JP6808116B1 - 移動体用配電システム - Google Patents

Abstract

発電機（２）と、発電機（２）で発電した電力を負荷（１１ａ、１１ｂ）に伝送する電力線路（１００、１１０ａ、１１０ｂ）とを備え、発電機（２）と負荷（１１ａ、１１ｂ）との間の電力線路（１００、１１０ａ、１１０ｂ）に、障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限する限流装置（６）と、限流装置（６）による前記障害電流の制限に連動して負荷（１１ａ、１１ｂ）への電流を遮断する電流遮断装置（３、８ａ、８ｂ）とが、設置されている。

Description

本願は、移動体用配電システムに関するものである。

従来より、タービンエンジン発電機などの発電機によって発電された電力を用いてモータを駆動させ、モータにより推進力を得る移動体、例えばモータにとりつけられたファンにより推進力を得る電動化航空機が存在する。このような航空機において、機体内部にあるモータに電力を供給する配電システムに、短絡または地絡等の障害が発生した場合に流れる、通電電流を超える大きさの障害電流または過電流を遮断するための遮断器または電磁接触器（コンタクタ）などの開閉器が設けられる。
移動体は軽量化が求められるため、これら遮断器または開閉器などの配電機器も軽量である必要がある。さらに高高度での飛行においては気圧が低下することによる絶縁性能の低下または遮断性能の低下についても考慮される必要がある。

配電システム全体は軽量でコンパクトであることだけでなく、運行への影響を最小限にすることが求められるため、高度な安定性を保つ必要がある。従って、運行中に突発的な短絡などの障害が発生した場合などにおいても配電システム全体の動揺を発生させないようにすることが求められる。

ところで、従来、航空機配電システムのような電気システムにおいて、電気回路の伝送線における電気的障害の位置を特定する技術があった（下記の特許文献１参照）。

特表２０１７−５３２５３６号公報

前述のように、移動体用配電システムは、軽量コンパクトでかつ高度な安定性を保つ必要があり、運行中に突発的な短絡等が発生した場合などにおいても急激に負荷を切り離したことによる配電システム全体の動揺を発生させないようにすることが求められる。特に、負荷を急激に切り離すことにより、発電機の発電量と負荷の電力消費量とがアンバランスになり、発電が過剰になることで発電機またはエンジンに過剰な負担がかかる可能性があるので、その負担を軽減する必要がある。

ところで、前出の特許文献１は、半導体スイッチからなる主スイッチとそれに並列に設けられたトランソーブを備え、主スイッチをＯＦＦにしたときに過渡的に生ずる過電圧をトランソーブによって制限することで主スイッチが破壊することを防ぐ機能を開示している。しかしながら、トランソーブは電流を制限しながら通電する機能ではないことから、前記主スイッチとトランソーブの組み合わせでは負荷への電流を遮断することになる。したがって、電流を遮断することで負荷が電気的に切り離されることとなり、発電機の発電電力と負荷の消費電力とがアンバランスになり発電機に過剰な負担がかかる可能性があった。

本願は、前記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、発電機と負荷との間に障害電流が発生した場合においても、システム全体の動揺を発生させないようする移動体用配電システムを提供することを目的とする。

本願に開示される移動体用配電システムは、
移動体用のエンジンで駆動する発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、
前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、
障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限し、一部又は全部が密閉容器に封入され、高高度の低気圧環境においても動作する限流装置と、
前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置されたものである。
また、本願に開示される移動体用配電システムは、
発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、
前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、
障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限する限流装置と、
前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置され、
前記電力線路に電流検出部を備え、前記電流検出部からの電流検出値に基づいて前記障害電流が発生したことを検知し、前記限流装置に前記障害電流を制限する動作指令を送信し、前記障害電流の制限が行われると前記電流遮断装置に遮断指令を送信する保護コントローラを備え、
前記保護コントローラは、前記障害電流が発生したことを検知した場合は、前記発電機に出力調整指令を出す機能を持たせたものである。
また、本願に開示される移動体用配電システムは、
発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、
前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、
障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限する限流装置と、
前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置され、
前記限流装置の前記発電機側に直流リアクトルを接続したものである。

本願に開示される移動体用配電システムによれば、発電機と負荷との間に障害電流が発生した場合においても、システム全体の動揺を発生させないようすることができる。

実施の形態１による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 実施の形態１による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。 実施の形態１による移動体用配電システムの障害発生例を示す図である。 実施の形態１による移動体用配電システムの他の構成例を示す図である。 実施の形態１による移動体用配電システムの他の構成例を示す図である。 実施の形態１による移動体用配電システムの他の構成例を示す図である。 実施の形態２による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 実施の形態２による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。 実施の形態２による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 実施の形態２による移動体用配電システムの他の構成例を示す図である。 実施の形態３による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。 実施の形態３による移動体用配電システムの限流装置の動作を示す図である。 実施の形態３による移動体用配電システムの限流装置の動作を示す図である。 実施の形態３による移動体用配電システムの限流装置の動作を示す図である。 実施の形態３の移動体用配電システムの限流装置の各素子に流れる電流と端子間電圧を示す図である。 実施の形態３による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。 実施の形態４による直流リアクトルを取り付けた限流装置の他の構成例を示す図である。 実施の形態５による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 実施の形態６による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。 実施の形態７による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 実施の形態８による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 実施の形態８による移動体用配電システムの構成例を示す図である。 本願の実施の形態の保護コントローラのハードウエア構成例を示す図である。

本願は、航空機、船舶、鉄道、または自動車などの電動化された移動体用配電システムに関するものであり、特に、短絡または地絡などの障害発生時に短絡電流または地絡電流などの障害電流を電流遮断装置により遮断する場合に、負荷側の設備を保護するとともにシステム全体の動作を安定にする移動体用配電システムに関するものである。
以下に示す実施の形態では、電動化航空機、特に中型機、大型機に用いられる電動化航空機用の配電システムを例に挙げて説明する。なお、以下の実施の形態では、移動体として航空機を例に挙げて説明するが、同様な配電システムをもつ船舶、鉄道、自動車などにおいても同様に適用することができ、同様の効果を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による移動体用配電システムの構成例を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態では、タービンエンジンなどのエンジン１と、エンジン１により駆動されて発電する交流発電機などの発電機２と、発電機２に接続された主幹線路１００と、主幹線路１００に配置された交流遮断器３、交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器４および限流装置６と、主幹線路１００から負荷線路１１０ａ、１１０ｂに電力を分配する母線７と、負荷線路１１０ａ、１１０ｂの電流のＯＮ・ＯＦＦを行う開閉器８ａ、８ｂと、直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換器１０ａ、１０ｂと、負荷線路１１０ａ、１１０ｂに接続されファンを回転させて推進力を得る負荷としての推進用モータ１１ａ、１１ｂと、主幹線路１００および負荷線路１１０ａ、１１０ｂの電流検出値Ｉｏ、Ｉａ、Ｉｂを出力する電流検出部（ＣＴ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）５、９ａ、９ｂと、短絡または地絡などの障害を検知して限流装置６に動作指令ＣＬを送るとともに電流遮断装置としての交流遮断器３および開閉器８ａ、８ｂに開閉指令Ｃｏ、Ｃａ、Ｃｂを送る保護コントローラ１２とを備えている。

図１では、電力線路としての、主幹線路１００、母線７、負荷線路１１０ａ、１１０ｂは、単線で描かれているが、実際は、交流部分は複数相の線路であり通常は３相３本の線路である。すなわち、図１の交流部分の線路は３本の線路を描く代わりに１本の線路で描いている。また、直流部分の線路は正極線路および負極線路の２本またはさらに接地線を加えた３本の線路で構成される場合、あるいは、正極線路および接地線の２本の線路または負極線路および接地線の２本の線路で構成される場合があるが、それらの代わりに１本の線路で描いている。接地線は航空機の機体フレームなどが兼ねている場合がある。
本実施の形態では、交流部分の線路は３相回路であり３本の線路、直流部分の線路は正極線路および負極線路の２本の線路とし、接地線については機体フレームが兼ねた場合を代表としてとりあげて説明する。また、以下の説明で電力線路における「上位」「下位」という場合、「上位」は発電機側、「下位」はモータ側（負荷側）を示すものとする。

図１では、負荷としての推進用モータ１１ａ、１１ｂは２台が記載されているが、１台の場合もあるし、３台以上が並列になっている場合もある。発電機２は同期発電機などであり、発電容量は例えば１ＭＷという値であり、それ以上の３０ＭＷという容量の場合もある。電力系統の電圧は１０００Ｖ以上で例えば直流の部分は１５００Ｖであったり３０００Ｖであったりという場合もある。推進用モータ１１ａ、１１ｂの容量は例えば３００ｋＷであったり１ＭＷであったりする。

図２は実施の形態１の移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。
図２において、限流装置６は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｙｐｏｌｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）などの半導体スイッチ２１と、限流素子２２とを並列に接続することにより構成されている。限流素子２２は例えば抵抗器である。抵抗器の代わりに避雷器（アレスター）を用いてもよい。限流装置６は、通常時は半導体スイッチ２１をＯＮにして半導体スイッチ２１を通して通電している。短絡または地絡などの障害が発生して限流装置６の限流機能を働かせる場合には、半導体スイッチ２１をＯＦＦにすることにより半導体スイッチ２１から限流素子２２に電流を転流させて、電力線路に流れる電流量を制限する。なお、半導体スイッチ２１は、２個以上並列に設けてもよい。また、図２の限流装置６は図１のＡＣ／ＤＣ変換器４の下位である直流回路の正極線路と負極線路の両方に配置される。
さらに、限流装置６は高高度における地上より低い気圧においても絶縁性能および限流性能に影響を受けないように、密閉型の半導体スイッチ２１などを用いて構成される。

次に、図３により、突発的な短絡などの障害が負荷線路に発生した場合の動作について説明する。
図３に示すように、負荷線路１１０ａ、１１０ｂの１つ、ここでは負荷線路１１０ｂに短絡が発生したことを想定する。なお、図３のＳＣが短絡発生点を示す。負荷線路１１０ｂに短絡電流が流れ始めると、電流検出部９ｂから保護コントローラ１２に送られる電流検出値Ｉｂの大きさに基づき保護コントローラ１２が短絡による障害発生を判断する。保護コントローラ１２によって障害が発生したと判断された場合に、保護コントローラ１２は、まず限流装置６に動作指令ＣＬを送る。限流装置６は動作指令ＣＬを受けると限流装置６の半導体スイッチ２１がＯＦＦとなり限流素子２２に電流が転流して電流が制限される。電流が制限された後に保護コントローラ１２は負荷線路１１０ｂの開閉器８ｂに遮断指令Ｃｂを送り開閉器８ｂが電流を遮断する。

限流装置６により制限された電流の大きさが負荷線路１１０ａ、１１０ｂの開閉器８ａ、８ｂが遮断可能な電流値以下になるように限流素子２２が有する抵抗値をあらかじめ設定しておけば開閉器８ａ、８ｂで電流を遮断することができる。限流装置６を用いない場合は開閉器８ａ、８ｂが短絡等の電流をそのまま遮断する必要があり、通電性能および遮断性能の高い大型の遮断器を用いる必要が生じる。さらに直流回路の場合には電流零点が無いため遮断器自体に大きな限流性能を持たせる必要がありさらに大型化する。
本実施の形態のように、限流装置６を用いれば負荷線路１１０ａ、１１０ｂの開閉器８ａ、８ｂとして小型の例えば電磁接触器（コンタクタ）などを用いることが可能となり、給電システムの軽量化を図ることができる。

また、例えば母線７において短絡が発生した場合などでは、電流検出部９ａ、９ｂの電流検出値Ｉａ、Ｉｂのみでは障害発生箇所の特定ができない。そのため、保護コントローラ１２は電流検出部５の電流検出値Ｉｏに基づいて障害発生箇所（例えば母線７）を特定し、限流装置６に動作指令ＣＬを送ることで限流した後、交流遮断器３に遮断指令Ｃｏを送ることで電流を遮断して障害を回避する。また、電流検出部５、９ａ、９ｂの電流検出値Ｉｏ、Ｉａ、Ｉｂを比較することで、障害発生が、負荷線路１１０ａ、１１０ｂか、母線７かなど、どこで発生したかを特定することができる。

限流装置６を用いない一般的な移動体用配電システムにおいて、突発的な短絡などの障害が発生した場合、負荷線路１１０ａ、１１０ｂの開閉器８ａ、８ｂで遮断したり、主幹線路１００の交流遮断器３で遮断したりすることになる。その結果、発電機２での発電量が負荷での電力消費量を上回ることになり、発電側の発電電力と負荷側の消費電力にアンバランスが生じる。そのようになると、過剰な電力分を発電機２の内部で消費することとなり、発電機２で過熱が生じたり、過電圧が生じたりすることで発電機２に過剰な負担がかかることとなる。また、さらに発電機２を駆動しているエンジン１にも過剰な負担が生じて動作が不安定になり、ひいては移動体用配電システム全体の安定性が低下することとなる。
本実施の形態のように限流装置６を用いることで、限流装置６において電力を消費するため、発電機２側からは負荷の変動量が緩和されたり、負荷の変動量が全くないようにさせたりすることが可能となるため、過渡的な出力変化に対して発電機２の動作を安定にすることが可能となる。

さらに、限流装置６において半導体スイッチ２１を用いているため、短絡などの障害が除去された場合に、半導体スイッチ２１をＯＦＦ状態からＯＮ状態にすることで限流機能を停止することができる。その結果、機械式スイッチを用いた場合よりも障害からの復帰を高速に行うことが可能となり、さらなる配電システムの安定化が可能となる。もちろん機械式スイッチを用いても限流は可能である。

保護コントローラ１２は、電流を検出する電流検出部５、９ａ、９ｂからの電流検出値Ｉｏ、Ｉａ、Ｉｂにより障害を判断するので、通常の航空機の配電システムで用いられているバイメタルを用いたサーマルコンタクタよりも判断および動作を高速に行うことができる。
また、限流装置６と開閉器８ａ、８ｂあるいは交流遮断器３が個別に電流検出等を行い障害を検知する場合にはそれぞれの動作の協調をとるために時間的に待機を行うことがあるが、保護コントローラ１２を用いて一括して判断する場合には協調動作の時間も短くすることができる。

一方、限流装置６および開閉器８ａ、８ｂ、交流遮断器３が短絡などの障害検出を行い動作することもできる。この場合、限流装置６および開閉器８ａ、８ｂ、交流遮断器３に自身に流れる電流を検出して短絡などの障害を検出し、まず限流装置６が半導体スイッチ２１をＯＦＦして限流素子２２に電流を転流させて限流機能を動作させた後、予め定められた期間経過の後、開閉器８ａ、８ｂ、交流遮断器３が遮断を行うという動作の協調を行う。この場合には、保護コントローラ１２が不要になるので、軽量化を図ることができる。

ところでＤＣ／ＡＣ変換器１０ａ、１０ｂには平滑などの目的で一般にコンデンサが備えられているが、移動体用配電システムの始動時には当該コンデンサを充電した状態から始動する必要がある。コンデンサは充電されていない状態から急に電圧が印加されると突入電流が流れる。そして、大きな突入電流は回路に損傷を与えたり劣化させたりする要因となる。本実施の形態では、コンデンサ充電時に限流装置６を限流動作状態とすれば突入電流を緩和することができる。

図１では、主幹線路１００のＡＣ／ＤＣ変換器４の下位に限流装置６を設置した場合を示したが、図４に示すように、各負荷線路１１０ａ、１１０ｂの例えば開閉器８ａ、８ｂの上位に限流装置６ａ、６ｂを設置するようにしても良い。この場合、例えば負荷線路１１０ｂに短絡が発生した場合、保護コントローラ１２は、限流装置６ｂに動作指令ＣＬａを送り、限流装置６は半導体スイッチ２１をＯＦＦとして限流素子２２に電流が転流して電流が制限される。電流が制限された後に保護コントローラ１２は負荷線路１１０ｂの開閉器８ｂに遮断指令Ｃｂを送り開閉器８ｂが電流を遮断する。また、例えば母線７において短絡が発生した場合は、保護コントローラ１２は電流検出部５の電流検出値Ｉｏに基づいて障害発生箇所（例えば母線７）を特定し、限流装置６ａ、６ｂに動作指令ＣＬａ、ＣＬｂを送ることで限流した後、交流遮断器３に遮断指令Ｃｏを送ることで電流を遮断して障害を回避する。
ただし、図１のように限流装置６を主幹線路１００の例えばＡＣ／ＤＣ変換器４の下位に配置する方が、図４のように各負荷線路１１０ａ、１１０ｂに限流装置６ａ、６ｂを配置するよりも台数が少なくなることで軽量化を図ることができる。

また、図１では、主幹線路１００から母線７を介して２本の負荷線路１１０ａ、１１０ｂに電力を分配する例を示したが、図５に示すように、主幹線路１００から分岐する電力線路として、負荷線路１１０ａ、１１０ｂのほか、電池１０ｃが接続された負荷線路１１０ｃ、あるいは一般負荷機器または負荷系統１０ｄが接続された負荷線路１１０ｄを設けても良い。なお、負荷線路１１０ｃには、保護コントローラ１２の開閉指令Ｃｃにより開閉する開閉器８ｃおよび電流検出値Ｉｃを出力する電流検出器９ｃが設けられ、負荷線路１１０ｄには、保護コントローラ１２の開閉指令Ｃｄにより開閉する開閉器８ｄおよび電流検出値Ｉｄを出力する電流検出器９ｄが設けられている。
さらに、図６に示すように、主幹線路１００から直接分岐した電力線路１００Ａに電池１０ｃが接続されたり、一般負荷機器または負荷系統１０ｄが接続されても良い。

以上のように、本実施の形態によれば、発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限する限流装置と、前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置されているので、発電機と負荷との間に障害電流が発生した場合においても、システム全体の動揺を発生させないようすることができる。

また、前記電力線路に電流検出部を備え、前記電流検出部からの電流検出値に基づいて前記障害電流が発生したことを検知し、前記限流装置に前記障害電流を制限する動作指令を送信し、前記障害電流の制限が行われると前記電流遮断装置に遮断指令を送信する保護コントローラを備えたので、前記限流装置が障害電流を制限した後、前記電流遮断装置が負荷への電流を遮断することを、確実に実施することができる。

また、前記限流装置および前記電流遮断装置に、前記障害電流が発生したことを検知する機能を持たせ、前記障害電流が発生した場合は、前記限流装置が前記障害電流を制限した後、前記電流遮断装置が前記電力線路の遮断を行うようにしたので、前記保護コントローラが不要となり、軽量化が図れる。

また、前記限流装置は、少なくとも１つの半導体スイッチと限流素子とを並列に接続した構成であるので、簡単な構成により限流機能を発揮することができる。さらに、半導体スイッチを用いているため、短絡などの障害が除去された場合に、半導体スイッチをＯＦＦ状態からＯＮ状態にすることで限流機能を停止することができる。

また、前記限流素子として、抵抗器または避雷器を用いることにより、簡単な構成とすることができる。

また、前記電流遮断装置として開閉器を備えることにより、小型化を図ることができる。

また、前記電力線路は、前記発電機に接続される主幹線路と、前記主幹線路から分岐して前記負荷に接続される複数の負荷線路を有し、前記主幹線路に前記限流装置および前記電流遮断装置を備え、各前記負荷線路に前記電流遮断装置を備えることにより、限流装置の台数を低減することができ、軽量化を図ることができる。

また、前記電力線路は、前記発電機に接続される主幹線路と、前記主幹線路から分岐して前記負荷に接続される複数の負荷線路を有し、前記主幹線路に前記電流遮断装置を備え、各前記負荷線路に前記限流装置および前記電流遮断装置を備えることにより、各負荷線路において限流を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、図１に示すように、限流装置６を主幹線路１００のＡＣ／ＤＣ変換器４の下位に設置した場合を示している。これに対して、実施の形態２では、限流装置６を主幹線路１００のＡＣ／ＤＣ変換器４の上位に設置する場合を説明する。
以下の実施の形態２の説明では、実施の形態１と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。

図７は実施の形態２による移動体用配電システムの構成例を示す図であり、主幹線路１００に、交流遮断器３、限流装置６、電流検出部５、ＡＣ／ＤＣ変換器４の順番で接続されている。
図７の場合は、交流線路に限流装置６を配置することになるので、交流線路が例えば３相３線であれば、３相３線に対してそれぞれ図２に示すような限流装置６を配置することになる。また、限流装置６に流れる電流は交流電流なので、図８に示すように限流素子２２として、抵抗器２２ａだけではなくコイルまたはリアクトルなどのインダクタンス素子２２ｂを接続したものを用いることが可能となり、この場合、限流素子２２による発熱を低減することが可能となる。

図１に示すように限流装置６をＡＣ／ＤＣ変換器４の下位に設置した構成では、交流遮断器３から限流装置６の間において短絡などの障害が発生した場合、交流遮断器３の遮断時において限流装置６による限流動作の効果を得ることはできない。しかしながら、図７に示す構成では、電流検出部５の下位の機器、電力線路において障害が発生した場合でも、限流装置６の限流動作の効果が得られる。

また、図９に示すように、主幹線路１００に交流遮断器３、電流検出部５、限流装置６、ＡＣ／ＤＣ変換器４の順番で接続されている場合は、限流装置６の下位の機器、電力線路において障害が発生した場合でも、限流装置６の限流動作の効果が得られる。
さらに、図１０に示すように、主幹線路１００に限流装置６、交流遮断器３、電流検出部５、ＡＣ／ＤＣ変換器４の順番で接続されている場合も、限流装置６の下位の機器、電力線路において障害が発生した場合、限流装置６の限流動作の効果が得られる。

以上のように、本実施の形態によれば、前記限流装置を交流線路に配置する場合は、前記限流素子として、抵抗器とインダクタンス素子を接続したものを用いることにより、限流素子による発熱を低減することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３は、移動体用配電システムの限流装置として半導体スイッチおよび限流素子に並列に機械式スイッチを設けたものである。
以下の実施の形態３の説明では、前記実施の形態と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は前記実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

図１１は、実施の形態３による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。
図１１に示すように、本実施の形態の限流装置６は、機械式スイッチ５１と半導体スイッチ２１と限流素子２２とを並列に接続したハイブリッド構成としている。

図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃは、本実施の形態の限流装置６の動作を示す図である。
図１２Ａに示すように、通常通電時は、機械式スイッチ５１は閉極状態であり、半導体スイッチ２１もＯＮ状態である。このとき、半導体スイッチ２１にはオン抵抗があるため電流Ｉは機械式スイッチ５１を流れている。
図１２Ｂに示すように、短絡などの障害が発生した場合、機械式スイッチ５１を開極することで半導体スイッチ２１に電流Ｉが転流するようにする。
その後、図１２Ｃに示すように、半導体スイッチ２１をＯＦＦにすることにより電流Ｉを限流素子２２に転流させて電流を制限する。
機械式スイッチ５１から電流が転流するときは機械式スイッチ５１が開極したときに発生するアークのもつアーク抵抗に依存する。半導体スイッチ２１が無い場合には限流素子２２の抵抗を超えるアーク抵抗を発生させる必要があるが、半導体スイッチ２１に転流する場合には半導体スイッチ２１のオン抵抗程度であれば良いので小型なものを用いれば良く、転流までの時間を短くすることができる。

図１３は、本実施の形態の限流装置６の各素子に流れる電流と端子間電圧を示した図である。
図１３において、横軸は時間を示し、Ｔ１は短絡発生時点、Ｔ２は保護コントローラ１２が短絡を検知して機械式スイッチ５１に開極指令を出力した時点、Ｔ３は機械式スイッチ５１の接点が開離し半導体スイッチ２１への転流が開始された時点、Ｔ４は半導体スイッチ２１をＯＦＦして限流素子２２へ転流が完了した時点を示す。
また、図１３において、Ｉｍは機械式スイッチ５１に流れる電流波形、Ｉｓは半導体スイッチ２１に流れる電流波形、Ｉｒは限流素子２２に流れる電流波形、ＶＬは限流装置６の端子間電圧、Ｄｍは機械スイッチ５１の極間距離、ＩＡは限流しなかった場合の短絡電流の波形を表している。
さらに、図１３において、矢印Ｐはアーク電圧（限流装置６の端子間電圧と同じ）が半導体スイッチ２１のオン電圧を超えるところ、矢印Ｑはアークが消弧するところ、矢印Ｒは機械式スイッチ５１の極間耐圧が端子間電圧に耐えられるところ、をそれぞれ示している。

図１３において、矢印Ｐに示すように、アーク電圧（限流装置６の端子間電圧と同じ）が半導体スイッチ２１のオン電圧を超えるようになると機械式スイッチ５１から半導体スイッチ２１に電流が転流する。半導体スイッチ２１がＯＦＦになった後は限流素子２２の端子間電圧が機械式スイッチ５１の極間に印加されるが、そのときに機械式スイッチ５１の極間の耐電圧が限流素子２２の端子間電圧に耐えられるようになる極間距離までは半導体スイッチ２１はＯＦＦしないように設定されている。これらの半導体スイッチ２１へのＯＮまたはＯＦＦ指令は保護コントローラ１２が行ってもよいし、別途専用のゲート回路を設けてもよい。

機械式スイッチ５１が無い場合には、半導体スイッチ２１を通常時通電することになるが、半導体スイッチ２１のオン抵抗によって消費される通電損失が発生する。機械式スイッチ５１を並列に用いると通電損失を低減することができる。

機械式スイッチ５１と半導体スイッチ２１ともに保護コントローラ１２からの指令により動作を開始するように構成してもよいが、機械式スイッチ５１のみ独自に電流検出部またはバイメタルなどにより過電流を検知して独自に開極を行うようにしてもよい。そのような場合でも半導体スイッチ２１に転流するのみであるため半導体スイッチ２１が保護コントローラ１２からの指令により開極するようにしておけば、半導体スイッチ２１に転流しただけでは実質的には通常時の通電状態が保たれているのとほぼ同じであり限流された状態ではないので保護コントローラ１２からの指令により限流動作を開始したのと同じ効果を得られる。このように構成すると、指令を待たずに機械式スイッチ５１は動作を開始するので機械式スイッチ５１の遅い開極動作をリカバリして高速な動作が可能となる。
なお、閉極は機械式スイッチ５１も半導体スイッチ２１も保護コントローラ１２からの指令によって動作する。半導体スイッチ２１を用いているのでより高速な復帰が可能である。

また、例えば、航空機が飛行する高高度では気圧が地上より低い。気圧が低いことにより絶縁性能が低下することはパッシェンの法則により知られている。さらに遮断性能も低下する。気圧の影響を受けないように機械式スイッチ５１は少なくとも電極を含むその周辺は密閉された容器に入っているものを使用する。あるいは電極を駆動させる操作装置ごと密閉容器の中に設置されているものでもよい。半導体スイッチ２１は筐体の絶縁のみ気圧の低下に応じて絶縁性能を高めた構造にしておけば、極間そのものは固体であるため気圧の影響は受けない。

また、本実施の形態の限流装置６を交流線路に配置する場合は、図１４に示すように限流素子２２として、抵抗器２２ａだけではなくコイルまたはリアクトルなどのインダクタンス素子２２ｂを接続したものを用いることが可能となり、この場合、限流素子２２による発熱を低減することが可能となる。

以上のように本実施の形態によれば、前記限流装置は、機械式スイッチと半導体スイッチと限流素子とを並列に接続した構成であるので、通電損失を低減することができる。

また、前記機械式スイッチに通常時通電を行い、前記障害電流の発生時に前記機械式スイッチから前記半導体スイッチに一度転流した後に、前記半導体スイッチから前記限流素子に転流するようにしたので、限流装置の限流機能を発揮することができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、移動体用配電システムの限流装置の上位に直流リアクトルを設けたものである。
以下の実施の形態４の説明では、前記実施の形態と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は前記実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

図１５は、実施の形態４による直流リアクトルを取り付けた限流装置の構成例を示した図である。
本実施の形態では、図１５に示すように、限流装置６の上位に直流リアクトル７１を取り付けて電流の時間的な上昇率を低減することで転流までの時間を遅らせるようにしたものである。
実施の形態３において、機械式スイッチ５１から半導体スイッチ２１への転流は、短絡電流などの障害電流が半導体スイッチ２１の電流容量に達するまでに完了しなければならない。そこで、直流リアクトル７１を取り付けることにより障害電流の上昇率を低減できるので転流までの時間が長くなる。したがって、機械式スイッチ５１が過度に高速な開極をする必要がなくなり、小型の開極操作装置をもつようなものにすることができるため機械式スイッチ５１の軽量化を図ることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、限流装置の上位すなわち発電機側に直流リアクトルを設けたので、障害電流の上昇率を低減できるので機械式スイッチから半導体スイッチへの転流までの時間が長くなり、機械式スイッチが過度に高速な開極をする必要がなくなる。

実施の形態５．
実施の形態５は、保護コントローラが発電機へ出力調整指令を出すことができるようにするものである。
以下の実施の形態５の説明では、前記実施の形態と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は前記実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

図１６は、実施の形態５による移動体用配電システムの構成例を示す図である。
図１６に示すように、保護コントローラ１２は発電機２へ出力調整指令Ｃｇを出すことができるようにしている。
例えば、図３に示したように負荷線路の一方（負荷線路１１０ｂ）で短絡などの障害が発生し、限流装置６が動作して開閉器８ｂが電流を遮断したのち限流動作が終了すれば、負荷の推進用モータ１１ａは１台のみが駆動することとなる。その結果、負荷の消費量が障害発生前よりも減少するので発電機２の出力を調整する必要がある。
この場合、限流装置６の動作時に保護コントローラ１２が発電機２へ出力調整指令Ｃｇを出せば、限流装置６の動作とともに発電機２の出力も調整され出力変動を緩やかに行うことができ、移動体用配電システムの安定化をスムーズに行うことができる。
発電機２が同期発電機である場合には発電機２の界磁電流を調整するなどにより発電機２の出力調整を行う。

以上のように、本実施の形態によれば、前記保護コントローラは、前記障害電流が発生したことを検知した場合は、前記発電機に出力調整指令を出す機能を持たせ、前記出力調整指令により前記発電機が前記負荷の変動量に合わせて前記発電機の出力量を調整するようにしたので、発電機の出力が調整され出力変動を緩やかに行うことができ、移動体用配電システムの安定化をスムーズに行うことができる。

実施の形態６．
実施の形態６は、限流装置の下位（負荷側）に接地器を設けるものである。
以下の実施の形態６の説明では、前記実施の形態と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は前記実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

図１７は、実施の形態６による移動体用配電システムの限流装置の構成例を示す図である。
図１７に示すように、正極線路の限流装置６０ａおよび負極線路の限流装置６０ｂの負荷側に正極線路と負極線路を短絡する接地器６２を設けている。

図１において、２台の推進用モータ１１ａ、１１ｂへの電力線路または推進用モータ１１ａ、１１ｂで同時に障害が発生した場合には、それぞれの電力線路の開閉器８ａ、８ｂを開極して両方の推進用モータ１１ａ、１１ｂへの電流を遮断する必要がある。あるいは、母線７で障害が発生した場合など、これらのような状態になった場合には、急に負荷が全くなくなった状態となり非常に大きな負荷変動となる。限流装置６が動作していても電力線路の開閉器８ａ、８ｂがすべて開極した場合には限流装置６を流れる電流もなくなるため限流装置６での緩和効果が低減してしまう。

そこで、図１７に示すように、限流装置６０ａ、６０ｂの下位（負荷側）に正極線路と負極線路を短絡する接地器６２を設けることにより、開閉器８ａ、８ｂで遮断する前に接地器６２を閉極することで発電機２を流れる電流を切らずに一時的に限流装置６０ａ、６０ｂを負荷のようにすることができる。また、接地器６２を閉極すると母線７の電圧が零になるため開閉器８ａ、８ｂには電圧がかからず開閉器８ａ、８ｂを無発弧で開極することができるのでより確実な遮断が可能になる。さらに、電流を遮断せずに小電流を流し続けることにより上位の発電機２に対しては負荷電流が途切れずに流れている状態を維持できるようにすることが可能であるため、発電機２またはエンジン１へ過剰な負担がかかることがなくなり、移動体用配電システム全体が動揺することなく安定な状態を保持することができる。

図１７の例では、直流回路の正極線路と負極線路間を短絡する構成を示したが、正極線路と接地線または負極線路と接地線を短絡する構成にしてもよい。また、３相交流回路の場合は各相間を短絡させるようにする構成にしてもよいし、各相と接地線との間を短絡するように構成してもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、前記限流装置の負荷側に接地器を備えるようにしたので、接地器を閉極することで発電機を流れる電流を切らずに限流装置を負荷のように働かせることができる。

実施の形態７．
実施の形態７は、電流遮断装置として、ＡＣ／ＤＣ変換器またはＤＣ／ＡＣ変換器を用いるものである。
以下の実施の形態７の説明では、前記実施の形態と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は前記実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

図１８は、実施の形態７による移動体用配電システムの構成例を示す図である。
図１８は、図１と比較して、開閉器８ａ、８ｂが省かれ、ＡＣ／ＤＣ変換器４およびＤＣ／ＡＣ変換器１０ａ、１０ｂが電流遮断装置としての役割を果たす。ＡＣ／ＤＣ変換器（コンバータ）およびＤＣ／ＡＣ変換器（インバータ）は電流を制御することが可能であり、電流を遮断する能力を有していると考えられ、それら自体が地絡電流などを遮断する能力を持っていなくても、限流装置６により限流することで地絡電流などを遮断することが可能となる。
すなわち、図１８において、保護コントローラ１２は短絡または地絡などの障害を検知した場合、限流装置６に動作指令ＣＬを送って限流装置６の限流機能を働かせた後、電流遮断装置としてのＡＣ／ＤＣ変換器４およびＤＣ／ＡＣ変換器１０ａ、１０ｂに電流遮断指令Ｃ１、Ｃａ、Ｃｂを送り、電流を遮断することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、前記発電機は交流発電機であり、前記主幹線路にＡＣ／ＤＣ変換器が接続され、前記負荷線路にＤＣ／ＡＣ変換器が接続され、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器が前記電流遮断装置の役割を担うようにしたので、電流遮断装置としての開閉器を省くことができる。

実施の形態８．
実施の形態８の移動体用配電システムは、発電機の発電電力を負荷に伝送する電力線路として、交流線路を適用するものである。
以下の実施の形態８の説明では、前記実施の形態と相違する点のみを説明する。なお、その他の構成、動作、効果は前記実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。

図１９は、実施の形態８による移動体用配電システムの構成例を示す図である。
図１９は、図１と比較して、ＡＣ／ＤＣ変換器４およびＤＣ／ＡＣ変換器１０ａ、１０ｂが省かれ、発電機２の発電電力を負荷である推進用モータ１１ａ、１１ｂに伝送する主幹線路１００、負荷線路１１０ａ、１１０ｂはすべて交流線路となっている。
このような場合においても、図１９に示すように限流装置６を設けることによって前記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。

なお、図２０に示すように、負荷線路１１０ａ、１１０ｂに推進用モータ１１ａ、１１ｂを制御するためのＡＣ／ＡＣ変換器（インバータ）２０ａ、２０ｂを設けてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、前記電力線路が交流線路のみである場合にも適用できる。

なお、前記実施の形態の説明において、保護コントローラ１２は、ハードウエアの一例を図２１に示すように、プロセッサ２００と記憶装置２１０から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備える。
また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を備えてもよい。プロセッサ２００は、記憶装置２１０から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶措置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ２００にプログラムが入力される。また、プロセッサ２００は、演算結果等のデータを記憶装置２１０の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ エンジン、２ 発電機、３ 交流遮断器、４ ＡＣ／ＤＣ変換器、５，９ａ，９ｂ 電流検出部、６ 限流装置、７ 母線、８ａ，８ｂ 開閉器、１０ａ，１０ｂ ＤＣ／ＡＣ変換器、１１ａ，１１ｂ 推進用モータ、１２ 保護コントローラ、２１ 半導体スイッチ、２２ 限流素子、５１ 機械式スイッチ、７１ 直流リアクトル、６２ 接地器、１００ 主幹線路、１１０ａ，１１０ｂ 負荷線路。

Claims (16)

1. 移動体用のエンジンで駆動する発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、
   前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、
   障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限し、一部又は全部が密閉容器に封入され、高高度の低気圧環境においても動作する限流装置と、
   前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置された移動体用配電システム。
2. 発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、
   前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、
   障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限する限流装置と、
   前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置され、
   前記電力線路に電流検出部を備え、前記電流検出部からの電流検出値に基づいて前記障害電流が発生したことを検知し、前記限流装置に前記障害電流を制限する動作指令を送信し、前記障害電流の制限が行われると前記電流遮断装置に遮断指令を送信する保護コントローラを備え、
   前記保護コントローラは、前記障害電流が発生したことを検知した場合は、前記発電機に出力調整指令を出す機能を持たせた、移動体用配電システム。
3. 発電機と、前記発電機で発電した電力を負荷に伝送する電力線路とを備え、
   前記発電機と前記負荷との間の前記電力線路に、
   障害電流が発生したことを検知した場合に前記障害電流を制限する限流装置と、
   前記限流装置による前記障害電流の制限に連動して前記負荷への電流を遮断する電流遮断装置とが、設置され、
   前記限流装置の前記発電機側に直流リアクトルを接続した、移動体用配電システム。
4. 前記電力線路に電流検出部を備え、前記電流検出部からの電流検出値に基づいて前記障害電流が発生したことを検知し、前記限流装置に前記障害電流を制限する動作指令を送信し、前記障害電流の制限が行われると前記電流遮断装置に遮断指令を送信する保護コントローラを備えた請求項１または請求項３に記載の移動体用配電システム。
5. 前記限流装置および前記電流遮断装置に、前記障害電流が発生したことを検知する機能を持たせ、前記障害電流が発生した場合は、前記限流装置が前記障害電流を制限した後、前記電流遮断装置が前記電力線路の遮断を行う請求項１または請求項３に記載の移動体用配電システム。
6. 前記出力調整指令により前記発電機が前記負荷の変動量に合わせて前記発電機の出力量を調整するようにした請求項２に記載の移動体用配電システム。
7. 前記限流装置は、少なくとも１つの半導体スイッチと限流素子とを並列に接続した構成である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
8. 前記限流装置は、機械式スイッチと半導体スイッチと限流素子とを並列に接続した構成である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
9. 前記機械式スイッチに通常時通電を行い、前記障害電流の発生時に前記機械式スイッチから前記半導体スイッチに一度転流した後に、前記半導体スイッチから前記限流素子に転流するようにした請求項８に記載の移動体用配電システム。
10. 前記限流素子として、抵抗器または避雷器を用いる請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
11. 前記限流装置を交流線路に配置する場合は、前記限流素子として、抵抗器とインダクタンス素子を接続したものを用いる請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
12. 前記限流装置の前記負荷側に接地器を備えた請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
13. 前記電流遮断装置として、開閉器を備えた請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
14. 前記電力線路は、前記発電機に接続される主幹線路と、前記主幹線路から分岐して前記負荷に接続される複数の負荷線路を有し、前記主幹線路に前記限流装置および前記電流遮断装置を備え、各前記負荷線路に前記電流遮断装置を備えた請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
15. 前記電力線路は、前記発電機に接続される主幹線路と、前記主幹線路から分岐して前記負荷に接続される複数の負荷線路を有し、前記主幹線路に前記電流遮断装置を備え、各前記負荷線路に前記限流装置および前記電流遮断装置を備えた請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の移動体用配電システム。
16. 前記発電機は交流発電機であり、前記主幹線路にＡＣ／ＤＣ変換器が接続され、前記負荷線路にＤＣ／ＡＣ変換器が接続され、前記ＡＣ／ＤＣ変換器および前記ＤＣ／ＡＣ変換器が前記電流遮断装置の役割を担う請求項１４または請求項１５に記載の移動体用配電システム。

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