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技術 無瞬断電源切換装置

出願人 株式会社関電工株式会社高田製作所株式会社アット東京
発明者 日向野明座馬知司酒井重嘉佐々木正博三宅幹彦横尾寛治
出願日 2008年8月21日 (10年11ヶ月経過) 出願番号 2008-213328
公開日 2010年3月4日 (9年4ヶ月経過) 公開番号 2010-051098
状態 特許登録済
技術分野 予備電源装置 交流の給配電
主要キーワード 外部指令信号 有接点型 時間遅れ要素 立ち下がりゼロクロス 常用側 逆並列サイリスタ 立ち上がりゼロクロス 接点間電圧
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

定常給電中有接点スイッチを介して給電を行うことで、発生する電力損失を極力少なくすると共に、電源異常発生時には高速で異常側電源を完全に切離して、その後に待機側電源からの給電を開始するようにして確実かつ1/4サイクル以内の高速で切換えることができる。

解決手段

常用側交流電源1と待機側交流電源2の切換スイッチである双投式電磁接触器6と、この双投式電磁接触器6のコモン接点負荷5の間に直列に接続されたソレノイド式電磁接触器30と、前記常用側交流電源1と負荷5の間に、前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30と並列に接続された半導体スイッチ10と、待機側交流電源2と負荷5の間に前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30と並列に接続された半導体スイッチ20で構成され、異常電圧検出回路42及び前記各部の制御を行う制御回路40が設けられる。

概要

背景

コンピュータ情報処理)と通信の融合が始まって以来、情報通信システムネットワークシステムは今や産業流通交通金融放送・通信、セキュリティなどあらゆる場において急速にとどまることなく拡大しており、一旦トラブルが発生した場合の影響も計り知れなくなっている。これらのシステムを裏で支えている電源システムも又、24時間・365日無停止であることが要求されており、商用停電に備えての無停電電源装置自家用発電設備系統切換のための電源切換装置などを効率的に組み合わせた電源システムが導入されて来ているが、最近では、構成する個々の機器故障メンテナンスに際してさえ電力供給を一切止めることなく安全に確実に対処できる高速動作(1/4サイクル以内、従って、50Hzでは5msec.以内、60Hzでは4.16msec.以内)の無瞬断電源切換装置が要求されている。

このような中、従来よく知られている電源切換装置に以下のものがある。
図10は一般に知られる交流電源切換装置の一例であるが、切換スイッチとしては電磁接触器など有接点スイッチ3及び4が用いられている。 また、図11に示される高速形の双投式電磁接触器6が使われる場合もある。この方法は回路構成が簡単な故に信頼性も高いが、電磁接触器の動作時間が20〜50msec.と長いため、停電発生など常用側電源の異常時にそれを検知して自動的に健全待機側電源へ切り換えた場合、負荷側の電力供給に20〜50msec.以上の瞬断時間を生じてしまい、情報通信機器をはじめFA機器など許容瞬断時間5〜10msec.以下の多くの負荷機器が停止したり、誤動作を生じるという不都合がある。

図12も同様に一般に知られる交流電源切換装置の別の一例であるが、切換スイッチ7及び8を半導体素子(例えばサイリスタ)で構成しているためスイッチとしてのオンオフ動作時間が速く、常用側電源の異常検出停電検出)の方法によっては、給電切換時間5msec.以下も可能である。また、一方の半導体スイッチのOFFの後に他方の半導体スイッチをONするので、2系統の電源間横流も回避できる。しかしながら、この方法は切換スイッチが半導体であるが故に、通電電流による電圧降下が存在しワットロスを生じるため、半導体素子の冷却が装置寸法やコスト上の問題となるばかりでなく、運転コストにも影響する。 この問題は、数十アンペアまでの小容量切換器ではさほど問題ではないが、容量が大きくなるほど大きなデメリットとなる。

これに対し、前記の有接点スイッチを用いた切換装置と半導体スイッチを用いた切換装置の各々の特長を生かすべく、有接点スイッチと半導体スイッチの両方を組合せたハイブリッド方式の切換装置が提案されている。

特許文献1のものはその一例であり、図13に示す。有接点スイッチである双投式電磁接触器6の主接点が常用側交流電源1側に接続されていて、負荷5に常用側交流電源1から給電されている状態では、双投式電磁接触器6の常用側交流電源1側の主接点及び待機側交流電源2の主接点と各々並列に接続されている半導体スイッチ10及び20は共にオフの状態にある。

常用側交流電源1から負荷に給電されているこの状態において、負荷への給電を待機側交流電源2からの給電に切り換えたい(計画切換の)場合、外部から切換指令信号が入力されると、まず双投式電磁接触器6の駆動コイル励磁されて常用側交流電源1側に接続されていた主接点は開極動作を開始する。同時に常用側交流電源1側の半導体スイッチ10をオンさせる。双投式電磁接触器6の固有の動作時間後には主接点は常用側交流電源1から切り離されて、さらに一定時間(約10msec.)の後に待機側交流電源2側に接続される。

この双投式電磁接触器6の主接点が常用側交流電源1側にも待機側交流電源2側にも接続されていない時間帯中間付近で、常用側交流電源1側の半導体スイッチ10をオフさせて、きわめて短い時間(例えば3μsec.)後に待機側交流電源2側の半導体スイッチ20をオンさせる。その後、双投式電磁接触器6の主接点が待機側交流電源2側に接続され、さらに所定の時間(双投式電磁接触器6の主接点接続時のチャタリング継続時間より十分長い時間)の後に待機側交流電源2側の半導体スイッチ20をオフさせる。

しかしながら、この方式は、切換器の入力交流電源として接続されるUPS等のメンテナンスの際における計画切換の場合には、瞬断時間が数μsec.のほぼ完全な同期無瞬断切換が行われるが、常用側の交流電源の停電など電源異常時の自動切換においては、半導体スイッチを動作させず動作時間が長い双投式電磁接触器のみの切換になるため切換時間が約20msec.と長くなり得る。

また、常用側交流電源1及び待機側交流電源2共に健全な状態で、かつ両方の電源の位相が一致している条件での手動による計画切換の場合(手動同期無瞬断切換の場合)は、外部から切換指令信号が入力されると、両方の交流電源の電圧位相が双投式電磁接触器6の動作時間後には一致すると計算されるタイミングで、まず、双投式電磁接触器6の駆動コイルが励磁されて常用側交流電源1側に接続されていた主接点が開極動作を開始すると同時に常用側交流電源1側の半導体スイッチ10をオンさせる。次に双投式電磁接触器6の主接点が常用側交流電源1側から離れて、待機側交流電源2側に接触するまでの短い期間に常用側交流電源1側の半導体スイッチ10のオフと、その数μsec.後の待機側交流電源2側の半導体スイッチ20のオンが行われて常用側交流電源1から待機側交流電源2への同期無瞬断切換が行われるが、両方の電源の周波数差や双投式電磁接触器6の動作時間等、指定できない要素のために切換位相がランダムとなり、負荷電流ピークでの切換もあって、サージ発生や負荷側への悪影響の恐れがある。

また、特許文献2のものはハイブリッド方式の他の例であり、図14に示す。有接点スイッチである電磁接触器3の接点がオンの状態、電磁接触器4の接点がオフの状態、負荷5に接続されている半導体スイッチ(例えばサイリスタの逆並列接続構成)9がオフの状態、さらに上記半導体スイッチ9の他の一端が双投式電磁接触器15の主接点を介して交流電源2に接続されている状態、即ち負荷5には交流電源1から電磁接触器接点3を通して給電されている状態を示している。常用側の交流電源1に電圧低下などの電源異常が発生すると、電磁接触器3の接点をオフすべく動作させ、接点が開極方向に動いて2系統電源間の絶縁性能が十分に確保できるまでの時間後に、電磁接触器3の接点に流れる電流又は電圧の極性を検出して、半導体スイッチ9を構成する逆並列サイリスタの内、両電源間に横流が流れない方向の一方のサイリスタを点弧する。その後、電磁接触器3の接点に流れる電流がゼロになるのを待ち、さらに所定の確認時間の後に半導体スイッチ9を構成する逆並列接続サイリスタ両方共を点弧する。さらに、両サイリスタの点弧後所定時間を経て電磁接触器4の接点をオンさせる。

しかしながら図14のこの方式によれば、交流電源1と交流電源2の電圧位相が異なり、半導体スイッチ9を構成する逆並列接続のサイリスタの内の、交流電源1と交流電源2の間に横流が流れない方向の一方のサイリスタを点弧しても、このサイリスタは順方向に電圧が印加されていないのでオンすることができず、結局は電磁接触器3の接点が開極して且つアーク電流が流れなくなって確認時間後に初めて半導体スイッチを構成する逆並列に接続されたサイリスタの両方共が点弧されて交流電源2からの給電が開始されることになり、切換時間としては交流電源1の異常検出時間と電磁接触器3の接点開局時間とその接点のアーク電流継続時間と確認時間の合計となって10msec.より長くなる。

特許第3420281号公報
特許第3676638号公報
特開2008−48474号公報

概要

定常給電中は有接点スイッチを介して給電を行うことで、発生する電力損失を極力少なくすると共に、電源の異常発生時には高速で異常側電源を完全に切離して、その後に待機側電源からの給電を開始するようにして確実かつ1/4サイクル以内の高速で切換えることができる。常用側交流電源1と待機側交流電源2の切換スイッチである双投式電磁接触器6と、この双投式電磁接触器6のコモン接点と負荷5の間に直列に接続されたソレノイド式電磁接触器30と、前記常用側交流電源1と負荷5の間に、前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30と並列に接続された半導体スイッチ10と、待機側交流電源2と負荷5の間に前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30と並列に接続された半導体スイッチ20で構成され、異常電圧検出回路42及び前記各部の制御を行う制御回路40が設けられる。

目的

本発明は、前記の課題を解決すべくなされたものであり、定常給電中は有接点スイッチを介して給電を行うことで、発生する電力損失を極力少なくすると共に、電源の異常発生時には高速で異常側電源を切り離して、その後に待機側電源からの給電を開始するようにして切換を確実且つ高速に行うことができる無瞬断電源切換装置を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

系統交流電源から選択的に負荷電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換装置において、常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型双投式電磁接触器と、この双投式電磁接触器のコモン接点と負荷の間に直列に接続された常閉型ソレノイド式電磁接触器とを設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器とソレノイド式電磁接触器との間の線路異常電圧検出回路を設け、前記双投式電磁接触器、ソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点オン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が前記双投式電磁接触器の励磁から主接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記ソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、さらに、前記第1の半導体スイッチをオンさせ、前記ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極が完了した後に前記第1の半導体スイッチをオフさせ、直後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源から切り離された後に、前記ソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わったことを確認の後、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成としたことを特徴とする、無瞬断電源切換装置。

請求項2

前記ソレノイド式電磁接触器は、常時はバネの力で主接点をオンにし、ソレノイドの励磁によりアクチュエータが前記バネの力に抗して引っ張られて主接点がオフする構成とし、前記ソレノイドの励磁は電解コンデンサ充電された電荷の短時間一斉放電による直流励磁方式としたことを特徴とする、請求項1に記載の無瞬断電源切換装置。

請求項3

前記第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチはそれぞれ自己消弧式特性を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の無瞬断電源切換装置。

請求項4

2系統の交流電源から選択的に負荷に電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換装置において、常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器と、この双投式電磁接触器のコモン接点と負荷の間に直列に接続された常閉型のソレノイド式電磁接触器とを設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器とソレノイド式電磁接触器との間の線路に異常電圧検出回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器に並列に自己消弧式特性を有する第3の半導体スイッチを接続して設け、前記双投式電磁接触器、ソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ、第2の半導体スイッチ及び第3の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が前記双投式電磁接触器の励磁から主接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記ソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、同じく同時に前記第3の半導体スイッチをオンさせ、さらに、前記ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極が完了後に前記第3の半導体スイッチをオフさせ、直後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源から切り離された後に、前記ソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わったことを確認の後、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成としたことを特徴とする、無瞬断電源切換装置。

請求項5

2系統の交流電源から選択的に負荷に電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換装置において、常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器のコモン接点と負荷とを接続して設け、前記常用側交流電源と双投式電磁接触器との間に直列に接続した第1の常閉型のソレノイド式電磁接触器を設け、また、前記待機側交流電源と双投式電磁接触器との間に直列に接続した第2の常閉型のソレノイド式電磁接触器を設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記第1のソレノイド式電磁接触器及び双投式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記第2のソレノイド式電磁接触器及び双投式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器と負荷との間の線路に異常電圧検出回路を設け、前記双投式電磁接触器、第1のソレノイド式電磁接触器、第2のソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記第1及び第2のソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が前記双投式電磁接触器の励磁から主接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記第1のソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、さらに、前記第1の半導体スイッチをオンさせ、前記第1のソレノイド式電磁接触器の主接点の開極が完了した後に前記第1の半導体スイッチをオフさせ、直後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源から切り離された後に、前記第1のソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わったことを確認の後、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成としたことを特徴とする、無瞬断電源切換装置。

請求項6

前記制御回路は、外部切換信号を受けた後、双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器の励磁開始及び第1の半導体スイッチへのオン動作開始を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間電圧波形立ち上がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行い、また、第1の半導体スイッチのオフ動作を、ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極直後の常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する線間の電圧波形の立ち下がりゼロクロス点の同期、又は負荷電流ゼロクロス点を検知してこれと同時に行う構成としたことを特徴とする、請求項1、2、3及び5のいずれかに記載の無瞬断電源切換装置。

請求項7

前記制御回路は、外部切換信号を受けた後、双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器の励磁開始及び第3の半導体スイッチへのオン動作開始を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間の電圧波形の立ち上がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行い、また、第3の半導体スイッチのオフ動作を、ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極直後の常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する線間の電圧波形の立ち下がりゼロクロス点の同期、又は負荷電流のゼロクロス点を検知してこれと同時に行う構成としたことを特徴とする、請求項4に記載の無瞬断電源切換装置。

技術分野

0001

本発明は、2系統交流電源から負荷電力を供給する際に、その内の任意の一方の交流電源を選択して負荷に電力を供給するようにした電源切換装置に関するもので、特に常用側電源の停電などの異常時における待機側電源による給電への自動切換、及び、2系統電源が共に正常なときに給電系統を切換る手動切換のいずれの場合も、きわめて安全且つ高速に切換ることができるようにした無瞬断電源切換装置に関するものである。

背景技術

0002

コンピュータ情報処理)と通信の融合が始まって以来、情報通信システムネットワークシステムは今や産業流通交通金融放送・通信、セキュリティなどあらゆる場において急速にとどまることなく拡大しており、一旦トラブルが発生した場合の影響も計り知れなくなっている。これらのシステムを裏で支えている電源システムも又、24時間・365日無停止であることが要求されており、商用停電に備えての無停電電源装置自家用発電設備、系統切換のための電源切換装置などを効率的に組み合わせた電源システムが導入されて来ているが、最近では、構成する個々の機器故障メンテナンスに際してさえ電力供給を一切止めることなく安全に確実に対処できる高速動作(1/4サイクル以内、従って、50Hzでは5msec.以内、60Hzでは4.16msec.以内)の無瞬断電源切換装置が要求されている。

0003

このような中、従来よく知られている電源切換装置に以下のものがある。
図10は一般に知られる交流電源切換装置の一例であるが、切換スイッチとしては電磁接触器など有接点スイッチ3及び4が用いられている。 また、図11に示される高速形の双投式電磁接触器6が使われる場合もある。この方法は回路構成が簡単な故に信頼性も高いが、電磁接触器の動作時間が20〜50msec.と長いため、停電発生など常用側電源の異常時にそれを検知して自動的に健全な待機側電源へ切り換えた場合、負荷側の電力供給に20〜50msec.以上の瞬断時間を生じてしまい、情報通信機器をはじめFA機器など許容瞬断時間5〜10msec.以下の多くの負荷機器が停止したり、誤動作を生じるという不都合がある。

0004

図12も同様に一般に知られる交流電源切換装置の別の一例であるが、切換スイッチ7及び8を半導体素子(例えばサイリスタ)で構成しているためスイッチとしてのオンオフ動作時間が速く、常用側電源の異常検出停電検出)の方法によっては、給電切換時間5msec.以下も可能である。また、一方の半導体スイッチのOFFの後に他方の半導体スイッチをONするので、2系統の電源間横流も回避できる。しかしながら、この方法は切換スイッチが半導体であるが故に、通電電流による電圧降下が存在しワットロスを生じるため、半導体素子の冷却が装置寸法やコスト上の問題となるばかりでなく、運転コストにも影響する。 この問題は、数十アンペアまでの小容量切換器ではさほど問題ではないが、容量が大きくなるほど大きなデメリットとなる。

0005

これに対し、前記の有接点スイッチを用いた切換装置と半導体スイッチを用いた切換装置の各々の特長を生かすべく、有接点スイッチと半導体スイッチの両方を組合せたハイブリッド方式の切換装置が提案されている。

0006

特許文献1のものはその一例であり、図13に示す。有接点スイッチである双投式電磁接触器6の主接点が常用側交流電源1側に接続されていて、負荷5に常用側交流電源1から給電されている状態では、双投式電磁接触器6の常用側交流電源1側の主接点及び待機側交流電源2の主接点と各々並列に接続されている半導体スイッチ10及び20は共にオフの状態にある。

0007

常用側交流電源1から負荷に給電されているこの状態において、負荷への給電を待機側交流電源2からの給電に切り換えたい(計画切換の)場合、外部から切換指令信号が入力されると、まず双投式電磁接触器6の駆動コイル励磁されて常用側交流電源1側に接続されていた主接点は開極動作を開始する。同時に常用側交流電源1側の半導体スイッチ10をオンさせる。双投式電磁接触器6の固有の動作時間後には主接点は常用側交流電源1から切り離されて、さらに一定時間(約10msec.)の後に待機側交流電源2側に接続される。

0008

この双投式電磁接触器6の主接点が常用側交流電源1側にも待機側交流電源2側にも接続されていない時間帯中間付近で、常用側交流電源1側の半導体スイッチ10をオフさせて、きわめて短い時間(例えば3μsec.)後に待機側交流電源2側の半導体スイッチ20をオンさせる。その後、双投式電磁接触器6の主接点が待機側交流電源2側に接続され、さらに所定の時間(双投式電磁接触器6の主接点接続時のチャタリング継続時間より十分長い時間)の後に待機側交流電源2側の半導体スイッチ20をオフさせる。

0009

しかしながら、この方式は、切換器の入力交流電源として接続されるUPS等のメンテナンスの際における計画切換の場合には、瞬断時間が数μsec.のほぼ完全な同期無瞬断切換が行われるが、常用側の交流電源の停電など電源異常時の自動切換においては、半導体スイッチを動作させず動作時間が長い双投式電磁接触器のみの切換になるため切換時間が約20msec.と長くなり得る。

0010

また、常用側交流電源1及び待機側交流電源2共に健全な状態で、かつ両方の電源の位相が一致している条件での手動による計画切換の場合(手動同期無瞬断切換の場合)は、外部から切換指令信号が入力されると、両方の交流電源の電圧位相が双投式電磁接触器6の動作時間後には一致すると計算されるタイミングで、まず、双投式電磁接触器6の駆動コイルが励磁されて常用側交流電源1側に接続されていた主接点が開極動作を開始すると同時に常用側交流電源1側の半導体スイッチ10をオンさせる。次に双投式電磁接触器6の主接点が常用側交流電源1側から離れて、待機側交流電源2側に接触するまでの短い期間に常用側交流電源1側の半導体スイッチ10のオフと、その数μsec.後の待機側交流電源2側の半導体スイッチ20のオンが行われて常用側交流電源1から待機側交流電源2への同期無瞬断切換が行われるが、両方の電源の周波数差や双投式電磁接触器6の動作時間等、指定できない要素のために切換位相がランダムとなり、負荷電流ピークでの切換もあって、サージ発生や負荷側への悪影響の恐れがある。

0011

また、特許文献2のものはハイブリッド方式の他の例であり、図14に示す。有接点スイッチである電磁接触器3の接点がオンの状態、電磁接触器4の接点がオフの状態、負荷5に接続されている半導体スイッチ(例えばサイリスタの逆並列接続構成)9がオフの状態、さらに上記半導体スイッチ9の他の一端が双投式電磁接触器15の主接点を介して交流電源2に接続されている状態、即ち負荷5には交流電源1から電磁接触器接点3を通して給電されている状態を示している。常用側の交流電源1に電圧低下などの電源異常が発生すると、電磁接触器3の接点をオフすべく動作させ、接点が開極方向に動いて2系統電源間の絶縁性能が十分に確保できるまでの時間後に、電磁接触器3の接点に流れる電流又は電圧の極性を検出して、半導体スイッチ9を構成する逆並列サイリスタの内、両電源間に横流が流れない方向の一方のサイリスタを点弧する。その後、電磁接触器3の接点に流れる電流がゼロになるのを待ち、さらに所定の確認時間の後に半導体スイッチ9を構成する逆並列接続サイリスタ両方共を点弧する。さらに、両サイリスタの点弧後所定時間を経て電磁接触器4の接点をオンさせる。

0012

しかしながら図14のこの方式によれば、交流電源1と交流電源2の電圧位相が異なり、半導体スイッチ9を構成する逆並列接続のサイリスタの内の、交流電源1と交流電源2の間に横流が流れない方向の一方のサイリスタを点弧しても、このサイリスタは順方向に電圧が印加されていないのでオンすることができず、結局は電磁接触器3の接点が開極して且つアーク電流が流れなくなって確認時間後に初めて半導体スイッチを構成する逆並列に接続されたサイリスタの両方共が点弧されて交流電源2からの給電が開始されることになり、切換時間としては交流電源1の異常検出時間と電磁接触器3の接点開局時間とその接点のアーク電流継続時間と確認時間の合計となって10msec.より長くなる。

0013

特許第3420281号公報
特許第3676638号公報
特開2008−48474号公報

発明が解決しようとする課題

0014

以上の従来技術を見て来たが、給電側交流電源異常の際に高速(1/4サイクル以内)で待機側交流電源に切換え定常運用中の電力損失を極力抑制し、交流電源としては商用系統自家発電機、UPSと種類を選ばず使用可能で、しかも、いかなる交流電源の異常モードでも両電源間に横流が流れないという高速電源切換装置の条件に合致する方式はいまだ存在していない。
上記のような高速電源切換装置が具備すべき条件を挙げると、以下のようになる。
1. 定常的な給電スイッチは有接点スイッチ(低電力損失)
2. 2系統の給電スイッチの同時オンは絶対にないこと。(横流防止)
3. したがって、有接点スイッチのオフ動作時間がきわめて短いこと。(高速切換)
4. 交流電源異常の検出時間が短いこと(高速切換)

0015

本発明は、前記の課題を解決すべくなされたものであり、定常給電中は有接点スイッチを介して給電を行うことで、発生する電力損失を極力少なくすると共に、電源の異常発生時には高速で異常側電源を切り離して、その後に待機側電源からの給電を開始するようにして切換を確実且つ高速に行うことができる無瞬断電源切換装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

0016

請求項1の発明は、2系統の交流電源から選択的に負荷に電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換装置において、
常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器と、この双投式電磁接触器のコモン接点と負荷の間に直列に接続された常閉型ソレノイド式電磁接触器とを設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器とソレノイド式電磁接触器との間の線路異常電圧検出回路を設け、前記双投式電磁接触器、ソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が約3msec.であり、前記双投式電磁接触器の励磁から常用側交流電源の接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記ソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、さらに、前記第1の半導体スイッチをオンさせ、前記ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極が約3msec.で完了した後に前記第1の半導体スイッチをオフさせ、数μsec.後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源から切り離された後に、前記ソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わったことを確認の後、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成とした、無瞬断電源切換装置とした。また、この装置は待機側交流電源から常用側交流電源への切換も前記と同様に作用する構成であることは勿論である。なお、本書において、前記外部切換信号とは常用側交流電源及び待機側交流電源の両方が健全な場の外部切換信号を意味する。

0017

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記ソレノイド式電磁接触器は、常時はバネの力で主接点をオンにし、ソレノイドの励磁によりアクチュエータが前記バネの力に抗して引っ張られて主接点がオフする構成とし、前記ソレノイドの励磁は電解コンデンサ充電された電荷の短時間一斉放電による直流励磁方式である無瞬断電源切換装置とした。

0018

請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、前記第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチはそれぞれ自己消弧式特性を有する無瞬断電源切換装置とした。

0019

請求項4の発明は、2系統の交流電源から選択的に負荷に電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換装置において、
常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器と、この双投式電磁接触器のコモン接点と負荷の間に直列に接続された常閉型のソレノイド式電磁接触器とを設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器とソレノイド式電磁接触器との間の線路に異常電圧検出回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器に並列に自己消弧式特性を有する第3の半導体スイッチを接続して設け、前記双投式電磁接触器、ソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ、第2の半導体スイッチ及び第3の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が約3msec.であり、前記双投式電磁接触器の励磁から常用側交流電源の接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記ソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、同じく同時に前記第3の半導体スイッチをオンさせ、約3msec.後の前記ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極完了後に前記第3の半導体スイッチをオフさせ、数μsec.後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源から切り離された後に、前記ソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わったことを確認の後、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成とした、無瞬断電源切換装置とした。また、この装置は待機側交流電源から常用側交流電源への切換も前記と同様に作用する構成であることは勿論である。

0020

請求項5の発明は、2系統の交流電源から選択的に負荷に電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換装置において、常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器のコモン接点と負荷とを接続して設け、前記常用側交流電源と双投式電磁接触器との間に直列に接続した第1の常閉型のソレノイド式電磁接触器を設け、また、前記待機側交流電源と双投式電磁接触器との間に直列に接続した第2の常閉型のソレノイド式電磁接触器を設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記第1のソレノイド式電磁接触器及び双投式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記第2のソレノイド式電磁接触器及び双投式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器と負荷との間の線路に異常電圧検出回路を設け、前記双投式電磁接触器、第1のソレノイド式電磁接触器、第2のソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記第1及び第2のソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が約3msec.であり、前記双投式電磁接触器の励磁から常用側交流電源の接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記第1のソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、さらに、前記第1の半導体スイッチをオンさせ、約3msec.後に前記第1のソレノイド式電磁接触器の主接点の開極が完了した後に前記第1の半導体スイッチをオフさせ、数μsec.後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源から切り離された後に、前記第1のソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わったことを確認の後、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成とした無瞬断電源切換装置とした。また、この装置は待機側交流電源から常用側交流電源への切換も前記と同様に作用する構成であることは勿論である。

0021

また、請求項6の発明は、請求項1、2、3及び5のいずれかの発明において、前記制御回路は、常用側交流電源及び待機側交流電源の両方が健全な場合の外部切換信号による切換において、外部切換信号を受けた後、双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器の励磁開始及び第1の半導体スイッチへのオン動作開始を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形立ち上がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行い、また、第1の半導体スイッチのオフ動作を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形の立ち下がりゼロクロス点の同期、又は負荷電流のゼロクロス点を検知してこれと同時に行う構成とした、無瞬断電源切換装置とした。

0022

また、請求項7の発明は、請求項4の発明において、前記制御回路は、常用側交流電源及び待機側交流電源の両方が健全な場合の外部切換信号による切換において、外部切換信号を受けた後、双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器の励磁開始及び第3の半導体スイッチへのオン動作開始を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形の立ち上がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行い、また、第3の半導体スイッチのオフ動作を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形の立ち下がりゼロクロス点の同期、又は負荷電流のゼロクロス点を検知してこれと同時に行う構成とした、無瞬断電源切換装置とした。

発明の効果

0023

請求項1の発明においては、次の顕著な効果を得ることができる。
外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの切換指令信号により、ソレノイド式電磁接触器を励磁すると、約3msec.後に開極する。この主接点開極後、同じく前記切換指令信号によりオンさせていた第1の半導体スイッチをオフさせ、数μsec.後に第2の半導体スイッチをオンさせて待機側交流電源による給電を開始するので、前記切換指令信号から切換までが3msec.強という高速切換が実現できる。この切換動作では、第1の半導体スイッチがオフするまでは常用側交流電源給電が続き、数μsec.後の第2の半導体スイッチのオン以降は待機側交流電源給電に移るので、2系統の電源が健全な状態での手動による計画切換の場合は、断時間数μsec.の切換ができ、2系統の電源の位相同期を切換条件に加えることで、ほぼ完全な同期無瞬断切換が実現できる。また、常用側電源に停電や電圧低下が発生した自動切換の場合には、異常電圧検出回路による検出時間、1msec.を加えても4msec.強という高速切換が実現できる。さらに、切換時間をゼロ期間と定義づけるとすれば、例えば50%電圧低下での自働切換の切換時間は数μsec.と言うこともできる。従って、商用周波数50Hzでも60Hzでも1/4サイクル以内に電源切換ができ、無瞬断電源切換が可能である。

0024

また、切換の際は、常用側交流電源から負荷への回路をソレノイド式電磁接触器の主接点と第1の半導体スイッチで確実に遮断した後に、待機側交流電源からの給電経路をオンにしているので、2系統の交流電源間の横流が流れることはない。また、短期間の切換期間以外の定常時は、双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器の有接点による給電であるため、通電損失は小さい。
なお、請求項4及び5の発明についても切換時の動作はほぼ同じなので、同様の効果が得られる。

0025

請求項2の発明では、請求項1の効果に加え、ソレノイド式電磁接触器は、常時はバネの力で主接点をオンにし、ソレノイドの励磁によりアクチュエータが前記バネの力に抗して引っ張られて主接点がオフする構成とし、これにより常時は電力が不要で経済的である。
また、交流電源でソレノイドを励磁する方式は、励磁投入時の交流電源の位相が特定できないため、励磁電圧がばらついて、初期吸引力、ひいては動作時間にばらつきを生じるので、高速開極が必要な用途には適さない。一方、本発明の電解コンデンサに充電された電荷の一斉放電方式によれば、前記交流電源励磁方式の場合のような動作時間のばらつきを解消でき、常に安定した高速動作が得られる。本発明の構造及び励磁方法により、3msec.以内の高速開極時間が得られた。

0026

また、高速動作のためには、10〜20msec.の短時間ながら百アンペア程度の励磁電流を流す必要があり、交流電源直接励磁の場合は、切換器としての定格電流に加えて、この励磁電流分を上乗せする必要があるが、本発明の電解コンデンサ放電方式によれば、電解コンデンサの充電に必要なごく小さい電流が一定の時間必要なだけなので、交流電源の容量上乗せも不要となる。

0027

また、請求項1、4及び5の回路構成での常用側交流電源給電から待機側交流電源給電への切換動作において、常用側交流電源の給電経路をできるだけ早く遮断するためには、常閉主接点を持つソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点を開極させるが、負荷電流が流れている場合は、主接点の開極だけでなくアーク電流の遮断も必要である。そこで、本発明では、ソレノイド式電磁接触器の励磁と同時に、常用側交流電源と負荷を接続する第1の半導体スイッチをオンさせておいて、ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極時のアーク電流を転流させることにより、前記主接点はアーク電流遮断を考慮する必要がなくなるため、オフ時の接点間距離印加電圧絶縁を確保できる範囲で最短にすることができ、よりシンプルな構造とすることができるので、より高速動作が実現できる。一方、常用側交流電源の給電経路をできるだけ早く遮断するという命題のためには、ソレノイド式電磁接触器の主接点がオフした後に、オン状態にある前記の第1の半導体スイッチをいち早くオフさせる必要がある。請求項3の発明の如く、第1の半導体スイッチを自己消弧式半導体とすることで簡単にその要件を満たすことができる。なお、第1の半導体スイッチのみならず第2の半導体スイッチも自己消弧特性を有することで、2系統の交流電源のいずれもが常用側交流電源及び待機側交流電源になり得、双方向の切換が可能となる。

0028

また、請求項4の発明は、請求項1の効果に加え、第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチを、自己消弧形の半導体にする必要がなく、自己消弧形半導体より過電流に強いサイリスタを使用することができ、第3の半導体スイッチのみ自己消弧形の半導体を使えばよく、コストが低減する。

0029

また、請求項6及び7の各発明は、前記の請求項の効果に加え、常用側交流電源及び待機側交流電源の両方が健全な場合の計画切換において、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形のゼロクロス同期点で第1の半導体スイッチ等の切換が行われるため、切換時における配線や負荷のインダクタンスによる電圧サージを最小に抑えることができる。また、特に、この切換のタイミングを負荷電流のゼロクロス点とすると、より高い効果を得られる。また、前記効果は単相電源の場合は特に顕著で、3相電源切換の場合でも1相はゼロクロス点で、他の2相は±120度点での切換となり、ピーク点での切換は避けられる。

発明を実施するための最良の形態

0030

本発明は、2系統の交流電源から選択的に負荷に電力を供給する際に、電力の供給を一方の電源から他方の電源に切換える電源切換え装置において、
常用側交流電源と待機側交流電源の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器と、この双投式電磁接触器のコモン接点と負荷の間に直列に接続された常閉型のソレノイド式電磁接触器とを設け、前記常用側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第1の半導体スイッチを設け、また、前記待機側交流電源と負荷との間に、前記双投式電磁接触器及びソレノイド式電磁接触器と並列に接続された第2の半導体スイッチを設け、前記双投式電磁接触器とソレノイド式電磁接触器との間の線路に異常電圧検出回路を設け、前記双投式電磁接触器、ソレノイド式電磁接触器、第1の半導体スイッチ及び第2の半導体スイッチの制御を行う制御回路を設け、前記ソレノイド式電磁接触器は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が約3msec.であり、前記双投式電磁接触器の励磁から常用側交流電源主接点開極までの時間より短いものとした。

0031

また、前記制御回路は、常用側交流電源及び待機側交流電源の両方が健全な場合の計画切換において、外部切換信号からの信号を受けて、前記双投式電磁接触器を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記ソレノイド式電磁接触器を励磁して主接点の開極動作を開始させ、さらに、前記第1の半導体スイッチをオンさせる動作開始を、常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間の電圧波形の立ち上がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行い、前記ソレノイド式電磁接触器の主接点の開極が完了し、前記双投式電磁接触器が常用側交流電源の接点から離れた後、前記第1の半導体スイッチをオフさせるが、この動作を常用側交流電源及び待機側交流電源の各々の対応する所定の線間の電圧波形の立ち下がりゼロクロス点の同期、又は負荷電流のゼロクロス点を検知してこれと同時に行い、その数μsec.後に前記第2の半導体スイッチをオンさせて前記待機側交流電源からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器が待機側交流電源に切換わった後、前記ソレノイド式電磁接触器の励磁を解いて主接点をオン状態に復帰させて、前記第2の半導体スイッチをオフさせる構成とした。また、前記異常電圧検出回路からの信号を受けた場合は、ゼロクロスパルスの検知はしないが、動作は前記とほぼ同じである。

0032

これにより、停電や電圧低下の場合の異常電圧検出による電源切換や、計画電源切換の際、常用側交流電源から待機側交流電源への電源切換が、停電や電圧低下による負荷への影響がない無瞬断電源切換えが可能である。

0033

以下、この発明の実施例を図について説明する。
図1はこの発明の概要を示す概略構成図である。
本発明の無瞬断電源切換装置は、常用側交流電源1と待機側交流電源2の切換スイッチである双投式電磁接触器6と、この双投式電磁接触器6のコモン接点と負荷5の間に直列に接続されたソレノイド式電磁接触器30と、前記常用側交流電源1と負荷5の間に、前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30の直列回路と並列に接続された半導体スイッチ10と、待機側交流電源2と負荷5の間に前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30の直列回路と並列に接続された半導体スイッチ20で構成される。

0034

また、前記双投式電磁接触器6とソレノイド式電磁接触器30との間の線路に異常電圧検出回路42を設け、また、外部切換信号又は異常電圧検出回路42からの信号を受けて、前記双投式電磁接触器6、ソレノイド式電磁接触器30、半導体スイッチ10及び半導体スイッチ20の制御を行う制御回路40が設けられている。

0035

前記常閉型ソレノイド式電磁接触器30は、ソレノイドが励磁されていない定常時はその主接点が閉の状態にあって、ソレノイドが励磁されている間は主接点が開の状態になる。当該ソレノイド式電磁接触器30の開極時間を短くするため、構造に後述する工夫を施すことにより、開極時間=約3msec.という高速開極特性を実現した。

0036

図2は本発明の無瞬断電源切換装置に使用したソレノイド式電磁接触器30の説明図であり、35はソレノイド、36はソレノイド励磁でソレノイドにより後述のバネの力に抗して引き付けられるアクチュエータ、37はアクチュエータ36と連動する可動接点、38は固定接点、39は可動接点37を固定接点38に押し付けるバネである。ソレノイド式電磁接触器30は常時オン形の電磁接触器とし、常時は、バネ39により可動接点37が固定接点38に押し付けられていて、所定の通電電流特性を確保している。

0037

ソレノイド36が励磁されたときの接点開極時間をできるだけ速くするために、ソレノイドによるアクチュエータを引き付ける力がより強くなるよう、2組の開極接点間距離が接点間電圧の絶縁を十分に確保できる範囲内で可動接点のストロークLsを最小限の距離にしている。
なお、本発明による切換器の切換動作では、ソレノイド式電磁接触器の主接点は開極動作時とオン動作時共に半導体スイッチは並列に接続されてオン状態にあるので、アーク電流遮断を考慮する必要がないこと、及び、この主接点は切換動作期間中の数十msec.のごく短い時間のみオフで、それ以外の定常状態ではオン状態にあること、が開極接点間距離を短くできる要素になっている。

0038

また、ソレノイド励磁は電解コンデンサに充電された電荷の短時間一斉放電による直流励磁方式を採用することにより、投入位相によって開極時間が大きくばらつく交流電源励磁に比して格段に安定した開極時間特性が確保できる。なお、切換スイッチとしての双投式電磁接触器6の瞬時励磁電源についても電解コンデンサ放電方式を採用して動作時間の安定性を確保している。加えて、この電解コンデンサ放電方式によれば、交流励磁方式の場合のように数十アンペア(A)から百アンペア(A)近くの瞬時励磁電流を負荷電流とは別に電源容量に見込む必要がなくなるというメリットもある。

0039

図3は、3相交流電源の異常電圧検出回路42の公知の一例である。
3相交流電源を変圧器42aで絶縁且つ降圧して、整流回路42bで全波整流したリップル電圧波形直流基準電圧とをコンパレータ42cで比較して、前記全波整流リップル電圧波形が直流基準電圧より低下したときに3相交流電源に停電や電圧低下の異常が発生したと判定する回路である。この検出方法によれば、平滑回路が必要でなく電解コンデンサなど時間遅れ要素は使用しないためきわめて速い検出ができ、実測検出時間は0.5msec.以下である。

0040

図4の(イ)図から(ホ)図は本発明の装置の動作説明図である。
まず、手動による計画切換えの場合について説明する。図(イ)は常用側交流電源1から、双投式電磁接触器6及びソレノイド式電磁接触器30を介して負荷5に給電されている状態を示す。前記制御回路40に切換の外部指令があると、前記双投式電磁接触器6を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させる。と同時に前記ソレノイド式電磁接触器30を励磁して主接点の開極動作を開始させる。さらに、前記第1の半導体スイッチをオンさせる。そして、(ロ)図に示すように、まず、励磁から約3msec.後に前記ソレノイド式電磁接触器30の主接点の開極が完了する。その際、ソレノイド式電磁接触器30の主接点が開極する際のアーク電流は、ソレノイド式電磁接触器30の主接点の給電経路と並列の経路をなし、既にオン状態にある第1の半導体スイッチ10に転流するので、アークが生ぜず、スムーズに開極できる。

0041

この時点での状態は、(ロ)図のままで、双投式電磁接触器6はまだ常用側交流電源1から離れていないが、ソレノイド式電磁接触器30の主接点がオフなので、負荷5と2系統の交流電源との有接点での経路は遮断状態にある。この後、双投式電磁接触器6が待機側交流電源2側に切換わってもソレノイド式電磁接触器30が励磁を解かれ主接点がオンに復帰するまでは有接点経路はオフが継続される。

0042

この時点では、負荷5には常用側交流電源1から第1の半導体スイッチ10を経て給電されているが、ここで、この第1の半導体スイッチ10をオフさせ、数μsec.後に第2の半導体スイッチ20をオンさせれば、常用側故竜電源1からの給電から待機側交流電源2からの給電に切換わる。この半導体スイッチ10と20の切換は、ソレノイド式電磁接触器30の主接点がオフである限りいつでも行うことができるので、ソレノイド式電磁接触器30の主接点の開極を確認した後でもよいし、2系統の交流電源が健全な状態での計画切換の場合には、2系統の電圧同期あるいは負荷電流のゼロクロス点を切換ポイントとして指定することもできる。また、この半導体スイッチ10と20の切換は、時間を追って推移する(ロ)図、(ハ)図及び(ニ)図のいずれの状態でもよく、(ホ)図のように双投式電磁接触器6が待機側交流電源に切換わり、ソレノイド式電磁接触器30が励磁を解かれて主接点がオン状態に復帰して、有接点経路での待機側交流電源2から負荷5への給電が開始された後に第2の半導体スイッチ20をオフさせる。以上の動作はいずれも、常用側交流電源1の給電から待機側交流電源2の給電への切換であるが、待機側から常用側への切換においても同じ動作となる。

0043

また、常用側交流電源1に停電等の電圧低下等の異常が発生した場合、図1の異常電圧検出回路42がこれを検知し、前記制御回路40を経て、双投式電磁接触器6及びソレノイド式電磁接触器30の励磁コイルを励磁し、また、第1の半導体スイッチ10をオンにする。その後、ソレノイド式電磁接触器30の主接点が完全に開極し、第1の半導体スイッチ単独での負荷5への給電状態になるが、常用側交流電源には停電或いは電圧低下が発生しているので、健全な待機側交流電源2による給電にできるだけ早く切換える必要があるため、ソレノイド式電磁接触器30の主接点が完全に開極した直後に第1の半導体スイッチ10をオフさせ、数μsec.後に第2の半導体スイッチ20をオンさせて待機側交流電源2から第2の半導体スイッチ20経由の給電に切換える。その後は計画切換の場合と同様に、図4の(ホ)図のように双投式電磁接触器6が待機側交流電源2に切換わり、ソレノイド式電磁接触器30が励磁を解かれて主接点がオン状態に復帰して、有接点経路での待機側交流電源2から負荷5への給電が開始された後に、第2の半導体スイッチ20をオフさせる。

0044

また、図5は常用側交流電源1から待機側交流電源2の両方が健全な場合の、需要側交流電源1から待機側交流電源2への手動切換えの各部のタイムチャートである。外部指令信号による切換において、外部切換信号を受けた後、双投式電磁接触器6及びソレノイド式電磁接触器30の励磁開始、及び第1の半導体スイッチ10のオン動作開始を、常用側交流電源1及び待機側交流電源2の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形の立ち上がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行い、また、上記第1の半導体スイッチ10のオフ動作を、ソレノイド式電磁接触器30の主接点開極直後の常用側交流電源1及び待機側交流電源2の各々の対応する所定の線間(例えばRS間)の電圧波形の立ち下がりゼロクロス点の同期を検知してこれと同時に行う。この図において、常用側交流電源1側の半導体スイッチ10がオフになった後、待機側交流電源2側の半導体スイッチ20がオンになるまでの時間は、数μsec.である。

0045

これらのゼロクロス点での切換を可能にしたのは、本発明においてソレノイド式電磁接触器を採用したからである。
前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点から次のゼロクロス点までは、商用周波数50Hzでは10msec.、60Hzでは8.3msec.である。ソレノイド式電磁接触器30は、前述のように、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けると約3msec.以内に開極するが、再度接点がオンするのに20〜30msec.かかる。従って、この間双投式電磁接触器6及びソレノイド式電磁接触器30のラインはオフすることとなり、この間に前記交流電源の電圧波形のゼロクロス点が2回来るため、次のゼロクロス点で第1の半導体スイッチ10のオフ切換が可能となる。一方、双投式電磁接触器6では、励磁して常用側交流電源1の接点が開極するのに10msec.近くかかり、接点が開いてから切換先の接点がオンするのに10msec.以下であるので、次のゼロクロス点で第1の半導体スイッチ10のオフ切換の前に双投式電磁接触器6が切換先の接点にオンすることとなり、二つのゼロクロス点の間で第1の半導体スイッチ10のオン切換及び第1の半導体スイッチ10のオフ切換ができない。このように前記ソレノイド式電磁接触器30の主接点の開極状態を利用して交流電源の二つのゼロクロス点で切換を行うことができる。

0046

また、図6は、異常電圧検出時の常用側交流電源1から待機側交流電源2への自動切換えの各部のタイムチャートである。この場合は、常用側交流電源1が停電又は電圧低下等の異常なので、同期等の条件を待つ余裕はないため、異常電圧圧検出により双投式電磁接触器6及びソレノイド式電磁接触器30の励磁コイルを励磁し、また、第1の半導体スイッチ10をオンにする。その後、3msec.以内でソレノイド式電磁接触器30の主接点が完全に開極した直後に第1の半導体スイッチ10をオフさせ、数μsec.後に第2の半導体スイッチ20をオンさせて待機側交流電源2から第2の半導体スイッチ20経由の給電に切換える。常用側交流電源1の異常発生から、健全な待機側交流電源2から第2の半導体スイッチ20経由による給電までの時間は4msec.強以下である。

0047

図7は本発明の実施例2を示し、常用側交流電源1と待機側交流電源2の2系統の交流電源の切換スイッチである有接点型の双投式電磁接触器6のコモン接点と負荷5とを接続して設け、前記常用側交流電源1と双投式電磁接触器6との間に直列に接続した第1の常閉型のソレノイド式電磁接触器31を設け、また、前記待機側交流電源2と双投式電磁接触器6との間に直列に接続した第2の常閉型のソレノイド式電磁接触器32を設け、前記常用側交流電源1と負荷5との間に、前記第1のソレノイド式電磁接触器31及び双投式電磁接触器6と並列に接続された第1の半導体スイッチ10を設け、また、前記待機側交流電源2と負荷5との間に、前記第2のソレノイド式電磁接触器32及び双投式電磁接触器6と並列に接続された第2の半導体スイッチ20を設け、前記双投式電磁接触器6と負荷5との間の線路に異常電圧検出回路(図示省略)を設け、前記双投式電磁接触器6、第1のソレノイド式電磁接触器31、第2のソレノイド式電磁接触器32、第1の半導体スイッチ10及び第2の半導体スイッチ20の制御を行う制御回路(図示省略)を設けている。

0048

前記第1及び第2のソレノイド式電磁接触器31、32は、常時は主接点がオン状態にあり、ソレノイド励磁から主接点開極までの時間が約3msec.であり、前記双投式電磁接触器6の励磁から常用側交流電源1の接点開極までの時間より短いものとし、前記制御回路は、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器6を励磁して待機側交流電源への切換動作を開始させると同時に前記第1のソレノイド式電磁接触器31を励磁して主接点の開極動作を開始させ、さらに、前記第1の半導体スイッチ10をオンさせ、前記第1のソレノイド式電磁接触器31の主接点の開極が完了した後に前記第1の半導体スイッチ10をオフさせ、数μsec.後に前記第2の半導体スイッチ20をオンさせて前記待機側交流電源2からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器6が常用側交流電源1から切り離された後に、前記第1のソレノイド式電磁接触器31の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器6が待機側交流電源2に切換わったことを確認後に、前記第2の半導体スイッチ20をオフさせる構成とした。また、待機側交流電源2から負荷5に給電されている状態の常用側交流電源1への切換の場合は、前記動作において、第2のソレノイド式電磁接触器32を励磁して主接点の開極をする。

0049

また、図8は、本発明の実施例3を示す。この実施例3は前記実施例1とほぼ同じ構成であり、ソレノイド式電磁接触器30に並列に第3の半導体スイッチ50を接続し、当該第3の半導体スイッチ50は自己消弧形のものとし、第1の半導体スイッチ7及び第2の半導体スイッチ8を自己消弧形でない半導体であるサイリスタとした。これにより、過電流に強く、また、コストダウンが図れる。

0050

この場合、外部切換信号又は前記異常電圧検出回路からの信号を受けて前記双投式電磁接触器6を励磁して待機側交流電源2への切換動作を開始させると同時に前記ソレノイド式電磁接触器30を励磁して主接点の開極動作を開始させ、同じく同時に前記第3の半導体スイッチ50をオンさせ、前記ソレノイド式電磁接触器30の主接点の開極が完了直後に前記第3の半導体スイッチ50をオフさせ、数μsec.後に前記第2の半導体スイッチ8をオンさせて前記待機側交流電源2からの負荷給電を開始させ、その後、前記双投式電磁接触器6が常用側交流電源1から切り離された後に、前記ソレノイド式電磁接触器30の励磁を解いて主接点がオン状態に復帰したこと、及び前記双投式電磁接触器6が待機側交流電源2に切換わったことを確認の後に、前記第2の半導体スイッチ8をオフさせる構成とした。また、待機側交流電源2から負荷5に給電されている状態の常用側交流電源1への切換の場合は、前記動作において、第3の半導体スイッチ50をオフさせ、数μsec.後に前記第1の半導体スイッチ7をオンさせて前記待機側交流電源2からの負荷給電を開始させる。

0051

次に、図9は本発明の応用例を示し、常用側交流電源1と待機側交流電源2の切換スイッチである双投式電磁接触器6と、この双投式電磁接触器6のコモン接点と負荷5の間に直列に接続されたソレノイド式電磁接触器30を設け、このソレノイド式電磁接触器30に並列に第3の半導体スイッチ50を接続し、常用側交流電源1と待機側交流電源2の切換スイッチである双投式電磁接触器15を、前記双投式電磁接触器6及びソレノイド式電磁接触器30と並列に設け、前記双投式電磁接触器15と負荷5との間に直列に第4の半導体スイッチ9を設けたもので、常時、双投式電磁接触器6は常用側交流電源1の接点に、また、双投式電磁接触器15は待機側交流電源2の接点に接続されている。これにより、第4の半導体スイッチ9を一回路にし、コスト低減を図るものである。

図面の簡単な説明

0052

本発明の実施例1の装置の概略構成図である。
本発明の実施例1の装置に使用するソレノイド式電磁接触器の構成側面図である。(イ)図は主接点が閉の状態を示し、(ロ)図は主接点が開の状態を示す。
本発明の実施例1の装置に使用する、3相交流電源の異常電圧検出回路の構成図である。
(イ) 図から(ホ)図は、本発明の実施例の装置の概略動作説明図である。
本発明の実施例1の交流電源1から交流電源2への手動切換のタイムチャート図である。
本発明の実施例1の交流電源1から交流電源2への自動切換のタイムチャート図である。
本発明の実施例2の装置の概略構成図である。
本発明の実施例3の装置の概略構成図である。
本発明の応用例の装置の概略構成図である。
従来の交流電源切換装置の概略構成図である。
従来他の交流電源切換装置の概略構成図である。
従来のさらに他の交流電源切換装置の概略構成図である。
特許文献1の交流電源切換装置の概略構成図である。
特許文献2の交流電源切換装置の概略構成図である。

符号の説明

0053

1常用側交流電源2待機側交流電源
3有接点スイッチ4 有接点スイッチ
5負荷6双投式電磁接触器
7 切換スイッチ 8 切換スイッチ
9半導体スイッチ 10 半導体スイッチ
15 双投式電磁接触器 20 半導体スイッチ
30ソレノイド式電磁接触器31 ソレノイド式電磁接触器
32 ソレノイド式電磁接触器 35ソレノイド
36アクチュエータ37可動接点
38固定接点39バネ
40制御回路42異常電圧検出回路
42a変圧器42b整流回路
42c コンパレータ

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