BR112013009162B1

BR112013009162B1 - Disjuntor eletronico com modo alternado de operaqao utilizando fonte de alimentaqao auxiliar e metodo para operar um disjuntor eletronico

Info

Publication number: BR112013009162B1
Application number: BR112013009162-2A
Authority: BR
Inventors: Joseph Beierschmitt; Jeremy D. Schroeder
Original assignee: Schneider Electric Usa, Inc
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-10-15
Publication date: 2020-11-24
Also published as: PL2887481T3; ES2672774T3; US8675325B2; MX2013003850A; EP2630713B1; BR112013009162A2; CA2814005A1; ZA201302624B; TR201808067T4; JP2013541166A; CN103155327A; CN103155327B; PL2630713T3; EP2887481A1; CA2814005C; RU2013116580A; US20120098347A1; JP5871940B2; WO2012054363A1; RU2578679C2

Abstract

INTERRUPTOR DE CIRCUITO ELETRÔNICO COM MODO ALTERNADO DE OPERAÇÃO UTILIZANDO FONTE DE ALIMENTAÇÃO AUXILIAR. Interruptor de circuito eletrônico que inclui contatos mecânicos controláveis (12) adaptados para conectarem uma fonte de alimentação primária (10) a pelo menos uma carga (11); e conjunto de circuitos de controle (14-19) voltados para a monitoração do fluxo de força advindo da fonte de alimentação primária (10) junto à carga (11), detectando as condições de falha e abrindo automaticamente os contatos (12) em resposta a detecção de uma condição de falha. Uma fonte de alimentação primária (10) fornece força para o conjunto de circuitos de controle (14-19) quando os contatos (12) se encontram fechados, com uma fonte de alimentação auxiliar (20) fornecendo força até o conjunto de circuitos de controle (14-19) quando os contatos se encontram abertos, seja através de disparo ou por meio de abertura manual.

Description

Campo da Invenção:

Esta invenção se refere a disjuntores eletrônicos, em particular, a um disjuntor aperfeiçoado que entra em um modo operacional de proteção sem falhas fazendo uso de uma fonte de alimentação auxiliar, após um sinal de disparo ter sido produzido.

Antecedentes:

Quando se operando um disjuntor eletrônico, é altamente desejável que quaisquer funções desempenhadas no sentido de melhorar o software ou o firmware do microcontrola- dor do disjuntor possam ser efetuadas sem interrupção e sem o sacrifício de proteção da carga. Em um disjuntor eletrônico tradicional, uma vez havido o disparo, o microcontrolador controlando o disjuntor fica sem energia e torna-se inacessível. Desse modo, para os disjuntores eletrônicos já conhecidos, a função do microcontrolador é a de ligar ou desligar, refletindo a posição de fechado ou aberto, respectivamente dos contatos do disjuntor.

Para se realizar um aprimoramento do firmware, o disjuntor necessita tanto de vir a 1) ser removido do centro de carga, ou 2) de desempenhar a proteção quanto a falha durante o processo de aprimoramento, ou 3) entrar em um modo operacional aonde não seja requerida a proteção quanto a falha. Com respeito ao item 1), a remoção do disjuntor do centro de carga não é algo ideal para aprimoramentos do firmware em termos do tempo de manutenção e do desgaste dos disjuntores e equipamentos associados, assim como aspectos referentes a segurança de remoção do disjuntor. Com respeito ao item 2), existe um auxiliar ao microprocessador necessário para proporcionar com proteção contra falhas durante o processo de aprimoramento ou da determinação quanto a se o disjuntor pode dar entrada em um modo operacional aonde não se faz necessária a proteção quanto a falha. Um exemplo de atualização do firmware, enquanto proporcionando proteção, requer duas seções de programa separadas e uma seção de inicialização em separado. Não existe compromisso quanto a se garantir proteção, o novo programa deve ter de ser escrito em uma seção da memória em separado enquanto o programa existente prossegue na detecção de proteção quanto a falha. Então, uma vez que venha a ser validado o programa, o processador terá de ser novamente configurado, e a seção de inicialização do microcontrolador terá de rastrear qual programa de firmware a ser usado no futuro de forma a sempre se dirigir ao programa mais recente. Um auxiliar ao processador é requerido para lidar com uma situação em que uma falha vem a ser detectada, e um novo programa vem a ser escrito junto à seção de programa para assegurar-se que o disjuntor não venha a dar entrada em um modo operacional prejudicial.

Atualmente, os disjuntores eletrônicos residenciais (AFCI) monitoram e dão prote-ção contra muitos tipos diferenciados de condições de falha. Quando um disjuntor sinaliza, torna-se vantajoso se conhecer qual tipo de falha o disjuntor veio a interromper de forma a

corrigir de forma rápida e apurada a condição de falha. Os módulos eletrônicos em tais disjuntores se encontram capacitados a indicarem falha de interrupção somente quando os componentes eletrônicos se encontram acionados. Normalmente, isto requer o fechamento de novo do disjuntor para indicar a causa da falha de interrupção, indicando também a reen- ergização da falha, caso a falha ainda se faça presente. De forma a fechar de novo com segurança o disjuntor, um técnico de eletrônica deve abrir o centro de carga e remover a fiação da carga neutra e da carga de linha do disjuntor. Seria desejável ter-se um mecanismo secundário de energização do módulo eletrônico para possibilitar a que o módulo eletrônico indique a falha da interrupção, sem haver a necessidade de se reenergizar a falha junto à níveis que poderiam ser avaliados como perigosos, eliminando-se assim a necessidade quanto a remoção dos fios de carga do disjuntor.

Breve Sumário:

De acordo com uma modalidade, um disjuntor eletrônico inclui contatos mecânicos controláveis para conexão junto a uma fonte de alimentação primária, pelo menos, para uma carga, e circuitos de controle para a monitoração do fluxo de alimentação advindo da fonte de alimentação primária junto à carga, detectando as condições de falha, produzindo um sinal de disparo em resposta a mesma, e abrindo de forma automática os contatos. Uma fonte de alimentação primária fornece energia aos circuitos de controle quando os contatos estão fechados, e uma fonte de alimentação auxiliar fornece energia aos circuitos de controle quando os contatos se encontram abertos.

Através do fornecimento de energia aos circuitos de controle a partir de uma fonte de alimentação auxiliar, enquanto os contatos do disjuntor se encontram abertos, este sistema de disjuntor evita qualquer necessidade quanto ao fechamento do disjuntor em função de uma falha nociva para a determinação da razão de ter havido disparo do disjuntor. Isto evita ainda qualquer necessidade quanto a remoção da fiação do ramal do circuito do disjuntor, ou da remoção do disjuntor de um centro de carga, de forma a se atualizar o firmware, indicando a causa de um disparo, ou efetuando os diagnósticos sobre a fiação do ramal.

Em uma implementação, pelo menos, um sensor vem a ser acoplado com o fluxo de alimentação a partir da fonte de alimentação primária junto à carga, produzindo um sinal de saída representativo de uma característica do fluxo de alimentação, e os circuitos de controle efetuam a amostragem de dados derivados do sinal de saída, processando aqueles dados para a detecção de condições para falhas. Os circuitos de controle também detectam falhas na amostragem de dados e produz um sinal de disparo em resposta a uma quantidade pré-selecionada de falhas detectadas na amostragem de dados. Os circuitos de controle podem detectar também falhas na amostragem de dados por meio da detecção de ausência de uma passagem por zero de uma tensão CA fornecida pela fonte de alimentação primária junto à carga, conforme possa vir a ocorrer mediante abertura manual dos contatos através do cabo do disjuntor, levando a que os circuitos de controle emitam um sinal de disparo.

Breve Descrição dos Desenhos:

A invenção poderá ser melhor entendida tomando como referência a descrição for-necida a seguir, e considerando os desenhos de acompanhamento, aonde: a FIG. 1 consiste de um diagrama esquemático de uma porção dos circuitos elétri-cos em um disjuntor eletrônico incorporando uma fonte de alimentação auxiliar e modos alternados de operação.

A FIG. 2 consiste de um fluxograma de uma rotina executado pelo microcontrolador nos circuitos da FIG. 1 para ativação da fonte de alimentação auxiliar e o controle do modo operacional do disjuntor eletrônico.

Descrição Detalhada:

Muito embora a invenção venha a ser descrita em conexão com certas modalidades preferidas, deve-se compreender que ela não fica restrita a essas modalidades particulares. Pelo contrário, a invenção destina-se a abranger todas as disposições alternativas, modificações e formatos equivalentes que possam vir a serem inclusos dentro do espírito e escopo da invenção definida de acordo com as reivindicações em apenso.

A FIG.1 ilustra uma porção dos circuitos de controle para um disjuntor monitorando a fonte de alimentação elétrica fornecida junto a uma ou mais cargas 11 a partir de uma fonte de alimentação primária 10, tal como uma fonte de alimentação de 120 volts CA. Durante a operação normal, ou seja, na ausência de presença de falhas, a fonte 10 fornece com alimentação CA até a carga 11 através dos contatos de disjuntor 12 normalmente fechados em um circuito de disparo 13. Além disso, a alimentação CC é fornecida ao microcontrolador 14 no disjuntor a partir de uma ponte de diodo 15 retificando a alimentação CA advinda da fonte 10 produzindo uma saída CC fornecida a um circuito regulador de pré-tensão 17 através de um circuito de monitoração de tensão 16. O circuito regulador de pré-tensão 17 por sua vez fornece alimentação até a um regulador de tensão 18, o qual fornece com uma tensão de entrada CC regulada ao microcontrolador 14.

Quando ocorre a detecção de uma falha pelo disjuntor, o microcontrolador 14 produz um sinal de disparo que vem a ser fornecido até ao circuito de disparo 13 abrindo de forma automática os contatos do disjuntor 12, e interrompendo o fluxo de corrente elétrica chegando até a carga 11.0 microcontrolador também armazena informação, tipicamente, identificando a razão para o disparo, tal como a detecção de uma falha de aterramento ou uma falha por faísca.

De modo a se capacitar o microcontrolador 14 para ser usado enquanto os contatos do disjuntor 12 se encontram abertos, a alimentação pode ser fornecida ao microcontrolador 14 a partir de uma fonte de alimentação auxiliar 20, tal como uma bateria, por meio do fechamento de uma chave 20a. Isto conecta a fonte de alimentação auxiliar 20 com o regulador de tensão 18, que por sua vez energiza o microcontrolador 14. Deve ser apreciado que a bateria pode ser conectada diretamente no disjuntor sem a necessidade da presença de uma chave.

Existem diversas razões que podem ser desejáveis para ter-se a capacidade de operação do microcontrolador 14 enquanto os contatos de disjuntor 12 se encontram abertos. Por exemplo, é desejável ser-se capaz de aprimorar o firmware do microcontrolador 14 ou de se efetuar os diagnósticos de fiação de ramal sem a necessidade de ter de se remover o disjuntor de um centro de carga e/ou evitando a necessidade por um auxiliar ao processador adicional no interior do disjuntor eletrônico. Como forma de outro exemplo, é desejável ser-se capaz quanto ao acesso ao microcontrolador para determinar o tipo de falha que veio a produzir o disparo, enquanto os contatos de disjuntor se encontram abertos pelo sinal de disparo.

O fluxograma na FIG. 2 ilustra como o firmware no microcontrolador 12 permite que o disjuntor eletrônico entre em qualquer dos dois modos de operação alternativos mutuamente exclusivos proporcionando tanto um modo de operação normal (por exemplo, proteção a falha) ou um modo de operação alternado (por exemplo, aprimoramento do firmware). Especificamente, os dois modos alternados de operação permitem que o microcontrolador 14 seja energizado por qualquer fonte primária fornecida através dos contatos fechados do disjuntor principal 12, ou através da fonte de alimentação auxiliar 20 quando os contatos de disjuntor 12 se encontram abertos, tal como pelo uso de um cabo manual incluído com todos os disjuntores para controle e reconfiguração manual dos contatos de disjuntor 12.

Com referência a FIG. 2, mediante a energização dada por qualquer fonte, o fir-mware entra em um estado inicial, aonde este estado inicial do microcontrolador é reconfigurado na etapa 30, com os diagnósticos sendo inicializados na etapa 31 e a detecção quanto a falha inicializada na etapa 32. Em sequência a inicialização de detecção quanto a falha, o sistema avança até um par de estados concorrentes representados pelas etapas 33-35 em um trajeto e, com as etapas 36-37 através de um trajeto paralelo.

No trajeto referente a "Detecção de Falha", a etapa 33 faz uma amostragem dos dados a serem utilizados para a detecção das condições de falhas (por exemplo, os dados derivados do circuito de monitoração de tensão 16), e, em seguida, na etapa 34 faz uso do dado amostrado em algoritmos que são executados para a detecção de quando veio a ocor-rer uma falha. Desde que não haja detecção de qualquer falha, a etapa 35 provêm com uma resposta negativa, retornando o sistema para a etapa 33, prosseguindo na amostragem de dados advindos do circuito de monitoração de tensão 16. Este enlace prossegue desde que os dados continuem a serem amostrados na etapa 33, e que não ocorra nenhuma condição quanto a detecção de falha pelos algoritmos executados na etapa 34.

Concomitantemente, no trajeto paralelo "Detecção de Diagnóstico em Sistema", a etapa 36 detecta quando existe uma falha presente no dado amostrado, tal como por meio de detecção de falha ao início da amostragem (por exemplo, a não ocorrência de uma pas-sagem por zero da tensão CA primária). Isto representa um fator de diagnóstico de segurança contra falha padrão em disjuntores eletrônicos, executado, tipicamente, por um cronômetro convencional de vigia no firmware, implicando em não se ter um auxiliar ao processador adicional junto ao microcontrolador 14. A etapa 37 contabiliza as falhas detectadas na etapa 36 e determina quando o número de falhas consecutivas vem a atingir uma "contagem de falhas" pré-configurada indicando a detecção de realidade de falha. Assim que a etapa 37 forneça uma resposta negativa, o sistema volta para a etapa 36 dando continuidade a ob-servação quanto a falhas nos dados de amostra. Este enlace continua desde que não seja atingida a "contagem de falhas" pré-configurada. Caso o disjuntor seja desligado manual-mente, ou seja, os contatos 12 estejam abertos, o sistema dá por concluído o exame e uma resposta afirmativa é provida.

Uma resposta afirmativa, tanto na etapa 35 quanto na etapa 37 leva a que um sinal de disparo venha a ser produzindo na etapa 38. O sinal de disparo é enviado ao circuito de disparo 13, o qual abre os contatos principais 12 para a remoção da fonte de alimentação primária 10 a partir do sistema de disjuntor. Após ter sido expedido o sinal de disparo na etapa 38, um modo alternado de operação é iniciado na etapa 39.

O modo de operação alternado prossegue somente no caso da chave 20a ter sido fechada para conexão da fonte de alimentação auxiliar 20 com o regulador de tensão 18 para fornecimento de alimentação ao microcontrolador 14. Caso haja a conexão da fonte de alimentação auxiliar 20, o microcontrolador continua a receber alimentação, e diversas operações podem ser processadas pelo microcontrolador. Quando o microcontrolador é energi- zado pela fonte de alimentação auxiliar 20, o evento de início de amostragem não ocorre devido a que os contatos principais 12 se encontram abertos. Desse modo, a conclusão dos intervalos de tempo de vigia ocorre sucessivamente, levando a uma resposta afirmativa na etapa 37, com a produção de uma sinal de disparo na etapa 38, e o início do modo de operação alternado na etapa 39. No modo de operação alternado, o sinal de disparo está sempre presente, de modo que se os contatos principais 12 se encontram fechados, o circuito de disparo 13 reabre imediatamente aqueles contatos. Caso a fonte de alimentação auxiliar venha a ser removida, por exemplo, por meio da abertura da chave 20a ou quando a batería chega ao final de seu tempo de vida útil, o modo de operação alternado é concluído. Isto proporciona com um fator auto-protetor quando a fonte de alimentação se faz presente.

No exemplo ilustrativo da FIG. 2, o sistema prossegue da etapa 39 para a rotina "Atualização do Firmware". A primeira etapa desta rotina consiste na etapa 40 que efetua a verificação da entrada de comunicações do microcontrolador 14, recebendo e armazenando temporariamente o novo firmware na etapa 41. A etapa 42 escreve e verifica este novo firmware, enquanto os contatos principais 12 permanecem abertos. Conforme já mencionado, outras operações podem ser efetuadas também no modo alternado, tal como o restabelecimento e exposição quanto a causa da falha ou dos diagnósticos de fiação do ramal. Com os contatos principais 12 abertos, não ocorre qualquer fornecimento de energia para a carga 11 durante o modo alternado, e não existe necessidade de proteção a falha. Isto possibilita que venham a ser efetuadas operações, tais como atualização do firmware e exposição da causa da falha no modo alternado sem haver a remoção ou desconexão dos fios de carga ou do disjuntor do centro de carga.

O emprego do teste de diagnóstico existente para uma passagem por zero de uma tensão CA não requer a presença de um auxiliar ao processador adicional para a determinação de entrada no modo de operação alternado. O auxiliar de processador é definido na forma de uso dos ciclos horários adicionais ou na presença de mais alimentação para a 5 execução de uma operação antes de haver a expedição do sinal de disparo. O cronômetro de vigia compreende de parte típica do firmware padrão para um disjuntor eletrônico, de maneira que não estão presentes auxiliares adicionais ou existem restrições quanto a uma sincronização adicional.

Embora hajam sido ilustradas e descritas modalidades e aplicações particulares da 10 presente invenção, deve-se compreender que a invenção não fica limitada a construção precisa e as composições descritas neste relatório e que diversas modificações, alterações, e variações podem ser evidenciadas a partir das descrições anteriores sem haver desvio do espírito e escopo da invenção definida de acordo com o quadro de reivindicações em apenso.

Claims

1. Método para operar um disjuntor eletrônico que inclui contatos mecânicos controláveis (12) adaptados para conectar uma fonte de alimentação primária (10) a uma carga (11), o referido método compreendendo: monitorar um fluxo de alimentação advindo da referida fonte de alimentação primária (10) a referida carga (11), detectar condições de falha, produzir um sinal de disparo, e abrir de forma automática os referidos contatos mecânicos (12) em resposta à detecção de uma condição de falha, a partir de circuitos de controle (14) no referido disjuntor eletrônico; fornecer alimentação para os referidos circuitos de controle (14) a partir da referida fonte de alimentação primária (10) quando os referidos contatos mecânicos (12) estiverem fechados; fornecer alimentação para os referidos circuitos de controle (14) a partir de uma fonte de alimentação auxiliar (20) quando os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos; e o método CARACTERIZADO por: receber e armazenar aprimoramentos de firmware enquanto a referida fonte de alimentação auxiliar (20) estiver fornecendo alimentação aos referidos circuitos de controle (14) e enquanto os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de incluir ainda: produzir um sinal de saída representando uma característica do fluxo de alimentação advindo da referida fonte de alimentação primária (10) a referida carga (11), amostrar dados derivados do referido sinal de saída, processar os referidos dados para detecção das condições de falha, detectar falhas nos referidos dados amostrados e produzir um sinal de disparo em resposta a um número pré-selecionado das referidas falhas detectadas nos referidos dados amostrados.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato das referidas falhas detectadas dos referidos dados amostrados serem detectadas por meio da detecção da ausência de uma passagem por zero de uma tensão CA fornecida pela referida fonte de alimentação primária (10) a referida carga (10).

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato dos referidos recebimento e armazenamento dos referidos aprimoramentos de firmware incluem escrever e verificar os referidos aprimoramentos de firmware enquanto a referida fonte de alimentação auxiliar (20) estiver fornecendo alimentação aos referidos circuitos de controle (14) e enquanto os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de incluir ainda indicar um tipo da condição de falha que provocou a produção do sinal de disparo enquanto os referidos contatos mecânicos (12) estão abertos e enquanto a referida fonte de alimentação auxiliar (20) estiver fornecendo alimentação aos referidos circuitos de controle (14).

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de incluir ainda comutar de forma automática os referidos circuitos de controle (14) entre um modo de operação de proteção de falha quando os referidos contatos mecânicos (12) estão fechados, e um modo de operação alternado quando os referidos contatos mecânicos (12) estão abertos.

7. Disjuntor eletrônico, compreendendo: contatos mecânicos controláveis (12) adaptados para conectarem uma fonte de alimentação primária (10) a uma carga (11), circuitos de controle (14) para monitorar um fluxo de alimentação advindo da referida fonte de alimentação primária (10) para a referida carga (10), detectar condições de falha e produzir um sinal de disparo para abertura automática dos referidos contatos mecânicos (12) em resposta à detecção de uma condição de falha, um regulador de tensão (18) para fornecer alimentação para os referidos circuitos de controle (14) a partir da referida fonte de alimentação primária (10) quando os referidos contatos mecânicos (12) estão fechados, uma fonte de alimentação auxiliar (20) para fornecer alimentação aos referidos circuitos de controle (14) quando os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos e CARACTERIZADO por: pelo menos um sensor (16) acoplado ao fluxo de alimentação da referida fonte de alimentação primária (10) a referida carga (10) e produzindo um sinal de saída representando uma característica do referido fluxo de alimentação, e os referidos circuitos de controle (14) realizam amostragem de dados derivados do referido sinal de saída e processam os referidos dados para detectar condições de falha, os referidos circuitos de controle (14) detectando ainda as falhas nos referidos dados amostrados e produzindo um sinal de disparo em resposta a uma quantidade pré-selecionada das referidas falhas detectadas nos referidos dados amostrados.

8. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato dos referidos circuitos de controle (14) detectam falhas nos referidos dados amostrados por meio da detecção da ausência de uma passagem por zero de uma tensão CA fornecida pela referida fonte de alimentação primária (10) na referida carga (11).

9. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato dos referidos circuitos de controle (14) receberem e armazenarem os aprimoramentos de firmware enquanto a referida fonte de alimentação auxiliar (20) estiver fornecendo alimentação aos referidos circuitos de controle (14) e enquanto os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos.

10. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato dos referidos circuitos de controle (14) indicarem um tipo da condição de falha que veio a provocar a produção de um sinal de disparo enquanto os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos e enquanto a referida fonte de alimentação auxiliar (20) estiver fornecendo alimentação para os referidos circuitos de controle (14).

11. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato da referida fonte de alimentação auxiliar (20) consistir em uma bateria.

12. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de incluir uma chave (20a) para acoplar a referida fonte de alimentação auxiliar (20) nos referidos circuitos de controle (14).

13. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato dos referidos circuitos de controle (14) incluírem um microcontrolador adaptado para receber alimentação através dos referidos contatos mecânicos quando os referidos contatos mecânicos estiverem fechados ou através da referida fonte de alimentação auxiliar (20) quando os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos, e o referido microcontrolador (14) sendo programado para detectar as condições de falha, para abertura dos referidos contatos mecânicos (12) em resposta à detecção de uma condição de falha, e para comutar de forma automática entre um modo de operação de proteção de falha quando os referidos contatos mecânicos (12) estiverem fechados, e um modo de operação alternado quando os referidos contatos mecânicos (12) estiverem abertos.

14. Disjuntor eletrônico, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato do referido microcontrolador (14) ser programado para detectar o acoplamento da referida fonte de alimentação primária (10) no referido microcontrolador (14) através dos referidos contatos mecânicos (12), e para comutar de forma automática para o referido modo de operação alternado quando a referida fonte de alimentação (10) não se encontrar acoplada com o referido microcontrolador (14) através dos referidos contatos mecânicos (12).