KR20160114655A - 전자석 구동 장치 - Google Patents

Abstract

스위칭 소자(2)의 개재에 의해 전자석(1)의 여자 전류를 제어하는 제어 마이컴(13a, 13b)을 구비한다. 제어 마이컴(13a, 13b)은 전자석(1)의 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시에는, 전자석(1)의 여자 전류의 크기에 비례한 전압 강하와 전자석(1)에 인가되는 DC 전원 전압으로부터 전자석(1)의 권선 저항치를 산출하고, 산출된 권선 저항치에 기초하여 상기 DC 전원 전압의 펄스 제어를 행하여, 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시 이외는, 상기 DC 전원 전압을 펄스 전압으로 하여 전자석(1)으로 인가한다.

Description

전자석 구동 장치{ELECTROMAGNET DRIVE DEVICE}

이 발명은 차단기 등에 내장되는 전자석을 구동하는 전자석 구동 장치에 관한 것이다.

차단기 등에 내장되는 전자석의 철심(鐵心)을 흡인(吸引)하는 전자석 구동 장치는, 흡인 초기에는 자기(磁氣) 회로의 공극(空隙)으로 인해 큰 여자(勵磁) 전류를 권선으로 통전(通電)하고, 철심을 흡인한 후는 자기 회로의 공극이 작아지므로 여자 전류를 저감하여 통전하여, 흡인 상태를 유지하는 제어가 행해지고 있다.

이러한 전자석 구동 장치에서는, 철심 흡인 후의 여자 전류의 저감 수단으로서, 전자석에 펄스 모양의 전압을 인가하고, 전자석에 전압이 인가되지 않는 기간은 전자석의 역기전력으로 발생하는 여자 전류가 플라이휠 다이오드(flywheel diode)를 통해서 흐르도록 하여, 항상 권선에 여자 전류가 흐르도록 하고 있다. 또, 철심 흡인 후의 여자 전류를 검출하는 방법으로서, 전자석과 플라이휠 다이오드로 형성되는 루프 중에 전류 검출 센서를 마련하여 검출하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1: 일본 특개평 6－311637호 공보

상기 특허 문헌 1에 개시된 기술과 같이, 전자석과 플라이휠 다이오드로 형성되는 루프 중에 전류 검출 센서를 마련하여 검출하는 방법에서는, 전류 검출 센서에 저항을 이용하여 저항에서의 전압 강하를 검출하는 방법이 이용되고 있지만, 항상 저항에 여자 전류가 흐르기 때문에 전력 손실이 증가해 버리는 과제가 있었다.

또, 전력 손실을 억제하기 위해서, 전류 검출 센서를 전자석과 플라이휠 다이오드로 형성되는 루프의 밖에 두고, 전자석에 펄스 모양의 전압을 인가하기 위한 스위칭 소자와 직렬로 전류 검출 센서를 마련하고, 스위칭 소자가 도통으로 될 때만 전류 검출 센서로 여자 전류를 검출하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 이 방법으로 하면, 전자석의 인가 전압 펄스의 펄스 폭이 좁은 경우나 펄스 주기가 빠른 경우는, 마이컴(microcomputer)을 이용하여 검출했을 경우에 샘플링 주파수가 높은 고성능이고 고가의 마이컴을 사용해야 한다고 하는 과제가 있었다.

이 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 전자석의 여자 전류의 크기에 비례한 전압 강하를 발생시키는 여자 전류 검출 저항에 의한 전력 손실을 억제하고, 그에 더하여 샘플링 주파수가 낮은 마이컴으로도 제어 가능하게 하는 전자석 구동 장치를 얻는 것을 목적으로 하는 것이다.

이 발명의 전자석 구동 장치는, 전자석에 인가하는 DC 전원 전압을 출력하는 권선용 전원 회로와, 상기 DC 전원 전압을 계측하는 전원 전압 계측 회로와, 상기 전자석에 직렬 접속되고, 상기 전자석의 여자 전류의 크기에 비례한 전압 강하를 발생시키는 여자 전류 검출 저항과, 상기 전자석의 여자 전류를 스위칭 소자의 개재(介在)에 의해 제어하는 제어 마이컴을 구비하고,

상기 제어 마이컴은 상기 전자석의 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시에, 상기 여자 전류 검출 저항의 전압 강하와 상기 DC 전원 전압의 계측 결과로부터 상기 전자석의 권선 저항치를 산출하고, 상기 전자석의 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시 이외는, 상기 권선 저항치에 기초하여 상기 DC 전원 전압을 상기 스위칭 소자에 의해 펄스 전압으로 변환하여 상기 전자석으로 인가하는 펄스 제어를 행하는 것이다.

이 발명은 전자석의 여자 전류의 크기에 비례한 전압 강하를 발생시키는 여자 전류 검출 저항에 의한 전력 손실을 억제할 수 있음과 아울러, 전자석의 철심 흡인 후에 여자 전류를 저감시키기 위해서 펄스 전압을 전자석에 인가했을 시에, 샘플링 주파수가 낮은 마이컴에서는 검출할 수 없는 펄스 전압 인가시의 전자석 여자 전류를 검출 가능하게 하여, 샘플링 주파수가 낮은 염가의 마이컴이 사용 가능해진다.

이 발명의 상기 이외의 목적, 특징, 관점 및 효과는, 도면을 참조하는 이하의 이 발명의 상세한 설명으로부터, 더욱 분명하게 된다고 생각할 수 있다.

도 1은 이 발명의 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 이 발명의 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치의 인가 전압을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 이 발명의 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치의 통전 전류를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 전자석의 권선 저항치와 온도의 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 이 발명의 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치의 보정 계수와 권선 저항치의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 이 발명의 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치의 보정 계수와 인가 전압의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 이 발명의 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 8은 이 발명의 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치의 인가 전압을 설명하기 위한 설명도이다.
도 9는 이 발명의 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치의 스위칭 소자와 반도체 스위치의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 10은 이 발명의 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치의 여자 전류 검출 저항의 전압과 콘덴서의 전압의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 11은 이 발명의 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 12는 이 발명의 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치의 여자 전류 검출 저항의 통전 전류와 포토 모스 릴레이(Photo-MOS relay)의 입력측 통전 전류의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 13은 이 발명의 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치의 여자 전류 검출 저항의 통전 전류와 콘덴서의 충전 전류의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 14는 이 발명의 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치의 여자 전류 검출 저항 전압과 콘덴서의 전압의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.

이하, 이 발명에 따른 전자석 구동 장치의 바람직한 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

실시 형태 1.

도 1은 이 발명의 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 1에 있어서, 전자석(1)은 스위칭 소자(2)에 접속되어 있다. 스위칭 소자(2)가 도통 상태일 때는, 권선용 전원 회로(3)로부터 DC 전원 전압이 전자석(1)에 인가된다. 스위칭 소자(2)가 도통 상태일 때는, 여자 전류 검출 저항(4)에 여자 전류가 흘러, 여자 전류의 크기에 비례한 전압 강하가 여자 전류 검출 저항(4)에 발생한다. 플라이휠 다이오드(5)는 스위칭 소자(2)가 비도통일 때, 전자석(1)에 발생하는 기전력을 이용하여 전자석(1)에 여자 전류를 흘리기 위해서 전자석(1)에 병렬 접속되어 있다. 즉, 전자석(1)과 플라이휠 다이오드(5)에 의해 루프가 형성되어 있다.

여자 전류 제어부(6a)는 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압을 계측하는 전원 전압 계측 회로(10)와, 여자 전류 검출 저항(4)의 전압 강하를 계측하여, 전자석(1)의 여자 전류를 검출하는 여자 전류 검출 수단인 여자 전류 계측 회로(11)와, 스위칭 소자(2)를 펄스 제어하는 펄스 구동 회로(12a)와, 전원 전압 계측 회로(10)와 여자 전류 계측 회로(11)의 계측치를 바탕으로, 전자석(1)의 철심을 유지하기 위해서 필요한 여자 전류를 흘릴 수 있는 펄스 폭을 산출하여 펄스 구동 회로(12a)의 펄스 폭을 제어하는 제어 마이컴(13a)과, 제어 마이컴(13a)으로 전원 공급하는 제어 전원 회로(14)를 구비하고 있다.

알람 출력 회로(7)는 전자석(1)의 권선의 레이어 쇼트(layer short) 등에 의한 권선 저항치 이상(異常)시나, 차단기 통전부의 이상 발열로 전자석(1)의 주위 온도가 상승하여, 권선 저항치가 증대되었을 때 등에 알람을 출력한다. 시간지연 동작용 콘덴서(time-delay operation capacitor)(8)는 전원 백업의 콘덴서이고, 이 전자석 구동 장치를 차단기의 내부 부속 장치의 부족 전압 트립 장치(under voltage trip device) 등에 이용했을 경우, 입력 전원의 절단 후에, 소정의 시간(예를 들면 3초 정도) 전자석(1)의 철심 흡인을 유지하는 시간지연 동작을 행하게 하기 위해서, 시간지연 동작 중에 전자석(1)의 여자 전류를 공급하는 것이다.

실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치는 상기와 같이 구성되어 있고, 다음에 그 동작에 대해 설명한다.

제어 마이컴(13a)은 권선용 전원 회로(3) 및 제어 전원 회로(14)가 기동하여 전원 공급을 받아 기동(起動)한 후, 전원 전압 계측 회로(10)에 의해, 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압이 전자석(1)의 철심을 흡인할 수 있는 전압까지 상승하여 일정치 Va로 안정되어 있는 것을 확인한다. 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압이 일정치 Va로 안정되어 있는 것을 확인하면, 펄스 구동 회로(12a)를 동작시켜 철심 흡인을 행한다.

철심 흡인 초기시에는 자기 회로의 공극으로 인해 큰 여자 전류를 권선으로 흐르게 할 필요가 있기 때문에, 제어 마이컴(13a)은 가로축을 시간, 세로축을 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압으로 하는 도 2의 Ta로 나타내는 수백 ms의 기간, 펄스 구동 회로(12a)의 펄스 폭을 100%로 동작시킨다. 그리고 스위칭 소자(2)를 수백 ms 동안 도통 상태로 하여, 전자석(1)에 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압을 인가한다. 이때, 전자석(1)으로 통전되는 여자 전류는, 가로축을 시간, 세로축을 여자 전류로 하는 도 3에 도시하는 것처럼 된다. 즉, T1로 나타내는 전압 인가 개시 시점에서부터 여자 전류가 흐르기 시작한다. 그리고 가동(可動) 철심과 고정(固定) 철심의 공극이 작아짐에 따라, 자기 저항이 감소하여 자속이 증가하고, 철심이 흡착되면 자속이 급격하게 증가해서 역(逆)기전력이 발생하여, T2로 나타내는 시점에서 코일 전류는 일단 감소한다. 철심의 흡착 후는 자기 저항이 일정하게 되어 자속의 변화가 없어져, 역기전력이 감소하여 없어지면, T3으로 나타내는 기간과 같이 전자석(1)의 여자 전류는 인가 전압을 권선 저항치로 나눈 일정치가 된다.

이때, 여자 전류 검출 저항(4)에는 여자 전류에 비례한 전압 강하 Vb가 발생한다. 제어 마이컴(13a)은 여자 전류 계측 회로(11)로 전압 강하 Vb의 계측 데이터, 및 전원 전압 계측 회로(10)로 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va의 계측 데이터를 취득한다. 여자 전류 검출 저항(4)의 저항치를 Rb라고 하면, 제어 마이컴(13a)은 전자석(1)의 권선 저항치 Ra를 Ra=(Va－Vb)/(Vb/Rb)의 계산식에 의해 산출한다. 여기서, 스위칭 소자(2)의 온 저항은 수백 mΩ이고, 전자석(1)의 권선 저항치에 대해서 충분히 작기 때문에, 스위칭 소자(2)에서의 전압 강하는 생략하여 계산하고 있다.

도 2의 철심 흡인 초기시 Ta의 기간이 지나, 철심이 흡인된 후는, 자기 회로의 공극이 작아지므로 여자 전류를 저감시켜 통전하더라도, 철심의 흡인 상태를 유지할 수 있다. 여자 전류의 저감은 제어 마이컴(13a)이 펄스 구동 회로(12a)를 통해서 스위칭 소자(2)를 펄스 구동하고, 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va를 펄스 전압으로 하여 전자석(1)에 가함으로써 행하지만, 도 4에서 도시하는 것처럼 전자석(1)의 권선 저항치 Ra는 주위 온도에 비례하여 증가하기 때문에, 펄스 폭이 일정하면 주위 온도의 상승과 함께 여자 전류가 저감되고, 또, 순간 정전 등으로 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va가 저감했을 때에 여자 전류가 저감된다.

이것을 피하기 위해, 제어 마이컴(13a)은 상기 계산으로 얻은 권선 저항치 Ra와 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va의 계측치를 이용하여, 펄스 제어의 온-듀티(on-duty)의 보정 계수 K를 구하고, 기준 온-듀티 D1에 보정 계수 K를 곱한 D1×K의 온-듀티로 펄스 제어를 행한다. 또한, 기준 온-듀티 D1은 주위 온도 20℃에서 권선용 전원 회로(3)의 안정 동작시의 철심 흡인 유지 가능한 온-듀티로서, 미리 제어 마이컴(13a)에 기억되어 있다. 또, 보정 계수 K는 주위 온도에 의한 권선 저항치의 증감을 고려한 보정 계수 K1과 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va의 저감을 고려한 보정 계수 K2를 곱한 K=K1×K2의 계산식으로 제어 마이컴(13a)이 산출한다. K1=권선 저항치 Ra/기준 권선 저항치 R1, K2=DC 전원 전압 Va/기준 전원 전압 V1이고, 기준 권선 저항치 R1은 주위 온도 20℃일 때의 저항치, 기준 전원 전압 V1은 권선용 전원 회로(3)의 안정 동작시 전압이다. 도 5에 도시하는 것처럼, 보정 계수 K1은 권선 저항치와 비례하여 온-듀티가 커지도록 보정을 행한다. 또, 도 6에 도시하는 것처럼, 보정 계수 K2는 권선의 인가 전압이 저감하면 온-듀티를 크게 하도록 보정을 행한다.

전자석(1)의 권선의 저항치는 주위 온도에 따라서 증감되기 때문에, 철심 흡인 초기시 Ta의 기간에 산출한 권선 저항치 Ra를 바탕으로 긴 시간 펄스 제어했을 경우, 흘리고 있는 여자 전류가 철심의 흡인 유지에 필요한 여자 전류를 하회하거나, 필요 이상의 여자 전류를 흘려 버려서 전자석(1)이 발열하거나, 소비 전류가 증가하는 등의 문제를 일으킨다. 이 때문에, 도 2와 같이 수십초 마다 Tb로 나타내는 수백 ms의 기간, 펄스 구동 회로(12a)의 펄스 폭을 100%로 동작하여, 스위칭 소자(2)를 수백 ms 동안 도통시키고, 도 3의 T4의 기간과 같이 여자 전류가 일정하게 되었을 때에 전자석(1)의 권선의 저항치 Ra를 재계산하여, 다음의 수십초 후의 철심 재흡인까지 동안의 온-듀티를 결정해서, 여자 전류가 일정하게 되도록 제어한다. 또한, 차단기의 전자석을 이용한 내부 부속 장치 등은 본체 개폐 충격 등의 외적 충격이 전자석에 가해지지만, 이 외적 충격에 의해 위치 시프트된 철심을 원래의 위치에 되돌리는 기능을 수십초 마다의 철심 재흡인은 겸하고 있다.

이 전자석 구동 장치를 차단기 등의 내부 부속 장치에 사용했을 경우, 통전부의 방열의 영향이나 주위 온도의 상승에 의해 전자석(1)의 권선 저항치가 증가하지만, 제어 마이컴(13a)에는 권선 저항치의 최대 변화 범위가 기억되어 있어, 상기 산출로 얻은 권선의 저항치 Ra가 권선의 레이어 쇼트 등에 의해 하한치를 벗어난 경우나, 통전부의 이상 발열에 의해 전자석(1)의 주위 온도가 올라 권선 저항치가 상한을 벗어난 경우에, 제어 마이컴(13a)은 알람 출력 회로(7)를 통해서 권선 저항치 이상에 대한 알람을 출력한다.

또, 차단기의 내부 부속 장치의 부족 전압 트립 장치 등은 입력 전원의 절단 후에 3초 정도, 전자석의 철심 흡인을 유지하는 시간지연 동작형이 있지만, 시간지연 동작용 콘덴서(8)를 장착함으로써, 입력 전원의 절단 후의 시간지연 기간은 절단 전에 축적한 전하로 전자석(1)에 여자 전류를 계속 흘린다. 이때, 전자석(1)에 인가되는 전압 Va는 시간지연 동작용 콘덴서(8)의 전하의 소비와 함께 저하하므로, 스위칭 소자(2)의 스위칭 펄스 폭을 일정하게 했을 경우, 여자 전류가 저감되어 버리지만, 상기 보정 계수 K를 기본 온-듀티 D1에 곱한 온-듀티로 펄스 제어함으로써, 전자석(1)의 인가 전압 Va의 저감과 함께 온-듀티가 커져, 여자 전류를 일정하게 유지할 수 있다.

이상과 같이, 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치에 의하면, 여자 전류 검출 저항(4)이 전자석(1)과 플라이휠 다이오드(5)로 형성되는 루프 밖에 마련되어 있기 때문에, 스위칭 소자(2)가 도통 상태일 때만 여자 전류 검출 저항(4)에 전력 소비가 발생하고, 스위칭 소자(2)가 비도통 상태일 때는 전력 소비가 발생하지 않기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.

또, 도 3의 T3과 T4와 같이 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시의 비교적 큰 지점의 여자 전류를 여자 전류 계측 회로(11)로 계측하기 때문에, 만일 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시의 여자 전류가 흡인 홀딩 유지 전류(held-attraction maintaining current)의 5배인 경우, 같은 검출 전압을 얻으려고 하면 흡인 홀딩 유지 전류를 검출하는 방식에 비해 1/5의 저항치의 여자 전류 검출 저항(4)을 사용할 수 있다. 작은 저항치의 저항을 사용함으로써, 저항에서의 전력 소비가 억제되어, 정격 전력이 작은 저항을 사용할 수 있다.

또, 도 2와 같이 여자 전류 검출 저항(4)에 생기는 여자 전류에 비례한 전압 강하는, 스위칭 소자(2)가 도통 상태일 때만 생기지만, 흡인 홀딩 유지 전류 통전시의 펄스 제어의 펄스 주기를 스위칭음의 가청 대역을 피하기 위해 15kHz 이상으로 설정하면, 펄스 폭은 수 ㎲~수십 ㎲로 좁아진다. 이 펄스를 수회 샘플링할 수 있는 제어 마이컴을 선정하면, 고성능이고 고가의 마이컴을 선정할 수밖에 없다. 만일 10㎲의 펄스를 10회 샘플링할 수 있도록 하기 위해서는 샘플링 주기가 1MHz 이상의 고성능인 제어 마이컴이 필요하지만, 도 3의 T3과 T4의 여자 전류 검출의 기간을 10ms 이상 취하면, 10ms의 펄스를 10회 샘플링하려면 1kHz 이상의 샘플링 주기의 제어 마이컴을 사용할 수 있어, 샘플링 주파수가 낮은 염가의 범용 마이컴을 사용할 수 있다.

또, 제어 마이컴(13a)에는 권선 저항치의 최대 변화 범위가 기억되어 있어,최대 변화 범위를 벗어난 경우에, 알람 출력 회로(7)로부터 권선 저항치 이상에 대한 알람을 출력함으로써, 레이어 쇼트 등에 의한 권선 저항치 이상이나, 차단기 등의 내부 부속 장치에 사용했을 경우에, 통전부의 이상 발열에 의해 전자석(1)의 주위 온도가 올라 권선 저항치가 증대되었을 때에 알람을 출력함으로써 이상을 알릴 수 있다.

또, 전자석(1)의 철심 흡인 후는, 자기 회로의 공극이 작아지므로 여자 전류를 저감시켜 통전하더라도, 철심의 흡인 상태를 유지할 수 있지만, 제어 마이컴(13a)은 권선 저항치 Ra와 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va의 계측치를 이용하여, 온-듀티의 보정 계수를 구하고 기준 온-듀티에 보정 계수를 곱한 온-듀티로 펄스 제어를 행함으로써, 주위 온도에 의한 권선 저항치의 증감시나 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압 Va의 저감시도 여자 전류를 일정하게 유지할 수 있다.

또, 전자석(1)의 권선의 저항치는 주위 온도에 따라서 증감되기 때문에, 철심 흡인시에 산출한 권선 저항치를 바탕으로 긴 시간 펄스 제어했을 경우, 흘리고 있는 여자 전류가 철심의 흡인 유지에 필요한 여자 전류를 하회하거나, 필요 이상의 여자 전류를 흘려 버려서 전자석(1)이 발열하거나, 소비 전류가 증가하는 등의 문제를 일으키지만, 수십초 마다 전자석(1)의 권선의 저항치를 재계산하여, 다음 수십초 후의 철심 재흡인까지 동안의 온-듀티의 보정 계수를 산출하여, 온-듀티를 결정하여 펄스 제어함으로써, 여자 전류를 일정하게 유지할 수 있다.

또, 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치를 차단기의 내부 부속 장치 등에 이용했을 경우, 본체 개폐 충격 등의 외적 충격이 전자석(1)에 가해지지만, 수십초 마다 철심 재흡인을 행함으로써, 외적 충격에 의해 위치 시프트된 철심을 원래의 위치로 되돌릴 수 있다.

또, 실시 형태 1에 따른 전자석 구동 장치를 차단기 내부 부속 장치의 부족 전압 트립 장치 등의 입력 전원 절단 후에 3초 정도, 전자석(1)의 철심 흡인을 유지하는 시간지연 동작형에 이용했을 경우, 입력 전원의 절단 후의 시간지연 기간은 시간지연 동작용 콘덴서(8)에 축적한 전하로 전자석(1)에 여자 전류를 계속 흘리지만, 전자석(1)에 인가되는 DC 전원 전압 Va는 시간지연 동작용 콘덴서(8)의 전하의 소비와 함께 저하하므로, 보정 계수를 기본 온-듀티에 곱한 온-듀티로 펄스 제어함으로써, 전자석(1)의 인가 전압이 저감되더라도 여자 전류를 일정하게 유지할 수 있다.

실시 형태 2.

다음으로, 이 발명의 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치에 대해 설명한다.

도 7은 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치의 구성을 나타내는 회로도이다. 실시 형태 2는 실시 형태 1에 있어서의 여자 전류 제어부(6a)의 다른 실시 형태를 나타내는 것이고, 실시 형태 1과 마찬가지인 다양한 효과를 달성하는 것이다.

도 7에 있어서, 여자 전류 제어부(6b)는 전자석(1)의 철심 유지에 필요한 여자 전류의 통전을 스위칭 소자(2)의 펄스 제어에 의해 실시하는 제어 마이컴(13b)과, 제어 마이컴(13b)의 제어 전원(14)과, 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압을 계측하는 전원 전압 계측 회로(10)와, 스위칭 소자(2)를 펄스 제어하는 펄스 구동 회로(12b)와, 펄스 구동 회로(12b)의 펄스 출력에 의해 스위칭 소자(2)를 펄스 구동하는 트랜지스터(20), 저항(21) 및 제너 다이오드(22)를 구비하고 있다

여자 전류 제어부(6b)는 추가로, 스위칭 소자(2)의 도통시에 여자 전류 검출 저항(4)에 발생하는 여자 전류에 비례한 검출 전압을, 스위칭 소자(2)의 비도통인 기간에도 유지하는 콘덴서(23)와, 스위칭 소자(2)의 비도통인 기간에 콘덴서(23)로부터 여자 전류 검출 저항(4)측으로 전류가 흐르는 것을 방지하는 저항(24)과, 스위칭 소자(2)의 도통시에만 콘덴서(23)와 여자 전류 검출 저항(4)을 접속시키는 반도체 스위치(25)와, 스위칭 소자(2)의 도통시에만 반도체 스위치(25)를 동작시키는 제너 다이오드(26) 및 저항(27)을 구비하고 있다. 또한, 그 외의 구성에 대해서는, 실시 형태 1과 마찬가지이므로 동일 부호를 부여함으로써 설명을 생략한다.

실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치는 상기와 같이 구성되어 있고, 다음에 그 동작에 대해 설명한다.

실시 형태 1에서는 철심 흡인 초기시와 수십초 마다 수백 ms의 기간, 펄스 제어의 펄스 폭을 100%로 동작했을 때의 여자 전류 검출 저항(4)에 생기는 전압 강하로 전자석(1)의 권선 저항치를 산출함으로써, 펄스 제어의 펄스 폭을 결정했지만, 실시 형태 2에서는 가로축을 시간, 세로축을 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압으로 하는 도 8의 펄스 제어 기간 Tc에 여자 전류 검출 저항(4)에 생기는 전압 강하로 펄스 제어의 펄스 폭을 결정한다. 제어 마이컴(13b)은 철심 흡인 초기시에 실시 형태 1에서 설명한 방법에 의해 전자석(1)의 권선 저항치를 산출하여, 펄스 폭을 결정하고 펄스 제어를 개시한다. 전자석(1)의 권선 저항치는 주위 온도에 따라서 증감하기 때문에, 철심 흡인 초기시에 산출한 권선 저항치를 바탕으로 긴 시간 펄스 제어했을 경우, 흘리고 있는 여자 전류가 철심의 흡인 유지에 필요한 여자 전류를 하회하거나, 필요 이상의 여자 전류를 흘려 버려서 전자석(1)이 발열하거나, 소비 전류가 증가하는 등의 문제를 일으킨다. 이 때문에, 스위칭 소자(2)의 도통시에 여자 전류 검출 저항(4)에 발생하는 여자 전류에 비례한 검출 전압을 스위칭 소자(2)가 비도통인 기간도 콘덴서(23)로 유지함으로써, 샘플링 주파수가 낮은 염가의 마이컴으로도 샘플링 가능해진다.

스위칭 소자(2)는 게이트 단자 전압이 임계치를 넘으면 도통이 되는 소자이고, 반도체 스위치(25)는 컨트롤 단자 전압이 임계치를 넘으면 스위치가 도통이 되는 소자이다. 펄스 구동 회로(12b)에 의해 트랜지스터(20)를 온, 오프함으로써 펄스 제어를 행하는데, 트랜지스터(20)의 온시는 제너 다이오드(22)는 단락되어 스위칭 소자(2)의 게이트 단자에 전압은 인가되지 않고, 트랜지스터(20)의 오프시는 저항(21)으로부터 제너 다이오드(22)에 전류가 흘러, 스위칭 소자(2)의 게이트 단자에 제너 다이오드(22)의 제너 전압과 동등한 전압이 인가된다.

제너 다이오드(22)의 제너 전압보다 낮은 제너 전압 특성을 가진 제너 다이오드(26)와 저항(27)을 제너 다이오드(22)와 병렬로 접속하고, 반도체 스위치(25)의 컨트롤 단자에 접속한다. 이것에 의해, 도 9에 도시하는 것처럼, 스위칭 소자(2)의 게이트 단자 전압이 제너 다이오드(26)의 제너 전압에 이를 때까지는, 제너 다이오드(26)에는 전류가 흐르지 않아 저항(27)의 양단에는 전압이 발생하지 않기 때문에, 상승시는 반도체 스위치(25)의 컨트롤 단자 전압은 스위칭 소자(2)의 게이트 단자 전압보다도 지연되어 상승하고, 하강시는 반도체 스위치(25)의 컨트롤 단자 전압은 스위칭 소자(2)의 게이트 단자 전압보다도 빨리 하강한다. 따라서 펄스 제어시에 스위칭 소자(2)가 도통으로 된 후에 지연되어 반도체 스위치(25)가 도통으로 되고, 스위칭 소자(2)가 비도통으로 되는 것보다 먼저 반도체 스위치(25)가 비도통으로 된다.

이것에 의해, 스위칭 소자(2)가 도통되어 여자 전류 검출 저항(4)에 여자 전류에 비례한 검출 전압이 발생할 때만 반도체 스위치(25)가 도통되어, 콘덴서(23)를 충전하여 검출 전압을 유지하기 때문에, 도 10에 도시하는 것처럼, 여자 전류 검출 저항(4)의 검출 전압과 동등하다고 불 수 있는 범위 내의 값의 전압이 콘덴서(23)의 양단에 유지된다. 도 10과 같이 콘덴서(23)의 유지 전압은 반도체 스위치(25)의 리크 전류나 콘덴서(23) 자체의 리크 전류에 의한 자기 방전에 의해, 스위칭 소자(2)의 비도통 기간은 감소하지만, 여자 전류 검출에 영향을 미치지 않는 정도의 리크 전류 특성을 가진 부품을 선정함으로써 여자 전류 검출이 가능해진다.

저항(24)은 스위칭 소자(2)와 반도체 스위치(25)가 동시라고 볼 수 있는 타이밍에 도통 또는 비도통으로 되었을 경우에, 콘덴서(23)로부터 여자 전류 검출 저항(4)측으로 전류가 흘렀을 경우에, 콘덴서(23)의 유지 전압이 급격하게 저하되어, 검출에 영향을 미치는 것을 피하는 기능을 한다. 제어 마이컴(13b)은 콘덴서(23)에 충전된 전자석(1)의 여자 전류에 비례한 전압 신호를 읽어들여, 전자석(1)의 철심의 유지에 필요한 여자 전류가 흐르는 펄스 폭으로 펄스 구동 회로(12b)를 통해서 스위칭 소자(2)를 펄스 제어한다.

이상과 같이, 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치에 의하면, 여자 전류 검출 저항(4)이 전자석(1)과 플라이휠 다이오드(5)로 형성되는 루프 밖에 마련되어 있기 때문에, 스위칭 소자(2)가 도통 상태일 때만 여자 전류 검출 저항(4)에 전력 소비가 발생하고, 스위칭 소자(2)가 비도통 상태일 때는 전력 소비가 발생하지 않기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.

또, 전자석(1)의 여자 전류의 검출 신호가 스위칭 소자(2)의 비도통 기간에도 유지되기 때문에, 샘플링 주파수가 낮은 염가의 범용 마이컴으로도 여자 전류의 검출이 가능해진다.

또, 실시 형태 1과 마찬가지로, 전자석(1)의 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시에 전자석(1)의 권선 저항치를 산출함으로써, 권선 저항치의 최대 변화 범위를 벗어난 경우에, 알람 출력 회로(7)로부터 권선 저항치 이상에 대한 알람을 출력한다. 이것에 의해, 레이어 쇼트 등에 의한 권선 저항치 이상이나, 차단기 등의 내부 부속 장치에 사용했을 경우에 통전부의 이상 발열에 의해 전자석(1)의 주위 온도가 올라 권선 저항치가 증대했을 때에 알람을 출력함으로써 이상을 알릴 수 있다.

또, 실시 형태 2에 따른 전자석 구동 장치를 차단기의 내부 부속 장치 등에 이용했을 경우, 본체 개폐 충격 등의 외적 충격이 전자석(1)에 가해지지만, 수십초 마다 철심 재흡인을 행함으로써, 외적 충격에 의해 위치 시프트된 철심을 원래의 위치로 되돌릴 수 있다.

실시 형태 3.

다음으로, 이 발명의 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치에 대해 설명한다.

도 11은 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치의 구성을 나타내는 회로도이다. 실시 형태 3은 실시 형태 1에 있어서의 여자 전류 제어부(6a)의 또 다른 실시 형태를 나타내는 것으로, 실시 형태 1과 마찬가지인 다양한 효과를 달성하는 것이다.

도 11에 있어서, 여자 전류 제어부(6c)는 전자석(1)의 철심 유지에 필요한 여자 전류의 통전을 스위칭 소자(2)의 펄스 제어에 의해 실시하는 제어 마이컴(13b)과, 제어 마이컴(13b)의 제어 전원(14)과, 권선용 전원 회로(3)의 DC 전원 전압을 계측하는 전원 전압 계측 회로(10)와, 스위칭 소자(2)를 펄스 제어하는 펄스 구동 회로(12a)와, 스위칭 소자(2)의 도통시에 여자 전류 검출 저항(4)에 발생하는 여자 전류에 비례한 검출 전압을 스위칭 소자(2)가 비도통인 기간에도 유지하는 콘덴서(23)와, 스위칭 소자(2)의 비도통인 기간에 콘덴서(23)로부터 여자 전류 검출 저항(4)측으로 전류가 흐르는 것을 방지하는 저항(24)과, 스위칭 소자(2)가 도통시에만 콘덴서(23)와 여자 전류 검출 저항(4)을 접속하는 포토 모스 릴레이(30)와, 스위칭 소자(2)가 도통시에만 포토 모스 릴레이(30)의 동작 전류를 통전시키는 저항(31)과, 포토 모스 릴레이(30)의 외란에 의한 오동작을 피하는 저항(32)으로 구성되어 있다. 또한, 그 외의 구성에 대해서는, 실시 형태 1과 마찬가지이므로 동일 부호를 부여함으로써 설명을 생략한다.

실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치는 상기와 같이 구성되어 있고, 다음에 그 동작에 대해 설명한다.

실시 형태 1에서는 철심 흡인 초기시와 수십초 마다 수백 ms의 기간, 펄스 제어의 펄스 폭을 100%로 동작했을 때의 여자 전류 검출 저항(4)에 생기는 전압 강하로 전자석(1)의 권선 저항치를 산출함으로써, 펄스 제어의 펄스 폭을 결정했지만, 실시 형태 3에서는 실시 형태 2와 마찬가지로, 도 8에 도시하는 펄스 제어 기간 Tc에 여자 전류 검출 저항(4)에서 생기는 전압 강하에 의해, 펄스 제어의 펄스 폭을 결정한다.

제어 마이컴(13b)은 철심 흡인 초기시에 실시 형태 1에서 설명한 방법에 의해 전자석(1)의 권선 저항치를 산출하여, 펄스 폭을 결정해서 펄스 제어를 개시한다. 전자석(1)의 권선 저항치는 주위 온도에 따라서 증감하기 때문에, 철심 흡인 초기시에 산출한 권선 저항치를 바탕으로 긴 시간 펄스 제어했을 경우, 흘리고 있는 여자 전류가 철심의 흡인 유지에 필요한 여자 전류를 하회하거나, 필요 이상의 여자 전류를 흘려 버려, 전자석(1)이 발열하거나, 소비 전류가 증가하는 등의 문제를 일으킨다. 이 때문에, 스위칭 소자(2)가 도통시에 여자 전류 검출 저항(4)에서 발생하는 여자 전류에 비례한 검출 전압을, 스위칭 소자(2)가 비도통인 기간에도 콘덴서(23)로 유지함으로써 샘플링 주파수가 낮은 염가의 마이컴으로도 샘플링 가능해진다.

포토 모스 릴레이(30)는, 도 12에 도시하는 것처럼, 스위칭 소자(2)의 도통시에 여자 전류 검출 저항(4)과 저항(31)으로 분류(分流)된 전류가 입력측에 통전됨으로써 출력측이 도통 상태가 된다. 이때, 저항(31)에 흐르는 전류가 여자 전류 검출 저항(4)에 흐르는 전류의 1/10 이하로 됨으로써, 전자석(1)의 여자 전류 검출에 영향을 주지 않도록 하고 있다.

또, 스위칭 소자(2)의 비도통시에, 외란에 의해 포토 모스 릴레이(30)의 입력측에 미소(微小) 전류가 흘러 포토 모스 릴레이(30)가 오동작하지 않도록, 저항(32)에 의해, 일정 이상의 전류가 포토 모스 릴레이(30)의 입력측에 흐르지 않으면 동작하지 않도록 하고 있다. 이것에 의해, 도 13에 도시하는 것처럼, 스위칭 소자(2)가 도통되어 여자 전류 검출 저항(4)에 여자 전류에 비례한 검출 전압이 발생할 때만 포토 모스 릴레이(30)의 출력측이 도통되어, 콘덴서(23)에 충전 전류가 흐르기 때문에, 도 14에 도시하는 것처럼, 여자 전류 검출 저항(4)의 검출 전압과 동등하다고 볼 수 있는 범위 내의 값의 전압이 콘덴서(23)의 양단에 유지된다.

도 14에 도시하는 것처럼, 콘덴서(23)의 유지 전압은 포토 모스 릴레이(30)의 리크 전류나 콘덴서(23) 자체의 리크 전류에 의한 자기 방전에 의해, 스위칭 소자(2)의 비도통 기간은 감소하지만, 여자 전류 검출에 영향을 미치지 않는 정도의 리크 전류 특성을 가진 부품을 선정함으로써 여자 전류 검출이 가능해진다. 또, 저항(24)은 스위칭 소자(2)와 포토 모스 릴레이(30)가 동시라고 볼 수 있는 타이밍에 도통 또는 비도통으로 되었을 경우에, 콘덴서(23)로부터 여자 전류 검출 저항(4)측으로 전류가 흘렀을 경우에, 콘덴서(23)의 유지 전압이 급격하게 저하되어, 검출에 영향을 미치는 것을 피하는 기능을 한다. 제어 마이컴(13b)은 콘덴서(23)에 충전된 전자석(1)의 여자 전류에 비례한 전압 신호를 읽어들여, 전자석(1)의 철심의 유지에 필요한 여자 전류가 흐르는 펄스 폭으로 펄스 구동 회로를 통해서 스위칭 소자(2)를 펄스 제어한다.

이상과 같이 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치에 의하면, 여자 전류 검출 저항(4)이 전자석(1)과 플라이휠 다이오드(5)로 형성되는 루프 밖에 마련되어 있기 때문에, 스위칭 소자(2)가 도통 상태일 때만 여자 전류 검출 저항(4)에 전력 소비가 발생하고, 스위칭 소자(2)가 비도통 상태일 때는 전력 소비가 발생하지 않기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.

또, 전자석(1)의 여자 전류의 검출 신호가 스위칭 소자(2)의 비도통 기간에도 유지되기 때문에, 샘플링 주파수가 낮은 염가의 범용 마이컴으로도 여자 전류의 검출이 가능해진다.

또, 실시 형태 1과 마찬가지로, 전자석(1)의 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시에 전자석(1)의 권선 저항치를 산출함으로써, 권선 저항치의 최대 변화 범위를 벗어난 경우에, 알람 출력 회로(7)로부터 권선 저항치 이상에 대한 알람을 출력한다. 이것에 의해, 레이어 쇼트 등에 의한 권선 저항치 이상이나, 차단기 등의 내부 부속 장치에 사용했을 경우에 통전부의 이상 발열에 의해 전자석(1)의 주위 온도가 올라 권선 저항치가 증대했을 때에 알람을 출력함으로써 이상을 알릴 수 있다.

또, 실시 형태 3에 따른 전자석 구동 장치를 차단기의 내부 부속 장치 등에 이용했을 경우, 본체 개폐 충격 등의 외적 충격이 전자석(1)에 가해지지만, 수십초 마다 철심 재흡인을 행함으로써, 외적 충격에 의해 위치 시프트된 철심을 원래의 위치로 되돌릴 수 있다.

이상, 이 발명의 실시 형태 1 내지 3에 대해 설명했지만, 이 발명은 그 발명의 범위 내에 있어서, 각 실시 형태를 자유롭게 조합하거나, 각 실시 형태를 적당히 변형, 생략하는 것이 가능하다.

Claims (7)

1. 전자석에 인가하는 DC 전원 전압을 출력하는 권선용 전원 회로와,
   상기 DC 전원 전압을 계측하는 전원 전압 계측 회로와,
   상기 전자석에 직렬 접속되고, 상기 전자석의 여자(勵磁) 전류의 크기에 비례한 전압 강하를 발생시키는 여자 전류 검출 저항과,
   상기 전자석의 여자 전류를 스위칭 소자의 개재(介在)에 의해 제어하는 제어 마이컴을 구비하고,
   상기 제어 마이컴은,
   상기 전자석의 철심 흡인(吸引) 초기시와 철심 재흡인시에, 상기 여자 전류 검출 저항의 전압 강하와 상기 DC 전원 전압의 계측 결과로부터 상기 전자석의 권선 저항치를 산출하고,
   상기 전자석의 철심 흡인 초기시와 철심 재흡인시 이외는, 상기 권선 저항치에 기초하여 상기 DC 전원 전압을 상기 스위칭 소자에 의해 펄스 전압으로 변환하여 상기 전자석으로 인가하는 펄스 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전자석의 권선 저항치가 이상(異常)으로 되었을 때에 알람을 출력하는 알람 출력 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 권선용 전원 회로로의 입력 전원의 절단 후에, 상기 전자석의 철심 흡인을 유지하는 전원 공급을 행하는 시간지연 동작용 콘덴서를 구비한 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자석과 병렬 접속되는 플라이휠 다이오드를 구비하고, 상기 여자 전류 검출 저항을 상기 전자석과 상기 플라이휠 다이오드에 의해 형성되는 루프 밖에 마련한 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 마이컴은 상기 펄스 제어의 온-듀티의 보정 계수를 구하고, 기준 온-듀티에 보정 계수를 곱한 온-듀티로 펄스 제어를 행하고, 상기 전자석의 권선 저항치가 증감했을 경우나, 상기 DC 전원 전압이 저감했을 경우에도 여자 전류의 일정 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위칭 소자가 도통되어 상기 여자 전류 검출 저항에 여자 전류에 비례한 검출 전압이 발생했을 때에만 도통되는 반도체 스위치와, 상기 제어 마이컴에 접속된 콘덴서를 구비하고,
   상기 콘덴서는 상기 여자 전류 검출 저항의 검출 전압과 동등한 전압으로 충전됨과 아울러, 충전된 전압을 유지하는 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위칭 소자가 도통되어 상기 여자 전류 검출 저항에 여자 전류에 비례한 검출 전압이 발생했을 때에만 도통되는 포토 모스 릴레이와, 상기 제어 마이컴에 접속된 콘덴서를 구비하고,
   상기 콘덴서는 상기 여자 전류 검출 저항의 검출 전압과 동등한 전압으로 충전됨과 아울러, 충전된 전압을 유지하는 것을 특징으로 하는 전자석 구동 장치.

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