特許 7472559 回路保護装置および回路保護装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】回路保護装置および回路保護装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/087 20060101AFI20240416BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

H02H3/087

H02J1/00 309R

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020043366

(22)【出願日】2020-03-12

(65)【公開番号】P2021145493

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-01-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100189555

【弁理士】

【氏名又は名称】徳山 英浩

(74)【代理人】

【識別番号】100122286

【弁理士】

【氏名又は名称】仲倉 幸典

(72)【発明者】

【氏名】上内 将之

(72)【発明者】

【氏名】鶴口 祐規

【審査官】阿部 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２５２０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１１５８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０３０３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０８６０３７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ ３／０８７

Ｈ０２Ｊ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源装置と接続され、前記電源装置の直流電源出力を複数の負荷に分岐して供給する回路保護装置であって、
所定の範囲で分岐系統ごとの定格出力電流値を設定するロータリスイッチと、
前記負荷に流れる突入電流や短絡電流を定電流で抑制するように定電流動作点を調整する定電流動作点調整回路と、
前記負荷に対する出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記負荷に流れる出力電流を検出する出力電流検出部と、
所定条件下で遮断指令を出力する制御部と、
前記遮断指令に応じて、前記負荷への電流を遮断するスイッチ部と、を備え、
前記制御部は、前記負荷に流れる出力電流を横軸とし、前記出力電流の継続時間を縦軸とする平面を設定し、この平面上で、前記定格出力電流値ごとに、それぞれ、トリップが行われない領域とトリップを行うべき領域とを仕切るように、前記横軸の出力電流が大きくなるにつれて階段状に立ち下がる態様のトリップ特性線を設定し、前記出力電流検出部によって検出された前記出力電流とこの出力電流の継続時間が、前記トリップ特性線によって仕切られた上記トリップを行うべき領域に該当するとき前記遮断指令を出力するように構成されており、
前記制御部は、さらに、
各トリップ特性線について、そのトリップ特性線のうち最も出力電流が大きい側の横線部分と、この横線部分に隣り合う縦線部分とに接して、矩形のトリップ特性可変領域を設定するようになっており、
前記トリップ特性可変領域の上辺は、前記トリップ特性線の前記横線部分よりも前記縦軸に関して長時間側で、前記負荷の起動期間の長さに相当する位置にあり、
電源投入から前記負荷の起動期間と起動後とを判断し、前記遮断指令を出力するか否かの判断のために、前記起動期間においては、前記トリップ特性線の前記横線部分に代えて前記トリップ特性可変領域の前記上辺を用いる一方、前記起動後においては、前記トリップ特性線の前記横線部分を用いる制御を行う、
ことを特徴とする回路保護装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記出力電圧検出部により検出した前記出力電圧が所定値以上になるまでは、前記起動期間と判断し、前記出力電圧が所定値を超えた場合に、前記起動後と判断する、
請求項１に記載の回路保護装置。

【請求項3】

前記制御部は、電源投入から所定時間経過までは、前記起動期間と判断し、電源投入から所定時間経過後に、前記起動後と判断する、
請求項１に記載の回路保護装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記出力電流検出部により検出された前記出力電流が定格出力電流に達するまでは、前記起動期間と判断し、前記出力電流が定格出力電流に達した後に、前記起動後と判断する、
請求項１に記載の回路保護装置。

【請求項5】

請求項１に記載の回路保護装置を作動させる回路保護装置の制御方法であって、
所定の範囲で分岐系統ごとの定格出力電流値を設定するステップと、
前記負荷に流れる突入電流や短絡電流を定電流で抑制するように、定電流動作点を調整するステップと、
前記負荷に対する出力電圧を検出するステップと、
前記負荷に流れる出力電流を検出するステップと、
所定条件下で遮断指令を出力するステップと、
前記遮断指令に応じて、前記負荷への電流を遮断するステップと、を備え、
所定条件下で前記遮断指令を出力するステップは、電源投入から前記負荷の起動期間と起動後とを判断し、前記遮断指令を出力するか否かの判断のために、前記起動期間においては、前記トリップ特性線の前記横線部分に代えて前記トリップ特性可変領域の前記上辺を用いる一方、前記起動後においては、前記トリップ特性線の前記横線部分を用いる制御を行うステップである、
ことを特徴とする回路保護装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、回路保護装置および回路保護装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の回路保護装置である電子式サーキットプロテクタにおいては、ロータリスイッチにより選択されたトリップ特性をＣＰＵで認識し、選択されたトリップ特性に従いＣＰＵで制御することによりトリップを行っていた。したがって、従来のサーキットプロテクタ回路は、ＣＰＵの反応速度の限界を超える速度ではトリップできず、ロータリスイッチの設定によらず、トリップできない領域が存在する。

【0003】

この対策として、短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタの動作により、あるいは、特許文献１のように、制御ユニットにより制御されるＭＯＳトランジスタの動作により、所定の電流値を計測した際に瞬断する設計が多く見受けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】ＥＰ２８１１６０４Ａ１公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１のような方法では、容量性の負荷を起動する際に、コンデンサ成分にチャージする電流で、ＭＯＳトランジスタが誤トリップするため、ＣＰＵによりＭＯＳトランジスタを再起動させながら起動する設計になる。その結果、出力電圧が滑らかではなく、カクカクした立ち上がり方になってしまう。これにより、負荷装置が、起動と再起動を繰りかえす誤動作等を起こすことが懸念される。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、容量性の負荷に対しても、出力電圧が滑らかな波形となる回路保護装置および回路保護装置の制御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】

本発明における回路保護装置の一態様は、
電源装置と接続され、前記電源装置の直流電源出力を複数の負荷に分岐して供給する回路保護装置であって、
所定の範囲で分岐系統ごとの定格出力電流値を設定するロータリスイッチと、
前記負荷に流れる突入電流や短絡電流を定電流で抑制するように定電流動作点を調整する定電流動作点調整回路と、
前記負荷に対する出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記負荷に流れる出力電流を検出する出力電流検出部と、
所定条件下で遮断指令を出力する制御部と、
前記遮断指令に応じて、前記負荷への電流を遮断するスイッチ部と、を備え、
前記制御部は、前記負荷に流れる出力電流を横軸とし、前記出力電流の継続時間を縦軸とする平面を設定し、この平面上で、前記定格出力電流値ごとに、それぞれ、トリップが行われない領域とトリップを行うべき領域とを仕切るように、前記横軸の出力電流が大きくなるにつれて階段状に立ち下がる態様のトリップ特性線を設定し、前記出力電流検出部によって検出された前記出力電流とこの出力電流の継続時間が、前記トリップ特性線によって仕切られた上記トリップを行うべき領域に該当するとき前記遮断指令を出力するように構成されており、
前記制御部は、さらに、
各トリップ特性線について、そのトリップ特性線のうち最も出力電流が大きい側の横線部分と、この横線部分に隣り合う縦線部分とに接して、矩形のトリップ特性可変領域を設定するようになっており、
前記トリップ特性可変領域の上辺は、前記トリップ特性線の前記横線部分よりも前記縦軸に関して長時間側で、前記負荷の起動期間の長さに相当する位置にあり、
電源投入から前記負荷の起動期間と起動後とを判断し、前記遮断指令を出力するか否かの判断のために、前記起動期間においては、前記トリップ特性線の前記横線部分に代えて前記トリップ特性可変領域の前記上辺を用いる一方、前記起動後においては、前記トリップ特性線の前記横線部分を用いる制御を行う。

【0008】

また、本発明における回路保護装置の制御方法の一態様は、
前記回路保護装置を作動させる回路保護装置の制御方法であって、
所定の範囲で分岐系統ごとの定格出力電流値を設定するステップと、
前記負荷に流れる突入電流や短絡電流を定電流で抑制するように定電流動作点を調整するステップと、
前記負荷に対する出力電圧を検出するステップと、
前記負荷に流れる出力電流を検出するステップと、
所定条件下で遮断指令を出力するステップと、
前記遮断指令に応じて、前記負荷への電流を遮断するステップと、を備え、
所定条件下で前記遮断指令を出力するステップは、電源投入から前記負荷の起動期間と起動後とを判断し、前記遮断指令を出力するか否かの判断のために、前記起動期間においては、前記トリップ特性線の前記横線部分に代えて前記トリップ特性可変領域の前記上辺を用いる一方、前記起動後においては、前記トリップ特性線の前記横線部分を用いる制御を行うステップである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、容量性の負荷に対しても、出力電圧が滑らかな波形となり、負荷の誤動作等を起こすことのない回路保護装置および回路保護装置の制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る一実施形態の回路保護装置の概略構成を示す回路図である。

【図2】本実施形態におけるトリップ特性を示す図である。

【図3】本実施形態における容量性の負荷に対する入力電圧と出力電圧の関係を示す図である。

【図4】本実施形態における回路保護装置と容量性の負荷の等価回路を示す図である。

【図5】比較例におけるトリップ特性を示す図である。

【図6】比較例における容量性の負荷に対する入力電圧と出力電圧の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る回路保護装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、回路保護装置の一例としての電子式サーキットプロテクタ１００は、ロータリスイッチ１と、制御部としてのＣＰＵ２と、Ｄ／Ａ変換器３と、定電流動作点調整回路４と、昇圧回路５と、出力電圧検出部６と、出力電流検出部７とを備えている。また、電子式サーキットプロテクタ１００は、電源装置に接続されると共に、一例として、容量性の負荷（図示せず）に接続される。

【0012】

ロータリスイッチ１は、分岐系統毎に、定格出力電流値を２Ａ～１０Ａの範囲で設定可能なスイッチである。

【0013】

ＣＰＵ２は、ロータリスイッチ１の設定を読み取ることにより、設定された定格出力電流値に応じて、トリップ特性を選択する。また、ＣＰＵ２は、負荷の出力電圧、出力電流、および時間を監視し、所定の出力電流が所定期間続いたか否かで、昇圧回路５のオン／オフ制御を行う。さらに、本実施形態では、ＣＰＵ２は、出力電圧に応じて、負荷の起動期間と起動後とを判断し、起動期間と起動後とで、トリップ特性を変更する制御を行う。詳しくは後述する。

【0014】

Ｄ／Ａ変換器３は、ＣＰＵ２により選択されたトリップ特性に対応するデジタル値に応じたアナログ値を、定電流調整回路４に出力する。

【0015】

定電流動作点調整回路４は、容量性の負荷における負荷電流を検出し、容量性の負荷に突入電流や短絡電流が流れた場合には、突入電流や短絡電流を定電流で抑制するように、定電流動作点を調整する。

【0016】

昇圧回路５は、ＣＰＵ２により制御され、昇圧回路５がオンの場合には、トリップが行われず、昇圧回路５がオフの場合には、トリップが行われる。

【0017】

出力電圧検出部６は、負荷に印加される出力電圧の値を検出する。出力電圧検出部６はＣＰＵ２と接続されており、ＣＰＵ２は、出力電圧検出部６により出力電圧を検出することができる。

【0018】

出力電流検出部７は、抵抗３に流れる電流、即ち、負荷に流れる出力電流の値を検出する。出力電流検出部７はＣＰＵ２と接続されており、ＣＰＵ２は、出力電流検出部７により出力電流を検出することができる。

【0019】

次に、本実施形態における、トリップ特性について説明する。図２は、本実施形態におけるトリップ特性を示す図である。図２において、縦軸は、ＣＰＵ２が遮断指令を出力してトリップを行うまでのトリッピングタイム［ｍｓｅｃ］を示しており、横軸は、負荷に流れる出力電流の値［Ａ］を示している。図２に示すように、本実施形態においては、定格出力電流値２Ａ～１０Ａに応じて、出力電流が所定範囲の値をとり、かつ、所定期間その値が続いた際に、トリップが行われる。即ち、図２の平面において、Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌ１０は、定格出力電流値ごとの「トリップ特性線」を示している。各トリップ特性線Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌ１０は、横軸の出力電流が大きくなるにつれて階段状に立ち下がる態様に設定されている。各トリップ特性線Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌ１０のうちの縦の太線で仕切られた左側の領域Ａはトリップが行われない領域であり、縦の太線で仕切られた右側の領域ＡＴはトリップが行われるべき領域である。

【0020】

また、図２に点線で示すように、本実施形態においては、各トリップ特性線Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌ１０について、そのトリップ特性線のうち最も出力電流が大きい側の横線部分と、この横線部分の左側に隣り合う縦線部分とに接して、矩形のトリップ特性可変領域Ａ２、Ａ３、…、Ａ１０を設定するようになっている。トリップ特性可変領域Ａ２、Ａ３、…、Ａ１０の上辺は、それぞれトリップ特性線Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌ１０の対応する横線部分よりも縦軸に関して長時間側で、負荷の起動期間の長さに相当する位置にある。負荷の起動期間においては、ＣＰＵ２は、出力電流が所定の範囲（対応するトリップ特性可変領域の幅内）の値となり、この値が起動期間に相当する期間（対応するトリップ特性可変領域の上辺が示す時間）続いた際に、トリップを行う。一方、負荷の起動後においては、ＣＰＵ２は、出力電流がこの所定の範囲の値であっても、この値が極めて短い期間（対応するトリップ特性可変領域の下辺、すなわち、対応するトリップ特性線のうち最も出力電流が大きい側の横線部分が示す時間）続いた際に、トリップを行う。

【0021】

一例として、定格出力電流値が２Ａの場合について説明する。ＣＰＵ２は、負荷の起動期間においては、出力電流が６．６Ａ～７．３Ａの範囲（トリップ特性可変領域Ａ２幅内）の値となり、この値が起動期間に相当する０．８秒（８００ｍｓｅｃ）（トリップ特性可変領域Ａ２の上辺Ｌａが示す時間）程度続いた際に、昇圧回路５をオフしてトリップを行う。しかし、負荷の起動後においては、ＣＰＵ２は、出力電流が６．６Ａ～７．３Ａの範囲の値であっても、この値が１６ｍｓｅｃ（トリップ特性可変領域Ａ２の下辺Ｌｂ、すなわち、トリップ特性線Ａ２のうち最も出力電流が大きい側の横線部分が示す時間）続いた際に、昇圧回路５をオフしてトリップを行う。

【0022】

次に、本実施形態における電子式サーキットプロテクタ１００の動作について説明する。まず、ＣＰＵ２は、ロータリスイッチ１の設定を読み取ることにより、図２に示すトリップ特性線Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌ１０のいずれかを選択する。ＣＰＵ２は、選択したトリップ特性線（Ｌ２、Ｌ３、…、またはＬ１０）に応じたデジタル値を出力する。

【0023】

前記ＣＰＵ２からのデジタル値の出力により、Ｄ／Ａ変換器３の出力が変化する。その結果、Ｄ／Ａ変換器３の出力により、オペアンプＵ３の出力が変化する。そして、オペアンプＵ３の出力により、スイッチ部としてのトリップ用の短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタＭ１のゲート供給用のオペアンプＵ１のＶｉｎ＋が変化し、定電流動作点が変化する。

【0024】

以上のような動作により、ロータリスイッチ１の設定と連動して、定電流動作点を最適な値に変化させる。

【0025】

また、ＣＰＵ２は、ロータリスイッチ１の設定と連動して、図２に示すいずれかのトリップ特性を選択する。そして、ＣＰＵ２は、出力電圧検出部６により検出した出力電圧に基づいて、負荷の起動期間であるか、起動後であるかを判断し、起動期間と起動後とでトリップ特性を変更する制御を行う。すなわち、選択したトリップ特性線（Ｌ２、Ｌ３、…、またはＬ１０）のうち最も出力電流が大きい側の横線部分と、この横線部分の左側に隣り合う縦線部分とに接して、矩形のトリップ特性可変領域（Ａ２、Ａ３、…、またはＡ１０）を設定する。

【0026】

さらに、ＣＰＵ２は、出力電流検出部７により負荷に流れる出力電流を監視し、出力電流の値が所定の範囲の値となり、その値が図２に示す所定期間続いた際に、昇圧回路５をオフしてトリップを行う。

【0027】

本実施形態では、ＣＰＵ２は、出力電圧検出部６により検出した出力電圧が、例えば２４Ｖに達するまでは負荷の起動期間であると判断し、出力電圧が２４Ｖに達した場合には、起動後であると判断する。

【0028】

例えば、ＣＰＵ２は、出力電圧検出部６により検出した出力電圧が２４Ｖに達したことを検出すると、起動後であると判断し、図２に実線で示すトリップ特性を選択する。したがって、ＣＰＵ２は、例えば定格出力電流値が２Ａの場合、仮に、出力電流が６．６Ａ～７．３Ａの範囲（トリップ特性可変領域Ａ２幅内）の値であって、この値が１６ｍｓｅｃ（トリップ特性可変領域Ａ２の下辺Ｌｂ、すなわち、トリップ特性線Ａ２のうち最も出力電流が大きい側の横線部分が示す時間）続いた際には、昇圧回路５をオフしてトリップを行う。

【0029】

しかし、ＣＰＵ２は、出力電圧検出部６により検出した出力電圧が２４Ｖに達していないことを検出すると、負荷の起動期間であると判断し、出力電流が６．６Ａに達するまでは図２に実線で示すトリップ特性を、そして、出力電流が６．６Ａを超えた場合には、図２に点線で示すトリップ特性を選択する。したがって、ＣＰＵ２は、例えば定格出力電流値が２Ａの場合、負荷の起動期間であって、仮に、出力電流が６．６Ａ～７．３Ａの範囲（トリップ特性可変領域Ａ２幅内）の値となっても、この値が０．８秒（トリップ特性可変領域Ａ２の上辺Ｌａが示す時間）続かない限り、昇圧回路５をオフすることはない。つまり、トリップは行わない。

【0030】

その結果、図３に示すように、負荷の出力電圧は、カクカクした立ち上がりにならず、出力電圧が滑らかに上昇するので、起動時における誤動作等が防止される。

【0031】

本実施形態における動作を等価回路を用いて説明する。本実施形態の等価回路は、図４のように示される。図４は、複数ある分岐のうちの１つの分岐の等価回路を示している。図４において、出力電圧はＶo、出力電流はＩoで表され、負荷電流はＩloadで表される。この場合、起動可能なコンデンサの容量は、次式で表される。

【0032】

（数１）

【0033】

本実施形態では、起動期間においては、出力電流Ｉoが、従来のように１００Ａ等の大きな値にならなくても、トリップを行う。但し、起動期間においてトリップが行われるまでの時間ｔは、例えば０．８秒当のように比較的長く設定される。その結果、起動期間において、比較的に大きな出力電流Ｉoが流れた場合でも、トリップが行われないので、容量性負荷起動の性能を向上し、起動可能なコンデンサ容量を大きくすることができる。

【0034】

（比較例）
次に、比較例について説明する。図５に比較例となる従来のトリップ特性を示す。図５に斜線で示される領域は、トリップできない領域である。これは、例えば１６ｍｓｅｃを下回る時間は、ＣＰＵ２の反応速度の限界を超える速度に対応する時間であるため、ＣＰＵ２による制御が行うことができないからである。

【0035】

その対策として、比較例では、トリップ用のＭＯＳトランジスタに短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタを用い、このＭＯＳトランジスタの動作により、突入電流が１００Ａになった時に瞬断するように設計されている。

【0036】

この場合には、上記数１の式において、コンデンサにチャージする出力電流Ｉoは大きいが、短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタにより瞬断するため、時間ｔが極めて小さくなり、ワンパルスでは起動可能なコンデンサ容量が小さくなってしまう。その結果、コンデンサに何回もチャージする必要があり、図６に示すように、負荷の出力電圧は、カクカクした立ち上がりになる。これは、容量性の負荷の起動時に、コンデンサ成分にチャージする電流で、短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタが誤トリップするため、ＣＰＵ２により短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタを再起動させながら起動する設計になるためである。そうすると、図６のように出力電圧がカクカクした立ち上がり方になってしまう。これにより、負荷装置が、起動再起動を繰りかえす誤動作等が懸念される。

【0037】

以上のように、本実施形態によれば、容量性の負荷に対しても出力電圧は、カクカクした立ち上がりにならず、出力電圧が滑らかに上昇するので、起動時における誤動作等を防止することができる。

【0038】

（変形例）
以上の実施形態は例示であり、この発明の範囲から離れることなく様々な変形が可能である。

【0039】

上述した実施形態では、出力電圧検出部６により検出した出力電圧が、例えば２４Ｖに達したか否かで、起動期間か、あるいは起動後かを判断する態様について説明した。しかしながら、本発明は、このような態様に限定されるものではない。例えば、所定の範囲を設定し、２４Ｖに対して±数Ｖの範囲に入るまでは、起動期間であり、当該範囲に入った後は、起動後であると判断するようにしてもよい。

【0040】

また、電源投入から所定時間が経過するまでは、起動期間と判断し、電源投入から所定時間経過した後に、起動後と判断するようにしてもよい。さらに、出力電流検出部７により検出された出力電流が定格出力電流に達するまでは、起動期間と判断し、出力電流が定格出力電流に達した後に、起動後と判断するようにしてもよい。

【0041】

本明細書では、本発明の実施形態に係る回路保護装置および回路保護装置の制御方法について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ ロータリスイッチ
２ ＣＰＵ（制御部）
３ Ｄ／Ａ変換器
４ 定電流動作点調整回路
５ 昇圧回路
６ 出力電圧検出部
７ 出力電流検出部
１００ サーキットプロテクタ
Ｍ１ トリップ用の短絡保護機能付きＭＯＳトランジスタ
Ｕ１ オペアンプ
Ｕ３ オペアンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】