(57)【要約】      （修正有）【課題】直流給電において、スイッチの切断時や、コンセントを抜く時に、アーク放電が発生し、アーク放電が発生すると、熱が発生し、接点の損傷、切断点の配線熔融、火災の原因となる。電源接続時の突入電流を防止し、また、直流切断時に発生するアーク放電を検出し、短時間のうちに停止させることで、接続されている装置の破壊を防ぐ。【解決手段】直流電源１に接続するすべての負荷（装置）２には、電源１に接続したときに、急激に電流が流れることのないよう、なめらかに、徐々に電流を増加させる、いわゆるソフトスタート機能を持たせ、急激な電源電圧の低下を検出した場合には、アーク放電が発生したものとして、ただちに電源１から負荷（装置）２を切断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、該直流電源に接続される負荷とを備え、前記負荷には、アーク放電検出装置と、負荷への電力供給を遮断する電力制御装置と、電源接続時に供給電力を緩やかに増加させるソフトスタート制御装置とを有する、
ことを特徴とするアーク放電防止システム。
【請求項２】
前記アーク放電検出装置と、負荷への電力供給を遮断する電力制御装置の形成には、従来のインバーター回路を利用して形成する、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク放電防止システム。
【請求項３】
前記アーク放電検出装置と、負荷への電力供給を遮断する電力制御装置の形成には、負荷がインバーター回路を有しないときに、従来のインバーター回路につき、アダプターを介して利用し形成する、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク放電防止システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流給電における電力の遮断装置にかかり、特に高電圧・大電流の直流送電を安全に接続・切断する技術の一つである直流電源使用時に生ずるアーク放電防止システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流給電において、スイッチの切断時や、コンセントを抜く時に、アーク放電が発生するという課題がある。
【０００３】
一般に、直流でも交流でも、電力の切断時にはアーク放電が発生するが、交流の場合、10ミリ秒毎（５０Ｈｚの場合）にゼロ電圧となる瞬間があるので（図１０参照）、アーク放電は10ミリ秒以内に自然に止まる。
【０００４】
ところが直流では、ゼロ電圧となる瞬間がないため、アーク放電は自然には止まらない。
【０００５】
アーク放電が発生すると、熱が発生し、接点の損傷、切断点の配線熔融、火災の原因となる。また、光、音を伴い、恐怖やショックを与え、二次的な事故を招く可能性がある。
【０００６】
そのため、バネ式のスイッチ機構や磁力を使ってアーク放電を止める機構を持ったコンセント等が提案されている。しかし、これらの方法では、コンセントが複雑な構造になってしまい、高コストである上に、断線等の事故にも対応できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２４３６３８号公開公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
かくして、本発明は前記従来の課題を解決するために創案されたものであって、電源接続時の突入電流を防止し、また、直流切断時に発生するアーク放電を検出し、短時間のうちに停止させることで、接続されている装置の破壊を防ぎ、安全を確保するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による直流電源使用時に生ずるアーク放電防止システムは、
直流電源と、該直流電源に接続される負荷とを備え、前記負荷には、アーク放電検出装置と、負荷への電力供給を遮断する電力制御装置と、電源接続時に供給電力を緩やかに増加させるソフトスタート制御装置とを有する、
ことを特徴とするものである。
【００１０】
すなわち、直流電源に接続するすべての負荷（装置）には、電源に接続したときに、急激に電流が流れることのないよう、なめらかに、徐々に電流を増加させる、いわゆるソフトスタート機能を持たせ、急激な電源電圧の低下を検出した場合には、アーク放電が発生したものとして、ただちに電源から負荷（装置）を切断する機能を持つことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、直流電源への機器の接続の際に生じる突入電流による悪影響を軽減させ、また、直流電源切断時に発生するアーク放電を検出し、短時間のうちに停止させることができ、接続されている装置の破壊を防ぎ、安全を確保することができる。また、断線などの事故においても、それに伴い発生するアーク放電を検知し、アーク放電を短時間のうちに停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）は、直流電源に負荷を接続した構成の説明図である。（Ｂ）は、（Ａ）においてスイッチをＯＮにしたときの電流変化を説明する説明図である。（Ｃ）は、（Ａ）においてスイッチをＯＮにしたときの電源電圧の変化を説明する説明図である。（Ｄ）は、（Ａ）において、ソフトスタートの機能を持つ負荷を使用してスイッチをＯＮにしたときの電流変化を説明する説明図である。（Ｅ）は、（Ａ）において、ソフトスタートの機能を持つ負荷を使用してスイッチをＯＮにしたときの電圧変化を説明する説明図である。
【図２】（Ａ）は、負荷を切断したときの構成を説明する説明図である。（Ｂ）は、負荷を切断したときにアーク放電が発生した場合の電圧変化の説明図である。（Ｃ）は、負荷を切断したときにアーク放電が発生しない場合の電圧変化の説明図である。
【図３−１】（Ａ）は、本発明の一実施例を示す構成説明図である。（Ｂ）は、アーク放電検出装置の構成例１（コントローラーを使わない場合の構成例）である。（Ｃ）は、アーク放電検出装置の構成例２（コントローラーを使った場合の構成例）である。（Ｄ）は、電力制御装置の構成例である。
【図３−２】（Ｅ）は、（Ｄ）におけるドライバーコントローラーの構成例である。（Ｆ）は、（Ｅ）の構成によるパルス生成回路の出力波形の説明図である。（Ｇ）は、（Ｅ）に与えられる停止信号の波形の例である。（Ｈ）は、（Ｅ）の構成によるドライバーへの出力波形の説明図である。
【図３−３】（Ｉ）は、（Ｄ）でソフトスタートを行う場合のドライバーコントローラーへの出力波形の例を示す説明図である。（Ｊ）は、（Ｄ）でソフトスタートを行う場合の出力の電流値の波形を示す説明図である。
【図４】ひとつの直流電源に２つの負荷を接続した例を示す説明図である。
【図５】（Ａ）は、ソフトスタートの機能をもつ負荷を接続した場合で、アーク放電以外の電圧変化（負荷を追加した場合）によって生じる、負荷における電流変化を説明する説明図である。（Ｂ）は、ソフトスタートの機能をもつ負荷を接続した場合でアーク放電以外の電圧変化（負荷を追加した場合）による、負荷における電源電圧の変化を説明する説明図である。（Ｃ）は、ソフトスタートの機能をもつ負荷を接続した場合でアーク放電以外の電圧変化（負荷を追加した場合）による、負荷における電源電圧の微分値の変化を示す説明図である。（Ｄ）は、ソフトスタートの機能をもつ負荷を接続した場合でアーク放電以外の電圧変化（負荷を追加した場合）による、負荷における電源電圧の二回微分値の変化示す説明図である。
【図６】（Ａ）は、アーク放電による電圧変化（負荷を切断した場合）による、負荷における電流変化を説明する説明図である。（Ｂ）は、アーク放電による電圧変化（負荷を切断した場合）による、負荷における電圧の変化を説明する説明図である。（Ｃ）は、アーク放電による電圧変化（負荷を切断した場合）による、負荷における電圧の微分値の変化を示す説明図である。（Ｄ）は、アーク放電による電圧変化（負荷を切断した場合）による、負荷における電圧の二回微分値の変化示す説明図である。
【図７】実際にアーク放電が発生したときの負荷における電圧の変化を示す説明図である。
【図８】図７の測定を行ったときの回路構成を説明する説明図である。
【図９】実際にアーク放電が発生したときでスイッチをゆっくり操作したときの負荷における電圧の変化を示す説明図である。
【図１０】アーク放電検出およびアーク放電停止までの動作を示す説明図である。
【図１１】従来例における交流の電圧が０になる点を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１３】
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
【００１４】
まず、直流電源１に接続する負荷２（装置）は、すべて、以下の条件を満たすものとする。
【００１５】
（条件１）    直流電源１に接続するすべての負荷２（装置）は、直流電源１に接続したときに、急激に電流が流れることのないよう、なめらかに（徐々に）電流を増加させる（ソフトスタート）機能を持つ、すなわちソフトスタート制御装置８を有する必要がある。
【００１６】
（条件２）    急激な電源電圧の低下を検出した場合には、アーク放電が発生したものとして、ただちに電源から負荷（装置）を切断する機能、すなわち負荷２への電力供給を遮断する電力制御装置６を有する必要がある。
条件１について、図を参考にして説明する。
【００１７】
まず、図１（Ａ）のように直流電源１に、ソフトスタートの機能のない、すなわちソフトスタート制御装置８を有しない負荷２を接続するとする。
【００１８】
ここで、電流計３、電圧計４を接続し、直流電源１の部分の電圧と、負荷２に流れる電流を調べる。
【００１９】
スイッチ５を入れるか、あるいは直接、負荷２を直流電源1につなぐと、通常は、図１（Ｂ）のように、スイッチ５を入れた瞬間に急激に電流が流れるため、直流電源１の電圧は図１（Ｃ）のように、スイッチ５を入れた瞬間に、一時的に急激に低下する（なお、変化の程度に差があるが、それは直流電源１の特性による）。
【００２０】
そこで、負荷２をソフトスタートの機能を持つものに変更、すなわちし、ソフトスタート制御装置８を有するものに変更すると、図１（Ｄ）のように、徐々に電流が流れるようになる。
【００２１】
すると、直流電源１の電圧の変化は図１（Ｅ）のようになり、急激な電圧の低下を抑えることができる。
【００２２】
なお、図４のように、同じ直流電源１に複数の負荷２を接続した場合も同様である。
このことから、条件１を満たしている場合、電圧が急激に低下するのは（直流電源１自身に問題がないとすると）、直流電源１から電圧計４までのどこかが切断された場合であると考えられる。
次に、条件２について説明する。
【００２３】
負荷２側で電圧を調べるとすると、電圧が急激に低下するのは、図２(A)のように、スイッチ５がＯＦＦになった場合、あるいは、直流電源１から電圧計４までの接続のどこかが切断された場合が考えられる。
【００２４】
例えば、直流電源１に他の負荷２が接続された場合などは、条件１で説明したように、急激な電圧低下は発生しないのである。
【００２５】
ここで、電圧の急激な低下を検出した場合、ただちに負荷２を切断するのが好ましい。すなわち、アーク放電が発生した場合は、図２（Ｂ）のような電圧変化となり、アーク放電が停止するまで電流が不安定に流れ続けることになるが、負荷２を切断することで、この放電を短時間のうちに停止させることができるからである。
【００２６】
なお、図７に、実際のアーク放電が起きたときの電圧の波形をグラフで示しておく。
【００２７】
ところで、もともとの電源電圧が低い場合など、何らかの原因でアーク放電が発生しない場合も想定され、図２（Ｃ）のような電圧変化となるが、この場合はすぐに電圧が０になるので、この場合においても負荷２を切断することとしても何ら問題は生じない。
以上のようにして、条件１および条件２により、アーク放電の検出およびアーク放電の強制停止が可能となる。
【００２８】
次に、この条件を実現する為の構成、すなわち本発明の一実施例の構成を図３（Ａ）に示す。
【００２９】
電力制御装置６は、負荷２に必要な電圧を生成する装置であり、ＰＷＭチョッパー回路などで構成することが可能である。
【００３０】
アーク放電検出装置７は、電圧の急激な低下を検出した場合に、電力制御装置６に停止信号を送る。電力制御装置６が停止信号を受信すると、電力出力動作を停止し、直流電源１からの入力と負荷２とが電気的に遮断される。
【００３１】
ソフトスタート制御装置８は、電源投入時に、ソフトスタート信号を電力制御装置６に送信する。電力制御装置６は、ソフトスタート信号を受信すると、最終的に必要な電力を確保できるまで、電流をゆるやかに増加させる動作を行う。
ここで、アーク放電検出装置７の構成例を図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示す。
【００３２】
アーク放電検出には、何通りかの方法が考えられるが、主な数種類の方法について説明する。
ある閾値となる電圧を決めて、入力電圧と、その閾値とを比較する方法
この方法は、きわめて簡便であるが、電源電圧をある程度正確に規定しなければならないこと、また、負荷２が大きくて、電源電圧が低下しているような場合との判別が困難であること（ゆるやかな変化と急激な変化との区別ができない）、などの問題点がある。
電圧を微分し、その値と、あらかじめ決めた閾値とを比較する方法
電圧の微分は、電圧の変化を示す。したがって、電圧を微分し、その値とある閾値とを比較することで、電圧の変化が急激である場合を検出することが可能となる。そのため、方法１のように、電源電圧を正確に規定しなくてもよい。また、大きな負荷があって、電源電圧が低下している場合でも、電源電圧のゆっくりした変化は無視できるので、問題なく動作する。
電圧を二回微分し、その値と、あらかじめ決めた閾値とを比較する方法
これは、方法２と同様であるが、電圧を微分回路１１で二回微分することが異なっている。電圧を二回微分すると、図６（Ｃ）のようになり、電圧の変化を顕著に検出することができる。
アーク放電以外の電圧変化（負荷を追加した場合）の波形は、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）のようになる。アーク放電による波形の変化図６（Ａ）〜図６（Ｄ）との違いは明らかであり、上記１〜３の方法が有効なことがわかる。
図３（Ｂ）に示す判定回路９は、閾値との比較を行う部分で、出力回路１０は、比較結果を、電力制御装置６の必要とする信号になるように、タイミング・出力幅等を調整して出力するためのものである。
【００３３】
これらの処理を、ワンチップマイコンのようなコントローラー１２を使用して実現することも可能である。その場合の構成例を図３（Ｃ）に示す。
【００３４】
この場合は、電圧をＡＤコンバータによりデジタルの数値に変換し、電圧の変化の検出、あるいは微分処理などを、計算にて行うことになる。
ところで、電力制御装置６は、一般的な電源回路であるスイッチング回路（ＰＷＭチョッパ（回路）などで構成することも可能である。
【００３５】
当該構成例を図３（Ｄ）に示す。この場合、ドライバーおよびコントローラー１３から半導体スイッチＱへ出力されるパルス幅で、出力に供給される電力が決まる。
【００３６】
上記の停止信号を受けた場合には、この半導体スイッチＱを強制的にＯＦＦにすることで、負荷２に流れる電流を遮断することができることになる（図３（Ｅ）〜図３（Ｈ）に例を示す）。
【００３７】
また、ソフトスタートを実現する場合は、半導体スイッチＱに入れるパルス幅を、ゆっくりと広げていくことで実現することができる（図３（Ｉ）〜図３（Ｊ））。
現在、ほとんどの電化製品には、前記半導体スイッチＱのようなスイッチング回路による電源が組み込まれており、当該スイッチング回路があれば、このように、わずかな修正で本発明によるアーク放電防止システムを実装することが可能となる。
次に、実際にアーク放電が発生したときの電圧波形を図７に示してあると既に述べたが、このときの回路構成を図８に示す。
【００３８】
直流電源１を切った瞬間、負荷２側から見た電圧は急激に下がるが、アーク放電が発生した場合、完全には０にならず、電流が流れ続けていることがわかる（図７参照）。放電が完全に停止すると、電圧も０となる。
【００３９】
また、スイッチをゆっくり操作した場合の電圧波形を図９に示す。放電時間が図７の例よりも長くなっているが、同様の特性を示していることがわかる。
【００４０】
以上のようにして、アーク放電の発生を知ることが可能なのである。
なお、アーク放電が発生した場合、機械的なスイッチでこれを止めることは困難であるが、半導体スイッチＱであれば、これを止めることが可能である。したがって、従来のインバータ（回路に使用されている半導体スイッチＱを利用して負荷２を遮断することで、アーク放電を停止させることができる。
次に、図３（Ｃ）のように、ワンチップマイコンのようなコントローラー１２を使用した場合の処理方法を示す。
【００４１】
入力電圧の微分値を調べるため、電圧計４で定期的に入力電圧を測定する。測定間隔をt（秒）とし、ｎ回目（ｎは０以上の整数）の測定電圧を
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とする。
【００４２】
言い換えると、
2014220888.tif 000004
は
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秒における電圧となる。
【００４３】
「電圧が急激に減少する」という現象は、微分値が負の値（電圧が減少）であり、その微分値の大きさが一定値以上（「急激」による）、ということである。すなわち、
2014220888.tif 000006
が負になるということを意味している。ここで、次のように
2014220888.tif 000007
を定義する。
2014220888.tif 000008
2014220888.tif 000009
はＶの微分に相当する値である。
一回微分で判定する場合は、この値と、あらかじめ決めておいた閾値とを比較するとよい。
同様に、
2014220888.tif 000010
を次のように定義する。
2014220888.tif 000011
2014220888.tif 000012
は、Ｖの二回微分に相当する値である。
【００４４】
二回微分で判定する場合は、ある閾値
2014220888.tif 000013
および
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を定め、次のように処理することができる。
2014220888.tif 000015
2014220888.tif 000016
この二つの式が成立したとき、アーク放電が発生したものと判定することができるのである。
（検出用の電源確保について）
アーク放電を検出し、アーク放電を停止させるためには、アーク放電が発生している状態でアーク放電検出装置７を正常に動作させなければならない。
【００４５】
ただし、アーク放電検出装置７が動作できないほど電圧が低下した場合は、ただちに直流電源１を遮断して差し支えなく、直流電源１を遮断することで、アーク放電を防止することが可能となる。
【００４６】
システムが停止するほどでない電圧降下で、アーク放電が継続することを防止できれば十分であり、アーク放電による電力によってアーク放電防止装置７を動作させることが可能である。
【００４７】
ただし、より確実にアーク放電検出装置７を動作させるために、キャパシタ等に、アーク放電検出装置７用の電力を蓄えておくことも可能である。
（アーク放電検出の流れ）
アーク放電検出およびアーク放電停止までの動作を図１０に示す。
【００４８】
アーク放電が検出されると、アーク放電検出装置７より停止信号を送出し、電力制御装置６を停止させ、アーク放電を停止させる。なお、電力制御装置６が確実に停止するまでは、アーク放電検出のための電源は確保されなければならない（キャパシタの必要な容量は、この時間の電力で決定される）。停止させた後は、次に電源が投入されるまで、すなわち電源電圧が一定値に達するまでは、電力制御装置６は停止したままであり、電源投入後、ソフトスタート制御装置８により規定の起動動作を始めることになる。
なお、本発明であれば、複雑なコンセント、あるいは特殊な対策を施したスイッチなどを使わず、通常の電源用のコンセント、あるいはスイッチと同程度の構造で、安全に直流を使うことができる。
【００４９】
また、コンセント、あるいはスイッチ以外の部分で（たとえば断線などにより）発生したアーク放電も抑制することができる。
【００５０】
なお、インバーター回路を持たない負荷（機器）には、別途インバーター回路を追加し、該追加したインバーター回路につき、アダプターを通して利用することで、アーク放電防止が可能となる。
【００５１】
また、インバーター回路を経由することにより、電源電圧の変動により無駄に消費電力が増加することを防ぎ、入力可能な電源の電圧範囲を広くすることができる。
【００５２】
さらに、消費電流が少なく、電源電圧を急激に減少させることのない負荷２については、ソフトスタート制御装置８を必要としない場合がある。
【００５３】
また、ソフトスタートの機能は、電源装置（スイッチング電源等）自体に持たせることが可能であり、この場合は、別途、ソフトスタート制御装置８を設けること必要としない
さらに、インダクタなどは、入力部分に入れると、突入電流の急激な上昇を抑える効果があり、ソフトスタート制御装置８の代用とすることが可能である
【符号の説明】
【００５４】
１    直流電源
２    負荷
３    電流計
４    電圧計
５    スイッチ
６    電力制御装置
７    アーク放電検出装置
８    ソフトスタート制御装置
９    判定回路
１０  出力回路
１１  微分回路
１２  コントローラー
１３  ドライバー及びコントローラー
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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