(57)【要約】【課題】過電圧にしなくても、大きなインパルス電流を発生させることのできるインパルス電流発生装置及びその方法を提供する。【解決手段】インパルス電流発生装置は、容量性負荷２にインパルス電流を流すインパルス電流発生装置であって、容量性負荷２と並列接続された、インダクタ３１を含む電子部品３と、容量性負荷２と電子部品３に接続され、容量性負荷２と電子部品３にパルス電圧を印加するパルス電圧発生装置１と、を備える。【選択図】図１
2020125953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性負荷にインパルス電流を流すインパルス電流発生装置であって、
前記容量性負荷と並列接続された、インダクタを含む電子部品と、
前記容量性負荷と前記電子部品に接続され、前記容量性負荷と前記電子部品にパルス電圧を印加するパルス電圧発生装置と、
を備えたこと、
を特徴とするインパルス電流発生装置。
【請求項２】
前記容量性負荷と前記電子部品に直列に接続されたインダクタを備えること、
を特徴とする請求項１記載のインパルス電流発生装置。
【請求項３】
前記容量性負荷と前記電子部品に直列に接続された抵抗を備えること、
を特徴とする請求項１又は２記載のインパルス電流発生装置。
【請求項４】
前記パルス電圧発生装置は、
直流電源とコンデンサを有する直流充電回路と、
前記直流電源により前記コンデンサに充電された電荷を前記容量性負荷に供給する第１の半導体スイッチと、
前記容量性負荷に供給した電荷を前記電子部品に放電する第２の半導体スイッチと、
を備えること、
を特徴とする請求項１〜３の何れか記載のインパルス電流発生装置。
【請求項５】
前記パルス電圧発生装置は、前記容量性負荷に並列に接続された抵抗を備えること、
を特徴とする請求項４記載のインパルス電流発生装置。
【請求項６】
前記第１の半導体スイッチをオンとし、前記第２の半導体スイッチをオフとする第１の状態と、
前記第１の半導体スイッチをオフとし、前記第２の半導体スイッチをオンとする第２の状態とを繰り返すことにより、前記パルス電圧を前記容量性負荷と前記電子部品に印加し、前記パルス電流を前記容量性負荷に流すという動作を繰り返すこと、
を特徴とする請求項４又は５記載のインパルス電流発生装置。
【請求項７】
容量性負荷と、前記容量性負荷と並列接続された、インダクタを含む電子部品とに、パルス電圧発生装置によりパルス電圧を印加することで前記容量性負荷にインパルス電流を流すこと、
を特徴とするインパルス電流発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インパルス電流発生装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機や変圧器などの電気機器では、構成する電気絶縁材料が熱的、電気的、機械的、化学的ストレスに晒されており、劣化の進行によっては絶縁破壊が生じて機器の故障に繋がる可能性がある。そのため、機器の信頼性を確保するには絶縁材料の各ストレスの影響を把握することが重要である。
【０００３】
電気的なストレスには高電圧や大電流、サージ電圧などがあるが、電気機器を過負荷運転した際に生じたサージによるパルス電流や、インバータ制御した際に電気機器へ入るパルス電流は、電流の波形形状が急峻で繰り返し加わるため、絶縁材料の誘電損の増大や発熱を招く可能性がある。インパルス電流を繰り返し流すことによる電気絶縁材料の評価は重要性が増してきており、インパルス電圧を繰り返し発生させる方法は模擬インバータサージ電圧による評価のため検討が進められており装置も多く市販されている。一方、インパルス電流を繰り返し発生させる方法に関しては雷インパルス電流の発生方法から派生したものなどしか検討されておらず、市販されている装置も少ない状況である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２８１６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の通り、インパルス電流を繰り返し発生させる方法として、雷インパルス電流の発生方法から派生した方法を採用することが考えられる。しかし、この方法では、評価対象の絶縁材料に流れる電流が小さく、インパルス電流を流すためには評価対象の絶縁材料に印加する電圧を大きく引き上げる必要があった。このように印加電圧を大きくすると、過電圧による絶縁材料への悪影響が大きく、インパルス電流を流すことによる絶縁性能の評価ができない場合があった。
【０００６】
本発明の実施形態は、上記のような問題を解決するものであり、過電圧にしなくても、大きなインパルス電流を発生させることのできるインパルス電流発生装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本実施形態のインパルス電流発生装置は、容量性負荷にインパルス電流を流すインパルス電流発生装置であって、前記容量性負荷と並列接続された、インダクタを含む電子部品と、前記容量性負荷と前記電子部品に接続され、前記容量性負荷と前記電子部品にパルス電圧を印加するパルス電圧発生装置と、を備えたこと、を特徴とする。
【０００８】
また、本実施形態のインパルス電流発生方法は、容量性負荷と、前記容量性負荷と並列接続された、インダクタを含む電子部品とに、パルス電圧発生装置によりパルス電圧を印加することで前記容量性負荷にインパルス電流を流すこと、を特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るインパルス電流発生装置の概略構成を示す図である。
【図２】パルス電圧発生装置の詳細構成を含むインパルス電流発生装置の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は、インパルス電流発生装置により容量性負荷２に加わる電圧Ｖ１の波形を示す。（ｂ）は、インパルス電流発生装置により容量性負荷２に流れる電流Ｉ１を測定した波形を示す。
【図４】第２の実施形態に係るインパルス電流発生装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
（構成）
図１は、第１の実施形態に係るインパルス電流発生装置の概略構成を示す図である。図１に示すようにインパルス電流発生装置は、パルス電圧発生装置１と、パルス電圧発生装置１と接続され、互いに並列に接続された容量性負荷２及び電子部品３を備え、パルス電圧発生装置１からパルス電圧を容量性負荷２と電子部品３とに印加する。
【００１１】
パルス電圧発生装置１は、所定の電圧値、所定の立ち上がり時間及び立ち下がり時間、所定の周波数でパルス電圧を出力する電源である。このパルス電圧発生装置１としては、無負荷状態、すなわち電子部品３が接続されていない場合で、電圧が最大１ｋＶ、パルス幅が１．５μｓ、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が０．３μｓ、周波数が１ｋＨｚとなるパルス電圧を出力する電源を用いることができる。
【００１２】
図２は、パルス電圧発生装置１の詳細構成を含むインパルス電流発生装置の構成を示すである。図２に示すように、パルス電圧発生装置１は、直流電源４とコンデンサ５とを含む直流充電回路と、半導体スイッチ６、７とを備える。コンデンサ５は、直流電源４から電荷が蓄積される。半導体スイッチ６は、コンデンサ５と容量性負荷２との間に直列接続された半導体素子であり、例えば、ＩＧＢＴなどを用いることができる。半導体スイッチ７は、コンデンサ５と容量性負荷２と並列に接続された半導体素子であり、例えば、ＩＧＢＴなどを用いることができる。
【００１３】
直流電源４からコンデンサ５に充電を行い、半導体スイッチ６をオンとし、半導体スイッチ７をオフとすることで、コンデンサ５の電荷を容量性負荷２に供給してコンデンサ５から容量性負荷２にパルス電圧を印加し、半導体スイッチ６をオフとし、半導体スイッチ７をオンとすることで、容量性負荷２に供給した電荷をインダクタ３１に放電する。なお、半導体スイッチ６、７のオンオフの制御は、当該制御を行う発振回路又はプログラムを有する不図示の制御装置により行う。この制御装置は、半導体スイッチ６をオンとし、半導体スイッチ７をオフとする第１状態と、半導体スイッチ６をオフとし、半導体スイッチ７をオンとする第２状態を繰り返すことで、パルス電圧発生装置１にパルス電圧を繰り返し発生させ、容量性負荷２にインパルス電流を繰り返し流す。
【００１４】
容量性負荷２は、容量を有する負荷である。容量性負荷２は、インパルス電流を流して評価対象とする絶縁材料を、一対の電極で挟んで構成することができる。例えば、容量性負荷２としては、平行平板電極の間に、評価対象の絶縁シートを挟んでなるものを用いることができる。一方の電極をパルス電圧発生装置１の高電圧側に接続し、他方の電極を接地する。評価対象とする絶縁材料としては、絶縁紙、シート、樹脂板など電気機器を構成する絶縁材料単体やその組み合わせ、コイルなどの実機や縮小モデルを用いることができる。例えば、絶縁処理が施されたコイルが鉄心に巻かれている場合、この絶縁処理した絶縁物が評価対象であり、当該コイルの周囲に電極を設け、当該電極をパルス電圧発生装置１の高電圧側に接続し、鉄心を他方の電極として接地する。
【００１５】
電子部品３は、容量性負荷２に流れるインパルス電流を調整するための部品であり、容量性負荷２と並列に接続されている。図１に示すように、容量性負荷２と電子部品３とにより直列の閉回路を構成する。この閉回路は、ＬＣ共振回路である。この電子部品３は、インダクタ３１を含み構成されており、ここでは、電子部品３は、インダクタ３１と抵抗３２が直列接続されてなる。
【００１６】
（作用）
本実施形態に係るインパルス電流発生装置の作用について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、インパルス電流発生装置により容量性負荷２に加わる電圧Ｖ１の波形を示し、図３（ｂ）は、インパルス電流発生装置により容量性負荷２に流れる電流Ｉ１を測定した波形を示す。
【００１７】
まず、パルス電圧発生装置１がパルス電圧を発生させると、当該パルス電圧が容量性負荷２と電子部品３とに印加される。このパルス電圧が印加されている間、容量性負荷２と電子部品３に電流が流れ、容量性負荷２とインダクタ３１とにエネルギーが蓄積される。
【００１８】
半導体スイッチ６がオフとなり、半導体スイッチ７がオンとなる時刻ｔ１でパルス電圧が印加されなくなると、容量性負荷２から電子部品３に電圧が印加され、容量性負荷２から電子部品３に電流が流れる。この電圧は、図３（ａ）に示すように時刻ｔ１で逆極性の電圧であり、容量性負荷２から電子部品３に流れる電流は、図３（ｂ）に示すように、容量性負荷２から電子部品３への逆向きの電流である。
【００１９】
このように容量性負荷２からインダクタ３１に電流が流れることによりエネルギーが蓄積され、その反動（過渡応答）で蓄積されたエネルギーが解放されてインパルス電流が発生し、当該電流が容量性負荷２に流れる。このインパルス電流は、図３（ｂ）に示す電流波形のピークとなる電流である。狭義には、インパルス電流は、時刻ｔ１より後の最初のピーク（１ａ．ｕ．となる山）の部分である。
【００２０】
その後、エネルギーの蓄積と放出を容量性負荷２とインダクタ３１との間で繰り返すことで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように電圧および電流が減衰しながら振動する。
【００２１】
また、パルス電圧発生装置１は、図３に示す電圧及び電流波形が減衰した後、パルス電圧を繰り返し容量性負荷２に印加し、容量性負荷２にインパルス電流を繰り返し流す。これにより、容量性負荷２の絶縁材料の絶縁性等の評価を行うことができる。
【００２２】
以上のように、電子部品３がインパルス電流発生装置にない場合は、図３（ａ）の破線で示すように矩形状のパルス電圧がパルス電圧発生装置１から出力されるが、電子部品３が容量性負荷２に並列接続されることで、図３（ａ）に示すようにパルス電圧が低下して、パルス電圧が立ち下がった後に電圧が反対の極性になり振動している。これは、パルス電圧を出力する際に電子部品３のインダクタ３１に電流が流れて、電圧波形が、電子部品３が無いときのように保つことができないためである。
【００２３】
一方、容量性負荷２に流れる電流波形は、図３（ｂ）に示すように、パルス電圧が加わっている間は電流が殆ど流れないが、パルス電圧が立ち下がった後に大きな電流が流れて振動波形となっている。これは、容量性負荷２の静電容量と電子部品３のインダクタ３１の間で電気的な共振が生じたためである。
【００２４】
（効果）
（１）本実施形態のインパルス電流発生装置は、容量性負荷２にインパルス電流を流すインパルス電流発生装置であって、容量性負荷２と並列接続された、インダクタ３１を含む電子部品３と、容量性負荷２と電子部品３に接続され、容量性負荷２と電子部品３にパルス電圧を印加するパルス電圧発生装置１と、を備えるようにした。
【００２５】
これにより、パルス電圧を増加させて過電圧にしなくても、大きなインパルス電流を発生させることができる。比較対象として、電子部品３を容量性負荷２と直列に接続した場合、容量性負荷２に流れるインパルス電流は比較的小さい。例えば、図３（ｂ）では本実施形態によればインパルス電流の最大値は１ａ．ｕ．であるのに対し、図３（ｂ）の破線で示すように０．１ａ．ｕ．未満しか流れない。本実施形態と同程度までインパルス電流を大きくしようとすると、容量性負荷２には、１０倍以上の電圧を印加しなければならない。このような大電圧は過電圧であり、このような電圧が印加されると容量性負荷２の絶縁材料に部分放電などが発生し、当該絶縁材料が劣化してしまい、絶縁性能が正しく評価できなくなる。
【００２６】
これに対し、本実施形態によれば、パルス電圧の大きさを大きくしなくても、インパルス電流を比較対象と比べて例えば１０倍〜１００倍程度大きくすることができるので、容量性負荷２の絶縁材料が過電圧による劣化が生じることなく、正しい絶縁性能の評価を行うことができる。
【００２７】
（２）パルス電圧発生装置１は、直流電源４とコンデンサ５を有する直流充電回路と、直流電源４によりコンデンサ５に充電された電荷を容量性負荷２に供給する第１の半導体スイッチ６と、容量性負荷２に供給した電荷を電子部品３に放電する第２の半導体スイッチ７と、を備え、第１の半導体スイッチ６をオンとし、第２の半導体スイッチ７をオフとする第１の状態と、第１の半導体スイッチ６をオフとし、第２の半導体スイッチ７をオンとする第２の状態とを繰り返すことにより、パルス電圧を容量性負荷２と電子部品３に印加し、パルス電流を容量性負荷２に流すという動作を繰り返すようにした。
【００２８】
これにより、容量性負荷２にパルス電圧を繰り返し印加するとともに、大きなインパルス電流を繰り返し流すことができるので、容量性負荷２の絶縁材料の評価を正しく行うことができる。
【００２９】
（３）パルス電圧発生装置１は、容量性負荷２に並列に接続された抵抗３２を備えるようにした。これにより、パルス電圧発生装置１から電流が、容量性負荷２よりインダクタ３１の方に電流が流れ過ぎ、インダクタ３１からパルス電圧発生装置１に過電流が流れてパルス電圧発生装置１が破壊されるのを防止することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態を、図４を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態の基本構成と同じである。以下では、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３１】
図４は、第２の実施形態に係るインパルス電流発生装置の構成を示す図である。本実施形態のインパルス電流発生装置は、インダクタ４１と抵抗４２を備える。インダクタ４１及び抵抗４２は、容量性負荷２、電子部品３に直列に接続されている。また、インダクタ４１と抵抗４２は、直列に接続されている。
【００３２】
このように、本実施形態のインパルス電流発生装置１は、容量性負荷２と電子部品３に直列に接続されたインダクタ４１を備えるようにした。これにより、容量性負荷２に印加される電圧の急峻な変化を抑えることができる。すなわち、パルス電圧が印加されなくなったとき（図３中の時刻ｔ１）の電圧の大きさを小さくすることができる。その結果、評価対象となる容量性負荷２の絶縁材料に過電圧が印加されることが防止され、過電圧印加に伴う絶縁材料の絶縁劣化が生じて正しく評価ができなくなる事態を防止できる。
【００３３】
また、本実施形態のインパルス電流発生装置１は、容量性負荷２と電子部品３に直列に接続された抵抗４２を備えるようにした。これにより、容量性負荷２に流れるインパルス電流の振幅（例えばピーク値）を調整することができる。
【００３４】
（他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１              パルス電圧発生装置
２              容量性負荷
３              電子部品
３１            インダクタ
３２            抵抗
４              直流電源
５              コンデンサ
６、７          半導体スイッチ
４１            インダクタ
４２            抵抗
【図１】
2020125953.tif 000003
【図２】
2020125953.tif 000004
【図３】
2020125953.tif 000005
【図４】
2020125953.tif 000006