短絡電流の負荷が任意にかかり得るので、短絡電流はアークギャップ中でかなりの電力損失をもたらすが、好ましくは装置の上流側に配置される短絡保護デバイスが設けられ、アークが発生した場合に装置と三相回路網との間の接続を遮断する。
この点に関連して、三相回路網の各相が、2つの結合要素及び1つのアークギャップを有すること、各相の第1の結合要素は、すべての第1の結合要素が点火入力部で星形に互いに接続されるような態様で、各相と点火入力部との間に接続されること、各相の第2の結合要素は、すべての第2の結合要素が点火入力部で星形に互いに接続されるような態様で、各アークギャップの点火用の各相に割り当てられた入力部と点火入力部との間に接続されること、並びに、各相と他の各相又は接地との間の各アークギャップは、点火入力部に印加される点火電圧が星形に互いに接続された第1の結合要素と星形に互いに接続された第2の結合要素との間で降下するような態様で接続されること、も好ましい。
本発明の好ましい一発展形態によれば、短絡を識別する手段は、電流センサ及びスイッチング閾値を識別する手段を備え、電流センサは、三相回路網の相の電流経路内に配置され、スイッチング閾値を識別する手段は電流センサと協調し、スイッチング閾値を識別する手段は、予め定義されたスイッチング閾値を超えた場合に短絡の識別が点火パルスを発生させる手段に信号で送られるような態様で具現される。電流センサは、例えば、シャント抵抗器として、又はPTC、又はホールセンサ、又はロゴスキーコイルとして形成されることが好ましい。この点に関連して、三相回路網の各相は、各電流センサ及びスイッチング閾値を識別する各手段をさらに備え、各スイッチング閾値を識別するすべての手段は、たった1つの相においてスイッチング閾値を超えた場合に短絡の識別が点火パルスを発生させる手段に信号で送られるような態様で、OR論理接続を通じて出力側で互いに接続される。スイッチング閾値として、短絡電流値が定義されることが好ましく、例えば、公称電流の10倍から20倍とすることができる。この短絡電流値を超えた場合、スイッチング閾値を識別する手段は、点火パルスを発生させる手段に、補助短絡を生成する手段が点火パルスによって点火されるべきである、という信号を送る。スイッチング閾値を識別する手段は、ガルバニック絶縁デバイスを備えることも好ましい。
本発明の好ましい一発展形態によれば、点火パルスを発生させる手段はコイルをさらに備え、コイルは、点火パルスがコイルへのエネルギーの印加を遮断することによって発生させられうるような態様で、スイッチング可能な形でエネルギー源に接続される。したがって、コイル内に誘起される電圧は、補助短絡を生成する手段に点火するための点火エネルギーとして使用されることが好ましい。この場合、エネルギー源は、コイルに流れる電流を駆動する補助電圧源として形成されることが好ましく、この目的で、抵抗器がコイルの電流経路内に設けられ得る。この電流は、例えばトランジスタによって遮断され得る。この場合、コイル内に蓄えられたエネルギーは、点火パルスとして点火入力部に誘導されることも好ましい。代替実施形態によれば、スイッチングパルスを発生させる手段は、点火パルスが短絡を識別する手段によって確立された短絡電流によって発生させられ得るような態様で具現されることが好ましい。したがって、点火パルスを発生させるための点火エネルギーは短絡電流から取り出されることが好ましく、換言すれば、したがって、短絡電流は補助電圧源に置換できる。別の実施形態では、点火パルスが発生させられ得るようにする変圧器回路が設けられてもよい。容量的に蓄えられたエネルギーが点火エネルギーとして使用され得るように、高電圧値に事前に充電され得るコンデンサを設けることも同様に可能である。
本発明の目的は、前述した装置を備え、さらに半導体スイッチングデバイスも備える半導体開閉装置保護デバイスであって、半導体スイッチングデバイスが装置の出力部に設けられ、三相負荷に接続するために設計される、半導体開閉装置保護デバイスによっても達成される。この種の実施形態により、短絡が発生した場合、短絡電流は半導体スイッチングデバイスに損傷を与えないが、短絡電流は装置によって作られた補助短絡に流れ、それによって好ましくは装置の上流側に配置された短絡保護デバイスを作動して、装置がもはや三相電源に接続されないようにすることが可能である。この種の解決法により、従来技術に比べて実質的な進歩が遂げられる、というのは、半導体スイッチングデバイスは、短絡電流が発生した場合にもはや短絡電流によって破壊されないからである。
本発明による半導体開閉装置保護デバイスのさらなる実施形態及び利点が、装置の上述した実施形態から類推して、当業者には明らかになるであろう。
本発明の目的は、三相系統内の三相負荷の短絡保護を向上させる方法によっても達成され、前記方法は、a)三相負荷での短絡を識別するステップと、b)短絡を識別したときに点火パルスを発生させるステップと、c)点火パルスによって点火可能な手段を用いて三相系統内に補助短絡を発生させるステップと、を含む。
本発明による方法のさらなる実施形態及び利点が、装置の上述した実施形態から類推して、当業者には明らかになるであろう。
本発明は、好ましい実施形態に基づいて添付図面を参照して以下により詳細に説明される。
本発明による装置の概略図である。 補助短絡を生成する本発明による手段の概略図である。 点火パルスを生成する本発明による手段の概略図である。 短絡を識別する本発明による手段の概略図である。
図1に、三相負荷1の短絡保護用の本発明による装置の例示的な応用例の概略図を示す。
装置は、三相負荷1での短絡を識別する手段2と、短絡を識別したときに点火パルスを発生させる手段3と、を備え、さらに補助短絡を生成する手段4も備える。装置2、3、4は三相回路網5に接続される。短絡を識別する手段2が三相負荷1での短絡を検出すると、手段2は、検出された短絡を、点火パルスを発生させる手段3に信号で送る。点火パルスを発生させる手段3は点火パルスを発生させ、その結果、補助短絡を生成する手段4が点火し、三相回路網5内に補助短絡を生成する。
三相負荷1を経る前には、開閉装置7、例えば周波数変換器、接触器又は半導体モータ開閉装置が設けられ、したがって、短絡を識別する手段2と三相負荷1、例えばモータとの間に配置され及び備えられる。短絡電流デバイス8が三相回路網5と装置2、3、4との間に設けられ、三相回路網5の各相6にヒューズ9又は遮断器を備える。
本発明によれば、装置2、3、4を経た後で、すなわち、例えば開閉装置7内又は三相負荷1内に短絡及び/又は地絡が発生した場合、「バイパス」の形をとる補助短絡が装置2、3、4によってすぐに生成され、短絡電流は、もはや開閉装置7及び/又は三相負荷1に流れないが、補助短絡により少なくとも2つの相6の間を流れるようにし、したがって、短絡保護デバイス8は、三相回路網5、すなわちエネルギー供給部と装置2、3、5との間の接続、したがって開閉装置7及び三相負荷1に対する接続を遮断する。
図2に、補助短絡を生成する手段4の例示的な一実施形態を示す。手段4は点火入力部10を備えており、点火入力部10に点火電圧を印加することにより、手段4は点火されて、手段4が三相回路網5内に補助短絡を生成するようにする。この目的のために、手段4は、この場合はバリスタ及びコンデンサとして形成された結合要素11をさらに備える。アークギャップ12も設けられ、サージプロテクタ又は空気火花ギャップとして形成され得る。
図2からも分かるように、2つの結合要素11及び1つのアークギャップ12が三相回路網5の各相6に設けられ、第1の結合要素11、13及び第2の結合要素11、14は互いに星形に接続され、点火電圧が、かかる星形に互いに接続された第1の結合要素11、13とかかる星形に互いに接続された第2の結合要素11、14との間の点火入力部10に印加され得る。第2の結合要素11、14は、図2から分かるように、相6毎に、点火入力部10に点火電圧を印加することにより、アークギャップ12がアークを発生させるために点火するような態様で、それぞれアークギャップ12にも接続される。
アークギャップにより、補助短絡が、参照符号で示されている第1の実施形態15では、相6間に生成される。参照符号16で示されている第2の実施形態16では、補助短絡は、スターポイント17に置換され得、又は、第3の実施形態18では、参照符号18で示されているように、接地されたスターポイント19に置換され得る。第4の実施形態20では、補助短絡は、参照符号20で示されているように、モータ21に置換が可能である。この場合、点線ボックス15、16、18、20は、それぞれの実施形態15、16、18、20に割り当てられたものであり、それぞれ相L1、L2、L3を通じて手段4に接続される。各実施形態15、16、18、29では、点火入力部10に点火電圧を印加すると、例えば電圧過渡現象を印加すると、点火電圧は、結合要素11、13、14を通じて点火可能アークギャップ12に結合されるので、次いで、アークの点火により相6間に又は少なくとも2つの相6の間に補助短絡を発生させる。この種の短絡が発生した場合、実際に三相負荷1に通じている主電流経路の短絡電流は、それによってアークギャップ12の生成済みアークに転流して、短絡電流は、それによって「バイパス」が作られた結果、もはや後続の開閉装置7及び三相負荷1に負荷をかけないようにし、したがって、開閉装置7及び三相負荷1は全く損傷を受けることはない。
図3に、点火パルスを発生させる手段3の例示的な一実施形態を示す。補助電圧源23によって電圧が誘起されるコイル22が設けられる。したがって、抵抗器24の結果として電流がコイル22によって駆動される。この場合はトランジスタなどの制御可能な半導体スイッチ25によって電流を遮断することにより、コイル22に誘起される電圧は、補助短絡を生成する手段4を点火するために、点火入力部10から補助短絡を生成する手段4に点火エネルギーとして印加され得る。
図4に、三相負荷1における短絡を識別する手段2の例示的な一実施形態を示す。手段2は電流センサ26を備え、電流センサ26は、例えば、シャント抵抗器として、又はPTC、又はホールセンサ、又はロゴスキーコイルとして形成され、相6の電流経路内に設けられる。手段2はスイッチング閾値を識別する手段27をさらに備え、手段27は、予め定義されたスイッチング閾値、例えば、三相負荷1の公称電流の10倍から20倍を超えたときに短絡を識別し、参照符号28で示されているように、識別された短絡を、点火パルスを発生させる手段3に信号で送る。図4からも分かるように、各相6は、電流センサ26とスイッチング閾値を識別する関連手段27とを備え、3つの手段27は、この場合はダイオードによって形成されたORリンク29を通じて、短絡電流が1つの相6においてしか識別されていない場合でも、点火パルスを発生させる手段3にスイッチング閾値を超えているという信号を送る。
1 三相負荷
2 短絡を識別する手段
3 点火パルスを発生させる手段
4 補助短絡を生成する手段
5 三相回路網
6 相
7 開閉装置
8 短絡保護デバイス
9 ヒューズ
10 点火入力部
11 結合要素
12 アークギャップ
13 第1の結合要素
14 第2の結合要素
15 第1の実施形態
16 第2の実施形態
17 スターポイント
18 第3の実施形態
19 接地スターポイント
20 第4の実施形態
21 モータ
22 コイル
23 補助電圧源
24 抵抗器
25 半導体スイッチ
26 電流センサ
27 スイッチング閾値を識別する手段
28 信号送信
29 ORリンク

Claims (10)

  1. 三相系統内の三相負荷(1)の短絡保護用の装置であって、
    前記装置(2、3、4)を三相回路網(5)に接続するための入力部と、
    前記三相負荷(1)を前記装置(2、3、4)に接続するための出力部と、
    手段(4)の点火により前記三相回路網(5)内に補助短絡を生成する前記手段(4)と、
    前記三相負荷(1)における短絡を識別する手段(2)と、
    前記短絡を識別したときに点火パルスを発生させる手段(3)と、
    を備え、
    前記補助短絡を生成する前記手段(4)及び前記短絡を識別する前記手段(2)が、前記入力部と前記出力部との間の電流経路内に設けられ、
    前記補助短絡を生成する前記手段(4)が前記点火パルスによって点火可能である、装置。
  2. 前記補助短絡を生成する前記手段(4)が、点火入力部(10)、結合要素(11、13、14)及び点火可能アークギャップ(12)を備え、前記点火入力部(10)、前記結合要素(11、13、14)及び前記アークギャップ(12)は、前記点火入力部(10)に印加され得る点火パルスの形をとる点火電圧が、アークギャップに点火するために、前記結合要素(11、13、14)を通じて前記アークギャップ(12)に作用するような態様で形成され、前記アークギャップ(12)は、前記補助短絡が前記三相回路網(5)の少なくとも2つの相(6)の間に前記アークギャップによって生成され得るような態様で形成される、請求項1に記載の装置。
  3. 前記結合要素(11、13、14)がバリスタとして且つ/又はコンデンサとして形成され、前記アークギャップ(12)がサージプロテクタとして且つ/又は火花ギャップとして形成される、請求項2に記載の装置。
  4. 前記三相回路網(5)の各相(6)に、2つの結合要素(11、13、14)及び1つのアークギャップ(12)が設けられ、各相(6)の第1の結合要素(11、13、14)は、すべての第1の結合要素(11、13)が前記点火入力部(10)で星形に互いに接続されるような態様で、各相(6)と前記点火入力部(10)との間に接続され、各相(6)の第2の結合要素(11、14)は、すべての第2の結合要素(11、14)が前記点火入力部(10)で星形に互いに接続されるような態様で、各アークギャップ(12)の点火用の各相(6)に割り当てられた入力部と前記点火入力部(10)との間に接続され、各相(6)と他の各相(6)又は接地との間の各アークギャップ(12)は、前記点火入力部(10)に印加される点火電圧が星形に互いに接続された前記第1の結合要素(11、3)と星形に互いに接続された前記第2の結合要素(11、14)との間で降下するような態様で接続される、請求項3に記載の装置。
  5. 前記短絡を識別する前記手段(2)が、電流センサ(26)及びスイッチング閾値を識別する手段(27)を備え、前記電流センサ(26)が、前記三相回路網(5)の相(6)の電流経路内に配置され、前記スイッチング閾値を識別する前記手段(27)が前記電流センサ(26)と協調し、前記スイッチング閾値を識別する前記手段(27)は、予め定義されたスイッチング閾値を超えた場合に短絡の識別が前記点火パルスを発生させる手段(3)に信号で送られるような態様で形成される、請求項1〜4の一項に記載の装置。
  6. 前記三相回路網(5)の各相(6)が、各電流センサ(26)及びスイッチング閾値を識別する各手段(27)を備え、各スイッチング閾値を識別するすべての手段(27)は、ただ1つの相(6)において前記スイッチング閾値を超えた場合に短絡の識別が前記点火パルスを発生させる前記手段(3)に信号で送られるような態様で、OR論理接続(29)を通じて出力側で互いに接続される、請求項5に記載の装置。
  7. 前記点火パルスを発生させる前記手段(3)がコイル(22)を備え、前記コイル(22)は、前記点火パルスが前記コイル(22)へのエネルギーの印加を遮断することによって発生させられ得るような態様で、スイッチング可能な形でエネルギー源に接続される、請求項1〜6の一項に記載の装置。
  8. 前記点火パルスを発生させる前記手段(3)は、前記点火パルスが前記短絡を識別する前記手段(2)によって確立された短絡電流によって発生させられ得るような態様で形成される、請求項1〜6の一項に記載の装置。
  9. 請求項1〜8の一項に記載の装置(2、3、4)及び半導体スイッチングデバイスを備える半導体開閉装置保護デバイスであって、前記半導体スイッチングデバイスが前記装置(2、3、4)の前記出力部に設けられ、前記三相負荷(1)に接続するために設計される、半導体開閉装置保護デバイス。
  10. 三相系統内の三相負荷(1)の短絡保護を向上させる方法であって、
    a)前記三相負荷(1)における短絡を識別するステップと、
    b)前記短絡を識別したときに点火パルスを発生させるステップと、
    c)前記点火パルスによって点火可能な手段(4)を用いて前記三相系統内に補助短絡を発生させるステップと、
    を含む方法。
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