JP6246347B2

JP6246347B2 - 電磁石駆動装置

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Publication number: JP6246347B2
Application number: JP2016520887A
Authority: JP
Inventors: 和久松田; 明宏林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2017-12-13
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Description

この発明は、遮断器等に内蔵される電磁石を駆動する電磁石駆動装置に関するものである。

遮断器等に内蔵される電磁石の鉄心を吸引する電磁石駆動装置は、吸引初期には磁気回路の空隙の関係で大きい励磁電流を巻線へ通電し、鉄心を吸引した後は磁気回路の空隙が小さくなるので励磁電流を低減して通電し、吸引状態を維持する制御が行われている。
このような電磁石駆動装置では、鉄心吸引後の励磁電流の低減手段として、電磁石にパルス状の電圧を印加し、電磁石に電圧が印加されない期間は電磁石の逆起電力で発生する励磁電流がフライホイルダイオードを介して流れるようにして、常に巻線に励磁電流が流れるようにしている。また、鉄心吸引後の励磁電流を検出する方法として、電磁石とフライホイルダイオードで形成されるループの中に電流検出センサを設けて検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−３１１６３７号公報

上記特許文献１に開示された技術のように、電磁石とフライホイルダイオードで形成されるループの中に電流検出センサを設けて検出する方法では、電流検出センサに抵抗を用いて抵抗での電圧降下を検出する方法が用いられているが、常に抵抗に励磁電流が流れるために電力損失が増えてしまう課題があった。

また、電力損失を抑えるために、電流検出センサを電磁石とフライホイルダイオードで形成されるループの外に出して、電磁石にパルス状の電圧を印加するためのスイッチング素子と直列に電流検出センサを設けて、スイッチング素子が導通となる時のみ電流検出センサで励磁電流を検出する方法が考えられる。しかし、この方法にすると、電磁石の印加電圧パルスのパルス幅が狭い場合やパルス周期が早い場合は、マイコンを用いて検出した場合にサンプリング周波数の高い高性能で高価なマイコンを使用しなければならないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗による電力損失を抑え、その上でサンプリング周波数の低いマイコンでも制御可能とする電磁石駆動装置を得ることを目的とするものである。

この発明の電磁石駆動装置は、電磁石に印加するＤＣ電源電圧を出力する巻線用電源回路と、上記ＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、を備え、
上記制御マイコンは、上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記ＤＣ電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記ＤＣ電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うと共に、上記パルス制御のオンデューティの補正係数を求め、基準オンデューティに補正係数を掛けたオンデューティでパルス制御を行うものである。

この発明は、電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗による電力損失を抑えることができると共に、電磁石の鉄心吸引後に励磁電流を低減するためにパルス電圧を電磁石に印加した時に、サンプリング周波数の低いマイコンでは検出できないパルス電圧印加時の電磁石励磁電流を検出可能とし、サンプリング周波数の低い安価なマイコンが使用可能となる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになると考えられる。

この発明の実施の形態１に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態１に係る電磁石駆動装置の印加電圧を説明するための説明図である。この発明の実施の形態１に係る電磁石駆動装置の通電電流を説明するための説明図である。電磁石の巻線抵抗値と温度の関係を説明するための説明図である。この発明の実施の形態１に係る電磁石駆動装置の補正係数と巻線抵抗値の関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係る電磁石駆動装置の補正係数と印加電圧の関係を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態２に係る電磁石駆動装置の印加電圧を説明するための説明図である。この発明の実施の形態２に係る電磁石駆動装置のスイッチング素子と半導体スイッチの動作を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態２に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗の電圧とコンデンサの電圧の関係を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態３に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態３に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗の通電電流とフォトモスリレーの入力側通電電流の関係を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態３に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗の通電電流とコンデンサの充電電流の関係を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態３に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗電圧とコンデンサの電圧の関係を示すタイミングチャートである。

以下、この発明に係る電磁石駆動装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。
図１において、電磁石１はスイッチング素子２に接続されている。スイッチング素子２が導通状態のときは、巻線用電源回路３よりＤＣ電源電圧が電磁石１に印加される。スイッチング素子２が導通状態のときは、励磁電流検出抵抗４に励磁電流が流れ、励磁電流の大きさに比例した電圧降下が励磁電流検出抵抗４に発生する。フライホイルダイオード５は、スイッチング素子２が非導通のときに、電磁石１に発生する起電力を用いて電磁石１に励磁電流を流すために電磁石１に並列接続されている。即ち、電磁石１とフライホイルダイオード５によりループが形成されている。

励磁電流制御部６ａは、巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路１０と、励磁電流検出抵抗４の電圧降下を計測し、電磁石１の励磁電流を検出する励磁電流検出手段である励磁電流計測回路１１と、スイッチング素子２をパルス制御するパルス駆動回路１２ａと、電源電圧計測回路１０と励磁電流計測回路１１の計測値を元に、電磁石１の鉄心を保持するために必要な励磁電流を流し得るパルス幅を算出してパルス駆動回路１２ａのパルス幅を制御する制御マイコン１３ａと、制御マイコン１３ａへ電源供給する制御電源回路１４を備えている。

アラーム出力回路７は、電磁石１の巻線のレアショート等による巻線抵抗値異常時や、遮断器通電部の異常発熱で電磁石１の周囲温度が上昇し、巻線抵抗値が増大したとき等にアラームを出力する。時延動作用コンデンサ８は電源バックアップのコンデンサで、この電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置の不足電圧引きはずし装置等に用いた場合、入力電源の切断後に、所定の時間（例えば３秒程度）電磁石１の鉄心吸引を維持する時延動作を行わせるために、時延動作中に電磁石１の励磁電流を供給するものである。

実施の形態１に係る電磁石駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
制御マイコン１３ａは、巻線用電源回路３及び制御電源回路１４が起動して電源供給を受けて起動した後、電源電圧計測回路１０により、巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧が電磁石１の鉄心を吸引できる電圧まで上昇して一定値Ｖａで安定していることを確認する。巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧が一定値Ｖａで安定していることが確認できれば、パルス駆動回路１２ａを動作させて鉄心吸引を行う。

鉄心吸引初期時には磁気回路の空隙の関係で大きい励磁電流を巻線へ通電する必要があるため、制御マイコン１３ａは、横軸を時間、縦軸を巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧とする図２のＴａで示す数百ｍｓの期間、パルス駆動回路１２ａのパルス幅を１００％で動作させる。そして、スイッチング素子２を数百ｍｓ間導通状態とし、電磁石１に巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧を印加する。このとき、電磁石１へ通電される励磁電流は、横軸を時間、縦軸を励磁電流とする図３に示すようになる。即ち、Ｔ１で示す電圧印加開始時点より励磁電流が流れ始める。そして、可動鉄心と固定鉄心の空隙が小さくなるに従い、磁気抵抗が減少して磁束が増加し、鉄心が吸着されると磁束が急激に増加して逆起電力が発生し、Ｔ２で示す時点でコイル電流は一旦減少する。鉄心の吸着後は磁気抵抗が一定になって磁束の変化が無くなり、逆起電力が減少して無くなると、Ｔ３で示す期間のように電磁石１の励磁電流は印加電圧を巻線抵抗値で割った一定値となる。

このとき、励磁電流検出抵抗４には励磁電流に比例した電圧降下Ｖｂが発生する。制御マイコン１３ａは、励磁電流計測回路１１で電圧降下Ｖｂの計測データ、及び電源電圧計測回路１０で巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａの計測データを取得する。励磁電流検出抵抗４の抵抗値をＲｂとすると、制御マイコン１３ａは電磁石１の巻線抵抗値ＲａをＲａ＝（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖｂ／Ｒｂ）の算式により算出する。ここで、スイッチング素子２のオン抵抗は数百ｍΩであり、電磁石１の巻線抵抗値に対して十分小さいため、スイッチング素子２での電圧降下は省略して計算している。

図２の鉄心吸引初期時Ｔａの期間が過ぎ、鉄心が吸引された後は、磁気回路の空隙が小さくなるので励磁電流を低減して通電しても、鉄心の吸引状態を維持することができる。励磁電流の低減は、制御マイコン１３ａがパルス駆動回路１２ａを介してスイッチング素子２をパルス駆動し、巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａをパルス電圧にして電磁石１に加えることで行うが、図４で示すように電磁石１の巻線抵抗値Ｒａは周囲温度に比例して増加するため、パルス幅が一定であると周囲温度の上昇と共に励磁電流が低減し、また、瞬時停電等で巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａが低減したときに励磁電流が低減する。

これを避けるため、制御マイコン１３ａは上記計算で得た巻線抵抗値Ｒａと巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａの計測値を用いて、パルス制御のオンデューティの補正係数Ｋを求め、基準オンデューティＤ１に補正係数Ｋを掛けたＤ１×Ｋのオンデューティでパルス制御を行う。なお、基準オンデューティＤ１は周囲温度２０℃で巻線用電源回路３の安定動作時の鉄心吸引保持可能なオンデューティであり、予め制御マイコン１３ａに記憶している。また、補正係数Ｋは、周囲温度による巻線抵抗値の増減を考慮した補正係数Ｋ１と巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａの低減を考慮した補正係数Ｋ２を掛け合せたＫ＝Ｋ１×Ｋ２の算式で制御マイコン１３ａが算出する。Ｋ１＝巻線抵抗値Ｒａ／基準巻線抵抗値Ｒ１、Ｋ２＝ＤＣ電源電圧Ｖａ／基準電源電圧Ｖ１であり、基準巻線抵抗値Ｒ１は周囲温度２０℃の時の抵抗値、基準電源電圧Ｖ１は巻線用電源回路３の安定動作時電圧である。図５に示すように、補正係数Ｋ１は巻線抵抗値と比例してオンデューティが大きくなるように補正を行う。また、図６に示すように、補正係数Ｋ２は巻線の印加電圧が低減するとオンデューティを大きくするように補正を行う。

電磁石１の巻線の抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引初期時Ｔａの期間に算出した巻線抵抗値Ｒａを元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい電磁石１が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じる。このため、図２のように数十秒毎にＴｂで示す数百ｍｓの期間、パルス駆動回路１２ａのパルス幅を１００％で動作し、スイッチング素子２を数百ｍｓ間導通させ、図３のＴ４の期間のように励磁電流が一定となった時に電磁石１の巻線の抵抗値Ｒａを再計算し、次の数十秒後の鉄心再吸引までの間のオンデューティを決定し、励磁電流が一定となるように制御する。なお、遮断器の電磁石を用いた内部付属装置等は本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石に加わるが、この外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻す働きを数十秒毎の鉄心再吸引は兼ねている。

この電磁石駆動装置を遮断器等の内部付属装置に使用した場合、通電部の放熱の影響や周囲温度の上昇により電磁石１の巻線抵抗値が増加するが、制御マイコン１３ａには巻線抵抗値の最大変化範囲が記憶されており、上記算出で得た巻線の抵抗値Ｒａが巻線のレアショート等により下限値を外れた場合や、通電部の異常発熱により電磁石１の周囲温度が上がり巻線抵抗値が上限を外れた場合に、制御マイコン１３ａはアラーム出力回路７を介して巻線抵抗値異常のアラームを出力する。

また、遮断器の内部付属装置の不足電圧引きはずし装置等は入力電源の切断後に３秒程度、電磁石の鉄心吸引を維持する時延動作形があるが、時延動作用コンデンサ８を取付けることで、入力電源の切断後の時延期間は、切断前に蓄えた電荷で電磁石１に励磁電流を流し続ける。このとき、電磁石１に印加される電圧Ｖａは時延動作用コンデンサ８の電荷の消費と共に低下するので、スイッチング素子２のスイッチングパルス幅を一定にした場合、励磁電流が低減してしまうが、上記補正係数Ｋを基本オンデューティＤ１に掛けたオンデューティでパルス制御することで、電磁石１の印加電圧Ｖａの低減と共にオンデューティが大きくなり、励磁電流を一定に保つことができる。

以上のように、実施の形態１に係る電磁石駆動装置によれば、励磁電流検出抵抗４が電磁石１とフライホイルダイオード５で形成されるループの外に取付けてあるため、スイッチング素子２が導通状態の時のみ励磁電流検出抵抗４に電力消費が発生し、スイッチング素子２が非導通状態の時は電力消費が発生しないため、電力損失を抑えることができる。

また、図３のＴ３とＴ４のように鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時の比較的大きい箇所の励磁電流を励磁電流計測回路１１で計測するため、仮に鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時の励磁電流が吸引保持維持電流の５倍である場合、同じ検出電圧を得ようとすると吸引保持維持電流を検出する方式に比べて１／５の抵抗値の励磁電流検出抵抗４を使用できる。小さい抵抗値の抵抗を使用することで、抵抗での電力消費が抑えられ、定格電力の小さい抵抗を使用することができる。

また、図２のように励磁電流検出抵抗４に生じる励磁電流に比例した電圧降下は、スイッチング素子２が導通状態の時のみ生じるが、吸引保持維持電流通電時のパルス制御のパルス周期をスイッチング音の可聴域を避けるため１５ｋＨｚ以上に設定すると、パルス幅は数μｓ〜数十μｓと狭くなる。このパルスを数回サンプリングできるような制御マイコンを選定すると、高性能で高価なマイコンを選定せざる得なくなる。仮に１０μｓのパルスを１０回サンプリングできるようにするためにはサンプリング周期が１ＭＨｚ以上の高性能な制御マイコンが必要となるが、図３のＴ３とＴ４の励磁電流検出の期間を１０ｍｓ以上取れば、１０ｍｓのパルスを１０回サンプリングするには１ｋＨｚ以上のサンプリング周期の制御マイコンが使用でき、サンプリング周波数の低い安価な汎用マイコンが使用できる。

また、制御マイコン１３ａには巻線抵抗値の最大変化範囲が記憶されており、最大変化範囲を外れた場合に、アラーム出力回路７より巻線抵抗値異常のアラームを出力することにより、レアショート等による巻線抵抗値異常や、遮断器等の内部付属装置に使用した場合に、通電部の異常発熱により電磁石１の周囲温度が上がり巻線抵抗値が増大した時にアラームを出力することで異常を知らせることができる。

また、電磁石１の鉄心吸引後は、磁気回路の空隙が小さくなるので励磁電流を低減して通電しても、鉄心の吸引状態を維持することができるが、制御マイコン１３ａは巻線抵抗値Ｒａと巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａの計測値を用いて、オンデューティの補正係数を求め、基準オンデューティに補正係数を掛けたオンデューティでパルス制御を行うことにより、周囲温度による巻線抵抗値の増減時や巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧Ｖａの低減時も励磁電流を一定に保つことができる。

また、電磁石１の巻線の抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引時に算出した巻線抵抗値を元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい電磁石１が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じるが、数十秒毎に電磁石１の巻線の抵抗値を再計算し、次の数十秒後の鉄心再吸引までの間のオンデューティの補正係数を算出し、オンデューティを決定してパルス制御することで、励磁電流を一定に保つことができる。

また、実施の形態１に係る電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置等に用いた場合、本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石１に加わるが、数十秒毎に鉄心再吸引を行うことで、外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻すことができる。

また、実施の形態１に係る電磁石駆動装置を遮断器内部付属装置の不足電圧引きはずし装置等の入力電源切断後に３秒程度、電磁石１の鉄心吸引を維持する時延動作形に用いた場合、入力電源の切断後の時延期間は、時延動作用コンデンサ８に蓄えた電荷で電磁石１に励磁電流を流し続けるが、電磁石１に印加されるＤＣ電源電圧Ｖａは時延動作用コンデンサ８の電荷の消費と共に低下するので、補正係数を基本オンデューティに掛けたオンデューティでパルス制御することで、電磁石１の印加電圧が低減しても励磁電流を一定に保つことができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る電磁石駆動装置について説明する。
図７は、実施の形態２に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。実施の形態２は、実施の形態１における励磁電流制御部６ａの別の実施の形態を示すものであり、実施の形態１と同様な種々の効果を奏するものである。

図７において、励磁電流制御部６ｂは、電磁石１の鉄心保持に必要な励磁電流の通電をスイッチング素子２のパルス制御により実施する制御マイコン１３ｂと、制御マイコン１３ｂの制御電源１４と、巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路１０と、スイッチング素子２をパルス制御するパルス駆動回路１２ｂと、パルス駆動回路１２ｂのパルス出力によりスイッチング素子２をパルス駆動するトランジスタ２０、抵抗２１及びツェナーダイオード２２を備えている。

励磁電流制御部６ｂは更に、スイッチング素子２の導通時に励磁電流検出抵抗４に発生する励磁電流に比例した検出電圧を、スイッチング素子２の非導通の期間も保持するコンデンサ２３と、スイッチング素子２の非導通の期間にコンデンサ２３から励磁電流検出抵抗４側へ電流が流れるのを防止する抵抗２４と、スイッチング素子２の導通時のみコンデンサ２３と励磁電流検出抵抗４を接続する半導体スイッチ２５と、スイッチング素子２の導通時のみ半導体スイッチ２５を動作させるツェナーダイオード２６及び抵抗２７を備えている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であるので同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態２に係る電磁石駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
実施の形態１では鉄心吸引初期時と数十秒毎に数百ｍｓの期間、パルス制御のパルス幅を１００％で動作した時の励磁電流検出抵抗４に生じる電圧降下で電磁石１の巻線抵抗値を算出することにより、パルス制御のパルス幅を決定したが、実施の形態２では横軸を時間、縦軸を巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧とする図８のパルス制御期間Ｔｃに励磁電流検出抵抗４に生じる電圧降下でパルス制御のパルス幅を決定する。制御マイコン１３ｂは鉄心吸引初期時に実施の形態１で説明した方法により電磁石１の巻線抵抗値を算出し、パルス幅を決定してパルス制御を開始する。電磁石１の巻線抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引初期時に算出した巻線抵抗値を元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい電磁石１が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じる。このため、スイッチング素子２の導通時に励磁電流検出抵抗４に発生する励磁電流に比例した検出電圧をスイッチング素子２が非導通の期間もコンデンサ２３で保持することにより、サンプリング周波数の低い安価なマイコンでもサンプリング可能となる。

スイッチング素子２は、ゲート端子電圧が閾値を超えると導通となる素子であり、半導体スイッチ２５はコントロール端子電圧が閾値を超えるとスイッチが導通となる素子である。パルス駆動回路１２ｂによりトランジスタ２０をオン、オフすることによりパルス制御を行うが、トランジスタ２０のオン時は、ツェナーダイオード２２は短絡され、スイッチング素子２のゲート端子に電圧は印加されず、トランジスタ２０のオフ時は、抵抗２１よりツェナーダイオード２２に電流が流れて、スイッチング素子２のゲート端子にツェナーダイオード２２のツェナー電圧と等しい電圧が印加される。

ツェナーダイオード２２のツェナー電圧より低いツェナー電圧特性を持ったツェナーダイオード２６と抵抗２７をツェナーダイオード２２と並列に接続し、半導体スイッチ２５のコントロール端子に接続する。これにより、図９に示すように、スイッチング素子２のゲート端子電圧がツェナーダイオード２６のツェナー電圧に達するまでは、ツェナーダイオード２６には電流が流れず抵抗２７の両端には電圧が発生しないため、立上り時は半導体スイッチ２５のコントロール端子電圧はスイッチング素子２のゲート端子電圧よりも遅れて立上り、立下り時は半導体スイッチ２５のコントロール端子電圧はスイッチング素子２のゲート端子電圧よりも早く立下がる。よって、パルス制御時にスイッチング素子２が導通となった後に遅れて半導体スイッチ２５が導通となり、スイッチング素子２が非導通となるより先に半導体スイッチ２５が非導通となる。

これにより、スイッチング素子２が導通して励磁電流検出抵抗４に励磁電流に比例した検出電圧が発生時のみ半導体スイッチ２５が導通し、コンデンサ２３を充電して検出電圧を保持するため、図１０に示すように、励磁電流検出抵抗４の検出電圧と等しいとみなしてよい範囲内の値の電圧がコンデンサ２３の両端に保持される。図１０のようにコンデンサ２３の保持電圧は半導体スイッチ２５のリーク電流やコンデンサ２３自体のリーク電流による自己放電により、スイッチング素子２の非導通期間は減少するが、励磁電流検出に影響を及ぼさない程度のリーク電流特性を持った部品を選定することで励磁電流検出が可能となる。

抵抗２４はスイッチング素子２と半導体スイッチ２５とが同時とみなしてよいタイミングで導通または非導通となった場合に、コンデンサ２３から励磁電流検出抵抗４側へ電流が流れた場合に、コンデンサ２３の保持電圧が急激に低下し、検出に影響を及ぼすことを避ける働きをする。制御マイコン１３ｂはコンデンサ２３に充電された電磁石１の励磁電流に比例した電圧信号を読込み、電磁石１の鉄心の保持に必要な励磁電流が流れるパルス幅でパルス駆動回路１２ｂを介してスイッチング素子２をパルス制御する。

以上のように、実施の形態２に係る電磁石駆動装置によれば、励磁電流検出抵抗４が電磁石１とフライホイルダイオード５で形成されるループの外に取付けてあるため、スイッチング素子２の導通状態の時のみ励磁電流検出抵抗４に電力消費が発生し、スイッチング素子２の非導通状態の時は電力消費が発生しないため、電力損失を抑えることができる。

また、電磁石１の励磁電流の検出信号がスイッチング素子２の非導通期間も保持されるため、サンプリング周波数の低い安価な汎用マイコンでも励磁電流の検出が可能となる。

また、実施の形態１と同様に、電磁石１の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に電磁石１の巻線抵抗値を算出することで、巻線抵抗値の最大変化範囲を外れた場合に、アラーム出力回路７より巻線抵抗値異常のアラームを出力する。これにより、レアショート等による巻線抵抗値異常や、遮断器等の内部付属装置に使用した場合に通電部の異常発熱により電磁石１の周囲温度が上がり巻線抵抗値が増大した時にアラームを出力することで異常を知らせることができる。

また、実施の形態２に係る電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置等に用いた場合、本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石１に加わるが、数十秒毎に鉄心再吸引を行うことで、外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻すことができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る電磁石駆動装置について説明する。
図１１は、実施の形態３に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。実施の形態３は、実施の形態１における励磁電流制御部６ａの更に別の実施の形態を示すものであり、実施の形態１と同様な種々の効果を奏するものである。

図１１において、励磁電流制御部６ｃは、電磁石１の鉄心保持に必要な励磁電流の通電をスイッチング素子２のパルス制御により実施する制御マイコン１３ｂと、制御マイコン１３ｂの制御電源１４と、巻線用電源回路３のＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路１０と、スイッチング素子２をパルス制御するパルス駆動回路１２ａと、スイッチング素子２の導通時に励磁電流検出抵抗４に発生する励磁電流に比例した検出電圧をスイッチング素子２が非導通の期間も保持するコンデンサ２３と、スイッチング素子２の非導通の期間にコンデンサ２３から励磁電流検出抵抗４側へ電流が流れるのを防止する抵抗２４と、スイッチング素子２が導通時のみコンデンサ２３と励磁電流検出抵抗４を接続するフォトモスリレー３０と、スイッチング素子２が導通時のみフォトモスリレー３０の動作電流を通電させる抵抗３１と、フォトモスリレー３０の外乱による誤動作を避ける抵抗３２で構成されている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であるので同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態３に係る電磁石駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
実施の形態１では鉄心吸引初期時と数十秒毎に数百ｍｓの期間、パルス制御のパルス幅を１００％で動作した時の励磁電流検出抵抗４に生じる電圧降下で電磁石１の巻線抵抗値を算出することにより、パルス制御のパルス幅を決定したが、実施の形態３では実施の形態２と同様に、図８に示すパルス制御期間Ｔｃに励磁電流検出抵抗４で生じる電圧降下により、パルス制御のパルス幅を決定する。

制御マイコン１３ｂは、鉄心吸引初期時に実施の形態１で説明した方法により電磁石１の巻線抵抗値を算出し、パルス幅を決定してパルス制御を開始する。電磁石１の巻線抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引初期時に算出した巻線抵抗値を元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい、電磁石１が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じる。このため、スイッチング素子２が導通時に励磁電流検出抵抗４で発生する励磁電流に比例した検出電圧を、スイッチング素子２が非導通の期間もコンデンサ２３で保持することによりサンプリング周波数の低い安価なマイコンでもサンプリング可能となる。

フォトモスリレー３０は、図１２に示すように、スイッチング素子２の導通時に励磁電流検出抵抗４と抵抗３１で分流された電流が入力側に通電されることで出力側が導通状態となる。このとき、抵抗３１に流れる電流が励磁電流検出抵抗４に流れる電流の１／１０以下にすることにより、電磁石１の励磁電流検出に影響を与えないようにしている。

また、スイッチング素子２の非導通時に、外乱によりフォトモスリレー３０の入力側に微小電流が流れてフォトモスリレー３０が誤動作しないように、抵抗３２により、一定以上の電流がフォトモスリレー３０の入力側に流れないと動作しないようにしている。これにより、図１３に示すように、スイッチング素子２が導通して励磁電流検出抵抗４に励磁電流に比例した検出電圧が発生時のみフォトモスリレー３０の出力側が導通し、コンデンサ２３に充電電流が流れるため、図１４に示すように、励磁電流検出抵抗４の検出電圧と等しいとみなしてよい範囲内の値の電圧がコンデンサ２３の両端に保持される。

図１４に示すように、コンデンサ２３の保持電圧はフォトモスリレー３０のリーク電流やコンデンサ２３自体のリーク電流による自己放電により、スイッチング素子２の非導通期間は減少するが、励磁電流検出に影響を及ぼさない程度のリーク電流特性を持った部品を選定することで励磁電流検出が可能となる。また、抵抗２４はスイッチング素子２とフォトモスリレー３０とが同時とみなしてよいタイミングで導通または非導通となった場合に、コンデンサ２３から励磁電流検出抵抗４側へ電流が流れた場合に、コンデンサ２３の保持電圧が急激に低下し、検出に影響を及ぼすことを避ける働きをする。制御マイコン１３ｂはコンデンサ２３に充電された電磁石１の励磁電流に比例した電圧信号を読込み、電磁石１の鉄心の保持に必要な励磁電流が流れるパルス幅でパルス駆動回路を介してスイッチング素子２をパルス制御する。

以上のように実施の形態３に係る電磁石駆動装置によれば、励磁電流検出抵抗４が電磁石１とフライホイルダイオード５で形成されるループの外に取付けてあるため、スイッチング素子２の導通状態の時のみ励磁電流検出抵抗４に電力消費が発生し、スイッチング素子２の非導通状態の時は電力消費が発生しないため、電力損失を抑えることができる。

また、実施の形態３に係る電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置等に用いた場合、本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石１に加わるが、数十秒毎に鉄心再吸引を行うことで、外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻すことができる。

以上、この発明の実施の形態１から３について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims

電磁石に印加するＤＣ電源電圧を出力する巻線用電源回路と、
上記ＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、
上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、
上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、を備え、
上記制御マイコンは、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記ＤＣ電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記ＤＣ電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うと共に、上記パルス制御のオンデューティの補正係数を求め、基準オンデューティに補正係数を掛けたオンデューティでパルス制御を行うことを特徴とする電磁石駆動装置。
上記電磁石の巻線抵抗値が異常となった時にアラームを出力するアラーム出力回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電磁石駆動装置。
上記巻線用電源回路への入力電源の切断後に、上記電磁石の鉄心吸引を維持する電源供給を行う時延動作用コンデンサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁石駆動装置。
上記電磁石と並列接続されるフライホイルダイオードを備え、上記励磁電流検出抵抗を上記電磁石と上記フライホイルダイオードにより形成されるループの外に設けたことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
上記スイッチング素子が導通して上記励磁電流検出抵抗に励磁電流に比例した検出電圧が発生した時のみに導通する半導体スイッチと、上記制御マイコンに接続されたコンデンサと、を備え、
上記コンデンサは、上記励磁電流検出抵抗の検出電圧と等しい電圧で充電されると共に、充電された電圧を保持することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
上記スイッチング素子が導通して上記励磁電流検出抵抗に励磁電流に比例した検出電圧が発生した時のみに導通するフォトモスリレーと、上記制御マイコンに接続されたコンデンサと、を備え、
上記コンデンサは、上記励磁電流検出抵抗の検出電圧と等しい電圧で充電されると共に、充電された電圧を保持することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
電磁石に印加するＤＣ電源電圧を出力する巻線用電源回路と、
上記ＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、
上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、
上記電磁石の巻線抵抗値が異常となった時にアラームを出力するアラーム出力回路と、
上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、を備え、
上記制御マイコンは、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記ＤＣ電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記ＤＣ電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うことを特徴とする電磁石駆動装置。
電磁石に印加するＤＣ電源電圧を出力する巻線用電源回路と、
上記ＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、
上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、
上記巻線用電源回路への入力電源の切断後に、上記電磁石の鉄心吸引を維持する電源供給を行う時延動作用コンデンサと、
上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、を備え、
上記制御マイコンは、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記ＤＣ電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記ＤＣ電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うことを特徴とする電磁石駆動装置。
電磁石に印加するＤＣ電源電圧を出力する巻線用電源回路と、
上記ＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、
上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、
上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、
上記スイッチング素子が導通して上記励磁電流検出抵抗に励磁電流に比例した検出電圧が発生した時のみに導通する半導体スイッチと、
上記制御マイコンに接続され、上記励磁電流検出抵抗の検出電圧と等しい電圧で充電されると共に、充電された電圧を保持するコンデンサと、を備え、
上記制御マイコンは、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記ＤＣ電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記ＤＣ電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うことを特徴とする電磁石駆動装置。
電磁石に印加するＤＣ電源電圧を出力する巻線用電源回路と、
上記ＤＣ電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、
上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、
上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、
上記スイッチング素子が導通して上記励磁電流検出抵抗に励磁電流に比例した検出電圧が発生した時のみに導通するフォトモスリレーと、
上記制御マイコンに接続され、上記励磁電流検出抵抗の検出電圧と等しい電圧で充電されると共に、充電された電圧を保持するコンデンサと、を備え、
上記制御マイコンは、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記ＤＣ電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、
上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記ＤＣ電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うことを特徴とする電磁石駆動装置。