JPS5829696B2 - 半導体限流装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体限流装置に関する。

従来半導体限流装置としては、例えばサイリスクを用い
たサイリスタ限流装置がある。

このサイリスタ限流装置は、負荷に対する主回路にサイ
リスクを介挿し、故障電流発生時にサイリスクに逆電流
を供給することによりこのサイリスクをオフし、かくし
て故障電流を限流インピーダンに転流させるもので、直
流用として第１図のサイリスタ限流装置が用いられ、ま
た交流用として第２図のサイリスタ限流装置が用いられ
ている。

第１図において、１は直流電源、２は負荷、３はフリー
ホイーリングダイオード、４はサイリスタ限流装置であ
る。

サイリスタ限流装置４は交流電源５を有し、その出力電
圧を変圧器６で変威し、電流制限用抵抗器７を介して４
つのダイオード８でなる単相全波整流器９によって整流
する。

整流器９の出力電圧は抵抗器１０と共に充電回路１１を
構成する充電用コンデンサ１２を常時充電する。

一方サイリスタ限流装置４は、主サイリスタ１３及び補
助サイリスタ１４を具え、常時は負荷２を流れる電流を
、リアクトル１５、主サイリスタ１３、シャント抵抗器
１６を直列に通じて流す。

しかるに、この直列回路に故障電流が流れたとき、この
事故の発生をシャント抵抗器１６の両端電圧の変化とし
て検出してゲート制御回路１７に与える。

このときゲート制御回路１７は主サイリスタ１３へのゲ
ート信号の供給を停止すると共に、補助サイリスタ１４
ヘゲート信号を供給してこれをターンオンさせる。

かくすると、充電コンデンサ１２の充電電荷が補助サイ
リスタ１４、主サイリスク１３、リアクトル１５、サー
ジ吸収用コンデンサ１８及び抵抗器１９でなる放電回路
２０を通じて、主サイリスタ１３に対する逆電流として
流れる。

従って主サイリスタ１３はターンオフし、これを通じて
流れていた故障電流が、主サイリスタ１３に並列接続さ
れた限流インピーダンス２１に転流される。

かくして故障電流は限流インピーダンス２１の値により
決まる大きさに限流される。

このように、第１図の直流用サイリスタ限流装置４は、
主サイリスタ１３に逆電流を流すことによりこれをター
ンオフさせ、かくして故障電流を限流インピーダンス２
１に転流するようになされている。

これに対して交流用サイリスタ限流装置２５は、第１図
との対応部分には同一符号を附して第２図に示す如く、
三相交流電源２６の各相出力回路にそれぞれ、主サイリ
スタＭＴＨ１〜ＭＴＨ３及びリアクトルＬ１〜Ｌ３の直
接回路と、主サイリスタＭＴＨ１〜ＭＴＨ３に並列接続
された補助サイリスクＬＴＨ１−ＬＴＨ３及び限流イン
ピーダンスＺ１〜Ｚ３の直列回路とを具えた主回路切換
回路２７Ｒ〜２７Ｔを有し、常時はゲート制御回路２８
によって主サイリスタＭＴＨ１〜ＭＴＨ３をオンさせる
ことにより負荷２９への電力の供給を行う。

しかるに故障電流の発生時には、この故障を変流器ＣＴ
１〜ＣＴ３及び故障検出回路３０によって検出してその
検出信号によりゲート制御回路２８を制御し、これによ
り補助サイリスクＬＴＨ１〜ＬＴＨ３をオンさせて充電
回路２０の充電電荷により主サイリスタＭＴＨ１〜ＭＴ
Ｈ３に逆電流を流してこれを流してこれをターンオフさ
せ、かくして故障電流を限流インピーダンスＺ１〜Ｚ３
に転流させる。

このように、第２図の交流用サイリスタ限流装置２５に
おいても、主サイリスクＭＴＨ１〜ＭＴＨ３に逆電流を
流すことによりこれをターンオフさせかくして故障電流
を限流インピーダンスＺ１〜Ｚ３に転流するようになさ
れている。

いずれにしても第１図又は第２図の従来のサイリスタ限
流装置は、サイリスクをしゃ断して限流動作させる際に
、逆電流を流す必要があるため、第１に転流回路が不可
欠である点がある。

しかるに通常の場合転流回路の空間的な占有度は、限流
装置全体の３５φ程度でかなり高い（価格的にも３０％
程度となる）ので、この転流回路を省略することが望ま
しい。

また第２に、充電用コンデンサ１８の充電電圧は主回路
電圧よりも高いのが普通であり、そのため主回路につい
ては低圧扱いができるのに対して、充電用コンデンサ１
８については高圧扱いをしなければならず、保守取扱い
上等に不便さかあるを避は得ない。

さらに、サイリスクを用いているため、電源のバンクパ
ワーとは無関係には限流動作をさせ得ない。

すなわち、例えば交流電源の短絡推定電流が１００ｋＡ
で、短絡発生後約５ｍ ＳｅＣで最大値に達すると仮定
した場合、故障発生後限流動作開始するまでに２５０μ
Ｓｅｃかかったとすると、サイリスクに流れる電流ピー
ク値は約１１００ＯＡに達する。

従って使用する素子としてはサージ耐量の犬きいもの、
換言すれば大きな定格電流の素子を選択する必要がある
。

例えば数１０Ａ〜数１０ＯＡの限流装置ではバックパワ
ーの大きさを考慮して、−股上のグレードの素子を選定
する必要がある。

さらに、一般に限流装置は、故障フィーダが除去された
ら高速度に再投入され得、かくしてその後すぐに故障が
生じても支障なく限流動作を開始できるようにすること
が望ましい。

しかるにかくするためにサイリスタ限流装置においては
、一旦限流動作をしてから再投入するまでの時間を少く
とも約０，１秒はとって充電用コンデンサ１８を充電さ
せた後再投入するようにするか、又は転流回路を多重化
してすぐに再投入できるようにしなければならない制限
があった。

以上の点を考慮して本発明においては、上述の欠点を一
挙に解決し得る半導体限流装置を提供しようとするもの
である。

以下図面について本発明に依る半導体限流装置ｅ−例を
詳述しよう。

第３図は、直流用の半導体限流装置の一例を示したもの
で、４１は直流電源、４２は負荷、４３はフリーホイー
リングダイオード、４４は半導体限流装置である。

半導体限流装置４４は、第１図の場合と同様に交流電源
４５、変圧器４６、単相全波整流器４７を有すると共に
、負荷４２に対する主回路に介挿されたパワートランジ
スタ４８を有する。

このパワートランジスタ４８の制御回路として活性領域
検出回路４９及びベース信号回路５０に対する電源とし
て整流器４７の出力が与えられる。

かくして常時においてトランジスタ４８はベース信号回
路５０からのベース電流の供給、停止に応じてオン、オ
フ制御されるようになされている。

パワートランジスタ４８には直列に故障電流検出器とし
てシャント抵抗器５１が接続され、その両端電圧によっ
て故障電流の発生が検出されこの検出出力がベース信号
回路５０に与えられ、このときパワートランジスタ４８
のベースへのベース電流の供給を停止することによりト
ランジスタ４８をオフするようになされている。

トランジスタ４Ｂ（７−コレクタには定電圧ダイオード
５２を介して活性領域検出回路４９が接続され、トラン
ジスタ４８のエミッタ及びコレクタ間電圧が定電圧ダイ
オードのツェナー電圧値以上になったとき、これにより
トランジスタ４８が活性領域に入ったものとして、活性
領域検出回路４９からベース信号回路５０へ予定のタイ
ミングでベース信号しゃ断指令を送り（この実施例の場
合約２０μｓｅｃの間）、かくしてトランジスタ４８を
確実にしゃ断するようになされている。

なお活性領域検出回路４９は、常時のオン、オフ動作時
にも予定のタイミングで定電圧ダイオード５２を介して
の信号の受入れ、又は受入れ停止をすることにより、ト
ランジスタ４８の動作時間との協調を図るようになされ
ており、この実施例の場合トランジスタ４８がオン信号
を受けてから約１０μＳｅＣ後に定電圧ダイオードから
の信号を受けるようになされ、またトランジスタ４−８
がオフ信号を受けてから約２０μＳｅＣ後に定電圧ダイ
オード５２からの信号をカットするようになされている
。

因みに、パワートランジスタ４Ｂのスイッチ時間はせい
ぜい数μＳｅＣであるので、デッドバンドの時間として
は十分な値に選定されていることになる。

一方パワートランジスタ４８及びシャット抵抗器５１の
直列回路には並列に限流インピーダンス５３が接続され
ている。

なお同様に並列に、ダイオード５４と、コンデンサ５５
と、抵抗器５６と、非直線サージ吸収素子５７とからな
るサージ吸収回路５８が接続されている。

上述の構成において、常時は、ベース信号回路５０から
のオン信号によってトランジスタ４８がオンして負荷４
２へ電力が供給される。

これと同時に活性検出回路４９に信号が送られ、約１０
μｓｅｃ後に定電圧ダイオード５２からの信号が受は入
れられ、かくして全体として電力供給状態になる。

この状態からベース信号回路５０からのオフ信号によっ
てトランジスタ４８がオフとなり、その後約２０μＳｅ
Ｃ経過後に活性検出回路４９に対する定電圧ダイオード
５２からの信号の受入れを停止する。

次に故障電流の発生時の応動動作について述べるに、上
記の電力供給動作状態において、故障電流が流れたこと
をシャット抵抗５１を介して検出すると、ベース信号回
路５０はトランジスタ４８に対するベース電流の供給を
停止する。

このとき流れ得るコレクタ電流の値は決っているので（
コレクタ電流はベース電流に直流増幅率の値を乗じた値
しか流れない）、トランジスタ４８は活性領域に入るこ
とになる。

なお故障電流はダイオード５４を通じてコンデンサ５５
にも流入し、かくしてトランジスタ４８のしゃ断動作は
楽になり、トランジスタ４８のＡＳＯ内での裕度が増す
。

トランジスタ４８が活性領域に入り、やがてエミッタ及
びコレクタ電流が定電圧ダイオード５２のツェナー電圧
値になると、活性領域検出回路４９が約２０μｓｅｃの
間ベース信号回路５０にベース信号しゃ断指令を送る。

ここでトランジスタ４８のコレクタ電流はベース信号を
オフにするとすぐ減少してしまうが、２０μＳｅＣの間
ベース信号しゃ断指令が送られるので、しゃ断動作は確
実行われる。

このようにしてパワートランジスタ４８が活性領域に入
ると、限流インピーダンス５３にも故障電流が転流し始
める。

そしてトランジスタ４８が完全にオフになったとき故障
電流は全て限流インピーダンス５３側に転流され、この
ときの故障電流は限流インピーダンスで決まる値にまで
限流される。

なお、抵抗器５６はコンデンサ５５の放電用に用いられ
、非直線サージ吸収素子５７はパワートランジスタ４８
のエミッタ及びコレクタ間に■ｃＥｏの電圧以上の電圧
を印加しないように主回路のサージ電圧を抑制するため
に用いられる。

またフリーホイーリングダイオード４３は負荷が誘導負
荷のときその誘導電圧が電源４１と同極性であればこれ
を吸収し、かくしてトランジスタ４８への過大電圧の印
加を防止する機能を果す。

以上は直流用限流装置に本発明を適用した場合について
述べたが、交流用限流装置に適用する場合は第４図に示
す如く、三相交流電源６１の各相の出力回路に、それぞ
れ第３図のパワートランジスタ限流装置４４と同様の限
流回路６２Ｒ〜６２Ｔを設ける。

ただし第４図の場合は、Ｒ相のベース信号回路６２Ｒは
そのトランジスタ４８に対してオフ信号を与えたときこ
れと同時に、Ｓ相のベース信号回路５０に対してしゃ断
指令Ｓ１を送出してこれをしゃ断動作させる。

同様にＳ相のベース信号回路５０はＴ相のベース信号回
路５０にしゃ断指令Ｓ２を送出し、またＴ相のベース信
号回路５０はＲ相のベース信号回路５０にしゃ断指令Ｓ
３を送出する。

かくすれば、第３図の場合と同様の動作により、交流負
荷電流の限流を実現できる。

上述せる如く本発明に依れば、故障電流を切換えるため
の素子として逆電流を必要とするサイリスクを用いてい
ないので、そのために従来用いられていた転流回路が不
要となる。

従ってこの弁全体としての構成が簡易小型となるのに加
えて、高圧扱いを必要とする充電用コンデンサも不要で
あるから、装置を全体として低電圧回路のみで構成し得
る。

また限流動作をさせるにつき電源のバックパワーに制限
されることなく実現できる。

さらに切換素子としてパワートランジスタを用いたこと
により、高速度の再投入ができるので多頻度で故障電流
が発生してもこれに確実に応動でき、従って応動特性が
一段と改善された半導体限流装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の半導体限流装置を示す接続図
、第３図及び第４図は本発明に依る半導体限流装置の一
例を示す接続図である。 １．４１・・−直流電流、２，４２・・・負荷、３゜４
３・・・フリーホイーリングダイオード、４・・・サイ
リスタ限流装置、１３・・・主サイリスタ、１４・・・
補助サイリスク、１６．５１・・・シャント抵抗、１７
・・・ゲート制御回路、２１，５３・・・限流インピー
ダンス、４９・・・活性領域検出回路、５０・・・ベー
ス信号回路、５２・・・定電圧ダイオード、５８・・・
サージ吸収回路、６１，６２・・・交流電源、６３ 、
２９・・・交流負荷。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 負荷に対する主回路に介挿されたパワートランジス
   タと、このパワートランジスタと並列に接続され当該パ
   ワートランジスタがオフ動作したとき上記主回路の電流
   の転流を受ける限流インピーダンスと、上記主回路に故
   障電流が流れたときこれを検出する故障電流検出器と、
   上記パワートランジスタが活性領域に入ったときこれを
   検出する活性領域検出回路と、上記故障電流検出器の検
   出出力によって上記パワートランジスタをオフ動作させ
   、且上記活性領域検出回路の検出出力によって予定の時
   間の間上記パワートランジスタのオフ動作を維持させる
   ベース信号回路とを具えたことを特徴とする半導体限流
   装置。