PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60107204T2 03.11.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001252526
Titel STROMDETEKTOR UND HIERMIT VERSEHENE STROMMESSVORRICHTUNG INKLUSIVE TEMPERATURKOMPENSATION
Anmelder Eaton Electric Ltd., Worsley, Manchester, GB
Erfinder SKERRITT, Charles, Robert, Conwy LL30 3HX, GB;
CROSIER, David, Mark, Holyhead, Isle of Anglesey LL65 1PD, GB;
MURRAY, Anthony, Martin, Bangor LL57 2AX, GB;
REEDER, Martin, Brian, Trearddur Bay, Isle of Anglesey LL65 2AZ, GB
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60107204
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.01.2001
EP-Aktenzeichen 019004878
WO-Anmeldetag 08.01.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/GB01/00060
WO-Veröffentlichungsnummer 0001050143
WO-Veröffentlichungsdatum 12.07.2001
EP-Offenlegungsdatum 30.10.2002
EP date of grant 17.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.11.2005
IPC-Hauptklasse G01R 19/32

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine Reststrom-Erfassungseinrichtung, mit einem Stromsensor und einer Temperaturkompensations-Möglichkeit.

Die JP 04083175 offenbart einen Stromdetektor, der durch Verbinden eines Leiters mit einem Schaltungssubstrat, auf dem eine Spannungsmessschaltung angebracht ist, gebildet ist.

Die US 6028426 offenbart eine Strommessvorrichtung zum Messen von Strom in einem Nebenschluss, der einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Nebenschlusses einschließt.

Herkömmlicherweise wird ein Reststrom unter Verwendung eines Stromtransformators erfasst, der Primärwicklungen aufweist, durch die, im Fall einer einzelphasigen Einrichtung, ein Laststrom in entgegengesetzte Richtungen fließt, so dass dann, wenn der Rückkehrstrom sich von dem nach außen fließenden Strom wegen eines Stromlecks unterscheidet, ein Ausgangsstromsignal in einer Sekundärwicklung des Transformators induziert wird. Für den Fall einer mehrphasigen Einrichtung sind Primärwicklungen des Transformators in sämtliche Phasenleitungen und die neutrale Leitung geschaltet. In normalen Situationen, bei denen kein Leckstrom vorhanden ist, ist der Nettostrom, der in der Sekundärwicklung induziert wird, Null und deshalb wird kein Ausgang erfasst.

Ausgefeilte Materialien sind für den Kern des Stromtransformators entwickelt worden, die ermöglichen, dass eine beträchtliche Genauigkeit erhalten wird, wenn die Ströme, die in den Primärwicklungen fließen, im Wesentlichen sinusförmig sind. Jedoch werden für Computer und andere Geräte oft Schaltnetzteile verwendet und deshalb besteht eine zunehmende Tendenz, dass derartige Geräte DC Verschiebungen (Offsets) in den Strömen verursachen. Derartige Entwicklungen haben Detektoren, die Stromtransformatoren verwenden, weniger zuverlässig gemacht und haben Detektoren dazu gemacht, dass sie zu einem falschen Auslösen oder einem Ausfall beim Delektieren eines DC Stromlecks neigen.

Dies ist ein besonderes Problem für den Fall von direkt betätigten elektro-mechanischen Einrichtungen, bei denen die Sekundärwicklung des Stromtransformators tatsächlich einen Aktuator ansteuert. Die Situation wird nicht sehr viel verbessert, wenn eine elektronische Erfassungs- und Verstärkungseinrichtung eingebaut wird, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist, da es noch Probleme mit hochfrequenten transienten Vorgängen und DC Verschiebungen gibt. Ein sehr kleiner DC Strompegel kann bewirken, dass sich der Kern sättigt, wodurch die Fähigkeit des Detektors zum Erfassen eines Stromlecks stark beeinträchtigt wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Reststrom-Erfassungseinrichtung in einer wirtschaftlichen Ausbildung mit einem Stromsensor bereit zustellen, der in der Lage ist direkt einen Strom oder eine Spannung, zugeführt an eine last, zu erfassen und der eine Temperaturerfassungseinrichtung einschließt, um eine Temperaturkompensation zu ermöglichen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine Reststrom-Erfassungseinrichtung vorgesehen, wie im Anspruch 1 definiert.

Ausführungsformen der Erfindung weisen den Vorteil auf, dass der Temperatursensor der Temperatur des mittleren Abschnitts sehr eng folgen wird. Es ist deshalb möglich Änderungen in dem Widerstand des mittleren Abschnitts als Folge von Temperaturveränderungen, wenn sich der dadurch fließende Strom ändert, zu kompensieren.

Der Temperatursensor kann in den Analog-zu-Digital-Wandler eingebaut (d. h. integriert) werden. In diesem Fall wird er einen Teil eines Halbleiterchips bilden, der direkt auf dem mittleren (zwischenliegenden) Abschnitt angebracht ist. Alternativ ist der Temperatursensor vorzugsweise ein elektronischer Halbleiter-Temperatursensor, der direkt auf dein Nebenschluss mit einem thermisch leitenden Klebemittel angebracht ist.

Der Analog-zu-Digital-Wandler für jeden Nebenschluss kann einen Delta-Sigma-Modulator einschließen, der einen Hochfrequenz-Einzelbit-Datenstrom erzeugt, der durch eine Dezimierungsfilterung auf einen Mehrbit-Digitalstrom bei einer niedrigeren Frequenz umgewandelt wird.

In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung kann jeder Nebenschluss ein starres metallisches Verbindungselement umfassen, welches zwei Endabschnitte aus einem leitenden Material und einem zwischenliegenden (mittleren) Abschnitt, der die zwei Endabschnitte untereinander verbindet, aufweist, wobei der zwischenliegende Abschnitt aus einem Widerstandsmaterial gebildet ist. Der Wandler kann analoge Eingangsanschlüsse, die mit jeweiligen der zwei Endabschnitte verbunden sind, und digitale Ausgangsanschlüsse zur Verbindung mit der Verarbeitungsvorrichtung aufweisen. Derartige zusammengesetzte Streifen können kostengünstig in einer Massenherstellung auf sehr hohe Toleranzen hergestellt werden, was sie extrem geeignet für diesen Zweck macht.

In zweckdienlicher Weise ist der Wandler an dem zwischenliegenden Abschnitt durch eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Klebematerial angebracht und die analogen Eingansanschlüsse des Wandlers sind mit den Endabschnitten über Drahtbindungen verbunden.

Der Wandler umfasst vorzugsweise einen Delta-Sigma-Modulator, der Hochfrequenz-Einzelbit-Digitaldaten bereit stellt. Ein oder mehrere Dezimierungs-Filterstufen können in dem Wandler enthalten sein.

Der Wandler kann auch einen Spannungsreferenzanschluss zur Verbindung mit einer Referenzspannungsquelle aufweisen, wobei der Wandler arbeitet, um digitale Ausgangssignale, die jeweils den durch den mittleren Abschnitt fließenden Strom darstellen, und digitale Ausgangssignale, die die Spannung auf einem der Endabschnitte darstellen, bereit zu stellen.

Der Analog-zu-Digital-Wandler für jeden Nebenschluss ist vorzugsweise mit dem Prozessor durch eine Isolationsbarriere verbunden, sodass der Wandler auf dem Spannungspegel des Nebenschlusses, den er bedient, schweben kann. Die Dezimierungs-Filterung kann vollständig in dem Wandler oder vollständig in dem Prozessor bewirkt werden oder zwischen dem Wandler und dem Prozessor aufgeteilt werden.

Ausführungsformen der Erfindung erlauben einen hohen Genauigkeitsgrad bei der Messung des Stroms und der Spannung in der Schaltung, die gerade überwacht wird. Es ist wünschenswert die Temperatur des Stromsensors für den Zweck einer Kompensation von Änderungen in der Umgebungstemperatur zu messen.

Um Restströme von 1 bis 10 mA in dem Hintergrund eines Energieversorgungsstroms in der Größenordnung von 100-ten von Amps zu erfassen, muss der Genauigkeitsgrad einer Größenordnung von einem Teil in 100000 sein. Eine nützliche Reststromeinrichtung arbeitet, um Restströme in der Größenordnung von einigen Wenigen bis einigen Zehn mA zu erfassen, typischerweise derart, dass die Schaltung ausgelöst wird, wenn der erfasste Reststrom ungefähr 30 mA erreicht. Jedoch können weniger empfindlichere Restsrom Auslöseschwellen eingestellt werden, wie beispielsweise eine Auslösung bei Reststrompegeln so hoch wie 100 mA. Dies ist ein Grad einer Genauigkeit, der mehrere Größenordnungen größer als der Grad der Genauigkeit ist, der für Leistungsabmessanwendungen und dergleichen benötigt wird, bei denen es ausreichend ist einen Strom auf eine Genauigkeit von 1 % zu messen. Es ist deshalb vorteilhaft eine Temperaturkompensation in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung bereit zu stellen, um eine genaue Messung des Reststroms sicherzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur des Stromsensors auf eine Genauigkeit von plus oder minus 0,25 Grad C bis plus oder minus 0,5 Grad C gemessen und die Einrichtung kann über dem erwartenden Temperaturbereich, d. h. minus 5 Grad C bis 85 Grad C, kalibriert werden.

Eine Spannungsmessung wird für eine Leistungsabmessung benötigt, aber eine praktische Ausführungsform könnte auf eine Genauigkeit von 1 % messen, obwohl die Spannung in einer bevorzugten Ausführungsform auf eine Genauigkeit von einem Teil in ungefähr 1000 oder besser gemessen wird.

Da jeweils der Strom, die Spannung und die Temperatur unabhängig gemessen werden ist es möglich andere Funktionalitäten zu erfassen, wie eine Leistungsmessung und/oder eine Strommessung und/oder einen Bogenfehlerschutz. Zum Beispiel können abnormal hohe Strommessungen für erweiterte Perioden die Folge einer Überlastung, von Kurzschlüssen oder Fehler einer Leitung-nach-Masse und derartigen Ereignissen sein. Andere Ereignisse können ebenfalls erfasst werden, wie abnormale Veränderungen in einem Stromprofil über der Zeit. Derartige Ereignisse können Fehler anzeigen, die eine Reststromeinrichtung nicht aktivieren würden. Eine breite Vielfalt von elektrischen Charakteristiken zeigen sich durch wenigstens einige Bogenbildungsfehler und durch eine Überwachung des Stroms und der Spannung mit der Genauigkeit, die durch die Ausführungsformen der Erfindung bereit gestellt wird, ist es möglich Situationen zu erfassen, bei denen Bogenfehler gerade auftreten. Diese Überwachung kann eine Erfassung von Spannungsabfällen, die Bogenbildungsereignisse anzeigen, oder ein Vergleichen der gewöhnlichen Spitzenspannung der Schaltung mit der tatsächlichen Schaltungsspannung in der zeitgerechten Nähe des gewöhnlichen Auftretens der Spitzenspannung einschließen. Zum Beispiel treten Spitzenspannungen bei Phasenwinkeln von 90 Grad von dem Nulldurchgangspunkt der Spannung auf. Eine Spannung, die zu dem Auftreten eines Bogenbildungsfehlers gehört, wird in der Nähe des 90 Grad Phasenwinkels stark verringert.

Das Problem ist, dass die Energiepegel von vielen Bogenkurzschlussschaltungen unzureichend sind, um viele, wenn nicht sämtliche, herkömmliche Schaltungsunterbrecher und einige herkömmliche Sicherungen auszulösen. Durch Verwenden der Strom- und Spannungserfassung in Ausführungsformen der Erfindung kann die Strom- und Spannungscharakteristik der Schaltung mir vorgeschriebenen Kriterien verglichen werden, die Bogenfehlerbedingungen darstellen. Die Charakteristiken von Bogenfehlern werden in verschiedenen Veröffentlichungen von Underwriters Laboratories, Inc. (UL) diskutiert, einschließlich: „Technology For Detecting And Monitoring Conditions That Could Cause Electrical Wiring System Fires: Contract No: CPSC-C-94-1112, September 1995"; „The UL Standard For Safety For Arc-Fault Circuit Interrupters, UL1699, First Edition, dated February 26, 1999".

Die Erfindung wird nun weiter mit Hilfe eines nicht-beschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine diagrammartige perspektivische Ansicht eines Beispiels der Erfindung, wie auf eine einzelphasige Einrichtung angewendet;

2 ein Blockdiagramm eines anderen Beispiels der Erfindung, wie auf eine dreiphasige Einrichtung angewendet;

3 eine perspektivische Ansicht, die eine der Stromerfassungseinrichtungen zeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpern;

4 eine Querschnittsansicht einer Stromerfassungseinrichtung der 3;

5 einen Aufriss der Einrichtung der 3;

6 ein Blockdiagramm einer einfachen Ausbildung der elektronischen Schaltung einer einzelnen Stromsensoreinrichtung;

7 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausbildung der elektronischen Schaltung,

8 ein Blockdiagramm einer noch anderen Form der elektronischen Schaltung, und

9 ein Blockdiagramm einer Form der elektronischen Schaltung, die einen Temperatursensor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet.

In der in 1 gezeigten Einrichtung haltert ein Substrat 10 zwei zusammengesetzte Leiterstreifen 11, 12. Jeder von diesen umfasst Endabschnitte 13 aus Kupfer und einen mittleren Abschnitt 14 aus einem Widerstandsmaterial, wie Mangan. Die Streifen werden gebildet, indem eine Sandwich-Anordnung abgeschnitten wird, die durch einen Elektronenstrahl-Schweißvorgang der Kupferabschnitte an gegenüberliegende Seiten des Mangan-Abschnitts gebildet wird. Die Nebenschlüsse, die durch die Widerstandsabschnitte gebildet sind, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, können einen normalen Widerstand von 0,2 m&OHgr; auf eine Toleranz von weniger als 5 % aufweisen. Wenn die zwei Nebenschlüsse 14, die auf einer Einrichtung verwendet werden, von angrenzenden Abschnitten der Sandwich-Anordnung gedrückt werden, sind sie auf innerhalb von 2 % angepasst. Unterschiede zwischen Charakteristiken von jeden zwei Einrichtungen sind vorwiegend linear. Somit kann eine Kalibrierung der Nebenschlüsse, die in eine Einheit gebaut sind, bei zwei unterschiedlichen Temperaturen im Grunde genommen Nebenschlussfehler beseitigen. In dieser Weise werden wenigstens zwei Temperaturmessungen durchgeführt. Zwei Temperaturmessungen werden genommen, weil der Unterschied in dem Nebenschluss A zu dem Nebenschluss B linear ist, wenn die Einrichtungen angrenzend zueinander sind.

Jedoch ist es wünschenswert eine direkte Kompensation von Temperaturschwankungen, die sich aus Stromschwankungen insbesondere in einem einzelnen Stromdetektor ergeben, zu ermöglichen. Der spezifische Widerstand eines Widerstandsmaterials mit idealer Genauigkeit ändert sich mit der Temperatur nicht. Im Vergleich mit reinen Metallen, wie Kupfer oder Aluminium, mit Widerstandstemperaturkoeffizienten- (Temperature Coefficient of Resistance; TCR) -Werten nahe zu 4000 ppm/°C, sind die große TCR Werte von Mangan (Manganin) oder Zeran (Zeranin) um mehr als einen Faktor von 400 besser über der interessierenden Temperatur, aber noch nicht Null.

In der Realität ist der Plot des Widerstands gegenüber der Temperatur (R(T)-Kurve) nicht strikt linear und es ist üblich die Kurven durch ein Polynom dritter Ordnung zu beschreiben. Im Allgemeinem bedeutet dies: R(T) = R0 * (1 + a0 *T + b0*T2 + c0*T3), wobei T = die Temperatur in °C (Grad Celsius) und R0 = der Widerstand bei Null °C ist.

Bei einer praktischeren Referenztemperatur von 20 °C lässt sich dies folgendermaßen umschreiben: R(T) = R20 *[ 1 + a0 *(T–20) + b0 *(T–20)2 + c0 *T(–20)3]

Die typischen Kurven für die Widerstandsmaterialien Mangan und Zeran werden durch die Hauptzusammensetzung der Legierungen bestimmt und verändern sich von Charge zu Charge sehr wenig. Die Herstellungsspreizung ist kleiner als 5 bis 10 ppm/°C. Diese geringfügigen Differenzen in dem TCR Wert können in einer winzigen Änderung des Koeffzienten erster Ordnung „a0" oder „a20" in der obigen Gleichung ausgedrückt werden und die zweiten und dritten Koeffizienten werden im Grunde genommen nicht geändert. Zum Beispiel wird eine dR(T)/R20-Kurve für unterschiedliche Chargen lediglich um den 20 °C Punkt herumgedreht und die Kurve selbst bleibt unverändert. Dies erklärt die Kalibrierung der Nebenschlüsse bei zwei unterschiedlichen Temperaturen, wie voranstehend erwähnt.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann es jedoch wünschenswert sein jeden einzelnen Nebenschluss in einem RCD zu kalibrieren, oder für den Fall des Stromsensors (Einzelnebenschluss) könnte dieser getrennt kalibriert werden. Bei einer Veränderung als ein Polynom dritter Ordnung würden wenigstens 4, wenn nicht mehr Punkte, für eine gute Kalibrierung benötigt werden.

Wie durch die obigen Gleichungen beschrieben, wenn die Temperatur und unser Referenzwiderstand R20 bekannt sind, ist es zum Beispiel möglich, mit einer geeigneten Anzahl von Punkten, die Koeffizienten aufzufinden und den Nebenschluss zu kalibrieren.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor selbst (der allgemein mit dem Bezugszeichen 15h in den 4 und 9 angezeigt wird) in das ASIC, das den Analog-zu-Digital-Wandler ADC einschließt, eingebaut (integriert) und ist ein Teil von diesem. Mit anderen Worten, der Temperatursensor wird ein elektronischer Halbleiter-Temperatursensor in dem ADC sein. Der ADC ist als ein Halbleiterchip direkt auf den Nebenschlüssen mit einem geeigneten thermisch leitenden Klebemittel angebracht und wird deshalb die Temperatur des Mangans (des Nebenschlusses) sehr genau verfolgen.

Vorzugsweise wird der Temperatursensorausgang über den Spannungsmodulator abgetastet. Er könnte seinen eigenen Modulator (siehe RCD 9, wo der hinzugefügte Temperaturkanal gezeigt ist) aufweisen oder in den Spannungskanal (siehe 2) multiplexiert sein.

Für eine Kalibrierung ist es möglich zu vermeiden mehrere stabile Temperaturen zu müssen bilden, um die Messungen herzustellen. Anstelle davon kann eine Messung zum Beispiel bei 20 °C durchgeführt werden und dann ein bekannter Strom angelegt werden, der die Nebenschlüsse aufwärmt. Mehrere Messungen können während dieses Prozesses durchgeführt werden, bis der Nebenschluss an seiner neuen Beharrungszustands-Temperatur als Folge des angelegten Stroms ankommt.

In dem in 1 gezeigten Beispiel gibt es ein getrenntes Signal-Vorverarbeitungs-ASIC 15, das auf jedem der Nebenschlüsse 14 angebracht und mit den Kupferendenabschnitten 13 der zugehörigen Leiterstreifen verbunden ist. Die zwei ASICs 15 sind über eine Isolationstransformatoranordnung 16 mit einem Hauptprozessor 17 verbunden. Die ASICs 15 arbeiten, um die zwei Spannungen über den Nebenschlüssen in einen digitalen Signalstrom umzuwandeln, der über die Isolationstransformatoranordnung an den Prozessor 17 kommuniziert wird. Der Hauptprozessor ist programmiert, um ein Ansteuersignal an einem Auslöse-Aktuator 18 bereit zu stellen.

Die tatsächlich bevorzugte strukturelle Konfiguration der Stromsensoren ist in den 3 bis 5 gezeigt. Diese zeigen Zuleitungen 40, die zwei analoge Eingangsanschlüsse des ASICs mit den zwei Kupferendenabschnitten 13 verbinden. Andere Zuleitungen verbinden andere Anschlüsse des ASIC 15 mit einem Zuleitungsrahmen 40a, mit dem sämtliche anderen externen Verbindungen hergestellt werden. 5 zeigt mit gepunkteten Linien einen Block 42 auf einem Verkapselungsmaterial und 4 zeigt eine elektrisch isolierende Klebeschicht 41, mit der das ASIC an dem mittleren Abschnitt 14 angebracht ist, der aus Mangan oder Zeran des zusammengesetzten Streifens 14, 15 sein kann. Die Streifen werden gebildet, indem eine Sandwich-Anordnung, gebildet durch eine Elektronenstrahlschweißung der Kupferbalken an gegenüberliegende Enden eines Manganstabs, abgeschnitten wird. Der Temperatursensor wird vorzugsweise innerhalb des ADC des ASIC 15 integriert.

6 zeigt, dass innerhalb des ASICs 15 ein einzelner Delta-Sigma-Modulator 15a vorgesehen ist. Es gibt auch eine analoge Eingangsschaltung, die Eingangsanschlüsse aufweist, die mit den Kupferendenabschnitten 13 verbunden sind. Der Ausgang des ASIC 15 in diesem Fall besteht aus einer hochfrequenten Einzelbit-Datensignalfolge. Bei der Verwendung würde der ASIC Ausgang über einen Transformator oder eine andere Isolationsbarriere 16 mit einem Prozessor 17 verbunden. Der Prozessor in dieser Anordnung ist konfiguriert, um ein oder mehrere Dezimierungs-Filteroperationen auszuführen, um den Einzelbit-Signalstrom in einen Mehrbit-Wert bei einer niedrigeren Frequenz umzuwandeln.

Der Prozessor 17 kann typischerweise konfiguriert werden, um Signale von einer Vielzahl der Detektoren zu empfangen und diese Signale aufzusummieren, um festzustellen, ob die Stromflüsse durch die Detektoren ausgeglichen sind. Eine derartige Anordnung kann für eine Reststromerfassung verwendet werden, wobei einem Aktuator erlaubt wird einen Schalter auszulösen, wenn festgestellt wird, dass eine Ungleichgewichts-Bedingung existiert. Der Prozessor 17 kann den momentanen Strompegel alternativ oder zusätzlich mit einem Auslösepegel vergleichen, sodass eine Überstrom-Auslösung gesteuert werden kann.

2 zeigt mit näheren elektrischen Einzelheiten eine dreiphasige Einrichtung. In diesem Fall gibt es vier Nebenschlüsse 14, einer in jeder Phasenleitung und einen vierten in der neutralen Leitung. Die ASICs 15 der 1 sind als vier getrennte Blöcke 20, 21, 22 und 23 gezeigt und es gibt eine Energieversorgungseinheit 24, die Leistung aus den Phasenleitungen auf der Netzseite der Nebenschlüsse 14 zieht und gesteuerte Spannungen an dem Prozessor 17 bereitstellt. Leistung wird an die vier Blöcke 20 bis 23 über Isolationsbarrieren 25, die die Anordnung (Array) 16 bilden, zugeführt. Jeder Block des ASICs umfasst einen Analogen-zu-Digital-Wandler in der Form eines Delta-Sigma-Modulators, der einen hochfrequenten Einzelbit-Digitaldatenstrom bereitstellt. Ein Multiplexer kann in jedem Wandler enthalten sein, sodass der Wandler an dem Prozessor, durch die jeweilige Isolationsbarriere, Signale bereitstellen kann, die sowohl den Strom in dem zugehörigen Nebenschluss als auch die Spannung an einem Ende davon darstellen. Der Prozessor verwendet diese Signale, um den Strom in jedem Nebenschluss zu überwachen und den Aktuator (das Stellglied) 18 zu betreiben, wenn ein Ungleichgewicht auftritt.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Spannungserfassungsverbindungen zu den ASICs über Widerstandsketten durchgeführt werden, die zwischen jede Phasenleitung und die neutrale Leitung geschaltet sind. Jede derartige Widerstandskette umfasst ein äußeres Paar von Genauigkeitswiderständen mit einem relativ niedrigen Ohm'schen Wert und einen mittleren Widerstand mit einem relativ hohen Ohm'schen Wert. Diese Widerstandsketten erlauben der RCD mit einer unabhängigen Referenz versehen zu werden. Wenn der neutrale ADC als die gewählte Systemreferenz genommen wird, dann kann die Betriebssoftware des Hauptprozessors die mehrere Signale verwenden, die von den mehreren Widerstandsketten abgeleitet werden, um jede Phase gegenüber der neutralen Referenz zu kalibrieren.

Die CPU ist programmiert, um die notwendigen Berechnungen auszuführen, um die Existenz eines Ungleichgewichts zu bestimmen, und kann den echten RMS Wert des Reststroms bestimmen, was herkömmliche Einrichtungen nicht richtig tun, insbesondere für den Fall von nicht-sinusförmigen Stromwellenformen. Die CPU kann programmiert werden, um ihr zu ermöglichen aus den Daten, die sie empfängt, zuverlässiger als herkömmliche Einrichtungen zu bestimmen, ob ein bestimmtes Ereignis in der Tat ein nicht akzeptables Leck ist. Zum Beispiel kann die CPU das historische Betriebsverhalten der Einheit berücksichtigen, wenn die Leckstromschwelle eingestellt wird, und kann Ereignisse ignorieren, die eine erkennbare „Signatur" aufweisen. In dieser Weise kann eine verbesserte Toleranz gegenüber einer sinnlosen Auslösung erhalten werden.

Eine Dezimierungsfilterung des hochfrequenten Einzelbit-Datenstroms wird benötigt, um jeden Datenstrom auf ein Mehrbit-Digitalsignal bei einer vorgegebenen Abtastfrequenz zu reduzieren. Beispielsweise kann jedes Stromsignal ein 23-bit Signal bei einer Abtastrate von 64 mal der Netzfrequenz sein, aber eine niedrigere Auflösung bei niedrigeren Abtastraten kann verwendet werden, wenn eine nichtlineare anstelle einer linearen Umwandlung akzeptabel ist. Die Dezimierungsfilterung ist typischerweise eine Funktion des Prozessors, wobei eine Filterung der vier Datenströme gleichzeitig ausgeführt wird, sodass Abtastwerte für sämtliche vier Nebenschlüsse gleichzeitig abgeleitet werden. Eine Schaltung, die eine derartige Anordnung verwendet, ist in 6 gezeigt, wie voranstehend beschrieben.

In einer alternativen Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, können ein oder mehrere Stufen der Dezimierungs-Filterung durch eine Hardware ausgeführt werden, die innerhalb des ASICs enthalten ist. Dies umfasst einen Treiber 15b für einen seriellen Ausgang, um die Bits des Mehrbit-Digitalsignals, das durch die Filterungsstufe 15c erzeugt wird, seriell an den Prozessor zu übertragen. Mehrbit-Digitalworte werden seriell über die Isolationsbarrieren anstelle eines Einzelbit-Signalstroms übertragen. Die Filterungsstufen können zwischen dem ASIC und dem Prozessor aufgeteilt werden. Mit dieser Anordnung kann die Konfiguration des Prozessors vereinfacht werden, da ein Teil des Dezimierungs-Filterungsbetriebs oder der gesamte Betrieb in dem ASIC ausgeführt wird.

Während sowohl der Strom als auch die Spannung überwacht werden sollen, wie in dem in 2 gezeigten System, kann die Schaltung 15, wie in 8 gezeigt, mit getrennten Modulations- und Filterungskomponenten für die zwei Signalströme und einer gemeinsamen seriellen Schnittstelle sein. Alternativ können getrennte serielle Schnittstellen verwendet werden. Das ASIC (Applications Specific Integrated Circuit) der 8 weist einen weiteren analogen Eingang auf, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden werden kann. Zwei analoge Eingangsstufen sind vorhanden und diese speisen Signale an zwei unabhängige Delta-Sigma-Modulatoren 15d, 15e. Wie gezeigt gibt es zwei unabhängige Dezimierungs-Filterungsstufen 15f, 15g für die zwei Einzelbit-Digitalsignalströme. Die Ausgänge der Stufen 15f, 15g können, wie gezeigt, mit einer gemeinsamen seriellen Ausgangsstufe verbunden sein oder (nicht gezeigt) getrennte serielle Ausgangsstufen können bereitgestellt werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Anordnung der 8 durch die Weglassung der zwei Filterungsstufen 15f, 15g, wenn die gesamte Filterung durch den Prozessor ausgeführt werden soll, modifiziert werden kann.

Wenn sowohl die Spannung als auch der Strom durch den Prozessor überwacht wird, kann eine genaue Kalibrierung der Nebenschlüsse erreicht werden. Dies erlaubt eine genauere Bestimmung des Stromgleichgewichts in RCD Anwendungen. Wenn sowohl der Strom als auch die Spannung beide auf einen hohen Genauigkeitsgrad überwacht werden, kann ferner eine genaue Leistungsverbrauchs-Abmessung erhalten werden.

Wenn die Einrichtungen der Erfindung in RCD- und in Überstrom-Auslösesystemen verwendet werden, kann der Prozessor programmiert werden, um die transienten Vorgänge zu erkennen, die auftreten können, wenn Lasten in eine Schaltung herein- und herausgeschaltet werden, um eine falsche Auslösung zu vermeiden. Viele andere zweckdienliche Funktionen können in den Prozessor hinein programmiert werden, was dadurch möglich gemacht wird, dass die hohe Genauigkeit der Strommessungen ausgeführt werden kann.

9 zeigt eine Anordnung ähnlich zu derjenigen der 8, mit Ausnahme der Hinzufügung eines Temperatursensors 15h in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Temperatursensor 15h wird über den Spannungsmodulator eingegeben und abgetastet. Der Sensor könnte seinen eigenen Modulator aufweisen oder könnte in den Spannungskanal (9), wie voranstehend erwähnt, hinein multiplexiert sein. Die Anordnung der 9 arbeitet, um in einen seriellen Datenstrom die Eingangsparameter des Stroms I, der Spannung V und der Temperatur T zu kombinieren.

Die beschriebenen Anordnungen erlauben, dass sogar bei der Anwesenheit von Schalt-Transienten und DC Verschiebungen eine sehr genaue Erfassung des Stromungleichgewichts bewirkt wird. Die Probleme, die sich aus einer potentiellen Sättigung des Stromtransformatorkerns ergeben, werden vollständig vermieden.

Da die CPU einen tatsächlichen Leitungsstrom und Spannungsdaten von jedem der Blöcke 20 bis 23 empfängt, kann sie programmiert werden, um andere Berechnungen auszuführen, wie beispielsweise eine Strombegrenzung und einen Leistungsverbrauch. Somit kann eine RCD Einrichtung, die wie voranstehend beschrieben konstruiert ist, auch die Funktionen eines herkömmlichen Schaltungsunterbrechers und/oder diejenigen eines Leistungsverbrauchs-Messgeräts bereitstellen, ohne dass irgendwelche zusätzlichen erfassenden oder Analog-zu-Digital-Komponenten benötigt werden. Die Einrichtung kann auch dafür ausgelegt werden, um einen Bogenfehlerschutz auszuführen.


Anspruch[de]
  1. Reststrom-Erfassungseinrichtung, umfassend eine Vielzahl von Widerstandsnebenschlüssen (14) zur Verbindung in jeweiligen einer Vielzahl von Leitungen, durch die Strom zu und von einer Last fließen kann, und eine Detektoreinrichtung, die auf die Spannung empfindlich ist, die sich über jedem der Nebenschlüsse (14) entwickelt, um irgendein Ungleichgewicht zwischen den Strömen, die durch die Nebenschlüsse (14) fließen, zu erfassen, gekennzeichnet durch einen Analog-zu-Digital-Wandler (15) in der Form einer integrierten Schaltung, die auf jedem der Widerstandsnebenschlüsse (15) angebracht ist, und eine Temperaturkompensationseinrichtung (15h), mit einem Temperatursensor, der auf oder innerhalb des Nebenschlusses oder innerhalb der integrierten Schaltung vorgesehen ist, um eine Kompensation für Schwankungen in dem Nebenschlusswiderstand mit Veränderungen in der Temperatur zu ermöglichen, wobei die Detektoreinrichtung einen Prozessor (17) zum Empfangen von digitalen Signalen von den Wandlern umfasst und bestimmt, ob ein Stromungleichgewicht existiert.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Nebenschluss (14) die Form eines zusammengesetzten Streifens mit leitenden Abschnitten (13) an dessen Enden und einem Widerstandsabschnitt, der die leitenden Abschnitte untereinander verbindet, annimmt.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Analog-zu-Digital-Wandler für jeden Nebenschluss (14) einen Delta-Sigma-Modulator einschließt, der einen Einzelbit-Digitalstrom hoher Frequenz erzeugt.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der der Wandler auch wenigstens eine Dezimierungs-Filterstufe einschließt, in der der Einzelbit-Digitalstrom hoher Frequenz in einen Mehrbit-Digitaldatenstrom bei einer niedrigeren Frequenz umgewandelt wird.
  5. Einrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei der jede integrierte Schaltung analoge Eingangsanschlüsse aufweist, die über Zuleitungsdrähte (40) mit den zwei leitenden Endabschnitten (13) des entsprechenden der Widerstandsnebenschlüsse verbunden sind.
  6. Einrichtung nach Anspruch 5, bei der die integrierte Schaltung ebenfalls einen Anschluss aufweist, der mit einer Spannungsreferenzquelle verbunden ist, und einen zweiten Wandler zum Bereitstellen eines digitalen Stroms in Abhängigkeit von der Spannung auf einem der leitenden Endabschnitte des zugehörigen einen der Nebenschlüsse (14) einschließt.
  7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der Nebenschluss ein starres metallisches Verbindungselement ist, und die Einrichtung ferner digitale Ausgangsanschlüsse zur Verwendung zu dem Prozessor (17) umfasst.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, bei der der Wandler an dem Verbindungselement (14) mit Hilfe einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Klebemittel (41) angebracht ist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der der Wandler (15) an dem Widerstandsabschnitt (14) angebracht ist.
  10. Einrichtung nach irgendeinem voranstehenden Anspruch, bei der der Wandler (15) arbeitet, um digitale Ausgangssignale bereitzustellen, die den Strom durch den Widerstandsabschnitt (14) darstellen.
  11. Strommessvorrichtung mit wenigstens einer Reststrom-Erfassungseinichtung nach Anspruch 10, wobei der Prozessor (17) die digitalen Ausgangssignale, die den Strom durch den Widerstandsabschnitt darstellen, empfängt und verarbeitet, um eine Strommessung bereitzustellen.
  12. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (15h) ein elektronischer Halbleitertemperatursensor ist, der direkt auf dem Nebenschluss (14) oder dessen Widerstandsabschnitt mit einem thermisch geeigneten leitenden Klebemittel angebracht ist.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, wobei der Temperatursensor (15h) in die integrierte Schaltung integriert ist, die den Analog-zu-Digital-Wandler (15) umfasst.
  14. Strommessvorrichtung oder Reststrom-Erfassungseinrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein oder mehrere Einrichtungen zur Leistungsmessung, Schaltungsunterbrechung und zum Bogenfehler-Schutz.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com