JP2024075822A - 電流開閉装置 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、プランジャ形リレーには電磁開閉器(マグネットスイッチ)もあるが、電磁開閉器は、電磁接触器にサーマルリレーを付加したものであり、金属接点の動作に関しては電磁接触器と同じであるから、特に断らない限り、この明細書においては、電磁接触器には電磁開閉器も含まれるものとする。
第一に、電磁コイルを制御電源で励磁して金属接点を磁気力で機械式に駆動して電流のオン/オフを行うものであるので、制御電源の投入から金属接点がオンするまでの間に必ずタイムラグ(10ms以上)が生じる。特に、直流回路のシーケンス回路では大きな制御遅れとなり、ms単位で進む高速な制御システムには向かないという問題がある。
チャタリングが発生すると、始動電流を1秒間に10~20回程度の高頻度で開閉を繰り返すため金属接点間に発生するアークにより金属接点が異常発熱や消耗、溶着等が発生する。接点溶着を起こした場合は、モータが制御不能になり、システムに甚大な被害を与えることになる。これはモータに限らず、大電流回路あるいはインダクタンスを含む電気回路に組み込まれた電磁接触器一般に起こる問題でもある。
かかるチャタリングの発生による問題を回避するためのチャタリング防止装置が提案されている(下記特許文献1参照)。
また、チャタリング防止又は制御遅れの問題を解決することを目的とするものではないが、電磁接触器の主接点と並列に半導体スイッチを接続したハイブリッドスイッチが提案されている(上記特許文献2参照)。
さらに、直流10A以上、数十V以上の電流遮断時は、高温アークが発生して持続するのでアークを消弧させる工夫も必要である。また、交流電流においても、電流ゼロ点までアーク電流が持続して電極が消耗するなど機械的接点の問題は依然として残っている。
上記制御部は、上記制御電源によって駆動されるとともに、上記制御電源のオン/オフを制御することにより上記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、上記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して上記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により上記双方向半導体スイッチをオンして、上記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して上記負荷への通電を維持するとともに、上記制御スイッチがオフされて上記駆動コイルへの電源供給が遮断されて上記金属接点が開極された後も、所定の時間、上記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して上記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えたことを特徴とする電流開閉装置によって達成される。
図1は、本発明に係る電流開閉装置の第一の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る電流開閉装置は、双方向直流電源又は交流電源1と負荷4との間に挿入されて使用されるものであり、駆動コイル3と、駆動コイル3への制御電源(図中の12V)の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点2を備えた電磁接触器と、金属接点2と並列に接続される逆直列接続した2個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチ7と、各半導体スイッチング素子の制御端子(ゲート)にオン/オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路8と、絶縁ゲート駆動回路8への入力電圧を制御して絶縁ゲート駆動回路8の出力電圧を制御する制御部9とを備えており、制御電源のオン/オフを制御することにより金属接点2の開閉を制御する制御スイッチ10は電流開閉装置とは別に備えられている。なお、制御スイッチ10は電流開閉装置の構成部品として内蔵してもよいことは言うまでもない。
半導体スイッチング素子としては、MOSFETや逆導通型IGBTなど制御端子(ゲート)の制御でオン/オフする能力を持つ自己消弧形半導体素子が利用可能である。
また、絶縁ゲート駆動回路8としては、フォトボル出力フォトカプラ(以下「フォトボル」という。)が利用できる。
フォトボルは、赤外LEDとフォトダイオードアレイを備え、入力側に約10mAの電流で内部の赤外LEDを発光させて、出力部のフォトダイオードアレイに絶縁された出力最大7V程度の開放電圧を発生させるもので、東芝デバイス&ストレージ株式会社製のTLP3906などがある。
制御部9は、制御電源(12V)からの電力を蓄積し、制御スイッチ10がオフされた後も所定の時間、絶縁ゲート駆動回路8に電力を供給するための大容量(150μF)の電解コンデンサCと、制御電源の電圧を入力して所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備えている。なお、定電圧制御回路は、制御電源から定電圧(5V)を作り出すために置かれている。
なお、遅延タイマー回路によって双方向半導体スイッチ7のオフを遅延させるのは、金属接点2の開極に必要な時間を確保し、金属接点2の開極後に双方向半導体スイッチ7のオフによって負荷電流を遮断することで金属接点2アーク放電を防止するためである。
制御スイッチ10がオンになると、駆動コイル3に制御電源(12V)からの電圧が印加され、電磁石の作用により金属接点2が閉極動作を開始するが、金属接点2は機械的に動くため、金属接点2が閉極するまでは10ms程度のタイムラグ(接点閉極遅れ)が生ずる。
一方、制御電源は制御部9にも供給され、フォトボル8の出力から半導体スイッチ7のゲートに約7Vの電圧が印加されて半導体スイッチがオンして、負荷への電流が通電する。この時、まだ金属接点2は閉極していないが、約10ms後に金属接点2が無アークで閉極すると、金属接点2を通して負荷4に電流が流れ、半導体スイッチにはほとんど電流は流れなくなる。半導体スイッチには短時間しか電流が流れないので、発熱は無視できる。
結果として、制御スイッチ10のオンとほぼ同時に負荷4へ電流を流すことができるため、制御遅れの問題は解消される。また、金属接点2の閉極はほとんど無電流の状態でされるため、完全に閉極するまでの間に接点のバウンドや擦れが生じても接点が溶着したりアークが発生したりすることもなくなる。
なお、金属接点2の通電中は半導体スイッチ7に対するフォトボル8の出力を停止してもよいが、継続しても金属接点2がオンの間は半導体スイッチ7には電流が流れないし、もし、動作中、金属接点2が衝撃Gでチャタリングしても並列の半導体スイッチ7があれば通電は持続する利点がある。
半導体スイッチ7を駆動するフォトボル8は、約10mA程度で駆動することができるが、制御スイッチ10がオフになると制御部9に供給されている制御電源12Vはなくなるが、制御部9にある電解コンデンサ(150μF)に蓄電されている電流が放電してフォトボル8に供給され、半導体スイッチ7のオン状態が維持されるので、金属接点2に流れている電流は半導体スイッチ7に転流する。
このように、本発明による電磁接触器の制御は、双方向半導体スイッチ7の制御が主となって、金属接点2の開閉は双方向半導体スイッチ7の導通損失を無くする役目になる。金属接点2の連続通電により双方向半導体スイッチ7の導通損がなくなるので、半導体スイッチ7の冷却システムが不要になるので、本発明は軽量化が実現される。
図1に示す逆直列接続した2個のMOSFETから成る双方向半導体スイッチを、ダイオードブリッジ11と複数(図6では便宜上2個にしているが、3個以上でも構わない。)のMOSFETから成る双方向半導体スイッチで置き換えたものであって、ダイオードブリッジ11の交流入力端子を金属接点2に並列に接続するとともに、複数のMOSFETを図のようにダイオードブリッジ11の直流出力端子に並列接続したものである。なお、MOSFETを複数個並列にしているのは、大電流を扱う場合に、1個あたりの分担を減らして発熱を抑えるためであり、扱う電流量によっては1個でも構わないことは言うまでもない。
これは、制御スイッチ10のオン時、絶縁ゲート駆動回路8からゲート電圧パルスで双方向半導体スイッチ7がオンされるが、その後、遅れて金属接点2がオンされると金属接点2のオン電圧からの双方向半導体スイッチ7への回り込み電流が発生することがある。このダイオードブリッジ11の順方向電圧は2Vから3V程度が有るため、この回り込み電流を完全に阻止することができる。
負荷電流の遮断時は絶縁ゲート駆動回路8が第一実施例と同じく金属接点2の開極を待ってから双方向半導体スイッチ7のゲートをオフする。
この場合、2つの金属接点と双方向半導体スイッチ7の動作順は、負荷4に通電する時は、補助接点2’、双方向半導体スイッチ7、金属接点2の順にオンし、負荷4への電流を遮断する時は、金属接点2、双方向半導体スイッチ7、補助接点2’の順にオフするように制御される。したがって、補助接点2’のオン/オフは、いずれも無電流で行われることになる。小型、軽量、動作は遅いが、大電流用に設計して機器の運転に先立って補助接点2’をオンにして、運転停止後に補助接点2’をオフすることで、運転休止中に外部からのサージ電圧から直列の負荷を保護する効果もある。
これは、電流が一方向の直流電源の場合の基本的構成で、ハイブリッド化ユニット6を金属接点2に並列接続した電流開閉装置の場合で、直流であっても電流方向は逆の場合もあり、半導体スイッチ7は、逆圧がかかると電流が流れてしまうので、これを阻止するための直列ダイオード12が必要となる。これは、逆阻止ばかりではなく、順方向でも金属接点2が閉じている場合の僅かな接点電圧でも、純抵抗である低オン抵抗の半導体スイッチ7に分流するのを直列ダイオード12の順方向電圧(約1.2V)で防ぎ、半導体スイッチ7に電流を流さないようにして連続した発熱をさせないためである。半導体スイッチ7と直列ダイオード12の直列接続回路以外は、図1の場合と同じであるので、その他の説明は省略する。
2 金属接点(主接点)
2’補助接点
3 駆動コイル
4 負荷
5 駆動コイル端子
6 ハイブリッド化ユニット
7 双方向半導体スイッチ(MOSFET)
8 絶縁ゲート駆動回路(フォトボル)
9 制御部
10 制御スイッチ
11 ダイオードブリッジ
12 直列ダイオード
Claims (8)
- 双方向直流電源又は交流電源と負荷との間に挿入されて使用される電流開閉装置であって、該電流開閉装置は、
駆動コイルと、該駆動コイルへの制御電源の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点を備えた電磁接触器と、
前記金属接点と並列に接続される逆直列接続した2個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチと、
前記各半導体スイッチング素子の制御端子にオン/オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御電源のオン/オフを制御することにより前記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記双方向半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えたことを特徴とする電流開閉装置。 - 直流電源と負荷との間に挿入されて使用される電流開閉装置であって、該電流開閉装置は、
駆動コイルと、該駆動コイルへの制御電源の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点を備えた電磁接触器と、
前記金属接点と並列に接続される半導体スイッチとダイオードとの直列接続回路と、
前記半導体スイッチの制御端子にオン/オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御電源のオン/オフを制御することにより前記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えたことを特徴とする電流開閉装置。 - 前記遮断遅延手段は、前記制御電源から供給される電力を蓄積するコンデンサと、前記制御電源の電圧を入力し所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備え、該遅延タイマー回路が前記制御電源が遮断された後においても所定の時間だけ前記所定の電圧を出力し、前記所定の時間経過後に出力を停止することを特徴とする請求項1又は2に記載の電流開閉装置。
- 前記逆直列接続した2個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチを、ダイオードブリッジと一又は複数の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチで置き換えたものであって、
前記ダイオードブリッジの交流入力端子を前記金属接点に並列に接続するとともに、
前記半導体スイッチング素子を前記ダイオードブリッジの直流出力端子に並列接続したことを特徴とする請求項1に記載の電流開閉装置。 - さらに第二の電磁接触器を備え、前記金属接点に直列に前記第二の電磁接触器の金属接点(以下「補助接点」という。)を接続し、
前記負荷に通電する時は、前記補助接点、前記双方向半導体スイッチ、前記金属接点の順にオンし、前記負荷への電流を遮断する時は、前記金属接点、前記双方向半導体スイッチ、前記補助接点の順にオフするように前記制御部が制御することを特徴とする請求項1に記載の電流開閉装置。 - 前記半導体スイッチング素子が自己消弧形半導体素子である請求項1又は2に記載の電流開閉装置。
- 請求項1に記載の電流開閉装置の前記電磁接触器の前記金属接点に並列に接続して使用されるハイブリッド化ユニットであって、該ハイブリッド化ユニットは、
前記金属接点と並列に接続される逆直列接続した2個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチと、
前記各半導体スイッチング素子の制御端子にオン/オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記双方向半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えたことを特徴とするハイブリッド化ユニット。 - 前記遮断遅延手段は、前記制御電源から供給される電力を蓄積するコンデンサと、前記制御電源の電圧を入力し所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備え、該遅延タイマー回路が前記制御電源が遮断された後においても所定の時間だけ前記所定の電圧を出力し、前記所定の時間経過後に出力を停止することを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド化ユニット。
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