DE112022000383T5

DE112022000383T5 - Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes

Info

Publication number: DE112022000383T5
Application number: DE112022000383.9T
Authority: DE
Inventors: Eung Seok Kim
Original assignee: K Energy System Co Ltd
Current assignee: K Energy System Co Ltd
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023171880A1; KR102409588B1; KR102409588B9; US20230358794A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes vor, die derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtbogen-Frequenzband mittels mehrerer Bandpassfilter in mehrere Frequenzbänder segmentiert und dann für jedes Frequenzband es erkennt, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht, so dass ein Schalt- bzw. Leistungsrauschen, das hauptsächlich in einem konstanten Frequenzband erzeugt wird, ausgeschlossen ist, und dadurch die Genauigkeit der Lichtbogenerkennung verbessert, die Verwendung eines hochpreisigen Analog-Digital-Umwandlers minimiert, und auch die Genauigkeit der Lichtbogenbeurteilung durch das Erkennen eines Überschneidungsbereichs erhöht wird. Hierzu ist die erfindungsgemäße Erkennungsvorrichtung an einer Leitung angeschlossen und mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes versehen, so dass ein Tiefpassfilter, zumindest ein Bandpassfilter und ein Hochpassfilter auf ein Frequenzband, in dem die Entstehung eines Lichtbogens erwartet wird, angewandt sind, wobei das Frequenzband in mehrere Erkennungsbänder segmentiert und somit der Lichtbogen in den jeweiligen segmentierten Erkennungsbändern erkannt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes, insbesondere die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtbogen-Frequenzband, in dem ein Lichtbogen erzeugt wird, in mehrere Frequenzbänder segmentiert und dann der Lichtbogen in den jeweiligen Segmenten erkannt wird, so dass die falschen Erkennungen aufgrund des dem Lichtbogen ähnlichen Schalt- bzw. Wechselrichterrauschens minimiert werden.
Stand der Technik
Als Lichtbogen werden ein/-e starkes/-e Licht und Wärme bezeichnet, die beiden abgestrahlt werden, im Fall, dass ein elektrischer Strom über ein Gas zwischen zwei physikalisch voneinander entfernten Elektroden fließt.
Ein solcher Lichtbogen kann in einen seriellen Lichtbogen, der größtenteils innerhalb eines Leitungsdrahts entsteht, einen parallelen Lichtbogen, der zwischen zwei Leitungsdrähten entsteht, und einen Erdlichtbogen, der zwischen einer Erde und einem Leitungsdraht entsteht, usw. klassifiziert werden.
Hierbei stellt der serielle Lichtbogen diejenige Lichtbogenstörung (eng. arc fault) dar, welche dadurch entsteht, dass die Verbindung einer Leitung oder Kontaktpunktes, über den der elektrische Strom normal fließen muss, geschwächt wird. Da bei diesem seriellen Lichtbogen kein Nullpunkt des elektrischen Stroms geformt wird, ist die Gefährlichkeit aufgrund der schwierigen natürlichen Kommutierung hoch, und zudem bestehen auch die Schwierigkeiten beim Erkennen der Störung.
Auf diese Weise können die seriellen Lichtbogenstörungen durch die Alterung der Leitung, den schlechten Kontakt eines Steckverbinders, etc. verursacht werden. Da bei diesen seriellen Lichtbogenstörungen die Größe eines Fehlerstroms trotz den verursachten Störungen innerhalb des normalen Bereichs liegt, ist es schwer, mittels eines Überstromausschalters oder Fehlerstromschutzschalters den Fehlerstrom zu erkennen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes bereitzustellen, die derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtbogen-Frequenzband in mehrere Frequenzbänder segmentiert und somit es erkannt wird, ob ein gleicher Lichtbogen in den jeweiligen segmentierten Frequenzbändern entsteht, so dass der Erkennungsfehler aufgrund eines Schaltrauschens oder eines bei der Leistungsumwandlung entstehenden Rauschens minimiert wird.
Ferner liegt der Erfindung die andere Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes bereitzustellen, die derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtbogen bezüglich eines Lichtbogen-Frequenzbandes mittels eines Bandpassfilters oder eines Vergleichers erkannt wird, so dass die Verwendung eines hochpreisigen Analog-Digital-Umwandlers mit einer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit minimiert wird.
Diese Aufgaben werden durch eine Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes gelöst, die derart ausgestaltet ist, dass die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung selber an einer Leitung angeschlossen ist, und dass ein Tiefpassfilter, zumindest ein Bandpassfilter und ein Hochpassfilter auf ein Frequenzband, in dem die Entstehung eines Lichtbogens erwartet wird, angewandt sind, wobei das Frequenzband in mehrere Erkennungsbänder segmentiert und somit der Lichtbogen in den jeweiligen segmentierten Erkennungsbändern erkannt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann es daher vorgesehen sein, dass die Qualität der durch eine Leitung fließenden Elektrizität ständig überwacht wird.
Ferner kann es gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein Lichtbogen-Frequenzband mittels mehrerer Bandpassfilter segmentiert und somit es erkannt wird, ob ein Lichtbogen in den jeweiligen segmentierten Frequenzbändern entsteht oder nicht, so dass ein Schalt- oder Leistungsrauschen, das hauptsächlich nur in den konstanten Frequenzbändern entsteht, ausgeschlossen wird, was dadurch zur Verbesserung der Erkennungsgenauigkeit des Lichtbogens führen kann.
Außerdem kann es gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein Bandpass auf jede der mehreren Frequenzen angewandt wird, aber dass die Verwendung eines hochpreisigen Analog-Digital-Umwandlers, der mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben wird, minimiert wird. Dadurch können die gesamten Herstellungskosten der Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes reduziert werden, wobei ein Frequenzband in mehrere Erkennungsbänder unterteilt und dann die Lichtbogenerkennung in jedem Erkennungsband erkannt wird, so dass die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung weiter erhöht werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm einer Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Referenzansicht eines Beispiels, in dem die Frequenzbänder eines Tief-, eines Band- und eines Hochpassfilters eindeutig voneinander unterschieden sind;
3 eine Referenzansicht eines Beispiels, in dem ein Durchlassfrequenzband des Bandpassfilters und ein benachbartes Frequenzband einander überlagert aufgebaut sind;
4 eine Referenzansicht eines Beispiels, in dem die Lichtbogenerkennung in einem Frequenzband, in dem ein Schaltrauschen oder ein Impuls oft entsteht, ausgeschlossen ist;
5 und 6 ein Beispiel einer elektrischen Bezugsspannung, die durch einen mit dem Bandpassfilter verbundenen Vergleicher festgelegt wird;
7 ein Beispiel einer Schaltwellenform einer mit der Leitung verbundenen Stromversorgung; und
8 ein Beispiel für ein Signal, in dem der Lichtbogen und ein Wechselrichterrauschen miteinander gemischt sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
Als Lichtbogen-Frequenzband, das in dieser Beschreibung erwähnt ist, können alle Frequenzbänder bezeichnet werden. Nur aus Gründen des Verständnisses und der Bequemlichkeit beim Erklären der Beschreibung werden hauptsächlich die Ausführungsbeispiele, in denen der Bereich eines Frequenzbandes 0 Hz bis 150 kHz beträgt, erläutert. So sei vorab angemerkt, dass das Lichtbogen-Frequenzband durch die in dieser Beschreibung erwähnten Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt werden sollte.
Als Bandpassfilter, der in dieser Beschreibung erwähnt ist, können alle Passfilter, wie z.B. Tief-, Band- und Hochpassfilter, bezüglich eines Lichtbogen-Frequenzbandes allgemein bezeichnet werden. Sofern nicht anders angegeben, kann das Bandpassfilter alle Passfilter, d.h. Tief-, Band- und Hochpassfilter, bezeichnen, während, wenn gesondert erwähnt, anstatt des Bandpassfilters der Tiefpassfilter oder der Hochpassfilter separat genannt und somit erläutert wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 kann es vorgesehen sein, dass die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes gemäß dem Ausführungsbeispiel einen Stromsensor 50, eine Banderkennungseinheit 100, eine Rechnungseinheit 200 und einen Schutzschalter 300 aufweist, wobei die Rechnungseinheit 200 aus einem Signalprozessor 210 und einer Lichtbogen-Beurteilungseinheit 220 besteht. Dabei kann der Stromsensor 50 aus Strommesselementen, wie Nebenschlusswiderstand, Stromwandler-Sensor, Hall-Sensor, usw. bestehen.
Dabei ist der Stromsensor 50 direkt mit einer eines Paares von Leitungen 10 verbunden. Dadurch zieht der Stromsensor 50 einen elektrischen, durch die Strommesselemente erzeugten Spannungswert in Betracht und berechnet somit einen elektrischen, durch die Leitung 10 fließenden Stromwert. Daneben kann der Stromsensor 50 der Banderkennungseinheit 100 einen elektrischen Spannungswert zuführen, der einem elektrischen, durch die Strommesselemente erzeugten Strom entspricht.
Ferner erkennt die Banderkennungseinheit 100 anhand von dem elektrischen, ihr durch den Stromsensor 50 zugeführten Spannungswert für den elektrischen, durch die Leitung 10 fließenden Strom, einen Lichtbogen. Danach segmentiert die Banderkennungseinheit 100 das Lichtbogen-Frequenzband in mehrere Erkennungsbänder, wobei sie je nach dem Erkennungsband mit dem Tiefpassfilter 110a, den Bandpassfiltern 110b bis 110n oder dem Hochpassfilter 111 versehen ist.
Bei dem Lichtbogen-Frequenzband gemäß dem Ausführungsbeispiel kann das Frequenzband nach jeder folgenden Nummer segmentiert werden:

1) Tieffrequenzband: 0 hz bis 40 khz;
2) Frequenzband eines Bandpassfilters: 40 khz bis 100 khz; und
3) Hochfrequenzband: über 100 khz.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht das Tieffrequenzband einem Frequenzband, in dem das Lichtbogen am stärksten entsteht. Außerdem entspricht es auch einem Frequenzband, in dem das Schaltrauschen am meisten entsteht.
Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet sein, dass es hinsichtlich des Tieffrequenzbandes gesondert dadurch zwischen dem Lichtbogen und dem Impuls, der kein Lichtbogen darstellt, unterschieden wird, dass die Frequenztransformation mittels des Analog-Digital-Umwandlers und der Fourier-Transformation oder der schnellen Fourier-Transformation erfolgt. Im Bereich dieses Tieffrequenzbandes ist der Tiefpassfilter 110a angeordnet, was später ausführlich erläutert wird.
Das Frequenzband des Bandpassfilters beträgt 40 khz bis 100 khz, wobei ein entsprechendes Frequenzband in ein, zwei oder mehr Bänder segmentiert werden kann. In 1 sind die Bandpassfilter mit Bezugszeichen 110b bis 110n bezeichnet.
Hingegen entspricht das Hochfrequenzband einem Frequenzband über 100 khz, wobei der Hochpassfilter 111 die Lichtbogenerkennung übernimmt.
Dabei wird der Lichtbogen, der in der Leitung entsteht, in allen Frequenzbändern, wie Tieffrequenzband, Hochfrequenzband und Frequenzband des Bandpassfilters, erzeugt, wobei der Unterschied zwischen dem Lichtbogen und dem Schaltrauschen oder dem Impuls aber darin besteht, dass das Schaltrauschen oder der Impuls nur in einem bestimmten Frequenzband entsteht, während der Lichtbogen im Gegensatz zu dem Schaltrauschen oder dem Impuls über gesamte Lichtbogen-Frequenzbänder erzeugt wird.
Demgegenüber können die Frequenzbänder des Tiefpassfilters 110a, der Bandpassfilter 110b bis 110n und des Hochpassfilters 111 jeweils voneinander unabhängig sein oder teilweise einander überlagert werden. Dies wird nachfolgend unter gleichzeitiger Bezugnahme auf 2 bis 4 erläutert.
2 zeigt ein Beispiel, in dem die Frequenzbänder des Tiefpassfilters 110a, der Bandpassfilter 110b bis 110n und des Hochpassfilters 111 deutlich voneinander unterschieden sind.
Aus 2 ist es ersichtlich, dass die Frequenzbänder derart voneinander segmentiert sind, dass der Tiefpassfilter 110a nur das Frequenzband von 0 hz bis 40 khz durchlässt, die Bandpassfilter 110b bis 110n nur das Frequenzband von 40 khz bis 100 khz durchlassen, und der Hochpassfilter 111 nur das Frequenzband über 100 khz durchlässt.
Dabei kann das Ergebnis der Methode, wie das Lichtbogen-Frequenzband durch den Tiefpassfilter 110a, die Bandpassfilter 110b bis 110n und den Hochpassfilter 111 eindeutig von den anderen Frequenzbändern unterschieden werden, von dem Vollständigkeitsgrad der Filterverstärkung (eng. filter gain) der Bandpassfilter abhängig bestimmt werden. Nun wird es auf die Verstärkungseigenschaften der Filter mit Bezug auf folgende Tabelle 1 eingegangen.
Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich, ist es erkennbar, dass sich die Verstärkung des Tiefpassfilters 110a mit der steigenden Frequenz verringert, wobei insbesondere die Verstärkung in dem Punkt a1 auf die Hälfte des Maximalwertes reduziert wird. Wenn der Lichtbogen bei dem Tiefpassfilter 110a in einem dem Punkt a1 entsprechenden Frequenzband entsteht, dann kann ein Maximalwert eines Signalwertes des entstehenden Lichtbogens in einem Zustand, in dem er auf die Hälfte desselben reduziert wird, empfangen werden.
Wie in der Tabelle 1 dargestellt, ist es erkennbar, dass hinsichtlich der Verstärkung der Bandpassfilter 110b bis 110n die Empfangsverstärkung für eine Frequenz, die kleiner als die dem Punkt a2 entsprechende Frequenz ist, sowie für eine Frequenz, die höher als die dem Punkt a2' entsprechenden Frequenz ist, drastisch reduziert wird. Dabei können die Bandpassfilter 110b bis 110n zwar eine gute Empfangsverstärkung für die Frequenzbänder zwischen den Punkten a2 und a2' gewährleisten. Wenn ein Lichtbogen in einer Frequenz, die kleiner als der Punkt a2 oder höher als der Punkt a2' ist, entsteht, dann wird der Signalwert des empfangenen Lichtbogens jedoch drastisch reduziert, wodurch er nicht als Lichtbogen beurteilt werden könnte.
Wie in der Tabelle 1 dargestellt, zeigt der Hochpassfilter 111, dass die Verstärkung seiner Frequenz, die kleiner als die des Punktes a3 ist, im Vergleich zum Maximalwert die geringen Verstärkungseigenschaften aufweist. Wenn ein Lichtbogen in der Frequenz, die dem Punkt a3 oder einem niedrigeren Punkt entspricht, entsteht, dann wird der Maximalwert des Signalwertes des entstehenden Lichtbogens als zu niedrig beurteilt, wodurch es zu befürchtet ist, dass dieser Lichtbogen nicht als eigentlicher Lichtbogen identifiziert werden könnte.
Wie unter Bezugnahme auf die Tabelle 1 oben erläutert, wurden die Signalverstärkungen (eng. signal gain) des Tiefpassfilters 110a, der Bandpassfilter 110b bis 110n und des Hochpassfilters 111 nachgesehen. Daher möchte die Anmelderin der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 3 und 4 bezüglich der obigen Probleme ein Verfahren vorschlagen, mit welchem die Frequenzbänder, die dem Tief- und Hochpassfilter sowie den Bandpassfiltern 110a bis 111 zugeordnet sind, eingestellt werden können.
Auch unter Bezugnahme auf 3 kann das Band des Filters bezogen auf das Lichtbogen-Frequenzband in einer solchen Form verwirklicht werden, dass es auf ein benachbartes Frequenzband übergegriffen ist.
Wie in 3 gezeigt, kann das Frequenzband in mehrere Frequenzbänder segmentiert und diese mehrere Frequenzbänder können jeweils jedem Passfilter zugeordnet werden, derart, dass der Tiefpassfilter 110a die Filterung des Frequenzbandes von 0 hz bis 45 khz durchführen kann, dass die Bandpassfilter 110b bis 110n jeweils die Filterung des Frequenzbandes von 35 khz bis 110 khz durchführen können, und dass der Hochpassfilter 111 die Filterung des Frequenzbandes über 90 khz durchführen kann.
Dabei erweitert sich der Tiefpassfilter 110a im Vergleich zum in 2 gezeigten Frequenzband weiter und somit filtert das Frequenzband von 0 hz bis 45 khz. Dadurch wird ein Effekt erreicht, dass der in der Tabelle 1 dargestellte Punkt a1 von einer Frequenzachse nach rechts erweitert wird, was folglich bedeutet, dass sich das Frequenzband des Tiefpassfilters verbreitert.
Ferner erweitert sich der Hochpassfilter 111 im Vergleich zum in 2 gezeigten Frequenzband in Richtung auf das Tieffrequenzband weiter und somit lässt das Frequenzband über 90 khz durch, so dass die Signalverstärkung bezüglich des anfangs übernommenen Frequenzbandes von 100 khz erhalten werden kann.
In 3 weisen das Band 1 und das Band 2 einen sich überschneidenden Frequenzbereich auf. Dabei werden das Band 1 und ein Überschneidungsband b1 zwar durch das Frequenzband des Tiefpassfilters 110a übernommen. Jedoch wird das Lichtbogen-Frequenzband derart in mehrere Frequenzbänder segmentiert, dass auch die Bandpassfilter 110b bis 110n das Überschneidungsband b1 empfängt. Ebenfalls sind die Bandpassfilter 110b bis 110n auch derart ausgestaltet, dass sie einen sich überschneidenden Bereich b2 des dem Band 2 entsprechenden Frequenzbandes und des durch den Hochpassfilter 111 übernommenen Frequenzbandes filtern.
Dementsprechend werden die Überschneidungsbänder b1 und b2 auf den Filter, der ein benachbartes Frequenzband verarbeitet, übergegriffen gefiltert, wobei die Beurteilung der Lichtbogenerkennung in allen Bändern ohne irgendein bei der Lichtbogenerkennung verlorenes Frequenzband erfolgen kann.
Demgegenüber können die Erkennungsbänder in einer solchen Form aufgebaut werden, dass ein bestimmtes Frequenzband ausgeschlossen ist, wie in 4 gezeigt.
4 zeigt eine Referenzansicht eines Beispiels, in dem die Lichtbogenerkennung in einem Frequenzband, in dem ein Schaltrauschen oder ein Impuls oft entsteht, ausgeschlossen ist.
In 4 wird das Frequenzband von 30 khz bis 50 khz aus der Lichtbogenerkennung ausgeschlossen. Dies geschieht deshalb, weil bei einem elektrischen Gerät, auf das die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewandt ist, ein unnötiges Rauschen entsteht, das in dem Frequenzband von 30 khz bis 50 khz als Lichtbogen falsch erkannt wird. Dadurch werden die Frequenzbänder, in denen das Rauschen, das durch eine mit der Leitung 10 verbundene Last verursacht wird, existiert, aus der Lichtbogenerkennung ausgeschlossen, so dass die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung keine falschen Erkennungen durchführen kann.
Da die Methode, wie die in 4 gezeigten Frequenzbänder aus den Erkennungsbändern ausgeschlossen werden, von den Rauscheneigenschaften des gesamten elektrischen Systems abhängig bestimmt wird, kann das als Beispiel angeführte Frequenzband (30 khz bis 50 khz) je nach dem elektrischen Gerät diversifiziert werden, mit dem die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
Bisher wurden die Eigenschaften des Tiefpassfilters 11 0a, der Bandpassfilter 110b bis 110n und des Hochpassfilters 111 nachgesehen. Nachfolgend wird es auf restliche Aufbauten der Banderkennungseinheit 100 eingegangen.
Zunächst erhält der Tiefpassfilter 110a ein Frequenzband, das einem Tieffrequenzband der erkannten Werte des Stromsensors 50 entspricht, und danach überträgt das Frequenzband auf die Lichtbogen-Beurteilungseinheit 220.
Dabei werden die Ausgangswerte der Bandpassfilter 110b bis 110n individuell auf den Signalprozessor 210 übertragen. In 1 werden die Ausgangswerte des Bandpassfilters 110b in dem Signalprozessor 210 jeweils mit einem durch einen Benutzer eingestellten Bezugswert verglichen, so dass ein Vergleichsergebniswert ausgegeben werden kann. Ferner werden die Ausgangswerte der Bandpassfilter 110b bis 110n nicht mit einem elektrischen Bezugsspannung, sondern mit mehreren elektrischen Bezugsspannungen verglichen, wobei jeweils ein Vergleichswert somit erzeugt werden kann.
Falls man auf die Lichtbogenerkennung zielt, kann es derart ausgestaltet sein, dass die Ausgangswerte des Bandpassfilters 110b mit einer elektrischen Bezugsspannung verglichen wird, so dass es darüber entschieden wird, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht.
Dabei kann der Signalprozessor 210 derart ausgestaltet sein, dass er den Ausgangswert des Bandpassfilters 110b mit dem elektrischen Bezugsspannung vergleicht, wobei, wenn eine elektrische Spannung, die größer als die elektrische Bezugsspannung ist, durch den Bandpassfilter 110b angelegt wird, dann so entschieden wird, dass der Lichtbogen entsteht, und danach ein logischer Wert von „1“ ausgegeben wird.
Ebenfalls kann der Signalprozessor 210 auch den Ausgangswert des Bandpassfilters 110n mit der elektrischen Bezugsspannung vergleichen, wobei, wenn der Ausgangswert aufgrund des Vergleichsergebnisses größer als die elektrische Bezugsspannung ist, dann ein logischer Wert von „1“ ausgegeben wird, so dass die Entstehung des Lichtbogens erkannt werden kann.
Dies wird gleich auf den Hochpassfilter 111 angewandt, wobei der Signalprozessor 210 einen Ausgangswert des Hochpassfilters 111 und eine elektrische, für den Hochpassfilter 111 eingestellte Bezugsspannung miteinander vergleicht, und dann aufgrund des Vergleichsergebnisses ein logischen Wert von „0“ oder „1“ ausgibt, so dass die Entstehung des Lichtbogens erkannt werden kann.
Ferner kann der Signalprozessor 210 jeden der Ausgangswerte der die Banderkennungseinheit 100 aufbauenden Filter 110 bis 110n und eine unterschiedliche elektrische Bezugsspannung miteinander vergleichen, wobei neben der Lichtbogenerkennung auch die Daten für die Stromqualitätsbewertung der elektrischen, durch die Leitung 10 fließenden Energie erzeugt werden können.
Zum Beispiel kann der Signalprozessor 210 den Ausgangswert des Bandpassfilters 110b mit einer elektrischen Bezugsspannung 1 vergleichen und dann ein resultierendes Vergleichsergebnis zur Lichtbogenerkennung verwenden, wobei er den Ausgangswert des Bandpassfilters 110b jeweils mit den elektrischen Bezugsspannungen 2, 3 und n vergleichen und dann die resultierenden Vergleichsergebnisse jeweils zur Messung der Qualität der elektrischen, durch die Leitung 10 durchgehenden Energie verwenden kann.
Hierbei kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass die elektrische, zur Lichtbogenerkennung angeforderte Bezugsspannung (elektrische Bezugsspannung 1) und die elektrischen, zur Messung der Stromqualität verwendeten Bezugsspannungen (elektrische Bezugsspannungen 2 bis n) voneinander verschieden sind, wobei diese elektrischen Bezugsspannungen auf einen Wert niedriger als die Lichtbogenspannung eingestellt ist. Dies wird nun unter gleichzeitiger Bezugnahme auf 5 und 6 erläutert.
5 und 6 zeigen ein Beispiel einer elektrischen Bezugsspannung, die mit einem Ausgangswert des Bandpassfilters 110b verglichen wird.
In 5 sind RV1 bis RVn als Beispiel für eine elektrische Bezugsspannung des Signalprozessors 210 angeführt. Dabei ist es angenommen, dass die elektrische Bezugsspannung RV1 von RV1 bis RVn zur Lichtbogenerkennung verwendet wird, wobei eine elektrische, durch die Leitung 10 durchgehende Spannung anhand eines Gleichstroms erläutert wird.
Dabei vergleicht der Signalprozessor 210 einen durch die Leitung 10 durchgehenden Gleichstrom jeweils mit mehreren elektrischen Bezugsspannungen (RV1 bis RVn) und beurteilt resultierende Vergleichsergebnisse. Wenn der Gleichstrom eine gleiche Wellenform aufweist, wie in 5 gezeigt, dann wird der Signalprozessor 210 für die elektrische Bezugsspannung RV4 zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 einen logischen Wert von „1", zu den Zeitpunkten t4 und t5 einen logischen Wert von „0“, und zum Zeitpunkt t6 einen logischen Wert von „1“ ausgeben.
Wenn der Gleichstrom in regelmäßigen Zeitabständen in der Zeitachse t mit der elektrischen Bezugsspannung RV4 verglichen wird und dann als resultierendes Vergleichsergebnis die logischen Werte wie 1, 1, 1, 0, 0, 1 ausgegeben werden, dann bedeutet dies dass die Qualität des Gleichstroms ungleichmäßig ist. Auch wenn es vorausgesetzt ist, dass ein elektrischer Stromwert des Gleichstroms konstant ist, bedeutet der durch die Leitung 10 fließende Strom, dass seine Qualität im Verhältnis zu den Änderungen des Gleichstroms herabgesetzt wird.
Ferner zeigt 6 ein Beispiel für eine andere von den Wellenformen des durch die Leitung fließenden Gleichstroms.
Dabei stellt die Wellenform in 6 ein Beispiel dar, in dem ein Leistungsrauschen, das beim Umwandeln des Wechselstroms in den Gleichstrom entsteht, eingeschlossen ist.
Unter Bezugnahme auf 6, übersteigt ein Gleichstrom w1, in dem ein Leistungsrauschen eingeschlossen ist, in den Punkten P1 und P2 die elektrische Bezugsspannung RV1, wobei, wenn er mit der elektrischen Bezugsspannung RV1 verglichen wird, dann er mittels eines logischen Wertes von „1“ erkannt wird.
Da das Vergleichsergebnis des Gleichstroms mit den anderen elektrischen Bezugsspannungen RV2 bis RVn zeigt, dass der Gleichstrom gegenüber den anderen Bezugsspannungen RV2 bis RVn niedrig ist, wird der Gleichstrom nicht erkannt.
Im Gegensatz dazu wird ein Gleichstrom w2 in 6 dann in allen Punkten erkannt, wenn er in dem Signalprozessor 210 jeweils mit den elektrischen Bezugsspannungen RV1 bis RV3 verglichen wird.
Dabei bedeutet dies, dass ein Schaltrauschen, dessen Maximalwert im Vergleich zu einer in dem Gleichstrom w2 zu erwartenden Grundspannung hoch ist, stetig erkannt wird, was daher hinweist, dass die Qualität des Gleichstroms w2 im Vergleich zu der des Gleichstroms w1 herabgesetzt wird.
Nachfolgend wird die Qualität des Gleichstroms unter gleichzeitiger Bezugnahme auf 7 und 8 erläutert.
Im oberen Diagramm der beiden Diagramme in 7 ist eine Schaltwellenform einer mit einer Leitung 10 verbundenen Stromversorgung als Beispiel dargestellt, während im unteren Diagramm eine DC-Ausgangsstrom der Stromversorgung auch als Beispiel dargestellt ist.
Wie in 7 als Beispiel gezeigt, ist die Stromversorgung, die die Leitung 10 mit einem Gleichstrom versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Vorgang, in dem sie in einem Zustand, in dem kein Lichtbogen entsteht, einen Wechselstrom schaltet und dann diesen in den Gleichstrom umwandelt, einen Puls mit einer konstanten Größe und Frequenz wiederholt erzeugt. Jedes Mal, wenn der Wechselstrom geschnitten wird, fließt eine dreieckige Stromwellenform in die Leitung 10 ein, wobei sich diese Stromwellenformen dadurch auszeichnen, dass sie in einem bestimmten Frequenzband (hauptsächlich im Band von 100 khz) vorkommen. Diese Wellenformen, die in dem bestimmten Frequenzband regelmäßig mit einer bestimmten Größe auftreten, müssen nicht als Lichtbogen beurteilt werden.
8 zeigt ein Beispiel für ein Signal, in dem der Lichtbogen und ein Wechselrichterrauschen miteinander gemischt sind.
Unter Bezugnahme auf 8, ist es ersichtlich, dass der Lichtbogen im gesamten Lichtbogen-Frequenzband entsteht, insbesondere die Amplitude im Teiffrequenzband groß geschieht.
Im Gegensatz dazu wird das im Wechselrichter entstehende Schaltrauschen nur in den Bändern von 15 khz, 33 khz und 48 khz beobachtet, wobei die Amplitude dem Lichtbogen ähnlich ist.
Der Grund, warum das im Wechselrichter entstehende Schaltrauschen, anders als in 6 dargestellt, in drei Stellen erzeugt wird, beruht darauf, dass der Wechselrichter zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung seinen Schaltzyklus verändert.
Wenn die Qualität der elektrischen, durch die Leitung 10 fließenden Spannung, d.h. die Qualität der elektrischen Energie stark schwankt, dann variiert der Wechselrichter das Schaltrauschen und lässt eine konstante, elektrische Spannung durch die Leitung 10 fließen. Betrachtet man das Diagramm in 7, das durch die Beziehung zwischen der Frequenz und der Amplitude definiert wird, werden nur drei Amplituden mit einem Spitzenwert IV1, IV2 und IV3 jedoch beobachtet. Wenn das Diagramm durch die Zeitachse und die Amplitude definiert wird, dann entsteht nur ein von den Schaltrauschen IV1, IV2 und IV3 des Wechselrichters zu einem beliebigen Zeitpunkt, während die beiden übrigen Schaltrauschen nicht erscheinen.
Dies bedeutet, dass, wenn die Schaltrauschen mittels der Banderkennungseinheit 100, die bezüglich des Lichtbogen-Frequenzbandes je nach dem Zeitfluss einen Lichtbogen erkennt, erkannt wird, nur ein Schaltrauschen erkannt wird. D.h. das Schaltrauschen des Wechselrichters wird als ein Impuls angesehen und im gesamten Frequenzband des Lichtbogen-Frequenzbandes nicht erzeugt.
Bisher wurden der Lichtbogen, der durch die Leitung 10 fließt, und die Wellenformen, die keinen Lichtbogen darstellen, unter Bezugnahme auf 7 und 8 nachgesehen. Nachfolgend wird es auf eine Lichtbogen-Beurteilungseinheit 220 eingegangen.
Die Lichtbogen-Beurteilungseinheit 200 vergleicht einen aus der Filterung der Banderkennungseinheit 100 resultierenden Ergebniswert jeweils mit mehreren elektrischen, durch den Signalprozessor 210 vorgesehenen Bezugsspannungen, und zählt aufgrund der erhaltenen Vergleichsergebnisse die Überschreitungsanzahl der Bezugsspannungen für die jeweiligen, in der Banderkennungseinheit 100 angeordneten Filter 110a bis 111. Zum Beispiel kann ein Ausgangswert des Bandpassfilters 110b mit einer elektrischen Bezugsspannung verglichen werden, aber auch mit zwei oder mehr elektrischen Bezugsspannungen verglichen werden, um die Qualität der elektrischen Energie zu messen, so dass die Lichtbogenerkennung und die Stromqualitätsmessung gleichzeitig durchgeführt werden können.
Dabei zählt die Lichtbogen-Beurteilungseinheit 200 die Anzahl der Fälle, in denen in jedem Filter 110a bis 111 die elektrische, auf jeden Filter angewandte Bezugsspannung überschritten ist. Wenn der gezählte Wert danach einen vorgegebenen Bezugswert übersteigt, dann kann es entschieden werden, dass der Lichtbogen entsteht.
Falls man einfach beurteilen möchtet, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht, vergleicht die Lichtbogen-Beurteilungseinheit 200 die aus den jeweiligen Filtern 110a bis 111 ausgegebenen Ausgangswerte mit einer einzigen elektrischen Bezugsspannung für die Lichtbogenbeurteilung und dann zählt die Anzahl der Fälle, in denen aufgrund der Vergleichsergebnisse ein logischer Wert von „1“ erzeugt wird, so dass sie beurteilen kann, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht.
Demgegenüber kann der Tiefpassfilter 110a im Gegensatz zu den Bandpassfiltern 110b bis 110n oder dem Hochpassfilter 111 in dem Signalprozessor 210 eine Analog-Digital-Umwandlung erfahren.
Dabei erfolgt die Analog-Digital-Umwandlung dadurch, dass ein durch den Tiefpassfilter 110a gefiltertes Tieffrequenzsignal in Digital umgewandelt und danach einer Frequenzbeurteilungseinheit 241 zugeführt wird.
Dabei analysiert der Signalprozessor 210 mittels der schnellen Fourier-Transformation einen elektrischen, durch den Stromsensor 50 erkannten Stromwert und zunächst erfasst ein geschätztes Signal, das aufgrund der Pulsgröße und Frequenz des Lichtbogenzustandes als Lichtbogensignal vorausgesehen wird, und dann vergleicht die Größe und Frequenz eines Pulses, der in einer mit der Leitung 10 verbundenen Vorrichtung (z.B. Stromversorgung, Wechselrichter, etc.) erzeugt wird, mit dem geschätzten Signal, so dass er beurteilen kann, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht.
Der Grund, warum die schnelle Fourier-Transformation-Analyse nur für den Tiefpassfilter 110a durchgeführt wird, beruht auf folgende Punkte:

Punkt 4: es ist zu befürchten, dass der Signalprozessor 210 mit einer Vergleichsfunktion das Wechselrichterrauschen oder das in der Stromversorgung entstehende Rauschen als Lichtbogen falsch beurteilen könnte;
Punkt 5: es ist zu befürchten, dass das Rauschen, das in einer Last außer der Stromversorgung oder dem Wechselrichter entsteht, mit dem Lichtbogen verwechselt werden könnte;
Punkt 6: Je nach der Last, die außerdem mit der Leitung 10 verbunden ist, könnte ein periodisches Rauschen mit einer großen Amplitude entstehen. Dies ist deshalb, weil es eine Möglichkeit geben könnte, dass das entsprechende Rauschen nur mittels einer Struktur, die den Ausgangswert des Tiefpassfilters 110a mit der elektrischen Bezugsspannung vergleicht, als Lichtbogen falsch beurteilt.

Die Lichtbogen-Beurteilungseinheit 220 kann für ein Signal, das im Signalprozessor 210 durch die schnelle Fourier-Transformation verarbeitet wird, die schnelle Fourier-Transformation-Analyse durchführen und somit beurteilen, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht, oder kann die Ausgangswerte der jeweiligen Filter 110a bis 111 mit der elektrischen Bezugsspannung vergleichen und die Überschreitungsanzahl zählen und somit beurteilen, ob der Lichtbogen entsteht oder nicht, wobei die Stromqualitätsdaten des durch die Leitung 10 fließenden Gleichstroms dadurch erstellt werden kann, dass mehrere elektrische Bezugsspannungen jedem der jeweiligen Filter 110a bis 111 zugeordnet werden. Wenn es beurteilt wird, dass der Lichtbogen in der Leitung 10 entsteht, dann kann die Lichtbogen-Beurteilungseinheit 220 ferner einen Schutzschalter 300 einschalten und somit den durch die Leitung 10 fließenden Gleichstrom sperren.
Die Beurteilungsverfahren der Lichtbogen-Beurteilungseinheit 220 stellt folgende Verfahren dar:

Punkt 7: ein Verfahren, bei dem, wenn alle Vergleichsergebnisse des Signalprozessors 210 als Lichtbogenerkennung identifiziert werden, dann es beurteilt wird, dass der Lichtbogen in der Leitung 10 entsteht.
Punkt 8: ein Verfahren, bei dem, wenn die Anzahl der Fälle, in denen die Vergleichsergebnisse des Signalprozessors 210 als Lichtbogenerkennung beurteilt werden, mehr als die Anzahl der Fälle, in denen sie nicht als Lichtbogenerkennung beurteilt werden, ist, dann es beurteilt wird, dass der Lichtbogen in der Leitung 10 entsteht.
Punkt 9: ein Verfahren, bei dem, wenn es aufgrund der Vergleichsergebnisse des Signalprozessors 210 entschieden wird, dass die Ergebniswerte, die als Lichtbogen beurteilt werden, kleiner als die Ergebniswerte, die nicht als Lichtbogen beurteilt werden, sind, aber es entschieden wird, dass der Ausgangswert des Tiefpassfilters 110a die Lichtbogenentstehung darstellt, dann es beurteilt wird, dass der Lichtbogen in der Leitung 10 entsteht.
Punkt 10: ein Verfahren, bei dem, wenn das Ergebnis der schnellen Fourier-Transformation-Analyse im Signalprozessor 210 als Lichtbogen beurteilt und mindestens ein der Ausgangswerte des Filter 110a bis 111 auch als Lichtbogen beurteilt wird, dann das Ergebnis der schnellen Fourier-Transformation-Analyse priorisiert und es somit beurteilt wird, dass der Lichtbogen in der Leitung 10 entsteht.
Punkt 11: ein Verfahren, bei dem, wenn das Lichtbogen-Beurteilungsergebnis des Hochpassfilters 111 priorisiert wird und es entschieden wird, dass es in den anderen Filtern 110a bis 110n außer dem Hochpassfilter 111 einfach einen Lichtbogen gibt, dann es beurteilt wird, dass der Lichtbogen in der Leitung 10 entsteht.

Hierbei stellt der Punkt 11 dasjenige Verfahren dar, welches auf den Fall, in dem der Lichtbogen hauptsächlich zum Hochfrequenzband gehört, anwendbar ist, während der Punkt 9 dasjenige Verfahren darstellt, welches auf den Fall, in dem der Lichtbogen hauptsächlich zum Tieffrequenzband gehört, anwendbar ist.
Die Frequenzbänder des Lichtbogens können von der Leitung 10, mit der die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden ist, und der Last, die an der Leitung 10 angeschlossen ist, abhängig voneinander unterschiedlich sein, wobei es vorteilhaft ist, dass der Lichtbogen mittels eines von den obigen Punkten 7 bis 11, der für das gesamte elektrische System geeignet ist, erkannt wird.
Die vorstehenden Verfahren gemäß dem einen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können als Programm, das auf dem Computer ausgeführt werden kann, gefertigt werden. Ferner kann das Programm auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium gespeichert werden, wobei als Beispiel für das Aufzeichnungsmedium ROM, RAM, CD-ROM, Magnetband, Floffy Disk, optisches Speichermedium, etc. genannt werden.
Die computerlesbaren Aufzeichnungsmedien sind in einem mit einem Netzwerk verbundenen Computersystem dezentralisiert, wobei ein Code, der durch einen Computer dezentralisiert gelesen werden kann, gespeichert und ausgeführt werden kann. Daneben können die Funktionsprogramme, Codes und Codesegmente zum Implementieren der oben genannten Verfahren von den Programmierern/-innen auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, leicht abgeleitet werden.
Bisher wurden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zwar dargestellt und erläutert. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung durch ein bestimmtes, oben genanntes Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt werden, wobei sie natürlich durch einen Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung vielfältig verwandelt ausgeführt werden kann, ohne vom in den Patentansprüchen angesprochenen Kern der Erfindung abzuweichen. Ferner sollten die resultierenden verwandelten Ausführungen nicht separat von dem technischen Geist oder der Perspektive der vorliegenden Erfindung verstanden werden.

Claims

Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung mit einer Funktion zur Unterscheidung eines Mehrfachfrequenzbandes, welche derart ausgestaltet ist, dass die Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung selber an einer Leitung angeschlossen ist, und dass ein Tiefpassfilter, zumindest ein Bandpassfilter und ein Hochpassfilter auf ein Frequenzband, in dem die Entstehung eines Lichtbogens erwartet wird, angewandt sind, wobei das Frequenzband in mehrere Erkennungsbänder segmentiert und somit der Lichtbogen in den jeweiligen segmentierten Erkennungsbändern erkannt wird.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgestaltet ist, dass sie eine Banderkennungseinheit, die eine Größe einer Wellenform, die durch die Bandpassfilter für die jeweiligen Erkennungsbänder erkannt wird, und einen vorgegebenen Lichtbogen-Bezugswert miteinander vergleicht; und eine Rechnungseinheit, die die Erkennungsergebnisse für die jeweiligen Erkennungsbänder zählt und dann beurteilt, dass der Lichtbogen entsteht, wenn ein resultierender Zählwert von einem vorgegebenen Bezugszählwert abweicht; aufweist.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter derart ausgebildet ist, dass ein gefiltertes Frequenzband irgendein von den segmentierten Lichtbogen-Frequenzbändern darstellt, und in zumindest einem Bereich auf ein benachbartes Frequenzband übergegriffen ist.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter derart ausgebildet ist, dass ein gefiltertes Frequenzband irgendein von den segmentierten Lichtbogen-Frequenzbändern darstellt, und von einem benachbarten Frequenzband unabhängig ist.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Banderkennungseinheit eine Kombination von zwei oder mehr der Passfilter, wie Tiefpassfilter, Bandpassfilter und Hochpassfilter aufweist.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnungseinheit eine Analog-Digital-Umwandlung eines Ausgangswertes des Tiefpassfilters durchführt, danach eine Frequenzanalyse eines umgewandelten Wertes ausführt, und diesen Wert mit einer Pulsgröße und Frequenzbedingung eines vordefinierten Lichtbogenzustandes vergleicht, und dementsprechend beurteilt, ob der Lichtbogen vorhanden ist oder nicht.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnungseinheit zusätzlich einen Signalprozessor aufweist, der jedes Signal, das aus der Banderkennungseinheit ausgegeben wird, mit einer vorgegebenen Spannungswert vergleicht, die resultierenden Vergleichsergebnisse als Erkennungsanzahl ausgibt, und die resultierende Erkennungsanzahl zählt.
Lichtbogen-Erkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnungseinheit einen Signalprozessor, der die Lichtbogen-Erkennungsergebnisse, die einen Bezugswert für jedes Erkennungsband übersteigen, zählt; und eine Lichtbogen-Beurteilungseinheit, die, wenn die durch den Signalprozessor gezählte Erkennungsanzahl des Lichtbogens eine vorgegebene Bezugserkennungsanzahl überschreitet, dann beurteilt, dass der Lichtbogen entsteht; aufweist.