JP6825369B2 - Resonant current limiting circuit - Google Patents

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Description

本発明は共振型限流回路に関し、特に、リアクタンス型の限流器を含む共振型限流回路に関する。 The present invention relates to a resonance type current limiting circuit, and more particularly to a resonance type current limiting circuit including a reactance type current limiting device.

電力系統や電気回路において短絡事故が発生すると、短絡箇所において瞬時に大電流が流れ、この電流によって系統機器や回路素子が損傷したり、場合よっては火災が発生したりすることもある。短絡事故発生時におけるこのような大電流を抑制するための機器として、従来から限流器が知られている。限流器は、近年における電力容量の増加や分散型電源の普及に伴って、今後ますます需要が高まるものと予想される。 When a short-circuit accident occurs in an electric power system or an electric circuit, a large current flows instantly at the short-circuited part, and this current may damage the system equipment or circuit elements, or even cause a fire. A current limiter has been conventionally known as a device for suppressing such a large current when a short circuit accident occurs. Demand for current limiters is expected to increase in the future as the power capacity increases and distributed power sources become more widespread in recent years.

限流器の具体的な構成は、例えば特許文献1〜4に記載されている。特許文献1及び2に記載された限流器は、サイリスタとダイオードとからなるブリッジ回路にリアクトルを接続した構成を有している。また、特許文献3に記載された限流器は、直列共振回路と並列共振回路を組み合わせた構成を有している。さらに、特許文献4に記載された限流器は、直流電源を用いて可飽和直流リアクトルに磁気バイアスをかける構成を有している。 Specific configurations of the current limiting device are described in, for example, Patent Documents 1 to 4. The current limiters described in Patent Documents 1 and 2 have a configuration in which a reactor is connected to a bridge circuit including a thyristor and a diode. Further, the current limiter described in Patent Document 3 has a configuration in which a series resonance circuit and a parallel resonance circuit are combined. Further, the current limiter described in Patent Document 4 has a configuration in which a saturable DC reactor is magnetically biased by using a DC power supply.

特開昭49−50448号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 49-50448 特開平9−285012号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-285012 特開2010−17016号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-17016 特開2002−291150号公報JP-A-2002-291150

しかしながら、特許文献1〜4に記載された限流器は素子数が多く、装置構成が複雑である。特に、特許文献3に記載された限流器は、ノイズを抑えるためのフィルタ回路を別途設ける必要があることから、さらに回路構成が複雑となる。また、特許文献4に記載された限流器は、磁気バイアスをかけるための直流電源が常に必要であり、直流電源が失われると限流器として機能しないという問題があった。 However, the current limiters described in Patent Documents 1 to 4 have a large number of elements, and the device configuration is complicated. In particular, the current limiter described in Patent Document 3 requires a separate filter circuit for suppressing noise, which further complicates the circuit configuration. Further, the current limiter described in Patent Document 4 always requires a DC power supply for applying a magnetic bias, and has a problem that it does not function as a current limiter when the DC power supply is lost.

このように、従来の限流器は装置構成が複雑であることから、信頼性の確保が難しいばかりでなく、保守負担も大きいという問題があった。しかも、装置構成の複雑さに起因して、十分な応答速度を得ることも困難であった。 As described above, since the conventional current limiter has a complicated device configuration, there is a problem that it is difficult to secure reliability and a heavy maintenance burden. Moreover, it is difficult to obtain a sufficient response speed due to the complexity of the device configuration.

他方、限流器は、通常動作時におけるインピーダンスができるだけ小さいことが望ましい。しかしながら、限流器単体では、通常動作時におけるインピーダンスを十分に小さくすることが困難である場合があった。 On the other hand, it is desirable that the current limiting device has as small an impedance as possible during normal operation. However, with the current limiting device alone, it may be difficult to sufficiently reduce the impedance during normal operation.

したがって、本発明は、単純な装置構成を有する信頼性の高い限流回路であって、通常動作時におけるインピーダンスが低減された限流回路を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable current limiting circuit having a simple device configuration and having reduced impedance during normal operation.

本発明による限流回路は、交流電源から供給される電流を限流する限流回路であって、磁心及び前記磁心に巻回されたコイルを含む限流器と、前記限流器に直列に接続されたコンデンサとを備える。前記磁心の磁気特性は、第1軸を磁場とし第2軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第1象限において、第1の磁場強度以下の第1の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第1の値であり、前記第1の磁場強度よりも強い第2の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第1の値よりも大きい第2の値である。前記コイルと前記コンデンサは、前記磁心に印加される磁場が前記第1の磁場領域である場合に、前記交流電源の周波数帯で共振するLC共振回路を構成する。 The current limiting circuit according to the present invention is a current limiting circuit that limits the current supplied from an AC power supply, and is connected to a current limiting device including a magnetic core and a coil wound around the magnetic core in series with the current limiting device. It has a connected capacitor. The magnetic characteristics of the magnetic core are such that in the first quadrant of the graph in which the first axis is the magnetic field and the second axis is the magnetic field density or magnetization, in the first magnetic field region equal to or lower than the first magnetic field strength, the magnetic field density or magnetization with respect to the magnetic field In the second magnetic field region where the differential value of is the first value and is stronger than the first magnetic field strength, the differential value of the magnetic field density or magnetism with respect to the magnetic field is a second value larger than the first value. is there. The coil and the capacitor form an LC resonance circuit that resonates in the frequency band of the AC power supply when the magnetic field applied to the magnetic core is in the first magnetic field region.

本発明によれば、コイルを流れる電流が所定値以下である場合には第1の磁場領域で動作することからリアクタンスが小さい一方、コイルを流れる電流が所定値を超えると第2の磁場領域で動作することからリアクタンスが増大する。これにより、電流が所定値以下である場合には、電力系統や電気回路に対して実質的に負荷となることなく、電流が所定値を超えた場合に限流動作を行うことができる。しかも、磁心にコイルを巻回したシンプルな装置構成であることから、低コストで信頼性の高い限流器を提供することが可能となる。さらに、磁心に印加される磁場が第1の磁場領域である場合に、LC共振回路が交流電源の周波数帯で共振することから、通常動作時におけるインピーダンスを大幅に低減することが可能となる。このような磁気特性を得るためには、磁心を構成する材料として、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料を用いればよい。 According to the present invention, when the current flowing through the coil is equal to or less than a predetermined value, the reactance is small because it operates in the first magnetic field region, while when the current flowing through the coil exceeds a predetermined value, it operates in the second magnetic field region. The reactance increases because it operates. As a result, when the current is equal to or less than the predetermined value, the current limiting operation can be performed when the current exceeds the predetermined value without substantially causing a load on the power system or the electric circuit. Moreover, since it has a simple device configuration in which a coil is wound around a magnetic core, it is possible to provide a low-cost and highly reliable current limiter. Further, when the magnetic field applied to the magnetic core is in the first magnetic field region, the LC resonance circuit resonates in the frequency band of the AC power supply, so that the impedance during normal operation can be significantly reduced. In order to obtain such magnetic properties, a metamagnetic material, a permember characteristic material or a synthetic antiferromagnetic material may be used as the material constituting the magnetic core.

本発明において、前記磁心に印加される磁場が前記第2の磁場領域である場合における前記LC共振回路の共振周波数は、前記交流電源の周波数帯と異なることが好ましい。これによれば、異常時におけるインピーダンスがより大きくなることから、より効果的な限流動作を行うことが可能となる。 In the present invention, the resonance frequency of the LC resonance circuit when the magnetic field applied to the magnetic core is in the second magnetic field region is preferably different from the frequency band of the AC power supply. According to this, since the impedance at the time of abnormality becomes larger, it becomes possible to perform more effective current limiting operation.

このように、本発明によれば、単純な装置構成を有する信頼性の高い限流回路であって、通常動作時におけるインピーダンスが低減された限流回路を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a highly reliable current limiting circuit having a simple device configuration and having reduced impedance during normal operation.

図1は、本発明の実施形態による限流回路100を用いた電気回路の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of an electric circuit using the current limiting circuit 100 according to the embodiment of the present invention. 図2は、限流回路100を用いた電気回路の別の回路図である。FIG. 2 is another circuit diagram of an electric circuit using the current limiting circuit 100. 図3は、限流器10の具体的構成の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a specific configuration of the current limiting device 10. 図4は、磁心11に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the magnetic properties of the magnetic material used for the magnetic core 11. 図5は、磁心11に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第1象限(I)のみを示している。FIG. 5 is a graph showing the magnetic properties of the magnetic material used for the magnetic core 11, and shows only the first quadrant (I). 図6は、限流器10のコイル12に流れる電流IとインダクタンスLとの関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the current I flowing through the coil 12 of the current limiting device 10 and the inductance L. 図7は、コイル12にかかる電圧Vとコイル12に流れる電流Iとの関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the voltage V applied to the coil 12 and the current I flowing through the coil 12. 図8は、磁心11に用いられる磁性材料の磁気特性を示す別のグラフである。FIG. 8 is another graph showing the magnetic properties of the magnetic material used for the magnetic core 11. 図9は、図8に示す特性の微分値を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the differential values of the characteristics shown in FIG. 図10は、図8に示す特性の二回微分値を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the double derivative values of the characteristics shown in FIG. 図11は、コイル12に流れる電流IとB/Hの値との関係を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the current I flowing through the coil 12 and the B / H value. 図12は、負荷30に印加される電圧波形を示すシミュレーション結果である。FIG. 12 is a simulation result showing a voltage waveform applied to the load 30. 図13は、限流器10に流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。FIG. 13 is a simulation result showing the current waveform flowing through the current limiter 10. 図14は、限流器10の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合において、線形リアクトルに流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。FIG. 14 is a simulation result showing a current waveform flowing through the linear reactor when a normal linear reactor is used instead of the current limiting device 10.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の実施形態による限流回路100を用いた電気回路の回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram of an electric circuit using the current limiting circuit 100 according to the embodiment of the present invention.

図1に示す電気回路は、交流電源20に直列に接続された限流回路100及び負荷30からなる。交流電源20は例えば商用電源であり、負荷30は交流電源20から供給される電力によって動作する各種電気機器である。本実施形態による限流回路100は、交流電源20と負荷30との間に直列に接続され、負荷30が短絡事故を起こした場合に流れる大電流を抑制する役割を果たす。図2に示すように、負荷30に対して遮断器40を直列に接続しても構わない。遮断器40を用いれば、負荷30が短絡事故を起こした場合、限流回路100によって大電流が抑制された状態で遮断器40による遮断動作を行うことができる。 The electric circuit shown in FIG. 1 includes a current limiting circuit 100 and a load 30 connected in series with the AC power supply 20. The AC power source 20 is, for example, a commercial power source, and the load 30 is various electric devices operated by the electric power supplied from the AC power source 20. The current limiting circuit 100 according to the present embodiment is connected in series between the AC power supply 20 and the load 30, and plays a role of suppressing a large current flowing when the load 30 causes a short circuit accident. As shown in FIG. 2, the circuit breaker 40 may be connected in series with the load 30. If the circuit breaker 40 is used, when the load 30 causes a short-circuit accident, the circuit breaker 40 can perform the circuit breaker operation in a state where the large current is suppressed by the current limiting circuit 100.

図1及び図2に示すように、本実施形態による限流回路100は、リアクトル型の限流器10とコンデンサ50が直列に接続されたLC共振回路を構成する。通常動作時におけるLC共振回路の共振周波数は、交流電源20の周波数帯に設定されており、このため、通常動作時における限流回路100のインピーダンスは非常に小さい。LC共振回路の共振周波数が交流電源20の周波数と完全に一致している必要はないが、通常動作時における限流回路100のインピーダンスが十分に小さくなるよう、交流電源20の周波数近傍に設定する必要がある。これに対し、短絡事故が発生した異常時におけるLC共振回路の共振周波数は、交流電源20の周波数帯と異なっていることが好ましい。 As shown in FIGS. 1 and 2, the current limiting circuit 100 according to the present embodiment constitutes an LC resonance circuit in which a reactor type current limiting device 10 and a capacitor 50 are connected in series. The resonance frequency of the LC resonance circuit during normal operation is set in the frequency band of the AC power supply 20, and therefore, the impedance of the current limiting circuit 100 during normal operation is very small. The resonance frequency of the LC resonant circuit does not have to be exactly the same as the frequency of the AC power supply 20, but it is set near the frequency of the AC power supply 20 so that the impedance of the current limiting circuit 100 during normal operation is sufficiently small. There is a need. On the other hand, it is preferable that the resonance frequency of the LC resonance circuit at the time of an abnormality in which a short circuit accident occurs is different from the frequency band of the AC power supply 20.

限流器10は単純なリアクトルである。詳細については後述するが、限流器10のリアクタンスは、電流Iが所定値以下である通常動作時においては十分に小さい。しかも、上述の通り、通常動作時においてはLC共振回路が共振していることから、電気回路に与えるインピーダンスは非常に小さい。これに対し、電流Iが所定値を超えた異常時においては、限流器10のリアクタンスが大幅に上昇する。これにより、交流電源20に対して大きなインピーダンスとして働くことから、電流Iの増加が抑制される。このようなリアクタンスの変化はリアクトルの磁心に印加される磁場の変化(電磁誘導の原理)によるものであり、電流Iの変化に対して自発的に生じることから、電流値を検出するための素子などは不要である。 The current limiter 10 is a simple reactor. Although the details will be described later, the reactance of the current limiter 10 is sufficiently small during normal operation when the current I is equal to or less than a predetermined value. Moreover, as described above, since the LC resonance circuit resonates during normal operation, the impedance given to the electric circuit is very small. On the other hand, when the current I exceeds a predetermined value, the reactance of the current limiter 10 increases significantly. As a result, since it acts as a large impedance with respect to the AC power supply 20, an increase in the current I is suppressed. Such a change in reactance is due to a change in the magnetic field applied to the magnetic core of the reactor (principle of electromagnetic induction) and occurs spontaneously in response to a change in the current I. Therefore, an element for detecting the current value. Etc. are unnecessary.

図3は、本実施形態において用いる限流器10の具体的構成の一例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing an example of a specific configuration of the current limiting device 10 used in the present embodiment.

図3に示す限流器10は、トロイダル型の磁心11と、磁心11に巻回されたコイル12によって構成されている。コイル12は、抵抗値の低い銅(Cu)を芯材に用いた被覆導線などを用いることが好ましい。トロイダル型の磁心11は閉磁路を構成しており、磁心11に巻回されたコイル12に電流Iが流れると、トロイダル型の磁心11を周回する磁束が発生する。しかしながら、電流Iが所定値以下である通常動作時においては磁心11の透磁率が十分に低く、このため発生するリアクタンスも小さい。そして、電流Iが所定値を超えた異常時になると磁心11の透磁率が急激に増加し、これによりリアクタンスも急激に増加する。 The current limiting device 10 shown in FIG. 3 is composed of a toroidal type magnetic core 11 and a coil 12 wound around the magnetic core 11. As the coil 12, it is preferable to use a coated conductive wire or the like using copper (Cu) having a low resistance value as a core material. The toroidal type magnetic core 11 constitutes a closed magnetic path, and when a current I flows through a coil 12 wound around the magnetic core 11, a magnetic flux orbiting the toroidal type magnetic core 11 is generated. However, in normal operation when the current I is equal to or less than a predetermined value, the magnetic permeability of the magnetic core 11 is sufficiently low, and therefore the reactance generated is also small. Then, when the current I exceeds a predetermined value at an abnormal time, the magnetic permeability of the magnetic core 11 sharply increases, and the reactance also sharply increases.

このような現象を発現させるべく、本実施形態においては、磁心11の材料として以下に詳述する磁性材料を用いている。 In order to exhibit such a phenomenon, in this embodiment, the magnetic material described in detail below is used as the material of the magnetic core 11.

図4は、磁心11に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第1軸である横軸(X軸)は磁場Hを示し、第2軸である縦軸(Y軸)は磁化Mを示している。図4において、符号Aは磁心11の磁気特性を示し、符号SMは一般的な軟磁性材料の磁気特性を示し、符号HMは一般的な硬磁性材料の磁気特性を示している。 FIG. 4 is a graph showing the magnetic properties of the magnetic material used for the magnetic core 11. The horizontal axis (X axis), which is the first axis, indicates the magnetic field H, and the vertical axis (Y axis), which is the second axis, is magnetized. Shows M. In FIG. 4, reference numeral A indicates the magnetic characteristics of the magnetic core 11, reference numeral SM indicates the magnetic characteristics of a general soft magnetic material, and reference numeral HM indicates the magnetic characteristics of a general hard magnetic material.

図4において符号SMで示すように、一般的な軟磁性材料は、低磁場領域においては透磁率が高く容易に磁化される一方、磁場強度が所定値を超えると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。言い換えれば、磁気飽和しない磁場領域では、磁場Hに対する磁化Mの微分値が大きく、磁気飽和する磁場領域では、磁場Hに対する磁化Mの微分値が小さくなる。また、一般的な軟磁性材料は、ヒステリシスが無い、或いは、ヒステリシスが非常に小さいことから、符号SMで示す特性曲線は、グラフの原点又はその近傍を通る。したがって、符号SMで示す特性曲線は、グラフの第1象限(I)及び第3象限(III)に現れ、第2象限(II)及び第4象限(IV)には実質的に現れない。 As shown by reference numeral SM in FIG. 4, a general soft magnetic material has high magnetic permeability in a low magnetic field region and is easily magnetized, while magnetic saturation occurs when the magnetic field strength exceeds a predetermined value, and more than that. It exhibits the property of being hardly magnetized. In other words, in the magnetic field region where the magnetism is not saturated, the differential value of the magnetization M with respect to the magnetic field H is large, and in the magnetic field region where the magnetism is saturated, the differential value of the magnetization M with respect to the magnetic field H is small. Further, since a general soft magnetic material has no hysteresis or has a very small hysteresis, the characteristic curve indicated by the reference numeral SM passes through the origin of the graph or its vicinity. Therefore, the characteristic curve represented by the reference numeral SM appears in the first quadrant (I) and the third quadrant (III) of the graph, and does not substantially appear in the second quadrant (II) and the fourth quadrant (IV).

図4において符号HMで示すように、一般的な硬磁性材料は大きなヒステリシスを有しており、磁場がゼロであっても磁化された状態が維持される。このため、符号HMで示す特性曲線は、グラフの第1象限(I)〜第4象限(IV)の全てに現れる。 As shown by the reference numeral HM in FIG. 4, a general hard magnetic material has a large hysteresis, and the magnetized state is maintained even when the magnetic field is zero. Therefore, the characteristic curve represented by the symbol HM appears in all of the first quadrant (I) to the fourth quadrant (IV) of the graph.

これらの一般的な強磁性材料に対し、本実施形態において磁心11に用いる磁性材料は、グラフの第1象限(I)及び第3象限(III)において符号Aで示すように、低磁場領域においては透磁率が低いためほとんど磁化されず、中磁場領域においては透磁率が高くなって容易に磁化され、さらに、強磁場領域になると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。選択する材料によっては、第1象限(I)及び第3象限(III)内において僅かにヒステリシスが存在するが、残留磁化はゼロ又は非常に小さいため、符号Aで示す特性曲線は実質的にグラフの原点を通る。符号Aで示す特性曲線が厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通ることになる。このことは、当該磁性材料が初期状態であるか、或いは、繰り返し磁場を印加した後の状態であるかにかかわらず、同じ磁気特性が得られることを意味する。このため、当該磁性材料を用いた限流器10は繰り返し使用することができ、且つ、限流動作が完了した後、自動復旧する。 In contrast to these general ferromagnetic materials, the magnetic material used for the magnetic core 11 in this embodiment is in the low magnetic field region, as indicated by reference numeral A in the first quadrant (I) and the third quadrant (III) of the graph. Is hardly magnetized due to its low magnetic permeability, and is easily magnetized due to its high magnetic permeability in the medium magnetic field region, and magnetic saturation occurs in the strong magnetic field region, and is hardly magnetized beyond that. Depending on the material selected, there is a slight hysteresis in the first quadrant (I) and the third quadrant (III), but the residual magnetization is zero or very small, so the characteristic curve indicated by reference numeral A is substantially a graph. Pass through the origin of. Even if the characteristic curve indicated by reference numeral A does not pass exactly through the origin of the graph, it passes near the origin on the horizontal axis or the vertical axis. This means that the same magnetic properties can be obtained regardless of whether the magnetic material is in the initial state or in the state after repeatedly applying a magnetic field. Therefore, the current limiting device 10 using the magnetic material can be used repeatedly, and is automatically restored after the current limiting operation is completed.

図5は、磁心11に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第1象限(I)のみを示している。 FIG. 5 is a graph showing the magnetic properties of the magnetic material used for the magnetic core 11, and shows only the first quadrant (I).

図5を用いて磁心11の磁気特性についてより具体的に説明すると、磁場Hが無い状態から磁場を高めていくと、第1の磁場強度H1までの領域(第1の磁場領域MF1)においては透磁率が低く、このため磁化Mの増加は僅かである。グラフの傾き、つまり、磁場Hに対する磁化Mの微分値は透磁率に連動する。第1の磁場領域MF1における透磁率は非磁性材料の透磁率と同程度であり、したがって、第1の磁場領域MF1においては実質的に非磁性材料として振る舞う。 To explain the magnetic characteristics of the magnetic core 11 more specifically with reference to FIG. 5, when the magnetic field is increased from the state where there is no magnetic field H, in the region up to the first magnetic field strength H1 (first magnetic field region MF1), The magnetic permeability is low, so the increase in magnetization M is small. The slope of the graph, that is, the differential value of the magnetization M with respect to the magnetic field H, is linked to the magnetic permeability. The magnetic permeability in the first magnetic field region MF1 is about the same as the magnetic permeability of the non-magnetic material, and therefore behaves substantially as a non-magnetic material in the first magnetic field region MF1.

一方、第1の磁場強度H1から第2の磁場強度H2までの領域(第2の磁場領域MF2)においては透磁率が急激に高くなり、磁化Mの値は大幅に増加する。つまり、磁場を高めていくと、第1の磁場強度H1を境として透磁率が急激に増加する。第2の磁場領域MF2における透磁率は軟磁性材料の透磁率に近く、したがって、第2の磁場領域MF2においては軟磁性的に振る舞う。 On the other hand, in the region from the first magnetic field strength H1 to the second magnetic field strength H2 (second magnetic field region MF2), the magnetic permeability increases sharply, and the value of the magnetization M increases significantly. That is, as the magnetic field is increased, the magnetic permeability sharply increases with the first magnetic field strength H1 as a boundary. The magnetic permeability in the second magnetic field region MF2 is close to the magnetic permeability of the soft magnetic material, and therefore behaves softly magnetically in the second magnetic field region MF2.

さらに磁場を高めることによって第2の磁場強度H2を超えると(第3の磁場領域MF3)、磁気飽和を起こし、グラフの傾き、つまり透磁率は再び低下する。 When the second magnetic field strength H2 is exceeded by further increasing the magnetic field (third magnetic field region MF3), magnetic saturation occurs, and the slope of the graph, that is, the magnetic permeability decreases again.

逆に、第3の磁場領域MF3から磁場を弱めていき、第3の磁場強度H3を下回ると、第4の磁場強度H4までの領域で再び透磁率が高くなる。そして、第4の磁場強度H4を下回ると透磁率が低下し、再び非磁性材料として振る舞う。このように、第1象限(I)内においてはヒステリシスを有しているものの、残留磁化はほとんど存在しないため、磁場Hを一旦ゼロ近辺に戻せば、再び上述した特性と同じ特性が得られる。 On the contrary, when the magnetic field is weakened from the third magnetic field region MF3 and falls below the third magnetic field strength H3, the magnetic permeability increases again in the region up to the fourth magnetic field strength H4. Then, when it falls below the fourth magnetic field strength H4, the magnetic permeability decreases, and the material behaves again as a non-magnetic material. As described above, although there is hysteresis in the first quadrant (I), there is almost no residual magnetization. Therefore, once the magnetic field H is returned to near zero, the same characteristics as those described above can be obtained again.

磁心11を構成する磁性材料としては、上述した磁気特性を有する磁性材料であれば特に限定されないが、一例として、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。磁心11を構成する磁性材料は、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料の単体であっても構わないし、これらの組み合わせても構わないし、磁心11の一部が強磁性材料によって構成されていても構わない。 The magnetic material constituting the magnetic core 11 is not particularly limited as long as it is a magnetic material having the above-mentioned magnetic properties, and examples thereof include a metamagnetic material, a permember characteristic material, and a synthetic antiferromagnetic material. The magnetic material constituting the magnetic core 11 may be a simple substance of a metamagnetic material, a permember characteristic material or a synthetic antiferromagnetic material, or may be a combination thereof, and a part of the magnetic core 11 is composed of a ferromagnetic material. It doesn't matter if it is done.

磁心11をこのような磁性材料によって構成すれば、限流器10のコイル12に流れる電流Iの大きさによってインダクタンスを大きく変化させることが可能となる。ここで、磁心11に与えられる磁場Hは、コイル12の構造及びコイル12に流れる電流Iによって決まり、磁路長をML、コイル12の巻数をNとした場合、
H=N×I/ML
で定義される。
If the magnetic core 11 is made of such a magnetic material, the inductance can be greatly changed depending on the magnitude of the current I flowing through the coil 12 of the current limiting device 10. Here, the magnetic field H applied to the magnetic core 11 is determined by the structure of the coil 12 and the current I flowing through the coil 12, and when the magnetic path length is ML and the number of turns of the coil 12 is N,
H = N × I / ML
Defined in.

図6は、限流器10のコイル12に流れる電流IとインダクタンスLとの関係を示すグラフである。ここで、図6に示す電流値I1は、磁心11に与えられる磁場Hが第1の磁場強度H1となる電流値である。また、図6に示す電流値I2は、磁心11に与えられる磁場Hが第2の磁場強度H2となる電流値である。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the current I flowing through the coil 12 of the current limiting device 10 and the inductance L. Here, the current value I1 shown in FIG. 6 is a current value at which the magnetic field H applied to the magnetic core 11 becomes the first magnetic field strength H1. Further, the current value I2 shown in FIG. 6 is a current value at which the magnetic field H applied to the magnetic core 11 becomes the second magnetic field strength H2.

図6に示すように、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下であれば、限流器10のインダクタンスの値はL1であり、十分に低い。これは、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下である場合、磁心11が第1の磁場領域MF1にあり、透磁率が十分に低いからである。これにより、限流器10は電気回路に対してほとんど負荷とならない。ここで、第1の磁場領域MF1における磁心11の透磁率をμ1、磁心11の断面積をSとした場合、第1の磁場領域MF1におけるインダクタンスL1は、
L1=μ1×N×S/ML
で定義される。
As shown in FIG. 6, when the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1, the inductance value of the current limiting device 10 is L1, which is sufficiently low. This is because when the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1, the magnetic core 11 is in the first magnetic field region MF1 and the magnetic permeability is sufficiently low. As a result, the current limiter 10 has almost no load on the electric circuit. Here, when the magnetic permeability of the magnetic core 11 in the first magnetic field region MF1 is μ1 and the cross-sectional area of the magnetic core 11 is S, the inductance L1 in the first magnetic field region MF1 is
L1 = μ1 × N 2 × S / ML
Defined in.

これに対し、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、限流器10のインダクタンスの値はL2(>L1)へ急激に増加する。これは、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、磁心11が第2の磁場領域MF2となるため、透磁率が急激に増加するからである。第1の電流値I1は限流器10の動作開始点であり、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、限流器10のインダクタンスが急激に増加する。これにより、電気回路に第1の電流値I1を超える電流が流れると、限流器10は自発的に限流動作を開始することになる。ここで、第2の磁場領域MF2における磁心11の透磁率をμ2とした場合、第2の磁場領域MF2におけるインダクタンスL2は、
L2=μ2×N×S/ML
で定義される。
On the other hand, when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the inductance value of the current limiting device 10 rapidly increases to L2 (> L1). This is because when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the magnetic core 11 becomes the second magnetic field region MF2, so that the magnetic permeability increases sharply. The first current value I1 is the operation start point of the current limiter 10, and when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the inductance of the current limiter 10 sharply increases. As a result, when a current exceeding the first current value I1 flows through the electric circuit, the current limiting device 10 spontaneously starts the current limiting operation. Here, when the magnetic permeability of the magnetic core 11 in the second magnetic field region MF2 is μ2, the inductance L2 in the second magnetic field region MF2 is
L2 = μ2 × N 2 × S / ML
Defined in.

そして、コイル12に流れる電流Iが第2の電流値I2を超えると、限流器10のインダクタンスの値はL3(<L2)へ急激に減少する。これは、コイル12に流れる電流Iが第2の電流値I2を超えると、磁心11が第3の磁場領域MF3となるからである。 Then, when the current I flowing through the coil 12 exceeds the second current value I2, the inductance value of the current limiting device 10 sharply decreases to L3 (<L2). This is because when the current I flowing through the coil 12 exceeds the second current value I2, the magnetic core 11 becomes the third magnetic field region MF3.

図7は、コイル12にかかる電圧Vとコイル12に流れる電流Iとの関係を示すグラフである。図7に示すグラフは、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下である場合にはグラフの傾きが示すインピーダンスZ1が低く、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、インピーダンスZ2が増加することを示している。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the voltage V applied to the coil 12 and the current I flowing through the coil 12. In the graph shown in FIG. 7, when the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1, the impedance Z1 indicated by the inclination of the graph is low, and the current I flowing through the coil 12 has the first current value I1. When it exceeds, the impedance Z2 is shown to increase.

このように、本実施形態において用いる限流器10は、磁心11が図4及び図5に示す磁気特性を有していることから、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下である場合にはほとんど負荷とならない一方、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、インダクタンスの急激な増加によって限流動作を行うことが可能となる。尚、図4及び図5に示したグラフは縦軸が磁化Mであるが、縦軸を磁束密度Bに置き換えても、同様の関係が成り立つ。 As described above, in the current limiting device 10 used in the present embodiment, since the magnetic core 11 has the magnetic characteristics shown in FIGS. 4 and 5, the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1. In some cases, the load is hardly applied, but when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the current limiting operation can be performed by a rapid increase in the inductance. In the graphs shown in FIGS. 4 and 5, the vertical axis is the magnetization M, but the same relationship holds even if the vertical axis is replaced with the magnetic flux density B.

図8は、磁心11に用いられる磁性材料の磁気特性を示す別のグラフであり、第1軸である横軸は磁場Hを示し、第2軸である縦軸は磁束密度Bを示している。 FIG. 8 is another graph showing the magnetic characteristics of the magnetic material used for the magnetic core 11. The horizontal axis, which is the first axis, shows the magnetic field H, and the vertical axis, which is the second axis, shows the magnetic flux density B. ..

図8に示すように、縦軸を磁束密度Bに置き換えた場合であっても、磁心11の磁気特性は、グラフの第1象限(I)において同様の特性曲線を描く。つまり、低磁場である第1の磁場領域MF1においては傾きが小さく、中磁場である第2の磁場領域MF2においては傾きが急激に大きくなり、強磁場である第3の磁場領域MF3においては傾きが再び小さくなる。また、図8に示すグラフにおいても、磁心11の磁気特性を示す特性曲線は実質的に原点を通り、厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通る。 As shown in FIG. 8, even when the vertical axis is replaced with the magnetic flux density B, the magnetic characteristics of the magnetic core 11 draw a similar characteristic curve in the first quadrant (I) of the graph. That is, the inclination is small in the first magnetic field region MF1 which is a low magnetic field, the inclination becomes sharply large in the second magnetic field region MF2 which is a medium magnetic field, and the inclination is large in the third magnetic field region MF3 which is a strong magnetic field. Becomes smaller again. Further, also in the graph shown in FIG. 8, the characteristic curve showing the magnetic characteristics of the magnetic core 11 substantially passes through the origin, and even if it does not pass exactly through the origin of the graph, the vicinity of the origin on the horizontal axis or the vertical axis Pass.

図9は図8に示す特性の微分値を示すグラフであり、図10は図8に示す特性の二回微分値を示すグラフである。図9に示す特性は、磁心11を構成する磁性材料の微分透磁率に相当する。 FIG. 9 is a graph showing the differential value of the characteristic shown in FIG. 8, and FIG. 10 is a graph showing the double differential value of the characteristic shown in FIG. The characteristics shown in FIG. 9 correspond to the differential magnetic permeability of the magnetic material constituting the magnetic core 11.

図9に示すように、図8に示す特性を一回微分すると、第2の磁場領域MF2において微分値が極大となる。第1の磁場領域MF1及び第3の磁場領域MF3では、微分値は小さい値のままである。そして、図10に示すように、図8に示す特性を二回微分すると、第2の磁場領域MF2において二回微分値が正の値から負の値に反転する。第1の磁場領域MF1及び第3の磁場領域MF3では、二回微分値はほぼゼロである。このように、磁心11に用いられる磁性材料は、磁場Hに対して磁束密度Bを二回微分すると、二回微分値が正の値から負の値に反転するという特徴を有している。 As shown in FIG. 9, when the characteristic shown in FIG. 8 is differentiated once, the differential value becomes maximum in the second magnetic field region MF2. In the first magnetic field region MF1 and the third magnetic field region MF3, the differential value remains small. Then, as shown in FIG. 10, when the characteristic shown in FIG. 8 is differentiated twice, the twice differential value is inverted from a positive value to a negative value in the second magnetic field region MF2. In the first magnetic field region MF1 and the third magnetic field region MF3, the second derivative value is almost zero. As described above, the magnetic material used for the magnetic core 11 has a feature that when the magnetic flux density B is differentiated twice with respect to the magnetic field H, the twice differential value is inverted from a positive value to a negative value.

図11は、コイル12に流れる電流IとB/Hの値との関係を示すグラフである。B/Hの値は平均透磁率に相当する。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the current I flowing through the coil 12 and the B / H value. The B / H value corresponds to the average magnetic permeability.

図11に示すように、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下である場合には、B/Hの値(平均透磁率)は低く、その変化もほとんど無いことから、電気回路に与える影響は僅かである。これに対し、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、B/Hの値(平均透磁率)が急激に増加する。その後、コイル12に流れる電流Iが第2の電流値I2を超えると、B/Hの値(平均透磁率)が徐々に減少する。これは、第3の磁場領域MF3においては磁心11が磁気飽和するからである。 As shown in FIG. 11, when the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1, the B / H value (average magnetic permeability) is low and there is almost no change in the electric circuit. The effect on is small. On the other hand, when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the B / H value (average magnetic permeability) sharply increases. After that, when the current I flowing through the coil 12 exceeds the second current value I2, the B / H value (average magnetic permeability) gradually decreases. This is because the magnetic core 11 is magnetically saturated in the third magnetic field region MF3.

既に説明した通り、磁心11を構成する磁性材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。どの磁性材料を使用するかは、限流器10に求められる諸特性(主に、第1の磁場強度H1の値)に応じて適宜選択すればよい。 As described above, examples of the magnetic material constituting the magnetic core 11 include a metamagnetic material, a permember characteristic material, and a synthetic antiferromagnetic material. Which magnetic material to use may be appropriately selected according to various characteristics (mainly the value of the first magnetic field strength H1) required for the current limiting device 10.

メタ磁性材料とは、磁場により常磁性(PM:Paramagnetic)もしくは反強磁性(AFM:Anti−Ferromagnetic)から強磁性(FM:Ferromagnetic)に一次相転移する材料を指す。磁場による一次相転移とは、磁場に関する磁化の変化が不連続になる点をもつことを指す。メタ磁性材料において一次相転移が生じる磁場は、通常1〜10Tと比較的大きな磁場であるため、これを磁心11の材料として用いる限流器10としては、電力系統、大容量コンデンサ回路、電力用トランス回路といった大電流用の用途が好適である。尚、一部の反強磁性材料も、磁場Hを著しく高めれば磁束密度Bが急激に増加する特性が得られるが、そのような変化をもたらす磁場強度(つまり、第1の磁場強度H1)は10〜100Tと極めて強く、限流器10のコイル12によってそのような磁場を作ることは現実的に不可能である。このため、磁心11の材料として反強磁性材料を用いても、事実上、限流器として機能させることは困難である。 The metamagnetic material refers to a material that undergoes a primary phase transition from paramagnetism (PM: Paramagnetic) or antiferromagnetism (AFM: Anti-Ferromagnetic) to ferromagnetism (FM: Ferromagnetic) due to a magnetic field. The first-order phase transition due to a magnetic field means that the change in magnetization with respect to the magnetic field has a discontinuous point. Since the magnetic field at which the first-order phase transition occurs in the metamagnetic material is usually a relatively large magnetic field of 1 to 10 T, the current limiter 10 using this as the material of the magnetic core 11 includes a power system, a large-capacity capacitor circuit, and a power source. Applications for large currents such as transformer circuits are suitable. In addition, some anti-ferrometric materials also have a characteristic that the magnetic flux density B sharply increases if the magnetic field H is remarkably increased, but the magnetic field strength that causes such a change (that is, the first magnetic field strength H1) is It is extremely strong at 10 to 100 T, and it is practically impossible to create such a magnetic field by the coil 12 of the current limiting device 10. Therefore, even if an antiferromagnetic material is used as the material of the magnetic core 11, it is practically difficult to make it function as a current limiter.

メタ磁性材料は、磁場により常磁性から強磁性に転移する常磁性強磁性転移型(PM−FM転移型)と、反強磁性から強磁性に転移する反強磁性強磁性転移型(AFM−FM転移型)に分類される。PM−FM転移型は、キュリー温度の近傍でのみ一次相転移が生じることから、限流器10の動作温度もキュリー温度付近に限られる。これに対し、AFM−FM転移型は、反強磁性状態が消失するネール温度以下であれば一次相転移が生じるため、より幅広い温度で限流器10を動作させることが可能となる。 The metamagnetic materials are paramagnetic ferromagnetic transition type (PM-FM transition type) that transitions from paramagnetism to ferromagnetism by a magnetic field, and antiferromagnetic ferromagnetic transition type (AFM-FM) that transitions from antiferromagnetism to ferromagnetism. It is classified as a metastatic type). In the PM-FM transition type, since the primary phase transition occurs only in the vicinity of the Curie temperature, the operating temperature of the current limiter 10 is also limited to the vicinity of the Curie temperature. On the other hand, in the AFM-FM transition type, the first-order phase transition occurs when the temperature is below the Neel temperature at which the antiferromagnetic state disappears, so that the current limiter 10 can be operated at a wider temperature range.

メタ磁性材料の具体例としては、La(FeSi)13系、La(FeSi)13H系、MnAs系、Mn(AsSb)系、MnAl系、FeRh系、NiMnIn系、MnGaC系、MnSnC系、MnSnB系材料が挙げられる。特に、室温近傍において一次相転移が生じるLa(FeSi)13H系、MnAs系、Mn(AsSb)系、MnAl系材料が好ましく、最も好ましいのは、AFM−FM転移型メタ磁性材料であるMnAl系材料である。室温近傍において一次相転移が生じない材料を使用する場合は、ヒーターもしくは冷却装置を用いて、一次相転移が生じる温度帯に維持すればよい。 Meta Specific examples of magnetic materials, La (FeSi) 13 system, La (FeSi) 13 H system, MnAs system, Mn (AsSb) system, MnAl system, FeRh system, NiMnIn system, Mn 3 GAC-based, Mn 3 SnC Examples include Mn 3 SnB-based materials. In particular, La (FeSi) 13 H system first order phase transition occurs in the vicinity of room temperature, MnAs system, Mn (AsSb) system, preferably MnAl based material, most preferably, MnAl system is AFM-FM transition type meth magnetic material It is a material. When a material that does not cause a primary phase transition near room temperature is used, it may be maintained in a temperature range where a primary phase transition occurs by using a heater or a cooling device.

次に、パーミンバー特性材料とは、パーミンバーと呼ばれるNi45wt%Co25wt%Fe残で確認された特殊なBH特性を示す材料である。具体的には、パーミンバー、Moパーミンバー、超パーミンバー、イソパーム、センパームなどが挙げられる。また、NiZnフェライトやCoB系アモルファス材料もパーミンバー特性材料として挙げられる。 Next, the permember characteristic material is a material called permin bar that exhibits special BH characteristics confirmed with a Ni 45 wt% Co 25 wt% Fe residue. Specific examples thereof include permin bar, Mo permin bar, super permin bar, isopalm, and senpalm. Further, NiZn ferrite and CoB-based amorphous materials are also mentioned as palmin bar characteristic materials.

パーミンバー特性材料は、比較的低い磁場ではヒステリシスがなく、且つ、傾きの小さい直線的なBH特性を示し、ある磁場(第1の磁場強度H1)を超えると、傾きの大きなBH特性を示す。パーミンバー特性材料を用いた場合、第1の磁場強度H1は、メタ磁性材料の1/100〜1/1000であるため、これを磁心11の材料として用いれば、小電力用の限流器を構成することが可能となる。 The permember characteristic material has no hysteresis in a relatively low magnetic field and exhibits a linear BH characteristic with a small slope, and exhibits a BH characteristic with a large slope when a certain magnetic field (first magnetic field strength H1) is exceeded. When a permember characteristic material is used, the first magnetic field strength H1 is 1/100 to 1/1000 of that of the metamagnetic material. Therefore, if this is used as the material of the magnetic core 11, a current limiter for low power can be constructed. It becomes possible to do.

また、パーミンバー特性材料は、強磁性が保たれるキュリー温度以下であれば、磁場強度に応じた透磁率の変化が生じるため、室温を含めた幅広い温度での動作が可能である。さらに、パーミンバー特性材料は、磁場印加による磁歪が小さいため、磁心11として用いた場合に高い耐久性を得ることも可能となる。しかも、パーミンバー特性材料を構成する組成は、多くが遷移金属であるため、白金族元素や希土類元素を含んだメタ磁性材料と比較して、材料コストが安いという利点もある。 Further, if the permember characteristic material is below the Curie temperature at which ferromagnetism is maintained, the magnetic permeability changes according to the magnetic field strength, so that the material can operate in a wide range of temperatures including room temperature. Further, since the magnetostrictive material has a small magnetostriction due to the application of a magnetic field, it is possible to obtain high durability when it is used as the magnetic core 11. Moreover, since most of the compositions constituting the permember characteristic material are transition metals, there is an advantage that the material cost is lower than that of the metamagnetic material containing platinum group elements and rare earth elements.

尚、パーミンバー特性材料は、通常動作時(つまり、第1の磁場領域MF1)における透磁率がメタ磁性材料と比較して10〜100倍以上の値を持つことから、磁心11の材料としてパーミンバー特性材料を用いた限流器10は、通常動作時にはリアクトルとして利用することも可能である。 Since the permeability of the permember characteristic material during normal operation (that is, the first magnetic field region MF1) has a magnetic permeability of 10 to 100 times or more that of the metamagnetic material, the permeability characteristic material is used as the material of the magnetic core 11. The current limiter 10 using the material can also be used as a reactor during normal operation.

次に、合成反強磁性材料とは、強磁性相と強磁性相が反強磁性的に結合することで、反強磁性的な特性を示す材料を指す。合成反強磁性材料は、反強磁性材料とは異なり、反強磁性結合強度が小さいため、ある磁場(第1の磁場強度H1)を超えると、強磁性的な磁化配列となる。具体的な材料としては、FeCo/Ru/FeCo薄膜が挙げられる。合成反強磁性材料を用いた場合、第1の磁場強度H1は、メタ磁性材料の1/10〜1/100であるため、これを磁心11の材料として用いれば、中電力用の限流器を構成することが可能となる。 Next, the synthetic antiferromagnetic material refers to a material that exhibits antiferromagnetic properties by antiferromagnetically coupling the ferromagnetic phase and the ferromagnetic phase. Unlike antiferromagnetic materials, synthetic antiferromagnetic materials have a small antiferromagnetic coupling strength, and therefore, when a certain magnetic field (first magnetic field strength H1) is exceeded, a ferromagnetic magnetization arrangement is formed. Specific examples of the material include FeCo / Ru / FeCo thin films. When a synthetic antiferromagnetic material is used, the first magnetic field strength H1 is 1/10 to 1/100 of that of the metamagnetic material. Therefore, if this is used as the material of the magnetic core 11, a current limiter for medium power is used. Can be configured.

以上説明したように、本実施形態において用いる限流器10は、上述した特性を有する磁性材料からなる磁心11にコイル12を巻回したものであり、非常にシンプルな構成を有している。これにより、ダイオード及びサイリスタなどの能動素子や、直流電源などを用いることなく、自発的かつ高速に限流動作を行うことができることから、低コスト化及び信頼性の向上を実現することが可能となる。そして、本実施形態においては、このような限流器10とコンデンサ50を直列に接続することによってLC共振回路を構成していることから、通常動作時におけるインピーダンスを非常に小さくすることが可能となる。 As described above, the current limiting device 10 used in the present embodiment has a coil 12 wound around a magnetic core 11 made of a magnetic material having the above-mentioned characteristics, and has a very simple configuration. As a result, it is possible to spontaneously and at high speed limit current operation without using active elements such as diodes and thyristors, DC power supplies, etc., which makes it possible to realize cost reduction and improvement of reliability. Become. Further, in the present embodiment, since the LC resonance circuit is formed by connecting the current limiter 10 and the capacitor 50 in series, it is possible to make the impedance during normal operation extremely small. Become.

図12及び図13は、本実施形態による限流回路100の動作波形図であり、図12は負荷30に印加される電圧波形を示し、図13は限流器10に流れる電流波形を示している。図12及び図13とも、交流電源20が商用電源(50Hz又は60Hz、実効電圧100V、最大電圧141V)であり、時刻t1において短絡事故が発生した場合のシミュレーション結果である。 12 and 13 are operation waveform diagrams of the current limiting circuit 100 according to the present embodiment, FIG. 12 shows a voltage waveform applied to the load 30, and FIG. 13 shows a current waveform flowing through the current limiting device 10. There is. Both FIGS. 12 and 13 are simulation results when the AC power supply 20 is a commercial power supply (50 Hz or 60 Hz, effective voltage 100 V, maximum voltage 141 V) and a short circuit accident occurs at time t1.

図12に示すように、時刻t1以前の期間においては、負荷30に印加される電圧の最大値が約141Vであり、交流電源20から供給される交流電圧がほとんど低下することなく、負荷30に印加される。これは、限流器10とコンデンサ50からなるLC共振回路の共振周波数が交流電源20の周波数帯に設定されており、当該周波数におけるインピーダンスが非常に低いからである。そして、時刻t1において短絡事故が発生すると、図12に示すように、負荷30に印加される電圧はほぼゼロになる。しかしながら、短絡事故が発生すると限流器10のリアクタンスが瞬時に上昇することから、図13に示すように電流の増大が抑制される。 As shown in FIG. 12, in the period before time t1, the maximum value of the voltage applied to the load 30 is about 141V, and the AC voltage supplied from the AC power supply 20 hardly drops to the load 30. It is applied. This is because the resonance frequency of the LC resonance circuit including the current limiter 10 and the capacitor 50 is set in the frequency band of the AC power supply 20, and the impedance at that frequency is very low. Then, when a short-circuit accident occurs at time t1, the voltage applied to the load 30 becomes almost zero as shown in FIG. However, when a short-circuit accident occurs, the reactance of the current limiter 10 rises instantaneously, so that the increase in current is suppressed as shown in FIG.

図14は、限流器10の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合において、線形リアクトルに流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。図14に示すように、限流器10の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合、時刻t1において短絡事故が発生すると、電流値が急速に増大することが分かる。 FIG. 14 is a simulation result showing a current waveform flowing through the linear reactor when a normal linear reactor is used instead of the current limiting device 10. As shown in FIG. 14, when a normal linear reactor is used instead of the current limiting device 10, it can be seen that the current value rapidly increases when a short-circuit accident occurs at time t1.

これに対し、本実施形態による限流回路100を用いれば、短絡事故が発生すると限流器10のリアクタンスが瞬時に上昇することから、電流の増大が抑制される。しかも、磁心11に印加される磁場が第2の磁場領域MF2である場合における共振周波数が交流電源20の周波数帯と異なっていれば、短絡事故の発生と同時に共振動作も停止することから、インピーダンスをより高めることができる。これらにより、本実施形態による限流回路100を用いれば、短絡事故が発生した場合であっても、系統機器や回路素子の損傷を防止することが可能となる。 On the other hand, if the current limiting circuit 100 according to the present embodiment is used, the reactance of the current limiting device 10 rises instantaneously when a short circuit accident occurs, so that the increase in current is suppressed. Moreover, if the resonance frequency when the magnetic field applied to the magnetic core 11 is in the second magnetic field region MF2 is different from the frequency band of the AC power supply 20, the resonance operation stops at the same time as the short circuit accident occurs, so that the impedance Can be further enhanced. As a result, by using the current limiting circuit 100 according to the present embodiment, it is possible to prevent damage to system equipment and circuit elements even when a short circuit accident occurs.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention, and these are also the present invention. It goes without saying that it is included in the range.

例えば、上記実施形態において用いた限流器10は、トロイダル型の磁心11にコイル12を巻回した構成を有しているが、本発明による限流器がこれに限定されるものではない。したがって、磁心の形状としてはトロイダル型以外のE型、U型、I型形状であっても構わない。また、磁心11には磁気ギャップが設けられていても構わない。コイル12についても、銅(Cu)を芯材に用いた被覆導線に限定されず、超伝導体を用いても構わない。 For example, the current limiting device 10 used in the above embodiment has a configuration in which the coil 12 is wound around a toroidal type magnetic core 11, but the current limiting device according to the present invention is not limited thereto. Therefore, the shape of the magnetic core may be an E-type, a U-type, or an I-type other than the toroidal type. Further, the magnetic core 11 may be provided with a magnetic gap. The coil 12 is not limited to the coated lead wire using copper (Cu) as the core material, and a superconductor may be used.

10 限流器
11 磁心
12 コイル
20 交流電源
30 負荷
40 遮断器
50 コンデンサ
100 限流回路
10 Current limiter 11 Magnetic core 12 Coil 20 AC power supply 30 Load 40 Circuit breaker 50 Capacitor 100 Current limit circuit

Claims (3)

交流電源から供給される電流を限流する限流回路であって、
磁心及び前記磁心に巻回されたコイルを含む限流器と、
前記限流器に直列に接続されたコンデンサと、を備え、
前記磁心の磁気特性は、第1軸を磁場とし第2軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第1象限において、第1の磁場強度以下の第1の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第1の値であり、前記第1の磁場強度よりも強い第2の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第1の値よりも大きい第2の値であり、
前記コイルと前記コンデンサは、前記磁心に印加される磁場が前記第1の磁場領域である場合に、前記交流電源の周波数帯で共振するLC共振回路を構成することを特徴とする共振型限流回路。
A current limiting circuit that limits the current supplied from an AC power supply.
A current limiter containing a magnetic core and a coil wound around the magnetic core,
With a capacitor connected in series with the current limiter,
The magnetic characteristics of the magnetic core are such that in the first quadrant of the graph in which the first axis is the magnetic field and the second axis is the magnetic field density or magnetization, in the first magnetic field region equal to or lower than the first magnetic field strength, the magnetic field density or magnetization with respect to the magnetic field In the second magnetic field region where the differential value of is the first value and is stronger than the first magnetic field strength, the differential value of the magnetic field density or magnetism with respect to the magnetic field is a second value larger than the first value. Yes,
The coil and the capacitor form a resonance type current limiting circuit that resonates in the frequency band of the AC power supply when the magnetic field applied to the magnetic core is in the first magnetic field region. circuit.
前記磁心に印加される磁場が前記第2の磁場領域である場合における前記LC共振回路の共振周波数は、前記交流電源の周波数帯と異なることを特徴とする請求項1に記載の共振型限流回路。 The resonance type limiting current according to claim 1, wherein the resonance frequency of the LC resonance circuit when the magnetic field applied to the magnetic core is in the second magnetic field region is different from the frequency band of the AC power supply. circuit. 前記磁心は、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の共振型限流回路。 The resonance type current limiting circuit according to claim 1 or 2, wherein the magnetic core includes a metamagnetic material, a permember characteristic material, or a synthetic antiferromagnetic material.
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