JP6252448B2

JP6252448B2 - 開閉器および電力変換装置

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Publication number: JP6252448B2
Application number: JP2014239837A
Authority: JP
Inventors: 孝幸甲斐; 月間　満; 満月間; 稲葉　繁; 繁稲葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: JP2016103331A

Description

この発明は、電力機器用の開閉器に関し、とくに遮断器や断路器として用いられる開閉器、あるいは電力変換装置の保護装置として用いられる開閉器に関する。

電力系統の送電網に接続された電力機器には、送電線への落雷事故による過電流から保護するために、その過電流を転流させるための開閉器が備えられている。この開閉器には、電力機器を構成する他の機器に過電流が流れるのを防ぐために、高速閉極する機能が必要である。同時に、この開閉器には過電流が除去された後の高速再起動のために、高速開極の機能も必要となる。

このような、閉極速度と開極速度とをバランスさせた開閉器として、可動部の可動範囲の中間位置で可動部に付設された２つのばねの荷重がつりあうように構成された開閉器が開示されている。このような開閉器においては、開極動作および閉極動作の両方でばね荷重を使用し、可動部の保持と駆動とに電磁駆動装置の電磁石の吸引力を用いて開極速度と閉極速度とをバランスさせている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２６８６８３号公報（８−９頁、図９）

しかしながら、従来の開閉器において、開極動作および閉極動作の両方を高速化するためには、ばねの荷重を大きくする必要があり、そのばねを圧縮するために必要な電磁駆動装置の電磁石の吸引力を大きくする必要がある。その結果、電磁駆動装置が大型化するという問題があった。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、電磁駆動装置を大型化せずに高速開極と高速閉極とを両立した開閉器を得るものである。

この発明に係る開閉器においては、固定鉄心と、この固定鉄心に対して開極位置および閉極位置との間を移動する可動鉄心と、前記可動鉄心を前記開極位置および前記閉極位置のそれぞれで吸着保持する永久磁石と、前記可動鉄心の前記開極位置側に配置された第１コイルと、前記可動鉄心の前記閉極位置側に配置された第２コイルと、前記可動鉄心に固定され前記固定鉄心に第１弾性体を介して接続された第１可動軸と、この第１可動軸に第２弾性体を介して接続され前記第１可動軸で可動距離を規制される第２可動軸と、この第２可動軸に絶縁ロッドを介して固定された可動接点と、この可動接点が接触および非接触となる固定接点と、前記第１コイルおよび第２コイルを励磁する駆動回路とを備えており、前記駆動回路は、開極動作においては、前記第１コイルに対して前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流を流し、前記第２コイルに対して前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流を流し、閉極動作においては、前記第１コイルに対して前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流を流し、前記第２コイルに対して前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流を流し、前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流の立ち上がりよりも前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流の立ち上がりを速くしたものである。

この発明は、開極動作においては、前記第１コイルに対して前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流を流し、前記第２コイルに対して前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流を流し、閉極動作においては、前記第１コイルに対して前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流を流し、前記第２コイルに対して前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流を流し、前記永久磁石の磁束を強める磁束
を発生する励磁電流の立ち上がりよりも前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流の立ち上がりを速くしているので電磁駆動装置を大型化せずに高速開極と高速閉極とを両立した開閉器が得られる。

実施の形態１を示す開閉器の構成図である。実施の形態１の駆動回路の構成図である。実施の形態１の励磁電流を示す説明図である。実施の形態１の開閉器の動作を示す説明図である。実施の形態１の開閉器の動作を示す説明図である。実施の形態１の駆動回路の動作を示す説明図である。実施の形態２の駆動回路の構成図である。実施の形態２の駆動回路の動作を示す説明図である。実施の形態３の駆動回路の構成図である。実施の形態３の駆動回路の動作を示す説明図である。実施の形態３の励磁電流を示す説明図である。実施の形態４の電力変換装置の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における開閉器の構成図である。図１において、（ａ）は開極状態、（ｂ）は開極から閉極への駆動途中の状態、（ｃ）は閉極状態をそれぞれ示している。

本実施の形態における開閉器１は、固定接点２と、固定接点２に接触および非接触となる可動接点３と、可動接点３の固定接点２と接触する側の反対側に接続された絶縁ロッド４と、絶縁ロッド４の可動接点と接続する側の反対方向に接続された第２可動軸５と、第２可動軸５を開極方向に可動距離を規制する第１可動軸６と、第２可動軸５と第１可動軸６とが互いに反発するように第２可動軸５と第１可動軸６との間に取り付けられた第２弾性体である開極ばね７と、第１可動軸６に固定された可動鉄心１０１と、可動鉄心１０１を囲むように配置された固定鉄心１０２と、第１可動軸６と固定鉄心１０２との間にばね受け９を介して取り付けられた第１弾性体である閉極ばね８と、可動鉄心１０１を固定鉄心１０２の内空間の閉極側および開極側でそれぞれ吸着保持するように取り付けられた永久磁石１０５と、固定鉄心１０２の内空間で、可動鉄心１０１が閉極時に移動する側に配置された第２コイルである閉極コイル１０３と、固定鉄心１０２の内空間で、可動鉄心１０１が開極時に移動する側に配置された第１コイルである開極コイル１０４とを備えている。開閉器１は、閉極コイル１０３および開極コイル１０４に接続された駆動回路により開極動作時と閉極動作時とに駆動される。

なお、可動鉄心１０１、固定鉄心１０２、閉極コイル１０３、開極コイル１０４および永久磁石１０５で電磁駆動装置１０を構成している。

第１可動軸６と第２可動軸５との接続関係について説明する。図１に示すように、第１可動軸の駆動装置１０に対して反対側は箱状の形状であり、この箱状の形状の内部で第２可動軸５は開極ばね７を介して第１可動軸６に接続されている。第２可動軸５は、第１可動軸６の箱状の部分に形成された開口部から突出した形状であるが、第２可動軸５の駆動装置１０側の端部は、開口部で可動が規制されるように開口部より大きな形状となっている。

図２は、本実施の形態における開閉器１を駆動する駆動回路２００の構成図である。駆動回路２００は、外部の直流電源２０５と接続される入力端子ａ、ｂの極性と内部端子ｃ、ｄへの出力の極性とを切り替える極性切替回路２０１と、端子ｃに接続される第１励磁用回路２０３および第２励磁用回路２０４と、この第１励磁用回路２０３および第２励磁用回路２０４の出力を開極コイル１０４への出力端子ｈおよび閉極コイル１０３への出力端子ｇへの出力を切り替える励磁切替回路２０２とで構成されている。入力端子ａは、外部の直流電源２０５のプラス側、入力端子ｂは、外部の直流電源２０５のマイナス側にそれぞれ接続されている。なお、外部の直流電源２０５は、コンデンサで構成された放電回路でもよい。

極性切替回路２０１は、入力端子ａ、ｂと内部の端子ｃ、ｄとの間の接続を入れ替えることができるように第１開極スイッチ２０６と第１閉極スイッチ２０７とで構成されている。端子ｃには第１励磁用回路２０３と第２励磁用回路２０４とが並列接続されている。端子ｄには駆動回路２００の外部で閉極コイル１０３および開極コイル１０４が接続されている。

図３は、本実施の形態の第１励磁用回路２０３の励磁電流と第２励磁用回路２０４の励磁電流とを示した特性図である。図３において、曲線３３が第１励磁用回路２０３の励磁電流であり、曲線３４が第２励磁用回路２０４の励磁電流である。第１励磁用回路２０３および第２励磁用回路２０４は、それぞれコイルとコイル自身の抵抗とで構成されており、第１励磁用回路２０３のインダクタンスは、第２励磁用回路２０４のインダクタンスよりも大きく設定されている。すなわち、第１励磁用回路２０３の励磁電流の時定数は、第２励磁用回路２０４の励磁電流の時定数よりも大きい。したがって、図３に示すように、第２励磁用回路２０４の励磁電流の立ち上がりは、第１励磁用回路２０３の励磁電流の立ち上がりよりも速くなる。

励磁切替回路２０２は、第１励磁用回路２０３の出力の内部端子ｆおよび第２励磁用回路２０４の出力の内部端子ｅと開極コイル１０４への出力端子ｈおよび閉極コイル１０３への出力端子ｇとの間の接続を入れ替えることができるように第２開極スイッチ２０８と第２閉極スイッチ２０９とで構成されている。

次に、駆動回路２００の制御による開閉器１の動作について説明する。図４は、本実施の形態における開極状態と閉極状態との間での開閉器１の状態を示した説明図である。図４において、（ａ）は開極状態、（ｄ）は閉極状態であり、（ｂ）および（ｃ）は閉極動作時の状態、（ｅ）および（ｆ）は開極動作時の状態を示している。また、図４において、白色矢印は永久磁石１０５が発生する磁束、黒色矢印は閉極コイル１０３および開極コイル１０４が発生する磁束の向きを示している。なお、駆動回路２００の制御による開閉器１の動作は、駆動回路２００を制御する別の制御装置（図示せず）からの指令に基づいて行われる。

また、図５は、可動鉄心１０１に作用する開極ばね７の荷重（曲線Ａ）、閉極ばね８の荷重（曲線Ｂ）、永久磁石１０５による電磁力（曲線Ｃ）、閉極動作時の永久磁石、閉極コイル１０３および開極コイルによる電磁力の総和（曲線Ｄ）並びに開極極動作時の永久磁石、閉極コイル１０３および開極コイルによる電磁力の総和（曲線Ｅ）を示す説明図である。なお、曲線Ａ＋Ｂは、ばね荷重の総和を示す。図５において、横軸は可動鉄心１０１の位置、縦軸は電磁力またはばね荷重である。横軸の左端は可動鉄心の閉極位置、横軸の右端は可動鉄心の開極位置である。縦軸の原点は電磁力または荷重がゼロである。縦軸のプラス側は、コイルおよび永久磁石による電磁力に対しては閉極方向に働く力でありばね荷重に対しては開極方向に働く力であり、マイナス側はその逆に働く力である。なお、永久磁石から可動鉄心へ作用する磁力については、可動鉄心が移動しているときは吸引力、可動鉄心が開極位置および閉極位置に静止しているときは保持力と表現する。

さらに、図６は、閉極動作時および開極動作時の駆動回路２００のスイッチ類のオンまたはオフ状態を示した説明図である。図６（ａ）は、閉極動作時の駆動回路の状態を示したもので、図６（ｂ）は開極動作時の駆動回路の状態を示したものである。動作については、図１、図４、図５および図６に基づいて説明する。

図４（ａ）に示す開極位置では、可動鉄心１０１は固定鉄心１０２の右側（開極側）の内壁に永久磁石１０５の磁束（図４（ａ）の白色矢印）で吸着保持されている。このとき、図１（ａ）に示すように、閉極ばね８は第２可動軸６とばね受け９との間で閉極時よりも縮んだ状態で圧縮されており、開極ばね７は第２可動軸６と第１可動軸５との間の空間で閉極時よりも伸びた状態で圧縮されている。つまり、永久磁石１０５による保持力（図５の曲線Ｃ）が、閉極ばね８のばね荷重（図５の曲線Ｂ）よりも大きければ、可動鉄心１０１は開極位置で吸着保持される。

図４（ｄ）に示す閉極位置では、可動鉄心１０１は固定鉄心１０２の左側（閉極側）の内壁に永久磁石１０５の磁束（図４（ｄ）の白色矢印）で吸着保持されている。
このとき、図１（ｃ）に示すように、閉極ばね８は第２可動軸６とばね受け９との間で開極時よりも伸びた状態で圧縮されており、開極ばね７は第２可動軸６と第１可動軸５との間の空間で開極時よりも縮んだ状態で圧縮されている。つまり、永久磁石１０５による保持力（図５の曲線Ｃ）が、開極ばね７のばね荷重と閉極ばね８のばね荷重の総和（図５の曲線Ａ＋B）よりも大きい場合、可動鉄心１０１は閉極位置で吸着保持される。

初めに閉極動作について説明する。
開極位置から閉極位置への駆動、つまり閉極動作においては、図６（ａ）に示すように、駆動回路２００の極性切替回路２０１の第１開極スイッチ２０６はオフに設定され、第１閉極スイッチ２０７はオンに設定される。また、励磁切替回路２０２の第２開極スイッチ２０８はオフに設定され、第２閉極スイッチ２０９はオンに設定される。このように駆動回路のスイッチ類が設定されると、閉極コイル１０３および開極コイル１０４には、それぞれ図６（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れる。このとき、励磁切替回路２０２のスイッチ類の設定により、閉極コイル１０３は第１励磁用回路２０３に、開極コイル１０４は第２励磁用回路２０４にそれぞれ接続されている。

閉極コイル１０３は、図６（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れたときに、永久磁石１０５の磁束を強める磁束を発生するように巻かれている。また、開極コイル１０４は、図６（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れたときに、永久磁石１０５の磁束を打ち消す磁束を発生するように巻かれている。

第１励磁用回路２０３のインダクタンスは、第２励磁用回路２０４のインダクタンスよりも大きく設定されているので、第２励磁用回路２０４の励磁電流の時定数の方が第１励磁用回路２０３の励磁電流の時定数が小さいため、第２励磁用回路２０４の励磁電流の方が速く立ち上がる。そのため、第２励磁用回路２０４に接続されている開極コイル１０４の磁束は、閉極コイル１０３の磁束より速く立ち上がる。

図４（ｂ）に示すように、閉極動作開始時は、開極コイル１０４の磁束が速く立ち上がる。このとき開極コイル１０４が発生する磁束は永久磁石１０５の磁束（白色矢印）を打ち消す磁束（黒色矢印）となるので、可動鉄心１０１の開極位置での保持力が弱められる。可動鉄心１０１の開極位置での保持力よりも圧縮されていた閉極ばね８の開放力が上回ると、可動鉄心１０１は、開極位置から閉極位置へ移動を開始する。

次に、図４（ｃ）に示すように、開極コイル１０４の磁束よりも遅く立ち上がる閉極コイル１０３の磁束が立ち上がる。このとき閉極コイル１０３が発生する磁束は永久磁石１０５の磁束（白色矢印）を強める磁束（黒色矢印）となるので、可動鉄心１０１は、閉極位置への移動が加速される。図４（ｃ）に示す閉極動作時の駆動途中で、図１（ｂ）に示すように可動接点３が固定接点２に衝突する。可動鉄心１０１はさらに固定鉄心１０２の左側（閉極側）の内壁側へ駆動されるが、第２可動軸５は接点間の接触によって左側への移動は規制されているので、開極ばね７が圧縮されながら第１可動軸６は可動鉄心１０１と共に左側へ駆動される。

最後に、図４（ｄ）に示すように、可動鉄心１０１は、固定鉄心１０２の左側（閉極側）の内壁に衝突した後、永久磁石１０５の磁束（白色矢印）で吸着保持されて閉極が完了する。

図４（ｂ）の状態から（ｄ）の状態に駆動されるときの可動鉄心１０１に作用する電磁力は、図５の曲線Ｄに示すように、開極位置で永久磁石の磁束が開極コイル１０４の磁束で打ち消される。そのため、閉極ばね８の開放力により可動鉄心１０１は、開極位置から閉極位置へ移動を開始する。移動が開始されたあとは可動鉄心１０１が固定鉄心１０２から離れるので永久磁石１０５による吸引力は弱くなる。閉極コイル１０３の磁束は、開極コイル１０４の磁束より遅く立ち上がる。閉極コイル１０３は永久磁石１０５の磁束を強める磁束を発生するので、閉極位置に近づいた固定鉄心１０１に作用する電磁力は、閉極位置へ近づくにしたがって急激に上昇する。

図４（ｄ）に示すように閉極動作終了時は、可動鉄心１０１は固定鉄心１０２の左側（閉極側）の内壁に永久磁石１０５の磁束（図４（ｄ）の白色矢印）で吸着保持されている。閉極動作終了時には、図１（ｃ）に示すように、開極ばね７が圧縮された状態で接点間の接触が保たれる。

次に開極動作について説明する。
開極動作においては、図６（ｂ）に示すように、駆動回路２００の極性切替回路２０１の第１開極スイッチ２０６はオンに設定され、第１閉極スイッチ２０７はオフに設定される。また、励磁切替回路２０２の第２開極スイッチ２０８はオンに設定され、第２閉極スイッチ２０９はオフに設定される。このように駆動回路のスイッチ類が設定されると、閉極コイル１０３および開極コイル１０４には、それぞれ図６（ｂ）の黒矢印で示す方向に電流が流れる。このとき、励磁切替回路２０２のスイッチ類の設定により、閉極コイル１０３は第２励磁用回路２０４に、開極コイル１０４は第１励磁用回路２０３にそれぞれ接続されている。

図６（ｂ）の黒矢印で示す電流の方向は、図６（ａ）に示す電流の流れと逆方向であるので、閉極コイル１０３は永久磁石１０５の磁束を打ち消す磁束を発生し、開極コイル１０４は永久磁石１０５の磁束を強める磁束を発生することになる。また、第１励磁用回路２０３のインダクタンスは、第２励磁用回路２０４のインダクタンスよりも大きく設定されているので、第２励磁用回路２０４の励磁電流の方が第１励磁用回路２０３の励磁電流より速く立ち上がる。そのため、第２励磁用回路２０４に接続されている閉極コイル１０３の磁束は、開極コイル１０４の磁束より速く立ち上がる。

図４（ｅ）に示すように、開極動作開始時は、閉極コイル１０３の磁束が速く立ち上がる。このとき閉極コイル１０３が発生する磁束は永久磁石１０５の磁束（白色矢印）を打ち消す磁束（黒色矢印）となるので、可動鉄心１０１の閉極位置での保持力が弱められる。可動鉄心１０１の閉極位置での保持力よりも圧縮されていた開極ばね７と閉極ばね８との総荷重が上回ると、第１可動軸５を介して可動鉄心１０２は閉極ばね８を圧縮しながら閉極位置から開極位置へ移動を開始する。

次に、図４（ｆ）に示すように、閉極コイル１０３の磁束よりも遅く立ち上がる開極コイル１０４の磁束が立ち上がる。このとき開極コイル１０４が発生する磁束は永久磁石１０５の磁束（白色矢印）を強める磁束（黒色矢印）となるので、可動鉄心１０１は、開極位置への移動が加速される。図４（ｆ）に示す閉極動作時の駆動途中で、図１（ｂ）に示すように第２可動軸５が第１可動軸６の開口部に衝突する。可動鉄心１０１はさらに固定鉄心１０２の右側（開極側）の内壁側へ駆動されるが、第２可動軸５は接第１可動軸６と共に右側へ移動するので、可動接点は固定接点から離れる。

最後に、図４（ａ）に示すように、可動鉄心１０１は、固定鉄心１０２の右側（開極側）の内壁に衝突した後、永久磁石１０５の磁束（白色矢印）で吸着保持されて開極が完了する。

図４（ｅ）の状態から（ａ）の状態に駆動されるときの可動鉄心１０１に作用する電磁力は、図５の曲線Ｅに示すように、閉極位置で永久磁石の磁束が閉極コイル１０３の磁束で打ち消される。そのため、閉極ばね７の開放力により可動鉄心１０１は、閉極位置から開極位置へ移動を開始する。移動が開始されたあとは可動鉄心１０１が固定鉄心１０２から離れるので永久磁石１０５による吸引力は弱くなる。開極コイル１０４の磁束は、閉極コイル１０３の磁束より遅く立ち上がる。開極コイル１０４は永久磁石１０５の磁束を強める磁束を発生するので、開極位置に近づいた固定鉄心１０１に作用する電磁力は、開極位置へ近づくにしたがって急激に上昇する。

本実施の形態の開閉器においては、閉極動作時に、開極コイルの磁束で永久磁石の磁束を打ち消して永久磁石による可動鉄心の開極位置での保持力を弱めると共に、開極コイルの磁束より遅く立ち上がる閉極コイルの磁束で永久磁石の磁束を強めて永久磁石による可動鉄心の閉極位置への吸引力を強めている。また、開極動作時に、閉極コイルの磁束で永久磁石の磁束を打ち消して永久磁石による可動鉄心の閉極位置での保持力を弱めると共に、閉極コイルの磁束より遅く立ち上がる開極コイルの磁束で永久磁石の磁束を強めて永久磁石による可動鉄心の開極位置への吸引力を強めている。

つまり、本実施の形態の開閉器においては、開極コイルおよび閉極コイルそれぞれが開極動作および閉極動作のみにそれぞれ駆動されるのではなく、開極動作時には閉極コイルが永久磁石の磁束を強める磁束を発生し、閉極動作時には開極コイルが永久磁石の磁束を強める磁束を発生するように構成されている。

このように構成された開閉器は、電磁駆動装置を大型化せずに高速開極と高速閉極とを両立することができる。

なお、本実施の形態において、第１励磁用回路２０３のインダクタンスは、第２励磁用回路２０４のインダクタンスよりも大きく設定することで、第２励磁用回路２０４の励磁電流の方が第１励磁用回路２０３の励磁電流より速く立ち上がるように設定しているが、その立ち上がりの傾きの差について説明する。

図４に示したように、閉極開始または開極開始されると、永久磁石の保持力を打ち消すように一方のコイルの磁束が速く立ち上がる。閉極ばねあるいは開極ばねの開放力によって可動鉄心の移動が開始されるが、可動鉄心が固定鉄心のほぼ中央（図４の（ｃ）あるは（ｆ））の位置になったときに永久磁石の吸引力を強めるように他方のコイルの磁束が遅く立ち上がるのが望ましい。したがって、励磁電流の立ち上がりの傾きの差は、永久磁石の磁力、可動鉄心や固定鉄心の材質や構造、閉極ばねや開極ばねの開放力、第１可動軸や第２可動軸の構造や接続関係によって決定される。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２における開閉器を駆動する駆動回路２００の構成図である。本実施の形態における開閉器の構成は、実施の形態１の開閉器と同様であるが、駆動回路の内部構成が異なっている。

本実施の形態における駆動回路２００は、実施の形態１の駆動装置において励磁切替回路２０２の構成を変更したものである。本実施の形態の励磁切替回路２０２は、第１励磁用回路２０３の出力の内部端子ｆおよび第２励磁用回路２０４の出力の内部端子ｅと開極コイル１０４への出力端子ｈおよび閉極コイル１０３への出力端子ｇとの間の接続を入れ替えることができるように、図７で示したように４つのダイオードで構成されている。具体的には、内部端子ｆと出力端子ｈとの間にはｆからｈが順方向となるダイオード２１１、内部端子ｆと出力端子ｇとの間にはｆからｇが逆方向となるダイオード２１２が接続されており、内部端子ｅと出力端子ｈとの間にはｅからｈが逆方向となるダイオード２１３、内部端子ｅと出力端子ｇとの間にはｅからｇが順方向となるダイオード２１４が接続されている。なお、本実施の形態で用いるダイオードは、順方向には電流が流れ、逆方向には電流が流れない機能を備えたものである。

なお、本実施の形態における駆動回路においては、励磁切替回路２０２を除き、極性切替回路２０１、第１励磁用回路２０３および第２励磁用回路２０４は、実施の形態１と同じ構成である。

図８は、閉極動作時および開極動作時の駆動回路２００のスイッチ類のオンまたはオフ状態を示した説明図である。図８（ａ）は、閉極動作時の駆動回路の状態を示したもので、図８（ｂ）は開極動作時の駆動回路の状態を示したものである。

開極位置から閉極位置への駆動、つまり閉極動作においては、図８（ａ）に示すように、駆動回路２００の極性切替回路２０１の第１開極スイッチ２０６はオフに設定され、第１閉極スイッチ２０７はオンに設定される。このように極性切替回路２０１のスイッチ類が設定されると、閉極コイル１０３および開極コイル１０４には、それぞれ図８（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れる。このとき、励磁切替回路２０２のダイオードの整流特性により、閉極コイル１０３は第１励磁用回路２０３に、開極コイル１０４は第２励磁用回路２０４にそれぞれ接続される。

開極動作においては、図８（ｂ）に示すように、駆動回路２００の極性切替回路２０１の第１開極スイッチ２０６はオンに設定され、第１閉極スイッチ２０７はオフに設定される。このように極性切替回路２０１のスイッチ類が設定されると、閉極コイル１０３および開極コイル１０４には、それぞれ図８（ｂ）の黒矢印で示す方向に電流が流れる。このとき、励磁切替回路２０２のダイオードの整流特性により、閉極コイル１０３は第２励磁用回路２０４に、開極コイル１０４は第１励磁用回路２０３にそれぞれ接続されている。

本実施の形態の開閉器の閉極動作および開極動作において、閉極コイル１０３および開極コイル１０４と第１励磁用回路２０３および第２励磁用回路２０４との接続関係および電流の流れる方向は、実施の形態１の図５で示したものと同じになる。したがって、本実施の形態の開閉器は、実施の形態１と同様に、電磁駆動装置を大型化せずに高速開極と高速閉極を両立することができる。

また、本実施の形態の開閉器においては、励磁切替回路がダイオードによる整流回路で構成されているので、開極動作および閉極動作は極性切替回路２０１のスイッチ類の切り替えのみで動作でき、実施の形態１よりも動作が簡易となる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３における開閉器を駆動する駆動回路２００の構成図である。本実施の形態における開閉器の構成は、実施の形態１の開閉器と同様であるが、駆動回路の内部構成が異なっている。

本実施の形態における駆動回路２００は、実施の形態１の駆動装置において、第１励磁用回路２０３および第２励磁用回路２０４を除かれ、さらに励磁切替回路２０２をスイッチ回路２１０に変更したものである。

駆動回路２００は、外部の直流電源２０５と接続される入力端子ａ、ｂの極性と内部端子ｃ、ｄへの出力の極性とを切り替える極性切替回路２０１と、内部端子ｃ、ｄの出力を開極コイル１０４および閉極コイル１０３へスイッチを介して接続をオンオフするスイッチ回路２１０とで構成されている。

極性切替回路２０１は、入力端子ａ、ｂと内部の端子ｃ、ｄとの間の接続を入れ替えることができるように第１開極スイッチ２０６と第１閉極スイッチ２０７とで構成されている。端子ｃには内部端子ｅ、ｆが接続されている。端子ｄには駆動回路２００の外部で閉極コイル１０３および開極コイル１０４が接続されている。

スイッチ回路２１０は、内部端子ｅ、ｆを入力側とし、この内部端子ｅ、ｆと出力端子ｇ、ｈとの間に設置されたスイッチで構成されている。
具体的には、内部端子ｅと出力端子ｇとの間にはスイッチ２１５、内部端子ｅと出力端子ｈとの間にはスイッチ２１６が接続されている。

図１０は、閉極動作時および開極動作時の駆動回路２００のスイッチ類のオンまたはオフ状態を示した説明図である。図１０（ａ）は、閉極動作時の駆動回路の状態を示したもので、図１０（ｂ）は開極動作時の駆動回路の状態を示したものである。

初めに閉極動作について説明する。
開極位置から閉極位置への駆動、つまり閉極動作においては、図１０（ａ）に示すように、駆動回路２００の極性切替回路２０１の第１開極スイッチ２０６はオフに設定され、第１閉極スイッチ２０７はオンに設定される。このように駆動回路のスイッチ類が設定されると、閉極コイル１０３および開極コイル１０４には、それぞれ図１０（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れる。また、スイッチ回路２１０のスイッチ２１５、２０１６はオンに設定されるが、後述するようにスイッチ２１５と２１６とがオンに設定される時刻に時間差が与えられている。

閉極コイル１０３は、図１０（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れたときに、永久磁石１０５の磁束を強める磁束を発生するように巻かれている。また、開極コイル１０４は、図１０（ａ）の黒矢印で示す方向に電流が流れたときに、永久磁石１０５の磁束を打ち消す磁束を発生するように巻かれている。

閉極動作においては、スイッチ２１５がオンに設定される時刻に対して、スイッチ２１６がオンに設定される時刻が早く設定されている。このように設定されているので、スイッチ２１６が先にオンとなるため開極コイル１０４の磁束は、閉極コイル１０３の磁束より先に立ち上がる。その後、スイッチ２１５が遅れてオンとなるため、閉極コイル１０３の磁束は、遅れて立ち上がる。

図１１は、本実施の形態における励磁電流の特性図である。図１１において、曲線４３が永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流の立ち上がりの特性を示したものであり、曲線４４が永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流の立ち上がりの特性を示したものである。閉極動作においては、開極コイル１０４には図１１の曲線４４に示す励磁電流が流れ、閉極コイル１０３には図１１の曲線４３に示す励磁電流が流れることになる。

このような手順で極性切替回路２０１およびスイッチ回路２１０が駆動されると、実施の形態１の図４で示したような磁束の発生によって閉極動作が行われる。

次に開極動作について説明する。
開極動作においては、図１０（ｂ）に示すように、駆動回路２００の極性切替回路２０１の第１開極スイッチ２０６はオンに設定され、第１閉極スイッチ２０７はオフに設定される。このように駆動回路のスイッチ類が設定されると、閉極コイル１０３および開極コイル１０４には、それぞれ図１０（ｂ）の黒矢印で示す方向に電流が流れる。また、スイッチ回路２１０のスイッチ２１５、２１６はオンに設定されるが、後述するようにスイッチ２１５と２１６とがオンに設定される時刻に時間差が与えられている。

図１０（ｂ）の黒矢印で示す電流の方向は、図１０（ａ）に示す電流の流れと逆方向であるので、閉極コイル１０３は永久磁石１０５の磁束を打ち消す磁束を発生し、開極コイル１０４は永久磁石１０５の磁束を強める磁束を発生することになる。

開極動作においては、スイッチ２１６がオンに設定される時刻に対して、スイッチ２１５がオンに設定される時刻が早く設定されている。このように設定されているので、スイッチ２１５が先にオンとなるため閉極コイル１０３の磁束は、開極コイル１０４の磁束より先に立ち上がる。その後、スイッチ２１６が遅れてオンとなるため、開極コイル１０４の磁束は、遅れて立ち上がる。

開極動作においては、開極コイル１０４には図１１の曲線４３に示す励磁電流が流れ、閉極コイル１０３には図１１の曲線４４に示す励磁電流が流れることになる。

このような手順で極性切替回路２０１およびスイッチ回路２１０が駆動されると、実施の形態１の図４で示したような磁束の発生によって閉極動作が行われる。なお、駆動回路２００の制御による開閉器１の動作は、駆動回路２００を制御する別の制御装置（図示せず）からの指令に基づいて行われる。

本実施の形態の開閉器においては、閉極動作時に、開極コイルの磁束で永久磁石の磁束を打ち消して永久磁石による可動鉄心の開極位置での保持力を弱めると共に、開極コイルの磁束より遅れて立ち上がる閉極コイルの磁束で永久磁石の磁束を強めて永久磁石による可動鉄心の閉極位置への吸引力を強めている。また、開極動作時に、閉極コイルの磁束で永久磁石の磁束を打ち消して永久磁石による可動鉄心の閉極位置での保持力を弱めると共に、閉極コイルの磁束より遅れて立ち上がる開極コイルの磁束で永久磁石の磁束を強めて永久磁石による可動鉄心の開極位置への吸引力を強めている。

なお、本実施の形態において、スイッチ回路２１０のスイッチ２１５、２１６がオンに設定される時刻に差を設けているが、その時間差について説明する。

図４に示したように、閉極開始または開極開始されると、永久磁石の保持力を打ち消すように一方のコイルの磁束が先に立ち上がる。閉極ばねあるいは開極ばねの開放力によって可動鉄心の移動が開始されるが、可動鉄心が固定鉄心のほぼ中央（図４の（ｃ）あるは（ｆ））の位置になったときに永久磁石の吸引力を強めるように他方のコイルの磁束が遅れて立ち上がるのが望ましい。したがって、励磁電流の立ち上がりの時間差は、永久磁石の磁力、可動鉄心や固定鉄心の材質や構造、閉極ばねや開極ばねの開放力、第１可動軸や第２可動軸の構造や接続関係によって決定される。

また、本実施の形態においては、極性切替回路２０１の出力端子ｃとスイッチ回路２１０の入力端子となる内部端子ｅ、ｆとを直接接続しているが、端子ｃとｆとの間および端子ｃとｅとの間に実施の形態１で説明したコイルで構成された励磁用回路を挿入してもよい。励磁用回路を挿入することにより、励磁電流の立ち上がり特性を適宜制御できる。

実施の形態４．
図１２は、実施の形態４における電力変換装置の構成図である。図１２に示す電力変換器は、交流電力を直流電力に変換するＭＭＣ方式（ＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）の電力変換器である。本実施の形態の電力変換器３００は、図１２に示したように、三相の交流電力の入力系統に対して、各相と直流出力線との間に複数のパワーモジュール３０１が直列で接続されている。各パワーモジュール３０１は、２つのパワー半導体回路３０２が直列に接続されており、そのパワー半導体回路３０２と並列にエネルギー蓄積器としてコンデンサ３０３が接続されている。さらに各パワーモジュール３０１の入力端子と出力端子との間に開閉器３０４が並列に接続されている。

本実施の形態の電力変換装置３００における開閉器の動作責務は、パワーモジュール３０１内のパワー半導体回路３０２が故障してこのパワー半導体回路３０２の電気的導通が失われた場合、電力変換装置３００全体が運転停止してしまうことを防ぐことにある。パワー半導体回路３０２が故障して電気的導通が失われた場合、その故障したパワーモジュール３０１の入力端子と出力端子との間に接続された開閉器３０４を閉極することで、パワーモジュール３０１の出力を短絡させる。この場合、故障したパワーモジュール３０１の出力を短絡しても、直列接続するパワーモジュール３０１の個数に冗長性を持たせることで、電力変換器３００は継続運転が可能となる。

このような電力変換装置において、パワーモジュール３０１の入力端子と出力端子との間に接続された開閉器３０４は、本来の動作責務として故障したパワーモジュール３０１の出力を短絡して電力変換装置３００全体の運転を継続するために接続されている。

また、入力系統の短絡事故などによる短絡電流によってパワー半導体回路３０２が故障する恐れがある。しかしながら、短絡事故発生時に高速に開閉器３０４を閉極できれば、短絡電流は開閉器３０４を流れることになり、パワー半導体回路３０に短絡電流が流れずパワー半導体回路３０２の故障を未然に防ぐことができる。

また、短絡事故が解消され短絡電流が消滅した後に高速に開閉器３０４を開極できれば、最小限の停止時間で電力変換器３００の正常運転を再開することができる。このように、電力変換器において、開閉器が高速開極と高速閉極との両方の機能を備えていれば、入力系統に短絡事故などが発生しても、電力変換器の出力の負荷側から見れば電力変換器は瞬時停止しただけとなり、負荷側の装置が正常な運転を継続できる場合がある。

本実施の形態の電力変換装置においては、開閉器を実施の形態１または実施の形態２または実施の形態３で示した開閉器で構成したものである。このように構成することにより、電力変換装置は最小限の停止時間で正常運転を再開することができる。

従来の同様な電力変換器においては、開閉器３０４として機械式の開閉器の代わりにサイリスタなどの半導体素子が用いられているが、本実施の形態のように抵抗の小さい接点を有する安価な構成で開閉器３０４を実現できるため、連続通電性能に優れ低コストの電力変換器を提供することが可能である。

１開閉器、２固定接点、３可動接点、４絶縁ロッド
５第２可動軸、６第１可動軸、７開極ばね、８閉極ばね
９ばね受け、１０電磁駆動装置
１０１可動鉄心、１０２固定鉄心、１０３閉極コイル
１０４開極コイル、１０５永久磁石
２００駆動回路、２０１極性切替回路、２０２励磁切替回路
２０３第１励磁用回路、２０４第２励磁用回路、２０５直流電源
２０６第１開極スイッチ、２０７第１閉極スイッチ
２０８第２開極スイッチ、２０９第２閉極スイッチ、２１０スイッチ回路
２１１、２１２、２１３、２１４ダイオード、２１５、２１６スイッチ
３００電力変換装置、３０１パワーモジュール
３０２パワー半導体回路、３０３コンデンサ、３０４開閉器

Claims

固定鉄心と、
この固定鉄心に対して開極位置および閉極位置との間を移動する可動鉄心と、
前記可動鉄心を前記開極位置および前記閉極位置のそれぞれで吸着保持する永久磁石と、
前記可動鉄心の前記開極位置側に配置された第１コイルと、
前記可動鉄心の前記閉極位置側に配置された第２コイルと、
前記可動鉄心に固定され前記固定鉄心に第１弾性体を介して接続された第１可動軸と、
この第１可動軸に第２弾性体を介して接続され前記第１可動軸で可動距離を規制される第２可動軸と、
この第２可動軸に絶縁ロッドを介して固定された可動接点と、
この可動接点が接触および非接触となる固定接点と、
前記第１コイルおよび第２コイルを励磁する駆動回路と
を備えた開閉器であって、
前記駆動回路は、
開極動作においては、
前記第１コイルに対して前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流を流し、前記第２コイルに対して前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流を流し、
閉極動作においては、
前記第１コイルに対して前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流を流し、
前記第２コイルに対して前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流を流し、
前記永久磁石の磁束を強める磁束を発生する励磁電流の立ち上がりよりも前記永久磁石の磁束を打ち消す磁束を発生する励磁電流の立ち上がりが速いこと
を特徴とする開閉器。
前記駆動回路は、
励磁電流の立ち上がりを制御する第１励磁用回路と、
前記第１励磁用回路が制御する励磁電流の立ち上がりよりも速い立ち上がりの励磁電流を制御する第２励磁用回路と、
前記第１励磁用回路および前記第２励磁用回路の入力端に対する直流電源からの入力極性を入れ替える機能を有する極性切替回路と、
前記第１励磁用回路および前記第２励磁用回路のそれぞれの出力端に対する負荷を前記第１コイルおよび第２コイルのそれぞれに切り替える機能を有する励磁切替回路と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の開閉器。
前記励磁切替回路は、
ダイオードによる整流回路で構成された
ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の開閉器。
パワー半導体回路とこのパワー半導体回路に並列に接続されたエネルギー蓄積器とで構成されたパワーモジュールの直列回路で構成された電力変換装置であって、
前記パワー半導体回路の入力端子と出力端子との間に請求項１〜３のいずれか１項に記載された開閉器が接続されたことを特徴とする電力変換装置。