JP2016149213A - Circuit breaker - Google Patents

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  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circuit breaker of which the stationary loss is zero at normal time and which is capable of breaking a current path at high speed when an accident occurs.SOLUTION: A circuit breaker 1 comprises: a semiconductor power converter 11 which outputs a predetermined DC current by performing a switching operation of a semiconductor switch that is provided insides in response to a command; a single phase transformer 12 which includes a primary coil 21 including a first external connection terminal Tin one end and a secondary coil 22 that is connected with the semiconductor power converter 11 in series and in which the other end of the primary coil 21 at a side opposite to the first external connection terminal Tis connected to a pair of the secondary coils 22 and the semiconductor power converter 11 that is connected in series with each other; and a mechanical breaker 13 which includes a second external connection terminal Tin one end and in which the other end at a side opposite to the second external connection terminal Tis connected to a connection point between the pair of the secondary coils 22 and the semiconductor power converter 11 that are connected in series with each other, and the primary coil 21, the mechanical breaker 13 being opened to break the current path in accordance with a command.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、地絡や短絡などの事故発生時に電流路を遮断する回路遮断器に関し、特に、機械スイッチ方式と半導体スイッチ方式とを併用したハイブリッド方式の回路遮断器に関する。   The present invention relates to a circuit breaker that interrupts a current path when an accident such as a ground fault or a short circuit occurs, and more particularly to a hybrid circuit breaker that uses both a mechanical switch system and a semiconductor switch system.

近年、直流を用いた給電システムが注目されている。直流給電システムは、既存の交流給電システムと比較して変換器損失、送電損失および設置コストを低減できる利点がある。日本では、例えば、直流380[V]、変換器容量500[kW]クラスの直流給電システム、路面電車(600[V]、750[V])や直流電車(1000[V]、1500[V])用の直流給電システムなどが実用化されている。また、数10[kV]以上の高圧用途では、例えば将来の洋上風力発電システムの大量設置を想定し、電圧形変換器を用いた多端子直流送電システム(HVDC:high−voltage direct−current)の導入が期待されている。   In recent years, power supply systems using direct current have attracted attention. The DC power supply system has an advantage that the converter loss, power transmission loss, and installation cost can be reduced as compared with the existing AC power supply system. In Japan, for example, a DC power supply system of DC 380 [V], converter capacity 500 [kW] class, trams (600 [V], 750 [V]) and DC trains (1000 [V], 1500 [V]) ) DC power supply system has been put into practical use. In high voltage applications of several tens [kV] or more, for example, a large number of future offshore wind power generation systems are assumed, and a multi-terminal DC power transmission system (HVDC: high-voltage direct-current) using a voltage source converter is used. The introduction is expected.

直流給電システムにおいて地絡事故や短絡事故が発生した場合、過電流が発生する。事故発生からの電流の増加率([A/s])は、直流給電システムが有する直流インダクタンスに反比例する。例えば電圧形変換器を用いて直流電圧を生成した場合、直流インダクタンスが小さいため、過電流が生じる恐れがあるので、高速に動作可能な直流遮断器を設置する必要がある。   When a ground fault or short circuit accident occurs in a DC power supply system, an overcurrent occurs. The rate of increase in current from the occurrence of an accident ([A / s]) is inversely proportional to the DC inductance of the DC power supply system. For example, when a DC voltage is generated using a voltage source converter, since a DC inductance is small, an overcurrent may occur. Therefore, it is necessary to install a DC circuit breaker that can operate at high speed.

直流遮断器は、機械スイッチ方式、半導体スイッチ方式、およびハイブリッド方式の3種類に分類できる。   DC circuit breakers can be classified into three types: mechanical switch system, semiconductor switch system, and hybrid system.

このうち、機械スイッチ方式は、例えば、真空遮断器、ガス遮断器もしくは空気吹付遮断器などの機械的遮断器(サーキットブレーカ:Circuit Breaker)とLC共振回路とを用いて電流を遮断するものである(例えば、非特許文献1参照。)。機械スイッチ方式では、パワーデバイスを使用しないため定常損失は発生しない。   Among these, the mechanical switch system cuts off the current by using a mechanical circuit breaker (circuit breaker) such as a vacuum circuit breaker, a gas circuit breaker or an air blowing circuit breaker and an LC resonance circuit. (For example, refer nonpatent literature 1.). In the mechanical switch system, no steady loss occurs because no power device is used.

また、半導体スイッチ方式は、パワーデバイス(電力用半導体素子)を用いて遮断器を構成することで、高速な遮断時間(1[ms]以下)を実現する(例えば、非特許文献2参照。)。   Moreover, the semiconductor switch system implement | achieves a high interruption | blocking time (1 [ms] or less) by comprising a circuit breaker using a power device (power semiconductor element) (for example, refer nonpatent literature 2). .

また、ハイブリッド方式は、高速動作可能な機械的遮断器とパワーデバイスとを併用することで、電流の高速遮断と損失低減を両立する点に特長があり、各種回路が提案されている(例えば、非特許文献3参照。)。図19は、一般的なハイブリッド方式の回路遮断器を例示する回路図である。例えば図19に示すように、ハイブリッド方式の回路遮断器100は、電流制限用インダクタ61、機械的遮断器(サーキットブレーカ:Circuit Breaker)62、転流補助半導体スイッチ63、主半導体スイッチ64、アレスタ(非線形抵抗)65より主回路を構成する。正常時は電流制限用インダクタ61、機械的遮断器62、転流補助半導体スイッチ63を介して負荷に電力を供給し、地絡や短絡などの事故時には転流補助半導体スイッチ63をターンオフすることで主半導体スイッチ64に転流する。転流補助半導体スイッチ63の必要耐圧は主半導体スイッチ64の数%程度であるため、半導体スイッチ方式と比較し定常損失を低減できる利点がある。また、転流に必要な時間は0.2[ms]以下であり、1[ms]以内に開極可能な機械的遮断器62を用いることで、遮断時間を2[ms]以下にすることができる。   In addition, the hybrid system has a feature in that both high-speed current interruption and loss reduction are achieved by using a mechanical circuit breaker capable of high-speed operation and a power device, and various circuits have been proposed (for example, (Refer nonpatent literature 3.). FIG. 19 is a circuit diagram illustrating a general hybrid circuit breaker. For example, as shown in FIG. 19, a hybrid circuit breaker 100 includes a current limiting inductor 61, a mechanical circuit breaker (circuit breaker) 62, a commutation auxiliary semiconductor switch 63, a main semiconductor switch 64, an arrester ( The main circuit is composed of the non-linear resistance 65. In normal operation, power is supplied to the load via the current limiting inductor 61, the mechanical circuit breaker 62, and the commutation auxiliary semiconductor switch 63, and the commutation auxiliary semiconductor switch 63 is turned off in the case of an accident such as a ground fault or a short circuit. It commutates to the main semiconductor switch 64. Since the required breakdown voltage of the commutation auxiliary semiconductor switch 63 is about several percent of that of the main semiconductor switch 64, there is an advantage that steady loss can be reduced as compared with the semiconductor switch system. Further, the time required for commutation is 0.2 [ms] or less, and by using the mechanical circuit breaker 62 that can be opened within 1 [ms], the interruption time is made 2 [ms] or less. Can do.

B・バックマン(B.Bachmann)、G・モーザ(G.Mauthe)、E・ルーオス(E.Ruoss)、H・P・リップス(H.P.Lips)著、「500kV風冷式高圧直流給電回路遮断器(Development of a 500kV Airblast HVDC Circuit Breaker)」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、電気機器およびシステム(Power Apparatus and Systems)、Vol.PAS−104、No.9、pp.2460−2466、1985年9月B. Bachmann, G. Mauthe, E. Ruoss, HP Lips, “500kV wind-cooled high-voltage DC power supply Circuit of Circuit Breaker (Development of a 500 kV Airblast HVDC Circuit Breaker), (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Transactions), Electrical Equipment and Systems (Power Apparatus and Systems, 104) 9, pp. 2460-2466, September 1985 C・メイヤーズ(C.Meyer)、S・シュレーダー(S.Schroder)、R・W・デドンカー(R.W.De Doncker)著、「分散電力システムを有する中電圧システムのためのソリッドステート回路遮断器および電流制限器(Solid−State Circuit Breakers and Current Limiters For Medium−Voltage Systems Having Distributed Power Systems)」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、パワーエレクトロン(Power Electron)、Vol.19、No.5、pp.1333-1340、2004年9月By C. Meyer, S. Schroder, RW De Donker, "Solid state circuit interruption for medium voltage systems with distributed power systems" And current limiter (Solid-State Circuit Breakers and Current Limiters for Medium-Voltage Systems Having Distributed Power Systems) (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers of Japan (EV) 19, no. 5, pp. 1333-1340, September 2004 M・シュトイラー(M.Steurer)、K・フレーリッヒ(K.Frohlich)、W・ホラウス(W.Holaus)、K・カルテネッガー(K.Kaltenegger)著、「新しい中電圧用ハイブリッド電流制限回路遮断器:原理および試験結果(A Novel Hybrid Current−Limiting Circuit Breaker For Medium Voltage:Principle and Test Results」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、パワーデリ(Power Deli)、Vol.18、No.2、pp.460−467、2003年4月By M. Steiler, K. Frohlich, W. Holaus, K. Kaltenegger, “New Hybrid Voltage Limiting Circuit Breaker for Medium Voltage: Principle And test results (A Novel Hybrid Current-Limiting Circuit Breaker For Medium Voltage: Principle and Test Results) (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers of Japan (IEEE Transactions), Power Del. pp. 460-467, April 2003

機械スイッチ方式による回路遮断器は、パワーデバイスを使用しないため定常損失は発生しない利点があるものの、電流遮断までの所要時間(開極時間)が30〜100[ms]と長いため、直流インダクタンスが大きい電流形変換器には適用できるが、電圧形変換器への適用は困難である。   Although the circuit breaker using the mechanical switch system has an advantage that no steady loss occurs because a power device is not used, the time required for current interruption (opening time) is as long as 30 to 100 [ms]. Although it can be applied to a large current source converter, application to a voltage source converter is difficult.

また、半導体スイッチ方式による回路遮断器は、内部の半導体スイッチには定常的に電流が流れるため、定常損失が発生する問題がある。また、電流遮断時には内部の半導体スイッチに直流電圧以上の高電圧が印加されるため、複数のパワーデバイスを直列接続することで高耐圧化を図る必要がある。この場合、半導体スイッチのオン電圧増加が問題となる。例えば、直流320[kV]の場合、半導体スイッチのオン電圧は100[V]以上となる。半導体スイッチには定常的に電流が流れるため、オン電圧に起因する損失低減が課題となる。   In addition, the circuit breaker using the semiconductor switch method has a problem in that a steady loss occurs because a constant current flows through the internal semiconductor switch. Further, since a high voltage higher than the direct current voltage is applied to the internal semiconductor switch when the current is interrupted, it is necessary to increase the breakdown voltage by connecting a plurality of power devices in series. In this case, an increase in the on-voltage of the semiconductor switch becomes a problem. For example, in the case of direct current 320 [kV], the on-voltage of the semiconductor switch is 100 [V] or more. Since current constantly flows through the semiconductor switch, it is a problem to reduce loss due to the on-voltage.

また、上述のハイブリッド方式の回路遮断器は、転流補助半導体スイッチの必要耐圧は主半導体スイッチの数%程度であるため半導体スイッチ方式と比較して定常損失を低減でき、また、機械スイッチ方式と比較しても遮断時間を短縮することができる利点がある。しかしながら、転流補助半導体スイッチには正常時に依然として定常電流が流れるため、定常損失をゼロにはできない。   Moreover, the above-mentioned hybrid circuit breaker has a required breakdown voltage of the commutation auxiliary semiconductor switch of about several percent of that of the main semiconductor switch, so that the steady loss can be reduced compared to the semiconductor switch system. Even if it compares, there exists an advantage which can shorten interruption | blocking time. However, since a steady current still flows through the commutation auxiliary semiconductor switch in a normal state, the steady loss cannot be made zero.

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、正常時には定常損失がゼロであり事故発生時には高速に電流路を遮断することができる回路遮断器を提供することにある。   Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a circuit breaker capable of interrupting a current path at a high speed when an accident occurs and a steady loss is zero in a normal state.

上記目的を実現するために、本発明においては、回路遮断器は、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器であって、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、所定の直流電流を出力する半導体電力変換器と、一端に第1の外部接続端子を有する1次巻線と、半導体電力変換器と直列接続される2次巻線と、を有し、1次巻線の第1の外部接続端子とは反対側にある他の一端が、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組に接続される単相変圧器と、一端に第2の外部接続端子を有し、第2の外部接続端子とは反対側にある他の一端が、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組と1次巻線との接続点に接続される機械的遮断器であって、指令に応じて開極して電流路を遮断する機械的遮断器と、を備える。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the circuit breaker is one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other, and switches a semiconductor switch provided therein according to a command. A semiconductor power converter that outputs a predetermined direct current by operating, a primary winding having a first external connection terminal at one end, and a secondary winding connected in series with the semiconductor power converter, The other end of the primary winding on the side opposite to the first external connection terminal is connected to a set of a secondary winding and a semiconductor power converter connected in series with each other. A pair of a secondary winding and a semiconductor power converter having a second external connection terminal at one end and the other end opposite to the second external connection terminal connected in series to each other Mechanical disconnection connected to the connection point of the primary winding A is, and a mechanical breaker for interrupting the current path by opening in response to a command.

ここで、半導体電力変換器は、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するDCDCコンバータであって、直流電流の入出力方向を第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能なDCDCコンバータと、2次巻線または当該半導体電力変換器とは異なる他の半導体電力変換器が接続される第1の直流側、とは反対側の第2の直流側に並列に接続されるエネルギー蓄積部と、エネルギー蓄積部に並列に接続され、エネルギー蓄積部に印加された直流電圧が、予め設定された電圧以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す非線形抵抗と、を有するようにしてもよい。   Here, the semiconductor power converter performs a switching operation of a semiconductor switch provided therein in accordance with a command, thereby obtaining a direct current input from one of the first DC side and the second DC side. A DC / DC converter that converts a DC current of magnitude and polarity and outputs it to the other, and can switch the input / output direction of the DC current bi-directionally between a first DC side and a second DC side Energy connected in parallel to the first DC side to which the DCDC converter and the secondary winding or another semiconductor power converter different from the semiconductor power converter is connected, and the second DC side opposite to the first DC side When the DC voltage applied to the energy storage unit is equal to or lower than a preset voltage, the storage unit and the energy storage unit are connected in parallel. Also And a nonlinear resistance exhibited gastric resistance, may have a.

また、回路遮断器は、回路遮断器に接続された外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する過電流検知部と、機械的遮断器に対する開極動作および半導体電力変換器の電力変換動作を制御する制御部と、を備え、この場合、制御部は、過電流検知部が過電流を検知したとき、機械的遮断器に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する第1の指令手段と、開極指令が出力されてから機械的遮断器の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段と、機械的遮断器の開極動作が完了した時に、半導体電力変換器内の半導体スイッチをオフするオフ指令を出力する第3の指令手段と、を有する。   The circuit breaker also includes an overcurrent detector that detects whether or not an overcurrent has occurred on the external wiring connected to the circuit breaker, an opening operation for the mechanical breaker, and the power of the semiconductor power converter. A control unit that controls the conversion operation, and in this case, when the overcurrent detection unit detects an overcurrent, the control unit issues an opening command that instructs the mechanical circuit breaker to start the opening operation. A first command means for outputting, and a direct current for converging the current flowing through the mechanical circuit breaker to zero between the time when the opening instruction is output and the time when the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed. A second command means for outputting a power conversion command to be output to the converter, and a third command for outputting an off command for turning off the semiconductor switch in the semiconductor power converter when the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed. And command means.

また、本発明の第1の態様によれば、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組の、1次巻線が接続される側とは反対側の端子を、第1の外部接続端子および第2の外部接続端子の極性とは反対の極性の端子とし、または第1のグランド端子および第2のグランド端子とする。   Further, according to the first aspect of the present invention, the terminal on the side opposite to the side to which the primary winding is connected of the set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other, The first external connection terminal and the second external connection terminal have opposite polarities, or the first ground terminal and the second ground terminal.

また、本発明の第2の態様によれば、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組と、機械的遮断器と、は並列に接続され、回路遮断器は、第1の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第3のグランド端子と、第2の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第4のグランド端子とを備える。   According to the second aspect of the present invention, the set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other and the mechanical circuit breaker are connected in parallel, and the circuit breaker is A terminal or third ground terminal opposite to the polarity of the first external connection terminal, and a terminal or fourth ground terminal opposite to the polarity of the second external connection terminal are provided.

また、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組において、2次巻線は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列接続される。   Further, in the set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series to each other, the secondary winding is one of the plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. Connected in series.

また、回路遮断器は、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組において、半導体電力変換器もしくは2次巻線に直列接続されるインダクタをさらに備えてもよい。   The circuit breaker may further include an inductor connected in series to the semiconductor power converter or the secondary winding in a set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other.

ここで、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組において、インダクタは、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列接続される。   Here, in the set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series to each other, the inductor is connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. Connected.

また、上述の半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、を有するようにしてもよい。   Further, the above-described semiconductor switch may include a semiconductor switching element that allows current to flow in one direction when turned on, and a feedback diode connected in antiparallel to the semiconductor switching element.

また、機械的遮断器は、固定接触子と、固定接触子に接触する閉路位置と固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有し、指令に応じて可動接触子が開路位置に移動することにより開極して電流路を遮断する。   The mechanical circuit breaker has a fixed contact and a movable contact that can move between a closed position that contacts the fixed contact and an open position that is separated from the fixed contact. When the movable contact moves to the open circuit position, the contact is opened and the current path is interrupted.

本発明によれば、正常時には定常損失がゼロであり事故発生時には高速に電流路を遮断することができる回路遮断器を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a circuit breaker capable of interrupting a current path at a high speed when an accident occurs because a steady loss is zero when normal.

本発明による回路遮断器は、機械的遮断器および半導体電力変換器を備えるいわゆるハイブリッド遮断器であるが、正常時には機械的遮断器はオンされて電源側から負荷側に電力が供給され、半導体電力変換器はダイオード動作するのみであるので、正常時の回路遮断器の定常損失をゼロにすることができる。   The circuit breaker according to the present invention is a so-called hybrid circuit breaker including a mechanical circuit breaker and a semiconductor power converter. However, when the circuit breaker is in a normal state, the mechanical circuit breaker is turned on and power is supplied from the power supply side to the load side. Since the converter only operates as a diode, the steady-state loss of the circuit breaker during normal operation can be reduced to zero.

また、本発明によれば、地絡事故や短絡事故により過電流が発生した場合、機械的遮断器および半導体電力変換器の動作を適宜制御することにより、高速に電流路を遮断することができる。   In addition, according to the present invention, when an overcurrent occurs due to a ground fault or a short circuit accident, the current path can be interrupted at high speed by appropriately controlling the operation of the mechanical circuit breaker and the semiconductor power converter. .

また、本発明によれば、カスケード接続する半導体電力変換器の個数を適宜調整するだけで回路遮断器の高耐圧化も容易に実現できる。   In addition, according to the present invention, it is possible to easily achieve a high breakdown voltage of the circuit breaker by simply adjusting the number of cascaded semiconductor power converters.

また、本発明によれば、半導体電力変換器内のDCDCコンバータを双方向DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。   Further, according to the present invention, the DC / DC converter in the semiconductor power converter is configured as a bidirectional DC / DC converter, so that the current path can be interrupted regardless of the amplitude and polarity of the direct current.

本発明の第1の実施例による回路遮断器を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a circuit breaker according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention and the 2nd Example. 本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における単相変圧器の2次巻線の電気的接続の一例を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining an example of the electrical connection of the secondary winding of the single phase transformer in the circuit breaker by the 1st Example of this invention and the 2nd Example. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器の変形例における単相変圧器の2次巻線の電気的接続の一例を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining an example of the electrical connection of the secondary winding of the single phase transformer in the modification of the circuit breaker by the 1st Example of this invention, and a 2nd Example. 本発明の第1の実施例による回路遮断器における制御系を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control system in the circuit breaker by the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の動作フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement flow of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の正常時の動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining the normal operation | movement of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の負荷側の事故発生直後の動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining the operation | movement immediately after the occurrence of the accident of the load side of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器が電力変換動作を行うときの動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining operation | movement when the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention performs power conversion operation | movement. 本発明の第1の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器が電力変換動作を終了したときの動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining operation | movement when the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention complete | finishes power conversion operation | movement. 本発明の第1の実施例による回路遮断器内の半導体電力変換器における変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining the power conversion instruction | command for controlling the converter electric current in the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器のシミュレーションに用いた回路図であり、(A)は回路遮断器にRL負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示し、(B)は回路遮断器に回生負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the circuit diagram used for the simulation of the circuit breaker by 1st Example of this invention, (A) had a short circuit accident at the near end of the circuit breaker when the RL load was connected to the circuit breaker. (B) shows a circuit diagram when a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker when a regenerative load is connected to the circuit breaker. 図13に示すシミュレーション回路図の回路パラメータを説明する図である。It is a figure explaining the circuit parameter of the simulation circuit diagram shown in FIG. 本発明の第1の実施例による回路遮断器を図13(A)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。It is a figure which shows the simulation waveform at the time of operating the circuit breaker by the 1st Example of this invention with the simulation circuit of FIG. 13 (A). 本発明の第1の実施例による回路遮断器を図13(B)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。It is a figure which shows the simulation waveform at the time of operating the circuit breaker by 1st Example of this invention with the simulation circuit of FIG.13 (B). 本発明の第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 2nd example of the present invention. 本発明の第2の実施例による回路遮断器の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of the circuit breaker by the 2nd Example of this invention. 一般的なハイブリッド方式の回路遮断器を例示する回路図である。It is a circuit diagram which illustrates a general circuit breaker of a hybrid system.

本発明による回路遮断器は、半導体電力変換器と、単相変圧器と、機械的遮断器とを備える。半導体電力変換器は、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、所定の直流電流を出力するものであり、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。単相変圧器は、その一端に第1の外部接続端子を有する1次巻線と、半導体電力変換器と直列接続される2次巻線と、を有する。単相変圧器の1次巻線の、第1の外部接続端子とは反対側にある他の一端は、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組に接続される。機械的遮断器は、指令に応じて開極して電流路を遮断するものであり、その一端に第2の外部接続端子を有する。機械的遮断器の、第2の外部接続端子とは反対側にある他の一端は、互いに直列接続された単相変圧器の2次巻線と半導体電力変換器とからなる組と、単相変圧器の1次巻線と、の接続点に接続される。以下、具体的な回路構成について、第1および第2の実施例にて説明する。   The circuit breaker according to the present invention includes a semiconductor power converter, a single phase transformer, and a mechanical circuit breaker. The semiconductor power converter outputs a predetermined direct current by switching a semiconductor switch provided therein in response to a command, and is provided alone or in a state in which a plurality are cascade-connected to each other. . The single-phase transformer has a primary winding having a first external connection terminal at one end thereof, and a secondary winding connected in series with the semiconductor power converter. The other end of the primary winding of the single-phase transformer on the side opposite to the first external connection terminal is connected to a set of a secondary winding and a semiconductor power converter connected in series with each other. . The mechanical circuit breaker is opened in accordance with a command to interrupt the current path, and has a second external connection terminal at one end thereof. The other end of the mechanical circuit breaker on the side opposite to the second external connection terminal is composed of a pair of a single-phase transformer secondary winding and a semiconductor power converter connected in series with each other, and a single-phase It is connected to the connection point of the primary winding of the transformer. Hereinafter, specific circuit configurations will be described in the first and second embodiments.

図1は、本発明の第1の実施例による回路遮断器を示す回路図であり、図2は、本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。本発明の実施例による回路遮断器1は、半導体電力変換器11と、単相変圧器12と、機械的遮断器13と、を備える。図1に示す例では、回路遮断器1は、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組が、適用される直流給電システムに対して並列になるよう設置されるものであり、単相変圧器12の1次巻線21が電源側に位置し、かつ機械的遮断器13が負荷側に位置するよう、直流給電システム上に設置される。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit breaker according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a semiconductor power converter in the circuit breaker according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention. FIG. Hereinafter, components having the same reference numerals in different drawings mean components having the same functions. The circuit breaker 1 according to the embodiment of the present invention includes a semiconductor power converter 11, a single-phase transformer 12, and a mechanical circuit breaker 13. In the example shown in FIG. 1, the circuit breaker 1 includes a pair of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 that are connected in series to each other, to which a DC power supply system is applied. Installed in parallel, installed on the DC power supply system so that the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 is located on the power source side and the mechanical circuit breaker 13 is located on the load side. The

半導体電力変換器11は、後述する単相変圧器12の1次巻線21と後述する機械的遮断器13との接続点P1から分岐した配線上に、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。なお、本明細書では、半導体電力変換器11が1個の場合は、後述する単相変圧器12の2次巻線22が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器11が互いにカスケード接続される場合は、当該半導体電力変換器11とは異なる他の半導体電力変換器11が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図1では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器11が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。カスケード接続する半導体電力変換器11の個数を適宜調整するだけで回路遮断器1の高耐圧化を容易に実現できる。 The semiconductor power converter 11 is cascade-connected singly or plurally on a wiring branched from a connection point P 1 between a primary winding 21 of a single-phase transformer 12 described later and a mechanical breaker 13 described later. Provided in the state. In this specification, when there is one semiconductor power converter 11, a side to which a secondary winding 22 of a single-phase transformer 12 described later is connected is referred to as a “first DC side”, When the semiconductor power converters 11 are cascade-connected to each other, the side to which another semiconductor power converter 11 different from the semiconductor power converter 11 is connected is also referred to as “first DC side”. The DC side opposite to the “first DC side” is referred to as a “second DC side”. As an example, FIG. 1 shows a case where a plurality (N, where N is an integer of 2 or more) semiconductor power converters 11 are cascade-connected to each other on the first DC side. A high breakdown voltage of the circuit breaker 1 can be easily realized by simply adjusting the number of semiconductor power converters 11 connected in cascade.

半導体電力変換器11は、DCDCコンバータ31と、エネルギー蓄積部32と、非線形抵抗33とを有し、DCDCコンバータ31の内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより所定の直流電流を出力する。   The semiconductor power converter 11 includes a DCDC converter 31, an energy storage unit 32, and a non-linear resistor 33. The semiconductor power converter 11 performs a switching operation on a semiconductor switch provided in the DCDC converter 31 according to a command, thereby performing a predetermined direct current Output current.

半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31は、双方向DCDCコンバータとして構成される。一例として、図1および図2に示す例では、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータ(チョッパセル)として構成する。すなわち、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31は、半導体スイッチのスイッチング動作により、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するものであり、直流電流の入出力方向は、第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能である。半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を双方向DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子Sと、この半導体スイッチング素子Sに逆並列に接続された帰還ダイオードDとで構成される。半導体スイッチング素子Sの例としては、IGBT、サイリスタ、GTO(Gate Turn−OFF thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。なお、代替例として、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31として、図1および図2に示す2象限双方向DCDCコンバータの代わりに4象限双方向DCDCコンバータを用いてもよい。4象限双方向DCDCコンバータは、一般的な単相フルブリッジインバータと等価である。   The DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured as a bidirectional DCDC converter. As an example, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured as a two-quadrant bidirectional DCDC converter (chopper cell). That is, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 converts a direct current input from one of the first direct current side and the second direct current side into a direct current having a desired magnitude and polarity by the switching operation of the semiconductor switch. The current is converted into current and output to the other, and the input / output direction of the direct current can be switched bidirectionally between the first direct current side and the second direct current side. By configuring the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 as a bidirectional DCDC converter, the current path can be interrupted regardless of the amplitude and polarity of the direct current. The semiconductor switch includes a semiconductor switching element S that allows current to flow in one direction when turned on, and a feedback diode D that is connected in antiparallel to the semiconductor switching element S. Examples of the semiconductor switching element S include an IGBT, a thyristor, a GTO (Gate Turn-OFF thyristor), a transistor, and the like, but the type of the switching element itself does not limit the present invention, and other semiconductors. It may be an element. As an alternative example, a 4-quadrant bidirectional DCDC converter may be used as the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 instead of the 2-quadrant bidirectional DCDC converter shown in FIGS. The four-quadrant bidirectional DCDC converter is equivalent to a general single-phase full-bridge inverter.

半導体電力変換器11内のエネルギー蓄積部32は、DCDCコンバータ31の第2の直流側に並列に接続される。エネルギー蓄積部32の例としては、直流コンデンサがある。直流コンデンサの場合、回路遮断器1を動作させる際にはDCDCコンバータ31を動作させて初期充電しておく。   The energy storage unit 32 in the semiconductor power converter 11 is connected in parallel to the second DC side of the DCDC converter 31. An example of the energy storage unit 32 is a DC capacitor. In the case of a DC capacitor, when the circuit breaker 1 is operated, the DCDC converter 31 is operated to perform initial charging.

半導体電力変換器11内の非線形抵抗33は、エネルギー蓄積部32に並列に接続され、エネルギー蓄積部32に印加された直流電圧が、予め設定された電圧(以下、「動作電圧」と称する。)以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す素子である。非線形抵抗33の例としては、MOV(Metal Oxide Variable Resistor)(「バリスタ」あるいは「アレスタ」とも称する)がある。非線形抵抗33の動作電圧VRは、使用するパワーデバイスの電圧定格に制限される。例えば、3.3[kV]耐圧のパワーデバイスを使用する場合、非線形抵抗33の動作電圧VRは3.3[kV]以下に設定する必要がある。 The non-linear resistance 33 in the semiconductor power converter 11 is connected in parallel to the energy storage unit 32, and a DC voltage applied to the energy storage unit 32 is a preset voltage (hereinafter referred to as “operation voltage”). In the following cases, the element has a predetermined resistance value, and in other cases, the element has a resistance value lower than the predetermined resistance value. As an example of the non-linear resistance 33, there is MOV (Metal Oxide Variable Resistor) (also referred to as “varistor” or “arrester”). The operating voltage V R of the nonlinear resistor 33 is limited to the voltage rating of the power device used. For example, when a power device having a breakdown voltage of 3.3 [kV] is used, the operating voltage V R of the nonlinear resistor 33 needs to be set to 3.3 [kV] or less.

直流コンデンサ32と非線形抵抗33とは並列に接続されているので、単相変圧器12の励磁インダクタンスと漏れインダクタンスの蓄積エネルギーによって直流コンデンサ32が充電される際には、直流コンデンサ32の充電電圧が徐々に上昇して非線形抵抗33の動作電圧に達すると、その後は直流コンデンサ32の充電電圧は非線形抵抗33の動作電圧にてクランプされ、2次巻線22の蓄積エネルギーは非線形抵抗33にて消費される。なお、エネルギー蓄積部32および非線形抵抗33については、上述のような直流コンデンサ32の充電および非線形抵抗33による消費の一連の動作を行うものであれば他の素子で実現してもよく、例えば、2次電池あるいは電気二重層キャパシタなどに置き換えてもよい。   Since the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 are connected in parallel, when the DC capacitor 32 is charged by the accumulated energy of the excitation inductance and leakage inductance of the single-phase transformer 12, the charging voltage of the DC capacitor 32 is When the voltage gradually rises and reaches the operating voltage of the non-linear resistor 33, the charging voltage of the DC capacitor 32 is clamped by the operating voltage of the non-linear resistor 33 and the energy stored in the secondary winding 22 is consumed by the non-linear resistor 33. Is done. The energy storage unit 32 and the nonlinear resistor 33 may be realized by other elements as long as they perform a series of operations of charging the DC capacitor 32 and consuming by the nonlinear resistor 33 as described above. It may be replaced with a secondary battery or an electric double layer capacitor.

単相変圧器12が有する1次巻線21と2次巻線22とは、機械的(物理的)に近接して配置されるものであるが、本発明の第1の実施例および後述の第2の実施例では、特に2次巻線22と、1次巻線21、半導体電力変換器11および機械的遮断器13との電気的接続関係に特徴がある。以下、単相変圧器12の接続関係について説明する。なお、単相変圧器12が示された各図においては1次巻線21および2次巻線22の極性を黒丸「・」で表わしている。   The primary winding 21 and the secondary winding 22 included in the single-phase transformer 12 are arranged close to each other mechanically (physically). The second embodiment is particularly characterized in the electrical connection relationship between the secondary winding 22, the primary winding 21, the semiconductor power converter 11, and the mechanical circuit breaker 13. Hereinafter, the connection relationship of the single-phase transformer 12 will be described. In each of the drawings showing the single-phase transformer 12, the polarities of the primary winding 21 and the secondary winding 22 are represented by black circles “·”.

単相変圧器12は、1次巻線21の一端に第1の外部接続端子T1を有する。第1の外部接続端子T1には電源側の回路が接続される。一方、単相変圧器12の2次巻線22は、半導体電力変換器11と直列接続される。黒丸「・」で表される1次巻線21の極性に対し、2次巻線22については、その極性が図示の向きに揃うようにワイヤを巻回するとともに各部品と電気的結線をする。半導体電力変換器11が1個の場合は、2次巻線22は当該半導体電力変換器11に直列接続され、半導体電力変換器11が複数個カスケード接続される場合は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器11に直列接続される。このように、単相変圧器12において、1次巻線21の、第1の外部接続端子T1とは反対側にある他の一端(すなわち接続点P1)に、互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組が接続される。 The single-phase transformer 12 has a first external connection terminal T 1 at one end of the primary winding 21. A circuit on the power supply side is connected to the first external connection terminal T 1 . On the other hand, the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is connected in series with the semiconductor power converter 11. With respect to the polarity of the primary winding 21 represented by the black circle “·”, the secondary winding 22 is wound with a wire so that the polarity is aligned in the direction shown in the figure and electrically connected to each component. . When the number of semiconductor power converters 11 is one, the secondary winding 22 is connected in series to the semiconductor power converter 11, and when a plurality of semiconductor power converters 11 are cascade-connected, a plurality of cascade-connected semiconductor power converters 11 are connected. The semiconductor power converter 11 is connected in series to any one of the semiconductor power converters. As described above, in the single-phase transformer 12, the other ends of the primary winding 21 on the side opposite to the first external connection terminal T 1 (that is, the connection point P 1 ) are connected in series with each other. A set consisting of the secondary winding 22 and the semiconductor power converter 11 is connected.

単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11との電気的接続関係は、図1に示されたものに限定されない。図3は、本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における単相変圧器の2次巻線の電気的接続の一例を説明する回路図である。単相変圧器12において、2次巻線22は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器11のうちのいずれかの半導体電力変換器11に電気的に直列接続すればよく、例えば、図3(A)および図3(B)に示すように、単相変圧器12の2次巻線22は、カスケード接続の両端に位置する半導体電力変換器11のうちのいずれかの半導体電力変換器11の、当該半導体電力変換器11が接続されていない側にそれぞれ設置される。また例えば、図3(C)に示すように、単相変圧器12の2次巻線22は、互いに隣接した半導体電力変換器11の間にそれぞれ設置される。なお、半導体電力変換器11が1個の場合は、単相変圧器12の2次巻線22は単に当該半導体電力変換器11に電気的に直列接続される。このように、半導体電力変換器11が複数個カスケード接続される場合および半導体電力変換器11が1個のみの場合のいずれの場合であっても、単相変圧器12の2次巻線22は、半導体電力変換器11と同一の配線上のいずれかの位置に設けられることとなるように電気的に接続される。   The electrical connection relationship between the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 is not limited to that shown in FIG. FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of the electrical connection of the secondary winding of the single-phase transformer in the circuit breaker according to the first and second embodiments of the present invention. In the single-phase transformer 12, the secondary winding 22 may be electrically connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters 11 cascade-connected, for example, As shown in FIGS. 3A and 3B, the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is one of the semiconductor power converters 11 of the semiconductor power converters 11 located at both ends of the cascade connection. Installed on the side where the semiconductor power converter 11 is not connected. Further, for example, as shown in FIG. 3C, the secondary windings 22 of the single-phase transformer 12 are respectively installed between the semiconductor power converters 11 adjacent to each other. When there is one semiconductor power converter 11, the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is simply electrically connected in series to the semiconductor power converter 11. As described above, the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is either in the case where a plurality of semiconductor power converters 11 are cascade-connected or in the case where only one semiconductor power converter 11 is provided. The semiconductor power converter 11 is electrically connected so as to be provided at any position on the same wiring.

機械的遮断器13は、その一端が単相変圧器12の1次巻線21と、互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組と、の接続点P1に接続される。また、機械的遮断器13は、単相変圧器12の1次巻線21および互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組と接続される側(すなわち接続点P1がある側)とは反対側に、第2の外部接続端子T2を有する。第2の外部接続端子T2には負荷側の回路が接続される。機械的遮断器13は、固定接触子と、固定接触子に接触する閉路位置と固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有し、指令に応じて可動接触子が開路位置に移動することにより開極して電流路を遮断する。機械的遮断器13の例としては、真空遮断器、ガス遮断器もしくは空気吹付遮断器などがある。 One end of the mechanical circuit breaker 13 is a connection point P 1 between the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 and a set of the secondary winding 22 and the semiconductor power converter 11 connected in series to each other. Connected to. Further, the mechanical circuit breaker 13 is connected to a side (ie, a connection point) of the primary power 21 of the single-phase transformer 12 and the set of the secondary power 22 and the semiconductor power converter 11 connected in series with each other. A second external connection terminal T 2 is provided on the side opposite to the side where P 1 is present. Circuit on the load side is connected to the second external connection terminal T 2. The mechanical circuit breaker 13 has a fixed contact, and a movable contact that can move between a closed position that contacts the fixed contact and an open position that is separated from the fixed contact. When the movable contact moves to the open circuit position, the pole is opened and the current path is interrupted. Examples of the mechanical circuit breaker 13 include a vacuum circuit breaker, a gas circuit breaker, or an air blowing circuit breaker.

本発明の第1の実施例では、上述のように半導体電力変換器11、単相変圧器12および機械的遮断器13を結線することにより、互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組の、1次巻線12が接続される側(すなわち接続点P1がある側)とは反対側の端子P2が、第1の外部接続端子T1および第2の外部接続端子T2にそれぞれ対応する第1のグランド端子G1および第2のグランド端子G2となる。 In the first embodiment of the present invention, the semiconductor power converter 11, the single-phase transformer 12, and the mechanical circuit breaker 13 are connected as described above, so that the secondary winding 22 and the semiconductor power connected in series with each other are connected. A terminal P 2 on the side opposite to the side to which the primary winding 12 is connected (that is, the side having the connection point P 1 ) of the set including the converter 11 is the first external connection terminal T 1 and the second external connection terminal T 1 . The first ground terminal G 1 and the second ground terminal G 2 respectively corresponding to the external connection terminal T 2 .

なお、本実施例では、回路遮断器1が直流遮断器として動作する場合について説明したが、回路遮断器1は交流遮断器としても動作可能であり、この場合は、互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組の、接続点P1が接続される側とは反対側の端子P2を、第1の外部接続端子T1および第2の外部接続端子T2の極性とは反対の極性の端子G1およびG2とする。回路遮断器1が直流遮断器として動作する場合は、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータまたは4象限双方向DCDCコンバータのいずれで構成してもよいが、回路遮断器1が交流遮断器として動作する場合は、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を4象限双方向DCDCコンバータとして構成する。 In the present embodiment, the case where the circuit breaker 1 operates as a DC circuit breaker has been described. However, the circuit breaker 1 can also operate as an AC circuit breaker, and in this case, secondary circuits connected in series with each other. A terminal P 2 on the side opposite to the side to which the connection point P 1 is connected of the set of the winding 22 and the semiconductor power converter 11 is defined as a first external connection terminal T 1 and a second external connection terminal T. the second polarity to the terminal G 1 and G 2 of the opposite polarity. When the circuit breaker 1 operates as a DC breaker, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 may be configured by either a two-quadrant bidirectional DCDC converter or a four-quadrant bidirectional DCDC converter. When the device 1 operates as an AC circuit breaker, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured as a four-quadrant bidirectional DCDC converter.

図1に示す例では、第1の外部接続端子T1およびグランド端子G1からなる側を電源側とし、第2の外部接続端子T2およびグランド端子G2からなる側を負荷側としたが、この変形例として、第1の外部接続端子T1およびグランド端子G1からなる側を負荷側とし、第2の外部接続端子T2およびグランド端子G2からなる側を電源側としてもよい。 In the example shown in FIG. 1, the side consisting of the first external connection terminal T 1 and the ground terminal G 1 is the power supply side, and the side consisting of the second external connection terminal T 2 and the ground terminal G 2 is the load side. As a modification, the side including the first external connection terminal T 1 and the ground terminal G 1 may be the load side, and the side including the second external connection terminal T 2 and the ground terminal G 2 may be the power supply side.

上述の本発明の第1の実施例についての変形例として、回路遮断器1は、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組において、半導体電力変換器もしくは2次巻線に直列接続される、電流制御用のインダクタをさらに備えてもよい。図4は、本発明の第1の実施例による回路遮断器の変形例を示す回路図である。図4に示すように、回路遮断器1は、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組において、半導体電力変換器11もしくは2次巻線22に直列接続される電流制御用のインダクタ14をさらに備える。なお、図1および図2を参照して説明した回路遮断器1においては、単相変圧器12の2次巻線22の漏れインダクタンスが、図4における電流制御用のインダクタ14と同等の機能を有する。   As a modification of the first embodiment of the present invention described above, the circuit breaker 1 includes a semiconductor power converter or a secondary winding in a set of a secondary winding and a semiconductor power converter connected in series to each other. An inductor for current control connected in series to the line may be further provided. FIG. 4 is a circuit diagram showing a modification of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the circuit breaker 1 includes a semiconductor power converter 11 or a secondary winding in a set including a secondary winding 22 of a single-phase transformer 12 and a semiconductor power converter 11 connected in series. A current control inductor 14 connected in series to the line 22 is further provided. In the circuit breaker 1 described with reference to FIGS. 1 and 2, the leakage inductance of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 has a function equivalent to that of the current control inductor 14 in FIG. Have.

インダクタ14と、2次巻線22および半導体電力変換器11との電気的接続関係は、図4に示されたものに限定されない。図5は、本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器におけるインダクタの電気的接続の一例を説明する回路図である。互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組において、インダクタ14は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器11のうちのいずれかの半導体電力変換器11に電気的に直列接続されればよく、例えば、図5(A)に示すように、インダクタ14は、カスケード接続の両端に位置する半導体電力変換器11のうち図中上端の半導体電力変換器11の、他の半導体電力変換器11が接続されていない側に配置され、単相変圧器12の2次巻線22は、カスケード接続の両端に位置する半導体電力変換器11のうち図中下端の半導体電力変換器11の、他の半導体電力変換器11が接続されていない側に配置される。また例えば、図5(B)および図5(C)に示すように、インダクタ14および単相変圧器12の2次巻線22は、互いにカスケード接続された半導体電力変換器11の任意の位置に配置される。また例えば、ここでは図示しないが、インダクタ14と単相変圧器12の2次巻線22とを直列接続した上で、半導体電力変換器11に直列接続してもよい。なお、半導体電力変換器11が1個の場合は、インダクタ14および単相変圧器12の2次巻線22は単に当該半導体電力変換器11に電気的に直列接続される。このように、半導体電力変換器11が複数個カスケード接続される場合および半導体電力変換器11が1個のみの場合のいずれの場合であっても、インダクタ14および単相変圧器12の2次巻線22は、半導体電力変換器11と同一の配線上のいずれかの位置に設けられることとなるように電気的に接続される。   The electrical connection relationship between the inductor 14, the secondary winding 22 and the semiconductor power converter 11 is not limited to that shown in FIG. FIG. 5 is a circuit diagram for explaining an example of electrical connection of inductors in the circuit breakers according to the first and second embodiments of the present invention. In the set of the secondary winding 22 and the semiconductor power converter 11 that are connected in series with each other, the inductor 14 is one of the plurality of semiconductor power converters 11 that are cascade-connected to each other. For example, as shown in FIG. 5A, the inductor 14 includes the semiconductor power converter 11 at the upper end in the figure among the semiconductor power converters 11 located at both ends of the cascade connection. The secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is arranged on the side where the other semiconductor power converter 11 is not connected, and the lower end in the figure of the semiconductor power converter 11 located at both ends of the cascade connection. The semiconductor power converter 11 is arranged on the side where the other semiconductor power converter 11 is not connected. Further, for example, as shown in FIGS. 5B and 5C, the inductor 14 and the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 are placed at arbitrary positions of the semiconductor power converter 11 cascade-connected to each other. Be placed. For example, although not shown here, the inductor 14 and the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 may be connected in series and then connected in series to the semiconductor power converter 11. When there is one semiconductor power converter 11, the inductor 14 and the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 are simply electrically connected in series to the semiconductor power converter 11. As described above, the secondary winding of the inductor 14 and the single-phase transformer 12 is used in any case where a plurality of semiconductor power converters 11 are cascade-connected and only one semiconductor power converter 11 is provided. The line 22 is electrically connected so as to be provided at any position on the same wiring as the semiconductor power converter 11.

これ以降、電源側直流電圧をVdc、負荷電圧をvL、半導体電力変換器11のN個カスケード接続される側の半導体電力変換器11の合計電圧をvHBで表す。また、単相変圧器12の1次巻線21の巻き数をN1、2次巻線22の巻き数をN2で表し、1次巻線21の両端に現れる電圧をvN1、2次巻線22の両端に現れる電圧をvN2で表す。また、N個の半導体電力変換器11のそれぞれに並列に接続された直流コンデンサの電圧をそれぞれvC1、・・・、vCNで表す(ただし、Nは自然数)。また、第1の外部接続端子T1から回路遮断器1へ流れ込む電源電流をiSとし、接続点P1から第2の外部接続端子T2に流れる電流を負荷電流iLとする。なお、図中の電圧および電流については、それぞれ矢印の向きを正としている。また、単相変圧器12の1次巻線21および2次巻線22の極性を黒丸「・」で表わしている。 Hereinafter, the power supply side DC voltage is represented by V dc , the load voltage is represented by v L , and the total voltage of the semiconductor power converters 11 on the side of the N cascade-connected semiconductor power converters 11 is represented by v HB . Further, the number of turns of the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 is represented by N 1 , the number of turns of the secondary winding 22 is represented by N 2 , and the voltage appearing at both ends of the primary winding 21 is represented by v N1 , secondary representing the voltage appearing across the winding 22 at v N2. Further, voltages of DC capacitors connected in parallel to each of the N semiconductor power converters 11 are represented by v C1 ,..., V CN (where N is a natural number). Further, a power supply current flowing from the first external connection terminal T 1 to the circuit breaker 1 is i S, and a current flowing from the connection point P 1 to the second external connection terminal T 2 is a load current i L. For the voltage and current in the figure, the direction of the arrow is positive. The polarities of the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 are represented by black circles “·”.

図6は、本発明の第1の実施例による回路遮断器における制御系を説明するブロック図である。図6に示す制御系は、図1〜図3を参照して説明した回路遮断器1ならびに図4および図5を参照して説明した回路遮断器1のいずれにも適用可能である。回路遮断器1は、その制御系として、過電流検知部41および制御部42を有する。   FIG. 6 is a block diagram illustrating a control system in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. The control system shown in FIG. 6 can be applied to both the circuit breaker 1 described with reference to FIGS. 1 to 3 and the circuit breaker 1 described with reference to FIGS. 4 and 5. The circuit breaker 1 has an overcurrent detection unit 41 and a control unit 42 as its control system.

過電流検知部41は、回路遮断器1の第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する。過電流発生の検知は公知の方法で実現すればよい。例えば、地絡や短絡などの事故が発生すると第1の外部接続端子T1から回路遮断器1へ流れ込む電源電流iSが増加することから、電流検出器(図示せず)を用いて電流iSを常時監視しておき、電源電流iSが定格電流より所定の値大きくだけなった場合に「過電流発生」と判定するようにすればよい。過電流発生の判断に用いられる基準電流値は、例えば定格電流120%に設定するなど、必要に応じて適宜設定すればよい。 The overcurrent detection unit 41 detects whether or not an overcurrent has occurred on the load-side external wiring connected to the second external connection terminal T 2 of the circuit breaker 1. The detection of overcurrent generation may be realized by a known method. For example, when an accident such as a ground fault or a short circuit occurs, the power source current i S flowing from the first external connection terminal T 1 to the circuit breaker 1 increases, so that the current i is detected using a current detector (not shown). S may be constantly monitored, and it may be determined that “overcurrent has occurred” when the power supply current i S becomes a predetermined value larger than the rated current. What is necessary is just to set the reference current value used for judgment of overcurrent generation suitably as needed, such as setting to the rated current 120%.

制御部42は、機械的遮断器13に対する開極動作および半導体電力変換器11の電力変換動作を制御する。すなわち、制御部42は、過電流検知部41が過電流を検知したとき、機械的遮断器13に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する第1の指令手段51と、開極指令が出力されてから機械的遮断器13の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器13に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器11に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段52と、機械的遮断器13の開極動作が完了した時に、半導体電力変換器11内の半導体スイッチSをオフする指令を出力する第3の指令手段53と、を有する。   The control unit 42 controls the opening operation for the mechanical circuit breaker 13 and the power conversion operation of the semiconductor power converter 11. That is, the control unit 42, when the overcurrent detection unit 41 detects an overcurrent, a first command means 51 that outputs an opening command that commands the mechanical circuit breaker 13 to start a opening operation; Electric power that causes the semiconductor power converter 11 to output a DC current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker 13 to zero after the opening command is output and before the opening operation of the mechanical circuit breaker 13 is completed. Second command means 52 that outputs a conversion command and third command means 53 that outputs a command to turn off the semiconductor switch S in the semiconductor power converter 11 when the opening operation of the mechanical circuit breaker 13 is completed. And having.

第1の指令手段51、第2の指令手段52および第3の指令手段53は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、制御部42内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各手段の機能が実現される。   The first command means 51, the second command means 52, and the third command means 53 may be constructed, for example, in a software program format, or may be constructed by a combination of various electronic circuits and software programs. For example, when these means are constructed in a software program format, the arithmetic processing unit in the control unit 42 operates according to this software program, thereby realizing the functions of the above-described means.

図7は、本発明の第1の実施例による回路遮断器の動作フローを示すフローチャートである。また、図8〜図11は、本発明の第1の実施例による回路遮断器の動作を説明する等価回路を示す図である。ただし、Llは単相変圧器12の2次巻線22の漏れインダクタンスを表す。2次巻線22の漏れインダクタンスLは既知の手法で算出される。なお、単相変圧器12の1次巻線21の漏れインダクタンスは回路動作に大きな影響を与えないため、図8〜図11では記載していない。 FIG. 7 is a flowchart showing an operation flow of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. 8 to 11 are diagrams showing an equivalent circuit for explaining the operation of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. Here, L l represents the leakage inductance of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12. The leakage inductance L l of the secondary winding 22 is calculated by a known method. In addition, since the leakage inductance of the primary winding 21 of the single phase transformer 12 does not have a big influence on circuit operation | movement, it is not described in FIGS.

ここでは一例として、時刻t0で負荷側に地絡もしくは短絡の事故が発生して過電流が発生した場合を考える。 Here, as an example, let us consider a case where an overcurrent occurs due to a ground fault or short circuit accident on the load side at time t 0 .

回路遮断器1は、回路遮断器1の第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生していないとき、正常動作を行う(ステップS101)。すなわち正常時では、図8に示すように、機械的遮断器13はオンされ、電源側から単相変圧器12の1次巻線21および機械的遮断器13を介して負荷側に電力が供給される。このとき、半導体電力変換器11内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器11そのものはダイオードとして動作し、変換器電流iHBはゼロとなり、電源電流iSと負荷電流iLとは等しくなる。したがって、正常時の回路遮断器1の定常損失はゼロである。 Circuit breaker 1 when the overcurrent has not occurred on the external wiring connected second circuit breaker 1 2 to an external connection terminal T 2 the load side, performs a normal operation (step S101). That is, in the normal state, as shown in FIG. 8, the mechanical circuit breaker 13 is turned on, and power is supplied from the power source side to the load side via the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 and the mechanical circuit breaker 13. Is done. At this time, each diode D in the semiconductor power converter 11 functions, so that the semiconductor power converter 11 itself operates as a diode, the converter current i HB becomes zero, and the power source current i S and the load current i L Are equal. Therefore, the steady loss of the circuit breaker 1 at the normal time is zero.

また、電源側直流電圧Vdcと半導体電力変換器11内の直流コンデンサ電圧vC(=vC1=vCN)は式1の関係を満足する必要がある。Nは半導体電力変換器11の個数(換言すれば直流コンデンサの個数)を示す。 Further, the DC voltage V dc on the power supply side and the DC capacitor voltage v C (= v C1 = v CN ) in the semiconductor power converter 11 need to satisfy the relationship of Equation 1. N indicates the number of semiconductor power converters 11 (in other words, the number of DC capacitors).

Figure 2016149213
Figure 2016149213

図8に示すように、正常時においては、キルヒホッフの電流則より、負荷電流iLと電源電流iSとは等しく、すなわち「iL=iS」である。また、正常時の定常状態においては、単相変圧器12の鉄心における磁束は時間的には変化しないので式2が成り立つ。 As shown in FIG. 8, under normal conditions, the load current i L and the power supply current i S are equal to each other, that is, “i L = i S ”, according to Kirchhoff's current law. Further, in a normal steady state, the magnetic flux in the iron core of the single-phase transformer 12 does not change with time, so that Formula 2 is established.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

ステップS102において、過電流検知部41は、第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する。過電流検知部41が過電流を検知しなかったときはステップS101に戻り正常動作を継続する。過電流検知部41が過電流を検知したときはステップS103へ進む。 In step S102, the overcurrent detection unit 41, the overcurrent is detected whether or not generated in the second external connection terminal T 2 connected to a load side of the external wiring. When the overcurrent detector 41 does not detect an overcurrent, the process returns to step S101 and continues normal operation. When the overcurrent detection unit 41 detects an overcurrent, the process proceeds to step S103.

例えば時刻t0で過電流検知部41が過電流の発生を検知したとすると、負荷側の事故発生直後である時刻t0の回路遮断器1の等価回路は図9のように表される。機械的遮断器13における電圧降下を無視すると、式3に示される回路方程式が成立する。 For example the overcurrent detection unit 41 at time t 0 is assuming that detects the occurrence of an overcurrent, the equivalent circuit of the circuit breaker 1 at time t 0 is immediately after the accident occurred in the load side is represented as shown in FIG. If the voltage drop in the mechanical circuit breaker 13 is ignored, the circuit equation shown in Equation 3 is established.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

このとき、電源電流iSおよび負荷電流iLに、1次関数的に増加する励磁電流が流れる。この電流増加率は、単相変圧器12の励磁インダクタンスをLMとしたとき、Vdc/LMで与えられる。したがって、単相変圧器12の励磁インダクタンスLMを増加させれば、事故時の電流増加率を抑制することができる。なお、単相変圧器12の励磁インダクタンスLMは、単相変圧器12の磁気抵抗をRとしたとき、式4のように表せられる。 At this time, an exciting current that increases in a linear function flows in the power supply current i S and the load current i L. The current rate of increase, when the excitation inductance of the single-phase transformer 12 has a L M, is given by V dc / L M. Therefore, by increasing the excitation inductance L M of the single-phase transformer 12, it is possible to suppress the current increase rate during the accident. Incidentally, the exciting inductance L M of the single-phase transformer 12, when the magnetic resistance of the single-phase transformer 12 has the R, which is expressed as shown in Equation 4.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

時刻t0で短絡や地絡事故が発生すると電源電流iSは増加するため、過電流検知部41は、電流検出器(図示せず)を用いて電源電流iSを常時監視し、電源電流iSが定格電流より所定の値だけ大きくなった場合(例えば定格電流120%)に「過電流発生」と判定する。この事故が発生したと判定したときの時刻をt1とする。事故発生から事故判断に要する時間「t1−t0」は電源側直流電圧Vdc、単相変圧器12の励磁インダクタンスLM、負荷、基準電流値などに依存する。 When a short circuit or ground fault occurs at time t 0 , the power supply current i S increases. Therefore, the overcurrent detection unit 41 constantly monitors the power supply current i S using a current detector (not shown), and the power supply current i S When i S becomes larger than the rated current by a predetermined value (for example, rated current 120%), it is determined that “overcurrent has occurred”. The time when it is determined that this accident has occurred is assumed to be t 1 . The time “t 1 −t 0 ” required from the occurrence of the accident to the judgment of the accident depends on the power source side DC voltage V dc , the excitation inductance L M of the single-phase transformer 12, the load, the reference current value, and the like.

負荷側の事故発生直後である時刻t0から事故が発生したと判定した時刻t1までの間の単相変圧器12においては、式5で表される関係式が成り立つ。ただし、各巻線の漏れインダクタンスの影響は無視している。 In the single-phase transformer 12 between time t 0 immediately after the occurrence of the load-side accident and time t 1 at which it is determined that the accident has occurred, the relational expression expressed by Equation 5 holds. However, the influence of the leakage inductance of each winding is ignored.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

ステップS102において過電流検知部41が過電流を検知したとき、ステップS103において、制御部42の第1の指令手段51は、機械的遮断器13に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する。   When the overcurrent detection unit 41 detects an overcurrent in step S102, the first command means 51 of the control unit 42 instructs the mechanical circuit breaker 13 to start the opening operation in step S103. Outputs a command.

機械的遮断器13に開極指令を与えても機械的遮断器13は直ちに開極動作を完了するのではなく、機械的遮断器13の機械的構造に起因する遅れ時間が発生し、実際には少し遅れて開極動作を完了する。例えば、直流電圧が数10[kV]クラスでは1[ms]以下、数100[kV]クラスでは2[ms]程度の遅れ時間が発生する。機械的遮断器13はゼロ電流時のみ電流路を遮断することが可能であるため、機械的遮断器13を流れる負荷電流iLをゼロにする必要がある。そこで、ステップS104において、制御部42の第2の指令手段52は、開極指令が出力されてから機械的遮断器13の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器13に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を半導体電力変換器11に出力させるための電力変換指令を出力する。半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31内にある半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行う。これにより、図10に示すように、半導体電力変換器11はvHBを出力する制御電圧源として動作することと等価になる。したがって、図10において、式6のような回路方程式が成立する。 Even if the opening command is given to the mechanical circuit breaker 13, the mechanical circuit breaker 13 does not immediately complete the opening operation, but a delay time due to the mechanical structure of the mechanical circuit breaker 13 occurs. Completes the opening operation after a short delay. For example, a delay time of about 1 [ms] or less occurs when the DC voltage is several tens [kV] class and about 2 [ms] when several tens [kV] class. Since the mechanical circuit breaker 13 can interrupt the current path only at the time of zero current, it is necessary to make the load current i L flowing through the mechanical circuit breaker 13 zero. Therefore, in step S104, the second command means 52 of the control unit 42 determines the current flowing through the mechanical circuit breaker 13 after the opening command is output until the opening operation of the mechanical circuit breaker 13 is completed. A power conversion command for causing the semiconductor power converter 11 to output a direct current that converges to zero is output. The semiconductor switching element S of the semiconductor switch in the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 performs a PWM switching operation based on the received power conversion command. As a result, as shown in FIG. 10, the semiconductor power converter 11 is equivalent to operating as a control voltage source that outputs v HB . Therefore, in FIG. 10, a circuit equation like Formula 6 is established.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

本発明の第1の実施例では、制御電圧源については、一例としてPI制御にて実現し、vHBを式7で与える。式7において、Kpは比例ゲインを表し、KIは積分ゲインを表し、i* HBは変換器電流の指令値を表す。なお、本実施例ではPI制御を適用したが、PI制御以外の電流制御を適用してもよい。 In the first embodiment of the present invention, the control voltage source is realized by PI control as an example, and v HB is given by Equation 7. In Equation 7, K p denotes a proportional gain, K I denotes integral gain, i * HB represents a command value of the converter current. In this embodiment, PI control is applied, but current control other than PI control may be applied.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

式7において、右辺第1項、第2項、第3項および第4項はフィードフォワード制御に相当し、右辺第5項はフィードバック制御(PI)に相当する。式7を式6に代入すると式8が得られる。   In Expression 7, the first term, the second term, the third term, and the fourth term on the right side correspond to feedforward control, and the fifth term on the right side corresponds to feedback control (PI). Substituting Equation 7 into Equation 6 yields Equation 8.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

式8に示すように変換器電流iHBはその指令値i* HBに対して2次遅れで応答する。このとき、変換器電流の指令値i* HBをiSに設定することで変換器電流iHBを単相変圧器12の1次巻線に流れる電源電流iSに一致させる制御を行えば、キルヒホッフの電流則により負荷電流iLをゼロにすることができる。負荷電流iLをゼロにするのに要する時間(すなわち、変換器電流iHBを電源電流iSに一致させるのに要する時間)は、半導体電力変換器11のキャリア周波数、等価スイッチング周波数、ディジタル制御手法に依存する。例えば低損失かつ高スイッチング周波数動作を実現可能な高圧SiC MOSFETを用いれば、負荷電流iLをゼロにするのに要する時間を1[ms]以下に実現することは十分可能である。 As shown in Equation 8, the converter current i HB responds to the command value i * HB with a second order delay. At this time, if the control value i * HB of the converter current is set to i S so that the converter current i HB matches the power supply current i S flowing in the primary winding of the single-phase transformer 12, The load current i L can be made zero by Kirchhoff's current law. The time required to make the load current i L zero (that is, the time required to match the converter current i HB to the power supply current i S ) is the carrier frequency, equivalent switching frequency, digital control of the semiconductor power converter 11. Depends on the method. For example, if a high voltage SiC MOSFET capable of realizing a low loss and high switching frequency operation is used, it is sufficiently possible to realize the time required to make the load current i L zero at 1 [ms] or less.

ここで、電源電流iSに含まれる励磁電流をiMとすると、変圧器起磁力の関係より式9が成り立つ。ただし、各巻線の漏れインダクタンスの影響は無視している。 Here, when the exciting current included in the power source current i S is i M , Equation 9 is established from the relationship of the transformer magnetomotive force. However, the influence of the leakage inductance of each winding is ignored.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

式9に、「iS=iHB」を代入すると、式10が得られる。 By substituting “i S = i HB ” into Equation 9, Equation 10 is obtained.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

以上を踏まえ、式7に基づく電力変換指令の生成原理を説明すると次の通りである。図12は、本発明の第1の実施例による回路遮断器内の半導体電力変換器における変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する制御ブロック図である。変換器電流の制御では、フィードバック制御とフィードフォワード制御を併用する。   Based on the above, the generation principle of the power conversion command based on Expression 7 will be described as follows. FIG. 12 is a control block diagram illustrating a power conversion command for controlling the converter current in the semiconductor power converter in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. In the control of the converter current, feedback control and feedforward control are used in combination.

図12に示すように、フィードバック制御に係るブロックB1では、電流検出器(図示せず)によって検出された変換器電流iHBと電流検出器(図示せず)によって検出された電源電流iSの差分に対しPI制御を適用することで偏差(iHB−iS)を抑制する。一方、フィードフォワード制御に係るブロックB2では、電源側直流電圧vdc、単相変圧器12の1次巻線21の両端に現れる電圧vN1、2次巻線22の両端に現れる電圧vN2、2次巻線22の漏れインダクタンスLlに現れる電圧Lld(iHB)/dtから得られるvfを利用することで、電流制御性向上を実現する。電源側直流電圧vdc、単相変圧器12の1次巻線21の両端に現れる電圧vN1、および2次巻線22の両端に現れる電圧vN2は、電圧センサ(図示せず)を用いて直接検出することで得ればよい。また、2次巻線の漏れインダクタンスに現れる電圧Lld(iHB)/dtは既知の手法で予め取得したLlの値と、検出した変換器電流iHBを用いて算出することで得ればよい。ブロックB3によってvfを半導体電力変換器11の個数Nで除算し、そして、ブロックB1の出力とブロックB3の出力とが加算されて各半導体電力変換器11に対する電力変換指令v* jが生成される。各半導体電力変換器11に対する電力変換指令v* jは、ブロックB4jにて直流コンデンサ電圧vCj(ただし、j=1〜N)で規格化した後、一般的なPWM変調法(三角波比較)を適用して各半導体電力変換器11内の半導体スイッチSへ与えられる。 As shown in FIG. 12, in the block B1 related to the feedback control, the converter current i HB detected by the current detector (not shown) and the power source current i S detected by the current detector (not shown). Deviation (i HB −i S ) is suppressed by applying PI control to the difference. On the other hand, in the block B2 related to the feedforward control, the power source side DC voltage v dc , the voltage v N1 appearing at both ends of the primary winding 21 of the single-phase transformer 12, the voltage v N2 appearing at both ends of the secondary winding 22, By using v f obtained from the voltage L l d (i HB ) / dt appearing in the leakage inductance L l of the secondary winding 22, the current controllability is improved. A voltage sensor (not shown) is used for the power source side DC voltage v dc , the voltage v N1 appearing at both ends of the primary winding 21 of the single-phase transformer 12, and the voltage v N2 appearing at both ends of the secondary winding 22. Can be obtained by direct detection. Further, the voltage L l d (i HB ) / dt appearing in the leakage inductance of the secondary winding is obtained by calculating using the value of L l acquired in advance by a known method and the detected converter current i HB. Just do it. The v f divided by the number N of the semiconductor power converter 11 by the block B3, and power conversion command v * j output and is added for each semiconductor power converter 11 and the output of the block B3 of the block B1 is generated The The power conversion command v * j for each semiconductor power converter 11 is standardized with a DC capacitor voltage v Cj (where j = 1 to N) in block B4 j , and then a general PWM modulation method (triangular wave comparison) Is applied to the semiconductor switch S in each semiconductor power converter 11.

なお、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータとして構成したときは、PWM制御に用いられる三角波キャリアの初期位相を360°/N移相する「位相シフトPWM手法」を各半導体電力変換器11のDCDCコンバータ31の制御に適用すれば、等価スイッチング周波数を増加できる。具体的には、キャリア周波数をfCとすると、等価スイッチング周波数はNfCとなる。あるいは半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を4象限双方向DCDCコンバータとして構成したときは、PWM制御に用いられる三角波キャリアの初期位相を180°/N移相する「位相シフトPWM手法」を各半導体電力変換器11のDCDCコンバータ31の制御に適用すれば、等価スイッチング周波数を増加できる。具体的には、キャリア周波数をfCとすると、等価スイッチング周波数は2NfCとなる。等価スイッチング周波数を高く設定することで、電流制御系の向上と2次巻線22の漏れインダクタンスLlの低減を実現できる。 When the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured as a two-quadrant bidirectional DCDC converter, a “phase shift PWM method” that shifts the initial phase of the triangular wave carrier used for PWM control by 360 ° / N is used. When applied to control of the DCDC converter 31 of each semiconductor power converter 11, the equivalent switching frequency can be increased. Specifically, if the carrier frequency is f C , the equivalent switching frequency is Nf C. Alternatively, when the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured as a four-quadrant bidirectional DCDC converter, a “phase shift PWM method” that shifts the initial phase of the triangular wave carrier used for PWM control by 180 ° / N is used. If applied to control of the DCDC converter 31 of the semiconductor power converter 11, the equivalent switching frequency can be increased. Specifically, assuming that the carrier frequency is f C , the equivalent switching frequency is 2Nf C. By setting the equivalent switching frequency high, it is possible to improve the current control system and reduce the leakage inductance L l of the secondary winding 22.

一般に、高圧用途の半導体電力変換器のスイッチング周波数は、スイッチング損失低減の観点から数100[Hz]に設定される。一方、本発明の第1の実施例による回路遮断器1内の半導体電力変換器11は事故発生時のみPWM動作を行うため、スイッチング損失の増大は問題とならない。半導体電力変換器11として例えば3.3[kV]/1500[A]のSiCパワーモジュール(SiC MOSFETとSiC SBD(Schottky Barrier Diode))を使用した場合、PWM変調には数[kHz]のキャリア周波数適用が想定され、電流制御性の向上が期待できる。同一キャリア周波数を想定した場合、半導体電力変換器11のカスケード数が多くなるような高圧用途において電流制御性が向上する。   Generally, the switching frequency of a semiconductor power converter for high voltage applications is set to several hundreds [Hz] from the viewpoint of reducing switching loss. On the other hand, since the semiconductor power converter 11 in the circuit breaker 1 according to the first embodiment of the present invention performs the PWM operation only when an accident occurs, an increase in switching loss is not a problem. When, for example, a 3.3 [kV] / 1500 [A] SiC power module (SiC MOSFET and SiC SBD (Schottky Barrier Diode)) is used as the semiconductor power converter 11, a carrier frequency of several [kHz] is used for PWM modulation. Application is expected, and improvement of current controllability can be expected. Assuming the same carrier frequency, current controllability is improved in high voltage applications where the number of cascades of the semiconductor power converter 11 is increased.

以上、ステップS104における電力変換指令の出力について説明したが、ステップS104における処理は、ステップS103における開極指令の出力と同時に実行されてもよい。   The output of the power conversion command in step S104 has been described above, but the processing in step S104 may be performed simultaneously with the output of the opening command in step S103.

図7に戻ると、ステップS105において、機械的遮断器13は、制御部42内の第2の指令手段52からの開極指令に応じて開極動作を開始する。上述のように機械的遮断器13はゼロ電流時のみ動作可能であるが、ステップS104における機械的遮断器13に流れる電流をゼロにする処理は、開極指令が出力されてから機械的遮断器13の開極動作が完了するまでに要する時間よりも十分短い時間に実行される。   Returning to FIG. 7, in step S <b> 105, the mechanical circuit breaker 13 starts the opening operation in response to the opening command from the second command means 52 in the control unit 42. As described above, the mechanical circuit breaker 13 can be operated only at zero current. However, the process of zeroing the current flowing through the mechanical circuit breaker 13 in step S104 is performed after the opening command is output. It is executed in a time sufficiently shorter than the time required to complete the 13 opening operations.

機械的遮断器13の開極動作が完了したとき(ここでは時刻t2とする)、ステップS106において、制御部42内の第3の指令手段53は、半導体電力変換器11内の全ての半導体スイッチSをオフする指令を出力する。半導体電力変換器11の電力変換動作開始から機械的遮断器13の開極動作完了までに要する時間「t2−t1」は、機械的遮断器13に対して開極指令を与えてから機械的遮断器13が実際に開極動作を完了するまでの遅れ時間と等しく、その時間は例えば2[ms]である。 When the opening operation of the mechanical breaker 13 is completed (in this case the time t 2 is), in step S106, the third command means 53 in the controller 42, all of the semiconductor in the semiconductor power converter 11 A command to turn off the switch S is output. The time “t 2 −t 1 ” required from the start of the power conversion operation of the semiconductor power converter 11 to the completion of the opening operation of the mechanical circuit breaker 13 is given after the opening instruction is given to the mechanical circuit breaker 13 It is equal to the delay time until the circuit breaker 13 actually completes the opening operation, and the time is, for example, 2 [ms].

制御部42内の第3の指令手段53によるオフ指令を受信して半導体電力変換器11内の全ての半導体スイッチSはターンオフし、電力変換動作は終了する。これにより、図11に示すように、半導体電力変換器11内の各ダイオードDのみが機能することになる。このとき、単相変圧器12はインダクタとして動作するが、このインダクタンスをLM2すると式11で表される。ただし、各巻線の漏れインダクタンスの影響は無視している。 Upon receiving the off command from the third command means 53 in the control unit 42, all the semiconductor switches S in the semiconductor power converter 11 are turned off, and the power conversion operation ends. Thereby, as shown in FIG. 11, only each diode D in the semiconductor power converter 11 functions. In this case, single-phase transformer 12 operates as an inductor, but represented the inductance L M2 Then equation 11. However, the influence of the leakage inductance of each winding is ignored.

Figure 2016149213
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漏れインダクタンスを含む単相変圧器12の蓄積エネルギーは、半導体電力変換器11内において帰還ダイオードDを介して直流コンデンサ32および非線形抵抗33に放出される。半導体電力変換器11内の直流コンデンサ32と非線形抵抗33とは並列に接続されているので、半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sのターンオフ後(すなわち時刻t2以降の期間)は、漏れインダクタンスを含む単相変圧器12の蓄積エネルギーによって、直流コンデンサ32は充電される。その結果、直流コンデンサ電圧vCは徐々に上昇し、非線形抵抗33の動作電圧VRでクランプされる。直流コンデンサ32が当該動作電圧まで充電された後は、蓄積エネルギーは非線形抵抗33にて消費される。 The stored energy of the single-phase transformer 12 including the leakage inductance is released to the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 through the feedback diode D in the semiconductor power converter 11. Since the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 in the semiconductor power converter 11 are connected in parallel, after the semiconductor switching element S of the semiconductor switch is turned off (that is, a period after time t 2 ), a single unit including a leakage inductance is included. The DC capacitor 32 is charged by the energy stored in the phase transformer 12. As a result, the DC capacitor voltage v C gradually increases and is clamped by the operating voltage V R of the nonlinear resistor 33. After the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage, the stored energy is consumed by the non-linear resistor 33.

漏れインダクタンスを含む単相変圧器12の蓄積エネルギーによって直流コンデンサ32が非線形抵抗33の動作電圧まで充電されるまでは、式12に示す回路方程式が成立する。   Until the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage of the nonlinear resistor 33 by the stored energy of the single-phase transformer 12 including the leakage inductance, the circuit equation shown in Expression 12 is established.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

式12より、直流コンデンサ32の電圧vCおよび電源電流iS(=iHB)は2階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 12, the voltage v C and the power source current i S (= i HB ) of the DC capacitor 32 can be calculated by solving a second-order constant coefficient linear differential equation.

直流コンデンサ32が当該動作電圧まで充電された後は、式13に示す回路方程式が成立する。式13において、非線形抵抗33の動作電圧をVRとする。 After the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage, the circuit equation shown in Equation 13 is established. In Equation 13, the operating voltage of the nonlinear resistor 33 is V R.

Figure 2016149213
Figure 2016149213

式13より、電源電流iSおよび変換器電流iHBは1階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 13, the power supply current i S and the converter current i HB can be calculated by solving a first-order constant coefficient linear differential equation.

次に、本発明の第1の実施例による回路遮断器のシミュレーション結果について説明する。図13は本発明の第1の実施例による回路遮断器のシミュレーションに用いた回路図であり、(A)は回路遮断器にRL負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示し、(B)は回路遮断器に回生負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示す。ただし、図13(B)において、回生負荷は直流電流源で模擬している。また、図14は、図13に示すシミュレーション回路図の回路パラメータを説明する図である。シミュレーションには「PSCAD/EMTDC」を使用した。高圧用途への適用を想定し定格容量Pは7.5[MW]、定格直流電圧Vdcは15[kV]、定格電源電流ISは500[A]、定格負荷電流ILは500[A]とした。単相変圧器12の励磁インダクタンスLMは10[mH]、巻数比N1/N2は2とした。また、電流制御に使用する2次巻線22の漏れインダクタンスLlは、0.5[mH]とした。また、3.3[kV]耐圧の半導体スイッチング素子を想定し、初期直流コンデンサ電圧は1.5[kV]、各半導体電力変換器11の個数Nは10とし、キャリア周波数fCは2[kHz]とした。単位静電定数Hは、直流コンデンサの全静電エネルギーを変換器容量で規格化した値(単位は[s])であり、式14で表せる。 Next, the simulation result of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a circuit diagram used for the simulation of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. FIG. 13A is a short circuit accident at the closest end of the circuit breaker when an RL load is connected to the circuit breaker. (B) shows a circuit diagram when a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker when a regenerative load is connected to the circuit breaker. However, in FIG. 13B, the regenerative load is simulated by a direct current source. FIG. 14 is a diagram for explaining circuit parameters of the simulation circuit diagram shown in FIG. “PSCAD / EMTDC” was used for the simulation. Assuming application to high-voltage applications, the rated capacity P is 7.5 [MW], the rated DC voltage V dc is 15 [kV], the rated power supply current I S is 500 [A], and the rated load current I L is 500 [A]. ]. The exciting inductance L M of the single-phase transformer 12 was 10 [mH], and the turns ratio N 1 / N 2 was 2. The leakage inductance L l of the secondary winding 22 used for current control was set to 0.5 [mH]. Further, assuming a 3.3 [kV] breakdown voltage semiconductor switching element, the initial DC capacitor voltage is 1.5 [kV], the number N of each semiconductor power converter 11 is 10, and the carrier frequency f C is 2 [kHz]. ]. The unit electrostatic constant H is a value (unit: [s]) obtained by normalizing the total electrostatic energy of the DC capacitor by the converter capacity, and can be expressed by Expression 14.

Figure 2016149213
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また、シミュレーションでは、制御遅延がゼロであるアナログ制御系を想定して半導体スイッチング素子のデッドタイムはゼロとした。また、電流発生の判断に用いられる基準電流値は定格電流120%に設定した。また、非線形抵抗33は、動作電圧を2[kV]とし、印加される電圧が2[kV]以下の場合無限大の抵抗値を示し、2[kV]以上は抵抗値がゼロを示すものとした。また、機械的遮断器13は、インピーダンスがゼロの理想スイッチとして模擬し、開極指令受信から開極動作完了までの遅れ時間(=t2−t1)を1.5[ms]とした。 In the simulation, the dead time of the semiconductor switching element was set to zero assuming an analog control system with zero control delay. Further, the reference current value used for determining the generation of current was set to 120% of the rated current. The nonlinear resistor 33 has an operating voltage of 2 [kV], an infinite resistance value when the applied voltage is 2 [kV] or less, and a resistance value of zero when the voltage is 2 [kV] or more. did. The mechanical circuit breaker 13 was simulated as an ideal switch having zero impedance, and the delay time (= t 2 −t 1 ) from reception of the opening command to completion of the opening operation was set to 1.5 [ms].

図15は、本発明の第1の実施例による回路遮断器を図13(A)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。回路遮断器1にRL負荷(7.5[MW])を接続したときに時刻t0の時点で回路遮断器1の至近端で短絡事故が発生した場合をシミュレーションした。 FIG. 15 is a diagram showing simulation waveforms when the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention is operated by the simulation circuit of FIG. When a RL load (7.5 [MW]) was connected to the circuit breaker 1, a case where a short circuit accident occurred at the closest end of the circuit breaker 1 at time t 0 was simulated.

短絡事故が発生する時刻t0以前における半導体電力変換器11は、半導体電力変換器11内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器11そのものはダイオードとして動作する。この場合は、電源電流iSおよび負荷電流iLは、いずれも500[A]となり、キルヒホッフの電流則より変換器電流iHBは0[A]となる。したがって、電源側直流電圧Vdcと変換器電圧vHBとは等しくなり、いずれも15[kV]である。この間、各半導体電力変換器11内の直流コンデンサ32の電圧(Vdc/N)はそれぞれ1.5[kV]に充電される。 In the semiconductor power converter 11 before the time t 0 when the short circuit accident occurs, the semiconductor power converter 11 itself operates as a diode by the function of each diode D in the semiconductor power converter 11. In this case, the power source current i S and the load current i L are both 500 [A], and the converter current i HB is 0 [A] from Kirchhoff's current law. Accordingly, the power supply side DC voltage V dc and the converter voltage v HB are equal, and both are 15 [kV]. During this time, the voltage (V dc / N) of the DC capacitor 32 in each semiconductor power converter 11 is charged to 1.5 [kV].

時刻t0において短絡事故が発生すると、電源電流iSおよび負荷電流iLは1.5[kA/ms](=Vdc/LM)の傾きで増加する。式3、式5および式6ならびに「N/N=2」の関係式より、変換器電圧vHBはVdc/2に減少する。 When a short circuit accident occurs at time t 0 , the power supply current i S and the load current i L increase with a slope of 1.5 [kA / ms] (= V dc / L M ). From Equation 3, Equation 5, and Equation 6 and the relational expression “N 1 / N 2 = 2”, the converter voltage v HB decreases to V dc / 2.

時刻t1において、機械的遮断器13に開極指令を与える。同時に、機械的遮断器13に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を半導体電力変換器11に出力させる電力変換指令を出力する。これにより半導体電力変換器11内の半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行う。なお、本シミュレーションでは、PWM動作開始および開極指令受信から機械的遮断器13の開極完了までの時間「t2−t1」を1.5[ms]と設定した。図15に示すように、電流制御適用後0.35[ms]で、負荷電流iLはゼロとなり、電源電流iSと変換器電流iHBは等しくなるので、機械的遮断器13により電流路の遮断が可能な状態となる。式10と、「N1/N2=2」の関係式より、電源電流iSの電流増加率は、事故発生直後(t0≦t≦t1)の電源電流iSの電流増加率の2倍(=3.0[kA/ms])となる。変換器電力pHBは常に正であるので、直流コンデンサ32の電圧vC1、vC2は増加し、最終的には非線形抵抗33の動作電圧VRである2[kV]でクランプされる。 At time t 1 , an opening command is given to the mechanical circuit breaker 13. At the same time, a power conversion command for causing the semiconductor power converter 11 to output a direct current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker 13 to zero is output. Thereby, the semiconductor switching element S of the semiconductor switch in the semiconductor power converter 11 performs a PWM switching operation based on the received power conversion command. In this simulation, the time “t 2 −t 1 ” from the start of PWM operation and reception of the opening command to the completion of opening of the mechanical circuit breaker 13 is set to 1.5 [ms]. As shown in FIG. 15, at 0.35 [ms] after application of current control, the load current i L becomes zero and the power source current i S and the converter current i HB become equal. It becomes a state that can be shut off. Equation 10, from the relationship equation "N 1 / N 2 = 2", the current increase rate of the power supply current i S is the current increase rate of the power supply current i S immediately after the accident (t 0 ≦ t ≦ t 1 ) Double (= 3.0 [kA / ms]). Since the converter power p HB is always positive, the voltages v C1 and v C2 of the DC capacitor 32 increase and are finally clamped at 2 [kV] which is the operating voltage V R of the nonlinear resistor 33.

時刻t2において機械的遮断器13の開極動作が完了し、同時に半導体電力変換器11内の全ての半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sをターンオフする。電源電流iSおよび変換器電流iHBは1次関数的に減少し、時刻t3においてゼロとなる。本シミュレーション結果によれば、短絡事故発生から電流遮断完了までの所要時間「t3−t0」は4.8[ms]であり、回路遮断器1により高速遮断を実現できることがわかる。 And opening operation of the mechanical breaker 13 is completed at time t 2, the turning off the semiconductor switching element S of all the semiconductor switches of the semiconductor power converter 11 at the same time. The power supply current i S and the converter current i HB decrease linearly and become zero at time t 3 . According to this simulation result, it can be seen that the required time “t 3 −t 0 ” from the occurrence of the short-circuit accident to the completion of current interruption is 4.8 [ms], and the circuit breaker 1 can realize high-speed interruption.

図16は、本発明の第1の実施例による回路遮断器を図13(B)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。回路遮断器1に回生負荷(7.5[MW])を接続したときに時刻t0の時点で回路遮断器1の至近端で短絡事故が発生した場合をシミュレーションした。 FIG. 16 is a diagram showing simulation waveforms when the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention is operated by the simulation circuit of FIG. 13B. When a regenerative load (7.5 [MW]) was connected to the circuit breaker 1, a case where a short circuit accident occurred at the closest end of the circuit breaker 1 at time t 0 was simulated.

本シミュレーションでは回生負荷を想定しているため、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時は電源電流iSおよび負荷電流iLはともに−500[A]となる。各部波形は、図15と同様となる。本シミュレーション結果によれば、短絡事故発生から電流遮断完了までの所要時間「t3−t0」は5.4[ms]であり、回路遮断器1により高速遮断を実現できることがわかる。 Since a regenerative load is assumed in this simulation, both the power source current i S and the load current i L are −500 [A] when normal before time t 0 when a short circuit accident occurs. The waveform of each part is the same as in FIG. According to this simulation result, the required time “t 3 −t 0 ” from the occurrence of the short-circuit accident to the completion of current interruption is 5.4 [ms], and it can be seen that the circuit breaker 1 can realize high-speed interruption.

次に、本発明の第2の実施例について説明する。図17は、本発明の第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。上述の第1の実施例による回路遮断器1は、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組が、適用される直流給電システムに対して並列になるよう設置されたが、本発明の第2の実施例による回路遮断器2は、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組が、直流給電システムに対して直列になるよう設置される。本発明の第2の実施例による回路遮断器2は、第1の実施例同様、半導体電力変換器11と、単相変圧器12と、機械的遮断器13と、を備える。互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組と、機械的遮断器13とは、並列に接続される。以下、各構成について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 17 is a circuit diagram illustrating a semiconductor power converter in a circuit breaker according to a second embodiment of the present invention. The circuit breaker 1 according to the first embodiment described above is for a DC power supply system to which a set of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 connected in series is applied. However, the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention includes the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 connected in series. The set is installed in series with the DC power supply system. The circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention includes a semiconductor power converter 11, a single-phase transformer 12, and a mechanical circuit breaker 13, as in the first embodiment. A set of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 connected in series with each other and the mechanical circuit breaker 13 are connected in parallel. Each configuration will be described below.

半導体電力変換器11は、単相変圧器12の1次巻線21と機械的遮断器13との接続点P1から分岐した配線上に、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。第1の実施例同様、半導体電力変換器11が1個の場合は、単相変圧器12の2次巻線22が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器11が互いにカスケード接続される場合は、当該半導体電力変換器11とは異なる他の半導体電力変換器11が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図17では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器11が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。カスケード接続する半導体電力変換器11の個数を適宜調整するだけで回路遮断器1の高耐圧化を容易に実現できる。半導体電力変換器11の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。ただし、半導体電力変換器11内のエネルギー蓄積部32を直流コンデンサとした場合は、第2の実施例では、第1の実施例の場合とは異なり、初期充電回路(図示せず)を別途設ける必要がある。 The semiconductor power converter 11 is singly or plurally connected in cascade with each other on the wiring branched from the connection point P 1 between the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 and the mechanical circuit breaker 13. Provided. As in the first embodiment, when the number of the semiconductor power converter 11 is one, the side to which the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is connected is referred to as a “first DC side”, and a plurality of semiconductors When the power converters 11 are cascade-connected to each other, a side to which another semiconductor power converter 11 different from the semiconductor power converter 11 is connected is also referred to as a “first DC side”. The DC side opposite to the “first DC side” is referred to as a “second DC side”. As an example, FIG. 17 shows a case where a plurality (N, where N is an integer of 2 or more) semiconductor power converters 11 are cascade-connected to each other on the first DC side. A high breakdown voltage of the circuit breaker 1 can be easily realized by simply adjusting the number of semiconductor power converters 11 connected in cascade. The configuration of the semiconductor power converter 11 is the same as that described in the first embodiment. However, when the energy storage unit 32 in the semiconductor power converter 11 is a DC capacitor, the second embodiment is provided with an initial charging circuit (not shown) separately from the case of the first embodiment. There is a need.

単相変圧器12の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。すなわち、単相変圧器12は、1次巻線21の一端に第1の外部接続端子T1を有する。第1の外部接続端子T1には電源側の回路が接続され、単相変圧器12の2次巻線22は、半導体電力変換器11と直列接続される。黒丸「・」で表される1次巻線21の極性に対し、2次巻線22については、その極性が図示の向きに揃うようにワイヤを巻回するとともに各部品と電気的結線をする。単相変圧器12において、1次巻線21の、第1の外部接続端子T1とは反対側にある他の一端(すなわち接続点P1)に、互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組が接続される。単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11との電気的接続関係は、図17に示されたものに限定されず、例えば、図3に示したように、2次巻線22は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器11のうちのいずれかの半導体電力変換器11に電気的に直列接続すればよい。また、本発明の第2の実施例では、第1の外部接続端子T1の極性とは反対側の端子として第3のグランド端子G3が設けられる。 The configuration of the single-phase transformer 12 is the same as that described in the first embodiment. That is, the single-phase transformer 12 has the first external connection terminal T 1 at one end of the primary winding 21. A circuit on the power supply side is connected to the first external connection terminal T 1, and the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 is connected in series with the semiconductor power converter 11. With respect to the polarity of the primary winding 21 represented by the black circle “·”, the secondary winding 22 is wound with a wire so that the polarity is aligned in the direction shown in the figure and electrically connected to each component. . In single-phase transformer 12, the first winding 21, the other end the first external connection terminal T 1 on the opposite side (i.e. the connection point P 1), 2 windings connected in series to each other 22 And the semiconductor power converter 11 are connected. The electrical connection relationship between the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 is not limited to that shown in FIG. 17. For example, as shown in FIG. The line 22 may be electrically connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters 11 cascade-connected to each other. In the second embodiment of the present invention, the third ground terminal G 3 is provided as a terminal opposite to the polarity of the first external connection terminal T 1 .

機械的遮断器13は、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組と並列になるように、一端が接続点P1に接続され、他の一端が接続点P3に接続される。また、機械的遮断器13の、単相変圧器12の1次巻線21に接続される側(すなわち接続点P1がある側)とは反対側の接続点P3を、第2の外部接続端子T2とする。第2の外部接続端子T2には負荷側の回路が接続される。機械的遮断器13の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。なお、本発明の第2の実施例では、第2の外部接続端子T2の極性とは反対側の端子として第4のグランド端子G4が設けられるが、第3のグランド端子G3と第4のグランド端子G4とは同電位となる。 One end of the mechanical circuit breaker 13 is connected to the connection point P 1 so as to be in parallel with a set of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 connected in series with each other. It is connected the other end is the connection point P 3. Further, a connection point P 3 on the opposite side of the mechanical circuit breaker 13 from the side connected to the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 (that is, the side having the connection point P 1 ) is connected to the second external and the connection terminal T 2. Circuit on the load side is connected to the second external connection terminal T 2. The configuration of the mechanical circuit breaker 13 is the same as that described in the first embodiment. Incidentally, in the second embodiment of the present invention, the second polarity external connection terminal T 2, but the fourth ground terminal G 4 is provided as the opposite side of the terminal, and the third ground terminal G 3 a No. 4 ground terminal G 4 has the same potential.

本発明の第2の実施例では、上述のように半導体電力変換器11、単相変圧器12および機械的遮断器13を結線することにより、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組と、機械的遮断器13とは、並列に接続された構成となる。回路遮断器2は直流遮断器として動作するほかに交流遮断器としても動作可能であり、この場合は、端子G3は第1の外部接続端子T1の極性とは反対の極性を有する端子となり、端子G4は第2の外部接続端子T2の極性とは反対の極性を有する端子となる。第1の実施例と同様、回路遮断器2が直流遮断器として動作する場合は、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータまたは4象限双方向DCDCコンバータのいずれで構成してもよいが、回路遮断器2が交流遮断器として動作する場合は、半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31を4象限双方向DCDCコンバータとして構成する。 In the second embodiment of the present invention, by connecting the semiconductor power converter 11, the single-phase transformer 12, and the mechanical circuit breaker 13 as described above, the secondary of the single-phase transformer 12 connected in series with each other. A set of the winding 22 and the semiconductor power converter 11 and the mechanical circuit breaker 13 are connected in parallel. In addition to operating as a DC circuit breaker, the circuit breaker 2 can also operate as an AC circuit breaker. In this case, the terminal G 3 is a terminal having a polarity opposite to that of the first external connection terminal T 1. The terminal G 4 is a terminal having a polarity opposite to the polarity of the second external connection terminal T 2 . As in the first embodiment, when the circuit breaker 2 operates as a DC breaker, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured by either a two-quadrant bidirectional DCDC converter or a four-quadrant bidirectional DCDC converter. However, when the circuit breaker 2 operates as an AC breaker, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11 is configured as a four-quadrant bidirectional DCDC converter.

なお、図17に示す例では、第1の外部接続端子T1および第3のグランド端子G3からなる側を電源側とし、第2の外部接続端子T2および第4のグランド端子G4からなる側を負荷側としたが、この変形例として、第1の外部接続端子T1および第3のグランド端子G3からなる側を負荷側とし、第2の外部接続端子T2および第4のグランド端子G4からなる側を電源側としてもよい。 In the example shown in FIG. 17, the side including the first external connection terminal T 1 and the third ground terminal G 3 is the power supply side, and the second external connection terminal T 2 and the fourth ground terminal G 4 However, as a modified example, the side formed by the first external connection terminal T 1 and the third ground terminal G 3 is the load side, and the second external connection terminal T 2 and the fourth side side consisting of the ground terminal G 4 may be a power supply side.

上述の本発明の第2の実施例についての変形例として、回路遮断器2は、互いに直列接続された2次巻線と半導体電力変換器とからなる組において、半導体電力変換器もしくは2次巻線に直列接続される、電流制御用のインダクタをさらに備えてもよい。図18は、本発明の第2の実施例による回路遮断器の変形例を示す回路図である。図18に示すように、回路遮断器2は、互いに直列接続された単相変圧器12の2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組において、半導体電力変換器11もしくは2次巻線22に直列接続される電流制御用のインダクタ14をさらに備える。なお、図17を参照して説明した回路遮断器2においては、単相変圧器12の2次巻線22の漏れインダクタンスが、図18における電流制御用のインダクタ14と同等の機能を有する。インダクタ14と、2次巻線22および半導体電力変換器11との電気的接続関係は、図18に示されたものに限定されず、例えば、図5に示したように、互いに直列接続された2次巻線22と半導体電力変換器11とからなる組において、インダクタ14は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器11のうちのいずれかの半導体電力変換器11に電気的に直列接続されればよい。   As a modification of the above-described second embodiment of the present invention, the circuit breaker 2 includes a semiconductor power converter or a secondary winding in a set of a secondary winding and a semiconductor power converter connected in series to each other. An inductor for current control connected in series to the line may be further provided. FIG. 18 is a circuit diagram showing a modification of the circuit breaker according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 18, the circuit breaker 2 includes a semiconductor power converter 11 or a secondary winding in a set including the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 and the semiconductor power converter 11 connected in series. A current control inductor 14 connected in series to the line 22 is further provided. In the circuit breaker 2 described with reference to FIG. 17, the leakage inductance of the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 has a function equivalent to that of the current control inductor 14 in FIG. 18. The electrical connection relationship between the inductor 14, the secondary winding 22 and the semiconductor power converter 11 is not limited to that shown in FIG. 18. For example, as shown in FIG. 5, they are connected in series to each other. In the set of the secondary winding 22 and the semiconductor power converter 11, the inductor 14 is electrically connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters 11 connected in cascade. It only has to be connected.

ここで、電源側直流電圧をVdc、負荷電圧をvL、半導体電力変換器11のN個カスケード接続される側の半導体電力変換器11の合計電圧をvHBで表す。また、単相変圧器12の1次巻線21の巻き数をN1、2次巻線22の巻き数をN2で表し、1次巻線21の両端に現れる電圧をvN1、2次巻線22の両端に現れる電圧をvN2で表す。また、N個の半導体電力変換器11それぞれについて並列に接続された直流コンデンサの電圧をそれぞれvC1、・・・、vCNで表す(ただし、Nは自然数)。第1の外部接続端子T1から回路遮断器1へ流れ込む電源電流をiSとする。また、接続点P1から接続点P3に流れる電流(すなわち機械的遮断器13を流れる電流)については「iL」と表記するが、説明を簡明にするために、第2の実施例でも機械的遮断器13を流れる電流「iL」を「負荷電流」と呼称する。なお、図中の電圧および電流については、それぞれ矢印の向きを正としている。また、単相変圧器12の1次巻線21および2次巻線22の極性を黒丸「・」で表わしている。 Here, the DC voltage on the power supply side is represented by V dc , the load voltage is represented by v L , and the total voltage of the semiconductor power converters 11 on the N cascade-connected sides of the semiconductor power converters 11 is represented by v HB . Further, the number of turns of the primary winding 21 of the single-phase transformer 12 is represented by N 1 , the number of turns of the secondary winding 22 is represented by N 2 , and the voltage appearing at both ends of the primary winding 21 is represented by v N1 , secondary representing the voltage appearing across the winding 22 at v N2. Moreover, the voltage of the DC capacitor connected in parallel for each of the N semiconductor power converters 11 is represented by v C1 ,..., V CN (where N is a natural number). The power supply current flowing from the first external connection terminal T 1 to the circuit breaker 1 is i S. In addition, the current flowing from the connection point P 1 to the connection point P 3 (that is, the current flowing through the mechanical circuit breaker 13) is expressed as “i L ”. However, in order to simplify the description, the second embodiment is also used. The current “i L ” flowing through the mechanical circuit breaker 13 is referred to as “load current”. For the voltage and current in the figure, the direction of the arrow is positive. The polarities of the primary winding 21 and the secondary winding 22 of the single-phase transformer 12 are represented by black circles “·”.

本発明の第2の実施例による回路遮断器2の制御系は、図1を参照して説明した第1の実施例による回路遮断器1の制御系と同様の構成を有する。この制御系の下、本発明の第2の実施例による回路遮断器2の動作も、図7を参照して説明した第1の実施例による回路遮断器1の動作フローと同様に動作する。すなわち、時刻t0で負荷側に地絡もしくは短絡の事故が発生して過電流が発生し、時刻t1において機械的遮断器13に開極指令を与えると同時に各半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31の電力変換動作を開始させる。また、時刻t2において機械的遮断器13の開極動作が完了すると同時に全ての半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sをターンオフし、時刻t3において電源電流iSと変換器電流iHBがゼロとなり電流遮断が完了する。より詳しくは次の通りである。 The control system of the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the control system of the circuit breaker 1 according to the first embodiment described with reference to FIG. Under this control system, the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention operates in the same manner as the operation flow of the circuit breaker 1 according to the first embodiment described with reference to FIG. That is, a ground fault or short circuit accident occurs on the load side at time t 0 , and an overcurrent occurs. At time t 1 , an opening command is given to the mechanical circuit breaker 13 and at the same time, each semiconductor power converter 11 The power conversion operation of the DCDC converter 31 is started. At the time t 2 , the opening operation of the mechanical circuit breaker 13 is completed, and at the same time, the semiconductor switching elements S of all the semiconductor switches are turned off. At the time t 3 , the power source current i S and the converter current i HB become zero and the current Blocking is complete. More details are as follows.

短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時の回路遮断器2の動作は、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。すなわち正常時では機械的遮断器13はオンされて電源側から負荷側に電力が供給される。このとき、半導体電力変換器11内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器11そのものはダイオードとして動作する。この場合、変換器電流iHBはゼロとなる。つまり、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時では、第1の外部接続端子T1から流入した電源電流iSは、単相変圧器12の1次巻線、および閉路した機械的遮断器13を順次経由して、第2の外部接続端子T2から流出する。したがって、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時では、電源電流iSと、負荷電流iLとは全て同一となる。なお、第1の実施例と同様、電源側直流電圧Vdcと半導体電力変換器11内の直流コンデンサ電圧vC(=vC1=vCN)は式1の関係を満足する必要がある。 The normal operation of the circuit breaker 2 before time t 0 when the short circuit accident occurs is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. That is, at the normal time, the mechanical circuit breaker 13 is turned on and power is supplied from the power source side to the load side. At this time, each diode D in the semiconductor power converter 11 functions, so that the semiconductor power converter 11 itself operates as a diode. In this case, the converter current i HB is zero. That is, in a normal state before time t 0 when a short circuit accident occurs, the power source current i S flowing from the first external connection terminal T 1 is the primary winding of the single-phase transformer 12 and the closed mechanical cutoff. It flows out from the second external connection terminal T 2 via the vessel 13 in sequence. Therefore, at the normal time before the time t 0 when the short circuit accident occurs, the power supply current i S and the load current i L are all the same. As in the first embodiment, the power supply side DC voltage V dc and the DC capacitor voltage v C (= v C1 = v CN ) in the semiconductor power converter 11 must satisfy the relationship of Equation 1.

時刻t0で過電流検知部41が過電流の発生を検知した直後の回路遮断器2の動作も、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。このとき、電源電流iSおよび負荷電流iLは「Vdc/LM」の傾きで1次関数的に増加する。 The operation of the circuit breaker 2 immediately after the overcurrent detector 41 detects the occurrence of overcurrent at time t 0 is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. At this time, the power supply current i S and the load current i L increase in a linear function with a slope of “V dc / L M ”.

時刻t1から時刻t2までの間の回路遮断器2の動作も、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。すなわち、図12を参照して説明した変換器電流を制御するための電力変換指令の生成原理を適用することで、変換器電流iHBを電源電流iSに一致させる制御を行い、負荷電流iLがゼロになるようにする。 The operation of the circuit breaker 2 between time t 1 and time t 2 is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. That is, by applying the generation principle of the power conversion command for controlling the converter current described with reference to FIG. 12, the control is performed so that the converter current i HB matches the power source current i S , and the load current i Let L be zero.

時刻t2で機械的遮断器13の開極動作が完了したときの回路遮断器2の動作も、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。すなわち半導体電力変換器11内のDCDCコンバータ31内の全ての半導体スイッチング素子Sをオフすることで、単相変圧器12およびインダクタ14の蓄積エネルギーは、半導体電力変換器11内において帰還ダイオードDを介して直流コンデンサ32および非線形抵抗33に放出される。この期間において成立する電圧方程式や電流の関係式は、第1の実施例の場合と同一である。 The operation of the circuit breaker 2 when the opening operation of the mechanical circuit breaker 13 is completed at time t 2 is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. That is, by turning off all the semiconductor switching elements S in the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 11, the energy stored in the single-phase transformer 12 and the inductor 14 passes through the feedback diode D in the semiconductor power converter 11. To the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33. The voltage equation and current relational expression established during this period are the same as those in the first embodiment.

1、2 回路遮断器
11 半導体電力変換器
12 単相変圧器
13 機械的遮断器
14 インダクタ
21 1次巻線
22 2次巻線
31 DCDCコンバータ
32 エネルギー蓄積部
33 非線形抵抗
41 過電流検出部
42 制御部
51 第1の指令手段
52 第2の指令手段
53 第3の指令手段
D 帰還ダイオード
1 第1のグランド端子
2 第2のグランド端子
3 第3のグランド端子
4 第4のグランド端子
S 半導体スイッチング素子
1 第1の外部接続端子
2 第2の外部接続端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Circuit breaker 11 Semiconductor power converter 12 Single phase transformer 13 Mechanical circuit breaker 14 Inductor 21 Primary winding 22 Secondary winding 31 DCDC converter 32 Energy storage part 33 Nonlinear resistance 41 Overcurrent detection part 42 Control Unit 51 First command means 52 Second command means 53 Third command means D Feedback diode G 1 First ground terminal G 2 Second ground terminal G 3 Third ground terminal G 4 Fourth ground terminal S semiconductor switching element T 1 first external connection terminal T 2 second external connection terminal

Claims (10)

1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器であって、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、所定の直流電流を出力する半導体電力変換器と、
一端に第1の外部接続端子を有する1次巻線と、前記半導体電力変換器と直列接続される2次巻線と、を有し、前記1次巻線の前記第1の外部接続端子とは反対側にある他の一端が、互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組に接続される単相変圧器と、
一端に第2の外部接続端子を有し、前記第2の外部接続端子とは反対側にある他の一端が、互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組と前記1次巻線との接続点に接続される機械的遮断器であって、指令に応じて開極して電流路を遮断する機械的遮断器と、
を備えることを特徴とする回路遮断器。
One or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other, and a semiconductor power converter that outputs a predetermined direct current by switching a semiconductor switch provided therein according to a command;
A primary winding having a first external connection terminal at one end; and a secondary winding connected in series with the semiconductor power converter; and the first external connection terminal of the primary winding; The other end on the opposite side is connected to a set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other, a single-phase transformer,
A set having the second external connection terminal at one end and the other end on the opposite side of the second external connection terminal is composed of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other. A mechanical circuit breaker connected to a connection point between the primary winding and the primary winding, the mechanical circuit breaker opening in response to a command to interrupt the current path;
A circuit breaker comprising:
前記半導体電力変換器は、
内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するDCDCコンバータであって、直流電流の入出力方向を前記第1の直流側と前記第2の直流側との間で双方向に切換え可能なDCDCコンバータと、
前記2次巻線または当該半導体電力変換器とは異なる他の前記半導体電力変換器が接続される前記第1の直流側、とは反対側の前記第2の直流側に並列に接続されるエネルギー蓄積部と、
前記エネルギー蓄積部に並列に接続され、前記エネルギー蓄積部に印加された直流電圧が、予め設定された電圧以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は前記所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す非線形抵抗と、
を有する請求項1に記載の回路遮断器。
The semiconductor power converter is
A DC current input from one of the first DC side and the second DC side is converted into a DC current of a desired magnitude and polarity by switching the semiconductor switch provided inside according to a command. A DCDC converter that outputs to the other side, and is capable of bidirectionally switching a DC current input / output direction between the first DC side and the second DC side;
Energy connected in parallel to the second DC side opposite to the first DC side to which the secondary winding or another semiconductor power converter different from the semiconductor power converter is connected A storage unit;
The DC voltage connected in parallel to the energy storage unit and applied to the energy storage unit indicates a predetermined resistance value when the voltage is equal to or lower than a preset voltage, and in other cases than the predetermined resistance value A non-linear resistance exhibiting a low resistance value;
The circuit breaker according to claim 1.
前記回路遮断器に接続された外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する過電流検知部と、
前記機械的遮断器に対する開極動作および前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記過電流検知部が過電流を検知したとき、前記機械的遮断器に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する第1の指令手段と、
前記開極指令が出力されてから前記機械的遮断器の開極動作が完了するまでの間に前記機械的遮断器に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、前記半導体電力変換器に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段と、
前記機械的遮断器の開極動作が完了した時に、前記半導体電力変換器内の前記半導体スイッチをオフするオフ指令を出力する第3の指令手段と、
を有する請求項1または2に記載の回路遮断器。
An overcurrent detection unit for detecting whether an overcurrent has occurred on the external wiring connected to the circuit breaker;
A controller for controlling an opening operation for the mechanical circuit breaker and a power conversion operation of the semiconductor power converter;
With
The controller is
First instruction means for outputting an opening command for instructing the mechanical circuit breaker to start an opening operation when the overcurrent detection unit detects an overcurrent;
The semiconductor power converter is caused to output a direct current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker to zero during the period from when the opening instruction is output until the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed. Second command means for outputting a power conversion command;
Third command means for outputting an off command to turn off the semiconductor switch in the semiconductor power converter when the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed;
The circuit breaker according to claim 1 or 2.
互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組の、前記1次巻線が接続される側とは反対側の端子を、前記第1の外部接続端子および第2の外部接続端子の極性とは反対の極性の端子とし、または第1のグランド端子および第2のグランド端子とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路遮断器。   A terminal on the side opposite to the side to which the primary winding is connected of the set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other is connected to the first external connection terminal and the second external connection terminal. The circuit breaker according to any one of claims 1 to 3, wherein the circuit breaker is a terminal having a polarity opposite to a polarity of the external connection terminal, or a first ground terminal and a second ground terminal. 互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組と、前記機械的遮断器と、は並列に接続され、
前記回路遮断器は、前記第1の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第3のグランド端子と、前記第2の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第4のグランド端子とを備える請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路遮断器。
A set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other and the mechanical circuit breaker are connected in parallel,
The circuit breaker includes a terminal opposite to the polarity of the first external connection terminal or a third ground terminal, and a terminal opposite to the polarity of the second external connection terminal or a fourth ground terminal. The circuit breaker as described in any one of Claims 1-3 provided with these.
互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組において、前記2次巻線は、互いにカスケード接続された複数個の前記半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列接続される請求項1〜5のいずれか一項に記載の回路遮断器。   In the set consisting of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other, the secondary winding is a semiconductor power of any one of the plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. The circuit breaker as described in any one of Claims 1-5 connected in series with a converter. 互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組において、前記半導体電力変換器もしくは前記2次巻線に直列接続されるインダクタをさらに備える請求項1〜6のいずれか一項に記載の回路遮断器。   The set of the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series with each other further comprises an inductor connected in series to the semiconductor power converter or the secondary winding. The circuit breaker according to one item. 互いに直列接続された前記2次巻線と前記半導体電力変換器とからなる組において、前記インダクタは、互いにカスケード接続された複数個の前記半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列接続される請求項7に記載の回路遮断器。   In the set including the secondary winding and the semiconductor power converter connected in series to each other, the inductor is connected to any one of the plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. The circuit breaker according to claim 7 connected in series. 前記半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、を有する請求項1〜8のいずれか一項に記載の回路遮断器。
The semiconductor switch includes a semiconductor switching element that passes a current in one direction when turned on,
A circuit breaker according to any one of claims 1 to 8, further comprising a feedback diode connected in antiparallel to the semiconductor switching element.
前記機械的遮断器は、固定接触子と、前記固定接触子に接触する閉路位置と前記固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有し、指令に応じて前記可動接触子が前記開路位置に移動することにより開極して電流路を遮断する請求項1〜9のいずれか一項に記載の回路遮断器。   The mechanical circuit breaker includes a fixed contact, and a movable contact that is movable between a closed position that contacts the fixed contact and an open position that is separated from the fixed contact. The circuit breaker according to any one of claims 1 to 9, wherein the movable contact is moved to the open circuit position to open a pole and interrupt the current path.
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