JP3524809B2 - 交流電源回路の開閉装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、無接点式の交流
電源回路の開閉装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】サイリスタはアノード電流に比較してゲ
ート電流は数十分の一から数百分の一で制御できるた
め、きわめて少ない電力で大電流の開閉を制御できる。
この特性を利用して、従来から図４に示すような交流電
源回路の開閉装置が知られている。この装置においては
主回路は逆並列に接続したサイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ
４及びＳＣＲ２，ＳＣＲ３を交流電源の入力と出力（負
荷）の間を結ぶ２線Ｘ，Ｙの両側に直列に挿入されてい
る。サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ４及びＳＣＲ２，ＳＣ
Ｒ３はそれぞれトランスＴ１，Ｔ２，Ｔ３から分圧した
４つの電圧を互いのゲートとアノードに接続されてい
る。主回路のサイリスタＳＣＲ１〜４を制御するゲート
信号は制御スイッチＳ１、トランスＴ１，Ｔ２，Ｔ３、
ダイオードＤ１〜Ｄ４及び抵抗Ｒ１〜Ｒ４で構成された
ゲート回路から与えられる。ここでトランスは本来１個
で機能を果たすが、後記する実施の形態との違いを分か
り易くするため便宜上３個にしている。

【０００３】図４では制御スイッチＳ１をオンする（閉
じる）と、入力電圧はトランスＴ１を通してトランスＴ
２，Ｔ３に加圧される。トランスＴ２，Ｔ３の２次側に
現れた電圧はダイオードＤ１〜Ｄ４によって整流（位相
判別）され、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を通してサイリスタＳＣＲ
１，ＳＣＲ４及びＳＣＲ２，ＳＣＲ３のゲートに与えら
れる。サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ２の導通方向はゲー
トに接続されたダイオードＤ１，Ｄ２の導通方向と一致
している。同様にサイリスタＳＣＲ３，ＳＣＲ４の導通
方向はゲートに接続されたダイオードＤ３，Ｄ４の導通
方向と一致している。サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ２の
組とサイリスタＳＣＲ３，ＳＣＲ４の組合せは交流電源
入力の正負の電流に対応しており、制御スイッチＳ１が
オンしている間、主回路は導通して負荷に正負両方向に
電流を流すことができ、いわゆる交流の開閉器の機能を
果たすことができる。一般的にサイリスタを使用する場
合、安定動作をさせるため、ゲートとカソード間に抵抗
とコンデンサを並列に接続するが、図を簡単にするため
図４においては便宜上省略してある（以下同様とす
る）。

【０００４】図５は図４の動作状態を示す。上段の曲線
は交流電源の入力電圧の波形を、中段は制御スイッチＳ
１のオンタイミングを、下段の曲線は出力電流の波形
を、それぞれ示している。図５は制御スイッチＳ１が入
力電圧の高いときに閉じた場合を示している。

【０００５】ところで、前記従来の装置においては、主
回路の開閉制御をする制御スイッチＳ１の操作タイミン
グと入力電圧の位相に時間的な関連がないので、電圧の
高い位相のときに制御スイッチＳ１が閉じられることが
ある。この場合、出力に接続された負荷に図５に示すよ
うに突然大きな電流（以下、突入電流）が流れる。突入
電流はトランスに加圧する時の励磁電流や整流回路にお
けるコンデンサの充電電流などが主な要因とされてい
る。突入電流に耐えるためには電流容量の大きなサイリ
スタを用いる必要がある。また、突入電流により電源回
路の瞬時電圧低下を起こす原因となる、などの問題点が
ある。

【０００６】また従来の装置においては、サイリスタ及
びダイオードは原理的に１ボルトから２ボルト程度以下
の低い電圧では電流が流れない特性（ドロップ特性）を
もっている。したがって、入力電圧の先頭のゼロに近い
位相角では主回路を導通させることができないため、出
力電流は図５に示すような歪んだ波形（以下、クロスオ
ーバー歪という）となり、負荷の機器によっては誤動作
の原因となるという問題点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明は、前
記のような従来の問題点を解決し、突入電流を大幅に緩
和することができて突入電流を原因とする電源回路の瞬
時電圧低下を起こすこともないとともに、クロスオーバ
ー歪もなくすることができる交流電源回路の開閉装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、入力と出力の間にそれぞれ開閉
用サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ４及びＳＣＲ２，ＳＣＲ
３を逆並列に接続した主回路と、この主回路のサイリス
タを制御スイッチＳ１により制御するゲート回路とを具
えた交流電源回路の開閉装置において、ゲート回路の制
御スイッチとサイリスタのゲートの間に制御スイッチが
オンしたときの位相とサイリスタのゲート電流の位相を
判別する手段と、制御スイッチがオンしたことを記憶保
持する手段と、サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ４及びＳＣ
Ｒ２，ＳＣＲ３のゲート電流の位相を入力電圧の位相よ
り進ませる進相手段とを含む制御回路を設けたことを特
徴とする。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１において、位
相を判別する手段が、ダイオードであることを特徴とす
る。請求項３の発明は、請求項１において、記憶保持す
る手段が、リレー、トランジスタ及びサイリスタのいず
れかであることを特徴とする。請求項４の発明は、請求
項３において、サイリスタが、開閉用サイリスタとは別
のサイリスタであることを特徴とする。請求項５の発明
は、請求項１において、進相手段が、ゲート回路の入力
側に直列に挿入されたコンデンサであることを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明の一実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は交流電源回路の構成図、図
２，３はそれぞれ動作説明図である。図４，５に示した
従来のものと比較すると、この実施の形態ではゲート回
路の中の点線で囲った部分が追加している点で相違し、
その他は同様の構成となっている。すなわち、図１に示
すようにゲート回路内には制御回路が設けられ、該回路
内におけるゲート回路の制御スイッチＳ１とサイリスタ
ＳＣＲ１〜４のゲートの間には制御スイッチＳ１がオン
したときの位相と該サイリスタのゲート電流の位相を判
別する手段としてのダイオードＤ５，Ｄ６と、制御スイ
ッチＳ１がオンしたことを記憶保持する手段としての別
のサイリスタＳＣＲ５，ＳＣＲ６が設けられている。ダ
イオードＤ５，Ｄ６は主回路のサイリスタＳＣＲ１〜４
の導通方向と同じ向きの位相判別用として動作する。サ
イリスタＳＣＲ５，ＳＣＲ６はゲートが交差するように
接続されている。すなわち、サイリスタＳＣＲ５のゲー
トはダイオードＤ６のカソード（サイリスタＳＣＲ６の
アノード側）に接続され、サイリスタＳＣＲ６のゲート
はダイオードＤ５のカソード（サイリスタＳＣＲ５のア
ノード側）に接続されている。これらサイリスタＳＣＲ
５，ＳＣＲ６は制御スイッチＳ１がオンしたことを記憶
保持する機能として動作する。ダイオードＤ７，Ｄ８は
両波整流してコンデンサＣ２に充電するための動作をす
る。ダイオードＤ11と抵抗Ｒ７、及びダイオードＤ12と
抵抗Ｒ８はＳＣＲ５，６が導通した後、導通状態を保持
するためにコンデンサＣ２に充電された直流エネルギー
を補給する動作をする。ダイオードＤ９，Ｄ10は制御回
路のトランスＴ１の２次側への電流の帰路として動作す
る。

【００１１】このような構成にすると、制御スイッチＳ
１がオンした時点の位相の如何によらず、制御用サイリ
スタＳＣＲ５，ＳＣＲ６のゲートがプラスになった方
の、例えばサイリスタＳＣＲ５が先にオンし、位相が反
転してから反対側のサイリスタＳＣＲ６がオンする。各
制御用サイリスタＳＣＲ５，ＳＣＲ６は最初にゲートが
プラスになった時点のアノード側の極性はマイナスであ
るためアノード電流を流すことができない（主回路のサ
イリスタのゲートに信号を与えることはできない）が、
位相が反転して電圧のゼロ付近からアノード電流が流れ
て主回路のサイリスタのゲートに信号を与えてオンさせ
ることができる。このようにして図２に示すように主回
路のサイリスタＳＣＲ１〜４は制御用スイッチＳ１のオ
ンするタイミングの如何によらず、常に電圧のゼロ付近
の位相からオンをスタートさせることができる。

【００１２】ゲート回路の入力、すなわちトランスＴ１
の２次側にはサイリスタＳＣＲ１〜４のゲート電流の位
相を入力電圧の位相より進ませる進相手段としてのコン
デンサＣ２が直列に接続されて挿入されている。これに
より主回路のサイリスタＳＣＲ１〜４のゲート信号の位
相を主回路の電圧の位相より進ませることができる。こ
のようにすることにより図３に示すように主回路のゲー
ト信号はアノード電圧の位相が反転する前から与えられ
るため、クロスオーバー歪をなくすことができる。

【００１３】以下、図２，３を参照して各部の電圧や電
流の流れ等の動作状態について、タイムチャートにした
がって詳しく説明することとする。

【００１４】図２は図１の動作をタイムチャート的に示
したものである。但し、コンデンサＣ２は短絡したとき
の状態を示す。１段目の曲線は交流電源の入力電圧を示
している。２段目は制御スイッチＳ１のオンタイミング
を示している。３段目はダイオードＤ７〜Ｄ10によって
整流したサイリスタＳＣＲ５，ＳＣＲ６の導通保持用電
圧を示している。現実的にはこの電圧は横に直線となら
ずに脈流（リップル）を伴うのが一般的であるが、分か
り易くするため便宜上、直線で示している。４段目の曲
線はサイリスタＳＣＲ５のゲート電流を示しており、タ
イミングで入力電圧の位相は１段目の曲線に示すよう
に負である。したがって、トランスＴ１の２次の下側が
正であるので、ダイオードＤ６を通してサイリスタＳＣ
Ｒ５のアノードに電流が流れサイリスタＳＣＲ５が導通
する。しかし、トランスＴ１の２次の上側は負であるた
めダイオードＤ５、トランスＴ２の１次側を通しての電
流は流れない。タイミングに進むと、サイリスタＳＣ
Ｒ５のゲート電流はなくなるが、アノードはコンデンサ
Ｃ２から保持電流がダイオードＤ11、抵抗Ｒ７を通して
与えられており導通しているので、５段目に示したよう
にダイオードＤ５、トランスＴ２の１次側を通して電流
が流れ、トランスＴ２の２次回路に電流が流れ８段目に
示したように主回路のサイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ２の
ゲートに電流が流れるので、サイリスタＳＣＲ１，ＳＣ
Ｒ２は導通する。サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ２はタイ
ミングではゲート信号が与えられないためオフする。

【００１５】一方、６段目はサイリスタＳＣＲ６のゲー
ト電流を示しており、タイミングではトランスＴ１の
２次の上側が負のためダイオードＤ５、抵抗Ｒ６を通し
ての電流は流れず、タイミングで初めて流れる。７段
目はサイリスタＳＣＲ６のアノードの電流を示してお
り、タイミングではトランスＴ１の２次の下側が負の
ためアノード電流は保持電流のみで、ダイオードＤ６、
トランスＴ３の１次側を通しての電流は流れない。タイ
ミングになってから初めてダイオードＤ６、トランス
Ｔ３の１次側を通しての電流が流れる。したがって、ト
ランスＴ３の２次回路に電流が流れて、９段目に示した
ようにサイリスタＳＣＲ３，ＳＣＲ４のゲートに電流が
流れるので、サイリスタＳＣＲ３，ＳＣＲ４は導通す
る。この後、スイッチＳ１がオンしている間はサイリス
タＳＣＲ５，ＳＣＲ６が導通状態を保持し続けるので交
流電源入力の位相にしたがって、正負、交互に負荷に電
流を流し続ける。10段目に示したように出力の電流は前
記の動作開始時のステップ動作により入力電圧のゼロ位
相付近から通電し始めるが、コンデンサＣ２がないので
クロスオーバー歪を伴っている。

【００１６】図３は図１のコンデンサＣ２の機能が活か
されているときの動作を示している。コンデンサＣ２の
進相動作によりトランスＴ１の２次側に接続されたコン
デンサＣ２を通った後の電圧は図３の１段目に点線で示
したようにコンデンサＣ２を通る前に比較して位相が進
んでいる。コンデンサＣ２以降の回路の動作は最終の出
力電流を除いて全体が左にシフトしている（進んでい
る）だけである。したがって、動作の説明を省略する。
最終の出力電流については主回路のサイリスタＳＣＲ１
〜４のゲート電流がアノード電圧の立ち上がりより、前
から与えられるので電圧ゼロ付近から電流が流れる。ま
た、立ち上がり付近はサイリスタＳＣＲ１〜４の性質に
より電流の切れ目を生じない。したがって、出力電流は
最下段に示したようにクロスオーバー歪のない波形とな
る。

【００１７】前記においては記憶保持する手段としてサ
イリスタＳＣＲ５，ＳＣＲ６を示したが、これは一例で
あって、ほかにリレーやトランジスタを用いてもよい。
しかも、これらは好ましくは自己保持回路とするのがよ
い。その他、図示した回路構成は好ましい一例であっ
て、これら構成に限定されるものでないことは言うまで
もない。

【００１８】

【発明の効果】請求項１〜５の発明は前記のような構成
からなるので、従来のものに比し、突入電流を大幅に緩
和することができ、突入電流を原因とする電源回路の瞬
時電圧低下が起きるのを効果的に防止することができ
る。また、クロスオーバー歪もなくすることができる。
しかも、構成も電気的にシンプルで丈夫な部品のみで簡
単にでき、経済的であり、従来のものに比べてきわめて
信頼度の高い開閉装置を提供することができるという優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す交流電源回路の
構成図である。

【図２】同上の動作説明図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】図１と対応する従来の交流電源回路の構成図で
ある。

【図５】同上の動作説明図である。

【符号の説明】

ＳＣＲ１〜６ サイリスタ Ｓ１ 制御スイッチ Ｄ１〜Ｄ12 ダイオード Ｒ１〜Ｒ８ 抵抗 Ｔ１〜Ｔ３ トランス Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−32431（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−177866（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−114422（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−169720（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−181028（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−171126（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03K 17/725

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力と出力の間にそれぞれ開閉用サイリ
   スタＳＣＲ１，ＳＣＲ４及びＳＣＲ２，ＳＣＲ３を逆並
   列に接続した主回路と、この主回路のサイリスタを制御
   スイッチＳ１により制御するゲート回路とを具えた交流
   電源回路の開閉装置において、前記ゲート回路の制御ス
   イッチとサイリスタのゲートの間に制御スイッチがオン
   したときの位相とサイリスタのゲート電流の位相を判別
   する手段と、制御スイッチがオンしたことを記憶保持す
   る手段と、サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ４及びＳＣＲ
   ２，ＳＣＲ３のゲート電流の位相を入力電圧の位相より
   進ませる進相手段とを含む制御回路を設けたことを特徴
   とする交流電源回路の開閉装置。
2. 【請求項２】 位相を判別する手段が、ダイオードであ
   る請求項１記載の交流電源回路の開閉装置。
3. 【請求項３】 記憶保持する手段が、リレー、トランジ
   スタ及びサイリスタのいずれかである請求項１記載の交
   流電源回路の開閉装置。
4. 【請求項４】 サイリスタが、開閉用サイリスタとは別
   のサイリスタである請求項３記載の交流電源回路の開閉
   装置。
5. 【請求項５】 進相手段が、ゲート回路の入力側に直列
   に挿入されたコンデンサである請求項１記載の交流電源
   回路の開閉装置。