(57)【要約】【課題】電磁開閉装置の操作回路において、コンデンサに並列接続された開極コイル、閉極コイル各々に直列に接続される放電スイッチにより放電される際に、磁気カップリングにより非励磁側のコイルに励磁側のコイルの電流方向と逆方向の誘導電流が発生し、駆動に必要な磁束をキャンセルし、駆動力の発生を妨げることを防止する。【解決手段】本発明に関わる電磁開閉装置の操作回路では、開極用と閉極用からなる一対のコイルを有し、該コイル間を可動子が駆動するように構成されたものにおいて、一方のコイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、他方のコイルの励磁時に一方のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段が、接続されている構成とした。【選択図】                  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のコイルを有し、該コイルの間を可動子が駆動するように構成された操作機構の操作回路において、一方のコイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、他方のコイルの励磁時に一方のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段が、接続されていることを特徴とする操作回路。
【請求項２】
上記手段は、前記のコイルに並列に接続され、ダイオードと誘導遮断スイッチとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の操作回路。
【請求項３】
上記手段は、前記のコイルに並列に接続され、コンデンサと抵抗とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の操作回路。
【請求項４】
コイル励磁手段にコンデンサを用いるとともに、各々のコイルに対応してコンデンサをそれぞれ一つずつ配置し、充電回路は全てのコンデンサに対して１つとしたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の操作回路。
【請求項５】
上記の誘導遮断スイッチをオンすると同時もしくは後に、放電スイッチをオンすることを特徴とする請求項１乃至請求項２、あるいは請求項４の何れかに記載の操作装置。
【請求項６】
コイルの励磁手段をオフしてから一定の時間間隔をもって前記誘導遮断スイッチをオフにすることを特徴とする請求項１乃至請求項２、請求項４乃至請求項５の何れかに記載の操作回路。
【請求項７】
コイルの無通電時は誘導遮断スイッチをオフしていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の操作回路。
【請求項８】
可動子を駆動する一方のコイルの励磁電流を通電後、所定の時間後にオフした後、可動子の動作完了前の所定の時間後に再度オンすることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の操作回路。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の操作回路を用いた電力用開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば電力用開閉装置に用いられる操作回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力用開閉装置を駆動する操作機構に用いられる操作回路においては、例えばサイリスタスイッチなどの外部から制御できるように設けられた２つの放電スイッチが、開極指令あるいは閉極指令と同期してオンされ、この開極動作、閉極動作が完了した時点でオフするように構成されていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−０３３０３４公報（第４頁、第９−１１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力用開閉装置を駆動する操作機構の操作回路は以上のように構成されているが、下記のような問題があった。
開極コイルと閉極コイルは並列にコンデンサに接続され、これら２つのコイルに各々直列に接続された放電スイッチにより放電される。この際、該開極コイルと閉極コイルは操作機構内に近接されて設置されることが一般的であり、通電時に磁気カップリングにより非励磁側のコイルに励磁側のコイルの電流方向と逆方向の誘導電流が発生し、駆動に必要な磁束をキャンセルし、駆動力の発生を妨げるという問題があった。
【０００５】
また、磁気カップリングの状態は、停止状態の可動子と上記開極コイルおよび閉極コイルとの相互位置関係により高感度で変化するため、動作が安定しないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、駆動特性を向上させると共に、性能が安定した信頼性の高い操作回路およびこれを用いた電力用開閉装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に関わる操作回路では、一対のコイルを有し、該コイルの間を可動子が駆動するように構成された操作機構の操作回路において、一方のコイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、他方のコイルの励磁時に一方のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段が、接続されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に関わる操作回路における実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明における操作回路の一例を示す回路図であり、本発明にかかる操作回路１、開極用コイル２〜４、閉極用コイル５〜７、開極動作を励起するための電流源である開極用コンデンサ８、閉極動作を励起するための電流源である閉極用コンデンサ９、コンデンサに充電するための直流電源１０及びコンデンサの充電電圧を整流するためのコンバータ１１、１２、開極用コイルの電気エネルギーを放電する放電スイッチ１３、閉極用コイルの電気エネルギーを放電する放電スイッチ１４、開極用コイルの電気エネルギーを上記放電スイッチ１３によりオフする際に発生する過電圧を保護するダイオード１５、閉極用コイルの電気エネルギーを上記放電スイッチ１４によりオフする際に発生する過電圧を保護するダイオード１６、励磁時にダイオード１５の電流路をオンする誘導遮断スイッチ１７、非励磁時にダイオード１６の電流路をオフする誘導遮断スイッチ１８、などで構成されている。また、電流源８、９には、例えばコンデンサが用いられている。また、図において、閉極用コイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、開極用コイルの励磁時に閉極用のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段として、コイルに並列に接続され、各々は互いに直列に接続されたダイオード１６と誘導遮断スイッチ１８が示されている。同様に、開極用コイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、閉極用コイルの励磁時に開極用のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段として、コイルに並列に接続され、各々は互いに直列に接続されたダイオード１５と誘導遮断スイッチ１７が示されている。
また、図２は上記の操作回路によって開極および閉極動作を行う操作機構１９の一例を示す斜視図であり、図３ａはこの斜視図の内部断面図、図３ｂは図３ａのＡＡ断面図である。
これらの図において、開極用コイル及び閉極用コイルは、連結棒２１の軸方向には、ヨークでその外側部分を囲われるとともに、ヨーク２０を介し間隔をあけて互いに略平行で、かつ、この連結棒の軸に垂直な方向には、この連結棒２１と同心軸状にその外側を環状に取り囲む形で配設されている。また、連結棒２１の外周部には可動子２２が固着して取り付けられ、この連結棒の軸方向に往復運動可能な状態となっている。さらに該可動子２２のすぐ外側に、この可動子と隙間をもたせて、上記操作機構１９が開極あるいは閉極状態の際に、この可動子２２を保持する永久磁石２３が、上記ヨークの内側部分に固着して配設されている。
そして、このように構成された操作機構１９により、上記操作回路１を用いて、上述の可動子２２を開極あるいは閉極へ駆動する。なお、図３ａおよび図３ｂは、操作機構１９を用いて、上記操作回路１により、可動子２２を開極状態へ駆動しこの状態を保持した様子を表わしている。
【０００９】
図４は、上記操作機構１９を用いて電流の遮断および投入操作を行う電力用開閉装置２４の一例を示す斜視図であり、図５は、上記操作機構１９を搭載した電力用開閉装置２４の内部断面図である。この図４、図５において、上記操作機構１９が絶縁物２５を介して真空バルブ２６に接続されている。なお、図４および図５では三相開閉装置に対して各相毎に３個の操作機構１９ａ、１９ｂ、１９ｃが各々取り付けられている様子を示しているが、三相リンク機構を配して三相に対して一個の操作機構１９が取り付けられている場合でも、電流の遮断および投入操作を行う電力用開閉装置として有効である。
【００１０】
次に、図１、図３ａおよび図３ｂを用いて開極動作について、説明する。
直流電源１０によってコンデンサ８の充電電圧は設定値まで充電される。放電スイッチ１３は、例えばサイリスタスイッチなどの外部から制御できるスイッチであり、開極指令と同期してオンされ、コンデンサ８に対して並列に接続された開極用コイル２〜４に電流が放電され、可動子２２は電磁力により閉極状態から開極状態に移動し、開極状態で永久磁石２３の磁束により開極状態に保持される。このとき、開極用コイル２〜４には放電電流を放電スイッチ１３でオフした際に式（１）に従って発生する過電圧Ｖｏから開極用コイル２〜４を保護するためにダイオード１５と環流のための誘導遮断スイッチ１７が開極用コイルに対して並列に配置されていて、誘導遮断スイッチ１７はオン状態にある。
Ｖｏ  ＝  Ｌｃｏｉｌ・ｄｉ／ｄｔ          （１）
ここで式（１）におけるＬｃｏｉｌはコイルのインダクタンスであり、ｄｉ／ｄｔは電流オフ時の電流の立ち下がり速度である。サイリスタスイッチなどの場合、瞬時に電流がゼロになるため、ｄｉ／ｄｔは極めて大きい値になり、発生するコイル端子間の電圧Ｖｃも非常に大きくなり、コイルの絶縁破壊につながる可能性があるため、誘導遮断スイッチ１７はオンされている。もう一方の閉極用コンデンサ９に直列に接続された閉極用コイル５〜７にも同様にダイオード１６と環流のための誘導遮断スイッチ１８が閉極用コイルに対して並列に配置されていて、誘導遮断スイッチ１８はオン状態にある。このとき、開極用の放電スイッチ１３がオンする前に上記誘導遮断スイッチ１８をオフすると、開極用コイル２〜４と磁気カップリングにより結合されている閉極用コイル５〜７に発生する誘導電流をカットすることができる。この誘導電流は、開極動作を励起する磁束をキャンセルするため、上記誘導電流をカットすることにより動作効率を格段に向上できる。また、コンデンサは励磁側、非励磁側に対応してそれぞれ一つずつ配置したので、開極側および閉極側に対して、各々、個別の操作が可能になる。
【００１１】
次に図１および図６を用いて、閉極動作について説明する。
直流電源１０によって閉極用コンデンサ９の充電電圧は設定値まで充電される。放電スイッチ１４は、例えばサイリスタスイッチなどの外部から制御できるスイッチであり、閉極指令と同期してオンされ、閉極用コンデンサ９に対して直列に接続された閉極用コイル５〜７に電流が放電され、可動子２２は電磁力により開極状態から閉極状態に移動し、閉極状態で永久磁石２３の磁束により閉極状態に保持される。このとき、閉極用コイル５〜７には放電電流を放電スイッチ１４でオフした際に、上記の式（１）に従って発生する過電圧Ｖｏから閉極用コイル５〜７を保護するために、ダイオード１６と環流のための誘導遮断スイッチ１８がコイルに対して並列に配置されていて、誘導遮断スイッチ１８はオン状態にある。ここで式（１）におけるＬｃｏｉｌはコイルのインダクタンスであり、ｄｉ／ｄｔは電流オフ時の電流の立ち下がり速度である。サイリスタスイッチなどの場合、瞬時に電流がゼロになるため、ｄｉ／ｄｔは極めて大きい値になり、発生するコイル端子間の電圧Ｖｃも非常に大きくなり、コイルの絶縁被膜の破壊につながる可能性があるため、誘導遮断スイッチ１８はオンされている。もう一方の開極用コンデンサ８に並列に接続された開極用コイル２〜４にも同様にダイオード１５と環流のための誘導遮断スイッチ１７が並列に配置されていて、誘導遮断スイッチ１７はオン状態にある。このとき、閉極用の放電スイッチ１４がオンする前に上記誘導遮断スイッチ１７をオフすると、閉極用コイル５〜７と磁気カップリングにより結合されている開極用コイル２〜４に発生する誘導電流をカットすることができる。この誘導電流は、閉極動作を励起する磁束をキャンセルするため、上記誘導電流をカットすることにより動作効率を格段に向上できる。その他の効果についても、開極動作の場合に説明した内容と同様である。
【００１２】
また、図１では開極用コンデンサ８及び閉極用コンデンサ９に対して直流電源１０を含む充電回路は一つにすることによりコストの低減を図ることができる。
さらに、図１では閉極用コイル５〜７を直列に接続しているため、上記閉極用コイル５〜７もしくは、上記閉極用コイルへの配線などに障害が発生した場合には、閉極用コイル５〜７のいずれにも電流は通電されなくなり、三相のうちのいずれかが閉極されないという欠相を防ぐことが可能である。また、直列に接続することにより回路のインピーダンスが大きくなり電流が絞られるため、加速が少なくなり閉極時に真空バルブ６２にかかる衝撃を低減できる。これらは、いずれも遮断器としての信頼性の向上に効果がある。ここでは閉極用コイルを直列に接続した場合を示したが開極用コイルについても同様に直列接続にすることにより上記と同様の効果を有することができる。
【００１３】
また、本実施の形態１では述べていないが、コンデンサの充電回路は、コイルの放電時に接続したままでも、スイッチにより接続を解除しておいてもどちらでもよく、本発明の効果が変わることはない。
【００１４】
実施の形態２．
実施の形態１では、閉極用コイルを直列に接続した場合を示したが、開極用コイルについても同様に直列接続にすることにより上記と同様の効果を奏することができる。
【００１５】
実施の形態３．
開極用コイル２〜４を図１に示すように並列に接続することにより、回路のトータルインピーダンスを低減でき、コンデンサ８の小容量化および高速動作が必要な開極時の動作が可能となり、電源コストの低減と開極動作の高性能化が可能となる。ここでは開極用コイルを並列に接続した場合を示したが、閉極用コイルについても、同様に並列接続することにより、上記と同様の効果を奏することができる。
【００１６】
実施の形態４．
図７に示すように開極用コイル２に並列にコンデンサ２７、抵抗２８を配置し、閉極用コイル５に、並列にコンデンサ２９、抵抗３０を配置することにより、励磁電流を放電スイッチ１３あるいは放電スイッチ１４（図示せず）によりオフする場合の立ち下がりの速い電流変化に対しては、コンデンサ２７と抵抗２８の合成インピーダンス、及びコンデンサ２９、抵抗３０の合成インピーダンスは、各々、上記開極用コイル、及び閉極用コイルのインピーダンスより小さくなる。このため、例えば、放電スイッチ１３のオフ時には、開極用コイル２、コンデンサ２７と抵抗２８を電流が環流することになり、環流回路のインピーダンスに従って電流が徐々に減衰することになる。従って、開極用コイル２の各端子間に発生する電圧は式（１）に従い抑制できることになる。一方、対向する非励磁側の閉極用コイル５の誘導電流は、励磁電流と同程度の遅い電流変化であり、この場合は、コンデンサ２９と抵抗３０のインピーダンスは上記閉極用コイルのインピーダンスより大きくなるため、環流回路には電流は流れ込まないことになり、従って誘導電流は発生しないことになる。図において、開極用コイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、閉極用コイルの励磁時に開極用のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段として、コイルに並列に接続され、各々は互いに直列に接続されたコンデンサ２７、抵抗２８が配置され、また、閉極用コイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、開極用コイルの励磁時に閉極用のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段として、コイルに並列に接続され、各々は互いに直列に接続されたコンデンサ２９、抵抗３０が配置されていることが示されている。
【００１７】
図８ａ、８ｂに回路解析で効果を実験した結果を示す。例えば、開極用コイル２に放電した場合の開極用コイル２と対向する閉極用コイル５の端子間電圧の波形を図８ａに、開極用コイル２と対向する閉極用コイル５の通電電流を図８ｂに示す。図８ａより、緊急遮断指令が入り、開極用コイル２の電流を瞬時に切った場合の開極用コイル２の端子間電圧３１が−１００Ｖ程度に抑えられ、過電圧から保護されているとともに、図８ｂより、開極用コイル２通電中の閉極用コイル５の電流３４がほとんどゼロに抑えられており、磁気カップリングによる誘導電流がカットされていることがわかる。
【００１８】
なお、上記では、開極用コイルおよび閉極用コイルが各々１個の場合について示したが、図１のように
コイルが複数個の場合でも同様の効果を奏すことはいうまでもない。
【００１９】
実施の形態５．
図１では、放電スイッチ１３、１４を開極、及び閉極の各極毎に配置しているが、放電スイッチは、例えば図９に１３ａ〜１３ｃ、及び１４ａ〜１４ｃで示すように、各相、各極個別に配置しても、上記実施の形態１〜３の効果は変わらない。また、各相、各極個別に放電スイッチを配置することにより、各相を開閉する個別制御が可能となり、位相制御遮断器への適用が可能となるメリットもある。
【００２０】
実施の形態６．
実施の形態１の開極用コイル２〜４、および閉極用コイル５〜７に、ダイオード３５〜４０を、それぞれ番号順に、直列に配置したものを図１０に示す。これにより、例えば、開極用コイル２〜４の自己インピーダンスの相違によって３相コイル内で誘導電流が環流することを防止でき、三相間の動作のばらつきを抑制することが可能となるメリットがある。
【００２１】
実施の形態７．
上記実施例１〜５ではコイルの励磁手段にコンデンサを利用したが、直流電源から直接励磁しても、同様の効果が得られる。
【００２２】
実施の形態８．
図７に示すようにコンデンサを開極、閉極で、各々まとめて一つとし、これに伴い充電回路も両者をまとめたものに対して一つとすることにより、回路の部品点数の削減が可能となり信頼性が向上する。
【００２３】
実施の形態９．
図１１に本発明の回路のコモン４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃの配置を示す。図１１のように放電回路の正極側にコモンを配置することにより、コモン回路の絶縁が不要となり、部品点数の削減につながり、信頼性およびコスト低減の効果がある。
【００２４】
実施の形態１０．
図１２に閉極動作における本開閉装置の各構成要素の時間に対する変化の様子の一例として、可動子２２の変位の変化４３、閉極用コイル５〜７の通電電流波形４４、放電スイッチ１４のタイミングチャート４５、および誘導遮断スイッチ１８のタイミングチャート４６を示す。図中、ｔ１は通電時間、ｔ２は閉極動作が完了後、放電スイッチ１４を切るまでの時間、ｔ３は放電スイッチ１４を切ってから通電電流がほぼゼロになる値（ゼロとみなせる値）になるまでの時間を表わしている。
電力用開閉装置２４に閉極指令が入ると、閉極用コイル５〜７に並列に接続された誘導遮断スイッチ１８がオンされ、それと同時もしくは後に放電スイッチ１４がオンされ、閉極用コンデンサ９から閉極用コイル５〜７に電流が放電されるが、この電流は徐々に増加するため、コイルへの過電圧発生を防止できる。閉極用コイル５〜７への電流の放電により、可動子２２は電磁力により開極状態から閉極状態に移動し、閉極状態で永久磁石２３の磁束により閉極状態に保持される。ここで、操作回路１には閉極動作を完了するために十分な時間幅を有したタイマー、遅延スイッチなど、一定の時間幅をもって電流をオフする手段を設置することにより、放電スイッチ１４がオフし閉極用コイルへの通電がオフされ、特殊な電流検知装置なしで放電スイッチ１４のオフが実行できる。上記放電スイッチ１４のオフ時には、誘導遮断スイッチ１８はオン状態にあるため、オフ電流は誘導遮断スイッチ１８およびダイオード１６側に環流し徐々に減衰することになり、閉極用コイル５〜７の端子間には過電圧が発生せず、閉極用コイル５〜７での絶縁破壊を防止できる。
次に、閉極用コイル５〜７のオフ時の電流降下中に誘導遮断スイッチ１８がオフすると、閉極コイルのオフ時の電流は瞬時にゼロになってしまうため、閉極用コイル５〜７の端子間に過電圧が発生する可能性がある。本発明にかかる操作回路では、放電スイッチ１４がオフした後、閉極用コイル５〜７の電流がほとんどゼロに近い値（ゼロとみなせる値）になるまである一定の時間幅をもって誘導遮断スイッチ１８がオフするように設定されており、これにより閉極用コイル５〜７の過電圧を防止できる。これら一定の時間幅は、製品出荷時の検査により容易に求めることができる。
誘導遮断スイッチ１８は、通電シーケンスが全て完了後もオフ状態を維持するように設定されており、次の遮断動作時に誘導遮断スイッチ１８をオフすることなく非励磁側である閉極用コイル５〜７に誘導電流が流れないようにでき、開極動作時の効率を向上できる。
【００２５】
また、停電時の手動遮断操作時には、可動子が移動することにより永久磁石２３の磁束が変化し、閉極用コイル５〜７に誘導電流が励起されることがあるが、前回閉極動作の完了後の無通電時に誘導遮断スイッチ１８はオフ状態にあるため、閉極用コイル５〜７の誘導電流は流れず、手動遮断動作が円滑かつ確実に出来るようになる。
【００２６】
実施の形態１１．
図１３に閉極動作の時の可動子２２の変位の変化４７と閉極用コイル５〜７の通電電流波形４８とを示す。一般的に、閉極動作では真空バルブ２６に大きな衝撃が加わるので、通常の遮断器では真空バルブ２６の耐久性を確保するために、可動子２２の閉極時の速度をある一定レベル以下に抑える必要がある。一方、操作機構１９では、閉極状態に近づくほど可動子に作用する電磁力が大きくなり、可動子の加速度は増大する傾向にある。そこで図１３に示すように、可動子が十分加速された後に、いったん、放電スイッチ１４をオフし通電電流をカットすることにより電磁力による加速を抑制し、かつ、閉極直前に再度放電スイッチ１４をオンし電流を再通電することにより、閉極時のバウンド現象であるチャタリングを防止することが可能となる。これにより、真空バルブ２６に加わる衝撃力を最小限に抑えることができ、遮断器の長寿命化が可能となり信頼性を向上できる。
【００２７】
本実施の形態においては主に電力用開閉装置の操作回路を例に説明したが、本発明はこれに止まらず、自動車に使用されるバルブ制御、燃料ポンプ制御、あるいはリニア振動子などの操作機構用の操作回路にも適用できる発明であることは言うまでもない。また、本実施の形態では従来例と異なる操作機構を用いて説明したが、対象となる操作機構はいずれの形状でもよく、磁気カップリングのある複数のコイルと電磁気作用によって駆動する操作機構であれば、いずれの機構にも適用できる発明であることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に関わる操作回路は、一対のコイルを有し、該コイルの間を可動子が駆動するように構成された操作機構の操作回路において、一方のコイルの励磁電流遮断時の過電圧を抑制し、かつ、他方のコイルの励磁時に一方のコイルに発生する誘導電流を遮断する手段が、接続されている構成としたので、操作機構の動作効率を格段に向上し、かつコイルを過電圧から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による操作回路図である。
【図２】この発明による電力用開閉装置の操作機構を示す斜視図である。
【図３】この発明による電力用開閉装置の操作機構の開極状態を示す内部断面図である。
【図４】この発明による電力用開閉装置の一例を示す斜視図である。
【図５】図４の内部断面図である。
【図６】この発明による電力用開閉装置の操作機構の閉極状態を示す内部断面図である。
【図７】この発明の別の実施形態による操作回路図である。
【図８】この発明の別の実施形態による操作回路の効果を示す回路のシミュレーション例である。
【図９】この発明の別の実施形態による操作回路図である。
【図１０】この発明の別の実施形態による操作回路図である。
【図１１】この発明の別の実施形態に係る操作回路図である。
【図１２】この発明による操作回路の電流、可動子の変位のパターン図である。
【図１３】この発明の別の実施形態による操作回路の電流、可動子の変位のパターン図である。
【符号の説明】
１  操作回路、２〜４  開極用コイル、５〜７  閉極用コイル、８  開極用コンデンサ、９  閉極用コンデンサ、１３、１４  放電スイッチ、１５、１６  ダイオード、１７、１８  誘電遮断スイッチ。
【図１】
2004288502.tif 000003
【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】
2004288502.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004288502.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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