(57)【要約】【課題】交流電力系の開閉装置を無アーク、かつ、低ノイズで開閉する。【解決手段】交流電源と負荷間に、双投のトグルスイッチを接続し、双投スイッチのコモン電極とａ接点間にトライアックのそれぞれＴ１、Ｔ２を接続し、そのＴ２−ゲート間にコンデンサＣと抵抗Ｒの直列回路であるサージ・アブソーバ回路を接続し、さらに双投スイッチのｂ接点をトライアックのゲートに接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と負荷との間に挿入して電流の断続を行う開閉装置であって、該開閉装置は、１個のトライアックと金属接点の双投スイッチを備え、
トライアックの端子Ｔ２−ゲート間にコンデンサＣと抵抗Ｒの直列回路を接続し、前記双投スイッチのｂ接点を前記トライアックのゲートに接続し、コモン接点を前記トライアックの端子Ｔ１に接続し、該交流電源をコモン接点に、負荷をａ接点とトライアックの端子Ｔ２を接続したことを特徴とする交流電流開閉装置。
【請求項２】
前記交流開閉装置のコンデンサＣの値は、トライアックのゲートオンの電流値をＩｔｇ、交流電源電圧のピーク値をＶｐ、電気角速度をωとすると、コンデンサの値ＣはＣ＞Ｉｔｇ／（Ｖｐ・ω）の式を満たすように選択された請求項１に記載の交流電流開閉装置。
【請求項３】
前記交流開閉装置の双投スイッチが単投のａ接点のみで、ｂ接点は連動する補助スイッチとして別にある場合、ゲート電極とＴ１電極を短絡する請求項１のｂ接点の代わりに、補助スイッチで行う請求項１に記載の交流電流開閉装置。
【請求項４】
前記交流開閉装置のゲート制御において、ゲートに負電圧を印加して電流を流すことでＴ２の電圧極性に拘わらずゲートをオンできるが、その電流は、交流電源より電流制限コンデンサＣ１と整流器を介して直流電圧をコンデンサＣｄｃに蓄積して、抵抗Ｒ１を介してｂ接点とゲートを接続し、ｂ接点オンでゲートとＴ１をＲ２を介して短絡させることでトライアックをオフすることを特徴とする交流電流開閉装置。
【請求項５】
前記交流開閉装置のゲートの直流電流をホトトライアックの一次入力電流とすることで、ゲート制御回路と電気的絶縁され、トライアックの制御をホトトライアックを介して行うが、ホトトライアックはｂ接点でオンオフされることで、通電する主接点のａ接点は無アークで開閉されることを特徴とする交流電流開閉装置。
【請求項６】
３相交流電源用の開閉装置は、主接点ａ接点が３相それぞれにあり、同時にオンオフするために、３つのホトトライアックを用いて、１つの補助ｂ接点のオン、オフで各相のａ接点とコモン接点間に接続されたトライアックをオンオフするが、ホトトライアックの入力電流を補助ｂ接点でオンオフする場合、補助ｂ接点が複数あれば、これら接点を並列にして用いることを特徴とした交流電流開閉装置。
【請求項７】
変圧器の負荷時タップ切換器に請求項３の無アーク開閉器を適用する場合、この２つの無アーク回路が同時にオンするとＤＣ成分の循環電流が発生するが、それを防止するために２つのｂ接点、ｂ１接点とｂ２接点の切り換えをｍＳ以内に行う請求項３に記載した交流電流開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は交流電流を、金属接点とトライアックとを並列に接続して、無アーク、低ノイズで開閉するハイブリッドスイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  ハイブリッドスイッチは電流の通電時は金属接点を用い、投入、遮断時の責務のみを並列に接続する半導体に分担させることにより、無アークで開閉することが可能で、アークによる接点の消耗が無くなり、またアーク遮断による電気的ノイズを低減することと、半導体スイッチも通電損失を低減でき冷却装置が小型化され、接点は長寿命となることが可能である。【０００３】  交流の場合は半導体スイッチにサイリスタやトライアックなどが適用でき、トリガパルス電流で点弧して、次の電流ゼロ点で自然に消弧するのでノイズが少なく、交流のスイッチとして多く用いられてきた。トライアックは短時間の過電流耐量が大きいので交流のハイブリッドスイッチには最適である。【０００４】  これまで、そのトライアックを用いた交流用ハイブリッドスイッチは多く提案されてきたが、それらは電磁開閉器に適用する目的で、開閉器駆動とトライアックのトリガー電源、そのタイミング制御装置が必要であり、開閉装置として部品数が多くなって、信頼性が低下する。また、多く使われている手動など機械機構で開閉接点を駆動される交流電流開閉器、所謂、トグルスイッチ、スライドスイッチ、マイクロスイッチ、リミットスイッチにハイブリッドスイッチの機能を適用しようとする試みは無かった。
【公開特許文献１】
特開平４−３５４３７４
【０００５】  先行特許文献１では、トライアックを用いた部品数の少ないハイブリッドスイッチが提案されている。ここではトリガー電流をアノード、カソードの電圧から抵抗を介してゲート電極に接続して得ており、補助接点ｂ接点（常閉接点）のオンでトライアックがオフするようにして、主接点のオンより先にトライアックがオンし、主接点のオフ時はトライアックがオンしており、無アークでトライアックに転流し、主接点がオフし、開極距離を十分得た所で補助接点ｂ接点がオンでトライアックがオフする。通常の補助接点を利用できる点が特徴である。
【特許文献２】特許第５８６４００６号
【特許文献３】特許願２０１６−１３８１４「無アーク電流開閉装置」
【０００６】  先行特許文献２では、ＭＯＳＦＥＴのゲート駆動電源を不要として、かつ、双投スイッチのａ接点からｂ接点への遷移時間のみＭＯＳＦＥＴが通電される自動的シーケンスが使えて単純な構成で、ハイブリッドスイッチが可能になるとしている。特許文献３の図１６において、これをトライアックに適用する交流ハイブリッドスイッチの応用が示されているが、特許文献１の場合、主電流遮断時、すなわちｂ接点のオン時、常時、遮断電圧によりゲートトリガ抵抗の電流が流れ続けるリーク電流の問題があるが、先行特許文献３の図１６では、抵抗をコンデンサＣと抵抗Ｒの直列回路であるサージ電圧のＣ＋Ｒのサージ・アブソーバで代用すると、スイッチのオフ時、Ｃ＋Ｒのサージ・アブソーバの接続と等価なので、特にリーク電流は増えないと言える構成を提案している。構成を単純化し、部品数の低減を提案している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  先行特許文献３のトライアックを用いた交流ハイブリッドスイッチは、電流遮断時のアークを発生させない目的であった。すなわちアークが発生する際の電圧の変化、ｄｖ／ｄｔが約１０Ｖ／マイクロ秒と大きいのでＣ，Ｒのサージ・アブソーバを介して十分なトリガー電流が得られるので、Ｃ＝０．１μＦ、Ｒ＝１００Ωを例としてあげている。これは実証試験により以下の問題が発生することがわかった。【０００８】１）電流遮断時はアーク発生電圧が急峻なのでトライアックへのゲート電流が十分であって、オンするが、しかし、その後、半サイクル以内に電流ゼロ点でトライアックはゲート電流が不足して自然オフして、次の電流サイクルは、電流が遮断されて問題である。【０００９】２）電流がトライアックで遮断された後、次の電流ゼロ点が来るタイミングが早く、例えば数ｍＳ以下の場合、主接点ａ接点の開極距離が小さく，微小な開極距離では再起電圧の発生によってａ接点の耐電圧が不足して、放電破壊して再点弧してしまう可能性がある。【００１０】３）また、ハイブリッドスイッチのオン時はトライアックから先にオンして、その後に金属ａ接点が閉極してほしい。先にｂ接点がオフするとＣ＋Ｒアブソーバに流れていた電流がトリガー電極に流れてトライアックをオンできるが、５０Ｈｚ交流の場合、１０ｍＳ以内の次の電流ゼロでオフして、次のサイクル開始に必要なゲート電流が足りずに消弧してしまう問題が起きる。金属接点ａ接点が無アークで開閉するためには、ｂ接点のオフ時はトライアックに各電流ゼロ点でトリガーが働いてオン状態である必要がある。このために特許文献３のＣのでは不十分でＣの容量を値を大きくし，常時，トリガーを働かせたい。
【発明の効果】
【００１１】  特許文献３の交流用トライアック・ハイブリッドスイッチのゲート電流を決めているサージ・アブソーバのコンデンサＣと直列抵抗Ｒの値を適切に選択することで、ｂ接点オフ時はトライアックがオン状態になるように選択されると双投トグルスイッチがａ接点からｂ接点へ遷移する間、トライアックが導通して、ａ接点にはアークを生じない。これによって、ａ接点から、ｂ接点への遷移時間が数１０ｍＳと長く、その時間が不安定な手動の切換スイッチにも適用できる交流用ハイブリッドスイッチを提供できる。
【発明の実施するための形態】
【００１２】交流電流を手動、もしくは機構駆動の金属接点で無アークの開閉を行うという目的を、最小の部品点数で実現した。
【実施例１】
【００１３】  図１は本発明の実施例１を示す構成である。手動駆動、機械駆動の金属接点の双投トグルスイッチのコモン電極を交流電源に、ａ接点を負荷に接続、トライアックがコモン電極とａ接点の間に、並列に接続されていて、コモン電極側にゲート電極に近いＴ１電極としている。また、ゲート電極はｂ接点に接続されている。また、ゲート電極とＴ２電極の間には抵抗ＲとコンデンサＣの直列回路が接続され、このコンデンサＣと抵抗Ｒの値は、トライアックのゲートオンの電流値をＩｔｇとすると交流電源電圧のピーク値をＶｐ、角速度をωとするとコンデンサの値Ｃは次の式を満たすように選択される。【００１４】  抵抗Ｒはコンデンサのリアクタンス１／（ωＣ）に比べ十分小さいとして，ここでは無視して、
抵抗負荷でトライアックが時刻ｔ＝０で電流ゼロ点にてオフした場合、電流ゼロ点は電圧のゼロ点でもあって、コンデンサＣの電流Ｉｃは、
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すなわち、Ｉｃ＝Ｃ・Ｖｐ・ω、        ａｔ  ｔ＝０
これがトリガー電流  Ｉｔｇ以上である必要から、
Ｃ・Ｖｐ・ω＞Ｉｔｇ，      Ｃ＞Ｉｔｇ／（Ｖｐ・ω）
例えば、トライアックのトリガー電流の最大値を５０ｍＡとすると、１００Ｖ、１５０Ｈｚ（ωは約３１４）とすると
Ｃ＞０．０５／（１４１・３１４）
Ｃ＞１．１２９マイクロＦ
となる。ＣとＲの直列回路のサージ・アブソーバとしての役割から、抵抗Ｒを求めるとＣ＝１マイクロＦとするとＲＣの時定数を１００マイクロ秒とするとＲは１００Ωである。ここに５０ｍＡ流れてもＲに発生する電圧は５Ｖなので無視したのは問題のないことがわかる。【００１５】  また、負荷にインダクタンス成分が大きい場合、トライアック電流が電流ゼロ点で遮断された後のトライアックへのトリガー電流が過大になる恐れがあるが、その場合、トライアックのゲート電流の耐量に応じた保護回路を付加する。保護回路の１例を図９に示す。バリスタ１は再起電圧の過電圧をバリスタの放電開始電圧で上昇を抑えることができ、バリスタ２は放電開始電圧を１０Ｖ程度に制限して、トリガー電流が過大になるとき、保護抵抗Ｒｇ、例えば１００Ωによってトライアックのゲートを保護することができる。【００１６】  図８は本発明の実施例１をマイクロスイッチに応用した実験例である。図８の（１）は実施例１の図１に加えて、さらに遮断時の過電圧を抑えるため、２００Ｖのバリスタをトライアックに並列に接続している。図８の（２）は遮断時の電流、電圧波形を示す。電流波形は、交流電流が接点に流れており、開極と同時にトライアックに電流が転流して、トライアックが全電流を流している。電流が電流ゼロ点を交差するが、トライアックはＣ＋Ｒよりのトリガー電流１５ｍＡ程度あるとトライアックは再点弧して電流は継続する。ｂ接点がオンすると、トリガー電流はバイパスされて停止するが、トライアックは電流が流れる間は、消弧しないので最初の電流ゼロ点まで電流が流れて、そこで消弧して電流は遮断される。このとき再起電圧が発生するがサージ・アブソーバとなったＣ＋Ｒがサージ電圧の抑制となって、電圧波形からわかるように緩やかな減衰するリンキング波形となっているのがわかる。
【実施例２】
【００１７】  図２は本発明の実施例２を示す図である。通電金属接点がａ接点のみでｂ接点は補助スイッチとして別にある場合、実施例１のｂ接点の代わりを、補助スイッチのｂ接点とすることで電磁開閉器などへの応用が可能である。
【実施例３】
【００１８】  図３は本発明の実施例３を示す図である。一般のトライアックはゲートにマイナスの電流を流すことでＴ１−Ｔ２電圧の極性に拘われず、トライアックをオンすることが出来る。交流電源より電流制限のためのコンデンサＣ１とダイオード整流器を介して直流電圧をコンデンサＣｄｃに発生させ、その電流でトライアックをオンさせるが、ｂ接点がゲートに接続されていて、ｂ接点がオンでゲートとＴ１を短絡させることトライアックのゲートは停止する。
【実施例４】
【００１９】  図４は本発明の実施例４を示す図である。実施例３のゲートへの直流電流をホトトライアックの入力電流とすることで、ゲート制御回路を電気的絶縁が可能である。これまでの回路は、スイッチ間のあるサージ・アブソーバがオフ時は、リーク電流となって５０ｍＡ程度、流れ続ける問題があって、これは先行特許文献１のトリガー抵抗でも指摘されている。図４はオフ時にリーク電流が負荷側に流れないように、電源からホトトライアックを駆動する直流電流を得て、ホトトライアックを駆動して、トライアックのオンオフ制御をホトトライアックを介して行うが、ホトトライアックはｂ接点でオンオフされることで、通電主接点は無アークで開閉される構成である。
【実施例５】
【００２０】  図５は本発明の実施例５を示す図である。図４のｂ接点が補助接点であっても良い。回路構成を図５に示す。補助スイッチのｂ接点とすることで電磁開閉器などへの応用が可能である。
【実施例６】
【００２１】  図６は本発明の実施例６を示す図である。３相交流用のハイブリッドスイッチは通電金属接点が３つあり、同時に導通、遮断したいので、３つのホトトライアックを用いて、１つの補助ｂ接点のオン、オフで複数のトライアックをオンオフする方法を示している。光トライアックは入力、出力の電気絶縁が数ｋＶあるので、ホトトライアック入力の電流を一括、補助ｂ接点でオンオフすることで、複数の通電金属接点に並列に接続したトライアックを用いたハイブリッドスイッチで、金属接点を無アークで開閉することができる。この実施例６では、電磁スイッチの補助ｂ接点が複数あれば、これらを並列にして用いて、ｂ接点の接触不良の確率を下げる対策である。
【実施例７】
【００２２】  図７は本発明の実施例７を説明する図である。高電圧のハイブリッドスイッチの場合、トライアックの耐電圧が不足する場合、直列接続が採用されるが、トライアックの遮断スピードにバラツキがあると電圧分担が不均一になる。そのため、遮断後の過電圧はトライアックにバリスタを並列に接続することによって保護される。近年のバリスタの保護電圧にバラツキがなく、動作が安定しているので電圧分担がバリスタによって決まる。図７は２直列の場合の例であるが、多段に構成することで高電圧化が可能である。
【実施例８】
【００２３】  図１０は本発明の実施例８を説明する図である。
変圧器の負荷時タップ切換器に本発明の無アーク開閉器を組み合わせることができる。実施例２（図２）の補助ｂ接点付を２セット使った例を示している。この２つの無アーク回路が同時にオンするとＤＣ成分の循環電流が発生するので、ｂ１接点とｂ２接点の切り換えが速やかに、行うことが肝要である。ａ１、ａ２接点とｂ１、ｂ２接点のシーケンスを図１０の下にしめす。タップＮ回路に接続されているａ１接点がオン、ｂ１接点がオフから始まり、まず、ａ１接点がオフするが、ｂ１接点がオフのままなので電流はトライアックで流れる。このときａ１接点は無アークで開極する。アーク発生に必要な１０Ｖの電圧が極間に出ないからである。次にｔ＝０時点で、ｂ１がオンし、ｂ２がオフする。トライアックはゲート電流を受け取れようになるが、ゲート電流は次の電流ゼロ点で遮断された後に発生するのでタップＮ側のトライアックがオフするまでＮ−１側のトライアックは導通しない。
ＤＣ分を発生せずに切り換えが可能な方法は２つのトライアックを同時にオンさせないことである。
タップＮ−１側のトライアックが導通した後、時間が経って主接点ａ２がオンすると、トライアックの電流は主接点に短時間で転流するので半導体の通電発熱は小さく、大型の冷却装置は不要である。ｂ１、ｂ２のオン・オフの同時切り替えを速やかに、ｍＳ以内に行うことが本実施例の重要なところである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】  手動の双投スイッチ、マイクロスイッチ、スライドスイッチなどのａ接点、ｂ接点もしくは、ａ接点と補助接点のｂ接点をもつ金属接点スイッチを、無アークで低ノイズで開閉するためにトライアックなど半導体スイッチとのハイブリッドスイッチを最小の部品数で実現可能である。【００２５】  ａ接点とコモン電極に並列に接続したトライアックのトリガーをｂ接点のオフによって導通開始し、ｂ接点のオンによって導通停止すれば、金属のａ接点を無アークで開閉でき、開閉の前後のみトライアックによって電流が導通・遮断することで金属接点の寿命が延び、トライアックの導通時間は、ａ接点からｂ接点への遷移時間であるので半導体スイッチは発熱・放熱の必要が無く、かつトライアックの性質である電流ゼロ点でのソフトな遮断で電気的ノイズを低減した遮断が可能になる。【００２６】  従来のハイブリッドスイッチは、電磁リレーなどの機械接点と半導体ゲート駆動回路とのタイミングの協調が必要であるが、それを双投スイッチのａ接点とｂ接点を用いて、トライアックのゲート駆動電力は負荷への印加電圧から発生するので、ハイブリッドスイッチの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は交流電流開閉装置の実施例１の実施方法を示した説明図である。
【図２】図２は交流電流開閉装置の実施例２の実施方法を示した説明図である。
【図３】図３は交流電流開閉装置の実施例３の実施方法を示した説明図である。
【図４】図４は交流電流開閉装置の実施例４の実施方法を示した説明図である。
【図５】図５は交流電流開閉装置の実施例５の実施方法を示した説明図である。
【図６】図６は交流電流開閉装置の実施例６の実施方法を示した説明図である。
【図７】図７は交流電流開閉装置の実施例７の実施方法を示した説明図である。
【図８】図８は実施例１の実証試験装置の外観と遮断時の電流、電圧波形を示した説明図である。
【図９】図９は交流電流開閉装置の実施例１にゲート保護回路を付加した説明図である。
【図１０】図１０は本発明の交流電流開閉装置を負荷時タップ切換器への実施例１０の実施方法を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２８】１    交流電源
２    負荷
３    双投スイッチ
４    トライアック
５    コンデンサＣと抵抗Ｒの直列回路（サージ・アブソーバ）
６    連動する補助接点
７    直流電源
８    ホトトライアック
９    ゲート過電流の保護回路
１０  タップ付変圧器
【図１】
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【図２】
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【図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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