JPS5937613B2

JPS5937613B2 - 半導体しや断器

Info

Publication number: JPS5937613B2
Application number: JP51018026A
Authority: JP
Inventors: 晃三佐藤
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-02-23
Filing date: 1976-02-23
Publication date: 1984-09-11
Also published as: JPS52101453A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は半導体しゃ断器に係り、特にスイッチング素子
にパワートランジスタを使用した半導体しゃ断器に関す
る。

従来の半導体しゃ断器としてサイリスタを用いたサイリ
スタしゃ断器がある。

サイリスクしゃ断器は故障時サイリスクに逆電流を流し
てオフする方式であったので、逆電流を供給する転流回
路を必要とする。

以下第１図により、サイリスタしゃ断器を簡単に説明す
る。

第１図に於て１′は電源、２′は変流器、３′は主サイ
リスタユニット、４′は負荷、５′及び６′は補助ダイ
オード、７′は補助サイリスク、８’、９’及び１０′
は充放電回路、１１′は検出回路、１２′は制御回路、
１３′は整流器、１４′はトランス、１５′は交流電源
をそれぞれを示している。

第１図に示す如く、常時は交流電源１５′を整流器１３
′により直流に変換しコンデンサー１０’−１を充電し
ておき、短絡故障時変流器２′によりそれを検出して検
出回路１１′、制御回路１２′を通して、補助サイリス
タ７′を点弧させ、補助ダイオード５′及び６′を介し
て主サイリスタユニット３′に逆電流を流していた。

このためコンデンサ１０’−１を含む充放電回路８’、
９’、１０’、補助ダイオード５／。

６′等を含む転流回路を必要とし、この転流回路を形成
した各構成要素はしゃ断器全体の３０％位のコストを占
めていた。

またスペース的に於ては３５％は占めており、更にコン
デンサｉｏ’−ｉの充電々圧は主回路電圧よりも高い場
合が普通であり、主回路が低圧でも、コンデンサ１０’
−１の電圧は高圧で、高圧扱いとなる欠点があった。

このような欠点はサイリスタを使用しているために、限
流しゃ断する時に、どうしても逆電流を流す必要性があ
るところから生じたものである。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、主回路電流
素子としてパワートランジスタラ使用して、従来のサイ
リスタ式の逆電流を流すための転流回路を不要とし、大
幅なコストダウン及びスペース縮少を図り、且つしゃ断
器全体の回路が全て低圧回路ですむようにし、安全性の
向上を図り、故障電流が発生した時、３相同時しゃ断を
行い、負荷への欠相給電を防止し、インバータ電源に於
て負荷電流の波形が変っても、また周囲温度が変っても
、負荷に最大許容電流を供給できる半導体しゃ断器を提
供することを目的とする。

以下本発明の一実施例を第２図を参照して説明する。

第２図に於て１は３相交流電源、１−１゜１−２，１−
３はＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電源である。

２は３相負荷を示し、２−１．２−２゜２−３はＲ相、
Ｓ相、Ｔ相の各相の負荷を示す。

３は変流器で、３−１，３−２はＲ相、Ｔ相の各相の変
流器を示す。

４は補助変圧器で４−Ｌ４−２．４−３．４−４．４−
５は１次から５次までのそれぞれの巻線である。

５はＲ相半導体しゃ断器ユニットで、５−１〜５−４の
ダイオードからなる単相全波整流器、５−５は抵抗器、
５−６はコンデンサ、５−７は抵抗器、５−８はフォト
カプラの受光素子、５−９は抵抗器、５−１０はスピー
ドアップコンデンサ、５−１１、５−１２はパワート
ランジスタ、５−１３はダイオード、５−１４は非直線
サージ吸収素子、５−１５はダイオード、５−１６は抵
抗器、５−１７はコンデンサ、５−１８は感温抵抗素子
で、これらの構成要素からできている。

６，７はＳ相、Ｔ相半導体しゃ断器ユニットで前記Ｒ相
半導体しゃ断器ユニット５と同じなので詳細は省略する
。

８は半導体しゃ断器制御回路で、８−１〜８−４は単相
全波の整流器を構成するダイオード、８−５は抵抗器、
８−６はコンデンサ、８−７は人、切信号の接点、８−
８は大表示用発光ダイオード、８−９はＮＰＮ）ランジ
スタ、８−１０は定電圧ダイオード、８−１１はダイオ
ード、８−１２はダイオード、８−１３は定電圧ダイオ
ード、８−１４は抵抗器、８−１５〜８−１７はフォト
カプラの発光素子、８−１８は抵抗器、８−１９はコン
デンサ、８−２０は定電圧ダイオード、８−２１は抵抗
器、８−２２は発光ダイオード、８−２３はゲートター
ンオフサイリスタ（以下ＧＴＯと称す）、８−２４はダ
イオード、８−２５はダイオード、８−２６は定電圧ダ
イオード、８−２７は可変抵抗器、８−２８は抵抗器、
８−２９は過負荷継電器、８−３０〜８−３５は三相全
波の整流器を構成するダイオードで、８−３６は抵抗器
、８−３７はダイオード、８−３８は可変抵抗器、８−
３９は定電圧ダイオードでこれらの各要素から構成され
る。

９は半導体しゃ断器の制御電源である。

次に上記構成の半導体しゃ断器の動作を説明する。

半導体しゃ断器の制御パワーは制御電源９より供給され
る。

補助変圧器化により変成され、半導体しゃ断器制御回路
旦へ第５次巻線４−５から供給され、ダイオード８−１
〜８−４により構成される単相全波の整流器により直流
電圧に変換する。

抵抗器８−５とコンデンサ８−６によりフィルター回路
を構成し、直流電圧を平滑にする。

人、可信号接点８−７が閉となると、抵抗器８−１８一
定電圧ダイオード８−２０とコンデンサ８−１９の並列
回路−抵抗器８−２ｌ−ＮＰＮＩ−ランジスタ８−９の
ベースとエミッタ間−抵抗器８−１４−フォトカプラの
発光素子８−１５〜８−１７のパスでＮＰＮＩ−ランジ
スタ８−９のベース電流が流れる。

これによりコレクタ電流が流れ大表示の発光ダイオード
８−８が点灯する。

フォトカプラの発光部素子８−１５〜８−１７に充分な
電流が流れ半導体しゃ断器ユニット５内の受光素子５−
８であるフォトトランジスタはそれぞれ高速度にスイッ
チオンする。

後述するように、これにより、パワートランジスタ５−
１２はスイッチオンし負荷２にパワーが供給される。

同様にＳ相、Ｔ相半導体しゃ断器ユニット５，７におい
てもスイッチオンし負荷２にパワーが供給される。

次に短絡故障が発生すると故障電流は変流器３−１、ま
たは３−２により検出され、この２次電流は更にダイオ
ード８−３０〜８−３５により構成される３相全波の整
流器で整流され、抵抗器８−２８および可変抵抗器８−
２７により電圧信号に変換される。

可変抵抗器８−２７０Ｃ−Ｌ間の電圧が定電圧ダイオー
ド８−２６のツェナー電圧値以上となると、ダイオード
８−２５を経由して、ＧＴＯ８−２３のゲートに信号が
供給され、ＧＴＯ８−２３はＯＮする。

これによりコンデンサ８−１９の電荷はトリップ表示用
の発光ダイオード８−２２−ＧＴｏ８〜−２３のＡ−
に間−一定電圧ダイオード８−１３−ダイオード８−１
２−抵抗器８−２１のパスで流れ、またフォトカプラの
発光素子８−１７〜８−１５−抵抗器８−１４−ＮＰＮ
）ランジスタ８−９のエミッタ、ベース間と定電圧ダイ
オード８−１０、ダイオード８−１１の並列回路を流れ
る。

これによりＮＰＮ）ランジスタ８−９のエミッタとベー
ス間に逆電流を供給し、高速度にスイッチオンさせる。

パワートランジスタ５−１２の過電流耐量および許容熱
損失が小さいため故障時高速度にベース信号をオフして
やらないと破壊することになるので、高速度にベース信
号をスイッチオフさせる技術が必要である。

前述のＮＰＮ）ランジスタ８−９に逆電流を供給するこ
とにより、フォトカプラの発光素子８−１５〜８−１７
の発光は高速度に停止する。

逆電流の供給によりＮＰＮトランジスタ８−９は極めて
高速度にオフする。

これは逆電流により蓄積キャリアーが高速度に除去され
るためである。

これによりフォトカプラの発光素子５−８、（６１，
７−８）は高速度にスイッチオンし、パワートランジス
タ５−１２、（６−１２，７−１２）がほぼμＳｅＣの
オーダで同時にスイッチオンし、故障電流は高速度に除
去される。

ＧＴＯ８−２３はＯＮしたままであるので、トリップ表
示用の発光ダイオード８−２２はＯＮしたままである。

ＧＴＯ８−２３のリセット動作は入、切信号の接点８−
７を切にする事によってＧＴＯ８−２３の電流を保持電
流以下としてオフさせる。

次に過負荷時のトリップ動作について説明する。

過負荷時、過負荷継電器８−２９により電圧信号が発生
し、ダイオード８−２４を経由してＧＴＯ８−２３のゲ
ートへ、ゲート信号を供給する。

以降の動作は短絡故障発生時のトリップ動作と同一であ
るので省略する。

次に半導体しゃ断器制御回路８０指令による各相半導体
しゃ断器ユニツ）５，６，７の動作について説明する。

各相の半導体しゃ断器ユニット５゜６．７の絶縁と制御
電源の供給は補助変圧器久の第２次から第４人造の巻線
４−２〜４−４により行う。

Ｒ相の半導体しゃ断器ユニット５の動作について説明す
る。

補助変圧器４の第２次巻線４−２の交流電圧をダイオー
ド５−１〜５−４からなる単相全波整流器により整流し
、抵抗器５−５とコンデンサ５−６より構成されたフィ
ルターにより平滑にして、抵抗器５−７、フォトカプラ
の受光素子５−８、抵抗器５−９、スピードアップコン
デンサ５−１０を通してダーリントン接続されたパワー
トランジスタ５−１１，５−１２のベースとエミッタ間
にベース電流を供給する。

フォトカプラの受光素子５−８がスイッチオンするとコ
ンデンサ５−１０によりスピードアップされダーリント
ン接続のパワートランジスタ５−１１、５−１２は高
速度にスイッチオンする。

交流電力の半波はダイオード５−１３を通して、逆の半
波はパワートランジスタ５−１２を通して負荷２に供給
される。

パワートランジスタ５−１２がスイッチオンした時のサ
ージエネルギーはダイオード５−１５を通してコンデン
サ５−１７に吸収される６抵抗器５−１６はコンデンサ
５−１７の放電用の抵抗器である。

サージエネルギーは非直線サージ吸収素子５−１４によ
っても吸収される。

人、切信号の接点８−７が開となりＮＰＮＩ−ランジス
タ８−９がスイッチオフし、フォトカプラの発光素子８
−１５の発光が停止するとフォトカプラの受光素子５−
８がオフし、ベース電流はしゃ断される。

フォトカプラの応答としては１００Ｎｓｅｃから数μｓ
ｅｃの範囲のものが多い。

本発明に使用するフォトカプラの応答もこの範囲の応答
で充分であり、短絡事故が発生してから、故障電流を除
去する迄に要する時間は数１０μｓｅｃ以内で高速度し
ゃ断ができパワートランジスタ５−１２は破壊しない。

過電流保護は過負荷故障時、過負荷継電器８−２９によ
り過負荷を検出し、前述と同様の動作によりパワートラ
ンジスタ５−１２．（６ｉ２，７−１２）をオフにする
。

高周波電動機をＭＧで駆動する場合は流れる負荷電流も
正弦波で起動から定常運転迄正弦波電流の大きさと周波
数を検出するように過負荷継電器を設計してよいが、イ
ンバータ（ＶＶＶＦ票動では加速中、負荷電流の大きさ
、周波数の他に波形も変わるので、負荷電流の大きさを
電流ピーク値で等制約に検出することは困難である。

インバータの転流方式によっても出力電圧波形が変わり
、負荷電流の波形も異なる。

一方過負荷継電器にフィルターを設け、充放電のタイム
コンスタントを犬きく（０，１秒〜１秒）とると実用的
な実行値電流の検出はできるが過負荷故障時、ピーク電
流も大きくなりパワートランジスタ５−１２のエミッタ
とコレクタ間の電圧が上昇し、オーバーヒートする恐れ
がある。

本発明ではフィルターの充放電のタイムコンスタントを
０．７秒前後にとり、過負荷継電器８−２９の動作時間
前でも、パワートランジスタ５−１２、（６−１２
、７−１２）の温度をパワートランジスタと１体的に取
付けた感温抵抗素子５−１８により検出し、パワートラ
ンジスタの温度が上昇許容値の上限の値迄に上昇したら
感温抵抗素子５−１８の抵抗変化として検出しパワート
ランジスタ５−１２のベース信号をしゃ断し、主回路電
流をオフにする。

本発明の以外の方法として、波形の影響がなくなる迄、
しゃ断器の定格電流をアップする方法もあるがこの場合
だと、本発明のものより約１．５倍迄に定格電流を上げ
る必要があり、極めて不経済となる欠点がある。

１．５倍に定格電流をアップする場合普通１ランクフイ
ンの大きなもの、パワーあるいは大きな定格のパワート
ランジスタを要するのでスペースも太き（なる欠点があ
る。

本発明はこれらの欠点を前述の手段により除去したもの
である。

次にこの動作について説明する。

パワートランジスタ５−１２に１体的に取付けられた、
感温抵抗素子５−１８に抵抗器８−３６と定電圧ダイオ
ード８−３９のフィルター回路を通して直流の定電圧を
印加しこの定電圧により、一定バイアス電流を感温抵抗
素子５−１８に流して感温抵抗素子の感温応答速度を上
げる。

これによりパワートランジスタ５−１２の温度が上昇許
容値を越えない設定温度値になると約数μｓｅｃで抵抗
を変化させ応答する。

常時約数１０にΩであったものを、動作特約数１００Ω
に急変させることができる。

感温抵抗素子動作時、可変抵抗器８−３８０Ｃ−Ｌ間の
電圧が上昇しダイオード８−３７を介してＧＴＯ８−２
３にゲート信号を送る。

以降の動作は前述の短絡故障時、過負荷時の動作と同様
であり、パワートランジスタ５−１２は高速度にオフに
なる。

感温抵抗素子を用いているので、四季を通じて周囲温度
が変化しパワートランジスタ５−１２の許容電流が四季
を通じて異っても（周囲温度大で許容電流率）感温抵抗
素子５−１８によりパワートランジスタ５−１２の温度
上昇を検出して破壊する前にオフするので、過負荷継電
器８−２９の設定値を負荷側からの要求があれば許容値
の極限進上げることができる。

従って極めて効率のよい使用となり経済的である。

本発明の半導体しゃ断器を下位に使用し、上位にサイリ
スクしゃ断器を使用しても下位しゃ断器は短絡事故発生
時でも、パワートランジスタのベース電流に直流電流増
幅率（ｈＦＥ）を乗じた値のコレクタ電流しか流れず、
上位サイリスタしゃ断器の設定動作値の電流値にはいた
らず、確実に下位しゃ断器が先にトリップし選択しゃ断
が確実に行われる。

一方上位にも下位にもサイリスタしゃ断器を使用した場
合短絡事故発生時下位しゃ断器がトリップするまでは、
上位、下位とも同じ故障電流が流れ、その最大値が本発
明のしゃ断器を下位に使用した時の最大値よりはるかに
大きな値となり上位サイリスタしゃ断器の検出回路も動
作し、下位および上位のサイリスタしゃ断器が同時にト
リップするという不具合の生ずることもあった。

この欠点を本発明の半導体しゃ断器を使用すれば完全に
除去することができる。

主回路にパワートランジスタを使用し、電流検出を変流
器で行う本発明の場合、サイリスタ方式の半導体しゃ断
器と比較して極めて優れた特長がある。

サイリスタ方式の半導体しゃ断器では故障電流を検出し
てから逆電流を供給して故障電流を限流しはじめるまで
、主回路の故障電流はバックパワーの大きさに比例して
増大し、変流器にもその電流が流れてしまうという欠点
があった。

然し主回路にパワートランジスタを使用した場合は、ベ
ース電流に直流増幅率（ｈＦＥ）を乗じた値が、コレク
タ電流として流れるだけであり、バンクパワーに関係な
（流れる電流は一定であり変流器各にも、短絡時一定電
流しか流れないので抵抗器８−２８、可変抵抗器８−２
７の両端の電圧もサイリスタしゃ断器を使用した場合に
比べて極めて小さいという特長がある。

この特長により半導体しゃ断器制御回路且に過電圧制御
回路（定電圧ダイオードと抵抗器の組合せ、またバリス
タの使用）を設ける必要がなく、極めて高信頼性コンパ
クトな半導体しゃ断器の制御回路で済むという経済的メ
リットがある。

従来のサイリスタしゃ断器にはこの特長をもたせること
ができなかった。

サイリスタしゃ断器のように逆電流の供給回路を設ける
必要がなく、小形化、高信頼性が得られるとともに、コ
ンデンサを充電してから投入する必要がなくなるため、
高速度再投入ができる。

以上の様に、本発明による半導体しゃ断器は逆電流を流
すための転流回路が不要となるので、大幅なコストダウ
ン及びスペース縮少ができる。

また主サイリスタに逆電流を流すためのコンデンサを充
電する高圧回路を必要としないので、しゃ断器全体の回
路が全て低圧回路で、すむので安全性も向上する上、交
流回路において低周波から高周波までトランジスタを主
回路電流開閉素子として使用しているため使用でき、更
に負荷電流の波形が異っても、周囲温度が変化してもパ
ワーＩ・ランジスタ自体の温度を検出しているので使用
でき汎用的に使用できる上、しゃ断電流が大きく、高速
再投入と多頻度開閉ができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサイリスタしゃ断器を示す回路図、第２
図は本発明の一実施例による半導体しゃ断器を示す回路
図である。１・・・・・・３相交流電源、λ・・・・・・３相負荷
、ジ・・・・・・変流器、４・・・・・・補助変圧器、
５，６，７・・・・・・半導体しゃ断器ユニット、５−
１８・・・・・・感温抵抗素子、８・・・・・・制御回
路、８−９・・・・・・ＮＰＮＩ−ランジスタ、８−１
５〜８−１７・・・・・・フォトカプラの発光素子、Ｇ
ＴＯ・・・・・・ゲートターンオフサイリスタ、８−２
９・・・・・・過負荷継電器、９・・・・・・制御電源
。

Claims

【特許請求の範囲】

１電源と負荷との間に開閉素子としてトランジスタを
使用した半導体しゃ断器において、短絡故障および過負
荷故障を検出し電流値が設定値に達１〜たら前記トラン
ジスタのベース電流をしゃ断する第１の保護器と、前記
トランジスタと一体的に設けられ、トランジスタの温度
変化を抵抗変化として検出する感温抵抗素子を設け、こ
の検出したトランジスタの温度が上昇許容値を越えない
設定温度値に達したら前記トランジスタのベース電流を
しゃ断する第２の保護器とを備え、第１の保護器と第２
の保護器とを並列に動作させどちらか早イ方の保護器の
動作でトランジスタのベース’ＷＬＲをしゃ断してトラ
ンジスタをオフにし故障電流をしゃ断することを特徴と
する半導体しゃ断器。