JP6105231B2 - 開閉器 - Google Patents
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Description
この問題を解決するために、例えば図15に示すような従来技術が知られている。図15に示すように、開閉器50は、互いに並列に接続された機械式スイッチ52と半導体スイッチ素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)51とを含み、直流電源54が開閉器50と直列に補助スイッチ53を介して負荷55に接続されている。
このため、機械式スイッチ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、機械式スイッチ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。
上述した課題を解決するために、本発明のある態様による開閉器は、機械式スイッチと、開閉回路と、前記機械式スイッチに並列に接続され前記機械式スイッチが発生するアーク電圧を前記開閉回路を介して制御端子に入力する半導体スイッチ素子を含む消弧装置と、を含み、前記機械式スイッチは、閉状態及び開状態となる第1の電気接点と、当該第1の電気接点に同期して閉状態及び開状態となる第2の電気接点と、前記第1の電気接点と前記第2の電気接点とを直列に接続する直列接続部と、を備え、前記開閉回路は、前記直列接続部と前記半導体スイッチ素子の制御端子との間に接続され、前記機械式スイッチの閉状態及び開状態と同期し、かつ前記機械式スイッチの状態と逆の状態となる、ことを特徴とする。
この構成によれば、第1の固定接点と第2の固定接点と可動接点とを備えた機械式スイッチが閉じる際に開閉回路が開くことにより消弧装置への信号経路を切り離すことができるので、機械式スイッチの電気接点が閉じる時に発生する接点バウンスによる半導体スイッチ素子の不要動作を防止することができる。
上述した課題を解決するために、本発明の他の態様による開閉器は、前記開閉回路は、前記機械式スイッチに電流が流れている期間は開状態となり、前記機械式スイッチに電流が流れていない期間は閉状態となる、ことを特徴とする。
この構成によれば、機械式スイッチが閉じる際に開閉回路が開くことにより消弧装置への信号経路を切り離すことができるので、機械式スイッチの電気接点が閉じる時に発生する接点バウンスによる半導体スイッチ素子の不要動作を防止することができる。
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態に係る開閉器の外観について、図1を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態に係る開閉器の外観を示す平面図である。図1に示すように、開閉器1は、2極型の機械式スイッチ2と、消弧装置4とを備えている。2極型の機械式スイッチ2は、外部との接続を行うための端子11〜14と、手動レバー16とを備えている。
図2は、第1の実施形態に係る開閉器の構成を示す回路図である。図2に示すように、開閉器1は、2極型の機械式スイッチ2と、消弧装置4と、開閉回路46と、を備えている。
機械式スイッチ2は、端子11と端子12との間に第1の電気接点21を備え、端子13と端子14との間に第2の電気接点22を備え、端子12と端子13とを直列に接続する直列接続部15を備えている。第1の電気接点21と第2の電気接点22とは、手動レバー16の操作により同時に開閉される。図2に示す第1の電気接点21と第2の電気接点22の状態は開状態であり、図4に示す第1の電気接点21と第2の電気接点22の状態は閉状態である。
IGBT40は、機械式スイッチ2の端子11と端子14との間に接続されている。IGBT40の制御端子は、機械式スイッチ2がアーク電圧を発生する直列接続部15に開閉回路46と抵抗41とを介して接続されている。抵抗42は、IGBT40の制御端子と機械式スイッチ2の端子14との間に接続されている。過電圧抑制素子43は、IGBT40の制御端子と機械式スイッチ2の端子14との間に接続されている。コンデンサ44は、IGBT40の制御端子と機械式スイッチ2の端子14との間に接続されている。
図2〜7は、直流電源100が負荷101に開閉器1と閉状態の補助スイッチ102とを介して印加されている状態を示す。図3は、第1の実施形態に係る開閉器の第2の状態を示す回路図である。図4は、第1の実施形態に係る開閉器の第3の状態を示す回路図である。図5は、第1の実施形態に係る開閉器の第4の状態を示す回路図である。図6は、第1の実施形態に係る開閉器の第5の状態を示す回路図である。図7は、第1の実施形態に係る開閉器の第6の状態を示す回路図である。
先ず、図2では、開閉器1の機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22とが開状態である初期状態を示す。第1の電気接点21と第2の電気接点22とが開状態なので、直流電源100の電流は流れていない。また、開閉回路46は閉状態である。
次に、図3では、開閉器1の機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22とが開状態から閉状態に移行する途中でアーク電圧Vaが発生し始めた第2の状態を示す。端子14に電流は流れていないので、開閉回路46は閉状態を維持している。第1の電気接点21と第2の電気接点22で発生したアーク電圧Vaは電流経路a1のように直列接続部15から開閉回路46と抵抗41とを介してIGBT40の制御端子に印加される。なお、アーク電圧Vaは、分圧回路45により分圧されてIGBT40の制御端子に印加されるので、例えば抵抗41と抵抗42の抵抗値が等しければ、IGBT40の制御端子に印加される電圧はアーク電圧Vaの半分の電圧となる。IGBT40の制御端子に印加される電圧は、コンデンサ44に蓄電される。
次に、図4では、開閉器1の機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22とが閉状態になった第3の状態を示す。端子14に電流が流れるので、開閉回路46は開状態になる。第2の状態でコンデンサ44に蓄電された電圧が電流経路a2に示すように残っている期間は、IGBT40が導通状態なので、直流電源100の電流は電流経路a3,a4のように並列に流れるが、コンデンサ44が放電されるとIGBT40が非導通状態となり、電流経路a3はなくなり、直流電源100の電流は電流経路a4のように流れる。
次に、図5では、開閉器1の機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22とが閉状態になった直後にバウンスを起こしている第4の状態を示す。通常、電気接点で発生するバウンスは、msオーダーの期間に複数回繰り返される。端子14に電流が流れた状態なので、開閉回路46は開状態を維持している。第1の電気接点21と第2の電気接点22とがバウンスを起こしているためアーク電圧Vaが発生するが、開閉回路46は開状態なのでアーク電圧Vaが流れる経路が存在しない。従って、バウンスによって発生するアーク電圧Vaは、IGBT40の制御端子に影響を与えない。また、第4の状態でも、直流電源100の電流は、電流経路a4のように流れ続ける。
次に、図6では、開閉器1の機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22とが閉状態から開状態に移行する途中でアーク電圧Vaが発生し始めた第5の状態を示す。第1の電気接点21及び第2の電気接点22は開状態となり端子14に電流が流れなくなるので、開閉回路46は閉状態になる。第1の電気接点21と第2の電気接点22で発生したアーク電圧Vaは電流経路a1のように直列接続部15から開閉回路46と抵抗41とを介してIGBT40の制御端子に印加される。IGBT40の制御端子に印加される電圧は、コンデンサ44に蓄電される。
次に、図7では、開閉器1の機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22とが開状態になった第6の状態を示す。第5の状態でコンデンサ44に蓄電された電圧が電流経路a2に示すように残っている期間は、IGBT40が導通状態なので、直流電源100の電流は電流経路a3のように流れるが、コンデンサ44が放電されるとIGBT40が非導通状態となり、電流経路a3はなくなり、直流電源100の電流経路はなくなる。
本実施形態では、第1の電気接点21と第2の電気接点22とを備えた機械式スイッチ2が閉じる際に開閉回路46が開くことにより消弧装置4への信号経路を切り離すことができるので、機械式スイッチ2の第1の電気接点21と第2の電気接点22が閉じる時に発生する接点バウンスによる半導体スイッチ素子であるIGBT40の不要動作を防止することができる。
次に、第2の実施形態に係る開閉器の断面について、図8を参照して説明する。
図8は、第2の実施形態に係る開閉器の断面を示す断面図である。図8に示すように、開閉器200は、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8に示すように、機械式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。
図9は、第2の実施形態に係る開閉器の構成を示す回路図である。図9に示すように、開閉器200は、電磁接触器3と、消弧装置4と、開閉回路46と、を備えている。
消弧装置4は、半導体スイッチ素子であるIGBT40と、抵抗41と抵抗42とが直列に接続された分圧回路45と、過電圧抑制素子43と、コンデンサ44と、を備えている。
開閉回路46は、例えば電磁石式のスイッチで構成され、電磁接触器3の端子32に電流が流れている期間は開状態となり、電磁接触器3の端子32に電流が流れていない期間は閉状態となるように動作する。
図9〜14は、直流電源100が負荷101に開閉器200と閉状態の補助スイッチ102とを介して印加されている状態を示す。図10は、第2の実施形態に係る開閉器の第2の状態を示す回路図である。図11は、第2の実施形態に係る開閉器の第3の状態を示す回路図である。図12は、第2の実施形態に係る開閉器の第4の状態を示す回路図である。図13は、第2の実施形態に係る開閉器の第5の状態を示す回路図である。図14は、第2の実施形態に係る開閉器の第6の状態を示す回路図である。
先ず、図9では、開閉器200の電気接点30が開状態である初期状態を示す。電気接点30が開状態なので、直流電源100の電流は流れていない。また、開閉回路46は閉状態である。
次に、図10では、開閉器200の電気接点30が開状態から閉状態に移行する途中でアーク電圧Vaが発生し始めた第2の状態を示す。端子32に電流は流れていないので、開閉回路46は閉状態を維持している。電気接点30で発生したアーク電圧Vaは電流経路a1のように可動接点303から開閉回路46と抵抗41とを介してIGBT40の制御端子に印加される。なお、アーク電圧Vaは、分圧回路45により分圧されてIGBT40の制御端子に印加されるので、例えば抵抗41と抵抗42の抵抗値が等しければ、IGBT40の制御端子に印加される電圧はアーク電圧Vaの半分の電圧となる。IGBT40の制御端子に印加される電圧は、コンデンサ44に蓄電される。
次に、図11では、開閉器200の電気接点30が閉状態になった第3の状態を示す。端子32に電流が流れるので、開閉回路46は開状態になる。第2の状態でコンデンサ44に蓄電された電圧が電流経路a2に示すように残っている期間は、IGBT40が導通状態なので、直流電源100の電流は電流経路a3,a4のように並列に流れるが、コンデンサ44が放電されるとIGBT40が非導通状態となり、電流経路a3はなくなり、直流電源100の電流は電流経路a4のように流れる。
次に、図12では、開閉器200の電気接点30が閉状態になった直後にバウンスを起こしている第4の状態を示す。端子32に電流が流れた状態なので、開閉回路46は開状態を維持している。電気接点30がバウンスを起こしているためアーク電圧Vaが発生するが、開閉回路46は開状態なのでアーク電圧Vaが流れる経路が存在しない。従って、バウンスによって発生するアーク電圧Vaは、IGBT40の制御端子に影響を与えない。また、第4の状態でも、直流電源100の電流は、電流経路a4のように流れ続ける。
次に、図13では、開閉器200の電気接点30が閉状態から開状態に移行する途中でアーク電圧Vaが発生し始めた第5の状態を示す。電気接点30は開状態となり端子32に電流が流れなくなるので、開閉回路46は閉状態になる。電気接点30で発生したアーク電圧Vaは電流経路a1のように可動接点303から開閉回路46と抵抗41とを介してIGBT40の制御端子に印加される。IGBT40の制御端子に印加される電圧は、コンデンサ44に蓄電される。
次に、図14では、開閉器200の電気接点30が開状態になった第6の状態を示す。第5の状態でコンデンサ44に蓄電された電圧が電流経路a2に示すように残っている期間は、IGBT40が導通状態なので、直流電源100の電流は電流経路a3のように流れるが、コンデンサ44が放電されるとIGBT40が非導通状態となり、電流経路a3はなくなり、直流電源100の電流経路はなくなる。
本実施形態では、第1の固定接点301と第2の固定接点302と1つの可動接点303とを備えた機械式スイッチである電気接点30が閉じる際に開閉回路46が開くことにより消弧装置4への信号経路を切り離すことができるので、電気接点30の可動接点30が閉じる時に発生する接点バウンスによる半導体スイッチ素子であるIGBT40の不要動作を防止することができる。
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利用することで代用することができる。この場合、コンデンサ44を削除しても本実施形態と同等の効果を得ることができる。
2 機械式スイッチ
4 消弧装置
11〜14 端子
15 直列接続部
16 手動レバー
21 第1の電気接点
22 第2の電気接点
30 電気接点
31,32 端子
33 電磁石
40 IGBT
41,42 抵抗
43 過電圧抑制素子
44 コンデンサ
45 分圧回路
46 開閉回路
50 開閉器
52 機械式スイッチ
53 補助スイッチ
54 直流電源
55 負荷
100 直流電源
101 負荷
102 補助スイッチ
200 開閉器
301 第1の固定接点
302 第2の固定接点
303 可動接点
332 固定鉄心
334 可動鉄心
336 コイル
Claims (3)
- 機械式スイッチと、
開閉回路と、
前記機械式スイッチに並列に接続され前記機械式スイッチが発生するアーク電圧を前記開閉回路を介して制御端子に入力する半導体スイッチ素子を含む消弧装置と、
を含み、
前記機械式スイッチは、閉状態及び開状態となる第1の電気接点と、当該第1の電気接点に同期して閉状態及び開状態となる第2の電気接点と、前記第1の電気接点と前記第2の電気接点とを直列に接続する直列接続部と、を備え、
前記開閉回路は、前記直列接続部と前記半導体スイッチ素子の制御端子との間に接続され、前記機械式スイッチの閉状態及び開状態と同期し、かつ前記機械式スイッチの状態と逆の状態となる、
ことを特徴とする開閉器。 - 機械式スイッチと、
開閉回路と、
前記機械式スイッチに並列に接続され前記機械式スイッチが発生するアーク電圧を前記開閉回路を介して制御端子に入力する半導体スイッチ素子を含む消弧装置と、
を含み、
前記機械式スイッチは、第1の固定接点と、第2の固定接点と、前記第1の固定接点及び前記第2の固定接点との接続を行う可動接点と、を備え、
前記開閉回路は、前記可動接点と前記半導体スイッチ素子の制御端子との間に接続され、前記機械式スイッチの閉状態及び開状態と同期し、かつ前記機械式スイッチの状態と逆の状態となる、
ことを特徴とする開閉器。 - 請求項1又は請求項2に記載の開閉器において、前記開閉回路は、前記機械式スイッチに電流が流れている期間は開状態となり、前記機械式スイッチに電流が流れていない期間は閉状態となる、ことを特徴とする開閉器。
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