JP4350160B1 - 保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
電力システムは、白熱ランプの点灯時のラッシュ電流など短時間の過電流、誘導電動機の起動時ラッシュや、トランスの初期励磁突入の過電流に耐えるように設計されていなければならず、機器の耐量を的確に配分することが肝要であるが、近年の半導体式インバータ電源、例えば燃料電池インバータは、トランスの励磁突入電流の10倍近いピーク電流には耐えられない場合が多い。インバータ電源では、このため種々のソフトスタート機能を有しているが、それは、1つのインバータ電源に対して1つの負荷の場合であればよいが、1つのインバータ電源に複数の負荷が接続された場合は、後から起動する負荷に対しては不可能であった。
事故電流を直列要素で限流する限流器では、例えば超電導と常電導の移行現象を応用したものが開発されているが、これは、事故電流が過大になると遮断器の容量も過大になるため、事故電流を限流器によって半分にでも減らすことが出来れば、遮断器のサイズやコストが削減できるからである。
三相変圧器の場合、鉄心飽和による励磁ラッシュ電流が予想されるので、変圧器自身にも電線の電磁力に対する過電流耐量を持たせることが必要である。
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、負荷の異常や故障よる過電圧及び過電流から磁気エネルギー回生スイッチを保護するための保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチを提供することを目的とする。
前記保護回路は、前記コンデンサと並列に接続され、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、前記コンデンサと並列に接続され、放電抵抗と放電スイッチとが直列に接続された放電回路と、前記交流電源と前記負荷との間に挿入され、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部と、を備えるとともに、
前記制御手段は、前記交流電源の電圧に同期して、前記逆導通型半導体スイッチのブリッジの対角の位置にあるペアを同時にオン/オフ制御するようにゲート制御信号の位相を制御するとともに、前記電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記放電スイッチを短絡し、前記放電抵抗を介して前記コンデンサの電荷を放電するように前記放電スイッチのゲートを制御し、かつ、前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、前記制御信号のパルスのオン/オフのデューティ比を0.5より小さくすることで、限流制御を行うことを特徴とする、保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチによって達成される。
本発明に係る保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ(以下、MERSという。)は、4個の逆導通型半導体スイッチ1(以下、「半導体スイッチ」という。)(S1〜S4)にて構成されるブリッジ回路と、そのブリッジ回路の直流出力端子間に接続され、回路の電流遮断時の磁気エネルギー(スナバエネルギー)を回生して蓄積するコンデンサ2と、半導体スイッチ1のブリッジの対角の位置にあるペア(S1、S3とS2、S4)を同時にオン/オフ制御するようにゲート制御信号の位相を制御する制御手段4とから成り、このMERSが交流電源3と負荷(L、R)の間に直列に挿入されている。
すなわち、交流電源3と負荷との間に電流検出部7を挿入して負荷に流れる電流を検出し、制御手段4が、電流検出部7の出力が所定の値を超えたときに、半導体スイッチ1のゲート制御信号のパルスのオン/オフのデューティ比を0.5より小さくすることで、限流制御を行うことである。
放電回路6によるコンデンサの放電と、半導体スイッチ1のゲート制御信号のパルスのオン/オフのデューティ比を0.5より小さくすることで限流制御を行うことを組み合わせることによって、MERSの保護機能はさらに高められる。
結局、MERSの保護方法としてより応用範囲が広いのが、コンデンサの電圧ピークカットによる過電圧保護機能と、ゲートのオン信号のパルス幅制御による電流制限機能との併用によるものであり、そうすることで初めて可能になる保護である。
この放電スイッチ62にサイリスタを使用することも可能であるが、その後のMERSとしての働きが中止され、進みのリアクタンス電圧がゼロとなるので、総合的にリアクタンスが大きくなる。これは限流器としての機能となるので、重要な機能であるが、コンデンサのエネルギーをすべて放電するので、放電抵抗61の容量を大きくしなければならない。また放電スイッチ62の代わりにZNRやサイダックのような電圧非線形素子で行っても良い。
LC=ω0 −2 ・・・・・・(式1)
である。
さらに、静電容量Cの値を式1で求められる値より若干小さくすることで、半サイクルの放電の後に、電圧ゼロの期間が生じ、半導体スイッチ1のスイッチングを容易にすることが出来る。単相インバータの電圧源コンデンサが従来のPWMコンバータと異なり、大幅に小さな容量になっていることが特徴である。
また、別に電流検出回路7からの検出信号を受けて、過電流の閾値を維持するべく、ゲートオン信号のパルス幅を減少させてデューティ比を0.5より小さくする。
コンデンサの耐電圧は電源電圧の1.4倍より大きいため、電流は減少する。
制御手段4は、交流電源3の電圧位相を検出する能力と4つの半導体スイッチ1に必要なゲート信号を送る。S1とS3、S2とS4の対角の位置にあるペア半導体スイッチのゲートに同時に信号を送るが、二つのペアに同時にはオン信号を送らない。コンデンサ電圧が短絡してしまうからである。
この場合、過電流は磁気(スナバ)エネルギーを予定外に大きくするため、一旦、コンデンサ電圧に過電圧を生じるが、その期間は数十mSの遅れで電流制限機能が効果を現すまでの短時間に過ぎない。このように、瞬時電圧制限機能(放電)と過電圧の原因を取り除く過電流抑制機能を組み合わせた保護回路により、負荷の事故時もスイッチを遮断停止せずに、制限された電力を送ることは、重要である。
図8はシミュレーションのための回路であり、図9はシミュレーションによる解析結果を示す。回路定数は以下の通りである。
1.半導体スイッチ S1、S2、S3、S4(パワーMOSFETであり、損失は無視している)
2.交流電源50Hz、 AC100V
3.負荷インダクタンスL 31.85mH、
4.負荷抵抗R 10Ω
5.異常時負荷抵抗R’ 2Ω
6.持続時間 0.1秒
7.コンデンサ 150μF、過電圧保護レベル(閾値)400V
時間0.5秒後に負荷抵抗値を急変させて、電流が急増した場合を模擬している。電流が増大した結果、コンデンサが過電圧になって、放電回路が動作、電圧を400Vでカットしている。電流検出部7が過電流を検出することによって、ゲートオン信号のパルス幅を減少させることで、0.1秒後には電流が減り、その結果、過電圧も解消した。
その一は、上述のようにMERSの全てのスイッチのゲートを遮断することで、電流を全遮断にしてしまうことであるが、その二は、MERSを短絡することである。このとき、コンデンサ電圧はゲート周波数の2倍の周期でゼロもしくはゼロに近い電圧に低下する。この電圧がゼロに近いタイミングをねらって、制御する半導体スイッチのペアを、対角の位置にあるペア(S1とS3、S2とS4のペア)から、半導体スイッチの逆直列方向で対向するペア(S1とS2、S3とS4のペア)に変えて同時にオン/オフさせることで、交流電流はバイパス状態になり、かつ、切り換える時にコンデンサの電荷を短絡することがないようにできる。
なお、放電抵抗61が過負荷状態になったかどうかは、例えば、放電抵抗61に放電電流が流れている期間、すなわち放電スイッチ62が短絡(オン)になっている時間の累積時間が予め設定した時間を超えたかどうかで判断してもよい。つまり、放電抵抗61に定格を超える過電流が流れても瞬間的に破壊されるわけではなく、所定の累積時間を超えたときに破壊されるからである。
この保護回路の制御手段は、この半導体スイッチの過去の運転状況を記録しており、総運転時間、電力、消費電力など統計情報を積算して、求めに応じて外部に通信にすることも考えられる。
Claims (7)
- 交流電源と負荷との間に挿入され、前記交流電流のオン/オフ及び前記交流電流の位相を変えるための可変リアクタンス機能を備えた磁気エネルギー回生スイッチを、過電圧又は過電流から保護するための保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチであって、
前記磁気エネルギー回生スイッチは、4個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と、該ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを回生して蓄積するコンデンサと、制御手段とを備え、
前記保護回路は、
前記コンデンサと並列に接続され、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
前記コンデンサと並列に接続され、放電抵抗と放電スイッチとが直列に接続された放電回路と、
前記交流電源と前記負荷との間に挿入され、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部と、
を備えるとともに、
前記制御手段は、
前記交流電源の電圧に同期して、前記逆導通型半導体スイッチのブリッジの対角の位置にあるペアを同時にオン/オフ制御するようにゲート制御信号の位相を制御するとともに、前記電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記放電スイッチを短絡し、前記放電抵抗を介して前記コンデンサの電荷を放電するように前記放電スイッチのゲートを制御し、かつ、前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、前記制御信号のパルスのオン/オフのデューティ比を0.5より小さくすることで、限流制御を行うことを特徴とする、保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ。 - 前記放電スイッチが短絡している期間の累積時間が所定の時間を超えたときに、前記制御手段が、前記4個の逆導通型半導体スイッチをすべてオフにして電流を遮断するようにゲートを制御することを特徴とする請求項1に記載の保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ。
- 前記放電スイッチが短絡している期間の累積時間が所定の時間を超えたときに、前記制御手段が、前記コンデンサ電圧がゼロとなるタイミングで前記4個の逆導通型半導体スイッチをすべてオンにして電流の両方向導通状態になるようにゲートを制御することを特徴とする請求項1に記載の保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ。
- 前記制御手段は、前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、前記4個の逆導通型半導体スイッチをすべてオフにして電流を遮断するようにゲートを制御することを特徴とする請求項1に記載の保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ。
- 前記制御手段は、前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、前記ブリッジの対角の位置にあるペアのうちオンになっている方のペアの片方の逆導通型半導体スイッチだけをオフに切り換えて電流を遮断するようにゲートを制御することを特徴とする請求項1に記載の保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ。
- 前記制御手段が、外部との通信を行う通信手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチ。
- 負荷に交流電流を供給するとともに、電流遮断時の磁気エネルギーを回生して前記負荷への供給電流として利用する交流電源装置であって、該交流電源装置は、
前記交流電流を発生する交流電源と前記負荷との間に、請求項1乃至6のいずれかに記載の保護回路を備えた磁気エネルギー回生スイッチが直列に接続されたことを特徴とする交流電源装置。
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