JPS5812829B2 - 直流回路の保護装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、チョツパを用いて直流電源より供給される直
流負荷の電力を制御するような直流回路に関し、特にチ
ョツパの転流失敗を検出して直流電源から直流負荷を切
離すことによって保護するものの改良に係る。

一般にチョツパは、周知のように主サイリスタと、補助
サイリスタと、転流リアクトルおよび転流コンデンアよ
り成る転流手段とで構成されている。

したがって主サイリスタが導通すると直流電源より負荷
電流が直流負荷に流れ、この状態をチョツパ・オン状態
という。

補助サイリスタが導通すると転流手段の作用により主サ
イリスタは非導通になり、直流電源より負荷電流が直流
負荷に流れなくなり、この状態をチョツパ・オフ状態と
いう。

以下の説明では、オン信号とは主サイリスタを導通させ
るための信号を意味し、オフ信号とは補助サイリスタを
導通させるための信号を意味する。

しかしながら、この種のチョツパでは、その構成上転流
失敗を生ずる問題がある。

すなわち、主サイリスタを導通状態から非導通状態にタ
ーンオフするために、補助サイリスタにオフ信号が与え
られたにも陥らず、補助サイリスタが何らの原因により
導通しなかったり或は補助サイリスタはオフ信号により
導通したにも陥らず、転流手段に貯えられた転流エネル
ギーが不足して主サイリスタをターンオフできない場合
に転流失敗となる。

このよう１こ転流失敗を生ずると直流電源から直流負荷
に電流が流れつづけて過電流状態１こなり、サイリスタ
が破壊する等の問題を引き起す。

このため、チョツパが転流失敗したときには、この転流
失敗を検出じて速やかに直流電源から直流負荷に流れる
負荷電流をしゃ断して機器を保護しなければならない。

このチョツパの転流失敗時の保護するものとして、従来
より第１図の示すような保護装置が提案されている。

第１図において、主回路は直流電源Ｂと主回路スイッチ
ＳＷ１とコンタクタＣＴＴと直流負荷Ｍ（たとえば、直
流電動機）とチョツパＣＨで構成され、保護回路は、マ
ルデコネクタ端子ＭＣ１〜ＭＣ３を介してコンタクタＣ
ＴＴの直流電源Ｂ側接続点、直流負荷ＭとチョツパＣＨ
の接続点、チョツパＣＨの直流電源Ｂ側接続点に夫々接
続されている。

主回路スイッチＳＷ４を投入すると直流電源Ｂの電圧は
抵抗Ｒ２、ツエナーダイオードＺＤ２、ダイオードＤ２
，Ｄ３を介してコンデンサＣ１に印加され、このコンデ
ンサＣ１から抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴｒ１にベ
ース電流が流れ、トランジスタＴｒ１は導通状態となる
。

この時チョツパＣＨは動４作していない。

次にキースイッチＳＷ２を投入すると、抵抗Ｒ７，Ｒ８
を通してトランジスタＴｒ２のベース電流が流れ、トラ
ンジスタＴｒ２が導通状態となり、コンタクタＣＴＴの
コイルＣＣに励磁電流が流れてコンタクタＣＴＴが投入
される。

この時トランジスタＴｒ１は導通状態であるためサイリ
スタＴｈのゲートには電圧が印加されず、従ってサイリ
スタＴｈは動作しない。

コンタクタＣＴＴが投入されると、直流電源Ｂ、主回路
スイッチＳＷ１、コンタクタＣＴＴ．直流負荷Ｍ１チョ
ツパＣＨ、バツテリＢと一巡する主回路が形成される。

この状態でゲート制御回路（図示せず）からオン信号が
抵抗Ｒ１を介してチョツパＣＨに印加されるとチョツパ
ＣＨは導通し、又オフ信号が印加されると転流期間（通
常数百マイクロ秒）の遅延の後にチョツパＣＨは消弧す
る。

チョツパＣＨには直流負荷Ｍとは別にダイオードＤ２、
抵抗Ｒ２から形成される回路が接続されており、ダイオ
ードＤ１のアノード電位はチョツパＣＨが導通している
時にはほとんどゼロまで低下し、チョツパＣＨが消弧し
ている時には上昇するため、ダイオードＤ１のアノード
電位の検出によってチョツパＣＨの導通フは消弧を正確
に判定することが可能である。

従って、オン信号とダイオードＤ１のアノード電位とを
比較し、オン信号が出力されていないのにもかかわらず
チョツパが導通していることを論理的に検出することに
より、転流失敗を直ちに判定することが可能となる。

このため第１図に示す保護回路では、ダイオードＤ２の
アノード電圧をツエナーダイオードＺＤ２、ダイオード
Ｄ２を通したあとツエナーダイオードＺＤ１によって適
当なレベルにクリツプしたものと、抵抗Ｒ３を介して導
ひいたオン信号とを、ダイオードＤ３，Ｄ４によって突
き合わせて論理和を求め、この論理和電圧がなくなる時
を転流失敗と判断している。

チョツパＣＨが正常動作している時、及び転流失敗時の
各点の電圧及びオン、オフ信号の波形図を第２図イ及び
口に図示する。

オン信号が印加されてチョツパＣＨが導通するとダイオ
ードＤ１のアノード電圧はゼロとなり、オフ信号が印加
されてチョツパＣＨが消弧するとダイオードＤ４のアノ
ード電圧は第２図イのＣに示すように上昇する。

しかし、実際にはツエナーダイオードＺＤ１によって適
当なレベルにクリツプされるため、第２図イのｄに示す
波形がダイオードＤ３に印加される。

ダイオードＤ３，Ｄ４によって合成される論理和電圧信
号は、第２図イのｅに示すように転流期間の間のみ低い
状態となるが、実際にはコンデンサＣ１の平滑作用によ
りｆに示す電圧信号がトランジスタＴｒ１に印加される
。

コンデンサＣ１によって転流期間の低状態が平滑化され
るため、ベース抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴｒ１に
流入するベース電流は途切れることなく、従ってトラン
ジスタＴｒ１はチョツパＣＨが正常に動作している限り
常に導通状態を保持する。

しかし、第２図ロに示すように、オフ信号が印加されて
もチョツパＣＨが消弧しない。

すなわち転流失敗が生じた場合には、ダイオードＤ１の
アノード電圧が上昇せず（正常動作時には破線で示すよ
うな電圧波形となる）、従ってコンデンサＣ２の端子電
圧がゼロまで低下する時が生じる。

この時トランジスタＴｒ１はしゃ断状態となり、そのコ
のｇに示すように上昇して サイリスタＴｈを点弧する。

この結果トランジスタＴｒ２のベース電流は印加されず
、トランジスタＴｒ２がしゃ断状態となってコンタクタ
ＣＴＴを開放する。

上述のように転流失敗を論理的に判断して保護動作を行
なうこの方式は、転流失敗検出時間が極めて短かく、車
両やバツテリフォークリフト等に採用されている。

ところでこのような転流失敗検出保護回路はプリント基
板に装着されるのが普通であり、その場合主回路からの
引出線はマルチコネクタ端子ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３な
どを通して接続される。

今もしこのような引出線回路が接触不良あるいは断線な
どを起こした場合を考えてみる。

コネクタ端子ＭＣ１およびＭＣ３が接触不良になった場
合、コンタクタＣＴＴのコイルＣＣに電流が流れなくな
り、コンタクタＣＴＴが開放するので車両は走らなくな
り安全である。

しかし、コネクタ端子ＭＣ２のみが接触不良になつた場
合、コンククタＣＴＴは開放せず、ゲート信号が与えら
れればチョツパＣＨは動作する。

ここでもし転流失敗が生じると、コネクタ端子ＭＣ２が
つながっていないのでダイオードＤ１のアノード電位は
ゼロにならず、コンデンサＣ１には抵抗Ｒ２ツエナーダ
イオードＺＤ２、ダイオードＤ２，Ｄ３を介して電圧が
印加され続け、トランジスタＴｒ１は導通したままとな
って転流失敗を検出しない。

すなわち、このような回路ではコネクタの接触不良、引
出線の断線などの場合、転流失敗検出が不能となって暴
走事故やサイリスタの焼損など極めて危険な状態になる
恐れがある。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、い
かなる場合にも必ず安全なように動作する直流回路の保
護回路を提供するにある。

このため本発明においては、転流失敗検出回路に印加す
る電圧の経路を改め、もしコネクタの接触不良、リード
線の断線などの場合には必ずコンタクタＣＴＴが開放す
るように構成して確実に保護するようにしたものである
。

本発明の一実施例を第３図に示す。

第１図と異なるのは、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ２の代り
に抵抗Ｒ９，Ｒ１０を設けた点である。

抵抗Ｒ１ｏは第１図の抵抗Ｒ２と同じ値にしてある。

なお抵抗Ｒ９は抵抗Ｒ１０とは別のコネクタ端子ＭＣ４
を通して主回路と接続されている。

第３図の動作を順を追って説明する。

主回路スイッチＳＷ１を投入すると、直流電源Ｂの電圧
は抵抗Ｒｇ，Ｒ１ｏツエナーダ１オードｚＤ２、ダイオ
ードＤ２，Ｄ３を介してコンデンサＣ０に印加され、こ
のコンデンサＣ１から抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴ
ｒ１にベース電流が流れトランジスタＴｒ１は導通伏態
となる。

なおこの経路の合計抵抗値は第１図の場合と比べて抵抗
Ｒ９の分だけ多くなっているが、抵抗Ｒ９の値を適当に
選べば、単にツエナーダイオードＺＤ１に流れる電流が
少なくなるだけで、コンデンサＣ１に印加される電圧を
第１図の場合と全く同じにすることができ、従ってトラ
ンジスタＴｒ１の導通状態も第１図の場合と全く等しく
することができる。

次にキースイッチＳＷ２を投入すると抵抗Ｒ７，Ｒ８を
通してトランジスタＴｒ２のベース電流が流れ、トラン
ジスタＴｒ２が導通状態となってコンタククＣＴＴが投
入されることは第１図の場合と同じである。

コンタクタＣＴＴの投入により主回路が形成されると、
直流負荷Ｍの内部抵抗はきわめて小さいのが普通である
から、チョツパＣＨのアノード電圧はほぼ電流電源Ｂの
電圧に等しくなる。

この時の抵抗ＲＩＯは第１図の抵抗Ｒ２と等しくしてあ
るので、ツエナーダイオードＺＤ２、ダイオードＤ２を
流れる電流は第１図の場合と等し（なる。

チョツパが導通するとチョツパＣＨのアノード電圧はゼ
ロになり、ツエナーダイオードＺＤ２、ダイオードＤ２
に流れる電流はゼロになる。

すなわち転流失敗検出回路にとっては、コンタクタＣＴ
Ｔが投入されたあとは第１図の場合と全く等しい状態に
置かれるので、転流失敗の検出性能に何ら変りはない。

さて、このような回路構成でコネクタ端子が接触不良に
なった場合を考えてみる。

コネクタ端子ＭＣ１，ＭＣ３が接触不良になると、そも
そもコンタクタＣＴＴが投入されないので安全である。

コネクタ端子ＭＣ２が接触不良１こなると、抵抗Ｒ１０
、ツエナーダイオードＺＤ２、ダイオードＤ２，Ｄ３を
通る電流がゼロとなり、コンデンサＣ１の電圧がゼロに
なる期間が生じるため、転流失敗時と同様にコンタクタ
ＣＴＴを開放する。

コネクタ端子ＭＣ４が接触不良になると、主回路スイッ
チＳＷ１を投入した時トランジスタＴｒ１のベース電流
が流れず、従ってキースイッチＳＷ２を投入しても直ち
にサイリスタＴｈが動作するためトランジスタＴｒ２が
導通せず、コンタクタＣＴＴは投入されない。

もしコンタクタＣＴＴが投入されたあとにコネクタ端子
ＭＣ４が接触不良になった場合、ツエナーダイオードＺ
Ｄ２、ダイオードＤ２には負荷Ｍを通して電流が流れる
のでトランジスタＴｒ１は導通しており、従って直ちに
コンタクタＣＴＴが開放することはなくチョツパＣＨは
動作することができる。

この時もしチョツパＣＨが転流失敗したら直ちにこれを
検出してコンタクタＣＴＴを開放することは言うまでも
ない。

このように、いずれのコネクタ端子が接触不良になって
も転流失敗検出機能が阻止されることはない。

このように本発明の方法によると、コネクタ端子の接触
不良、リード線の断線などに対し必ず安全な方向に動作
し、車両が暴走したりチョツパＣＨが焼損したりするこ
とはなく、信頼性が格段に向上する。

ところでチョツパが非導通になる時は負荷のインダクタ
ンスにより高い電圧がチョツパＣＨの両端に印加される
。

通常この過電圧はバツテリＢの電圧の２〜２．５倍にも
なるものである。

従来例を示す第１図の回路においては、この高電圧をダ
イオードＤ１で阻止しなければならず高耐圧のダイオー
ドを必要とするが、本発明によるとこのようなダイオー
ドは不安であり、コストの点で優れているばかりでなく
、サージによりダイオードがブレークダウンして転流失
敗検出回路が破壊される心配もなく、さらに信頼性が向
上するといった効果もある。

第４図は本発明の他の実施例を示したものである。

近年、安全防災の観点から電気車の配線構造にも厳しい
規格が定められ、主回路から引出す信号線等には必ずそ
の引出口にヒューズを挿入して、万一引出線の被覆が破
れて接地したとしても電線が燃え出さないよう考慮する
ことになって来ている。

ところでヒューズは振動等により切れる可能性があり、
単に従来の回路の引出線引出口Ｉこ挿入したのでは第１
図について述べたと同様、転流失敗を検出できなくなる
恐れがある。

この様な場合、本発明によれば、第４図のごとき回路と
なり、コネクタ端子ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ４と直列に挿
入されるので、もしヒューズＦ１，Ｆ２，Ｆ３が切れた
としても、第１の実施例で述べた如く転流失敗検出機能
が失なわれることなく、常に安全な方向に作用する。

なお第４図の回路は電気的には第３図の回路と全く等価
であることは言うまでもない。

第５図は本発明のさらに別の実施例を示したものである
。

第４図と異なるのはヒューズＦ３を省略したことである
。

従って電気的動作は第３図および第４図の場合と全く同
じであるので説明を省く。

そもそも火災予防用ヒューズはその目的から言って主回
路のごく近い所に配置すべきものである。

またこのヒューズはヒューズホルダーに装着し、ヒュー
ズホルダーは固定するために取付金具あるいは取付ケー
スに取付けるのが普通である。

一般にヒューズホルダーの数が複数になると、製作上の
便利から一ヶ所にまとめて同一の取付ケースＦＣに取付
けるものである。

この場合、抵抗Ｒ９もその取付ケースＦＣの中に収納す
るならば、ヒュースＦ３は省略することができる。

すなわちキースイッチＳＷ２へのリード線が接地したな
らばヒューズＦ１が溶断し、コンタクタＣＴＴが開放す
るので火災が発生することはない。

たとえ何らかの原因でコンタクタＣＴＴが導通したまま
になっていたとしても、負荷Ｍと抵抗Ｒ９を通して地絡
電流が流れることになり、その時の電流値は正常時にチ
ョツパＣＨの通流率が１００％になった時の電流とほと
んど等しく、抵抗Ｒ９が過熱することにはならない。

また、抵抗Ｒ１０へのリード線が接地したとすると、コ
ンタクタＣＴＴが投入されていればヒューズＦ２が溶断
すると共に、転流失敗検出回路が動作してコンタクタＣ
ＴＴを開放する。

このように、抵抗Ｒ９をヒューズと同一取付ケースＦＣ
内に収めるならば、火災予防効果に何らの障害を与える
ことなく、ヒューズＦ３およびコネクタ端子ＭＣ４を省
略することができ、さらにコストを低くできるという効
果がある。

第６図は本発明のさらに別の実施例を示すものであり、
第３図の論理回路部分を置き換えたものである。

すなわち前記第２の抵抗の他端に現われるチョツパ開閉
に同期した信号の反転信号と、前記チョツパのオン信号
に相当する信号の反転信号を論理積回路に導ひくと、該
論理積回路出力は転流失敗が生じた時だけ１となる。

前記チョツパ開閉に同期した信号と前記オン信号に相当
する信号の間には位相的にチョツパの転流期間だけずれ
があるので、この間通常約５００μｓ程度の間論理積回
路出力は１になるが、この位の短かい期間の出力はコン
デンサＣ１により平滑されてツエナーダイオードＺＤ３
の電圧を超えることはない。

転流失敗が生じると長時間論理積回路出力が１になるの
で、コンデンサＣ１の電圧はツエナーダイオードＺＤ３
を超え、サイリスクＴｈを点弧しコンタクタＣＴＴを開
放させる。

このように本発明は第６図の回路によっても実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の保護回路を示す図、第２図は第１図の
回路の動作を説明するための各点の電圧波形図、第３図
は、本発明の一実施例を示す回路図、第４図は、本発明
の他の実施例を示す回路図、第５図は、本発明のさらに
別の実施例を示す回路図、第６図は、本発明のさらに別
の実施例を示す回路図である。 符号の説明、ＣＴＴ・・・・・・コンタクタ、Ｍ・・・
・・・負荷、ＣＨ・・・・・・サイリスクチョツパ、Ｒ
９・・・・・・第１の抵抗、Ｒ１０・・・・・・第２の
抵抗、Ｃ１・・・・・・コンデンサ、ＺＤ１・・・・・
・ツエナーダイオード、ＺＤ２・・・・・・ツエナーダ
イオード、Ｆ３・・・・・・第１のヒューズ、Ｆ２・・
・・・・第２のヒューズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主回路として、直流電源と、この直流電源に開閉手
   段を介して接続された直流負荷と、この直流負荷に接続
   されその電流を制御するチョツパとを備え、一端を前記
   直流電源に他端を前記直流負荷と前記チョツパとの接続
   点に接続された抵抗を含む並列接続体と、制御回路とし
   て、前記接続体の他端の信号および前記チョツパに指令
   されるオン信号に相当する信号とから前記チョツパの転
   流失敗を検出する手段と、この転流失敗検出手段の出力
   信号により前記開閉手段を用いて前記直流負荷を前記直
   流電源から切離す手段とを備えたものにおいて、上記負
   荷とチョツパとの接続点、上記変列接続体の他端および
   上記転流失敗検出手段の入力端間を接続する電気回路上
   における、上記並列接続体の他端よりも上記転流失敗検
   出手段側に上記主回路と上記制御回路との接続手段を設
   けたことを特徴とする直流回路の保護装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記接続手段はコ
   ネクタであることを特徴とする直流回路の保護装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記接続手段はヒ
   ューズであることを特徴とする直流回路の保護装置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記接続手段はコ
   ネクタとヒューズの直列回路であることを特徴とする直
   流回路の保護装置。