JP3676638B2 - 電源系統切り替え装置および切り替え方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は複数の異なる交流電源から負荷に電力を供給する際に、複数の電源の内の任意の一つを切り替え選択して負荷に電力を供給するようにするための電源系統切り替え装置、特に、負荷に対して電力を供給している電源が電圧擾乱を生じたときに、負荷を他の正常な電源系統に無停電で切り替えることができる電源系統切り替え装置および切り替え方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術１．
図１３は新電気設備辞典(１９８９年５月、産業調査会発行)に記載されている２回線常用・予備切り替え回路に示された従来の電源系統切り替え装置を示す。図１３において、１は第１の電源系統である第１の交流電源、２は第２の電源系統である第２の交流電源、３は第１の機械式開閉器、４は第２の機械式開閉器、５は負荷である。
【０００３】
第１の交流電源１が正常時には、第１の開閉器３を閉にし、第２の開閉器４を開にすることにより、負荷５に対して第１の交流電源１から電力を供給するようにしている。もし、第１の交流電源１が停電を生じた場合には、負荷５に継続的に電力を供給できないので、その時には、第１の開閉器３を開放した後に、第２の開閉器４を投入して、第２の交流電源２から負荷５に開閉器４を介して電力を供給することにより、負荷５には継続的に電力を供給するようにしている。
【０００４】
しかし、第１の開閉器３と第２の開閉器４は機械式開閉器であるため、切り替えに数十ｍｓ(ミリ秒)以上の時間がかかり、負荷に対して切り替え時に停電が発生することは避けられず、負荷に対する悪影響を防止することはできないという問題点があった。
【０００５】
また、開閉器の操作機構をバネ操作にして高速化することも開発されているが、開放操作は速くできるが、投入操作が速くできないため、全体としては数サイクルの切り替え時間はさけられないという問題がある。
【０００６】
従来の技術２．
図１４は「１５ｋＶ、中圧静止型切り替えスイッチ(15kV,Medium Voltage Static Transfer Switch)」(ＩＥＥＥ、１９９５年、５月／６月)に示された別の従来の電源系統切り替え装置を示すものであり、電源系統切り替え時の高速性を確保するために、機械式開閉器をサイリスタ開閉器に置き換えた電源系統切り替え装置を示す。図において、６は逆並列に接続したサイリスタ対から成る第１のサイリスタ開閉器、７は逆並列に接続したサイリスタ対から成る第２のサイリスタ開閉器である。
【０００７】
第１の交流電源１が正常時には、第１のサイリスタ開閉器６のサイリスタ対にゲート信号を連続的に与えて、サイリスタ開閉器６を閉状態に維持しておき、また、第２のサイリスタ開閉器７のサイリスタ対にはゲート信号を与えないようにして開状態にしておくことにより、負荷５に対して第１の交流電源１から第１のサイリスタ開閉器６を介して電力を供給するようにしている。
【０００８】
もし、第１の交流電源１が停電を生じた場合には、第１のサイリスタ開閉器６のサイリスタ対のゲート信号を直ちに停止し、サイリスタを流れる電流が零点を迎えた時点で第１のサイリスタ開閉器６が開放された後に、第２のサイリスタ開閉器７のサイリスタ対にゲート信号を与えて閉状態にすることにより、第２の交流電源２から第２のサイリスタ開閉器７を通して負荷５に電力を供給する。
【０００９】
このようなサイリスタ開閉器を使用したの場合には、１／２サイクル以内に第１の交流電源１から第２の交流電源２への切り替えができるので、第１の交流電源１の停電時には、負荷５に悪影響を与えずに第２の交流電源２に切り替えることができるという特徴がある。
【００１０】
しかしながら、この方式では負荷電流は常にサイリスタを流れるため、サイリスタの内部損失による電力損失が大きくなり、発生電力損失による運転コストが大きくなるという問題がある。また、サイリスタ素子を冷却する必要があるために大きな冷却装置を必要とし、寸法が大きくなるとともに価格が高くなるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のこの種の装置においては、機械式開閉器を備えた装置の場合には切り替え時に開閉に時間がかかる、サイリスタ開閉器を備えた装置の場合にはサイリスタでの電力損失、発熱、等の問題があった。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電源系統が擾乱時に無停電で他の電源系統への切り替えが可能であるとともに、通電中の発生損失を極めて少なくできるので運転コストを大幅に低減でき、また、使用するサイリスタスイッチを２つの異なる電源系統の切り替えにおいて、一方の電源系統から他方への電源系統への切り替えとその逆方向の切り替えに対して、一つのサイリスタスイッチを共通的に使用できるようにし、コンパクトでかつ安価な電源系統切り替え装置および切り替え方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、第１の電源系統に直列に接続された機械式の第１のバイパススイッチと、第２の電源系統に直列に接続された機械式の第２のバイパススイッチと、上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチと、上記第１および第２のバイパススイッチおよび半導体スイッチの接続点に接続された負荷と、上記負荷に対して上記２つのバイパススイッチの切り替え動作により上記２つの電源系統のいずれかを選択して負荷に電力を供給するように上記２つのバイパススイッチおよび上記半導体スイッチの開閉制御を行う制御装置と、を備え、上記制御装置が第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、第１のバイパススイッチを開放するとともに、第２のバイパススイッチに並列に接続した半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え装置にある。
【００１４】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１のバイパススイッチを開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性を検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１５】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え装置であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに備え、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性をそれぞれ検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるスイッチ切替部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１６】
またこの発明は、上記制御装置が電源系統の切り替え方向毎に別々の制御回路を設けたことを特徴とする請求項３に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１７】
またこの発明は、上記制御装置が１つの制御回路と、電源系統の切り替え方向に従って外部との入出力を切り替える接続切替回路と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１８】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチに流れる電流を検出する電流検出用変流器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電流方向の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１９】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチの両端の電圧極性を検出する電圧検出器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電圧極性の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００２０】
またこの発明は、上記第２の点弧部が半導体スイッチの両端の電圧を検出する電圧検出器を外部に設け、この極間電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００２１】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対のサイリスタスイッチからなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００２２】
またこの発明は、第１および第２の電源系統に直列に接続されたそれぞれ機械式の第１および第２のバイパススイッチ、並びに上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチのこれらの接続点に接続された負荷に対して上記第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、上記第１のバイパススイッチを開放するとともに、上記第半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え方法にある。
【００２３】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１のバイパススイッチを開放するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するステップと、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電源系統切り替え方法にある。
【００２４】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え方法であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに設け、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するステップと、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するステップと、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるステップと、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電源系統切り替え方法にある。
【００２５】
この発明に関わる静止形異系統切り替え装置に使用するバイパススイッチは、バネ駆動方式を用いて開放時間＝約５ｍｓという高速開放特性を実現したスイッチを適用している。一方、このスイッチは開放時間は速いが、機構上の制約のため、投入には約５０ｍｓと比較的長い時間を必要とするため、バイパススイッチの投入時には、スイッチに並列接続したサイリスタスイッチで行うようにして投入時間を２ｍｓ以内でできるようにし、これらを組み合わせることにより、二つの異なる電源系統を１／２サイクル以下の高速で切り替えができるようにしたものである。さらに、一つのサイリスタスイッチで、２つの電源系統の両方向の切り替えが共通的にできるようにして、極めて経済的な装置を実現したものである。
【００２６】
この発明における電源系統切り替え装置は、定常通電中には、サイリスタをオフにして、電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、サイリスタの定常通電損失を０にすることができるとともに、２つの異なる電源系統への両方向の切り替えを一つのサイリスタスイッチを共通的に用いることにより実現できるので、低損失でかつ経済的な電源系統切り替え装置および切り替え方法を提供することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による電源系統切り替え装置の構成を示す図である。図１において、従来のものと同一もしくは相当部分は同一符号で示す。８は例えば半導体スイッチ素子であるサイリスタ８ａと８ｂを逆並列接続したサイリスタ対で構成した半導体スイッチであるサイリスタスイッチ、９はサイリスタ８ａと８ｂにゲート信号を与えるためゲート信号発生回路、１０は第１のバイパススイッチ、１１は第１のバイパススイッチ１０を駆動するためのスイッチ駆動回路、１２は第２のバイパススイッチ、１３は第２のバイパススイッチ１２を駆動するためのスイッチ駆動回路である。なお、第１および第２のバイパススイッチ１０、１２は機械式スイッチである。
【００２８】
１４は第１のバイパススイッチ１０の電流検出用変流器(ＣＴ)、１５は第２のバイパススイッチ１２の電流検出用ＣＴ、１６は第１の電源系統である第１の交流電源１の電圧を検出するための電圧検出用変圧器(ＰＴ)、１７は第２の電源系統である第２の交流電源２の電圧を検出するための電圧検出用ＰＴ、１８は切り替えスイッチ、１９は上記検出用ＣＴ、ＰＴの検出結果に従って上記第１および第２のバイパススイッチ１０，１２およびサイリスタスイッチ８を制御するための制御装置本体である。
【００２９】
図２は制御装置本体１９の具体的構成の一例を説明するための図である。図において、１００は電圧検出用ＰＴ１６の検出信号Ｖ１Ｍを入力して電圧実効値を演算する電圧センサ、１０１は検出した電圧実効値のレベルを監視する電圧監視回路であり、電圧センサ１００の出力Ｖ１Ｓが予め設定した電圧下限値ＶＬ１と電圧上限値ＶＨ１をはみ出した時に切り替え指令ＣＨＧを出力する。
【００３０】
１０２は上記電流検出用ＣＴ１４の検出信号ＩＰＳ１Ｍから電流瞬時波形を求める電流センサ、１０３は電流センサ１０２の出力信号ＩＰＳ１から電流極性を判別する電流極性判別回路であり、バイパススイッチ１０の電流が交流電源１側から負荷５の方向に流れている時に出力信号ＩＰ１＝「１」を出力し、また、負荷５側から交流電源１側に電流が流れているときには出力信号ＩＰ１＝「０」を出力する。
【００３１】
１０４はバイパススイッチ１０の電流が０になったことを判別する電流零判別回路、１０５は上記電圧監視回路１０１の出力ＣＨＧが「１」になった時にバイパススイッチ１０を開放させる開放指令信号ＰＳ１ＯＰＥＮを出力するＰＳ１開放指令出力回路である。
【００３２】
１０６は遅延回路、１０７と１０８はＡＮＤ回路、１０９はＮＯＴ回路、１１０は遅延回路、１１１と１１２はＯＲ回路である。１１３と１１４はＡＮＤ回路、１１５と１１６は遅延回路、１１７はＮＯＴ回路、１１８はバイパススイッチ１２の投入指令信号ＰＳ２ＣＬＳを出力するＰＳ２投入指令出力回路である。
【００３３】
なお、図１および図２において、ゲート信号発生回路９、スイッチ駆動回路１１，１３、電流検出用変流器１４，１５、電圧検出用変圧器１６，１７、切り替えスイッチ１８、制御装置本体１９が制御装置を構成する。
【００３４】
また、電圧検出用変圧器１６，１７、電圧センサ１００、電圧監視回路１０１、ＰＳ１／ＰＳ２開放指令出力回路１０５、スイッチ駆動回路１１，１３がバイパススイッチ開放部を構成し、電流検出用変流器１４，１５、電流センサ１０２が電流／電圧検出部を構成し、電流極性判別回路１０３、遅延回路１０６、ＡＮＤ回路１０７，１０８，１１３，１１４、ＯＲ回路１１１，１１２、ＮＯＴ回路１０９、ゲート信号発生回路９が第１の点弧部を構成し、電流零判別回路１０４、遅延回路１１５、ＯＲ回路１１１，１１２、ＡＮＤ回路１１３，１１４、ゲート信号発生回路９が第２の点弧部を構成し、遅延回路１１０、ＰＳ２／ＰＳ１投入指令出力回路１１８、スイッチ駆動回路１１，１３がバイパススイッチ閉成部を構成し、遅延回路１１６、ＮＯＴ回路１１７、ＡＮＤ回路１１３，１１４が消弧部を構成し、遅延回路１１６、ＮＯＴ回路１１７、切り替えスイッチ１８がスイッチ切替部を構成する。
【００３５】
次に図１と図２の動作を具体的に説明するために、図３の動作波形を例に取って説明する。また、本発明の動作をより明確にするために、各動作ステップごとに動作状況を図４〜図８を用いて説明する。
【００３６】
（１）定常状態における動作
まず、定常状態における動作について図４で説明する。図４では、第１のバイパススイッチ１０は閉状態とし、第２のバイパススイッチ１２は開状態となっている。また、サイリスタスイッチ８にはゲート信号は与えておらず、サイリスタスイッチ８は開放状態にある。また、切り替えスイッチ１８は端子ｂ−ｃ間が接続された状態にある。従って、図の太線で示すように、第１の交流電源１から、第１のバイパススイッチ１０を通して負荷５に電力が供給されている。
【００３７】
（２）切り替え動作の説明
つぎに、交流電源１の電圧が低下した場合を例にとって、交流電源１側から交流電源２側に切り替える動作について図２〜８を用いて説明する。図３の（ａ）に示すように、時刻ｔ２で交流電源１の電圧Ｖ１が低下した場合を考える。交流電源１の電圧Ｖ１は電圧検出用ＰＴ１６で検出され、電圧センサ１００で電圧の実効値を演算され、その演算結果Ｖ１Ｓは電圧監視回路１０１に入力される。
【００３８】
電圧監視回路１０１では、Ｖ１Ｓを予め設定された電圧上限値ＶＨ１と下限値ＶＬ１と比較して、Ｖ１Ｓ＞ＶＨ１またはＶ１Ｓ＜ＶＬ１の時に切り替え指令信号ＣＨＧとして「１」を出力する。従って、図３の（ｆ）に示すように、切り替え指令信号ＣＨＧは時刻ｔ２において「１」となる。ＣＨＧが「１」になると、以下の５段階のＳＴＥＰを経て、交流電源１から交流電源２への切り替え動作を行う。
【００３９】
ＳＴＥＰ−１
ＳＴＥＰ−１では図５に示すように、バイパススイッチ１０の開放を行う。この動作内容を以下に具体的に説明する。図２において、切り替え指令信号ＣＨＧが「１」になると、ＰＳ１開放指令出力回路１０５を作動させ、図３の（ｈ）に示すように、バイパススイッチ１０の駆動回路１１に開放指令信号ＰＳ１ＯＰＥＮを出力する。バイパススイッチ１０では開放指令信号ＰＳ１ＯＰＥＮが入力されると、開極動作を開始する。
【００４０】
一方、バイパススイッチ１０を流れる電流ｉＢＰＳ１は電流検出用ＣＴ１４で検出され、検出信号ＩＰＳ１Ｍを電流センサ１０２に入力している。電流センサ１０２では、バイパススイッチ１０に流れる電流に比例した制御信号に変換しており、その出力ＩＰＳ１は電流極性判別回路１０３に入力される。電流極性判別回路１０３では、バイパススイッチ１０の電流が交流電源１側から負荷５の方向に流れている時には出力信号のＩＰ１＝１を出力し、また、負荷５側から交流電源１側に電流が流れているときには出力信号のＩＰ１＝０を出力する。
【００４１】
バイパススイッチ１０に流れる電流を図３の（ｃ）に示すが、時刻ｔ１からｔ４までの期間は電流は正極性、すなわち交流電源１から負荷５に電流が流れているので、この期間では電流極性判別回路１０３の出力ＩＰ１は図３の（ｇ）に示すように「１」になっている。
【００４２】
ＳＴＥＰ−２
ＳＴＥＰ−２では、バイパススイッチ１０が開極動作を開始してからの電極間の絶縁性能が十分取れるだけの極間距離が確保されるまで所定時間待った後に、下記に示すような一義的にきまる論理条件を用いてサイリスタスイッチ８の内のサイリスタ８ａまたは８ｂのいずれかを選択的に点弧することにより、図６に示すように負荷５に対して交流電源１から交流電源２への切り替え動作を開始する。
【００４３】
この目的のために図２の制御回路では、遅延回路１０６において、図３の（ｉ）に示すように、電圧監視回路１０１の出力ＣＨＧが「１」になった後に一定期間Ｔ１だけ遅れてＴＭ１＝１を出力する。この期間Ｔ１は、バイパススイッチ１０の極間の絶縁距離が十分確保されるまでの期間に見合って設定される。この期間Ｔ１の経過後は、サイリスタスイッチ８のサイリスタを点弧して、交流電源２側の電圧をバイパススイッチ１０の極間に印加してもバイパススイッチ１０の絶縁は問題なく耐えれる状態になっているので、時刻ｔ３においてサイリスタスイッチ８のサイリスタ対のどちらか一つを選択的に点弧する。
【００４４】
この時のサイリスタ対のサイリスタ８ａと８ｂのいずれを選択するかは、交流電源１と交流電源２の間に短絡条件を成立させないための必要条件により決定される。この論理演算はＡＮＤ回路１０７と１０８によって行われ、次式の論理で行われる。
【００４５】
Ｍ１Ａ＝ＩＰ１ × ＴＭ１
Ｍ１Ｂ＝ＩＰ１(バー) × ＴＭ１ （１）
【００４６】
ただし、Ｍ１ＡとＭ１ＢはそれぞれＡＮＤ回路１０７と１０８の出力を示す。また、×はＡＮＤ論理演算を示す。
【００４７】
さらに、ＡＮＤ回路１０７と１０８の出力のＭ１ＡとＭ１ＢはＯＲ回路１１１と１１２を介してＡＮＤ回路１１３と１１４にそれぞれ入力される。ＡＮＤ回路１１３の出力Ｇ１Ａはサイリスタ８ａを点弧するゲートドライブ９ａの駆動指令として作用する。また、ＡＮＤ回路１１４の出力Ｇ１Ｂはサイリスタ８ｂを点弧するゲートドライブ９ｂの駆動指令として作用する。これらのＡＮＤ回路の論理式は下記のように構成されている。
【００４８】
Ｇ１Ａ＝（Ｍ１Ａ＋ＴＭ２）×ＴＭ４(バー)
Ｇ１Ｂ＝（Ｍ１Ｂ＋ＴＭ２）×ＴＭ４(バー) （２）
【００４９】
ここで、ＴＭ４は後述するように、ゲートパルスを停止させるためのタイミング信号である。
【００５０】
すなわち、Ｇ１ＡとＧ１Ｂを（２）式の論理演算で出力することにより、図３の（ｍ）と（ｎ）に示すように、時刻ｔ３においてＧ１Ａが「１」となり、サイリスタ８ａ側のゲートドライブ９ａを選択的に駆動してサイリスタ８ａを点弧する。サイリスタ８ａの点弧により、バイパススイッチ１０を流れる電流は交流電源２側から流入する電流により打ち消され、図３の（ｃ）に示されるように、時刻ｔ４で零になる。この時点では、バイパススイッチ１０はすでに十分開極されているので、電流の零点（時刻ｔ４）で電流は遮断される。
【００５１】
本発明の論理演算方式では、（２）式の論理演算で選択されたサイリスタ８ａの電流方向は、必ずバイパススイッチ１０の電流方向と逆方向にすることができるので、バイパススイッチ１０の通電中の時刻ｔ３でサイリスタ８ａを点弧しても交流電源１と交流電源２を短絡させる危険性はない。
【００５２】
ＳＴＥＰ−３（サイリスタスイッチ８への切り替え）
ＳＴＥＰ−３では、バイパススイッチ１０の電流を監視して、その電流が０となり、バイパススイッチ１０が完全に非導通状態になったと判定した時に、サイリスタスイッチ８の両方のサイリスタ８ａ，８ｂのゲート信号を全てＯＮにして、図７に示すように、サイリスタスイッチ８のサイリスタ８ａと８ｂを両方とも導通させ、完全にＯＮにする。
【００５３】
この動作を図２と図３で以下に説明する。ＳＴＥＰ−２により、時刻ｔ３でサイリスタ８ａが点弧されると、図３の（ａ）に示すように、この時点では交流電源２の電圧Ｖ２が交流電源１の電圧Ｖ１より大きいので、サイリスタ８ａを流れる電流はバイパススイッチ１０に流れている電流を打ち消すように作用し、図３の（ｃ）に示すように、時刻ｔ３からバイパススイッチ１０の電流は減少し始め、時刻ｔ４で０となる。また、逆に図３の（ｄ）に示すように、時刻ｔ３でサイリスタ８ａの電流は増加し始め、ｔ４でサイリスタ８ａの電流は負荷電流と等しくなって、その後は負荷電流を全てサイリスタ８ａで流す。
【００５４】
バイパススイッチ１０の電流は電流検出用ＣＴ１４で検出しており、その検出信号ＩＰＳ１Ｍは電流センサ１０２において電流の大きさに比例した電流絶対値信号ＩＰＳ１に変換される。ＩＰＳ１Ｍは次段の電流零判別回路１０４において電流が０かどうかを判定し、 電流＝０が成立した時には、電流０判定信号としてＩＺＡ＝１を出力する。また、電流≠０の時にはＩＺＡ＝０を出力する。
【００５５】
図３の例では、波形（ｃ）に示すように、時刻ｔ４でバイパススイッチ１０の電流は０になるため、図３の（ｏ）に示すようにＩＺＡは時刻ｔ４で「１」となる。
【００５６】
電流零判別回路１０４の出力ＩＺＡは遅延回路１１５に入力される。遅延回路１１５では、バイパススイッチ１０の電流が０になってから完全にオフ能力が回復するまでの期間Ｔ２を監視するようにしており、ＩＺＡ＝１になった時刻ｔ４の時点からＴ２の期間経過後の時刻ｔ５で遅延回路１１５の出力ＴＭ２を「１」にする。ＴＭ２が「１」になると、バイパススイッチ１０は完全にオフ状態になっていると判断できるため、サイリスタ８ａと８ｂの両方にゲート信号を与えて点弧させる。
【００５７】
この目的ために、ＯＲ回路１１１と１１２にＴＭ２を入力しており、図３の（ｍ）と（ｎ）に示すように、時刻ｔ５以降はＧ１ＡとＧ１Ｂの両方が「１」になるため、ゲートドライブ９ａと９ｂの両方が駆動されて、サイリスタ８ａと８ｂの両方にゲート信号が与えられる。
【００５８】
この結果、サイリスタスイッチ８は負荷５に交流電源２側から電力を継続的に供給することができる。
【００５９】
ＳＴＥＰ−４
ＳＴＥＰ−４では、サイリスタの通電による発生損失を除去するため、サイリスタスイッチ８が完全にＯＮになった時刻ｔ５から一定時間Ｔ３だけ経過した後、図８に示すようにバイパススイッチ１２を投入して、電流をバイパススイッチ１２側に転流させるようにする。この動作を以下に説明する。
【００６０】
遅延回路１１０において、時刻ｔ５より一定期間Ｔ３後の時刻ｔ６において、図３の（ｒ）に示すように、バイパススイッチ投入指令ＰＳ２ＣＬＳを「１」にする。この結果、バイパススイッチ１２が投入されて、サイリスタスイッチ８に流れていた電流はバイパススイッチ１２に転流するため、図３の（ｄ）と（ｅ）に示すようにサイリスタスイッチ８の電流は零になり、負荷電流は全てバイパススイッチ１２を流れるようになる。
【００６１】
さらに、バイパススイッチ投入指令ＰＳ２ＣＬＳが「１」になってから、完全にサイリスタスイッチ８の電流がバイパススイッチ１２に転流するのに十分な期間Ｔ４を確保した後、サイリスタスイッチ８のゲート信号を停止する。
【００６２】
この目的のために、遅延回路１１６が設けられている。遅延回路１１６ではバイパススイッチ投入指令ＰＳ２ＣＬＳが「１」になった後にＴ４経過したときにＴＭ４として「１」の信号を出力し、ＮＯＴ回路１１７を介してＡＮＤ回路１１３と１１４に入力する。この結果、ＡＮＤ回路１１３と１１４の出力のＧ１ＡとＧ１Ｂは、図３の（ｍ）と（ｎ）に示すように、時刻ｔ７で「０」となり、サイリスタスイッチ８に供給するゲート信号を停止して切り替え動作を完了する。
【００６３】
ＳＴＥＰ−５（サイリスタスイッチの接続切り替え）
バイパススイッチ１０からバイパススイッチ１２への切り替えが完了した後、次に発生する交流電源２から交流電源１への逆方向の切り替え（バイパススイッチ１２からバイパススイッチ１０への切り替え）に対応するため、切り換えスイッチ１８では端子ａ−ｃ間が接続されるように切り替え動作を行う。これは例えば図２のＮＯＴ回路１１７の出力ＴＲＳＳＷを使用すればよい。以上により切り替え動作は完了する。
【００６４】
このように制御することにより、負荷５に印加される負荷電圧ＶＬは、図３の（ｂ）に示すように、ｔ２からｔ４の期間だけ電圧低下をするのみで、ｔ４以降は正常電圧に復帰できるため、負荷５には悪影響をあたえることは無い。
【００６５】
また、上記では交流電源１から交流電源２への切り替え動作を説明したが、交流電源２から交流電源１への切り替え動作も全く同一であり、本発明に含まれる。この場合、図２に示す制御回路を１９ａ、１９ｂで示すように２組設ければよい。また、図２に示す１つの制御回路を共有し、図１の制御装置本体１９内に破線で示すように接続切替回路１９０を設け、図２にＶ１Ｍ／Ｖ２Ｍ、ＩＰＳ１Ｍ／ＩＰＳ２Ｍ、ＰＳ１／ＰＳ２開放指令出力回路１０５、ＰＳ２／ＰＳ１投入指令出力回路１１８、ＰＳ１ＯＰＥＮ／ＰＳ２ＯＰＥＮおよびＰＳ２ＣＬＳ／ＰＳ１ＣＬＳで示すように、交流電源１から交流電源２への切り替えと交流電源２から交流電源１への切り替えで、入力と出力をそれぞれに交流電源１側と交流電源２側の間で切り替えるようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では半導体スイッチをサイリスタスイッチとして説明したが、一対のＧＴＯあるいはトランジスタを逆並列接続した他の半導体スイッチであってもよい。
【００６７】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、交流電源１と交流電源２を両方向に切り替える場合を説明したが、片方向の切り替えで良い場合には、切り替えスイッチ１８は省略することができ、サイリスタスイッチ８は常に交流電源２側に接続していても同一の効果が得られる。
【００６８】
実施の形態３．
また、上記実施の形態１では、バイパススイッチ１０、１２の電流を検出し、電流の極性に基づいてサイリスタスイッチ８のサイリスタの選択をするようにしたが、バイパススイッチ１０の両端電圧を検出するバイパススイッチ両端電圧検出手段を設け、この電圧の極性に基づいてサイリスタスイッチ８のサイリスタ８ａ，８ｂのいずれかを選択的に点弧するようにしても良い。
【００６９】
この場合、図９に示すようにバイパススイッチ１０、１２に並列にバイパススイッチ両端電圧検出手段である電圧検出器３０を設け、また図２の１０２〜１０４の部分が図１０に示すように電圧センサ１０２ａ、電圧極性判別回路１０３ａおよび電圧零判別回路１０４ａとなる。
【００７０】
実施の形態４．
また、上記実施の形態１では、第１のバイパススイッチ１０の電流を検出して、その電流が零になったことを検出してサイリスタスイッチ８の点弧を行うようにしているが、サイリスタスイッチ８の両端電圧を検出するサイリスタスイッチ両端電圧検出手段を設け、極間電圧の印加状態から判断して、サイリスタスイッチ８の点弧を行うようにしても良い。
【００７１】
この場合、図１１に示すようにサイリスタスイッチ８に並列にサイリスタスイッチ両端電圧検出手段である電圧検出器３１を設け、また図２の１０４の部分が図１２に示すように図１１の電圧検出器３１からの出力を受ける、サイリスタスイッチ８の極間電圧の印加状態からバイパススイッチに流れる電流が零になったことを判断する電圧判別回路１０４ｂとなる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、第１の電源系統に直列に接続された機械式の第１のバイパススイッチと、第２の電源系統に直列に接続された機械式の第２のバイパススイッチと、上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチと、上記第１および第２のバイパススイッチおよび半導体スイッチの接続点に接続された負荷と、上記負荷に対して上記２つのバイパススイッチの切り替え動作により上記２つの電源系統のいずれかを選択して負荷に電力を供給するように上記２つのバイパススイッチおよび上記半導体スイッチの開閉制御を行う制御装置と、を備え、上記制御装置が第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、第１のバイパススイッチを開放するとともに、第２のバイパススイッチに並列に接続した半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、バイパススイッチに並列に半導体スイッチを設け、常時の運転時にはバイパススイッチ側に電流を流すようにし、切り替え時には、バイパススイッチから半導体スイッチへの切り替えを高速にできるようにしたので、応答が速く、低運転損失で、経済的なものが得られる。
【００７３】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１のバイパススイッチを開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性を検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができ、低損失なものとなる。
【００７４】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え装置であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに備え、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性をそれぞれ検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるスイッチ切替部と、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、定常通電中には半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができるとともに、２つの異なる電源系統への両方向の切り替えを一つの半導体スイッチを共通的に用いることにより実現できるので、低損失でかつ経済的なものとなる。
【００７５】
またこの発明は、上記制御装置が電源系統の切り替え方向毎に別々の制御回路を設けたことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、特に切り替え無しに両方向の電源系統の切り替えが可能になる。
【００７６】
またこの発明は、上記制御装置が１つの制御回路と、電源系統の切り替え方向に従って外部との入出力を切り替える接続切替回路と、を含むことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、制御部分が小型化できる。
【００７７】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチに流れる電流を検出する電流検出用変流器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電流方向の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、バイパススイッチに流れる電流の方向から半導体スイッチの点弧するスイッチ素子を決定できる。
【００７８】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチの両端の電圧極性を検出する電圧検出器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電圧極性の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、バイパススイッチの両端の電圧極性から半導体スイッチの点弧するスイッチ素子を決定できる。
【００７９】
またこの発明は、上記第２の点弧部が半導体スイッチの両端の電圧を検出する電圧検出器を外部に設け、この極間電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、半導体スイッチの両端の電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することができる。
【００８０】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対のサイリスタスイッチからなることを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、電源系統切り替え装置の半導体スイッチをサイリスタスイッチで実現できる。
【００８１】
またこの発明は、第１および第２の電源系統に直列に接続されたそれぞれ機械式の第１および第２のバイパススイッチ、並びに上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチのこれらの接続点に接続された負荷に対して上記第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、上記第１のバイパススイッチを開放するとともに、上記第半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え方法としたので、バイパススイッチに並列に半導体スイッチを設け、常時の運転時にはバイパススイッチ側に電流を流すようにし、切り替え時には、バイパススイッチから半導体スイッチへの切り替えを高速にできるようにしたので、応答が速く、低運転損失で、経済的なものが得られる。
【００８２】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１のバイパススイッチを開放するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するステップと、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え方法としたので、半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができ、低損失なものとなる。
【００８３】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え方法であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに設け、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するステップと、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するステップと、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるステップと、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え方法としたので、定常通電中には半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができるとともに、２つの異なる電源系統への両方向の切り替えを一つの半導体スイッチを共通的に用いることにより実現できるので、低損失でかつ経済的なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態による電源系統切り替え装置の構成を示す図である。
【図２】 図１の制御装置本体の具体的構成の一例を説明するための図である。
【図３】 図１および２の装置内の波形図である。
【図４】 図１の装置の切り替え前の状態を説明するための図である。
【図５】 図１の装置のバイパススイッチ１０の開放時の状態を説明するための図である。
【図６】 図１の装置のサイリスタの選択点弧によるバイパススイッチ１０の消弧の状態を説明するための図である。
【図７】 図１の装置のサイリスタスイッチの全点弧状態を説明するための図である。
【図８】 図１の装置のバイパススイッチ１２の投入とスイッチ１８の切り替え状態を説明するための図である。
【図９】 この発明の別の実施の形態による電源系統切り替え装置の構成の一部を示す図である。
【図１０】 図９の電源系統切り替え装置の場合の制御装置本体の構成の一部を示す図である。
【図１１】 この発明のさらに別の実施の形態による電源系統切り替え装置の構成の一部を示す図である。
【図１２】 図１１の電源系統切り替え装置の場合の制御装置本体の構成の一部を示す図である。
【図１３】 従来の電源系統切り替え装置の構成を示す図である。
【図１４】 従来の別の電源系統切り替え装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の交流電源、２ 第２の交流電源、５ 負荷、８ サイリスタスイッチ、８ａ，８ｂ サイリスタ、９ ゲート信号発生回路、１０ 第１のバイパススイッチ、１１，１３ スイッチ駆動回路、１２ 第２のバイパススイッチ、１４，１５ 電流検出用変流器(ＣＴ)、１６，１７ 電圧検出用変圧器(ＰＴ)、１８ 切り替えスイッチ、１９ 制御装置本体、１９ａ，１９ｂ 制御回路、３０，３１ 電圧検出器、１００，１０２ａ 電圧センサ、１０１ 電圧監視回路、１０２ 電流センサ、１０３ 電流極性判別回路、１０３ａ 電圧極性判別回路、１０４ 電流零判別回路、１０４ａ 電圧零判別回路、１０４ｂ 電圧判別回路、１０５ ＰＳ１／ＰＳ２開放指令出力回路、１０６，１１０，１１５，１１６ 遅延回路、１０７，１０８，１１３，１１４ ＡＮＤ回路、１０９，１１７ＮＯＴ回路、１１１，１１２ ＯＲ回路、１１８ ＰＳ２／ＰＳ１投入指令出力回路、１９０ 接続切替回路。
【発明の属する技術分野】
この発明は複数の異なる交流電源から負荷に電力を供給する際に、複数の電源の内の任意の一つを切り替え選択して負荷に電力を供給するようにするための電源系統切り替え装置、特に、負荷に対して電力を供給している電源が電圧擾乱を生じたときに、負荷を他の正常な電源系統に無停電で切り替えることができる電源系統切り替え装置および切り替え方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術１．
図１３は新電気設備辞典(１９８９年５月、産業調査会発行)に記載されている２回線常用・予備切り替え回路に示された従来の電源系統切り替え装置を示す。図１３において、１は第１の電源系統である第１の交流電源、２は第２の電源系統である第２の交流電源、３は第１の機械式開閉器、４は第２の機械式開閉器、５は負荷である。
【０００３】
第１の交流電源１が正常時には、第１の開閉器３を閉にし、第２の開閉器４を開にすることにより、負荷５に対して第１の交流電源１から電力を供給するようにしている。もし、第１の交流電源１が停電を生じた場合には、負荷５に継続的に電力を供給できないので、その時には、第１の開閉器３を開放した後に、第２の開閉器４を投入して、第２の交流電源２から負荷５に開閉器４を介して電力を供給することにより、負荷５には継続的に電力を供給するようにしている。
【０００４】
しかし、第１の開閉器３と第２の開閉器４は機械式開閉器であるため、切り替えに数十ｍｓ(ミリ秒)以上の時間がかかり、負荷に対して切り替え時に停電が発生することは避けられず、負荷に対する悪影響を防止することはできないという問題点があった。
【０００５】
また、開閉器の操作機構をバネ操作にして高速化することも開発されているが、開放操作は速くできるが、投入操作が速くできないため、全体としては数サイクルの切り替え時間はさけられないという問題がある。
【０００６】
従来の技術２．
図１４は「１５ｋＶ、中圧静止型切り替えスイッチ(15kV,Medium Voltage Static Transfer Switch)」(ＩＥＥＥ、１９９５年、５月／６月)に示された別の従来の電源系統切り替え装置を示すものであり、電源系統切り替え時の高速性を確保するために、機械式開閉器をサイリスタ開閉器に置き換えた電源系統切り替え装置を示す。図において、６は逆並列に接続したサイリスタ対から成る第１のサイリスタ開閉器、７は逆並列に接続したサイリスタ対から成る第２のサイリスタ開閉器である。
【０００７】
第１の交流電源１が正常時には、第１のサイリスタ開閉器６のサイリスタ対にゲート信号を連続的に与えて、サイリスタ開閉器６を閉状態に維持しておき、また、第２のサイリスタ開閉器７のサイリスタ対にはゲート信号を与えないようにして開状態にしておくことにより、負荷５に対して第１の交流電源１から第１のサイリスタ開閉器６を介して電力を供給するようにしている。
【０００８】
もし、第１の交流電源１が停電を生じた場合には、第１のサイリスタ開閉器６のサイリスタ対のゲート信号を直ちに停止し、サイリスタを流れる電流が零点を迎えた時点で第１のサイリスタ開閉器６が開放された後に、第２のサイリスタ開閉器７のサイリスタ対にゲート信号を与えて閉状態にすることにより、第２の交流電源２から第２のサイリスタ開閉器７を通して負荷５に電力を供給する。
【０００９】
このようなサイリスタ開閉器を使用したの場合には、１／２サイクル以内に第１の交流電源１から第２の交流電源２への切り替えができるので、第１の交流電源１の停電時には、負荷５に悪影響を与えずに第２の交流電源２に切り替えることができるという特徴がある。
【００１０】
しかしながら、この方式では負荷電流は常にサイリスタを流れるため、サイリスタの内部損失による電力損失が大きくなり、発生電力損失による運転コストが大きくなるという問題がある。また、サイリスタ素子を冷却する必要があるために大きな冷却装置を必要とし、寸法が大きくなるとともに価格が高くなるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のこの種の装置においては、機械式開閉器を備えた装置の場合には切り替え時に開閉に時間がかかる、サイリスタ開閉器を備えた装置の場合にはサイリスタでの電力損失、発熱、等の問題があった。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電源系統が擾乱時に無停電で他の電源系統への切り替えが可能であるとともに、通電中の発生損失を極めて少なくできるので運転コストを大幅に低減でき、また、使用するサイリスタスイッチを２つの異なる電源系統の切り替えにおいて、一方の電源系統から他方への電源系統への切り替えとその逆方向の切り替えに対して、一つのサイリスタスイッチを共通的に使用できるようにし、コンパクトでかつ安価な電源系統切り替え装置および切り替え方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、第１の電源系統に直列に接続された機械式の第１のバイパススイッチと、第２の電源系統に直列に接続された機械式の第２のバイパススイッチと、上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチと、上記第１および第２のバイパススイッチおよび半導体スイッチの接続点に接続された負荷と、上記負荷に対して上記２つのバイパススイッチの切り替え動作により上記２つの電源系統のいずれかを選択して負荷に電力を供給するように上記２つのバイパススイッチおよび上記半導体スイッチの開閉制御を行う制御装置と、を備え、上記制御装置が第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、第１のバイパススイッチを開放するとともに、第２のバイパススイッチに並列に接続した半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え装置にある。
【００１４】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１のバイパススイッチを開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性を検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１５】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え装置であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに備え、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性をそれぞれ検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるスイッチ切替部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１６】
またこの発明は、上記制御装置が電源系統の切り替え方向毎に別々の制御回路を設けたことを特徴とする請求項３に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１７】
またこの発明は、上記制御装置が１つの制御回路と、電源系統の切り替え方向に従って外部との入出力を切り替える接続切替回路と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１８】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチに流れる電流を検出する電流検出用変流器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電流方向の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００１９】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチの両端の電圧極性を検出する電圧検出器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電圧極性の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００２０】
またこの発明は、上記第２の点弧部が半導体スイッチの両端の電圧を検出する電圧検出器を外部に設け、この極間電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００２１】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対のサイリスタスイッチからなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電源系統切り替え装置にある。
【００２２】
またこの発明は、第１および第２の電源系統に直列に接続されたそれぞれ機械式の第１および第２のバイパススイッチ、並びに上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチのこれらの接続点に接続された負荷に対して上記第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、上記第１のバイパススイッチを開放するとともに、上記第半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え方法にある。
【００２３】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１のバイパススイッチを開放するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するステップと、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電源系統切り替え方法にある。
【００２４】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え方法であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに設け、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するステップと、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するステップと、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるステップと、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電源系統切り替え方法にある。
【００２５】
この発明に関わる静止形異系統切り替え装置に使用するバイパススイッチは、バネ駆動方式を用いて開放時間＝約５ｍｓという高速開放特性を実現したスイッチを適用している。一方、このスイッチは開放時間は速いが、機構上の制約のため、投入には約５０ｍｓと比較的長い時間を必要とするため、バイパススイッチの投入時には、スイッチに並列接続したサイリスタスイッチで行うようにして投入時間を２ｍｓ以内でできるようにし、これらを組み合わせることにより、二つの異なる電源系統を１／２サイクル以下の高速で切り替えができるようにしたものである。さらに、一つのサイリスタスイッチで、２つの電源系統の両方向の切り替えが共通的にできるようにして、極めて経済的な装置を実現したものである。
【００２６】
この発明における電源系統切り替え装置は、定常通電中には、サイリスタをオフにして、電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、サイリスタの定常通電損失を０にすることができるとともに、２つの異なる電源系統への両方向の切り替えを一つのサイリスタスイッチを共通的に用いることにより実現できるので、低損失でかつ経済的な電源系統切り替え装置および切り替え方法を提供することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による電源系統切り替え装置の構成を示す図である。図１において、従来のものと同一もしくは相当部分は同一符号で示す。８は例えば半導体スイッチ素子であるサイリスタ８ａと８ｂを逆並列接続したサイリスタ対で構成した半導体スイッチであるサイリスタスイッチ、９はサイリスタ８ａと８ｂにゲート信号を与えるためゲート信号発生回路、１０は第１のバイパススイッチ、１１は第１のバイパススイッチ１０を駆動するためのスイッチ駆動回路、１２は第２のバイパススイッチ、１３は第２のバイパススイッチ１２を駆動するためのスイッチ駆動回路である。なお、第１および第２のバイパススイッチ１０、１２は機械式スイッチである。
【００２８】
１４は第１のバイパススイッチ１０の電流検出用変流器(ＣＴ)、１５は第２のバイパススイッチ１２の電流検出用ＣＴ、１６は第１の電源系統である第１の交流電源１の電圧を検出するための電圧検出用変圧器(ＰＴ)、１７は第２の電源系統である第２の交流電源２の電圧を検出するための電圧検出用ＰＴ、１８は切り替えスイッチ、１９は上記検出用ＣＴ、ＰＴの検出結果に従って上記第１および第２のバイパススイッチ１０，１２およびサイリスタスイッチ８を制御するための制御装置本体である。
【００２９】
図２は制御装置本体１９の具体的構成の一例を説明するための図である。図において、１００は電圧検出用ＰＴ１６の検出信号Ｖ１Ｍを入力して電圧実効値を演算する電圧センサ、１０１は検出した電圧実効値のレベルを監視する電圧監視回路であり、電圧センサ１００の出力Ｖ１Ｓが予め設定した電圧下限値ＶＬ１と電圧上限値ＶＨ１をはみ出した時に切り替え指令ＣＨＧを出力する。
【００３０】
１０２は上記電流検出用ＣＴ１４の検出信号ＩＰＳ１Ｍから電流瞬時波形を求める電流センサ、１０３は電流センサ１０２の出力信号ＩＰＳ１から電流極性を判別する電流極性判別回路であり、バイパススイッチ１０の電流が交流電源１側から負荷５の方向に流れている時に出力信号ＩＰ１＝「１」を出力し、また、負荷５側から交流電源１側に電流が流れているときには出力信号ＩＰ１＝「０」を出力する。
【００３１】
１０４はバイパススイッチ１０の電流が０になったことを判別する電流零判別回路、１０５は上記電圧監視回路１０１の出力ＣＨＧが「１」になった時にバイパススイッチ１０を開放させる開放指令信号ＰＳ１ＯＰＥＮを出力するＰＳ１開放指令出力回路である。
【００３２】
１０６は遅延回路、１０７と１０８はＡＮＤ回路、１０９はＮＯＴ回路、１１０は遅延回路、１１１と１１２はＯＲ回路である。１１３と１１４はＡＮＤ回路、１１５と１１６は遅延回路、１１７はＮＯＴ回路、１１８はバイパススイッチ１２の投入指令信号ＰＳ２ＣＬＳを出力するＰＳ２投入指令出力回路である。
【００３３】
なお、図１および図２において、ゲート信号発生回路９、スイッチ駆動回路１１，１３、電流検出用変流器１４，１５、電圧検出用変圧器１６，１７、切り替えスイッチ１８、制御装置本体１９が制御装置を構成する。
【００３４】
また、電圧検出用変圧器１６，１７、電圧センサ１００、電圧監視回路１０１、ＰＳ１／ＰＳ２開放指令出力回路１０５、スイッチ駆動回路１１，１３がバイパススイッチ開放部を構成し、電流検出用変流器１４，１５、電流センサ１０２が電流／電圧検出部を構成し、電流極性判別回路１０３、遅延回路１０６、ＡＮＤ回路１０７，１０８，１１３，１１４、ＯＲ回路１１１，１１２、ＮＯＴ回路１０９、ゲート信号発生回路９が第１の点弧部を構成し、電流零判別回路１０４、遅延回路１１５、ＯＲ回路１１１，１１２、ＡＮＤ回路１１３，１１４、ゲート信号発生回路９が第２の点弧部を構成し、遅延回路１１０、ＰＳ２／ＰＳ１投入指令出力回路１１８、スイッチ駆動回路１１，１３がバイパススイッチ閉成部を構成し、遅延回路１１６、ＮＯＴ回路１１７、ＡＮＤ回路１１３，１１４が消弧部を構成し、遅延回路１１６、ＮＯＴ回路１１７、切り替えスイッチ１８がスイッチ切替部を構成する。
【００３５】
次に図１と図２の動作を具体的に説明するために、図３の動作波形を例に取って説明する。また、本発明の動作をより明確にするために、各動作ステップごとに動作状況を図４〜図８を用いて説明する。
【００３６】
（１）定常状態における動作
まず、定常状態における動作について図４で説明する。図４では、第１のバイパススイッチ１０は閉状態とし、第２のバイパススイッチ１２は開状態となっている。また、サイリスタスイッチ８にはゲート信号は与えておらず、サイリスタスイッチ８は開放状態にある。また、切り替えスイッチ１８は端子ｂ−ｃ間が接続された状態にある。従って、図の太線で示すように、第１の交流電源１から、第１のバイパススイッチ１０を通して負荷５に電力が供給されている。
【００３７】
（２）切り替え動作の説明
つぎに、交流電源１の電圧が低下した場合を例にとって、交流電源１側から交流電源２側に切り替える動作について図２〜８を用いて説明する。図３の（ａ）に示すように、時刻ｔ２で交流電源１の電圧Ｖ１が低下した場合を考える。交流電源１の電圧Ｖ１は電圧検出用ＰＴ１６で検出され、電圧センサ１００で電圧の実効値を演算され、その演算結果Ｖ１Ｓは電圧監視回路１０１に入力される。
【００３８】
電圧監視回路１０１では、Ｖ１Ｓを予め設定された電圧上限値ＶＨ１と下限値ＶＬ１と比較して、Ｖ１Ｓ＞ＶＨ１またはＶ１Ｓ＜ＶＬ１の時に切り替え指令信号ＣＨＧとして「１」を出力する。従って、図３の（ｆ）に示すように、切り替え指令信号ＣＨＧは時刻ｔ２において「１」となる。ＣＨＧが「１」になると、以下の５段階のＳＴＥＰを経て、交流電源１から交流電源２への切り替え動作を行う。
【００３９】
ＳＴＥＰ−１
ＳＴＥＰ−１では図５に示すように、バイパススイッチ１０の開放を行う。この動作内容を以下に具体的に説明する。図２において、切り替え指令信号ＣＨＧが「１」になると、ＰＳ１開放指令出力回路１０５を作動させ、図３の（ｈ）に示すように、バイパススイッチ１０の駆動回路１１に開放指令信号ＰＳ１ＯＰＥＮを出力する。バイパススイッチ１０では開放指令信号ＰＳ１ＯＰＥＮが入力されると、開極動作を開始する。
【００４０】
一方、バイパススイッチ１０を流れる電流ｉＢＰＳ１は電流検出用ＣＴ１４で検出され、検出信号ＩＰＳ１Ｍを電流センサ１０２に入力している。電流センサ１０２では、バイパススイッチ１０に流れる電流に比例した制御信号に変換しており、その出力ＩＰＳ１は電流極性判別回路１０３に入力される。電流極性判別回路１０３では、バイパススイッチ１０の電流が交流電源１側から負荷５の方向に流れている時には出力信号のＩＰ１＝１を出力し、また、負荷５側から交流電源１側に電流が流れているときには出力信号のＩＰ１＝０を出力する。
【００４１】
バイパススイッチ１０に流れる電流を図３の（ｃ）に示すが、時刻ｔ１からｔ４までの期間は電流は正極性、すなわち交流電源１から負荷５に電流が流れているので、この期間では電流極性判別回路１０３の出力ＩＰ１は図３の（ｇ）に示すように「１」になっている。
【００４２】
ＳＴＥＰ−２
ＳＴＥＰ−２では、バイパススイッチ１０が開極動作を開始してからの電極間の絶縁性能が十分取れるだけの極間距離が確保されるまで所定時間待った後に、下記に示すような一義的にきまる論理条件を用いてサイリスタスイッチ８の内のサイリスタ８ａまたは８ｂのいずれかを選択的に点弧することにより、図６に示すように負荷５に対して交流電源１から交流電源２への切り替え動作を開始する。
【００４３】
この目的のために図２の制御回路では、遅延回路１０６において、図３の（ｉ）に示すように、電圧監視回路１０１の出力ＣＨＧが「１」になった後に一定期間Ｔ１だけ遅れてＴＭ１＝１を出力する。この期間Ｔ１は、バイパススイッチ１０の極間の絶縁距離が十分確保されるまでの期間に見合って設定される。この期間Ｔ１の経過後は、サイリスタスイッチ８のサイリスタを点弧して、交流電源２側の電圧をバイパススイッチ１０の極間に印加してもバイパススイッチ１０の絶縁は問題なく耐えれる状態になっているので、時刻ｔ３においてサイリスタスイッチ８のサイリスタ対のどちらか一つを選択的に点弧する。
【００４４】
この時のサイリスタ対のサイリスタ８ａと８ｂのいずれを選択するかは、交流電源１と交流電源２の間に短絡条件を成立させないための必要条件により決定される。この論理演算はＡＮＤ回路１０７と１０８によって行われ、次式の論理で行われる。
【００４５】
Ｍ１Ａ＝ＩＰ１ × ＴＭ１
Ｍ１Ｂ＝ＩＰ１(バー) × ＴＭ１ （１）
【００４６】
ただし、Ｍ１ＡとＭ１ＢはそれぞれＡＮＤ回路１０７と１０８の出力を示す。また、×はＡＮＤ論理演算を示す。
【００４７】
さらに、ＡＮＤ回路１０７と１０８の出力のＭ１ＡとＭ１ＢはＯＲ回路１１１と１１２を介してＡＮＤ回路１１３と１１４にそれぞれ入力される。ＡＮＤ回路１１３の出力Ｇ１Ａはサイリスタ８ａを点弧するゲートドライブ９ａの駆動指令として作用する。また、ＡＮＤ回路１１４の出力Ｇ１Ｂはサイリスタ８ｂを点弧するゲートドライブ９ｂの駆動指令として作用する。これらのＡＮＤ回路の論理式は下記のように構成されている。
【００４８】
Ｇ１Ａ＝（Ｍ１Ａ＋ＴＭ２）×ＴＭ４(バー)
Ｇ１Ｂ＝（Ｍ１Ｂ＋ＴＭ２）×ＴＭ４(バー) （２）
【００４９】
ここで、ＴＭ４は後述するように、ゲートパルスを停止させるためのタイミング信号である。
【００５０】
すなわち、Ｇ１ＡとＧ１Ｂを（２）式の論理演算で出力することにより、図３の（ｍ）と（ｎ）に示すように、時刻ｔ３においてＧ１Ａが「１」となり、サイリスタ８ａ側のゲートドライブ９ａを選択的に駆動してサイリスタ８ａを点弧する。サイリスタ８ａの点弧により、バイパススイッチ１０を流れる電流は交流電源２側から流入する電流により打ち消され、図３の（ｃ）に示されるように、時刻ｔ４で零になる。この時点では、バイパススイッチ１０はすでに十分開極されているので、電流の零点（時刻ｔ４）で電流は遮断される。
【００５１】
本発明の論理演算方式では、（２）式の論理演算で選択されたサイリスタ８ａの電流方向は、必ずバイパススイッチ１０の電流方向と逆方向にすることができるので、バイパススイッチ１０の通電中の時刻ｔ３でサイリスタ８ａを点弧しても交流電源１と交流電源２を短絡させる危険性はない。
【００５２】
ＳＴＥＰ−３（サイリスタスイッチ８への切り替え）
ＳＴＥＰ−３では、バイパススイッチ１０の電流を監視して、その電流が０となり、バイパススイッチ１０が完全に非導通状態になったと判定した時に、サイリスタスイッチ８の両方のサイリスタ８ａ，８ｂのゲート信号を全てＯＮにして、図７に示すように、サイリスタスイッチ８のサイリスタ８ａと８ｂを両方とも導通させ、完全にＯＮにする。
【００５３】
この動作を図２と図３で以下に説明する。ＳＴＥＰ−２により、時刻ｔ３でサイリスタ８ａが点弧されると、図３の（ａ）に示すように、この時点では交流電源２の電圧Ｖ２が交流電源１の電圧Ｖ１より大きいので、サイリスタ８ａを流れる電流はバイパススイッチ１０に流れている電流を打ち消すように作用し、図３の（ｃ）に示すように、時刻ｔ３からバイパススイッチ１０の電流は減少し始め、時刻ｔ４で０となる。また、逆に図３の（ｄ）に示すように、時刻ｔ３でサイリスタ８ａの電流は増加し始め、ｔ４でサイリスタ８ａの電流は負荷電流と等しくなって、その後は負荷電流を全てサイリスタ８ａで流す。
【００５４】
バイパススイッチ１０の電流は電流検出用ＣＴ１４で検出しており、その検出信号ＩＰＳ１Ｍは電流センサ１０２において電流の大きさに比例した電流絶対値信号ＩＰＳ１に変換される。ＩＰＳ１Ｍは次段の電流零判別回路１０４において電流が０かどうかを判定し、 電流＝０が成立した時には、電流０判定信号としてＩＺＡ＝１を出力する。また、電流≠０の時にはＩＺＡ＝０を出力する。
【００５５】
図３の例では、波形（ｃ）に示すように、時刻ｔ４でバイパススイッチ１０の電流は０になるため、図３の（ｏ）に示すようにＩＺＡは時刻ｔ４で「１」となる。
【００５６】
電流零判別回路１０４の出力ＩＺＡは遅延回路１１５に入力される。遅延回路１１５では、バイパススイッチ１０の電流が０になってから完全にオフ能力が回復するまでの期間Ｔ２を監視するようにしており、ＩＺＡ＝１になった時刻ｔ４の時点からＴ２の期間経過後の時刻ｔ５で遅延回路１１５の出力ＴＭ２を「１」にする。ＴＭ２が「１」になると、バイパススイッチ１０は完全にオフ状態になっていると判断できるため、サイリスタ８ａと８ｂの両方にゲート信号を与えて点弧させる。
【００５７】
この目的ために、ＯＲ回路１１１と１１２にＴＭ２を入力しており、図３の（ｍ）と（ｎ）に示すように、時刻ｔ５以降はＧ１ＡとＧ１Ｂの両方が「１」になるため、ゲートドライブ９ａと９ｂの両方が駆動されて、サイリスタ８ａと８ｂの両方にゲート信号が与えられる。
【００５８】
この結果、サイリスタスイッチ８は負荷５に交流電源２側から電力を継続的に供給することができる。
【００５９】
ＳＴＥＰ−４
ＳＴＥＰ−４では、サイリスタの通電による発生損失を除去するため、サイリスタスイッチ８が完全にＯＮになった時刻ｔ５から一定時間Ｔ３だけ経過した後、図８に示すようにバイパススイッチ１２を投入して、電流をバイパススイッチ１２側に転流させるようにする。この動作を以下に説明する。
【００６０】
遅延回路１１０において、時刻ｔ５より一定期間Ｔ３後の時刻ｔ６において、図３の（ｒ）に示すように、バイパススイッチ投入指令ＰＳ２ＣＬＳを「１」にする。この結果、バイパススイッチ１２が投入されて、サイリスタスイッチ８に流れていた電流はバイパススイッチ１２に転流するため、図３の（ｄ）と（ｅ）に示すようにサイリスタスイッチ８の電流は零になり、負荷電流は全てバイパススイッチ１２を流れるようになる。
【００６１】
さらに、バイパススイッチ投入指令ＰＳ２ＣＬＳが「１」になってから、完全にサイリスタスイッチ８の電流がバイパススイッチ１２に転流するのに十分な期間Ｔ４を確保した後、サイリスタスイッチ８のゲート信号を停止する。
【００６２】
この目的のために、遅延回路１１６が設けられている。遅延回路１１６ではバイパススイッチ投入指令ＰＳ２ＣＬＳが「１」になった後にＴ４経過したときにＴＭ４として「１」の信号を出力し、ＮＯＴ回路１１７を介してＡＮＤ回路１１３と１１４に入力する。この結果、ＡＮＤ回路１１３と１１４の出力のＧ１ＡとＧ１Ｂは、図３の（ｍ）と（ｎ）に示すように、時刻ｔ７で「０」となり、サイリスタスイッチ８に供給するゲート信号を停止して切り替え動作を完了する。
【００６３】
ＳＴＥＰ−５（サイリスタスイッチの接続切り替え）
バイパススイッチ１０からバイパススイッチ１２への切り替えが完了した後、次に発生する交流電源２から交流電源１への逆方向の切り替え（バイパススイッチ１２からバイパススイッチ１０への切り替え）に対応するため、切り換えスイッチ１８では端子ａ−ｃ間が接続されるように切り替え動作を行う。これは例えば図２のＮＯＴ回路１１７の出力ＴＲＳＳＷを使用すればよい。以上により切り替え動作は完了する。
【００６４】
このように制御することにより、負荷５に印加される負荷電圧ＶＬは、図３の（ｂ）に示すように、ｔ２からｔ４の期間だけ電圧低下をするのみで、ｔ４以降は正常電圧に復帰できるため、負荷５には悪影響をあたえることは無い。
【００６５】
また、上記では交流電源１から交流電源２への切り替え動作を説明したが、交流電源２から交流電源１への切り替え動作も全く同一であり、本発明に含まれる。この場合、図２に示す制御回路を１９ａ、１９ｂで示すように２組設ければよい。また、図２に示す１つの制御回路を共有し、図１の制御装置本体１９内に破線で示すように接続切替回路１９０を設け、図２にＶ１Ｍ／Ｖ２Ｍ、ＩＰＳ１Ｍ／ＩＰＳ２Ｍ、ＰＳ１／ＰＳ２開放指令出力回路１０５、ＰＳ２／ＰＳ１投入指令出力回路１１８、ＰＳ１ＯＰＥＮ／ＰＳ２ＯＰＥＮおよびＰＳ２ＣＬＳ／ＰＳ１ＣＬＳで示すように、交流電源１から交流電源２への切り替えと交流電源２から交流電源１への切り替えで、入力と出力をそれぞれに交流電源１側と交流電源２側の間で切り替えるようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では半導体スイッチをサイリスタスイッチとして説明したが、一対のＧＴＯあるいはトランジスタを逆並列接続した他の半導体スイッチであってもよい。
【００６７】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、交流電源１と交流電源２を両方向に切り替える場合を説明したが、片方向の切り替えで良い場合には、切り替えスイッチ１８は省略することができ、サイリスタスイッチ８は常に交流電源２側に接続していても同一の効果が得られる。
【００６８】
実施の形態３．
また、上記実施の形態１では、バイパススイッチ１０、１２の電流を検出し、電流の極性に基づいてサイリスタスイッチ８のサイリスタの選択をするようにしたが、バイパススイッチ１０の両端電圧を検出するバイパススイッチ両端電圧検出手段を設け、この電圧の極性に基づいてサイリスタスイッチ８のサイリスタ８ａ，８ｂのいずれかを選択的に点弧するようにしても良い。
【００６９】
この場合、図９に示すようにバイパススイッチ１０、１２に並列にバイパススイッチ両端電圧検出手段である電圧検出器３０を設け、また図２の１０２〜１０４の部分が図１０に示すように電圧センサ１０２ａ、電圧極性判別回路１０３ａおよび電圧零判別回路１０４ａとなる。
【００７０】
実施の形態４．
また、上記実施の形態１では、第１のバイパススイッチ１０の電流を検出して、その電流が零になったことを検出してサイリスタスイッチ８の点弧を行うようにしているが、サイリスタスイッチ８の両端電圧を検出するサイリスタスイッチ両端電圧検出手段を設け、極間電圧の印加状態から判断して、サイリスタスイッチ８の点弧を行うようにしても良い。
【００７１】
この場合、図１１に示すようにサイリスタスイッチ８に並列にサイリスタスイッチ両端電圧検出手段である電圧検出器３１を設け、また図２の１０４の部分が図１２に示すように図１１の電圧検出器３１からの出力を受ける、サイリスタスイッチ８の極間電圧の印加状態からバイパススイッチに流れる電流が零になったことを判断する電圧判別回路１０４ｂとなる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、第１の電源系統に直列に接続された機械式の第１のバイパススイッチと、第２の電源系統に直列に接続された機械式の第２のバイパススイッチと、上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチと、上記第１および第２のバイパススイッチおよび半導体スイッチの接続点に接続された負荷と、上記負荷に対して上記２つのバイパススイッチの切り替え動作により上記２つの電源系統のいずれかを選択して負荷に電力を供給するように上記２つのバイパススイッチおよび上記半導体スイッチの開閉制御を行う制御装置と、を備え、上記制御装置が第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、第１のバイパススイッチを開放するとともに、第２のバイパススイッチに並列に接続した半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、バイパススイッチに並列に半導体スイッチを設け、常時の運転時にはバイパススイッチ側に電流を流すようにし、切り替え時には、バイパススイッチから半導体スイッチへの切り替えを高速にできるようにしたので、応答が速く、低運転損失で、経済的なものが得られる。
【００７３】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１のバイパススイッチを開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性を検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができ、低損失なものとなる。
【００７４】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え装置であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに備え、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記制御装置が、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するバイパススイッチ開放部と、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性をそれぞれ検出する電流／電圧検出部と、この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるスイッチ切替部と、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、定常通電中には半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができるとともに、２つの異なる電源系統への両方向の切り替えを一つの半導体スイッチを共通的に用いることにより実現できるので、低損失でかつ経済的なものとなる。
【００７５】
またこの発明は、上記制御装置が電源系統の切り替え方向毎に別々の制御回路を設けたことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、特に切り替え無しに両方向の電源系統の切り替えが可能になる。
【００７６】
またこの発明は、上記制御装置が１つの制御回路と、電源系統の切り替え方向に従って外部との入出力を切り替える接続切替回路と、を含むことを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、制御部分が小型化できる。
【００７７】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチに流れる電流を検出する電流検出用変流器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電流方向の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、バイパススイッチに流れる電流の方向から半導体スイッチの点弧するスイッチ素子を決定できる。
【００７８】
またこの発明は、上記電流／電圧検出部がバイパススイッチの両端の電圧極性を検出する電圧検出器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電圧極性の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、バイパススイッチの両端の電圧極性から半導体スイッチの点弧するスイッチ素子を決定できる。
【００７９】
またこの発明は、上記第２の点弧部が半導体スイッチの両端の電圧を検出する電圧検出器を外部に設け、この極間電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、半導体スイッチの両端の電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することができる。
【００８０】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対のサイリスタスイッチからなることを特徴とする電源系統切り替え装置としたので、電源系統切り替え装置の半導体スイッチをサイリスタスイッチで実現できる。
【００８１】
またこの発明は、第１および第２の電源系統に直列に接続されたそれぞれ機械式の第１および第２のバイパススイッチ、並びに上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチのこれらの接続点に接続された負荷に対して上記第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、上記第１のバイパススイッチを開放するとともに、上記第半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え方法としたので、バイパススイッチに並列に半導体スイッチを設け、常時の運転時にはバイパススイッチ側に電流を流すようにし、切り替え時には、バイパススイッチから半導体スイッチへの切り替えを高速にできるようにしたので、応答が速く、低運転損失で、経済的なものが得られる。
【００８２】
またこの発明は、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１のバイパススイッチを開放するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するステップと、上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え方法としたので、半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができ、低損失なものとなる。
【００８３】
またこの発明は、上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え方法であって、上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに設け、上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するステップと、上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するステップと、上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるステップと、を備えたことを特徴とする電源系統切り替え方法としたので、定常通電中には半導体スイッチをオフにして電流をバイパススイッチ側を通して流すようにしているので、半導体スイッチの定常通電損失を０にすることができるとともに、２つの異なる電源系統への両方向の切り替えを一つの半導体スイッチを共通的に用いることにより実現できるので、低損失でかつ経済的なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態による電源系統切り替え装置の構成を示す図である。
【図２】 図１の制御装置本体の具体的構成の一例を説明するための図である。
【図３】 図１および２の装置内の波形図である。
【図４】 図１の装置の切り替え前の状態を説明するための図である。
【図５】 図１の装置のバイパススイッチ１０の開放時の状態を説明するための図である。
【図６】 図１の装置のサイリスタの選択点弧によるバイパススイッチ１０の消弧の状態を説明するための図である。
【図７】 図１の装置のサイリスタスイッチの全点弧状態を説明するための図である。
【図８】 図１の装置のバイパススイッチ１２の投入とスイッチ１８の切り替え状態を説明するための図である。
【図９】 この発明の別の実施の形態による電源系統切り替え装置の構成の一部を示す図である。
【図１０】 図９の電源系統切り替え装置の場合の制御装置本体の構成の一部を示す図である。
【図１１】 この発明のさらに別の実施の形態による電源系統切り替え装置の構成の一部を示す図である。
【図１２】 図１１の電源系統切り替え装置の場合の制御装置本体の構成の一部を示す図である。
【図１３】 従来の電源系統切り替え装置の構成を示す図である。
【図１４】 従来の別の電源系統切り替え装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の交流電源、２ 第２の交流電源、５ 負荷、８ サイリスタスイッチ、８ａ，８ｂ サイリスタ、９ ゲート信号発生回路、１０ 第１のバイパススイッチ、１１，１３ スイッチ駆動回路、１２ 第２のバイパススイッチ、１４，１５ 電流検出用変流器(ＣＴ)、１６，１７ 電圧検出用変圧器(ＰＴ)、１８ 切り替えスイッチ、１９ 制御装置本体、１９ａ，１９ｂ 制御回路、３０，３１ 電圧検出器、１００，１０２ａ 電圧センサ、１０１ 電圧監視回路、１０２ 電流センサ、１０３ 電流極性判別回路、１０３ａ 電圧極性判別回路、１０４ 電流零判別回路、１０４ａ 電圧零判別回路、１０４ｂ 電圧判別回路、１０５ ＰＳ１／ＰＳ２開放指令出力回路、１０６，１１０，１１５，１１６ 遅延回路、１０７，１０８，１１３，１１４ ＡＮＤ回路、１０９，１１７ＮＯＴ回路、１１１，１１２ ＯＲ回路、１１８ ＰＳ２／ＰＳ１投入指令出力回路、１９０ 接続切替回路。
Claims (12)
- 第１の電源系統に直列に接続された機械式の第１のバイパススイッチと、
第２の電源系統に直列に接続された機械式の第２のバイパススイッチと、
上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチと、
上記第１および第２のバイパススイッチおよび半導体スイッチの接続点に接続された負荷と、
上記負荷に対して上記２つのバイパススイッチの切り替え動作により上記２つの電源系統のいずれかを選択して負荷に電力を供給するように上記２つのバイパススイッチおよび上記半導体スイッチの開閉制御を行う制御装置と、
を備え、上記制御装置が第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、第１のバイパススイッチを開放するとともに、第２のバイパススイッチに並列に接続した半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え装置。 - 上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、
上記制御装置が、
上記第１のバイパススイッチを開放するバイパススイッチ開放部と、
上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性を検出する電流／電圧検出部と、
この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、
上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、
上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、
上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源系統切り替え装置。 - 上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え装置であって、
上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに備え、
上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、
上記制御装置が、
上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するバイパススイッチ開放部と、
上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性をそれぞれ検出する電流／電圧検出部と、
この電流／電圧検出部の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧する第１の点弧部と、
上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧する第２の点弧部と、
上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するバイパススイッチ閉成部と、
上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧する消弧部と、
上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるスイッチ切替部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源系統切り替え装置。 - 上記制御装置が電源系統の切り替え方向毎に別々の制御回路を設けたことを特徴とする請求項３に記載の電源系統切り替え装置。
- 上記制御装置が１つの制御回路と、電源系統の切り替え方向に従って外部との入出力を切り替える接続切替回路と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の電源系統切り替え装置。
- 上記電流／電圧検出部がバイパススイッチに流れる電流を検出する電流検出用変流器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電流方向の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電源系統切り替え装置。
- 上記電流／電圧検出部がバイパススイッチの両端の電圧極性を検出する電圧検出器を外部に設け、上記第１の点弧部がこの電圧極性の検出結果に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電源系統切り替え装置。
- 上記第２の点弧部が半導体スイッチの両端の電圧を検出する電圧検出器を外部に設け、この極間電圧の印加状態からバイパススイッチの電流が零になったこと判断することを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の電源系統切り替え装置。
- 上記半導体スイッチが逆並列接続された一対のサイリスタスイッチからなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電源系統切り替え装置。
- 第１および第２の電源系統に直列に接続されたそれぞれ機械式の第１および第２のバイパススイッチ、並びに上記第２のバイパススイッチに並列に接続された半導体スイッチのこれらの接続点に接続された負荷に対して上記第１の電源系統から第２の電源系統に電源切り替えする際、上記第１のバイパススイッチを開放するとともに、上記第半導体スイッチを導通させることにより第１のバイパススイッチの電流を半導体スイッチに転流させた後に、第２のバイパススイッチを閉成させることにより負荷を第２の電源系統に切り替えることを特徴とする電源系統切り替え方法。
- 上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、
上記第１のバイパススイッチを開放するステップと、
上記第１のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、
上記第１のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、
上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に第２のバイパススイッチを閉成するステップと、
上記第２のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、
を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電源系統切り替え方法。 - 上記第１および第２の電源系統の両方向の切り替えを行う電源系統切り替え方法であって、
上記半導体スイッチを上記第１および第２のバイパススイッチのいずれかに選択的に並列接続するように切り替える切り替えスイッチをさらに設け、
上記半導体スイッチが逆並列接続された一対の半導体スイッチ素子からなり、
上記第１および第２のバイパススイッチの一方を開放するステップと、
上記第１および第２のバイパススイッチに流れる電流の方向または電圧極性に基づいて上記半導体スイッチの一方のスイッチ素子を点弧するステップと、
上記一方のバイパススイッチに流れる電流が零になってから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧するステップと、
上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を点弧してから所定の時間後に他方のバイパススイッチを閉成するステップと、
上記他方のバイパススイッチを閉成してから所定の時間後に上記半導体スイッチの両方のスイッチ素子を消弧するステップと、
上記切り替えスイッチを他方のバイパススイッチ側から一方のバイパススイッチへ切り替えるステップと、
を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電源系統切り替え方法。
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