JP6434000B2 - 電気回路用ハイブリッド遮断部材 - Google Patents

Description

本発明は電気設備、具体的には、飛行機またはヘリコプターなどの航空機に搭載されるものなどの高電圧直流（ＨＶＤＣ）電力ネットワークの、ならびに交流（ＡＣ）電力ネットワークの設備の分野に存する。本発明はより具体的には、しばしば回路保護機能（回路遮断器）を有する、断続器および／またはスイッチ部材に関する。これらの部材は、直流（ＤＣ）と、またはパルス幅変調（ＰＷＭ）ＤＣと、またはＡＣとともに使用されることが可能である。

この分野において、接触器または回路遮断器タイプの電気機械断続器およびスイッチ部材が知られている。このような部材は比較的低速であり、加えてこれらは、電気回路を開放するときにその接点上に形成される電気アークの結果としての腐食によって、摩耗する。

固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）とも称される、静電接触器および回路遮断器もまた知られている。これらの部品は従来の電気機械部材と置き換えられることもあり、これらは半導体材料構造に基づいている。これらは、数ミリ秒ではなく数マイクロ秒で電流を中断または確立することができるので、電気機械部材よりもはるかに高速である。さらに、接点材料の不在および電気アーク形成の不在は、摩耗の発生がより遅いことを意味する。最後に、これらは、保護される回路内の電流変化に応じて、あるいは電圧または電流の調整にしたがって起動するために曲線と一致するなど、より精密な電気的機能を実行することができる。そして当然ながら、これらはより軽量であって、これは航空分野において非常に重要なことであり、またこれらはエネルギー消費が少なく、これもまた著しい利点である。電流が流れるときのその抵抗がかなり高い場合があったとしても、低抵抗を呈し、したがって一次回路内にある電圧に対応する可能性のある、ＳｉＣなどの半導体材料が存在する。

残念ながら、静電部品は電気的分離を提供する能力をほとんど示さず、これは高電圧回路内、および高電流回路内でも、困難をもたらす。したがって現時点でこれらは、航空機においては、消費電力があまり高くない特定の二次回路に制限されている。

電気機械システムを静電部品と並列または直列に結合する提案がなされてきたが、しかし現時点において、提案されてきた解決法は面倒で、嵩張り、制御しにくい。

上述の困難を解決するために、電気回路用のハイブリッド断続器部材であって、断続器部材は静電断続器部品および電気機械断続器部品を備え、静電部品は静電部品用の電気接点を担持する支持体上に据え付けられ、前記支持体は、中断の命令を受信すると、その２つの電気接点をそれぞれのピンから引き抜くような方法で動作するように構成されており、これによって前記電気機械断続器部品を形成する、ハイブリッド断続器部材が提供される。

このような部材は、回路内に特に組み込みやすく、その静電および電気機械部品は、通常の中央集中方式で制御されることが可能である。これらは、ヒューズを省略すること、そうしてインピーダンスを低下させること、遭遇するであろう危険な状況に適した中断シーケンスをプログラムすること、そしてたとえば故障を克服するため、回路およびネットワーク再構成を管理することさえも、可能にする。

一実施形態において、支持体は回転的に動作するように構成されており、こうして、小型であって外部条件の、特に傾斜角の影響を受けやすい部材を考案できるようにする。

別の実施形態において、支持体は並進的に動作するように構成されており、こうして、接点摩耗が適切な動作を妨害することなく高電流を中断することが可能な部材を考案できるようにする。この実施形態において、跳ね返りを回避するために支持体の動作が減衰され、これによって二次的な電気アークの形成を回避することが、有利である。

システムはまた、可能であれば磁石によって分極されたアーク制御チャンバに基づき、選択的に真空で高絶縁耐力または消滅を有するガスを使用する、電気アーク消滅システムも備えてもよい。

静電部品は公称または低電流を中断するように構成（または制御）され、その一方で電気機械断続器部品は短絡回路または過負荷電流を中断して電気的分離を提供するように構成（または制御）されることが、提案される。

具体的には、短絡回路電流のための中断シーケンスが提案され、その間、電気機械的開放後の待ち時間の後に静電部品が作動され、これにより、静電部品の使用に先立って、中断エネルギーの一部を電気アーク中に消散できるようにし、したがってこれはサイズが小さくてもよい。それでもなおシーケンスは、高電流が非常に迅速に中断されることを可能にする。

中断シーケンスはまた、公称または低電流向けにも提案され、ここで静電部品は電気機械的開放の前に作動され、こうして中断が非常に迅速に実行されることを可能にし、その一方で、一旦回路が開放されると効果的な電気的分離も獲得する。

本発明はまた、記載されたような断続器部材を含むＤＣまたはＡＣ電気回路も提供する。

このような状況下で、支持体は、２つの異なる回路構成に対応する２つの接点位置の間で移動する。

本発明はまた、記載されたような電気回路を備える航空機用のＤＣまたはＡＣ電力ネットワークも提供し、断続器部材は、ネットワークの一次回路内、またはネットワークの二次回路内に配置されている。

航空機電力ネットワークを対象とするアーキテクチャを示す図である。 その電流通過位置における、本発明のハイブリッド断続器部材の実施形態を示す図である。 作動されているときの、同じ断続器部材を示す図である。 図２および図３に示される実施形態を利用する航空機電力ネットワークのアーキテクチャを示す図である。 本発明のハイブリッド断続器部材の第二の実施形態を示す図である。 図５に示される実施形態を使用し、ネットワークを再構成するための断続器部材を使用する、航空機電力ネットワークのアーキテクチャを示す図である。 図４および図６のネットワークを再構成するために使用される、図３および図４の断続器部材を示す図である。

本発明は図面を参照して以下に記載されるが、これらは説明的であって非限定的な目的のために提供される。

図１は、航空機電力ネットワーク用のアーキテクチャを示す。これは、２３０ボルト（Ｖ）のＡＣ電圧を供給する発電機１０と、下流の回路、すなわち最初にＡＣ／ＤＣ変換器３０を保護する、主回路遮断器２０と、を包含する。この変換器は、たとえば２７０Ｖで、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。この電圧はその後、３つの負荷５１、５２、および５３に電力供給するために、３つの並列回路に分配される。これらの負荷の各々は、静電部品タイプの断続器部材４１、４２、または４３によって、また断続器部材４１、４２、または４３と直列に接続されたヒューズ４６、４７、または４８によっても、保護される。このようなアーキテクチャは通常動作に基づいており、その間に対応する負荷を保護するのは静電部品であるが、しかし故障（負荷）を電力ネットワークの残部から分離するように、静電部品の故障の場合にはヒューズが分離を提供するという条件を有する。

このようなアーキテクチャは、ヒューズが静電部品と同じプリント回路上に配置されているので、集積された設計であるという利点を有するが、しかしこれは、ヒューズの提供によるラインインピーダンス増加を暗に意味し、短絡回路が公称電流に近づいた場合にトリガを低下させるかまたはなくす危険性も、暗に意味する。さらに、ヒューズの動作が必要である場合、ヒューズを交換することによって回路を再び動作させるために、その後に介入する必要がある。

本発明は、ＤＣネットワークである図１の電力ネットワークを参照して記載されるが、しかしこれはまたＡＣ電力ネットワークにも該当する。

図２は、図１を参照して記載された部材と類似の統合断続器部材１００を示すが、これは上述の困難を解決する。

静電部品１０１は、静電部品１０１に電流を流すためにその２つの末端に電気接点１１１および１１２を有する、平坦な長方形の支持体１１０の上に配置される。接点１１１および１１２は、遮断部材が挿入される電気回路の上流ピン１２１および下流ピン１２２内に挿入されるのに、適している。これらのピンは電気的接触機能を実行するが、しかしまとまって統合断続器部材１００を構成する静電部品およびその支持体がこうして電気回路に挿抜されることが可能なように、接点１１１および１１２の挿入は可逆的である。

静電部品１０１は一般的に、トランジスタ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）部品、または絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体スイッチ部品であり、これは好ましくは保護目的のためにカプセル封入されている。

電磁石などのアクチュエータ１３０は、支持体１１０をその平面内の中心点の周りでいずれかの方向に回転させ、これによって静電部品を回路に挿抜するのに役立つ。アクチュエータ１３０は、測定電流または電圧に応じた命令を受信する。

旋回軸の周りに９０°の角度でピン１２１および１２２に対して位置決めされた２つの電極１４１および１４２は、静電部品が９０°回転した後に電気接点１１１および１１２を受けるのに役立ち、これらの電極が回路に接続されている場合には、図８を参照して記載されるように、これらは回路切替を実行するのに役立つ。電極１２１および１２２と電極１４１および１４２との各々の間には、たとえば断続器フィンおよび二窒素（Ｎ_２）などの電気アークを消滅させるためのガス混合物を有する、アーク制御チャンバ１５１、１５２、１５３、および１５４が装備されている。真空中で高絶縁耐力またはアーク消滅を有するガスを使用するシステムを使用することもまた、可能である。

電気機械的部分が作動されているときに電流がまだ流れている場合、電極１２１および１２２から抜去された後に接点１１１および１１２が通るアーク制御チャンバ内で電気アークが発生し、爆発し、分裂する。

電気アークが爆発する速度が十分に速くなり、これによって電流が中断される効果を増大した結果を有するように、分極されたアーク制御チャンバを使用することが好ましい。

分極は、静電部品１０１の支持体１１０の平面に対して直角な、すなわち旋回面に対しても直角な磁場を示す、図３に示されている。磁場Ｂ１は、電極１２１および１４２の間のアーク制御チャンバ１５１内に示されており、磁場Ｂ２は電極１４１および１２２の間のアーク制御チャンバ１５３内に示されている。磁場Ｂ１およびＢ２は、互いに反対の方向に向いている。電流は、矢印ｉ１およびｉ２によって示されるように、接点１２１を通じて到達する。

この図はまた、断続器部材の電気機械的部分を開放するときの支持体１１０の動作も示す。接点１１１は電極１２１から離れて電極１４２に向かって移動し、接点１１２は電極１２２から離れて電極１４１に向かって移動する。電気アークは、接点１１１と電極１２１との間、および接点１１２と電極１２２との間に現れる。これらのアークは、チャンバが分極された結果として、また金属フラグメンテーションフィンによって、アーク制御チャンバ１５１および１５３内で爆発および分裂する。矢印１６１および１６２は、２つの電気アークが爆発する、すなわち装置の外側に向かう、作用の線および方向を示す。

電気機械的部分が始動する瞬間に電流がまだ流れているような状況は、短絡回路電流または閾値を超える規模の電流、あるいは非常に高い微分値を有する電流など、高電流を中断するために有利に利用される。同様に、この戦略はアーク制御チャンバが電気アークの分裂において有効な場合に適用されるが、これはアーク制御チャンバの特性および電流の規模に依存する。

このような状況下で、アクチュエータ１３０に送信される命令によって電気機械的部分を作動し、これによって図３に示される動作を生じることが、提案される。その後、一瞬後に、これもまた電流の流れを中断するように、命令は静電部品１０１に送信される。

物理的に、シーケンスは、図３に示されるように、アーク制御チャンバがその機能を実行する効果の向上とともに増加するアーク電圧を有する電気アークを生成するステップを、包含する。発電機１０によって供給された電力Ｐはその後電気アーク中で部分的にまたは全て消散し、電流の規模はＩ＝Ｐ／Ｕの関係に従うが、ここでＵはアーク電圧であり、この電圧はアーク制御チャンバによって最大化される。静電部品１０１が作動していない前提において１ミリ秒以内で消失するように急速に減少する電流は、こうして得られる。それでもなお、本発明は、関連する電力に応じてたとえば１００マイクロ秒（μｓ）または４００μｓ後に静電部品１０１を作動させることを、提案する。このようなシーケンスは、電気接点１２１、１１１、１２２、および１１２の高レベルの腐食を生じることなく、電気アーク中の電気エネルギーの一部を消散させられるようにする。また、限られた規模の電流のみを中断することが可能なように静電部品１０１の寸法を決めることも可能にし、こうして小型の装置を維持できるようにする。最後に、従来の電気機械装置で通常得られる中断時間と、本明細書に記載されるようなハイブリッド部材および指定されたシーケンスを用いて得られる時間との間で、１０という係数を得ることができるので、総中断時間は従来の電気機械部材よりも短い。

さらに、必要であれば、静電部品の熱状態に合わせてシーケンスを適合させることが提案される。

しかしながら、図２に示される統合断続器部材１００はまた、公称電流または非常に小規模な電流を中断するために使用されることも可能である。このような状況下で、装置は逆順のシーケンスを用いて制御されるが、これはこのような電流では、アーク制御チャンバがほとんど有効ではなく、最終的な中断時間が長くなるためである。このため、電気回路の物理的切断を提供するために、静電部品１０１を作動させ、その後システムの電気機械的部分を作動させることによって、制御が始まる。静電部品１０１により、非常に短い中断時間が得られるようになる。低電流のみを中断する必要があると仮定すれば、嵩張りすぎる寸法にする必要はない。

図４は、断続器装置１００が挿入される航空機電気回路を示す。図１に示される要素のほとんどがまた見られるが、しかしヒューズと静電部品のペア４１＆４６、４２＆４７、および４３＆４８は、それぞれのハイブリッド断続器装置１００に置き換えられている。これらの装置が挿抜可能であるという事実は、両矢印によって示されている。ハイブリッド断続器装置の１つ目は、その接点が切断されて支持体が９０°回転しているので、その切り替えられた位置で示されている。

上記で記載されたハイブリッド断続器部材１００は、軸の周りで回転する支持体１１０に基づいている。これは、小型に、そして多くの条件または配向で確実に動作するように設計可能であるという利点を有する。

図５は本発明の別の実施形態を示し、今回は並進的に移動する支持体５１０に基づいている。これはハイブリッド断続器部材５００である。

図２を参照して記載されたものとよく似た方法で、静電部品５０１は、静電部品５０１に電流が流れることを可能にするようにその２つの末端に電気接点５１１および５１２を有する、平坦な長方形の支持体５１０の上に配置される。その接続部５１１および５１２は、断続器部材が挿入される電気回路の上流および下流の接続部５２１および５２２と電気的に接触させられる。接点１１１および１１２の挿入は可逆的である。

たとえば電磁石などのアクチュエータ５３０は、支持体５１０を接続部５２１および５２２の線に対して直角に、すなわち接点５１１および５１２の線に対しても直角に、並進的に移動させ、これによって静電部品を電気的に接続または切断させるのに役立つ。アクチュエータは、測定電流および／または電圧に応じた命令を受信する。ばね５３１および５３２は、二次電気アークの発生の欠点を有する可能性のある、電気接点の跳ね返りを回避するように、電気機械システムの開閉を弾性的にするのに役立つ。装置は好ましくは垂直に、すなわちばね５３１、支持体５１０、およびばね５３２を下流方向に互いに続けて、位置決めされる。

並進運動の軸と平行に特定の距離でピン５２１および５２２に対して位置決めされた２つの電極５４１および５４２は、静電部品がその支持体とともに並進的に移動した後に電気接点５１１および５１２を受けるのに役立ち、これらの電極が回路に接続されている場合には、図７を参照して記載されるように、これらは回路切替を実行するのに役立つ。電極５２１および５４１と電極５２２および５４２との間には、たとえば、電気アークの消滅を促進するためのガス混合物とともに断続器フィンを備える、アーク制御チャンバ５５１および５５２が装備されている。電気アーク爆発システムは、先に記載されたものと類似である。これは、断続器部材５００の外側に向かってアークを爆発させるために、チャンバ５５１および５５２内の逆向きに作用する磁場Ｂ１およびＢ２によって分極するステップを、包含する。アークはこの例において、電極５４１および５４２の支持体５１０が電極５２１および５２２に向かって移動すると仮定して示されている。電流の流れ方向は矢印ｉ１、ｉ２によって表され、爆発力は矢印５６１および５６２によって表されている。

接点および電極５１１、５１２、５２１、５２２、５４１、および５４２の表面が劣化した場合でも、接触機能は保証され続け、並進運動も可能であり続けるので、並進運動用のシステムに基づくこの実施形態は、高電流を中断するには特に有利である。システムはこのように、高電力であっても特に堅牢である。

図６は、断続器部材５００を用いる回路再構成の例を示す。図１の回路の要素のほとんどが再び見られるが、しかしヒューズと静電部品のペア４１＆４６、４２＆４７、および４３＆４８は、それぞれのハイブリッド断続器装置５００に置き換えられている。

記載される再構成は、負荷５１を保護する断続器部材を制御する制御部材の故障（稲光記号によって表される故障）を想定して実行される。断続器部材はその後、部材の電気機械的機能を使用することによって取り去られる。負荷５１が、負荷５２の場合とは異なり、サービスの継続が保証されなければならない優先システムである場合、負荷５２を保護している断続器部材はその後、負荷５１に電力供給して保護する目的のために選択される。これは、緊急の場合に、負荷５２に電力を供給するために配置された電極５２１および５２２から離れて、負荷５１に電力を供給するために配置された電極５４１および５４２に向かって、負荷５２の断続器部材を並進的に移動させることによって、実行される。

図７は、図６の例と非常に類似しているが、回転によって動作するハイブリッド断続器部材１００を使用する、回路再構成の別の例を示す。繰り返すが、負荷５１は優先負荷と見なされるが、しかしその断続器部材は故障している。これは回転させることによって回路から取り外され、すると負荷５２に電力供給する断続器部材もまた、負荷５２に電力供給するために配置された電極１２１および１２２とはもはや接触せず、むしろ緊急時に負荷５１に電力供給するために配置された電極１４１および１４２と接触するように、回転させられる。

図６および図７に示されるネットワーク再構成は、システムの信頼性を向上させるのに役立つ。これらは二次ネットワーク内で実現されることが可能であるが、しかしこれらはまた、高電流を中断するという記載された断続器部材の能力があれば、一次ネットワーク内で実現されることも可能である。

本発明は、図示された実施形態に限定されるものではない。具体的には、本発明の原理を適用するために、静電断続器部品を担持する支持体の両方の接点を移動させることは、全く必須ではない。このため、２つの接点のうちの１つを通じて配置された軸の周りの回転を伴うシステムもまた、４つではなく３つの電極を使用して、言及された機能を実行することができるだろう。

Claims (11)

1. 電気回路用のハイブリッド断続器部材（１００；５００）であって、断続器部材は半導体スイッチ部品（１０１；５０１）および電気機械断続器部品を備え、半導体スイッチ部品（１０１；５０１）は半導体スイッチ部品用の電気接点（１１１、１１２；５１１、５１２）を担持する支持体（１１０；５１０）上に据え付けられ、前記支持体（１１０；５１０）は、中断の命令を受信すると、前記電気接点（１１１、１１２；５１１、５１２）のうちの少なくとも１つをそれぞれのピンから引き抜くように動作するように構成されており、これによって前記電気機械断続器部品を形成し、断続器部材は、支持体（１１０；５１０）がその電気接点の両方をそれぞれのピンから引き抜くように回転的に移動するよう構成されていることを特徴とする、ハイブリッド断続器部材（１００；５００）。
2. 電気アーク消滅システム（１５１〜１５４）をさらに備える、請求項１に記載のハイブリッド断続器部材。
3. 電気アーク消滅システムは、アーク制御チャンバを含み、ハイブリッド断続器部材は、ハイブリッド断続器部材の外側に向かって作用する磁場を有するように構成されている、請求項２に記載のハイブリッド断続器部材。
4. 電気アーク消滅システムは、真空で高絶縁耐力を有する、またはアーク放電の消滅を促進するガスを使用する、請求項２または３に記載のハイブリッド断続器部材。
5. 半導体スイッチ部品は公称電流または低電流を中断するように構成されており、その一方で電気機械断続器部品は、短絡回路電流または過負荷電流を中断して電気的分離を提供するように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のハイブリッド断続器部材。
6. 電気機械的開放後の待ち時間の後であって半導体スイッチ部品の作動中の、短絡回路電流のための中断シーケンスにおける、請求項１から５のいずれか一項に記載のハイブリッド断続器部材の制御であって、これにより、中断エネルギーの一部を電気アーク中に消散できるようにする、制御。
7. 半導体スイッチ部品が電気機械的開放の前に作動される、公称または低電流のための中断シーケンスにおける、請求項１から６のいずれか一項に記載のハイブリッド断続器部材の制御。
8. 請求項１に記載の断続器部材を含む、ＤＣ電気回路。
9. 請求項１に記載の断続器部材を含む、ＡＣ電気回路。
10. 支持体は、２つの異なる回路構成に対応する２つの接点位置の間で移動させられる、請求項８または９に記載の電気回路。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の電気回路を含む航空機電力ネットワークであって、断続器部材は、ネットワークの一次回路内、またはネットワークの二次回路内に配置されている、航空機電力ネットワーク。

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