JP5793019B2

JP5793019B2 - 消弧装置および開閉器

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Publication number: JP5793019B2
Application number: JP2011179302A
Authority: JP
Inventors: 恩地　俊行; 俊行恩地; 芳准山内; 磯崎　優; 優磯崎
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: JP2013041782A

Description

本発明は、機械式のスイッチに発生するアークを消去する消弧装置、およびこの消弧装置を備える配線用遮断器、漏電遮断器、電磁接触器などの開閉器に関する。

従来、回路を開閉するための技術として、例えば図１３に示すような従来技術が知られている。この従来技術は、図示のように、直列に接続される機械式の電気接点５２と補助接点５３を介して直流電源５４が負荷５５に接続され、電気接点５２に並列にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）５１が接続されている。
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。

このように、図１３に示す従来技術では、電気接点５２に並列に接続されるＩＧＢＴ５１を含む分流回路を有するので、電気接点５２側を流れる電流がＩＧＢＴ５１側へ速やかに転流し、電気接点５２にアークが発生することがない。
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。

ところで、図１３に示す従来技術に類似する技術として、例えば、特許文献１に示す機械式スイッチの接点間のアークの消去装置が知られている。この消去装置は、機械式スイッチ、この機械式スイッチに発生するアークを消去するために機械式スイッチに並列に接続された半導体スイッチ、半導体スイッチをオンオフ制御する制御回路などを備えている。

特開平８−１０６８３９号公報

しかし、図１３に示す従来技術では、ＩＧＢＴ５１などの半導体スイッチ素子の動作を制御する制御回路が必要になる上に、半導体スイッチ素子のオンオフ動作に同期して電気接点５２をオンオフ動作させるための構造が必要になる。また、特許文献１に記載の消去装置は、図１３に示す従来技術と同様に、半導体スイッチ素子をオンオフ制御する制御回路を設ける必要がある。

そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、アークを消去するために半導体スイッチ素子の動作に必要な回路構成の簡素化を図ることができる消弧装置などを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような構成からなる。
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。

また、本発明では、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、さらに備えている。

また、本発明では、前記コンデンサの電荷を放電する抵抗を、さらに備えている。

このような構成の本発明では、機械式のスイッチを開くときに、この開動作に同期して半導体スイッチ素子を動作させることが可能となり、特別な制御回路などが不要となって、回路構成の簡素化を図ることができる。

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。第１実施形態の回路構成を示す回路図である。第１実施形態の回路において通電状態のときの図である。第１実施形態の回路において電気接点が開いた初期のときの図である。第１実施形態の回路において主回路の電流が半導体スイッチ素子側に転流したときの図である。第１実施形態の回路において遮断完了時の図である。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。第２実施形態の回路構成を示す回路図である。第２実施形態の回路において通電状態のときの図である。第２実施形態の回路において電気接点が開いた初期のときの図である。第２実施形態の回路において主回路の電流が半導体スイッチ素子側に転流したときの図である。第２実施形態の回路において遮断完了時の図である。従来技術を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（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。

配線用遮断器１は、図１に示すように外部での接続を行う端子１１〜１４を備えるとともに、図２に示す機械式（接触式）のスイッチを構成する２つの電気接点２１、２２が内部に設けられている。電気接点２１、２２は、手動レバーの操作により同時に閉動作（オン動作）と開動作（オフ動作）とができるようになっている。
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。

このような電気的な接続により、図２に示すように、電気接点２１と電気接点２２とは直列に接続されて機械的なスイッチを構成し、電気接点２１の一端が端子１１に接続され、電気的接点２２の一端が端子１４に接続されている。ここで、図１における矢印は、図２に示す接続時において電流が流れる向きを示している。
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。

ＩＧＢＴ４０は、電気接点２１、２２が直列接続される直列回路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１１に接続され、ＩＧＢＴ４０のエミッタ端子は端子１４に接続されている。
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。

（第１実施形態の動作）
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。

図４は、第１実施形態の回路において、電気接点２１、２２のいずれもが閉じた状態から開いた状態に変化した初期のときの図である。
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。

アーク電圧は、電気接点２１、２２の接点材料と電極間のギャップにより決まる。電極間のギャップを例えば３〔ｍｍ〕程度とすると、アーク電圧は接点材料にほぼ依存した特性となる。この場合、アーク電圧は遮断電流値に依存せず、ほぼ３０〔Ｖ〕程度の電圧が発生する。したがって、端子１１と端子１２との間、および端子１３と端子１４との間に発生するアーク電圧は、それぞれ３０〔Ｖ〕程度になる。

ここで、分圧回路４５の抵抗４１、４２の抵抗値を同一の値にすると、ＩＧＢＴ４０のゲート電圧は、アーク電圧の１／２である１５〔Ｖ〕となる。このとき、コンデンサ４４は、ＩＧＢＴ４０のゲート電圧により充電され、その充電電圧は１５〔Ｖ〕になる。このため、ＩＧＢＴ４０はオフからオンの状態に切り換わる。
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。

図５は、第１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。
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。

図６は、第１実施形態の回路において、遮断完了時の図である。
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。

ここで、コンデンサ４４の充電電荷の放電速度（放電時間）は、コンデンサ４４と放電抵抗４２の時定数で決まる。このため、その時定数を調整することにより、電気接点２１、２２に発生するアークの消滅後からＩＧＢＴ４０のオフにより主回路の電流ａが遮断されるまでの時間を、任意に調整または設定することができる。
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。

以上のように、第１実施形態では、電気接点２１、２２を開くときに、電気接点２２に発生するアーク電圧の一部をＩＧＢＴ４０のゲートに印加し、これによりＩＧＢＴ４０をオンさせて主回路の電流をＩＧＢＴ４０側に転流させてアークを消滅するようにした。また、アークの消滅後は、コンデンサ４４の充電電荷を放電させ、ＩＧＢＴ４０をオフにするようにした。
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。

（第２実施形態の構成）
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。

電気接点３０は、２つの固定接点３０１、３０２と、１つの可動接点３０３とを備えている。可動接点３０３の両端は、図８に示すように、固定接点３０１、３０２と電気的に接続するようになっている。固定接点３０１、３０２のそれぞれは、端子３１、３２に接続されている。
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。

消弧装置４は、電気接点３０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８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４３と、コンデンサ４４と、を備えている。
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。

抵抗４１、４２は直列に接続され、この直列回路の両端が電気接点３０の可動接点３０３と固定接点３０２に接続され、可動接点３０３と固定接点３０２との間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。

（第２実施形態の動作）
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。

図１０は、第２実施形態の回路において、電気接点３０が閉じた状態から開いた状態に変化した初期のときの図である。
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。

アーク電圧は、電気接点３０の接点材料と電極間のギャップにより決まる。電極間のギャップを例えば３〔ｍｍ〕程度とすると、アーク電圧は接点材料にほぼ依存した特性となる。この場合、アーク電圧は遮断電流値に依存せず、ほぼ３０〔Ｖ〕程度の電圧が発生する。したがって、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との間に発生するアーク電圧は、それぞれ３０〔Ｖ〕程度になる。

ここで、分圧回路４５の抵抗４１、４２の抵抗値を同一の値にすると、ＩＧＢＴ４０のゲート電圧は、アーク電圧の１／２である１５〔Ｖ〕となる。このとき、コンデンサ４４は、ＩＧＢＴ４０のゲート電圧により充電され、その充電電圧は１５〔Ｖ〕になる。このため、ＩＧＢＴ４０はオフからオンの状態に切り換わる。
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。

ＩＧＢＴ４０がオン状態に切り換わると、図１１に示すように、電磁接触器３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、電磁接触器３の電気接点３０に発生していたアークは消滅する。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。

図１２は、第２実施形態の回路において、遮断完了時の図である。
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。

ここで、コンデンサ４４の充電電荷の放電速度（放電時間）は、コンデンサ４４と放電抵抗４２の時定数で決まる。このため、その時定数を調整することにより、電気接点３０に発生するアークの消滅後からＩＧＢＴ４０のオフにより主回路の電流ａが遮断されるまでの時間を、任意に調整または設定することができる。
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。

さらに、この第２実施形態では、ＩＧＢＴ４０のゲートに過電圧が印加されるのを防ぐため、過電圧抑制素子４３を備えている。このため、分圧抵抗４１、４２からなる分圧回路４５による電圧調整が不要となる。つまり、分圧抵抗４１は不要になる。ただし、分圧抵抗４１は、コンデンサ４４への充電抵抗としての機能も有している。したがって、過電圧抑制素子４３を設ける場合には、分圧抵抗４１の抵抗値は充電抵抗としての機能のみを考慮して設定することができる。

以上のように、第２実施形態では、電気接点３０を開くときに、電気接点３０の一方の接点側に発生するアーク電圧をＩＧＢＴ４０のゲートに印加し、これによりＩＧＢＴ４０をオンさせて主回路の電流をＩＧＢＴ４０側に転流させてアークを消滅するようにした。また、アークの消滅後は、コンデンサ４４の充電電荷を放電させ、ＩＧＢＴ４０をオフにするようにした。

このため、第２実施形態によれば、電気接点３０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、極めて簡易な回路構成により電気接点に発生するアークを消去できる。

（その他の実施形態）
（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。

１…配線用遮断器、３…電磁接触器、４…消弧装置、１１〜１４…端子、２１、２２、３０…電気接点、３１、３２…端子、４０…ＩＧＢＴ（半導体スイッチ素子）、４１、４２…抵抗、４３…過電圧抑制素子、４４…コンデンサ、４５…分圧回路、３０１、３０２…固定接点、３０３…可動接点

Claims

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。