JP3758447B2 - 電源系統切替装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異種の交流電源系統に接続され、常時は第１の交流電源系統から負荷に電力を供給すると共に、電圧低下発生等の電源異常時には別の第２の交流電源系統に切り替えて、負荷に連続的に電力を供給する電源系統切替装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、例えば、米国特許５，６４４，１７５号に開示された従来の電源系統切替装置の概略構成を示す構成図であり、図１３は図１２に示した従来の電源系統切替装置における切替動作の手順を示すフローチャートである。
【０００３】
図１２において、１ａは第１の交流電源、１ｂは第２の交流電源、２はこれら交流電源のいずれか１つに接続され、常時運転が要求される負荷である。
また、３ａおよび３ｂは、第１の交流電源１ａと負荷２の間あるいは第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続され、負荷２に電流を供給する交流電源を選択する第１および第２の電流切替スイッチ（電流切替手段とも称す）である。
また、４ａ１、４ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
同様に、４ｂ１、４ｂ２は第２の電流切替スイッチ３ｂを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
【０００４】
また、５ａ１、５ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１および４ａ２にゲート信号を供給するゲートドライバであり、同様に、５ｂ１および、５ｂ２は第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチ４ｂ１および４ｂ２にゲート信号を供給するゲートドライバである。
また、６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２は、それぞれゲートドライバ５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２に与えるオン信号（導通信号）、オフ信号（非導通信号）を切り替える信号切替手段である。
【０００５】
また、７は第１の交流電源１ａの電圧を検出する電圧検出手段、８は電圧検出手段７で検出した交流電源１ａの電圧に基づいて第１の交流電源１ａの停電検出を行い、停電信号を出力する停電検出手段、９は第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流を検出する電流検出手段、１０は停電検出手段８の検出する停電信号を受けて電流検出手段９の検出した交流電源１ａから負荷２に流れる電流の極性に基づいて電流方向を検出し、検出結果に基づいて信号切替手段６ｂ１、６ｂ２にオン信号あるいはオフ信号を与える電流方向検出手段である。
尚、停電検出手段８は、停電を検出するまで（即ち、第１の交流電源が正常に常時運転している時）は、信号切替手段６ａ１、６ａ２にオン信号を与え、停電を検出すると、出力される停電信号（即ち、第１の交流電源から第２の交流電源へ電源系統を切替へさせる電源切替信号）は信号切替手段６ａ１、６ａ２にオフ信号を与える。
【０００６】
次に、従来の電源系統切替装置の動作について説明する。
従来の電源系統切替装置の構成を示す図１２において、常時は信号切替手段６ａ１、６ａ２がオン信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２は切替スイッチ３１ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２にゲート信号を供給し、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２はオン（導通状態）となり、負荷２には第１の交流電源１ａが接続され、第１の交流電源１ａから電力が供給される。
【０００７】
もし、万一第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生し、負荷２への供給電圧低下が発生すると、電圧検出手段７の検出した第１の交流電源１ａの電圧低下に基づいて停電検出手段８にて停電を検出し、停電信号を発生する。
停電検出手段８が出力する停電信号を受けて、まず、信号切替手段６ａ１、６ａ２はオフ信号を選択し、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去する。
このとき、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は自己消弧できないため、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２の電流が所定の電流以下となるまで、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２はオフ状態（非導通状態）とはならず、負荷２を電源１ａから切り離すことができない。
【０００８】
そこで、米国特許５，６４４，１７５号に開示された従来の電源系統切替装置では、健全側交流電圧源である第２の交流電源１ｂから流れ込む電流により第１の交流電源１ａから流れ込む電流をキャンセルすることにより、半導体スイッチ４ａ１または４ａ２に流れている電流をオフ状態にするために必要な一定電流以下にし、第１の電流切替スイッチ３ａの遮断を早くする。
同時に、第１の電流切替スイッチ３ａが遮断した段階では、すでに第２の電流切替スイッチ３ｂがオンしていることより、負荷２に供給される電圧の低下時間を短くすることができる。
【０００９】
従来の電源系統切替装置の動作手順を図１３に示したフローチャートに従って説明する。
以下の説明において、停電発生時の第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流の向きは図１２の電流検出手段９の上部に示した矢印の向きとして説明する。第１の交流電源１ａに停電が発生し（図１３のｓｔｅｐ１）、電圧検出手段７にて検出した第１の交流電源１ａの電圧が低下すると、停電検出手段８は停電を検出し（図１０のｓｔｅｐ２）、停電検出手段８が停電信号を発生する。
【００１０】
停電検出手段８が発生した停電信号を受けて、信号切替手段６ａ１、６ａ２はオン信号からオフ信号へと切り替わり、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２の発生するゲート信号が除去される。（図１３のｓｔｅｐ３）
ゲート信号が除去されたことを受けて、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２はいつでもオフできる状態になるが、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は自己消弧不可能な半導体素子であるため、第１の交流電圧源１ａから負荷２に流れる電流と逆方向の電流方向性を有した半導体素子４ａ２はすぐにオフするが、電流の流れている半導体素子４ａ１は電流が一定電流以下となるまでオン状態を続ける。
【００１１】
ここで、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２のゲート信号が除去された後、電流方向検出手段１０は電流検出手段７の検出した電流より、電流方向を２度検出し（図１３のｓｔｅｐ４）、検出した電流方向が同じならば第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチ４ｂ１をオフ、４ｂ２をオンするようなゲート信号をゲートドライバ５ｂ１および５ｂ２が発生するように信号切替手段６ｂ１、６ｂ２に信号を与える。
【００１２】
ゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２は信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の信号を受けて、まず、半導体スイッチ４ｂ２のみをオンする（図１３のｓｔｅｐ５）が、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされて、半導体スイッチ４ａ１の遮断（即ち、第１の電流切替スイッチ３ａをオフとする）を早くすることができる。（図１３のｓｔｅｐ６）その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図１３のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図１３のｓｔｅｐ８）
【００１３】
ここで、電流方向検出手段１０が電流方向を２度検出し、電流方向が同じならば第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチにオン、オフ信号を与える理由は、万一、電流検出後電流方向が反転してしまった場合、第１の電流切替スイッチ３ａと第２の電流切替スイッチ３ｂが第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂを短絡させてしまうからである。
また、半導体スイッチ４ｂ２のみをオンとする理由は、半導体スイッチ４ａ１がオン状態で半導体スイッチ４ｂ１をオンすると第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂを短絡させるからである。
【００１４】
以上述べたように、図１２に示した従来の電源系統切替装置では、第１の交流電源に停電等の異常が発生すると、まず、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去し、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流方向検出を二度行い、その方向が同じであれば、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチのうち、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流をキャンセルする極性の半導体スイッチのみをオンすることにより、電源間の短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くする様に動作して、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂに切替わる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電源系統切替装置は以上のように構成されおり、電源間の短絡を避けられるという利点があるが、電流方向検出後、万一電流方向が反転した場合には、第１の交流電源１ａと第２の交流電源２ａを短絡させる方向の半導体スイッチをオンしてしまい、第１の交流電源１ａと第２の交流電源２ａを短絡させてしまうという問題点があった。
【００１６】
また、図１２に示した従来の電源系統切替装置では、常時運転側の第１の電流切替スイッチ３ａを半導体スイッチ４ａ１、４ａ２にて構成していたが、半導体スイッチは導通損失を発生するため効率が悪くランニングコストの上昇を招く。また、損失によって発生した熱エネルギーの冷却のため冷却構造が必要であり、装置を大型化させるという問題点があった。
【００１７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、常時運転していた第１の電源に、例えば、停電等の異常発生により電圧異常が発生した場合に、電源間の短絡を避けつつ第２の電源に高速切替可能な電源系統切替装置ならびに電流切替スイッチの損失が少なく、かつ、高効率で小型化可能な電源系統切替装置を得ることを目的とする。
また、手動等により電源系統の切替信号を発生させた場合にも、電源間の短絡を避けつつ第２の電源に高速切替可能な電源系統切替装置ならびに電流切替スイッチの損失が少なく、かつ、高効率で小型化可能な電源系統切替装置を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電源系統切替装置は、第１の交流電源と負荷との間に設けられ、上記負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第１の電源切替手段と、導通方向が互いに逆で、かつ、並列に接続された第１および第２の電流方向性を有したスイッチで構成されると共に、第２の交流電源と負荷との間に設けられ、負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第２の電流切替手段と、第１の交流電源から負荷に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、第１の交流電源から第２の交流電源への切替を指令する信号であって、第１の電流切替手段を非導通状態とする電源切替信号を発生する電源切替信号発生手段と、電源切替信号発生手段の出力信号を受けて、電流検出手段の電流検出時点での電流値に基づいて電流傾きを求め、この電流傾きにより第２の電流切替手段が導通する時点での電流値を求め、第２の電流切替手段が導通する時点での第１の交流電源から負荷に流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段と、電流方向推定手段の推定結果に基づいて、第２の電流切替手段を構成する第１および第２の電流方向性を有したスイッチのうち、まず第１の交流電源から負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向のスイッチを導通させ、その後残るスイッチを導通させる導通信号発生手段とを備えたものである。
【００１９】
また、本発明に係る電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、第１の交流電源の異常を検出する電源異常検出手段であり、上記電源異常検出手段の出力信号を電源切替信号として用いるものである。
【００２０】
また、本発明に係る電源系統切替装置の電源異常検出手段は、第１の交流電源の停電を検出する停電検出手段であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係る電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、手動によって電源切替信号を発生させることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明に係る電源系統切替装置の第１の電流切替手段は、無方向性のスイッチであることを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、従来と同一符号は従来のものと同一あるいは相当のものを表す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電源系統切替装置の概略構成を示す図である。
図において、１ａは第１の交流電源、１ｂは第２の交流電源、２はこれら交流電源のいずれか１つに接続され、常時運転が要求される負荷、３ａおよび３ｂは第１の交流電源１ａと負荷２の間あるいは第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続され、負荷２に電流を供給する交流電源を選択する第１および第２の電流切替スイッチ（電流切替手段とも称す）である。
【００２５】
即ち、第１の電流切替スイッチ３ａが導通状態（オン）、第２の電流切替スイッチ３ｂが非導通状態（オフ）の時には、第１の交流電源１ａが選択されて負荷２に電流を供給し、第１の電流切替スイッチ３ａが非導通状態（オフ）、第２の電流切替スイッチ３ｂが導通状態（オン）の時には、第２の交流電源１ｂが選択されて負荷２に電流を供給する。
また、４ａ１、４ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
【００２６】
同様に、４ｂ１、４ｂ２は第２の電流切替スイッチ３ｂを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
また、５ａ１および５ａ２は、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１および４ａ２にそれぞれゲート信号を供給するゲートドライバであり、同様に、５ｂ１および５ｂ２は、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチ４ｂ１および４ｂ２にそれぞれゲート信号を供給するゲートドライバである。
【００２７】
また、６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２は、それぞれゲートドライバ５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２に与えるオン信号（導通信号）、オフ信号（非導通信号）を切り替える信号切替手段である。
また、７は第１の交流電源１ａの電圧を検出する電圧検出手段、８は電圧検出手段７で検出した交流電源１ａの電圧に基づいて第１の交流電源１ａの停電検出を行い、停電信号を出力する停電検出手段、９は第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流を検出する電流検出手段である。
【００２８】
尚、停電検出手段８は、停電を検出するまで（即ち、第１の交流電源が正常に常時運転している時）は、信号切替手段６ａ１、６ａ２にオン信号を与え、停電を検出すると、出力される停電信号は信号切替手段６ａ１、６ａ２にオフ信号を与える。
また、停電検出手段から出力される停電信号は、第１の交流電源から第２の交流電源へ電源系統を切替へさせる電源切替信号として用いられる。
【００２９】
また、２０は停電検出手段８から出力される停電信号および電流検出手段９の出力信号を受けて、電流検出手段９による電流検出時点での第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流値および電流傾きを用いて、実際に第２の電流切替スイッチ３ｂのいずれかの半導体スイッチ（即ち、４ｂ１、４ｂ２のいずれかの半導体スイッチ）が最初にオンする時点での第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段である。
また、５０は電流方向推定手段２０および電流検出手段９の出力信号を受けて、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチ４ｂ１あるいは４ｂ２を所望のタイミングで順次オン状態にするためのゲート信号をゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２に発生させるよう、信号切替手段６ｂ１、６ｂ２を切替えるオン信号発生手段である。
【００３０】
尚、上述した電流方向推定手段２０では、電流検出手段９による電流検出時点での第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流値および電流傾きを用いて、実際に第２の電流切替スイッチ３ｂのいずれかの半導体スイッチ（即ち、４ｂ１、４ｂ２のいずれか）が最初にオンする時の第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流の電流方向を推定するしているが、負荷種別および電源電圧、位相等の情報より推定する推定手段を用いても、電流波形の周期性より推定する推定手段を用いても同様の効果が得られる。
【００３１】
図２は、本実施の形態の特徴的な構成要素である電流方向推定手段２０の具体的な構成例を示す図である。
図２において、２１は入力信号（即ち、電流検出手段９により検出された交流電源１ａから負荷２に流れる電流に対応する信号）の傾きを演算する傾き演算回路（手段）、２２は入力信号の乗算演算を行う乗算回路（手段）、２３は入力信号の加算演算を行う加算回路（手段）、２４は推定電流値方向を判定する推定電流方向判定回路（手段）である。
また、図３は電流検出手段９が検出する電流波形図、図４は本実施の形態における電源系統切替動作の手順を示したフローチャートである。
また、図５は、オン（導通）信号発生手段５０の概略構成を示す図である。
【００３２】
次に、本実施の形態１による電源系統切替装置の動作について、図１乃至図５を用いて説明する。
図１に示した電源系統切替装置において、常時（即ち、第１の交流電源が正常な時）は信号切替手段６ａ１、６ａ２は共にオン信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２にゲート信号を供給し、第１の電流切替スイッチ３ａをオン（導通）とし、負荷２には第１の電源１ａから電力が供給される。
この時点では、信号切替手段６ｂ１、６ｂ２はどちらもオフ信号（非導通信号）を選択しており、ゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２は半導体素子４ｂ１、４ｂ２にゲート信号を与えず、第２の電流切替スイッチ３ｂはオフされており、第２の交流電源１ｂは負荷２から切り離された状態にある。
【００３３】
ここで、第１の交流電源１ａに停電（異常電圧低下も含む）が発生すると（図４のｓｔｅｐ１）、電圧検出手段７が検出した電圧に基づいて、停電検出手段８が停電を検出し（図４のｓｔｅｐ２）、停電信号を発生する。
この時点で、第２の交流電源１ｂは停電等の発生しない健全側電源である。
停電検出手段８が発生した停電信号に基づいて、信号切替手段６ａ１、６ａ２はゲートドライバ５ａ１、５ａ２に対して第１の電流切替手段３ａを構成する半導体素子４ａ１、４ａ２をオフするオフ信号を出力する。
半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２からのゲート信号が除去された（図４のｓｔｅｐ３）ことによりいつでもオフできる状態になる。
【００３４】
しかし、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は共に自己消弧不可能な半導体素子であるため、第１の交流電圧源１ａから負荷２に流れる電流と逆極性の半導体素子４ａ２はすぐにオフするが、電流が流れている半導体素子４ａ１は電流が一定電流以下となるまでオン状態を続ける。ここまでの動作は図１２に示した従来の電源系統切り替え装置と同様である。
【００３５】
ここで、本発明の実施の形態１による電源系統切替装置は、第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生し、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂに電源系統を切替る場合に、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体素子４ｂ１または４ｂ２を実際にオンする時点での第１の電流スイッチ３ａの電流方向を正しく推定し、第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂの短絡を避けるとともに、電源系統切替装置そのものの故障を避け、他の需要家へ電圧低下による悪影響を与えないように動作することを特徴とするものである。
【００３６】
次に、図２の電流方向推定手段２０の構成図および図３の電流方向検出手段９が検出する電流波形図を用いて、電流方向推定手段２０の動作を説明する。
以下、第１の交流電源１ａに発生する異常として、停電が発生した場合を代表例として説明することとする。
電流方向推定手段２０は、第１の交流電源１ａの異常検出手段である停電検出手段８が、発生した停電信号（即ち、第１の交流電源１ａの異常検出信号）を受けて、以下の動作を開始する。
【００３７】
まず、傾き演算手段２１は、電流検出手段９から入力された図３に示す電流値（電流波形）に基づいて電流傾きを演算する。
例えば、図３において、時刻ａの時点の電流値ｉａを記憶しておき、停電発生（異常発生）の時刻である時刻ｂの時点の電流値ｉｂから減算し、時刻ｂと時刻ａの時間差△ｔ１で除算することにより電流傾きは演算できる。
即ち、電流傾きは、（ｉｂーｉａ）／△ｔ１の演算を行うことにより求めることができる。
尚、これ以外の方法としては、微分手段等の方法で電流傾きを求めても構わない。
【００３８】
演算された電流傾きは、乗算手段２２にて電流方向推定後、実際にゲート信号が印加されるまでの設定時間△ｔ２と乗算され、加算手段２３にて時刻ｂの電流ｉｂと加算されることにより、
ｉｃ ＝ △ｔ２ ＊ （ｉｂーｉａ）／△ｔ１
の式に従って、実際にゲート信号が印加される時点（時刻ｃ）での電流推定値となる。
この電流推定値に基づき、推定電流方向判定手段２４にて電流方向が判定され、実際にゲートがオンする時点での電流方向が正しく推定される。
【００３９】
この後の動作は、前述した従来の電源系統切替装置と同様であり、電流方向推定手段２０が推定した電流方向に従って、信号切替手段６ｂ２のみにオン信号を与え（即ち、信号切替手段６ｂ１はオフ信号を選択したままの状態）、この信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の出力を受けてゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２がゲート信号を半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２に与えることにより、まず、半導体スイッチ４ｂ２がオンする。（図４のｓｔｅｐ５）
【００４０】
第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされて、半導体スイッチ４ａ１の遮断（従って、第１の電流切替スイッチ３ａの遮断）を早くする（図４のｓｔｅｐ６）ことができる。
その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図４のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図４のｓｔｅｐ８）
【００４１】
上述した図４のｓｔｅｐ５からｓｔｅｐ８の動作を、図５および図１、図２、図５を用いて説明する。
即ち、電流方向推定手段２０および電流検出手段９の出力信号を受けて、図５に示したオン信号発生手段５０では、第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２のいずれを先にオンすべきかを判定し、この場合、半導体スイッチ４ｂ２を先にオンすべく、信号切替手段６ｂ２にオン信号を選択するよう出力する。
信号切替手段６ｂ２では、オン信号発生手段５０内のオンタイミング判定手段５１の出力信号に従い、ゲートドライバ５ｂ２にオン信号を出力し、半導体スイッチ４ｂ２がまずオンする。
【００４２】
半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、半導体スイッチ４ａ１に流れる電流がキャンセルされ、半導体スイッチ４ａ１がオフする。
半導体スイッチ４ａ１がオフすることにより、第１の電流切替スイッチ３ａが完全にオフすることにより、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流も零となるため、電流検出手段９の検出する電流も零となり、３ａオフ検出手段５２により第１の電流切替スイッチ３ａのオフ状態を検出することができる。
そして、オンタイミング判定手段５１は３ａオフ検出手段５２の出力信号を受けて、第２の電流切替スイッチ３ｂの残った半導体スイッチ４ｂ１をオンすべく、信号切替手段６ｂ１にオン信号を選択させ、信号切替手段６ｂ１はゲートドライバ５ｂ１にオン信号を出力し、半導体スイッチ４ｂ１がオンして、切替動作が完了する。
尚、図６は、本実施の形態において、第１の交流電源１ａに異常発生（例えば、停電発生）してから第２の電流スイッチ３ｂの各半導体スイッチ４ｂ１および４ｂ２がオンして第２の交流電源１ｂに切替られるまでの時系列タイミングを示したものである。
【００４３】
以上述べたように、図１に示した実施の形態１による電源系統切替装置では、まず、第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生した場合、第１の交流電源１ａと負荷２の間に接続された第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ａを構成する電流方向性を有した半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去し、電流方向推定手段２０によって第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂが実際にゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定し、第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続された第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂのうち、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンすることにより、第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂとの短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができる。
【００４４】
尚、実施の形態１では、第１の交流電源１ａの停電による異常を検出した場合の電源系統切替え動作について説明したが、この種の電源系統切替装置では、過電圧発生、位相跳躍、周波数異常、各相不平衡等の電源異常の場合にも同様の電源系統の切替動作が要求されるため、停電検出手段８に代わり、過電圧を検出する過電圧検出手段、位相跳躍を検出する位相跳躍検出手段、周波数異常を検出する周波数異常検出手段、各相不平衡を検出する各相不平衡手段等を設けても同様の効果が得られる。
また、実施の形態１では、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
【００４５】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による電源系統切替装置の概略構成を示す図である。
図７において、３０ａは、真空スイッチや機械式スイッチ等の電流方向性を持たず、電流零点でしか遮断できない無方向性スイッチ４０ａからなる第１の電流切替スイッチ（切替手段）である。
図１２に示した従来の電源系統切替装置と異なる点は、本実施の形態では第１の電流切替スイッチ３０ａを無方向性スイッチ４０ａにて構成した点である。
図８は、実施の形態２による電源系統切替装置の電源切替動作の手順を示したフローチャートである。
【００４６】
次に、図７および図８に基づいて、実施の形態２による電源系統切替装置の動作について説明する。
第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生し（図８のｓｔｅｐ１）、停電検出手段（異常検出手段）８にて停電（異常）を検出し（図８のｓｔｅｐ２）、検出した停電信号（異常信号）に基づいて信号切替手段６ａ１がオフ信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１が無方向性スイッチ４０ａからゲート信号を除去する（図８のｓｔｅｐ３）。
ここまでの動作は、図１２に示した従来の電源系統切替装置と基本的には同様である。
【００４７】
ここで、従来の電源系統切替装置と異なる点は、第１の電流切替スイッチ３０ａに無方向性スイッチ４０ａ（例えば、真空スイッチや機械式スイッチ）を適用したことにより、半導体スイッチを適用した場合に比べて、第１の交流電源１ａによる通常の常時通電時の損失を小さくすることが可能であると共に、第１の電流切替スイッチ３０ａの冷却が不要となり、装置の小型化が図れる点である。
無方向性スイッチ４０ａのゲート信号除去後、電流方向検出手段１０は、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流の方向を２度検出し（図６のｓｔｅｐ４）、検出された電流方向に応じて、信号切替手段６ｂ２のみにオン信号を与え（図６のｓｔｅｐ５）、この信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の出力を受けてゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２がゲート信号を半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２に与えることにより、半導体スイッチ４ｂ２がオンする。
【００４８】
半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされ、無方向性スイッチ４０ａの遮断（即ち、第１の電流切替スイッチ３ａの遮断）を早くすることができる。（図８のｓｔｅｐ６）
その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図８のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図８のｓｔｅｐ８）
【００４９】
以上述べたように、図７に示した実施の形態２による電源系統切替装置では、第１の電流切替スイッチ３０ａに無方向性スイッチ４０ａを適用したことにより、通常の常時通電での第１の電流切替スイッチ３０ａの損失を小さくすることが可能であるとともに、第１の電流切替スイッチ３０ａの冷却が不要あるいはその必要性は少なくなり、装置を小型化することができる。
更に、実施の形態１における電流方向推定手段２０とオン（導通）信号発生手段に代えて、回路構成が簡単な電流検出回路１０を用いているので、コトス低減も図れる。
【００５０】
尚、実施の形態２でも、第１の交流電源１ａの停電による異常を検出した場合の電源系統切替え動作について説明したが、この種の電源系統切替装置では、過電圧発生、位相跳躍、周波数異常、各相不平衡等の電源異常の場合にも同様の電源系統の切替動作が要求されるため、停電検出手段８に代わり、過電圧を検出する過電圧検出手段、位相跳躍を検出する位相跳躍検出手段、周波数異常を検出する周波数異常検出手段、各相不平衡を検出する各相不平衡手段等を設けても同様の効果が得られる。
また、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
【００５１】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３による電源系統切替装置の構成を示す図である。
また、図１０は、本発明の実施の形態３による電源系統切替装置の切替動作の手順を示したフローチャートである。
本実施の形態が、図１に示した実施の形態１による電源系統切替装置と異なる点は、電流方向性を有し、互いに電流導通方向が逆となるように接続された２つの半導体スイッチからなる第１の電流切替スイッチ３ａに代わり、図９に示すように、前述の実施の形態２で示した無方向性スイッチ４０ａ（例えば、真空スイッチや機械式スイッチ）で構成された第１の電流切替スイッチ３０ａを適用したことにより、半導体スイッチを適用した実施の形態１の場合に比べて、更に、第１の交流電源１ａによる通常の常時通電時の損失を小さくすることが可能となり、従って、第１の電流切替スイッチ３０ａの冷却がほとんど不要となり、装置の小型化が図れる点である。
【００５２】
次に、図９および図１０に基づいて、本実施の形態による電源系統切替装置の動作を説明する。
第１の交流電源１ａに停電（異常）が発生し（図１０のｓｔｅｐ１）、停電検出手段（異常検出手段）８にによって停電（異常）を検出し（図１０のｓｔｅｐ２）、検出した停電信号（異常検出信号）に基づいて信号切替手段６ａ１がオフ信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１が無方向性スイッチ４０ａからゲート信号を除去して（図１０のｓｔｅｐ３）、無方向性スイッチ４０ａがオフできる状態となる。ここまでの動作は、前述した実施の形態２による電源系統切替装置と同様である。
【００５３】
本実施の形態３による電源系統切替装置では、前述の実施の形態１にて説明した電流方向推定手段２０およびオン信号発生手段５０を用いて、実施の形態１の場合と同様に実際にゲート信号が印加される時点での電流方向を推定し（図１０のｓｔｅｐ４）、信号切替手段６ｂ１にオフ信号を信号切替手段６ｂ２にオン信号を与え、この信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の出力を受けてゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２がゲート信号を半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２に与えることにより、半導体スイッチ４ｂ２がオンする。（図１０のｓｔｅｐ５）
尚、電流方向推定手段２０およびオン信号発生手段５０の具体的構成、動作については、実施の形態１の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００５４】
半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされ、無方向性スイッチ４０ａの遮断（即ち、第１の電流切替スイッチ３０ａの遮断）を早くすることができる。（図１０のｓｔｅｐ６）
その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図１０のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図１０のｓｔｅｐ８）
【００５５】
以上述べたように、図９に示した実施の形態３による電源系統切替装置では、電流方向推定手段２０およびオン信号発生手段を用いたことにより、第１の交流電源１ａ第２の交流電源１ｂの短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くして、第２の交流電源１ｂに切替ることができると共に、更に、第１の電流切替スイッチ３０ａに真空スイッチや機械式スイッチのような通電電流よる損失の少ない無方向性スイッチ４０ａを適用したことにより、第１の交流電源１ａによる常時の通電時における第１の電流切替スイッチ３０ａでの損失を小さくすることが可能であるとともに、冷却が不要あるいはその必要性はほとんどなくなり、装置を小型化することができる。
【００５６】
尚、実施の形態３でも、第１の交流電源１ａの停電による異常を検出した場合の電源系統切替え動作について説明したが、この種の電源系統切替装置では、過電圧発生、位相跳躍、周波数異常、各相不平衡等の電源異常の場合にも同様の電源系統の切替動作が要求されるため、停電検出手段８に代わり、過電圧を検出する過電圧検出手段、位相跳躍を検出する位相跳躍検出手段、周波数異常を検出する周波数異常検出手段、各相不平衡を検出する各相不平衡手段等を設けても同様の効果が得られる。
また、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
【００５７】
実施の形態４．
図１１は、実施の形態４による電源系統切替装置の構成を示す図である。
前述した実施の形態１〜３では、第１の交流電源１ａの停電等の異常を停電検出手段（異常検出手段）８にて検出し、この検出信号を受けて第１の交流電源１ａから健全側の第２の交流電源１ｂへ電源系統を切替える場合について説明した。これらに対し、本実施の形態では、図１１に示すように、第１の交流電源１ａの異常を検出する手段（例えば、停電検出手段８）に代わり、手動等により電源系統の切替信号を発生させることのできる電源切替信号発生手段を設けたことを特徴とする。
【００５８】
本実施の形態では、このような構成を採用したことにより、操作者の判断により手動にて随時に、第１の交流電源１ａと負荷２の間に接続された第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ａを構成する電流方向性を有した半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去し、電流方向推定手段２０によって第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂのゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定し、第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続された第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂのうち、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンすることにより、第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂとの短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができる。
【００５９】
尚、図１１は、第１の交流電源１ａの停電等の異常を検出する停電検出手段（異常検出手段）を設けていない場合を示しているが、図１１において、更に 第１の交流電源１ａの異常を検出する検出手段を設けてもよい。
この場合、上述の効果を得る上に、更に、手動による電源系統の切替えと、第１の交流電源１ａの異常検出による自動的な電源切替の両方を可能とする電源系統切替装置を提供することができる。
【００６０】
尚、本実施の形態４でも、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
また、第１の電流切替スイッチ３ａは、実施の形態２あるいは３で示したような無方向性スイッチであってもよい。
【００６１】
【発明の効果】
本発明による電源系統切替装置によれば、第１の交流電源と負荷との間に設けられ、上記負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第１の電流切替手段と、導通方向が互いに逆で、かつ、並列に接続された第１および第２の電流方向性を有したスイッチで構成されると共に、第２の交流電源と負荷との間に設けられ、負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第２の電流切替手段と、第１の交流電源から負荷に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、第１の交流電源から第２の交流電源への切替を指令する信号であって、第１の電流切替手段を非導通状態とする電源切替信号を発生する電源切替信号発生手段と、電源切替信号発生手段の出力信号を受けて、電流検出手段の電流検出時点での電流値に基づいて電流傾きを求め、この電流傾きにより第２の電流切替手段が導通する時点での電流値を求め、第２の電流切替手段が導通する時点での第１の交流電源から負荷に流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段と、電流方向推定手段の推定結果に基づいて、第２の電流切替手段を構成する第１および第２の電流方向性を有したスイッチのうち、まず第１の交流電源から負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向のスイッチを導通させ、その後残るスイッチを導通させる導通信号発生手段とを備えたので、電源切替信号の発生に応答して、電流方向推定手段に第２の電流切替手段が実際にゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定させ、その推定結果に基づいて第２の交流電源と負荷の間に接続された第２の電流切替手段のうち、第１の交流電源から負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンさせることにより、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源に切替ることができるという効果がある。
【００６２】
また、本発明による電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、第１の交流電源の異常を検出する電源異常検出手段であり、上記電源異常検出手段の出力信号を電源切替信号として用いるので、常時運転していた第１の交流電源の種々な電源異常の発生に応答して、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができるという効果がある。
【００６３】
また、本発明にによる電源系統切替装置の電源異常検出手段は、第１の交流電源の停電を検出する停電検出手段であることを特徴とするので、常時運転していた第１の交流電源に停電が発生した場合に、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができるという効果がある。
【００６４】
また、本発明にによる電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、手動によって電源切替信号を発生させることを特徴とするので、操作者の判断により電源切替信号を発生させた場合であっても、電流方向推定手段に第２の電流切替手段が実際にゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定させ、その推定結果に基づいて第２の交流電源と負荷２の間に接続された第２の電流切替手段のうち、第１の交流電源から負荷２に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンさせることにより、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができるという効果がある。
【００６５】
また、本発明による電源系統切替装置の第１の電流切替手段は、通電時電流による損失の少ない無方向性のスイッチであることを特徴とするので、通常時の第１の交流電源から負荷に流れる電流による第１の電流切替スイッチでの損失を小さくすることが可能となり、第１の電流切替スイッチの冷却がほとんど不要となり、装置を小型化することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図２】 電流方向推定手段の一構成例を示す図である。
【図３】 電流検出手段が検出する電流波形を示す図である。
【図４】 実施の形態１による電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】 オン信号発生手段の概略構成例を示す図である。
【図６】 停電発生以降の各部におけるオン／オフのタイミングを示す図である。
【図７】 実施の形態２による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図８】 実施の形態２による電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】 実施の形態３による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図１０】 実施の形態３による電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】 実施の形態４による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図１２】 従来の電源系統切替装置を示す構成図である。
【図１３】 従来の電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ａ 第１の交流電源 １ｂ 第２の交流電源 ２ 負荷
３ａ 第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）
３ｂ 第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）
４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２ 半導体スイッチ
５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２ ゲートドライバ
６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２ 信号切替手段
７ 電圧検出手段 ８ 停電検出手段
９ 電流検出手段 １０ 電流方向検出手段
２０ 電流方向推定手段 ２１ 傾き演算手段
２２ 乗算手段 ２３ 加算手段
２４ 推定電流方向判定手段
３０ａ 第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）
４０ａ 無方向性スイッチ
５０ オン（導通）信号発生手段
５１ オンタイミング判定手段 ５２ ３ａオフ判定手段
６０ 電源切替信号発生手段
【発明の属する技術分野】
この発明は、異種の交流電源系統に接続され、常時は第１の交流電源系統から負荷に電力を供給すると共に、電圧低下発生等の電源異常時には別の第２の交流電源系統に切り替えて、負荷に連続的に電力を供給する電源系統切替装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、例えば、米国特許５，６４４，１７５号に開示された従来の電源系統切替装置の概略構成を示す構成図であり、図１３は図１２に示した従来の電源系統切替装置における切替動作の手順を示すフローチャートである。
【０００３】
図１２において、１ａは第１の交流電源、１ｂは第２の交流電源、２はこれら交流電源のいずれか１つに接続され、常時運転が要求される負荷である。
また、３ａおよび３ｂは、第１の交流電源１ａと負荷２の間あるいは第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続され、負荷２に電流を供給する交流電源を選択する第１および第２の電流切替スイッチ（電流切替手段とも称す）である。
また、４ａ１、４ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
同様に、４ｂ１、４ｂ２は第２の電流切替スイッチ３ｂを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
【０００４】
また、５ａ１、５ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１および４ａ２にゲート信号を供給するゲートドライバであり、同様に、５ｂ１および、５ｂ２は第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチ４ｂ１および４ｂ２にゲート信号を供給するゲートドライバである。
また、６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２は、それぞれゲートドライバ５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２に与えるオン信号（導通信号）、オフ信号（非導通信号）を切り替える信号切替手段である。
【０００５】
また、７は第１の交流電源１ａの電圧を検出する電圧検出手段、８は電圧検出手段７で検出した交流電源１ａの電圧に基づいて第１の交流電源１ａの停電検出を行い、停電信号を出力する停電検出手段、９は第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流を検出する電流検出手段、１０は停電検出手段８の検出する停電信号を受けて電流検出手段９の検出した交流電源１ａから負荷２に流れる電流の極性に基づいて電流方向を検出し、検出結果に基づいて信号切替手段６ｂ１、６ｂ２にオン信号あるいはオフ信号を与える電流方向検出手段である。
尚、停電検出手段８は、停電を検出するまで（即ち、第１の交流電源が正常に常時運転している時）は、信号切替手段６ａ１、６ａ２にオン信号を与え、停電を検出すると、出力される停電信号（即ち、第１の交流電源から第２の交流電源へ電源系統を切替へさせる電源切替信号）は信号切替手段６ａ１、６ａ２にオフ信号を与える。
【０００６】
次に、従来の電源系統切替装置の動作について説明する。
従来の電源系統切替装置の構成を示す図１２において、常時は信号切替手段６ａ１、６ａ２がオン信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２は切替スイッチ３１ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２にゲート信号を供給し、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２はオン（導通状態）となり、負荷２には第１の交流電源１ａが接続され、第１の交流電源１ａから電力が供給される。
【０００７】
もし、万一第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生し、負荷２への供給電圧低下が発生すると、電圧検出手段７の検出した第１の交流電源１ａの電圧低下に基づいて停電検出手段８にて停電を検出し、停電信号を発生する。
停電検出手段８が出力する停電信号を受けて、まず、信号切替手段６ａ１、６ａ２はオフ信号を選択し、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去する。
このとき、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は自己消弧できないため、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２の電流が所定の電流以下となるまで、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２はオフ状態（非導通状態）とはならず、負荷２を電源１ａから切り離すことができない。
【０００８】
そこで、米国特許５，６４４，１７５号に開示された従来の電源系統切替装置では、健全側交流電圧源である第２の交流電源１ｂから流れ込む電流により第１の交流電源１ａから流れ込む電流をキャンセルすることにより、半導体スイッチ４ａ１または４ａ２に流れている電流をオフ状態にするために必要な一定電流以下にし、第１の電流切替スイッチ３ａの遮断を早くする。
同時に、第１の電流切替スイッチ３ａが遮断した段階では、すでに第２の電流切替スイッチ３ｂがオンしていることより、負荷２に供給される電圧の低下時間を短くすることができる。
【０００９】
従来の電源系統切替装置の動作手順を図１３に示したフローチャートに従って説明する。
以下の説明において、停電発生時の第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流の向きは図１２の電流検出手段９の上部に示した矢印の向きとして説明する。第１の交流電源１ａに停電が発生し（図１３のｓｔｅｐ１）、電圧検出手段７にて検出した第１の交流電源１ａの電圧が低下すると、停電検出手段８は停電を検出し（図１０のｓｔｅｐ２）、停電検出手段８が停電信号を発生する。
【００１０】
停電検出手段８が発生した停電信号を受けて、信号切替手段６ａ１、６ａ２はオン信号からオフ信号へと切り替わり、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２の発生するゲート信号が除去される。（図１３のｓｔｅｐ３）
ゲート信号が除去されたことを受けて、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２はいつでもオフできる状態になるが、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は自己消弧不可能な半導体素子であるため、第１の交流電圧源１ａから負荷２に流れる電流と逆方向の電流方向性を有した半導体素子４ａ２はすぐにオフするが、電流の流れている半導体素子４ａ１は電流が一定電流以下となるまでオン状態を続ける。
【００１１】
ここで、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２のゲート信号が除去された後、電流方向検出手段１０は電流検出手段７の検出した電流より、電流方向を２度検出し（図１３のｓｔｅｐ４）、検出した電流方向が同じならば第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチ４ｂ１をオフ、４ｂ２をオンするようなゲート信号をゲートドライバ５ｂ１および５ｂ２が発生するように信号切替手段６ｂ１、６ｂ２に信号を与える。
【００１２】
ゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２は信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の信号を受けて、まず、半導体スイッチ４ｂ２のみをオンする（図１３のｓｔｅｐ５）が、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされて、半導体スイッチ４ａ１の遮断（即ち、第１の電流切替スイッチ３ａをオフとする）を早くすることができる。（図１３のｓｔｅｐ６）その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図１３のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図１３のｓｔｅｐ８）
【００１３】
ここで、電流方向検出手段１０が電流方向を２度検出し、電流方向が同じならば第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチにオン、オフ信号を与える理由は、万一、電流検出後電流方向が反転してしまった場合、第１の電流切替スイッチ３ａと第２の電流切替スイッチ３ｂが第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂを短絡させてしまうからである。
また、半導体スイッチ４ｂ２のみをオンとする理由は、半導体スイッチ４ａ１がオン状態で半導体スイッチ４ｂ１をオンすると第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂを短絡させるからである。
【００１４】
以上述べたように、図１２に示した従来の電源系統切替装置では、第１の交流電源に停電等の異常が発生すると、まず、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去し、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流方向検出を二度行い、その方向が同じであれば、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチのうち、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流をキャンセルする極性の半導体スイッチのみをオンすることにより、電源間の短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くする様に動作して、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂに切替わる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電源系統切替装置は以上のように構成されおり、電源間の短絡を避けられるという利点があるが、電流方向検出後、万一電流方向が反転した場合には、第１の交流電源１ａと第２の交流電源２ａを短絡させる方向の半導体スイッチをオンしてしまい、第１の交流電源１ａと第２の交流電源２ａを短絡させてしまうという問題点があった。
【００１６】
また、図１２に示した従来の電源系統切替装置では、常時運転側の第１の電流切替スイッチ３ａを半導体スイッチ４ａ１、４ａ２にて構成していたが、半導体スイッチは導通損失を発生するため効率が悪くランニングコストの上昇を招く。また、損失によって発生した熱エネルギーの冷却のため冷却構造が必要であり、装置を大型化させるという問題点があった。
【００１７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、常時運転していた第１の電源に、例えば、停電等の異常発生により電圧異常が発生した場合に、電源間の短絡を避けつつ第２の電源に高速切替可能な電源系統切替装置ならびに電流切替スイッチの損失が少なく、かつ、高効率で小型化可能な電源系統切替装置を得ることを目的とする。
また、手動等により電源系統の切替信号を発生させた場合にも、電源間の短絡を避けつつ第２の電源に高速切替可能な電源系統切替装置ならびに電流切替スイッチの損失が少なく、かつ、高効率で小型化可能な電源系統切替装置を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電源系統切替装置は、第１の交流電源と負荷との間に設けられ、上記負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第１の電源切替手段と、導通方向が互いに逆で、かつ、並列に接続された第１および第２の電流方向性を有したスイッチで構成されると共に、第２の交流電源と負荷との間に設けられ、負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第２の電流切替手段と、第１の交流電源から負荷に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、第１の交流電源から第２の交流電源への切替を指令する信号であって、第１の電流切替手段を非導通状態とする電源切替信号を発生する電源切替信号発生手段と、電源切替信号発生手段の出力信号を受けて、電流検出手段の電流検出時点での電流値に基づいて電流傾きを求め、この電流傾きにより第２の電流切替手段が導通する時点での電流値を求め、第２の電流切替手段が導通する時点での第１の交流電源から負荷に流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段と、電流方向推定手段の推定結果に基づいて、第２の電流切替手段を構成する第１および第２の電流方向性を有したスイッチのうち、まず第１の交流電源から負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向のスイッチを導通させ、その後残るスイッチを導通させる導通信号発生手段とを備えたものである。
【００１９】
また、本発明に係る電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、第１の交流電源の異常を検出する電源異常検出手段であり、上記電源異常検出手段の出力信号を電源切替信号として用いるものである。
【００２０】
また、本発明に係る電源系統切替装置の電源異常検出手段は、第１の交流電源の停電を検出する停電検出手段であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係る電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、手動によって電源切替信号を発生させることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明に係る電源系統切替装置の第１の電流切替手段は、無方向性のスイッチであることを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、従来と同一符号は従来のものと同一あるいは相当のものを表す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電源系統切替装置の概略構成を示す図である。
図において、１ａは第１の交流電源、１ｂは第２の交流電源、２はこれら交流電源のいずれか１つに接続され、常時運転が要求される負荷、３ａおよび３ｂは第１の交流電源１ａと負荷２の間あるいは第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続され、負荷２に電流を供給する交流電源を選択する第１および第２の電流切替スイッチ（電流切替手段とも称す）である。
【００２５】
即ち、第１の電流切替スイッチ３ａが導通状態（オン）、第２の電流切替スイッチ３ｂが非導通状態（オフ）の時には、第１の交流電源１ａが選択されて負荷２に電流を供給し、第１の電流切替スイッチ３ａが非導通状態（オフ）、第２の電流切替スイッチ３ｂが導通状態（オン）の時には、第２の交流電源１ｂが選択されて負荷２に電流を供給する。
また、４ａ１、４ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
【００２６】
同様に、４ｂ１、４ｂ２は第２の電流切替スイッチ３ｂを構成するサイリスタ等の自己消弧できない電流方向性を有した半導体スイッチであり、導通方向が互い逆で並列に接続されている。
また、５ａ１および５ａ２は、第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１および４ａ２にそれぞれゲート信号を供給するゲートドライバであり、同様に、５ｂ１および５ｂ２は、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチ４ｂ１および４ｂ２にそれぞれゲート信号を供給するゲートドライバである。
【００２７】
また、６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２は、それぞれゲートドライバ５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２に与えるオン信号（導通信号）、オフ信号（非導通信号）を切り替える信号切替手段である。
また、７は第１の交流電源１ａの電圧を検出する電圧検出手段、８は電圧検出手段７で検出した交流電源１ａの電圧に基づいて第１の交流電源１ａの停電検出を行い、停電信号を出力する停電検出手段、９は第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流を検出する電流検出手段である。
【００２８】
尚、停電検出手段８は、停電を検出するまで（即ち、第１の交流電源が正常に常時運転している時）は、信号切替手段６ａ１、６ａ２にオン信号を与え、停電を検出すると、出力される停電信号は信号切替手段６ａ１、６ａ２にオフ信号を与える。
また、停電検出手段から出力される停電信号は、第１の交流電源から第２の交流電源へ電源系統を切替へさせる電源切替信号として用いられる。
【００２９】
また、２０は停電検出手段８から出力される停電信号および電流検出手段９の出力信号を受けて、電流検出手段９による電流検出時点での第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流値および電流傾きを用いて、実際に第２の電流切替スイッチ３ｂのいずれかの半導体スイッチ（即ち、４ｂ１、４ｂ２のいずれかの半導体スイッチ）が最初にオンする時点での第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段である。
また、５０は電流方向推定手段２０および電流検出手段９の出力信号を受けて、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体スイッチ４ｂ１あるいは４ｂ２を所望のタイミングで順次オン状態にするためのゲート信号をゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２に発生させるよう、信号切替手段６ｂ１、６ｂ２を切替えるオン信号発生手段である。
【００３０】
尚、上述した電流方向推定手段２０では、電流検出手段９による電流検出時点での第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流値および電流傾きを用いて、実際に第２の電流切替スイッチ３ｂのいずれかの半導体スイッチ（即ち、４ｂ１、４ｂ２のいずれか）が最初にオンする時の第１の電流切替スイッチ３ａを流れる電流の電流方向を推定するしているが、負荷種別および電源電圧、位相等の情報より推定する推定手段を用いても、電流波形の周期性より推定する推定手段を用いても同様の効果が得られる。
【００３１】
図２は、本実施の形態の特徴的な構成要素である電流方向推定手段２０の具体的な構成例を示す図である。
図２において、２１は入力信号（即ち、電流検出手段９により検出された交流電源１ａから負荷２に流れる電流に対応する信号）の傾きを演算する傾き演算回路（手段）、２２は入力信号の乗算演算を行う乗算回路（手段）、２３は入力信号の加算演算を行う加算回路（手段）、２４は推定電流値方向を判定する推定電流方向判定回路（手段）である。
また、図３は電流検出手段９が検出する電流波形図、図４は本実施の形態における電源系統切替動作の手順を示したフローチャートである。
また、図５は、オン（導通）信号発生手段５０の概略構成を示す図である。
【００３２】
次に、本実施の形態１による電源系統切替装置の動作について、図１乃至図５を用いて説明する。
図１に示した電源系統切替装置において、常時（即ち、第１の交流電源が正常な時）は信号切替手段６ａ１、６ａ２は共にオン信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２は第１の電流切替スイッチ３ａを構成する半導体スイッチ４ａ１、４ａ２にゲート信号を供給し、第１の電流切替スイッチ３ａをオン（導通）とし、負荷２には第１の電源１ａから電力が供給される。
この時点では、信号切替手段６ｂ１、６ｂ２はどちらもオフ信号（非導通信号）を選択しており、ゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２は半導体素子４ｂ１、４ｂ２にゲート信号を与えず、第２の電流切替スイッチ３ｂはオフされており、第２の交流電源１ｂは負荷２から切り離された状態にある。
【００３３】
ここで、第１の交流電源１ａに停電（異常電圧低下も含む）が発生すると（図４のｓｔｅｐ１）、電圧検出手段７が検出した電圧に基づいて、停電検出手段８が停電を検出し（図４のｓｔｅｐ２）、停電信号を発生する。
この時点で、第２の交流電源１ｂは停電等の発生しない健全側電源である。
停電検出手段８が発生した停電信号に基づいて、信号切替手段６ａ１、６ａ２はゲートドライバ５ａ１、５ａ２に対して第１の電流切替手段３ａを構成する半導体素子４ａ１、４ａ２をオフするオフ信号を出力する。
半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は、ゲートドライバ５ａ１、５ａ２からのゲート信号が除去された（図４のｓｔｅｐ３）ことによりいつでもオフできる状態になる。
【００３４】
しかし、半導体スイッチ４ａ１、４ａ２は共に自己消弧不可能な半導体素子であるため、第１の交流電圧源１ａから負荷２に流れる電流と逆極性の半導体素子４ａ２はすぐにオフするが、電流が流れている半導体素子４ａ１は電流が一定電流以下となるまでオン状態を続ける。ここまでの動作は図１２に示した従来の電源系統切り替え装置と同様である。
【００３５】
ここで、本発明の実施の形態１による電源系統切替装置は、第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生し、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂに電源系統を切替る場合に、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する半導体素子４ｂ１または４ｂ２を実際にオンする時点での第１の電流スイッチ３ａの電流方向を正しく推定し、第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂの短絡を避けるとともに、電源系統切替装置そのものの故障を避け、他の需要家へ電圧低下による悪影響を与えないように動作することを特徴とするものである。
【００３６】
次に、図２の電流方向推定手段２０の構成図および図３の電流方向検出手段９が検出する電流波形図を用いて、電流方向推定手段２０の動作を説明する。
以下、第１の交流電源１ａに発生する異常として、停電が発生した場合を代表例として説明することとする。
電流方向推定手段２０は、第１の交流電源１ａの異常検出手段である停電検出手段８が、発生した停電信号（即ち、第１の交流電源１ａの異常検出信号）を受けて、以下の動作を開始する。
【００３７】
まず、傾き演算手段２１は、電流検出手段９から入力された図３に示す電流値（電流波形）に基づいて電流傾きを演算する。
例えば、図３において、時刻ａの時点の電流値ｉａを記憶しておき、停電発生（異常発生）の時刻である時刻ｂの時点の電流値ｉｂから減算し、時刻ｂと時刻ａの時間差△ｔ１で除算することにより電流傾きは演算できる。
即ち、電流傾きは、（ｉｂーｉａ）／△ｔ１の演算を行うことにより求めることができる。
尚、これ以外の方法としては、微分手段等の方法で電流傾きを求めても構わない。
【００３８】
演算された電流傾きは、乗算手段２２にて電流方向推定後、実際にゲート信号が印加されるまでの設定時間△ｔ２と乗算され、加算手段２３にて時刻ｂの電流ｉｂと加算されることにより、
ｉｃ ＝ △ｔ２ ＊ （ｉｂーｉａ）／△ｔ１
の式に従って、実際にゲート信号が印加される時点（時刻ｃ）での電流推定値となる。
この電流推定値に基づき、推定電流方向判定手段２４にて電流方向が判定され、実際にゲートがオンする時点での電流方向が正しく推定される。
【００３９】
この後の動作は、前述した従来の電源系統切替装置と同様であり、電流方向推定手段２０が推定した電流方向に従って、信号切替手段６ｂ２のみにオン信号を与え（即ち、信号切替手段６ｂ１はオフ信号を選択したままの状態）、この信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の出力を受けてゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２がゲート信号を半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２に与えることにより、まず、半導体スイッチ４ｂ２がオンする。（図４のｓｔｅｐ５）
【００４０】
第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされて、半導体スイッチ４ａ１の遮断（従って、第１の電流切替スイッチ３ａの遮断）を早くする（図４のｓｔｅｐ６）ことができる。
その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図４のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図４のｓｔｅｐ８）
【００４１】
上述した図４のｓｔｅｐ５からｓｔｅｐ８の動作を、図５および図１、図２、図５を用いて説明する。
即ち、電流方向推定手段２０および電流検出手段９の出力信号を受けて、図５に示したオン信号発生手段５０では、第２の電流切替スイッチ３ｂの半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２のいずれを先にオンすべきかを判定し、この場合、半導体スイッチ４ｂ２を先にオンすべく、信号切替手段６ｂ２にオン信号を選択するよう出力する。
信号切替手段６ｂ２では、オン信号発生手段５０内のオンタイミング判定手段５１の出力信号に従い、ゲートドライバ５ｂ２にオン信号を出力し、半導体スイッチ４ｂ２がまずオンする。
【００４２】
半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、半導体スイッチ４ａ１に流れる電流がキャンセルされ、半導体スイッチ４ａ１がオフする。
半導体スイッチ４ａ１がオフすることにより、第１の電流切替スイッチ３ａが完全にオフすることにより、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流も零となるため、電流検出手段９の検出する電流も零となり、３ａオフ検出手段５２により第１の電流切替スイッチ３ａのオフ状態を検出することができる。
そして、オンタイミング判定手段５１は３ａオフ検出手段５２の出力信号を受けて、第２の電流切替スイッチ３ｂの残った半導体スイッチ４ｂ１をオンすべく、信号切替手段６ｂ１にオン信号を選択させ、信号切替手段６ｂ１はゲートドライバ５ｂ１にオン信号を出力し、半導体スイッチ４ｂ１がオンして、切替動作が完了する。
尚、図６は、本実施の形態において、第１の交流電源１ａに異常発生（例えば、停電発生）してから第２の電流スイッチ３ｂの各半導体スイッチ４ｂ１および４ｂ２がオンして第２の交流電源１ｂに切替られるまでの時系列タイミングを示したものである。
【００４３】
以上述べたように、図１に示した実施の形態１による電源系統切替装置では、まず、第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生した場合、第１の交流電源１ａと負荷２の間に接続された第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ａを構成する電流方向性を有した半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去し、電流方向推定手段２０によって第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂが実際にゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定し、第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続された第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂのうち、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンすることにより、第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂとの短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができる。
【００４４】
尚、実施の形態１では、第１の交流電源１ａの停電による異常を検出した場合の電源系統切替え動作について説明したが、この種の電源系統切替装置では、過電圧発生、位相跳躍、周波数異常、各相不平衡等の電源異常の場合にも同様の電源系統の切替動作が要求されるため、停電検出手段８に代わり、過電圧を検出する過電圧検出手段、位相跳躍を検出する位相跳躍検出手段、周波数異常を検出する周波数異常検出手段、各相不平衡を検出する各相不平衡手段等を設けても同様の効果が得られる。
また、実施の形態１では、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
【００４５】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による電源系統切替装置の概略構成を示す図である。
図７において、３０ａは、真空スイッチや機械式スイッチ等の電流方向性を持たず、電流零点でしか遮断できない無方向性スイッチ４０ａからなる第１の電流切替スイッチ（切替手段）である。
図１２に示した従来の電源系統切替装置と異なる点は、本実施の形態では第１の電流切替スイッチ３０ａを無方向性スイッチ４０ａにて構成した点である。
図８は、実施の形態２による電源系統切替装置の電源切替動作の手順を示したフローチャートである。
【００４６】
次に、図７および図８に基づいて、実施の形態２による電源系統切替装置の動作について説明する。
第１の交流電源１ａに停電等の異常が発生し（図８のｓｔｅｐ１）、停電検出手段（異常検出手段）８にて停電（異常）を検出し（図８のｓｔｅｐ２）、検出した停電信号（異常信号）に基づいて信号切替手段６ａ１がオフ信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１が無方向性スイッチ４０ａからゲート信号を除去する（図８のｓｔｅｐ３）。
ここまでの動作は、図１２に示した従来の電源系統切替装置と基本的には同様である。
【００４７】
ここで、従来の電源系統切替装置と異なる点は、第１の電流切替スイッチ３０ａに無方向性スイッチ４０ａ（例えば、真空スイッチや機械式スイッチ）を適用したことにより、半導体スイッチを適用した場合に比べて、第１の交流電源１ａによる通常の常時通電時の損失を小さくすることが可能であると共に、第１の電流切替スイッチ３０ａの冷却が不要となり、装置の小型化が図れる点である。
無方向性スイッチ４０ａのゲート信号除去後、電流方向検出手段１０は、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流の方向を２度検出し（図６のｓｔｅｐ４）、検出された電流方向に応じて、信号切替手段６ｂ２のみにオン信号を与え（図６のｓｔｅｐ５）、この信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の出力を受けてゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２がゲート信号を半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２に与えることにより、半導体スイッチ４ｂ２がオンする。
【００４８】
半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされ、無方向性スイッチ４０ａの遮断（即ち、第１の電流切替スイッチ３ａの遮断）を早くすることができる。（図８のｓｔｅｐ６）
その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図８のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図８のｓｔｅｐ８）
【００４９】
以上述べたように、図７に示した実施の形態２による電源系統切替装置では、第１の電流切替スイッチ３０ａに無方向性スイッチ４０ａを適用したことにより、通常の常時通電での第１の電流切替スイッチ３０ａの損失を小さくすることが可能であるとともに、第１の電流切替スイッチ３０ａの冷却が不要あるいはその必要性は少なくなり、装置を小型化することができる。
更に、実施の形態１における電流方向推定手段２０とオン（導通）信号発生手段に代えて、回路構成が簡単な電流検出回路１０を用いているので、コトス低減も図れる。
【００５０】
尚、実施の形態２でも、第１の交流電源１ａの停電による異常を検出した場合の電源系統切替え動作について説明したが、この種の電源系統切替装置では、過電圧発生、位相跳躍、周波数異常、各相不平衡等の電源異常の場合にも同様の電源系統の切替動作が要求されるため、停電検出手段８に代わり、過電圧を検出する過電圧検出手段、位相跳躍を検出する位相跳躍検出手段、周波数異常を検出する周波数異常検出手段、各相不平衡を検出する各相不平衡手段等を設けても同様の効果が得られる。
また、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
【００５１】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３による電源系統切替装置の構成を示す図である。
また、図１０は、本発明の実施の形態３による電源系統切替装置の切替動作の手順を示したフローチャートである。
本実施の形態が、図１に示した実施の形態１による電源系統切替装置と異なる点は、電流方向性を有し、互いに電流導通方向が逆となるように接続された２つの半導体スイッチからなる第１の電流切替スイッチ３ａに代わり、図９に示すように、前述の実施の形態２で示した無方向性スイッチ４０ａ（例えば、真空スイッチや機械式スイッチ）で構成された第１の電流切替スイッチ３０ａを適用したことにより、半導体スイッチを適用した実施の形態１の場合に比べて、更に、第１の交流電源１ａによる通常の常時通電時の損失を小さくすることが可能となり、従って、第１の電流切替スイッチ３０ａの冷却がほとんど不要となり、装置の小型化が図れる点である。
【００５２】
次に、図９および図１０に基づいて、本実施の形態による電源系統切替装置の動作を説明する。
第１の交流電源１ａに停電（異常）が発生し（図１０のｓｔｅｐ１）、停電検出手段（異常検出手段）８にによって停電（異常）を検出し（図１０のｓｔｅｐ２）、検出した停電信号（異常検出信号）に基づいて信号切替手段６ａ１がオフ信号を選択し、ゲートドライバ５ａ１が無方向性スイッチ４０ａからゲート信号を除去して（図１０のｓｔｅｐ３）、無方向性スイッチ４０ａがオフできる状態となる。ここまでの動作は、前述した実施の形態２による電源系統切替装置と同様である。
【００５３】
本実施の形態３による電源系統切替装置では、前述の実施の形態１にて説明した電流方向推定手段２０およびオン信号発生手段５０を用いて、実施の形態１の場合と同様に実際にゲート信号が印加される時点での電流方向を推定し（図１０のｓｔｅｐ４）、信号切替手段６ｂ１にオフ信号を信号切替手段６ｂ２にオン信号を与え、この信号切替手段６ｂ１、６ｂ２の出力を受けてゲートドライバ５ｂ１、５ｂ２がゲート信号を半導体スイッチ４ｂ１、４ｂ２に与えることにより、半導体スイッチ４ｂ２がオンする。（図１０のｓｔｅｐ５）
尚、電流方向推定手段２０およびオン信号発生手段５０の具体的構成、動作については、実施の形態１の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００５４】
半導体スイッチ４ｂ２がオンすることにより、第２の交流電源１ｂの電圧が負荷２の電圧よりも高い場合、第２の交流電源１ｂから負荷２に電流が流れ込み、その結果、第１の交流電源１ａから負荷２に流れ込む電流がキャンセルされ、無方向性スイッチ４０ａの遮断（即ち、第１の電流切替スイッチ３０ａの遮断）を早くすることができる。（図１０のｓｔｅｐ６）
その後、第２の電流切替スイッチ３ｂの残り側の半導体スイッチ４ｂ１がオンされ（図１０のｓｔｅｐ７）、第１の交流電源１ａから第２の交流電源１ｂへの電源切替動作が完了する。（図１０のｓｔｅｐ８）
【００５５】
以上述べたように、図９に示した実施の形態３による電源系統切替装置では、電流方向推定手段２０およびオン信号発生手段を用いたことにより、第１の交流電源１ａ第２の交流電源１ｂの短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くして、第２の交流電源１ｂに切替ることができると共に、更に、第１の電流切替スイッチ３０ａに真空スイッチや機械式スイッチのような通電電流よる損失の少ない無方向性スイッチ４０ａを適用したことにより、第１の交流電源１ａによる常時の通電時における第１の電流切替スイッチ３０ａでの損失を小さくすることが可能であるとともに、冷却が不要あるいはその必要性はほとんどなくなり、装置を小型化することができる。
【００５６】
尚、実施の形態３でも、第１の交流電源１ａの停電による異常を検出した場合の電源系統切替え動作について説明したが、この種の電源系統切替装置では、過電圧発生、位相跳躍、周波数異常、各相不平衡等の電源異常の場合にも同様の電源系統の切替動作が要求されるため、停電検出手段８に代わり、過電圧を検出する過電圧検出手段、位相跳躍を検出する位相跳躍検出手段、周波数異常を検出する周波数異常検出手段、各相不平衡を検出する各相不平衡手段等を設けても同様の効果が得られる。
また、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
【００５７】
実施の形態４．
図１１は、実施の形態４による電源系統切替装置の構成を示す図である。
前述した実施の形態１〜３では、第１の交流電源１ａの停電等の異常を停電検出手段（異常検出手段）８にて検出し、この検出信号を受けて第１の交流電源１ａから健全側の第２の交流電源１ｂへ電源系統を切替える場合について説明した。これらに対し、本実施の形態では、図１１に示すように、第１の交流電源１ａの異常を検出する手段（例えば、停電検出手段８）に代わり、手動等により電源系統の切替信号を発生させることのできる電源切替信号発生手段を設けたことを特徴とする。
【００５８】
本実施の形態では、このような構成を採用したことにより、操作者の判断により手動にて随時に、第１の交流電源１ａと負荷２の間に接続された第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ａを構成する電流方向性を有した半導体スイッチ４ａ１、４ａ２のゲート信号を除去し、電流方向推定手段２０によって第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂのゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定し、第２の交流電源１ｂと負荷２の間に接続された第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）３ｂのうち、第１の交流電源１ａから負荷２に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンすることにより、第１の交流電源１ａと第２の交流電源１ｂとの短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源１ａを遮断し、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができる。
【００５９】
尚、図１１は、第１の交流電源１ａの停電等の異常を検出する停電検出手段（異常検出手段）を設けていない場合を示しているが、図１１において、更に 第１の交流電源１ａの異常を検出する検出手段を設けてもよい。
この場合、上述の効果を得る上に、更に、手動による電源系統の切替えと、第１の交流電源１ａの異常検出による自動的な電源切替の両方を可能とする電源系統切替装置を提供することができる。
【００６０】
尚、本実施の形態４でも、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチとしてサイリスタ等の半導体スイッチの場合を示したが、第１の電流切替スイッチ３ａあるいは第２の電流切替スイッチ３ｂを構成する電流方向性スイッチは電流方向性を有するものであれば何でもよく、半導体スイッチに限定されるものではない。
また、第１の電流切替スイッチ３ａは、実施の形態２あるいは３で示したような無方向性スイッチであってもよい。
【００６１】
【発明の効果】
本発明による電源系統切替装置によれば、第１の交流電源と負荷との間に設けられ、上記負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第１の電流切替手段と、導通方向が互いに逆で、かつ、並列に接続された第１および第２の電流方向性を有したスイッチで構成されると共に、第２の交流電源と負荷との間に設けられ、負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第２の電流切替手段と、第１の交流電源から負荷に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、第１の交流電源から第２の交流電源への切替を指令する信号であって、第１の電流切替手段を非導通状態とする電源切替信号を発生する電源切替信号発生手段と、電源切替信号発生手段の出力信号を受けて、電流検出手段の電流検出時点での電流値に基づいて電流傾きを求め、この電流傾きにより第２の電流切替手段が導通する時点での電流値を求め、第２の電流切替手段が導通する時点での第１の交流電源から負荷に流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段と、電流方向推定手段の推定結果に基づいて、第２の電流切替手段を構成する第１および第２の電流方向性を有したスイッチのうち、まず第１の交流電源から負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向のスイッチを導通させ、その後残るスイッチを導通させる導通信号発生手段とを備えたので、電源切替信号の発生に応答して、電流方向推定手段に第２の電流切替手段が実際にゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定させ、その推定結果に基づいて第２の交流電源と負荷の間に接続された第２の電流切替手段のうち、第１の交流電源から負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンさせることにより、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源に切替ることができるという効果がある。
【００６２】
また、本発明による電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、第１の交流電源の異常を検出する電源異常検出手段であり、上記電源異常検出手段の出力信号を電源切替信号として用いるので、常時運転していた第１の交流電源の種々な電源異常の発生に応答して、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができるという効果がある。
【００６３】
また、本発明にによる電源系統切替装置の電源異常検出手段は、第１の交流電源の停電を検出する停電検出手段であることを特徴とするので、常時運転していた第１の交流電源に停電が発生した場合に、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができるという効果がある。
【００６４】
また、本発明にによる電源系統切替装置の電源切替信号発生手段は、手動によって電源切替信号を発生させることを特徴とするので、操作者の判断により電源切替信号を発生させた場合であっても、電流方向推定手段に第２の電流切替手段が実際にゲートをオンする時点での電流方向を正しく推定させ、その推定結果に基づいて第２の交流電源と負荷２の間に接続された第２の電流切替手段のうち、第１の交流電源から負荷２に流れる電流をキャンセルする導通方向の半導体スイッチをまずオンさせることにより、第１の交流電源と第２の交流電源との短絡を避けつつ、高速に第１の交流電源を非導通状態とし、負荷２の電圧低下時間を短くして、健全な第２の交流電源１ｂに切替ることができるという効果がある。
【００６５】
また、本発明による電源系統切替装置の第１の電流切替手段は、通電時電流による損失の少ない無方向性のスイッチであることを特徴とするので、通常時の第１の交流電源から負荷に流れる電流による第１の電流切替スイッチでの損失を小さくすることが可能となり、第１の電流切替スイッチの冷却がほとんど不要となり、装置を小型化することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図２】 電流方向推定手段の一構成例を示す図である。
【図３】 電流検出手段が検出する電流波形を示す図である。
【図４】 実施の形態１による電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】 オン信号発生手段の概略構成例を示す図である。
【図６】 停電発生以降の各部におけるオン／オフのタイミングを示す図である。
【図７】 実施の形態２による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図８】 実施の形態２による電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】 実施の形態３による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図１０】 実施の形態３による電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】 実施の形態４による電源系統切替装置を示す構成図である。
【図１２】 従来の電源系統切替装置を示す構成図である。
【図１３】 従来の電源系統切替装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ａ 第１の交流電源 １ｂ 第２の交流電源 ２ 負荷
３ａ 第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）
３ｂ 第２の電流切替スイッチ（電流切替手段）
４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２ 半導体スイッチ
５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２ ゲートドライバ
６ａ１、６ａ２、６ｂ１、６ｂ２ 信号切替手段
７ 電圧検出手段 ８ 停電検出手段
９ 電流検出手段 １０ 電流方向検出手段
２０ 電流方向推定手段 ２１ 傾き演算手段
２２ 乗算手段 ２３ 加算手段
２４ 推定電流方向判定手段
３０ａ 第１の電流切替スイッチ（電流切替手段）
４０ａ 無方向性スイッチ
５０ オン（導通）信号発生手段
５１ オンタイミング判定手段 ５２ ３ａオフ判定手段
６０ 電源切替信号発生手段
Claims (5)
- 第１の交流電源と負荷との間に設けられ、上記負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第１の電流切替手段と、
導通方向が互いに逆で、かつ、並列に接続された第１および第２の電流方向性を有したスイッチで構成されると共に、第２の交流電源と上記負荷との間に設けられ、上記負荷への電流供給を導通状態あるいは非導通状態にする第２の電流切替手段と、
上記第１の交流電源から上記負荷に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、
上記第１の交流電源から上記第２の交流電源への切替を指令する信号であって、上記第１の電流切替手段を非導通状態とする電源切替信号を発生する電源切替信号発生手段と、
上記電源切替信号発生手段の出力信号を受けて、上記電流検出手段の電流検出時点での電流値に基づいて電流傾きを求め、この電流傾きにより上記第２の電流切替手段が導通する時点での電流値を求め、上記第２の電流切替手段が導通する時点での上記第１の交流電源から上記負荷に流れる電流の電流方向を推定する電流方向推定手段と、
上記電流方向推定手段の推定結果に基づいて、上記第２の電流切替手段を構成する上記第１および第２の電流方向性を有したスイッチのうち、まず上記第１の交流電源から上記負荷に流れる電流をキャンセルする導通方向のスイッチを導通させ、その後残るスイッチを導通させる導通信号発生手段とを備えたことを特徴とする電源系統切替装置。 - 電源切替信号発生手段は、第１の交流電源の異常を検出する電源異常検出手段であり、上記電源異常検出手段の出力信号を電源切替信号として用いることを特徴とする請求項１に記載の電源系統切替装置。
- 電源異常検出手段は、第１の交流電源の停電を検出する停電検出手段であることを特徴とする請求項２に記載の電源系統切替装置。
- 電源切替信号発生手段は、手動によって電源切替信号を発生させることを特徴とする請求項１に記載の電源系統切替装置。
- 第１の電流切替手段は、無方向性のスイッチであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源系統切替装置。
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