JP5793019B2 - 消弧装置および開閉器 - Google Patents
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Description
このような構成の従来技術では、直流電源54から負荷55に電流を供給する場合には、電気接点52と補助接点53の双方を閉じ、IGBT51はオフとする。一方、負荷55に対する電流の供給を遮断する場合には、まずIGBT51をオンとし、引き続いて電気接点52を開く。このとき、電気接点52に流れていた電流は、電気接点52が開くと同時にIGBT51側に転流する。その後、IGBT51をオフにすることで、IGBT51に流れていた電流も遮断される。
このため、電気接点52側には、アークを消弧するための付加的な構成が不要となり、電気接点52は通常の容量を考慮して設計できる。さらに、分流回路を構成するIGBT51などの半導体スイッチ素子は、電流の遮断に必要な短時間だけの通電で良く、温度上昇がないという利点がある。
本発明は、機械式のスイッチが開動作するときに前記スイッチに発生するアークを消去する消弧装置であって、前記スイッチに並列に半導体スイッチ素子を接続し、前記半導体スイッチ素子の制御端子に前記スイッチで発生するアーク電圧を印加するとともに、前記スイッチは、第1の電気接点と第2の電気接点とを直列に接続する直列回路を備え、前記半導体スイッチ素子は、前記直列回路に並列に接続し、前記半導体スイッチ素子の制御端子は、前記第1の電気接点と前記第2の電気接点の共通接続部に接続するようにした。
また、本発明は、機械式のスイッチが開動作するときに前記スイッチに発生するアークを消去する消弧装置であって、前記スイッチに並列に半導体スイッチ素子を接続し、前記半導体スイッチ素子の制御端子に前記スイッチで発生するアーク電圧を印加するとともに、前記スイッチは、第1の固定接点と、第2の固定接点と、前記第1の固定接点および前記第2の固定接点との接続を行う可動接点とを備え、前記半導体スイッチ素子は、前記スイッチに並列に接続し、前記半導体スイッチ素子の制御端子は、前記可動接点に接続するようにした。
(第1実施形態の構成)
図1は、本発明の消弧装置を配線用遮断器に適用した第1実施形態の外観を示す平面図である。
この第1実施形態に係る配線用遮断器(回路遮断器)は、図1に示すように、2極型の配線用遮断器1と、消弧装置4とを備えている。
電気接点21の両端は、図2に示すように、端子11と端子12に接続されている。また、電気接点22の両端は、端子13と端子14とに接続されている。さらに、図1に示すように、端子12と端子13とは外部で電気的に接続されている。
消弧装置4は、電気接点21と電気接点22が開動作のときに発生するアークを、その開動作に同期(連動)して消去するものである。このため、消弧装置4は、図2に示すように、半導体スイッチ素子であるIGBT40と、抵抗41、42と、過電圧抑制素子(バリスタ)43と、コンデンサ44と、を備えている。
抵抗41、42は直列に接続され、この直列回路が電気接点22に並列に接続され、電気接点22に発生するアーク電圧を分圧する分圧回路45を形成する。分圧回路45の分圧端子は、IGBT40の制御端子であるゲート端子に接続される。
IGBT40のゲート端子とエミッタ端子との間には、ゲート端子を過電圧から抑制する過電圧抑制素子43が接続されている。また、IGBT40のゲート端子とエミッタ端子との間には、ゲート端子の電圧を保持するコンデンサ44が接続されている。
次に、第1実施形態の動作例について、図3〜図6を参照して説明する。
図3は、第1実施形態の回路が通電状態のときの図であり、端子11は図示しない電源に接続され、端子14には図示しない負荷が接続される。
このときには、配線用遮断器1の電気接点21、22はいずれも閉じた状態になり、主回路の電流aは、電気接点21、22を通過して流れる。電気接点22の両端子間に発生する電圧はほぼ0〔V〕であるので、IGBT40のゲート電圧も0〔V〕になる。このため、IGBT40はオフ状態になる。
このときには、配線用遮断器1の電気接点21、22はいずれも開いた状態になり、電気接点21、22の双方に図4に示すようなアークが発生する。このアークの発生により、端子11と端子12との間、および端子13と端子14との間にはアーク電圧がそれぞれ発生する。
なお、コンデンサ44は、IGBT40のゲートとエミッタ間の寄生容量を用いるようにしても良い。この場合には、コンデンサ44は不要になる。
IGBT40がオン状態に切り換わると、図5に示すように、配線用遮断器1に流れていた主回路の電流aは、IGBT40側の回路に切り換わる。この転流動作により、配線用遮断器1の電気接点21、22にそれぞれ発生していたアークはいずれも消滅する。すると、IGBT40のゲートに印加されていたアーク電圧は消滅する。これに伴い、コンデンサ44に充電されていた電荷は、抵抗42を介して放電される。
コンデンサ44の充電電荷の放電が進み、IGBT40のゲートの印加電圧が低下していくと、IGBT40はオンの状態からオフの状態に切り換わる。これにより、図6に示すように、主回路の電流aの転流動作が終了し、主回路の電流aも完全に遮断される。
IGBT40による遮断の完了後に、配線用遮断器1の端子11よりも電源側に配置される補助接点(図示せず)を開くことにより、電気的な断路を行い、端子14に接続される負荷(図示せず)と電源を完全に切り離すことができる。
また、その時定数は、IGBT40をオンしたのちオフにするまでの時間(時間間隔)を制御することになるので、例えばmsオーダーの時定数を選定することにより消弧装置4における電流減衰時間を制御できる。これにより、遮断直後のサージ電圧を抑制するなどの制御も可能となる。
このため、第1実施形態によれば、電気接点21、22を開くときに、この開動作に同期してIGBT40をオンし、その後にオフする特別な制御回路などが不要になるので、極めて簡易な回路により電気接点に発生するアークを消去できる。
図7は、本発明の消弧装置を電磁接触器に適用した第2実施形態の断面を示す断面図である。
この第2実施形態に係る電磁接触器(開閉器)は、図7に示すように、1極あたり2箇所の接点(2接点)を有する電磁接触器3と、消弧装置4とを備えている。
電磁接触器3は、図7に示すように、機械式のスイッチを構成する電気接点30と、端子31、32と、電気接点30の開閉動作を行う電磁石33とを備え、これらがフレームに一体に組み込まれている。
電磁石33は、図7に示すように、固定鉄心332と、可動鉄心334と、固定鉄心332に巻回されるコイル336とを備え、コイル336に電流を流すことにより可動鉄心334が可動できるようになっている。また、可動鉄心334には可動接点303が接続されている。このため、電磁石33の励磁により、可動接点303は固定接点301、302と接続でき、励磁を解くことにより可動接点303は固定接点301、302から離れることができる。
IGBT40は、電気接点30に並列に接続されている。すなわち、IGBT40のコレクタ端子は端子31に接続され、IGBT40のエミッタ端子は端子32に接続されている。
IGBT40のゲート端子とエミッタ端子との間には、ゲート端子を過電圧から抑制する過電圧抑制素子43が接続されている。また、IGBT40のゲート端子とエミッタ端子との間には、ゲート端子の電圧を保持するコンデンサ44が接続されている。
次に、第2実施形態の動作例について、図9〜図12を参照して説明する。
図9は、第2実施形態の回路が通電状態のときの図であり、端子31は図示しない電源に接続され、端子32には図示しない負荷が接続される。
このときには、電磁接触器3の電気接点30は閉じた状態になり、主回路の電流aは、電気接点30を通過して流れる。電気接点30の可動接点303と固定接点302との間に発生する電圧はほぼ0〔V〕であるので、IGBT40のゲート電圧も0〔V〕になる。このため、IGBT40はオフ状態になる。
このときには、電磁接触器3の電気接点30は開いた状態になり、電気接点30の2つの接点に図10に示すようなアークが発生する。このアークの発生により、固定接点301と可動接点303との間、および可動接点303と固定接点302との間には、アーク電圧がそれぞれ発生する。
図11は、第2実施形態の回路において、主回路に流れる電流aがIGBT40側に転流したときの図である。
コンデンサ44の充電電荷の放電が進み、IGBT40のゲートの印加電圧が低下していくと、IGBT40はオンの状態からオフの状態に切り換わる。これにより、図12に示すように、主回路の電流aの転流動作が終了し、主回路の電流aも完全に遮断される。
IGBT40による遮断の完了後に、電磁接触器3の端子31よりも電源側に配置される補助接点(図示せず)を開くことにより、電気的な断路を行い、端子32に接続される負荷(図示せず)と電源を完全に切り離すことができる。
また、その時定数は、IGBT40をオンしたのちオフにするまでの時間(時間間隔)を制御することになるので、例えばmsオーダーの時定数を選定することにより消弧装置4における電流減衰時間を制御できる。これにより、遮断直後のサージ電圧を抑制するなどの制御も可能となる。
(1)上記の実施形態では、消弧装置4の半導体スイッチ素子としてIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を使用するようにしたが、バイポーラトランジスタ、MOS−FETなどを使用するようにしても良い。
(2)上記の実施形態では、配線用遮断器や電磁接触器に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、機械式または接触式のスイッチが2つ直列接続される開閉器またはこれと同等の開閉器において、そのスイッチを開動作する場合に発生するアークの消去が必要な場合に適用することができる。
Claims (5)
- 機械式のスイッチが開動作するときに前記スイッチに発生するアークを消去する消弧装置であって、
前記スイッチに並列に半導体スイッチ素子を接続し、
前記半導体スイッチ素子の制御端子に前記スイッチで発生するアーク電圧を印加するとともに、
前記スイッチは、第1の電気接点と第2の電気接点とを直列に接続する直列回路を備え、
前記半導体スイッチ素子は、前記直列回路に並列に接続し、前記半導体スイッチ素子の制御端子は、前記第1の電気接点と前記第2の電気接点の共通接続部に接続することを特徴とする消弧装置。 - 機械式のスイッチが開動作するときに前記スイッチに発生するアークを消去する消弧装置であって、
前記スイッチに並列に半導体スイッチ素子を接続し、
前記半導体スイッチ素子の制御端子に前記スイッチで発生するアーク電圧を印加するとともに、
前記スイッチは、第1の固定接点と、第2の固定接点と、前記第1の固定接点および前記第2の固定接点との接続を行う可動接点とを備え、前記半導体スイッチ素子は、前記スイッチに並列に接続し、前記半導体スイッチ素子の制御端子は、前記可動接点に接続することを特徴とする消弧装置。 - 前記半導体スイッチ素子の制御端子の電圧を保持するコンデンサを、さらに備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の消弧装置。
- 前記コンデンサの電荷を放電する抵抗を、さらに備えたことを特徴とする請求項3に記載の消弧装置。
- 請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の消弧装置を備えることを特徴とする開閉器。
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