WO2015177919A1 - 電磁石駆動装置 - Google Patents

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WO2015177919A1
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electromagnet
voltage
excitation current
power supply
switching element
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和久 松田
明宏 林
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三菱電機株式会社
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    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02Details
    • H01H33/59Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
    • HELECTRICITY
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    • H01H47/02Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/04Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnet driving device for driving an electromagnet built in a circuit breaker or the like.
  • An electromagnet drive device that attracts the iron core of an electromagnet built in a circuit breaker or the like applies a large excitation current to the winding in relation to the gap of the magnetic circuit in the initial stage of suction, and after the iron core is attracted, the gap of the magnetic circuit is Therefore, the excitation current is reduced and energized to maintain the attracted state.
  • a pulsed voltage is applied to the electromagnet, and during the period when the voltage is not applied to the electromagnet, the excitation current generated by the back electromotive force of the electromagnet is flywheel.
  • the exciting current always flows through the winding so as to flow through the diode.
  • a method for detecting the excitation current after the iron core is attracted a method is known in which a current detection sensor is provided in a loop formed by an electromagnet and a flywheel diode (see, for example, Patent Document 1).
  • the current detection sensor is provided outside the loop formed by the electromagnet and the flywheel diode, and the current detection sensor is provided in series with the switching element for applying a pulsed voltage to the electromagnet.
  • a method of detecting the excitation current with the current detection sensor only when the switching element becomes conductive can be considered.
  • this method is used, if the pulse width of the applied voltage pulse of the electromagnet is narrow or the pulse cycle is fast, a high-performance and expensive microcomputer with a high sampling frequency must be used when detected using a microcomputer. There was a problem.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses power loss due to the excitation current detection resistor that generates a voltage drop proportional to the magnitude of the excitation current of the electromagnet, and further reduces the sampling frequency.
  • An object of the present invention is to obtain an electromagnet drive device that can be controlled even by a low microcomputer.
  • An electromagnet drive device includes a winding power supply circuit that outputs a DC power supply voltage to be applied to an electromagnet, a power supply voltage measurement circuit that measures the DC power supply voltage, and an electromagnet exciting current that is connected in series to the electromagnet.
  • An excitation current detection resistor that generates a voltage drop proportional to the magnitude of the current, and a control microcomputer that controls the excitation current of the electromagnet through the intervention of a switching element,
  • the control microcomputer calculates the winding resistance value of the electromagnet from the voltage drop of the excitation current detection resistor and the measurement result of the DC power supply voltage at the initial core retraction of the electromagnet and at the time of re-attraction of the iron core. Except at the time of initial suction and re-attraction of the iron core, pulse control is performed in which the DC power supply voltage is converted into a pulse voltage by the switching element based on the winding resistance value and applied to the electromagnet.
  • This invention can suppress the power loss due to the excitation current detection resistor that generates a voltage drop proportional to the magnitude of the excitation current of the electromagnet, and also applies a pulse voltage to the electromagnet to reduce the excitation current after the core of the electromagnet is attracted.
  • a pulse voltage to the electromagnet to reduce the excitation current after the core of the electromagnet is attracted.
  • it is possible to detect an electromagnet excitation current when a pulse voltage is applied that cannot be detected by a microcomputer having a low sampling frequency, and an inexpensive microcomputer having a low sampling frequency can be used.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an electromagnet drive device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an electromagnet 1 is connected to a switching element 2.
  • a DC power supply voltage is applied to the electromagnet 1 from the winding power supply circuit 3.
  • an exciting current flows through the exciting current detection resistor 4, and a voltage drop proportional to the magnitude of the exciting current is generated in the exciting current detecting resistor 4.
  • the flywheel diode 5 is connected in parallel to the electromagnet 1 so that an exciting current flows through the electromagnet 1 using an electromotive force generated in the electromagnet 1 when the switching element 2 is non-conductive. That is, the electromagnet 1 and the flywheel diode 5 form a loop.
  • the excitation current control unit 6a measures the voltage drop of the excitation current detection resistor 4 and the power supply voltage measurement circuit 10 that measures the DC power supply voltage of the winding power supply circuit 3, and detects the excitation current of the electromagnet 1.
  • the pulse drive circuit 12a that controls the switching element 2 in pulses, the power supply voltage measuring circuit 10 and the exciting current measuring circuit 11.
  • a control microcomputer 13a that controls the pulse width of the pulse drive circuit 12a by calculating a pulse width that allows a necessary excitation current to flow, and a control power supply circuit 14 that supplies power to the control microcomputer 13a are provided.
  • the alarm output circuit 7 is used when the winding resistance value is abnormal due to a rare short of the winding of the electromagnet 1, or when the ambient temperature of the electromagnet 1 is increased due to abnormal heat generation in the circuit breaker energizing part, and the winding resistance value is increased. An alarm is output to.
  • the time delay operation capacitor 8 is a power backup capacitor. When this electromagnet driving device is used as an undervoltage tripping device for an internal accessory of a circuit breaker, a predetermined time (for example, about 3 seconds) after the input power is cut off. ) In order to perform the time-delayed operation for maintaining the iron core suction of the electromagnet 1, the exciting current of the electromagnet 1 is supplied during the time-delayed operation.
  • the electromagnet drive device is configured as described above, and the operation thereof will be described next.
  • the control microcomputer 13a is activated by the power supply voltage measuring circuit 10 so that the DC power supply voltage of the winding power supply circuit 3 is It is confirmed that the voltage rises to a voltage at which the iron core can be sucked and is stable at a constant value Va. If it can be confirmed that the DC power supply voltage of the winding power supply circuit 3 is stable at the constant value Va, the pulse driving circuit 12a is operated to perform iron core suction.
  • the control microcomputer 13a sets the horizontal axis to time and the vertical axis to the DC power supply voltage of the winding power supply circuit 3.
  • the pulse drive circuit 12a is operated at a pulse width of 100% for a period of several hundred ms indicated by Ta in FIG.
  • the switching element 2 is turned on for several hundred ms, and the DC power supply voltage of the winding power supply circuit 3 is applied to the electromagnet 1.
  • the excitation current energized to the electromagnet 1 is as shown in FIG. 3 with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing excitation current.
  • the exciting current starts to flow from the voltage application start time indicated by T1. Then, as the gap between the movable iron core and the fixed iron core decreases, the magnetic resistance decreases and the magnetic flux increases, and when the iron core is attracted, the magnetic flux increases rapidly and a back electromotive force is generated.
  • the coil current decreases once. After the iron core is attracted, the magnetic resistance becomes constant and the magnetic flux does not change.
  • the excitation current of the electromagnet 1 divides the applied voltage by the winding resistance as shown by the period T3. It becomes a constant value.
  • the on-resistance of the switching element 2 is several hundred m ⁇ and is sufficiently small with respect to the winding resistance value of the electromagnet 1, the voltage drop at the switching element 2 is omitted in the calculation.
  • the gap in the magnetic circuit becomes smaller, so that the attracted state of the iron core can be maintained even if the exciting current is reduced and energized. .
  • the excitation current is reduced by the control microcomputer 13a driving the switching element 2 through the pulse drive circuit 12a and applying the DC power supply voltage Va of the winding power supply circuit 3 to the electromagnet 1 as a pulse voltage.
  • the winding resistance value Ra of the electromagnet 1 increases in proportion to the ambient temperature. Therefore, if the pulse width is constant, the exciting current decreases as the ambient temperature rises, and the winding current value is increased due to an instantaneous power failure or the like.
  • the DC power supply voltage Va of the line power supply circuit 3 is reduced, the exciting current is reduced.
  • the control microcomputer 13a uses the winding resistance value Ra obtained by the above calculation and the measured value of the DC power supply voltage Va of the winding power supply circuit 3 to obtain the on-duty correction coefficient K for pulse control, Pulse control is performed with an on-duty of D1 ⁇ K obtained by multiplying the reference on-duty D1 by a correction coefficient K.
  • the reference on-duty D1 is an on-duty capable of attracting and holding the iron core during stable operation of the winding power supply circuit 3 at an ambient temperature of 20 ° C., and is stored in the control microcomputer 13a in advance.
  • the correction coefficient K is obtained by multiplying the correction coefficient K1 in consideration of the increase / decrease in the winding resistance value due to the ambient temperature by the correction coefficient K2 in consideration of the reduction of the DC power supply voltage Va of the winding power supply circuit 3
  • K K1 ⁇ K2 Is calculated by the control microcomputer 13a.
  • K1 winding resistance value Ra / reference winding resistance value R1
  • K2 DC power supply voltage Va / reference power supply voltage V1
  • the reference winding resistance value R1 is a resistance value and a reference power supply voltage V1 at an ambient temperature of 20 ° C. Is a voltage during stable operation of the winding power supply circuit 3.
  • the correction coefficient K1 is corrected so that the on-duty increases in proportion to the winding resistance value.
  • the correction coefficient K2 is corrected so as to increase the on-duty when the applied voltage of the winding decreases.
  • the pulse drive circuit 12a operates at a pulse width of 100% for a period of several hundred ms indicated by Tb every several tens of seconds, and the switching element 2 is turned on for several hundred ms.
  • the resistance value Ra of the winding of the electromagnet 1 is recalculated, and the on-duty until the iron core re-suction after the next several tens of seconds is determined. Is controlled to be constant.
  • internal attachment devices using breaker electromagnets are subjected to external impacts such as body opening and closing impacts on the electromagnet, but the function of returning the iron core displaced by this external impact to its original position every tens of seconds. It also serves as an iron core re-suction.
  • the winding resistance value of the electromagnet 1 increases due to the influence of heat radiation from the current-carrying part and the increase in ambient temperature. Is stored, and the ambient temperature of the electromagnet 1 rises when the winding resistance Ra obtained by the above calculation deviates from the lower limit due to rare shorting of the winding, or due to abnormal heat generation in the energizing section. When the winding resistance value exceeds the upper limit, the control microcomputer 13a outputs an alarm of winding resistance value abnormality via the alarm output circuit 7.
  • the undervoltage tripping device of the circuit breaker internal accessory device has a time-delay operation type that maintains the iron core suction of the electromagnet for about 3 seconds after the input power is cut off.
  • the exciting current continues to flow through the electromagnet 1 with the electric charge stored before the cutting off.
  • the voltage Va applied to the electromagnet 1 decreases with the consumption of the charge of the time delay operation capacitor 8, so that when the switching pulse width of the switching element 2 is made constant, the excitation current is reduced.
  • the on-duty increases as the applied voltage Va of the electromagnet 1 decreases, and the excitation current can be kept constant.
  • the exciting current detection resistor 4 is attached outside the loop formed by the electromagnet 1 and the flywheel diode 5, the switching element 2 is in a conductive state. Power consumption is generated in the exciting current detection resistor 4 only at the time of, and power consumption is not generated when the switching element 2 is in a non-conducting state, so that power loss can be suppressed.
  • the exciting current measuring circuit 11 measures the excitation current at a relatively large portion at the time of initial iron core suction and at the time of iron core re-suction.
  • the excitation current detecting resistor 4 having a resistance value of 1/5 can be used as compared with the method of detecting the attraction holding maintenance current when trying to obtain the same detection voltage.
  • a resistor having a small resistance value power consumption by the resistor can be suppressed, and a resistor having a small rated power can be used.
  • a voltage drop proportional to the exciting current generated in the exciting current detection resistor 4 occurs only when the switching element 2 is in a conducting state. If the frequency is set to 15 kHz or more in order to avoid the audible range, the pulse width is narrowed to several ⁇ s to several tens ⁇ s. If a control microcomputer capable of sampling this pulse several times is selected, a high-performance and expensive microcomputer must be selected. If a 10 ⁇ s pulse can be sampled 10 times, a high-performance control microcomputer with a sampling period of 1 MHz or more is required, but if the excitation current detection period of T3 and T4 in FIG. In order to sample a 10 ms pulse 10 times, a control microcomputer having a sampling period of 1 kHz or more can be used, and an inexpensive general-purpose microcomputer having a low sampling frequency can be used.
  • control microcomputer 13a stores the maximum change range of the winding resistance value.
  • the alarm output circuit 7 outputs an alarm of abnormal winding resistance value, thereby causing a short circuit. Abnormal winding resistance due to abnormalities, etc.
  • an abnormal alarm is generated when the ambient temperature of the electromagnet 1 increases and the winding resistance increases due to abnormal heating of the current-carrying part. Can be informed.
  • the iron core can be kept attracted even if the exciting current is reduced and energized. And a measured value of the DC power supply voltage Va of the winding power supply circuit 3, an on-duty correction coefficient is obtained, and pulse control is performed at an on-duty obtained by multiplying the reference on-duty by the correction coefficient, whereby winding at ambient temperature is performed.
  • the exciting current can be kept constant even when the line resistance value is increased or decreased or when the DC power supply voltage Va of the winding power supply circuit 3 is reduced.
  • the exciting current that is flowing is necessary for maintaining the attraction of the iron core.
  • the problem is that the electromagnet 1 generates heat or the current consumption increases because the excitation current is lower than the excitation current or more than necessary, but the resistance value of the winding of the electromagnet 1 is recalculated every tens of seconds.
  • the excitation current can be kept constant by calculating the on-duty correction coefficient until the iron core re-suction after the next several tens of seconds, and determining the on-duty and performing pulse control.
  • the electromagnet driving device when used as an internal accessory device of a circuit breaker, external shocks such as a body opening / closing impact are applied to the electromagnet 1, but the iron core is re-attracted every several tens of seconds. Thus, the iron core displaced by an external impact can be returned to the original position.
  • the electromagnet driving device when used for the time-delay operation type for maintaining the core suction of the electromagnet 1 for about 3 seconds after the input power source such as the undervoltage tripping device of the circuit breaker internal accessory device is cut off, During the delay period after the input power supply is cut off, the excitation current continues to flow through the electromagnet 1 with the electric charge stored in the delay operation capacitor 8, but the DC power supply voltage Va applied to the electromagnet 1 is applied to the delay operation capacitor 8. Since the voltage decreases as the electric charge is consumed, the excitation current can be kept constant even when the applied voltage of the electromagnet 1 is reduced by performing pulse control with an on-duty obtained by multiplying the basic on-duty by a correction coefficient.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of the electromagnet driving device according to the second embodiment.
  • the second embodiment shows another embodiment of the exciting current control unit 6a in the first embodiment, and has various effects similar to those of the first embodiment.
  • an excitation current control unit 6b includes a control microcomputer 13b that performs energization of an excitation current necessary for holding the iron core of the electromagnet 1 by pulse control of the switching element 2, a control power supply 14 of the control microcomputer 13b, and a winding A power supply voltage measuring circuit 10 that measures the DC power supply voltage of the power supply circuit 3, a pulse drive circuit 12b that controls the pulse of the switching element 2, a transistor 20 that pulses the switching element 2 using a pulse output of the pulse drive circuit 12b, and a resistor 21 And a zener diode 22.
  • the exciting current control unit 6b further includes a capacitor 23 that holds a detection voltage proportional to the exciting current generated in the exciting current detection resistor 4 when the switching element 2 is turned on, during the non-conducting period of the switching element 2, and the switching element 2
  • a resistor 24 for preventing a current from flowing from the capacitor 23 to the exciting current detection resistor 4 in the non-conducting period
  • a semiconductor switch 25 for connecting the capacitor 23 and the exciting current detecting resistor 4 only when the switching element 2 is conductive
  • switching A Zener diode 26 and a resistor 27 that operate the semiconductor switch 25 only when the element 2 is conductive are provided. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, the same reference numerals are used and description thereof is omitted.
  • the electromagnet drive device is configured as described above, and the operation thereof will be described next.
  • the winding resistance of the electromagnet 1 is generated by a voltage drop generated in the exciting current detection resistor 4 when the pulse width of the pulse control is operated at 100% for several hundreds of milliseconds every tens of seconds from the initial stage of core suction.
  • the pulse width of the pulse control is determined by calculating the value.
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axis is the DC power supply voltage of the winding power supply circuit 3 in the pulse control period Tc of FIG.
  • the pulse width of the pulse control is determined by the voltage drop generated in the exciting current detection resistor 4.
  • the control microcomputer 13b calculates the winding resistance value of the electromagnet 1 by the method described in the first embodiment at the initial stage of iron core suction, determines the pulse width, and starts pulse control. Since the winding resistance value of the electromagnet 1 increases or decreases depending on the ambient temperature, when the pulse control is performed for a long time based on the winding resistance value calculated at the initial stage of core suction, the excitation current that is flowing is the excitation current necessary to maintain the suction of the core. Or an excessive excitation current is applied to cause the electromagnet 1 to generate heat or increase current consumption.
  • the detection voltage proportional to the exciting current generated in the exciting current detecting resistor 4 when the switching element 2 is conductive is held by the capacitor 23 even during the non-conductive period of the switching element 2. Sampling becomes possible.
  • the switching element 2 is an element that becomes conductive when the gate terminal voltage exceeds a threshold value
  • the semiconductor switch 25 is an element that becomes conductive when the control terminal voltage exceeds a threshold value.
  • Pulse control is performed by turning on and off the transistor 20 by the pulse drive circuit 12b. However, when the transistor 20 is on, the Zener diode 22 is short-circuited, and no voltage is applied to the gate terminal of the switching element 2. When turned off, a current flows from the resistor 21 to the Zener diode 22, and a voltage equal to the Zener voltage of the Zener diode 22 is applied to the gate terminal of the switching element 2.
  • a Zener diode 26 having a Zener voltage characteristic lower than the Zener voltage of the Zener diode 22 and a resistor 27 are connected in parallel with the Zener diode 22 and connected to the control terminal of the semiconductor switch 25.
  • the control terminal voltage of the semiconductor switch 25 rises later than the gate terminal voltage of the switching element 2, and at the falling time, the control terminal voltage of the semiconductor switch 25 falls earlier than the gate terminal voltage of the switching element 2. Therefore, the semiconductor switch 25 becomes conductive after the switching element 2 becomes conductive during pulse control, and the semiconductor switch 25 becomes nonconductive before the switching element 2 becomes nonconductive.
  • the switching element 2 is turned on and the semiconductor switch 25 is turned on only when a detection voltage proportional to the excitation current is generated in the excitation current detection resistor 4, and the capacitor 23 is charged to hold the detection voltage.
  • a voltage having a value within a range that can be regarded as being equal to the detection voltage of the excitation current detection resistor 4 is held at both ends of the capacitor 23.
  • the holding voltage of the capacitor 23 is such that the non-conduction period of the switching element 2 is reduced by self-discharge due to the leakage current of the semiconductor switch 25 and the leakage current of the capacitor 23 itself, but does not affect the excitation current detection.
  • the excitation current can be detected by selecting parts with the leakage current characteristics.
  • the resistor 24 holds the capacitor 23 when a current flows from the capacitor 23 to the exciting current detection resistor 4 side when the switching element 2 and the semiconductor switch 25 are turned on or off at a timing that can be regarded as simultaneous. It works to prevent the voltage from dropping rapidly and affecting detection.
  • the control microcomputer 13b reads a voltage signal proportional to the excitation current of the electromagnet 1 charged in the capacitor 23, and controls the switching element 2 via the pulse drive circuit 12b with a pulse width in which the excitation current necessary for holding the iron core of the electromagnet 1 flows. Pulse control.
  • the exciting current detection resistor 4 is attached outside the loop formed by the electromagnet 1 and the flywheel diode 5, and thus the conduction state of the switching element 2. Power consumption is generated only in the exciting current detection resistor 4 and power consumption is not generated when the switching element 2 is in a non-conductive state, so that power loss can be suppressed.
  • the excitation current detection signal of the electromagnet 1 is maintained even during the non-conduction period of the switching element 2, the excitation current can be detected even by an inexpensive general-purpose microcomputer having a low sampling frequency.
  • an alarm is generated.
  • An alarm of winding resistance value abnormality is output from the output circuit 7.
  • an alarm is output when the winding resistance value increases due to an abnormal heating of the electromagnet 1 due to abnormal heating of the electromagnet when used in an internal accessory device such as a circuit breaker due to rare shorts, etc. By doing so, you can notify the abnormality.
  • the electromagnet driving device when used as an internal accessory device of a circuit breaker, external shocks such as a body opening / closing impact are applied to the electromagnet 1, but the iron core is re-attracted every several tens of seconds. Thus, the iron core displaced by an external impact can be returned to the original position.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of an electromagnet driving device according to Embodiment 3.
  • the third embodiment shows still another embodiment of the exciting current control unit 6a in the first embodiment, and has various effects similar to those of the first embodiment.
  • an excitation current control unit 6c includes a control microcomputer 13b that performs energization of an excitation current necessary for holding the iron core of the electromagnet 1 by pulse control of the switching element 2, a control power supply 14 of the control microcomputer 13b, and a winding A power supply voltage measuring circuit 10 that measures the DC power supply voltage of the power supply circuit 3, a pulse drive circuit 12a that controls the pulse of the switching element 2, and a detection that is proportional to the excitation current generated in the excitation current detection resistor 4 when the switching element 2 is conductive.
  • the electromagnet drive device is configured as described above, and the operation thereof will be described next.
  • the winding resistance of the electromagnet 1 is generated by a voltage drop generated in the exciting current detection resistor 4 when the pulse width of the pulse control is operated at 100% for several hundreds of milliseconds every tens of seconds from the initial stage of core suction. By calculating the value, the pulse width of the pulse control is determined.
  • the voltage drop generated in the excitation current detection resistor 4 during the pulse control period Tc shown in FIG. Determine the pulse width of the pulse control.
  • the control microcomputer 13b calculates the winding resistance value of the electromagnet 1 by the method described in the first embodiment at the initial stage of core suction, determines the pulse width, and starts pulse control. Since the winding resistance value of the electromagnet 1 increases or decreases depending on the ambient temperature, when the pulse control is performed for a long time based on the winding resistance value calculated at the initial stage of core suction, the excitation current that is flowing is the excitation current necessary to maintain the suction of the core. Or an excessive excitation current flows, causing problems such as heat generation of the electromagnet 1 and an increase in current consumption.
  • the detection voltage proportional to the excitation current generated by the excitation current detection resistor 4 when the switching element 2 is conductive is held by the capacitor 23 even during the non-conduction period of the switching element 2. Sampling becomes possible.
  • the photoMOS relay 30 is turned on at the output side when the current divided by the exciting current detection resistor 4 and the resistor 31 is energized to the input side. At this time, the current flowing through the resistor 31 is set to 1/10 or less of the current flowing through the exciting current detecting resistor 4 so that the exciting current detection of the electromagnet 1 is not affected.
  • the holding voltage of the capacitor 23 decreases the non-conduction period of the switching element 2 due to the self-discharge due to the leakage current of the photo MOS relay 30 or the leakage current of the capacitor 23 itself, but it affects the detection of the excitation current.
  • the excitation current can be detected by selecting a part having a leakage current characteristic that does not reach.
  • the resistor 24 is a capacitor when the current flows from the capacitor 23 to the exciting current detection resistor 4 side when the switching element 2 and the photo MOS relay 30 are turned on or off at a timing that can be regarded as simultaneous.
  • the holding voltage of 23 is abruptly lowered to avoid affecting the detection.
  • the control microcomputer 13b reads a voltage signal proportional to the excitation current of the electromagnet 1 charged in the capacitor 23, and pulses the switching element 2 through the pulse drive circuit with a pulse width in which the excitation current necessary for holding the iron core of the electromagnet 1 flows. Control.
  • the exciting current detection resistor 4 is attached outside the loop formed by the electromagnet 1 and the flywheel diode 5, so that the switching element 2 is in a conductive state. Only when the power consumption occurs in the exciting current detection resistor 4 and no power consumption occurs when the switching element 2 is in a non-conductive state, power loss can be suppressed.
  • the excitation current detection signal of the electromagnet 1 is maintained even during the non-conduction period of the switching element 2, the excitation current can be detected even by an inexpensive general-purpose microcomputer having a low sampling frequency.
  • an alarm is generated.
  • An alarm of winding resistance value abnormality is output from the output circuit 7.
  • an alarm is output when the winding resistance value increases due to an abnormal heating of the electromagnet 1 due to abnormal heating of the electromagnet when used in an internal accessory device such as a circuit breaker due to rare shorts, etc. By doing so, you can notify the abnormality.
  • the electromagnet driving device when used for an internal accessory device of a circuit breaker, external shocks such as a body opening / closing impact are applied to the electromagnet 1, but the iron core is re-attracted every several tens of seconds. Thus, the iron core displaced by an external impact can be returned to the original position.

Abstract

 スイッチング素子(2)の介在により電磁石(1)の励磁電流を制御する制御マイコン(13a、13b)を備える。制御マイコン(13a、13b)は、電磁石(1)の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時には、電磁石(1)の励磁電流の大きさに比例した電圧降下と電磁石(1)に印加されるDC電源電圧から電磁石(1)の巻線抵抗値を算出し、算出された巻線抵抗値に基づいて上記DC電源電圧のパルス制御を行い、鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記DC電源電圧をパルス電圧にして電磁石(1)へ印加する。

Description

電磁石駆動装置
 この発明は、遮断器等に内蔵される電磁石を駆動する電磁石駆動装置に関するものである。
 遮断器等に内蔵される電磁石の鉄心を吸引する電磁石駆動装置は、吸引初期には磁気回路の空隙の関係で大きい励磁電流を巻線へ通電し、鉄心を吸引した後は磁気回路の空隙が小さくなるので励磁電流を低減して通電し、吸引状態を維持する制御が行われている。
 このような電磁石駆動装置では、鉄心吸引後の励磁電流の低減手段として、電磁石にパルス状の電圧を印加し、電磁石に電圧が印加されない期間は電磁石の逆起電力で発生する励磁電流がフライホイルダイオードを介して流れるようにして、常に巻線に励磁電流が流れるようにしている。また、鉄心吸引後の励磁電流を検出する方法として、電磁石とフライホイルダイオードで形成されるループの中に電流検出センサを設けて検出する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平6-311637号公報
 上記特許文献1に開示された技術のように、電磁石とフライホイルダイオードで形成されるループの中に電流検出センサを設けて検出する方法では、電流検出センサに抵抗を用いて抵抗での電圧降下を検出する方法が用いられているが、常に抵抗に励磁電流が流れるために電力損失が増えてしまう課題があった。
 また、電力損失を抑えるために、電流検出センサを電磁石とフライホイルダイオードで形成されるループの外に出して、電磁石にパルス状の電圧を印加するためのスイッチング素子と直列に電流検出センサを設けて、スイッチング素子が導通となる時のみ電流検出センサで励磁電流を検出する方法が考えられる。しかし、この方法にすると、電磁石の印加電圧パルスのパルス幅が狭い場合やパルス周期が早い場合は、マイコンを用いて検出した場合にサンプリング周波数の高い高性能で高価なマイコンを使用しなければならないという課題があった。
 この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗による電力損失を抑え、その上でサンプリング周波数の低いマイコンでも制御可能とする電磁石駆動装置を得ることを目的とするものである。
 この発明の電磁石駆動装置は、電磁石に印加するDC電源電圧を出力する巻線用電源回路と、上記DC電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、を備え、
 上記制御マイコンは、上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記DC電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記DC電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うものである。
 この発明は、電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗による電力損失を抑えることができると共に、電磁石の鉄心吸引後に励磁電流を低減するためにパルス電圧を電磁石に印加した時に、サンプリング周波数の低いマイコンでは検出できないパルス電圧印加時の電磁石励磁電流を検出可能とし、サンプリング周波数の低い安価なマイコンが使用可能となる。
 この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになると考えられる。
この発明の実施の形態1に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態1に係る電磁石駆動装置の印加電圧を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態1に係る電磁石駆動装置の通電電流を説明するための説明図である。 電磁石の巻線抵抗値と温度の関係を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態1に係る電磁石駆動装置の補正係数と巻線抵抗値の関係を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る電磁石駆動装置の補正係数と印加電圧の関係を示す図である。 この発明の実施の形態2に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態2に係る電磁石駆動装置の印加電圧を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態2に係る電磁石駆動装置のスイッチング素子と半導体スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態2に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗の電圧とコンデンサの電圧の関係を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態3に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態3に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗の通電電流とフォトモスリレーの入力側通電電流の関係を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態3に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗の通電電流とコンデンサの充電電流の関係を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態3に係る電磁石駆動装置の励磁電流検出抵抗電圧とコンデンサの電圧の関係を示すタイミングチャートである。
 以下、この発明に係る電磁石駆動装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
 図1は、この発明の実施の形態1に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。
 図1において、電磁石1はスイッチング素子2に接続されている。スイッチング素子2が導通状態のときは、巻線用電源回路3よりDC電源電圧が電磁石1に印加される。スイッチング素子2が導通状態のときは、励磁電流検出抵抗4に励磁電流が流れ、励磁電流の大きさに比例した電圧降下が励磁電流検出抵抗4に発生する。フライホイルダイオード5は、スイッチング素子2が非導通のときに、電磁石1に発生する起電力を用いて電磁石1に励磁電流を流すために電磁石1に並列接続されている。即ち、電磁石1とフライホイルダイオード5によりループが形成されている。
 励磁電流制御部6aは、巻線用電源回路3のDC電源電圧を計測する電源電圧計測回路10と、励磁電流検出抵抗4の電圧降下を計測し、電磁石1の励磁電流を検出する励磁電流検出手段である励磁電流計測回路11と、スイッチング素子2をパルス制御するパルス駆動回路12aと、電源電圧計測回路10と励磁電流計測回路11の計測値を元に、電磁石1の鉄心を保持するために必要な励磁電流を流し得るパルス幅を算出してパルス駆動回路12aのパルス幅を制御する制御マイコン13aと、制御マイコン13aへ電源供給する制御電源回路14を備えている。
 アラーム出力回路7は、電磁石1の巻線のレアショート等による巻線抵抗値異常時や、遮断器通電部の異常発熱で電磁石1の周囲温度が上昇し、巻線抵抗値が増大したとき等にアラームを出力する。時延動作用コンデンサ8は電源バックアップのコンデンサで、この電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置の不足電圧引きはずし装置等に用いた場合、入力電源の切断後に、所定の時間(例えば3秒程度)電磁石1の鉄心吸引を維持する時延動作を行わせるために、時延動作中に電磁石1の励磁電流を供給するものである。
 実施の形態1に係る電磁石駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
 制御マイコン13aは、巻線用電源回路3及び制御電源回路14が起動して電源供給を受けて起動した後、電源電圧計測回路10により、巻線用電源回路3のDC電源電圧が電磁石1の鉄心を吸引できる電圧まで上昇して一定値Vaで安定していることを確認する。巻線用電源回路3のDC電源電圧が一定値Vaで安定していることが確認できれば、パルス駆動回路12aを動作させて鉄心吸引を行う。
 鉄心吸引初期時には磁気回路の空隙の関係で大きい励磁電流を巻線へ通電する必要があるため、制御マイコン13aは、横軸を時間、縦軸を巻線用電源回路3のDC電源電圧とする図2のTaで示す数百msの期間、パルス駆動回路12aのパルス幅を100%で動作させる。そして、スイッチング素子2を数百ms間導通状態とし、電磁石1に巻線用電源回路3のDC電源電圧を印加する。このとき、電磁石1へ通電される励磁電流は、横軸を時間、縦軸を励磁電流とする図3に示すようになる。即ち、T1で示す電圧印加開始時点より励磁電流が流れ始める。そして、可動鉄心と固定鉄心の空隙が小さくなるに従い、磁気抵抗が減少して磁束が増加し、鉄心が吸着されると磁束が急激に増加して逆起電力が発生し、T2で示す時点でコイル電流は一旦減少する。鉄心の吸着後は磁気抵抗が一定になって磁束の変化が無くなり、逆起電力が減少して無くなると、T3で示す期間のように電磁石1の励磁電流は印加電圧を巻線抵抗値で割った一定値となる。
 このとき、励磁電流検出抵抗4には励磁電流に比例した電圧降下Vbが発生する。制御マイコン13aは、励磁電流計測回路11で電圧降下Vbの計測データ、及び電源電圧計測回路10で巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaの計測データを取得する。励磁電流検出抵抗4の抵抗値をRbとすると、制御マイコン13aは電磁石1の巻線抵抗値RaをRa=(Va-Vb)/(Vb/Rb)の算式により算出する。ここで、スイッチング素子2のオン抵抗は数百mΩであり、電磁石1の巻線抵抗値に対して十分小さいため、スイッチング素子2での電圧降下は省略して計算している。
 図2の鉄心吸引初期時Taの期間が過ぎ、鉄心が吸引された後は、磁気回路の空隙が小さくなるので励磁電流を低減して通電しても、鉄心の吸引状態を維持することができる。励磁電流の低減は、制御マイコン13aがパルス駆動回路12aを介してスイッチング素子2をパルス駆動し、巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaをパルス電圧にして電磁石1に加えることで行うが、図4で示すように電磁石1の巻線抵抗値Raは周囲温度に比例して増加するため、パルス幅が一定であると周囲温度の上昇と共に励磁電流が低減し、また、瞬時停電等で巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaが低減したときに励磁電流が低減する。
 これを避けるため、制御マイコン13aは上記計算で得た巻線抵抗値Raと巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaの計測値を用いて、パルス制御のオンデューティの補正係数Kを求め、基準オンデューティD1に補正係数Kを掛けたD1×Kのオンデューティでパルス制御を行う。なお、基準オンデューティD1は周囲温度20℃で巻線用電源回路3の安定動作時の鉄心吸引保持可能なオンデューティであり、予め制御マイコン13aに記憶している。また、補正係数Kは、周囲温度による巻線抵抗値の増減を考慮した補正係数K1と巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaの低減を考慮した補正係数K2を掛け合せたK=K1×K2の算式で制御マイコン13aが算出する。K1=巻線抵抗値Ra/基準巻線抵抗値R1、K2=DC電源電圧Va/基準電源電圧V1であり、基準巻線抵抗値R1は周囲温度20℃の時の抵抗値、基準電源電圧V1は巻線用電源回路3の安定動作時電圧である。図5に示すように、補正係数K1は巻線抵抗値と比例してオンデューティが大きくなるように補正を行う。また、図6に示すように、補正係数K2は巻線の印加電圧が低減するとオンデューティを大きくするように補正を行う。
 電磁石1の巻線の抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引初期時Taの期間に算出した巻線抵抗値Raを元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい電磁石1が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じる。このため、図2のように数十秒毎にTbで示す数百msの期間、パルス駆動回路12aのパルス幅を100%で動作し、スイッチング素子2を数百ms間導通させ、図3のT4の期間のように励磁電流が一定となった時に電磁石1の巻線の抵抗値Raを再計算し、次の数十秒後の鉄心再吸引までの間のオンデューティを決定し、励磁電流が一定となるように制御する。なお、遮断器の電磁石を用いた内部付属装置等は本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石に加わるが、この外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻す働きを数十秒毎の鉄心再吸引は兼ねている。
 この電磁石駆動装置を遮断器等の内部付属装置に使用した場合、通電部の放熱の影響や周囲温度の上昇により電磁石1の巻線抵抗値が増加するが、制御マイコン13aには巻線抵抗値の最大変化範囲が記憶されており、上記算出で得た巻線の抵抗値Raが巻線のレアショート等により下限値を外れた場合や、通電部の異常発熱により電磁石1の周囲温度が上がり巻線抵抗値が上限を外れた場合に、制御マイコン13aはアラーム出力回路7を介して巻線抵抗値異常のアラームを出力する。
 また、遮断器の内部付属装置の不足電圧引きはずし装置等は入力電源の切断後に3秒程度、電磁石の鉄心吸引を維持する時延動作形があるが、時延動作用コンデンサ8を取付けることで、入力電源の切断後の時延期間は、切断前に蓄えた電荷で電磁石1に励磁電流を流し続ける。このとき、電磁石1に印加される電圧Vaは時延動作用コンデンサ8の電荷の消費と共に低下するので、スイッチング素子2のスイッチングパルス幅を一定にした場合、励磁電流が低減してしまうが、上記補正係数Kを基本オンデューティD1に掛けたオンデューティでパルス制御することで、電磁石1の印加電圧Vaの低減と共にオンデューティが大きくなり、励磁電流を一定に保つことができる。
 以上のように、実施の形態1に係る電磁石駆動装置によれば、励磁電流検出抵抗4が電磁石1とフライホイルダイオード5で形成されるループの外に取付けてあるため、スイッチング素子2が導通状態の時のみ励磁電流検出抵抗4に電力消費が発生し、スイッチング素子2が非導通状態の時は電力消費が発生しないため、電力損失を抑えることができる。
 また、図3のT3とT4のように鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時の比較的大きい箇所の励磁電流を励磁電流計測回路11で計測するため、仮に鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時の励磁電流が吸引保持維持電流の5倍である場合、同じ検出電圧を得ようとすると吸引保持維持電流を検出する方式に比べて1/5の抵抗値の励磁電流検出抵抗4を使用できる。小さい抵抗値の抵抗を使用することで、抵抗での電力消費が抑えられ、定格電力の小さい抵抗を使用することができる。
 また、図2のように励磁電流検出抵抗4に生じる励磁電流に比例した電圧降下は、スイッチング素子2が導通状態の時のみ生じるが、吸引保持維持電流通電時のパルス制御のパルス周期をスイッチング音の可聴域を避けるため15kHz以上に設定すると、パルス幅は数μs~数十μsと狭くなる。このパルスを数回サンプリングできるような制御マイコンを選定すると、高性能で高価なマイコンを選定せざる得なくなる。仮に10μsのパルスを10回サンプリングできるようにするためにはサンプリング周期が1MHz以上の高性能な制御マイコンが必要となるが、図3のT3とT4の励磁電流検出の期間を10ms以上取れば、10msのパルスを10回サンプリングするには1kHz以上のサンプリング周期の制御マイコンが使用でき、サンプリング周波数の低い安価な汎用マイコンが使用できる。
 また、制御マイコン13aには巻線抵抗値の最大変化範囲が記憶されており、最大変化範囲を外れた場合に、アラーム出力回路7より巻線抵抗値異常のアラームを出力することにより、レアショート等による巻線抵抗値異常や、遮断器等の内部付属装置に使用した場合に、通電部の異常発熱により電磁石1の周囲温度が上がり巻線抵抗値が増大した時にアラームを出力することで異常を知らせることができる。
 また、電磁石1の鉄心吸引後は、磁気回路の空隙が小さくなるので励磁電流を低減して通電しても、鉄心の吸引状態を維持することができるが、制御マイコン13aは巻線抵抗値Raと巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaの計測値を用いて、オンデューティの補正係数を求め、基準オンデューティに補正係数を掛けたオンデューティでパルス制御を行うことにより、周囲温度による巻線抵抗値の増減時や巻線用電源回路3のDC電源電圧Vaの低減時も励磁電流を一定に保つことができる。
 また、電磁石1の巻線の抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引時に算出した巻線抵抗値を元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい電磁石1が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じるが、数十秒毎に電磁石1の巻線の抵抗値を再計算し、次の数十秒後の鉄心再吸引までの間のオンデューティの補正係数を算出し、オンデューティを決定してパルス制御することで、励磁電流を一定に保つことができる。
 また、実施の形態1に係る電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置等に用いた場合、本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石1に加わるが、数十秒毎に鉄心再吸引を行うことで、外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻すことができる。
 また、実施の形態1に係る電磁石駆動装置を遮断器内部付属装置の不足電圧引きはずし装置等の入力電源切断後に3秒程度、電磁石1の鉄心吸引を維持する時延動作形に用いた場合、入力電源の切断後の時延期間は、時延動作用コンデンサ8に蓄えた電荷で電磁石1に励磁電流を流し続けるが、電磁石1に印加されるDC電源電圧Vaは時延動作用コンデンサ8の電荷の消費と共に低下するので、補正係数を基本オンデューティに掛けたオンデューティでパルス制御することで、電磁石1の印加電圧が低減しても励磁電流を一定に保つことができる。
実施の形態2.
 次に、この発明の実施の形態2に係る電磁石駆動装置について説明する。
 図7は、実施の形態2に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。実施の形態2は、実施の形態1における励磁電流制御部6aの別の実施の形態を示すものであり、実施の形態1と同様な種々の効果を奏するものである。
 図7において、励磁電流制御部6bは、電磁石1の鉄心保持に必要な励磁電流の通電をスイッチング素子2のパルス制御により実施する制御マイコン13bと、制御マイコン13bの制御電源14と、巻線用電源回路3のDC電源電圧を計測する電源電圧計測回路10と、スイッチング素子2をパルス制御するパルス駆動回路12bと、パルス駆動回路12bのパルス出力によりスイッチング素子2をパルス駆動するトランジスタ20、抵抗21及びツェナーダイオード22を備えている。
 励磁電流制御部6bは更に、スイッチング素子2の導通時に励磁電流検出抵抗4に発生する励磁電流に比例した検出電圧を、スイッチング素子2の非導通の期間も保持するコンデンサ23と、スイッチング素子2の非導通の期間にコンデンサ23から励磁電流検出抵抗4側へ電流が流れるのを防止する抵抗24と、スイッチング素子2の導通時のみコンデンサ23と励磁電流検出抵抗4を接続する半導体スイッチ25と、スイッチング素子2の導通時のみ半導体スイッチ25を動作させるツェナーダイオード26及び抵抗27を備えている。なお、その他の構成については、実施の形態1と同様であるので同一符号を付すことにより説明を省略する。
 実施の形態2に係る電磁石駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
 実施の形態1では鉄心吸引初期時と数十秒毎に数百msの期間、パルス制御のパルス幅を100%で動作した時の励磁電流検出抵抗4に生じる電圧降下で電磁石1の巻線抵抗値を算出することにより、パルス制御のパルス幅を決定したが、実施の形態2では横軸を時間、縦軸を巻線用電源回路3のDC電源電圧とする図8のパルス制御期間Tcに励磁電流検出抵抗4に生じる電圧降下でパルス制御のパルス幅を決定する。制御マイコン13bは鉄心吸引初期時に実施の形態1で説明した方法により電磁石1の巻線抵抗値を算出し、パルス幅を決定してパルス制御を開始する。電磁石1の巻線抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引初期時に算出した巻線抵抗値を元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい電磁石1が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じる。このため、スイッチング素子2の導通時に励磁電流検出抵抗4に発生する励磁電流に比例した検出電圧をスイッチング素子2が非導通の期間もコンデンサ23で保持することにより、サンプリング周波数の低い安価なマイコンでもサンプリング可能となる。
 スイッチング素子2は、ゲート端子電圧が閾値を超えると導通となる素子であり、半導体スイッチ25はコントロール端子電圧が閾値を超えるとスイッチが導通となる素子である。パルス駆動回路12bによりトランジスタ20をオン、オフすることによりパルス制御を行うが、トランジスタ20のオン時は、ツェナーダイオード22は短絡され、スイッチング素子2のゲート端子に電圧は印加されず、トランジスタ20のオフ時は、抵抗21よりツェナーダイオード22に電流が流れて、スイッチング素子2のゲート端子にツェナーダイオード22のツェナー電圧と等しい電圧が印加される。
 ツェナーダイオード22のツェナー電圧より低いツェナー電圧特性を持ったツェナーダイオード26と抵抗27をツェナーダイオード22と並列に接続し、半導体スイッチ25のコントロール端子に接続する。これにより、図9に示すように、スイッチング素子2のゲート端子電圧がツェナーダイオード26のツェナー電圧に達するまでは、ツェナーダイオード26には電流が流れず抵抗27の両端には電圧が発生しないため、立上り時は半導体スイッチ25のコントロール端子電圧はスイッチング素子2のゲート端子電圧よりも遅れて立上り、立下り時は半導体スイッチ25のコントロール端子電圧はスイッチング素子2のゲート端子電圧よりも早く立下がる。よって、パルス制御時にスイッチング素子2が導通となった後に遅れて半導体スイッチ25が導通となり、スイッチング素子2が非導通となるより先に半導体スイッチ25が非導通となる。
 これにより、スイッチング素子2が導通して励磁電流検出抵抗4に励磁電流に比例した検出電圧が発生時のみ半導体スイッチ25が導通し、コンデンサ23を充電して検出電圧を保持するため、図10に示すように、励磁電流検出抵抗4の検出電圧と等しいとみなしてよい範囲内の値の電圧がコンデンサ23の両端に保持される。図10のようにコンデンサ23の保持電圧は半導体スイッチ25のリーク電流やコンデンサ23自体のリーク電流による自己放電により、スイッチング素子2の非導通期間は減少するが、励磁電流検出に影響を及ぼさない程度のリーク電流特性を持った部品を選定することで励磁電流検出が可能となる。
 抵抗24はスイッチング素子2と半導体スイッチ25とが同時とみなしてよいタイミングで導通または非導通となった場合に、コンデンサ23から励磁電流検出抵抗4側へ電流が流れた場合に、コンデンサ23の保持電圧が急激に低下し、検出に影響を及ぼすことを避ける働きをする。制御マイコン13bはコンデンサ23に充電された電磁石1の励磁電流に比例した電圧信号を読込み、電磁石1の鉄心の保持に必要な励磁電流が流れるパルス幅でパルス駆動回路12bを介してスイッチング素子2をパルス制御する。
 以上のように、実施の形態2に係る電磁石駆動装置によれば、励磁電流検出抵抗4が電磁石1とフライホイルダイオード5で形成されるループの外に取付けてあるため、スイッチング素子2の導通状態の時のみ励磁電流検出抵抗4に電力消費が発生し、スイッチング素子2の非導通状態の時は電力消費が発生しないため、電力損失を抑えることができる。
 また、電磁石1の励磁電流の検出信号がスイッチング素子2の非導通期間も保持されるため、サンプリング周波数の低い安価な汎用マイコンでも励磁電流の検出が可能となる。
 また、実施の形態1と同様に、電磁石1の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に電磁石1の巻線抵抗値を算出することで、巻線抵抗値の最大変化範囲を外れた場合に、アラーム出力回路7より巻線抵抗値異常のアラームを出力する。これにより、レアショート等による巻線抵抗値異常や、遮断器等の内部付属装置に使用した場合に通電部の異常発熱により電磁石1の周囲温度が上がり巻線抵抗値が増大した時にアラームを出力することで異常を知らせることができる。
 また、実施の形態2に係る電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置等に用いた場合、本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石1に加わるが、数十秒毎に鉄心再吸引を行うことで、外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻すことができる。
実施の形態3.
 次に、この発明の実施の形態3に係る電磁石駆動装置について説明する。
 図11は、実施の形態3に係る電磁石駆動装置の構成を示す回路図である。実施の形態3は、実施の形態1における励磁電流制御部6aの更に別の実施の形態を示すものであり、実施の形態1と同様な種々の効果を奏するものである。
 図11において、励磁電流制御部6cは、電磁石1の鉄心保持に必要な励磁電流の通電をスイッチング素子2のパルス制御により実施する制御マイコン13bと、制御マイコン13bの制御電源14と、巻線用電源回路3のDC電源電圧を計測する電源電圧計測回路10と、スイッチング素子2をパルス制御するパルス駆動回路12aと、スイッチング素子2の導通時に励磁電流検出抵抗4に発生する励磁電流に比例した検出電圧をスイッチング素子2が非導通の期間も保持するコンデンサ23と、スイッチング素子2の非導通の期間にコンデンサ23から励磁電流検出抵抗4側へ電流が流れるのを防止する抵抗24と、スイッチング素子2が導通時のみコンデンサ23と励磁電流検出抵抗4を接続するフォトモスリレー30と、スイッチング素子2が導通時のみフォトモスリレー30の動作電流を通電させる抵抗31と、フォトモスリレー30の外乱による誤動作を避ける抵抗32で構成されている。なお、その他の構成については、実施の形態1と同様であるので同一符号を付すことにより説明を省略する。
 実施の形態3に係る電磁石駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
 実施の形態1では鉄心吸引初期時と数十秒毎に数百msの期間、パルス制御のパルス幅を100%で動作した時の励磁電流検出抵抗4に生じる電圧降下で電磁石1の巻線抵抗値を算出することにより、パルス制御のパルス幅を決定したが、実施の形態3では実施の形態2と同様に、図8に示すパルス制御期間Tcに励磁電流検出抵抗4で生じる電圧降下により、パルス制御のパルス幅を決定する。
 制御マイコン13bは、鉄心吸引初期時に実施の形態1で説明した方法により電磁石1の巻線抵抗値を算出し、パルス幅を決定してパルス制御を開始する。電磁石1の巻線抵抗値は周囲温度によって増減するため、鉄心吸引初期時に算出した巻線抵抗値を元に長い時間パルス制御した場合、流している励磁電流が鉄心の吸引維持に必要な励磁電流を下回ったり、必要以上の励磁電流を流してしまい、電磁石1が発熱したり、消費電流が増える等の問題を生じる。このため、スイッチング素子2が導通時に励磁電流検出抵抗4で発生する励磁電流に比例した検出電圧を、スイッチング素子2が非導通の期間もコンデンサ23で保持することによりサンプリング周波数の低い安価なマイコンでもサンプリング可能となる。
 フォトモスリレー30は、図12に示すように、スイッチング素子2の導通時に励磁電流検出抵抗4と抵抗31で分流された電流が入力側に通電されることで出力側が導通状態となる。このとき、抵抗31に流れる電流が励磁電流検出抵抗4に流れる電流の1/10以下にすることにより、電磁石1の励磁電流検出に影響を与えないようにしている。
 また、スイッチング素子2の非導通時に、外乱によりフォトモスリレー30の入力側に微小電流が流れてフォトモスリレー30が誤動作しないように、抵抗32により、一定以上の電流がフォトモスリレー30の入力側に流れないと動作しないようにしている。これにより、図13に示すように、スイッチング素子2が導通して励磁電流検出抵抗4に励磁電流に比例した検出電圧が発生時のみフォトモスリレー30の出力側が導通し、コンデンサ23に充電電流が流れるため、図14に示すように、励磁電流検出抵抗4の検出電圧と等しいとみなしてよい範囲内の値の電圧がコンデンサ23の両端に保持される。
 図14に示すように、コンデンサ23の保持電圧はフォトモスリレー30のリーク電流やコンデンサ23自体のリーク電流による自己放電により、スイッチング素子2の非導通期間は減少するが、励磁電流検出に影響を及ぼさない程度のリーク電流特性を持った部品を選定することで励磁電流検出が可能となる。また、抵抗24はスイッチング素子2とフォトモスリレー30とが同時とみなしてよいタイミングで導通または非導通となった場合に、コンデンサ23から励磁電流検出抵抗4側へ電流が流れた場合に、コンデンサ23の保持電圧が急激に低下し、検出に影響を及ぼすことを避ける働きをする。制御マイコン13bはコンデンサ23に充電された電磁石1の励磁電流に比例した電圧信号を読込み、電磁石1の鉄心の保持に必要な励磁電流が流れるパルス幅でパルス駆動回路を介してスイッチング素子2をパルス制御する。
 以上のように実施の形態3に係る電磁石駆動装置によれば、励磁電流検出抵抗4が電磁石1とフライホイルダイオード5で形成されるループの外に取付けてあるため、スイッチング素子2の導通状態の時のみ励磁電流検出抵抗4に電力消費が発生し、スイッチング素子2の非導通状態の時は電力消費が発生しないため、電力損失を抑えることができる。
 また、電磁石1の励磁電流の検出信号がスイッチング素子2の非導通期間も保持されるため、サンプリング周波数の低い安価な汎用マイコンでも励磁電流の検出が可能となる。
 また、実施の形態1と同様に、電磁石1の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に電磁石1の巻線抵抗値を算出することで、巻線抵抗値の最大変化範囲を外れた場合に、アラーム出力回路7より巻線抵抗値異常のアラームを出力する。これにより、レアショート等による巻線抵抗値異常や、遮断器等の内部付属装置に使用した場合に通電部の異常発熱により電磁石1の周囲温度が上がり巻線抵抗値が増大した時にアラームを出力することで異常を知らせることができる。
 また、実施の形態3に係る電磁石駆動装置を遮断器の内部付属装置等に用いた場合、本体開閉衝撃等の外的衝撃が電磁石1に加わるが、数十秒毎に鉄心再吸引を行うことで、外的衝撃により位置ずれした鉄心を元の位置へ戻すことができる。
 以上、この発明の実施の形態1から3について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (7)

  1.  電磁石に印加するDC電源電圧を出力する巻線用電源回路と、
     上記DC電源電圧を計測する電源電圧計測回路と、
     上記電磁石に直列接続され、上記電磁石の励磁電流の大きさに比例した電圧降下を発生する励磁電流検出抵抗と、
     上記電磁石の励磁電流をスイッチング素子の介在により制御する制御マイコンと、を備え、
     上記制御マイコンは、
     上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時に、上記励磁電流検出抵抗の電圧降下と上記DC電源電圧の計測結果から上記電磁石の巻線抵抗値を算出し、
     上記電磁石の鉄心吸引初期時と鉄心再吸引時以外は、上記巻線抵抗値に基づいて上記DC電源電圧を上記スイッチング素子によりパルス電圧に変換して上記電磁石へ印加するパルス制御を行うことを特徴とする電磁石駆動装置。
  2.  上記電磁石の巻線抵抗値が異常となった時にアラームを出力するアラーム出力回路を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電磁石駆動装置。
  3.  上記巻線用電源回路への入力電源の切断後に、上記電磁石の鉄心吸引を維持する電源供給を行う時延動作用コンデンサを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁石駆動装置。
  4.  上記電磁石と並列接続されるフライホイルダイオードを備え、上記励磁電流検出抵抗を上記電磁石と上記フライホイルダイオードにより形成されるループの外に設けたことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
  5.  上記制御マイコンは、上記パルス制御のオンデューティの補正係数を求め、基準オンデューティに補正係数を掛けたオンデューティでパルス制御を行い、上記電磁石の巻線抵抗値が増減した場合や、上記DC電源電圧が低減した場合にも励磁電流の一定制御を行うことを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
  6.  上記スイッチング素子が導通して上記励磁電流検出抵抗に励磁電流に比例した検出電圧が発生した時のみに導通する半導体スイッチと、上記制御マイコンに接続されたコンデンサと、を備え、
     上記コンデンサは、上記励磁電流検出抵抗の検出電圧と等しい電圧で充電されると共に、充電された電圧を保持することを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
  7.  上記スイッチング素子が導通して上記励磁電流検出抵抗に励磁電流に比例した検出電圧が発生した時のみに導通するフォトモスリレーと、上記制御マイコンに接続されたコンデンサと、を備え、
     上記コンデンサは、上記励磁電流検出抵抗の検出電圧と等しい電圧で充電されると共に、充電された電圧を保持することを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の電磁石駆動装置。
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