WO2025154166A1

WO2025154166A1 - 半導体遮断器及び配電システム

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Publication number: WO2025154166A1
Application number: PCT/JP2024/000949
Authority: WO
Inventors: 康宏神納; 説志岩下; 雄大相良; 大樹道念
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2024-01-16
Filing date: 2024-01-16
Publication date: 2025-07-24
Anticipated expiration: 2026-07-16

Abstract

半導体遮断器（４）は、遮断する電流の向きが異なる直列に接続された２つの半導体素子（５０ａ，５０ｂ）と、各半導体素子（５０ａ，５０ｂ）に並列に接続された２つのダイオード（５１ａ，５１ｂ）と、半導体素子（５０ａ，５０ｂ）に並列に接続された限流回路（５３）と、半導体素子（５０ａ，５０ｂ）を制御する制御装置（６）と、を備えている。制御装置（６）は、第一遅延時間（Ｔ１）と、２つの半導体素子（５０ａ，５０ｂ）がオンとオフとを交互に入れ替えるスイッチング周波数と、が設定されており、半導体遮断器（４）が投入されてから第一遅延時間（Ｔ１）が経過するまでの間、スイッチング周波数を予め設定された上昇速度で上昇させ、スイッチング周波数に基づいて半導体素子（５０ａ，５０ｂ）のオンとオフとを行う。

Description

半導体遮断器及び配電システム

　本開示は、半導体遮断器及び配電システムに関する。

　従来、電源から供給される電力を負荷機器に配電する配電システムに設けられる半導体遮断器（Solid　State　Circuit　Breaker，SSCB）が知られている。半導体遮断器は、負荷機器に短絡事故が発生した際に流れる電流を遮断する。半導体遮断器は、回路の通電及び電流の遮断を担う半導体素子を有しており、半導体素子に入力するゲート電圧を制御することで、任意のタイミングで半導体素子をオン又はオフにすることができる。例えば特許文献１に開示された半導体遮断器では、電流を遮断する際に、入力側の電圧と出力側の電圧とを計測し、計測した電圧に基づいて、半導体素子をオン又はオフにするタイミングを制御することで、開閉サージの発生を軽減する。

　配電システムでは、負荷機器としてモータが接続されることがある。モータの種類としては、主に誘導モータと同期モータとがある。誘導モータは、一定周波数であり、一定電圧である交流電源に接続して始動すると、回転数が定格周波数付近まで急速に上昇する。そのため、例えば工場の製造ラインにおけるベルトコンベアを駆動する誘導モータでは、始動時にベルトコンベアの速度が定格速度まで急速に上昇し、その際の加速度の発生により、ベルトコンベア上に置いた部品が転倒するなどの問題が生じるおそれがある。そのため、負荷機器が誘導モータである場合には、誘導モータへ電力供給を開始する際に、誘導モータの回転数をゼロから緩やかに定格回転数付近まで立ち上げる機能を備えたインバータが必要となる。また、同期モータは、一定周波数の交流電源に直接接続しても始動することができない。同期モータを始動するためには、電源の周波数と回転数とを同期させながら、徐々に電源の周波数を上昇させる制御が必要である。そのため、負荷機器が同期モータである場合には、同期モータの始動を制御するためにインバータが設置される。

特開２０１６－１１５５２８号公報

　しかしながら、インバータは、高価である。そのため、インバータを備えることで配電システムの製造のコストが大きくなる。そこで、半導体遮断器に、インバータが不要であれば、配電システムの製造のコストを低減することができる。特許文献１に開示された半導体遮断器を用いる場合は、インバータによってモータの始動を制御する必要がある。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータを用いることなく、負荷機器の始動を制御することができる、半導体遮断器を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる半導体遮断器は、電源と、負荷機器とを接続する電路に設けられた半導体遮断器であって、遮断する電流の向きが異なる直列に接続された２つの半導体素子と、各半導体素子に並列に接続された２つのダイオードと、半導体素子に並列に接続された限流回路と、半導体素子を制御する制御装置と、を備えている。制御装置は、第一遅延時間と、２つの半導体素子がオンとオフとを交互に入れ替えるスイッチング周波数と、が設定されており、半導体遮断器が投入されてから第一遅延時間が経過するまでの間、スイッチング周波数を予め設定された上昇速度で上昇させ、スイッチング周波数に基づいて半導体素子のオンとオフとを行う。

　本開示にかかる半導体遮断器によれば、インバータを用いることなく、負荷機器の始動を制御することができる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる配電システムを模式的に示す全体構成図実施の形態１にかかる配電システムであって、電源と半導体遮断器と負荷機器との電気的な接続状態を模式的に示す説明図実施の形態１にかかる半導体遮断器が有する単相遮断モジュールを模式的に示す構成図実施の形態１にかかる半導体遮断器が有する制御装置のフローチャート図４に示した制御モードにおける制御信号と、単相遮断モジュールが負荷機器に供給する電圧の波形と、を模式的に示したグラフ実施の形態２にかかる半導体遮断器について、制御モードにおける制御信号と、半導体遮断器が負荷機器に供給する電圧と、を模式的に示したグラフ実施の形態３にかかる配電システムであって、電源と半導体遮断器と負荷機器との電気的な接続状態を模式的に示す説明図実施の形態３にかかる半導体遮断器が有する単相遮断モジュール及び電流補償回路を模式的に示す構成図実施の形態３にかかる半導体遮断器について、制御モードにおける制御信号と、半導体遮断器が負荷機器に供給する電圧と、を模式的に示したグラフ実施の形態１から３にかかる制御回路の構成例を示す説明図実施の形態１から３にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す説明図

　以下、本開示の実施の形態にかかる半導体遮断器及び配電システムを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる配電システムを模式的に示す全体構成図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる配電システム１００は、電源１と、負荷機器２と、遮断器（Circuit　Breaker，CB）３と、半導体遮断器４と、を備えている。電源１は、三相交流電源である。図１に示すように、遮断器３と半導体遮断器４は、電源１と負荷機器２とを接続する制御盤１０の内部に組み込まれている。電源１は、制御盤１０を介して負荷機器２に三相交流電力を供給する。負荷機器２は、電源１に制御盤１０を介して接続されている。負荷機器２は、例えば誘導モータ又は同期モータである。負荷機器２は、三相交流電流によって作られる回転磁界により回転する。

　遮断器３には、電源１が接続されている。遮断器３は、短絡事故の際に、電源１と負荷機器２との間の電力回路に流れる事故電流を遮断する。半導体遮断器４は、負荷機器２ごとに設けられている。図１に示した例では、負荷機器２が４台図示されているが、負荷機器２は１台以上であればよく、負荷機器２の台数は図１に示した例に限定されない。各半導体遮断器４は、遮断器３から分岐した電路に設けられ、分岐した電路を介して対応する負荷機器２に接続される。

　図２は、実施の形態１にかかる配電システムであって、電源と半導体遮断器と負荷機器との電気的な接続状態を模式的に示す説明図である。図２に示すように、半導体遮断器４は、電力の各相のそれぞれに対応した３つの単相遮断モジュール５と、制御装置６と、を備えている。半導体遮断器４は、単相遮断モジュール５によって各相の電流をそれぞれ個別に遮断することが可能である。

　図３は、実施の形態１にかかる半導体遮断器が有する単相遮断モジュールを模式的に示す構成図である。単相遮断モジュール５は、２つの半導体素子５０ａ，５０ｂと、２つのダイオード５１ａ，５１ｂと、断路スイッチ５２と、限流回路５３と、電流計測器５４と、電流計測回路５５と、を有している。単相遮断モジュール５は、例えば図３において、左端となる端子が電源１に接続される端子とされ、右端となる端子が負荷機器２に接続される端子とされている。

　２つの半導体素子５０ａ，５０ｂは、それぞれ単一の方向における電流の遮断が可能な素子である。単相遮断モジュール５は、一方の半導体素子５０ａと、他方の半導体素子５０ｂとが逆向きで直列に接続されることにより、双方向の電流の遮断が可能となっている。半導体素子５０ａ，５０ｂには、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor，IGBT）、又は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor　Field-Effect　Transistor，MOSFET）が用いられる。

　ダイオード５１ａは、半導体素子５０ａに並列に接続されている。ダイオード５１ｂは、半導体素子５０ｂに並列に接続されている。ダイオード５１ａ，５１ｂは、半導体素子５０ａ，５０ｂが遮断できない方向の電流をバイパスする。図３に示す場合において、例えば左から右に電流が流れる際、ダイオード５１ａと、半導体素子５０ｂとを通る経路で電流が流れ、半導体素子５０ｂをオフにすることで電流が遮断できる。一方、図３に示す場合において、右から左に電流が流れる際には、ダイオード５１ｂと、半導体素子５０ａとを通る経路で電流が流れ、半導体素子５０ａをオフにすることで電流が遮断できる。断路スイッチ５２は、機械式の接点で構成されている。単相遮断モジュール５は、２つの半導体素子５０ａ，５０ｂをオフにした後、断路スイッチ５２をオフにすることで、電力回路を機械的に断路することができる。

　限流回路５３は、半導体素子５０ａ，５０ｂに並列に接続されている。限流回路５３は、非線形素子５３ａと、抵抗素子５３ｂと、スイッチ５３ｃと、を有している。非線形素子５３ａは、非線形な電流電圧特性を有する。非線形素子５３ａは、電力回路を流れる電流を減少させる限流素子として機能する。非線形素子５３ａは、例えば、ツェナーダイオード又はバリスタなどが用いられる。

　単相遮断モジュール５に流れる電流を遮断する際、半導体素子５０ａ又は半導体素子５０ｂをオフにすると、限流回路５３に電流が転流する。限流回路５３に転流した電流は、スイッチ５３ｃがオン状態の場合、スイッチ５３ｃと抵抗素子５３ｂとを通る経路で流れ、抵抗素子５３ｂによる電圧降下により限流される。その後、スイッチ５３ｃをオフにすると、電流は、非線形素子５３ａを通る経路で流れ、非線形素子５３ａによる電圧降下により限流されてゼロに至り、遮断される。単相遮断モジュール５において遮断される事故電流が大きい場合、電力回路に蓄積されたエネルギーが非線形素子５３ａのエネルギー耐量を上回ることがある。そのため、まず、抵抗素子５３ｂに電流を通過させ、抵抗素子５３ｂで、ある程度のエネルギーを吸収する。その後に、スイッチ５３ｃをオフにし、非線形素子５３ａに電流を転流させることで、抵抗素子５３ｂよりも安価でエネルギー耐量が小さい非線形素子５３ａを用いて事故電流の遮断を行うことを可能にしている。

　電流計測器５４は、単相遮断モジュール５の負荷機器２側の電流を計測する。電流計測器５４は、例えばシャント抵抗又は変流器(Current　Transformer，CT)が用いられる。電流計測器５４は、電流計測回路５５に接続されている。電流計測回路５５は、電流計測器５４の計測値に基づき、制御装置６に電流信号ｓ１を送信する。

　制御装置６は、電流計測回路５５から電流信号ｓ１を受信し、ゲート制御回路５６に制御指令ｓ２を送信する。ゲート制御回路５６は、制御装置６からの制御指令ｓ２により、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂのゲート電圧を制御する。これにより、制御装置６は、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂのオンとオフとを行う。また、制御装置６は、半導体遮断器４が投入されてから制御モードを行う時間である第一遅延時間Ｔ１と、２つの半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂがオンとオフとを交互に入れ替えるスイッチング周波数と、が設定されている。第一遅延時間Ｔ１は、例えば、予め定められても良いし、変更可能であっても良い。

　図４は、実施の形態１にかかる半導体遮断器が有する制御装置のフローチャートである。半導体遮断器４にオン指令が入ることによって半導体遮断器４が投入され、電源１から負荷機器２へ電力供給が開始されると（ステップＳ１０１）、制御装置６が制御モードを開始する（ステップＳ１０２）。制御モードは、負荷機器２の始動を担う。制御モードでは、電源１から負荷機器２へ電力供給が開始されてから第一遅延時間Ｔ１が経過するまでの間において、負荷機器２の回転数が定格回転数付近まで上昇するように、半導体遮断器４から負荷機器２へ供給される電圧及び電流の制御が行われる。限流回路５３のスイッチ５３ｃは、制御モードが終了するまで、オフとなっている。

　制御装置６は、第一遅延時間Ｔ１が経過した後、制御モードを終了し（ステップＳ１０３）、限流回路５３のスイッチ５３ｃにオン指令を送信し（ステップＳ１０４）、半導体遮断器４を定常的なオン状態に移行させる（ステップＳ１０５）。制御モードの間は、半導体素子５０ａと半導体素子５０ｂとがオンとオフとを繰り返す制御が行われる。これにより、半導体遮断器４に流れる電流は、半導体遮断器４の定格電流を超えることがなく、電力回路に蓄積されるエネルギーは小さい。そのため、制御モードの途中で短絡事故などが発生した場合には、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂをオフにする際に、抵抗素子５３ｂによりエネルギーを吸収することが不要となり、直接、非線形素子５３ａに電流を転流させ、電流を遮断する。制御モードが終了して、半導体遮断器４が定常的なオン状態に移行した後は、限流回路５３のスイッチ５３ｃをオン状態にしておく。これにより、半導体遮断器４は、電力回路に短絡事故が発生して大きな事故電流が流れ、電力回路に蓄積されたエネルギーが大きくなっても、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂをオフにした際に、まず抵抗素子５３ｂで限流しエネルギーを吸収し、その後に、非線形素子５３ａに電流を転流させて限流し遮断することで、大きな事故電流も遮断することができる。

　次に、制御装置６は、半導体遮断器４のオフ指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御装置６は、半導体遮断器４のオフ指令を受けていないと判定すると（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、半導体遮断器４の定常的なオン状態を継続して、ステップＳ１０６を繰り返す。一方、制御装置６は、半導体遮断器４のオフ指令を受けたと判定すると（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、限流回路５３のスイッチ５３ｃにオフ指令を送信する（ステップＳ１０７）。そして、制御装置６は、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂにオフ指令を送信し（ステップＳ１０８）、電流を遮断する。このとき、スイッチ５３ｃにオフ指令を送信してからスイッチ５３ｃのオフ動作が完了するまでに一定の時間が生じる。制御装置６には、スイッチ５３ｃにオフ指令を送信してからスイッチ５３ｃのオフ動作が完了するまでの動作に要する一定の時間よりも長い第二遅延時間Ｔ２が設定されている。制御装置６は、スイッチ５３ｃのオフ動作が完了した後に、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂがオフ動作を行うように、第二遅延時間Ｔ２が経過した後に、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂにオフ指令を送信する。最後に、半導体遮断器４がオフになり開放される（ステップＳ１０９）。

　なお、第二遅延時間Ｔ２が経過した後に、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂにオフ指令を送信する理由は、スイッチ５３ｃの電気接点の損耗を避けるためである。スイッチ５３ｃのオフ動作が完了する前に、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂをオフにすると、スイッチ５３ｃに電流が流れている状態でスイッチ５３ｃをオフにすることになり、スイッチ５３ｃの電気接点にアーク放電が発生し、電気接点が損耗する。一方、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂがオン状態となっているときにスイッチ５３ｃのオフ動作を完了させ、その後に半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂがオフ動作を行うようにすれば、スイッチ５３ｃをオフにする際に、スイッチ５３ｃに流れる電流がゼロとなる。これにより、スイッチ５３ｃの電気接点にアークが発生せず、電気接点の損耗を避けることができるので、例えば安価な機械式スイッチを用いることもできる。

　図５は、図４に示した制御モードにおける制御信号と、単相遮断モジュールが負荷機器に供給する電圧の波形と、を模式的に示したグラフである。図５に示した実線は、単相遮断モジュール５が負荷機器２に供給する電源電圧である。図５に示した破線は、制御信号である。図５の縦軸は、電圧を示している。図５の横軸は、時間を示している。

　図５に示すように、電源１から半導体遮断器４に供給される電圧は、電源周波数ｆａ（周期はＴａ＝１／ｆａ）の交流である。電源周波数ｆａは、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。制御信号は、周波数ｆｂ（周期はＴｂ＝１／ｆｂ）の矩形波であり、ｆｂ＜ｆａ（Ｔｂ＞Ｔａ）となっている。ここで、周波数ｆｂは、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂがオン状態とオフ状態とを交互に入れ替えるスイッチング周波数である。制御信号は、半導体素子５０ａと半導体素子５０ｂとのゲート電圧を制御して、半周期（Ｔｂ／２）おきに、半導体素子５０ａがオフで、半導体素子５０ｂがオンである状態と、半導体素子５０ａがオンで、半導体素子５０ｂがオフである状態と、を交互に入れ替える。

　半導体素子５０ａがオフ状態で半導体素子５０ｂがオン状態となっているときには、単相遮断モジュール５が負荷機器２に供給する電圧の波形は、電源周波数ｆａの交流電源電圧波形のうち、正の電圧となる半波だけとなる。逆に、半導体素子５０ａがオン状態で半導体素子５０ｂがオフ状態となっているときには、単相遮断モジュール５が負荷機器２に供給する電圧の波形は、電源周波数ｆａの交流電源電圧波形のうち、負の電圧となる半波だけとなる。これにより、単相遮断モジュール５が負荷機器２に供給する電圧は、破線で示した制御信号を包絡線とし、包絡線の中に交流電源電圧波形の半波が複数含まれるような波形となり、周波数成分として制御信号の周波数ｆｂを主成分に持つ低周波の電圧波形となる。

　すなわち、制御装置６は、負荷機器２に供給される電圧を正とする場合に、一方の半導体素子５０ｂをオンにし、他方の半導体素子５０ａをオフにする動作と、負荷機器２に供給される電圧を負とする場合に、一方の半導体素子５０ｂをオフにし、他方の半導体素子５０ａをオンにする動作と、をスイッチング周波数で入れ替える制御を行う。このように、周波数ｆｂの制御信号に基づいて半導体素子５０ａと半導体素子５０ｂのオン状態とオフ状態とを制御することで、電源周波数ｆａより低周波の電圧波形を負荷機器２に供給することができる。

　なお、制御装置６は、電源１から供給される電圧の正負の監視結果を用いて、半導体素子５０ａと半導体素子５０ｂのオン及びオフの切り換えのタイミングを制御してもよい。この場合、電源１から供給される電圧が正の場合、一方の半導体素子５０ｂがオンであり、電源１から供給される電圧が負の場合、他方の半導体素子５０ａがオフである第１の状態と、電源１から供給される電圧が正の場合、一方の半導体素子５０ｂがオフであり、電源１から供給される電圧が負の場合、他方の半導体素子５０ａがオンである第２の状態とを、スイッチング周波数に基づいて切り替える。

　上記のような制御を、三相交流に対応した３つの単相遮断モジュール５のそれぞれについて行う。具体的には、Ｕ相を基準にＶ相の位相は１２０°、Ｗ相の位相は２４０°ずらした制御信号を各相の半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂに入力する。これにより、半導体遮断器４から負荷機器２に供給される電圧の波形は、周波数ｆｂの三相交流電圧となる。負荷機器２は、半導体遮断器４から供給される交流電圧の周波数に応じた回転数で回転する。制御モードにおいて、制御信号の周波数ｆｂをゼロから電源周波数ｆａまで予め設定された上昇速度で徐々に上昇させていく制御を行い、負荷機器２の回転数をゼロから定格回転数付近まで緩やかに上昇させる。

　以上のように、実施の形態１にかかる半導体遮断器４では、遮断する電流の向きが異なる直列に接続された２つの半導体素子５０ａ，５０ｂと、各半導体素子５０ａ，５０ｂに並列に接続された２つのダイオード５１ａ，５１ｂと、半導体素子５０ａ，５０ｂに並列に接続された限流回路５３と、半導体素子５０ａ，５０ｂを制御する制御装置６と、を備えている。制御装置６は、第一遅延時間Ｔ１と、２つの半導体素子５０ａ，５０ｂがオンとオフとを交互に入れ替えるスイッチング周波数と、が設定されており、半導体遮断器４が投入されてから第一遅延時間Ｔ１が経過するまでの間、スイッチング周波数を予め設定された上昇速度で上昇させ、スイッチング周波数に基づいて半導体素子５０ａ，５０ｂのオンとオフとを行う。よって、実施の形態１にかかる半導体遮断器４では、インバータを用いずに、負荷機器２の回転数を緩やかに上昇させることができ、負荷機器２の始動を制御することができる。例えば、負荷機器２が誘導モータである場合には、負荷機器２の回転数を緩やかに立ち上げることで、負荷機器２が接続されるベルトコンベアの起動時の加速度を低減し、ベルトコンベア上の部品の転倒等を防止することができる。また、負荷機器２が同期モータである場合には、インバータを用いずに起動することが可能となる。

実施の形態２．
　次に、実施の形態２にかかる半導体遮断器４について説明する。図６は、実施の形態２にかかる半導体遮断器について、制御モードにおける制御信号と、半導体遮断器が負荷機器に供給する電源電圧と、を模式的に示したグラフである。図６に示した実線は、半導体遮断器４が負荷機器２に供給する電源電圧である。図６に示した破線は、制御信号である。図６の縦軸は、電圧を示している。図６の横軸は、時間を示している。

　図６に示すように、実施の形態２にかかる半導体遮断器４において、制御装置６が単相遮断モジュール５に送信する制御信号は、周波数ｆｃの中でオン状態にする時間Ｔｏｎだけ、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂをオンにするような信号となっている。これにより、図５に示した電源１の周期Ｔａの中で、半導体素子５０ａ及び半導体素子５０ｂがオン状態にある時間の割合はＴｏｎ／Ｔｃとなり、単相遮断モジュール５が負荷機器２に供給する電圧の時間平均値を、時間Ｔｏｎと周期Ｔｃとの比に応じて減少させることができる。Ｔｏｎ／Ｔｃを、デューティ比と呼称する。すなわち、図５に示す制御信号の周期Ｔｂの中で、さらに図６に示すようにデューティ比Ｔｏｎ／Ｔｃで半導体素子５０ａ又は半導体素子５０ｂをオンにする時間を制御することで、単相遮断モジュール５が負荷機器２に供給する電圧の周波数と、電圧の実効値とを制御することができる。

　以上のように、実施の形態２にかかる半導体遮断器４では、各相の単相遮断モジュール５に対して、第一遅延時間Ｔ１が経過するまでの間、スイッチング周波数に基づいて半導体素子５０ａ，５０ｂのオンとオフとを行うと共に、スイッチング周波数の周期の中で、デューティ比に基づいて２つの半導体素子５０ａ，５０ｂのオンを交互に繰り返す制御を行う。また、制御装置６は、制御信号の周波数ｆｂをゼロから電源周波数ｆａまで予め設定された上昇速度で上昇させると共に、この上昇速度に合わせて、デューティ比を予め設定された上昇速度で漸次的に上昇させる制御を行う。よって、負荷機器２を始動する際に、半導体遮断器４が負荷機器２に供給する電圧と周波数とを、それぞれ徐々に上昇させていく制御が可能となる。これにより、負荷機器２であるモータの回転数をさらに緩やかに上昇させることが可能となる。

実施の形態３．
　次に、実施の形態３にかかる半導体遮断器４Ａについて説明する。図７は、実施の形態３にかかる配電システムであって、電源と半導体遮断器と負荷機器との電気的な接続状態を模式的に示す説明図である。

　実施の形態３にかかる半導体遮断器４Ａは、実施の形態１の半導体遮断器４の構成に加えて電流補償回路７を備えていることを特徴とする。電流補償回路７は、単相遮断モジュール５の各相の相間に接続される。

　図８は、実施の形態３にかかる半導体遮断器が有する単相遮断モジュール及び電流補償回路を模式的に示す構成図である。単相遮断モジュール５は、例えば図８において、左端となる端子が電源１に接続される端子とされ、右端となる端子が負荷機器２に接続される端子とされている。電流補償回路７は、キャパシタ７０と、２つの半導体スイッチ７１，７２と、を有している。キャパシタ７０と、２つの半導体スイッチ７１，７２とは、直列に接続されている。電流補償回路７は、例えば図８において下端となる端子が、隣り合う相の単相遮断モジュール５に接続される。

　半導体スイッチ７１，７２は、それぞれ半導体素子とダイオードとを並列に接続した構成とされている。２つの半導体素子は、それぞれ単一の方向における電流の遮断が可能な素子である。電流補償回路７は、一方の半導体素子と、他方の半導体素子とが逆向きで直列に接続されることにより、双方向の電流の遮断が可能となっている。ダイオードは、半導体素子に並列に接続されている。ダイオードは、半導体素子が遮断できない方向の電流をバイパスする。

　次に、電流補償回路７の動作を、図９を参照して説明する。図９は、実施の形態３にかかる半導体遮断器について、制御モードにおける制御信号と、半導体遮断器が負荷機器に供給する電圧と、を模式的に示したグラフである。図９に示した実線は、半導体遮断器４が負荷機器２に供給する電源電圧である。図９に示した破線は、制御信号である。図９の縦軸は、電圧を示している。図９の横軸は、時間を示している。

　実施の形態３にかかる半導体遮断器４Ａでは、破線で示した制御信号が印加されると、制御信号が正であり、電源１によって単相遮断モジュール５に供給される電源電圧が正のときに、単相遮断モジュール５がオン状態となる。制御信号が負であり、電源１によって単相遮断モジュール５に供給される電源電圧が負のときに、単相遮断モジュール５はオン状態となる。そのため、図９において、制御信号が正で且つ電源電圧が正である時間Ｔｅ１と、制御信号が負で且つ電源電圧が負である時間Ｔｅ２のとき、単相遮断モジュール５は負荷機器２に電源１からの電圧を供給する。一方、制御信号の極性と、電源電圧の極性とが異なる時間、すなわち制御信号が正で電源電圧が負である時間Ｔｄ１と、制御信号が負で電源電圧が正である時間Ｔｄ２とのときには、単相遮断モジュール５は負荷機器２に電源１からの電圧を供給しない。

　電流補償回路７は、時間Ｔｅ１と時間Ｔｅ２において、制御装置６によって半導体スイッチ７１，７２が制御されてキャパシタ７０を充電する。そして、電流補償回路７は、時間Ｔｄ１と時間Ｔｄ２において、制御装置６によって半導体スイッチ７１，７２が制御されて、キャパシタ７０を放電し、負荷機器２に電圧を供給する。実施の形態３にかかる半導体遮断器４Ａでは、このように電流補償回路７の制御を行うことにより、負荷機器２に供給する電圧の実効値を増大させることができ、負荷機器２の負荷の大きい状態においても、負荷機器２を始動することができるようになる。

　次に、本実施の形態にかかる制御装置６を実現するハードウェア構成について説明する。制御装置６は、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。

　処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図１０に示す制御回路８０である。図１０は、実施の形態１から３にかかる制御回路の構成例を示す説明図である。制御回路８０は、入力部８１、プロセッサ８２、メモリ８３、及び出力部８４を備える。入力部８１は、制御回路８０の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ８２に与えるインターフェース回路である。出力部８４は、プロセッサ８２又はメモリ８３からのデータを制御回路８０の外部に送るインターフェース回路である。

　プロセッサ８２は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）である。プロセッサ８２は、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）でも良い。メモリ８３は、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically　Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital　Versatile　Disc）等が該当する。

　図１０は、制御装置６の機能を汎用のプロセッサ８２及びメモリ８３により実現する場合のハードウェアの例であるが、制御装置６の機能は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図１１は、実施の形態１から３にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す説明図である。

　図１１に示すように、専用のハードウェア回路８５は、入力部８１、出力部８４、及び処理回路８６を備える。処理回路８６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）、又はこれらを組み合わせた回路である。制御装置６を機能別に処理回路８６で実現しても良いし、制御装置６の機能をまとめて処理回路８６で実現しても良い。なお、制御装置６は、制御回路８０とハードウェア回路８５とが組み合わされて実現されても良い。

　以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略又は変更することが可能である。

　１　電源、２　負荷機器、３　遮断器、４，４Ａ　半導体遮断器、５　単相遮断モジュール、６　制御装置、７　電流補償回路、１０　制御盤、５０ａ，５０ｂ　半導体素子、５１ａ，５１ｂ　ダイオード、５２　断路スイッチ、５３　限流回路、５３ａ　非線形素子、５３ｂ　抵抗素子、５３ｃ　スイッチ、５４　電流計測器、５５　電流計測回路、５６　ゲート制御回路、７０　キャパシタ、７１，７２　半導体スイッチ、８０　制御回路、８１　入力部、８２　プロセッサ、８３　メモリ、８４　出力部、８５　ハードウェア回路、８６　処理回路、１００　配電システム、Ｔ１　第一遅延時間、Ｔ２　第二遅延時間。

Claims

　電源と、負荷機器とを接続する電路に設けられた半導体遮断器であって、
　遮断する電流の向きが異なる直列に接続された２つの半導体素子と、
　各前記半導体素子に並列に接続された２つのダイオードと、
　前記半導体素子に並列に接続された限流回路と、
　前記半導体素子を制御する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、第一遅延時間と、２つの前記半導体素子がオンとオフとを交互に入れ替えるスイッチング周波数と、が設定されており、前記半導体遮断器が投入されてから前記第一遅延時間が経過するまでの間、前記スイッチング周波数を予め設定された上昇速度で上昇させ、前記スイッチング周波数に基づいて前記半導体素子のオンとオフとを行う、
　ことを特徴とする半導体遮断器。
　前記限流回路は、非線形素子を備えている、
　ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体遮断器。
　前記限流回路は、
　抵抗素子と、前記抵抗素子と直列に配置されたスイッチと、を備え、
　前記抵抗素子及び前記スイッチは、前記非線形素子と並列に接続されており、
　前記制御装置は、前記第一遅延時間が経過した後に、前記スイッチをオンにする制御を行う、
　ことを特徴とする、請求項２に記載の半導体遮断器。
　前記制御装置には、オン状態の前記スイッチにオフ指令を送信してから前記スイッチのオフ動作が完了するまでの動作に要する時間よりも長い第二遅延時間が設定されており、
　前記制御装置は、オン状態の前記スイッチにオフ指令を送信してから前記第二遅延時間が経過した後に、すべての前記半導体素子をオフにする制御を行う、
　ことを特徴とする、請求項３に記載の半導体遮断器。
　前記半導体遮断器は、前記電源の周波数よりも低周波の電圧を前記負荷機器に出力する、
　ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体遮断器。
　前記制御装置は、前記負荷機器に供給される電圧を正とする場合に、一方の前記半導体素子をオンにし、他方の前記半導体素子をオフにする動作と、前記負荷機器に供給される電圧を負とする場合に、一方の前記半導体素子をオフにし、他方の前記半導体素子をオンにする動作と、を前記スイッチング周波数で入れ替える制御を行う、
　ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体遮断器。
　前記半導体遮断器は、前記負荷機器側の端子に、キャパシタと、半導体スイッチと、を有する電流補償回路が接続されており、
　前記電流補償回路は、前記第一遅延時間において、前記負荷機器に前記電源からの電圧を供給するときに、前記制御装置によって前記半導体スイッチが制御されて、前記キャパシタを充電し、前記負荷機器に前記電源からの電圧を供給しないときに、前記制御装置によって前記半導体スイッチが制御されて、前記キャパシタを放電して前記負荷機器に電圧を供給する、
　ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体遮断器。
　前記制御装置は、デューティ比が設定されており、前記第一遅延時間が経過するまでの間、前記スイッチング周波数に基づいて前記半導体素子のオンとオフとを行うと共に、前記スイッチング周波数の周期の中で、前記デューティ比に基づいて２つの前記半導体素子のオンを交互に繰り返す制御を行う、
　ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体遮断器。
　前記制御装置は、前記デューティ比を、予め設定された上昇速度で漸次的に上昇させる制御を行う、
　ことを特徴とする、請求項８に記載の半導体遮断器。
　電源と、
　前記電源に制御盤を介して接続された負荷機器と、
　請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体遮断器と、を備え、
　前記負荷機器は、誘導モータ又は同期モータである、
　ことを特徴とする配電システム。