JP5165797B2 - 電圧低下装置の過負荷防止 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー効率の目的で負荷へのＡＣ電源供給の電圧を低下させるシステムに関する。負荷に印加される電圧を低下させるとその負荷で消費される電力が減少することが認識される。本システムは、変圧器を組み込む。しかし、家庭または小規模の商業用途では、システム全体で低コストベースを維持しながらエネルギー効率の増大を達成するために、そのような変圧器のコストを最小に抑えることが望ましい。

家庭または小規模の商業施設の平均負荷またはベース負荷は通例非常に低いが、短期間に高レベルの電流が負荷で消費されるとピーク負荷が発生しやすいことが知られている。そのような用途では、施設の平均負荷またはベース負荷を定格とする連続負荷能力を有する変圧器を使用することが望ましいが、そうすると、変圧器が、変圧器の破壊を引き起こし得るほどの変圧器巻線の過度の過熱を伴わずに過負荷条件下で温度定格内で動作できるのは非常に短い期間になる。

ＥＰ１９１３４５４

加えて、施設内の負荷が変圧器の連続定格と短時間定格の両方を超える場合も考えられ、そのような状況で、なお低コストの変圧器を使用するために、本発明の目的は、変圧器を迂回して過熱を回避することができるシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、迂回が失敗した場合に変圧器の破壊および潜在的な火災の危険性を防止するフェールセーフ手段を備えたシステムを提供することである。
本発明によれば、エネルギー効率の目的で負荷へのＡＣ電源供給の電圧を低下させるシステムが提供され、このシステムは、
ａ）ＡＣ電源供給と負荷との間にある、一次巻線および二次巻線を有する回路内の変圧器と、
ｂ）変圧器の所定の過負荷が発生した場合に、変圧器を回路から除外し、電源供給を直接負荷に接続するバイパス手段と、
を備え、
ｃ）バイパス手段は、
ｉ）電源供給を直接負荷につなぐバイパススイッチ、
ｉｉ）変圧器の温度を判定する手段、
ｉｉｉ）負荷を通る電流を測定する手段、
ｉｖ）温度判定手段および電流測定手段から信号を受信し、温度および電流のいずれか１つの所定の最大レベルにおいてバイパススイッチを作動させる制御手段、
を備えることを特徴し、システムは、
ｄ）所定の最大レベルのいずれか１つにおいてバイパススイッチが作動しない場合に変圧器の二次巻線を通る電流を遮断するフェールセーフ手段
をさらに備え、フェールセーフ手段は、
ｉ）変圧器の二次巻線に接続され、所定期間後に変圧器が所定の上昇温度になると電源供給との変圧器の二次巻線の接続を遮断するように適合されたサーマルトリップ装置と、
ｉｉ）電源供給およびサーマルトリップ装置と直列接続され、サーマルトリップ装置の最大電流定格未満の所定の上昇電流レベルになると、電源供給との変圧器の二次巻線の接続を遮断するように適合されたヒューズと
を備える。

電源供給は、変圧器の二次巻線に接続することができる。

ヒューズは、ヒューズの最大電流定格未満の電流レベルにおいて制御手段を介してバイパススイッチを作動させるように適合された連続電流測定手段で、誤遮断が防止されることが可能である。したがって、ヒューズは負荷の最大許可電流よりも低い定格を有するが、システムが適正に動作した場合は、ピーク電流時にはバイパススイッチの正常な作動によってヒューズが負荷から分離される。ヒューズはそのような低い定格を有することにより、二次巻線の高温度上昇が持続した場合にのみトリップするように定格が設定されたサーマルトリップ装置を保護し、高温度は、トリップ装置の最大電流定格を超えても常に達するとは限らない。それでも、この構成により、バイパススイッチが作動しなかった場合に、持続すると二次巻線の温度を上昇させてサーマルトリップ装置のトリップ温度を上回らせる電流負荷より高い定格を持つヒューズを用いることが可能になる。したがって、サーマルトリップ装置とヒューズが相互と連携して機能して、バイパススイッチが作動しない場合に二次巻線を保護する。

本明細書で使用する用語「ヒューズ」は、抵抗ヒューズと同じ特性または同様の特性を有する任意の回路遮断器、すなわち、高過負荷電流時に迅速に作動する、または低過負荷電流が持続した後に作動する回路遮断器を包含する。

電源供給と負荷との間に電源ヒューズを接続することができ、変圧器が迂回される時に負荷を保護するように適合することができる。

電源供給と変圧器の一次巻線との間に電力変換器を接続することができる。

次いで添付図面を参照して本発明の一実施形態を例として説明する。

単純な従来の変圧器保護装置の回路図である。 改良型であるがなお従来の変圧器保護装置の回路図である。 電圧調整のための変圧器の使用を示す回路図である。 温度制御を取り入れた改良型の変圧器保護装置の回路図である。 図４に関連するさらに改良された装置の回路図である。 変圧器の温度特性を示すグラフである。 所与の例に関連する、ヒューズによる保護を含む変圧器の温度特性を示す、図６と同様のグラフである。 別の所与の例に関連する図７と同様のグラフである。 変圧器の熱防護を提供する装置の回路図である。 そのような熱防護の制約を示すグラフである。 本発明の実施形態を組み込んだ、電源と負荷との間にある回路内の電圧調整用変圧器の回路図である。 図１１の回路における変圧器保護の特性を説明する図である。 図１１の回路の複合的な変圧器保護を示すグラフである。

ＡＣ電力システムで電圧の大きさを変えるために使用する変圧器は、通常、その連続電力定格内で選択および稼動させて、変圧器が過熱し、故障して、可能性としては火災の危険性を引き起こさないようにする。そのような設置では、回路は通常、図１の１０に示すようにヒューズで過大電流および短絡から保護される。

場合によっては、連続定格を超えて動作するものの動作プロファイルおよび環境条件が既知の回路で変圧器が使用される。連続定格を超えた動作時には、変圧器が加熱し、加熱し続けることが認識される。そのような場合は熱平衡を達成することはできないが、温度が原因で変圧器が故障する点まで過負荷が時間的に持続しなければ、変圧器は故障しない。そのような場合、変圧器の保護は、熱過負荷特性および短絡特性を有する回路遮断器またはヒューズを用いて行われる。回路遮断器またはヒューズの特性は、変圧器の温度限界を超える前の電力遮断を保証しなければならない。

変圧器の動作プロファイルまたは環境条件を定義および保証することができない場合には、追加的な熱防護をなさずに連続定格を超えて変圧器を稼動させることはできない。小型の変圧器では、この追加的な熱防護は、しばしば、変圧器の一次巻線、通常は電流が低い側の巻線と直列接続された単純なバイメタルのサーマルカットアウト（ＴＣＯ）トリップ装置として実装される。より大型の高電流変圧器では、この追加的な熱防護は、電源中に配置された回路遮断器を遠隔から作動させる温度モニタを使用することによって実現することができる。そのような構成を図２に示し、サーマルカットアウトトリップ装置が１１に示され、変圧器の一次巻線への回路内にヒューズ１０と直列に配置される。この場合、サーマルカットアウトの温度がトリップ温度に達すると、ＴＣＯは変圧器の一次巻線への電力を遮断する。

エネルギー効率のために負荷へのＡＣ電源供給の電圧を低下させるシステムでは、図３に示すように、変圧器は、逆位相電圧の生成に使用され、また回路内の単純な電圧調整のために電力変換器と併せて使用される。この回路では、ＡＣ電源Ｖ_INから負荷に供給される電流は、変圧器の二次巻線Ｖ_Sを通じて負荷に提供される。電力変換器１２は、回路内で一次巻線Ｖ_Pに接続される。一次巻線にかかる電圧Ｖ_Pに比例する電圧が二次巻線Ｖ_Sで発生し、Ｖ_Sで発生する電圧は供給電圧に対して逆位相であることが分かっており、したがって供給電圧から減算される。したがって、電気負荷は、供給電圧Ｖ_INから二次電圧Ｖ_Sの大きさを引いた電圧に等しい電圧Ｖ_Lを受け取る。これについて以下の例でさらに説明する。

２５０ボルト（Ｖｏｌｔ）の供給電圧および１０：１比の変圧器を仮定すると、二次巻線の電圧Ｖ_Sは２５ボルトになる。電力変換器を使用して、一次巻線に供給される電圧を０ボルトから２５０ボルトまで変動させることができる。この回路の利点は、電力変換器および変圧器の電力定格を負荷の電力定格よりもはるかに低くできることである。実際の電力定格は変圧器の巻数比によって設定され、すなわち、１０：１比の場合、電力変換器および変圧器の電力定格は１０％であればよい。図３に示す回路では、過負荷および短絡からの防護は、ヒューズＦ₁で達成される。

図３に示すような電圧調整回路は、エネルギー効率のために家庭内で用いることができる。そのような施設の負荷プロファイルは、長期間にわたる非常に低い負荷を示し、短時間の高ピーク負荷が発生する事例は頻繁でない。そのような場合、達するピーク負荷は、施設の平均負荷よりもはるかに高い。そのような回路の定格を施設内の平均負荷に設定し、高電力スパイク時に短期間過負荷条件下で動作できるようにすることが提案される。そのような回路は、回路の温度限界に達した場合に電気に電圧調整回路を迂回させる、温度で制御されるバイパス装置を含むことができる。そのようなシステムが特許文献１に記載される。

図４で、回路は、温度で制御されるバイパススイッチＳを含む。この回路では、電力変換器１２および変圧器１３は、システムに予想される平均負荷を定格とする。温度センサ１４が提供され、変圧器の温度を継続的または間欠的に測定する。センサ１４から電子制御装置１５に信号が供給され、電子制御装置１５は、ある温度に達するとスイッチＳを閉じる信号を出力し、したがって、ヒューズＦ₁を介して負荷を直接電源に接続する。

図４に示すシステムは、ある期間にわたって持続する過度の高温から変圧器を保護するが、バイパススイッチＳまたは他の遠隔操作されるサーマルトリップ装置が故障する恐れもあり、その場合には変圧器は保護されず、故障して火災の危険性を呈し得る温度に達する可能性がある。国家または国際法令ではそのような危険性は許容できないと判断する場合もある。

このシステムでは、ヒューズＦ₁は、施設に予想される可能な最大ピーク負荷を定格としなければならないため、電力変換器および変圧器の十分な保護を提供しない。

次いで図５を参照すると、変圧器への電源供給と直列に追加的なヒューズＦ₂を配置することができ、ヒューズＦ₂は、ヒューズＦ₁より低い電流定格を有する。実際、ヒューズＦ₂は、変圧器の連続定格と等しいトリップ定格を有するように選択することができ、変圧器を通じた負荷への電流を遮断するために二次巻線と直列に配置しなければならない。一次巻線と直列に配置されたヒューズでは、二次巻線を通じた電流を遮断しない。しかし、変圧器の特性は負荷条件に応じて変化するため、変圧器の特性と一致するヒューズを選択することはできない。典型的な変圧器の温度特性を図６に示し、１０アンペアにおける変圧器の連続定格は無期限に維持することができるが、関係する期間後は、一定の電流を超える領域内では変圧器が迂回される。これは以下の例で最もよく説明される。

２０℃の周辺温度を仮定すると、最大負荷時の定常状態温度が６０℃の変圧器は、過負荷状態で１００℃の最大動作温度を有することができる。この変圧器が数時間にわたり無負荷で動作した場合、変圧器の温度は周辺温度、すなわち２０℃になる。次いで変圧器の連続定格の２倍の負荷がかかると仮定すると、変圧器は、その熱質量で決まる率で加熱する。変圧器の温度が８０℃上昇して１００℃になるまで変圧器がこの過負荷条件で動作することが望まれる。正常動作時には、図４の制御電子機器１５が１００℃の温度を検知し、バイパススイッチＳを閉じて、変圧器への負荷を消失させ、変圧器を冷却させる。バイパススイッチＳが作動しない場合は、ヒューズＦ₂が連続過負荷状態から変圧器を保護する。これを図７に示し、変圧器の温度限界を超える前に過負荷を解消するためにヒューズＦ₂が選択される。例えば、ヒューズＦ₂は、０．１秒後に３０アンペアで、または１００秒後に２０アンペアで溶断する。

別の例では、変圧器は、数時間にわたり最大連続負荷で動作している可能性があり、変圧器の温度は６０℃に達している。その後変圧器の連続定格の２倍の負荷がかかった場合、変圧器はその熱質量で決まる率で加熱し、この場合は変圧器の温度が４０℃上昇して１００℃になるまで過負荷条件で動作することになる。正常動作時には、制御電子機器１５が１００℃の温度を検知し、バイパススイッチＳを閉じ、この場合もスイッチが閉じられると変圧器の負荷が除去され、変圧器は冷却することができる。ただし、この場合は、初期温度が２０℃の周辺温度ではなく６０℃とより高いため、変圧器は前例の半分の時間で１００℃に達している。

この条件を図８に示し、ここでは、ヒューズＦ₂が電源供給を遮断しない期間が１００秒を超え、そのため、より速い動作特性を有するヒューズが必要とされる。この例は、単純なヒューズでは変圧器の熱防護が得られないことを示す。

次いで図９を参照すると、変圧器を保護する代替法として、直接接続されたサーマルトリップ装置１６（ＴＣＯ）を変圧器の二次巻線と直列に接続することができ、変圧器が事前設定された温度を超えると電流を遮断する。事前設定される温度は、バイパススイッチＳの正常温度制御よりも高いが安全限界内にある温度に設定することができる。

図２との関連で先述したように、変圧器は一般に、サーマルトリップ装置（ＴＣＯ）の形態の熱防護を用い、ＴＣＯは、通常一次巻線を含む回路内に配置される。巻数比１０：１の変圧器の場合、一次電流は二次電流の１０分の１である。図３に示す回路では、電圧調整のために、一次巻線でＴＣＯを用いることができない。これは、その場合には、過大な温度が発生してＴＣＯが電源供給を遮断しようとすると、電流が電源から二次巻線を通じて負荷に流れ続けることになるためである。これは２つの問題を呈し、すなわち、二次巻線が過熱し続けて故障し、また、二次巻線中の電流が開回路の一次巻線に電流を誘導しようとし、その結果、非常に高い電圧が一次巻線に誘起され、巻線の絶縁の破損を引き起こす。

この解決法の１つは、図９に示すように二次巻線を含む回路内にサーマルトリップ装置１６を接続して、ＴＣＯで負荷電流を遮断して変圧器を冷却させるものである。

しかし、ＴＣＯに伴う問題は、精密で高費用のアークシュートまたはリモートトリップ素子を取り入れずにトリップ時に対処できる電流の容量が限られていることである。ＴＣＯは一般には電流が低い方の一次巻線に配置されるため通常は問題とならないが、ＴＣＯを高電流の二次巻線に接続しなければならない回路では大きな問題となる。

単純なバイメタル片で作製された直動式のＴＣＯは、最高で４５アンペア前後の定格まで容易に利用することができる。しかし、この定格を超えると、複雑なアークシュートまたは遠隔操作される接触器を伴う、より精密な熱防護手段が必要になるが、これは実用目的には煩雑で高費用であり、さらなる故障の可能性を回路にもたらす可能性がある。

上記のように、負荷およびサーマルトリップ１６を含む完全な回路はヒューズＦ₁で保護される。家庭内の電圧調整の用途では、Ｆ₁の特性は、ＴＣＯの能力よりもはるかに高い正常電流および過負荷電流を許すことができる。ＴＣＯがその定格を超える電流レベルで動作することを試みた場合、ＴＣＯは開くことができず、したがって変圧器を過熱させる可能性がある。ヒューズＦ₁の定格を、ＴＣＯを保護するレベルまで下げた場合には、ピーク負荷電流がヒューズの「有害（ｎｕｉｓａｎｃｅ）」トリップを引き起こす可能性がある。図１０は、ＴＣＯの電流能力の制約を示す。ＴＣＯは、１０秒間の連続期間にわたり４５アンペア前後で適切に動作するが、電流が上昇し続けるとその接点が融着してしまう可能性があるため、動作しない可能性がある。

本発明によれば、ヒューズ、バイパススイッチ、およびサーマルカットアウト装置の使用に関わる上述の問題の解決法は、図１１の回路に示すように、回路が各保護機能の利点を利用し、個々の回路コンポーネントの好ましくなく可能性としては偽のトリップ特性を回避するような形で保護機能の組み合わせを提供するものである。この場合、回路は、変圧器の二次巻線を含む回路内のヒューズＦ₂およびＴＣＯ１６と、共に作用してバイパススイッチＳを作動させる温度センサ１４および制御電子機器１５と、電源の電流を測定し、後述する目的のために制御電子機器１５にも接続された電流測定センサ１７と、そして、バイパススイッチＳが閉じた場合に負荷を保護するヒューズＦ₁とを伴う。

図１２は、図１１の回路の複合的な変圧器保護特性を示す。図１２の範囲１では、変圧器は、負荷レベルによって変圧器内で持続可能かつ制限された温度上昇が生じる連続動作能力の範囲内で動作する。範囲２ａは、制限された期間にわたり許容できる変圧器の過負荷領域を表し、この領域は、温度で制御されるバイパススイッチＳの効果を境界とする。そのため、ある温度である期間の後、温度センサ１４が制御電子機器１５に信号を送信してスイッチＳを閉じ、したがって、電源を直接負荷に接続することによって電力変換器および変圧器を迂回させる。したがって変圧器が冷却することができる。

何らかの理由でスイッチＳが閉じない場合、変圧器は、図２で２ｂと表記する範囲、すなわち同じ時間制限についてのより高い温度である期間にわたり安全に動作することができ、その後ＴＣＯ１６がトリップして変圧器を保護する。ＴＣＯサーマルトリップは、維持可能な最大電流定格を有し、それを上回るとヒューズＦ₂が電源供給を遮断して、この場合も変圧器を保護する。しかし、ヒューズＦ₂は、ＴＣＯ１６の最大電流定格を下回るレベルで電源供給を遮断するように設定される。正常動作時には、変圧器がそのサーマルトリップレベルに達する前に非常に大きな電流サージが発生してヒューズＦ₂を溶断する可能性がある。ヒューズＦ₂のそのような「有害」動作を防止するために、第２のバイパス制御が実装される。これは、電流で起動されるバイパス制御であり、ヒューズＦ₂の最大定格を下回る電流レベルでスイッチＳを閉じるように動作する制御電子機器１５に接続された電流センサ１７を含む。

ヒューズＦ₁は、変圧器の迂回条件下ではスイッチＳを閉じて負荷を保護する。

図１３は、図１１の回路の効果を示し、効果は次のように表すことができる。

＜正常動作範囲＞
領域Ａでは、過熱することなく変圧器の連続動作能力が達成される。領域Ｂは過負荷領域であり、この領域は、バイパススイッチＳの温度制御、またはスイッチＳを作動させる電流読み取りセンサ１７によって達成される電流制限制御の動作を境界とする。

＜異常動作範囲＞
領域Ｃでは、バイパススイッチＳが故障した場合には変圧器はこの領域内で安全に動作することができ、ヒューズＦ₂の動作または直列接続されたＴＣＯ１６のトリップによって緩和することができる。

＜許容できない動作範囲＞
領域Ｄでは、変圧器は過熱し、この領域では動作することができず、直列接続されたＴＣＯ１６を作動させることによって変圧器が保護される。

領域Ｅでは、変圧器はこの領域では動作することができず、ヒューズＦ₂で保護される。

領域Ｆでは、電流レベルがＴＣＯ１６の定格を上回り、したがってＴＣＯ１６は信頼できず、変圧器は、ヒューズＦ₂が溶断する結果この領域では動作することができない。

領域Ｇでは、変圧器は過熱し、ヒューズＦ₂の溶断によって動作が阻止される。

このように、図１１の回路は、主としてバイパススイッチＳの作動により、しかし、ＴＣＯ１６およびヒューズＦ₂それぞれの適切な定格でのフェールセーフ動作と、１７における電流測定によって変圧器の全体的な保護を提供する。

Claims (5)

1. エネルギー効率の目的で負荷へのＡＣ電源供給の電圧を低下させるシステムであって、
   ａ）ＡＣ電源供給と前記負荷との間にある、一次巻線および二次巻線を有する回路内の変圧器と、
   ｂ）前記変圧器の所定の過負荷が発生した場合に前記変圧器を回路から除外し、前記電源供給を直接前記負荷に接続するバイパス手段と、
   を具え、
   ｃ）前記バイパス手段は、
   ｉ）電源供給を直接前記負荷につなぐバイパススイッチ、
   ｉｉ）前記変圧器の温度を判定する手段、
   ｉｉｉ）前記負荷を通る電流を測定する手段、
   ｉｖ）前記温度判定手段および前記電流測定手段から信号を受信し、前記温度および電流のいずれか１つの所定の最大レベルにおいて前記バイパススイッチを作動させる制御手段、
   を具え、前記システムは、
   ｄ）前記所定の最大レベルのいずれか１つにおいて前記バイパススイッチが作動しない場合に前記変圧器の前記二次巻線を通る電流を遮断するフェールセーフ手段
   をさらに具え、前記フェールセーフ手段は、
   ｉ）前記変圧器の前記二次巻線に接続され、所定期間後に前記変圧器が所定の上昇温度になると前記電源供給との前記変圧器の前記二次巻線の接続を遮断するように適合されたサーマルトリップ装置と、
   ｉｉ）前記電源供給および前記サーマルトリップ装置と直列接続され、前記サーマルトリップ装置の最大電流定格未満の所定の上昇電流レベルになると、前記電源供給との前記変圧器の前記二次巻線の接続を遮断するように適合されたヒューズと
   を具えたことを特徴とするシステム。
2. 前記電源供給は、前記変圧器の前記二次巻線に接続されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記ヒューズは、前記ヒューズの最大電流定格未満の電流レベルにおいて前記制御手段を介して前記バイパススイッチを作動させるように適合された連続電流測定手段で誤遮断が防止されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記電源供給と前記負荷との間に接続され、前記変圧器が迂回される時に前記負荷を保護するように適合された電源ヒューズを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記電源供給と前記変圧器の前記一次巻線との間に接続された電力変換器を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。

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