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Diese
Erfindung betrifft eine Reststrom-Erfassungseinrichtung, mit einem
Stromsensor und einer Temperaturkompensations-Möglichkeit.
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Die
JP 04083175 offenbart einen
Stromdetektor, der durch Verbinden eines Leiters mit einem Schaltungssubstrat,
auf dem eine Spannungsmessschaltung angebracht ist, gebildet ist.
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Die
US 6028426 offenbart eine
Strommessvorrichtung zum Messen von Strom in einem Nebenschluss,
der einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Nebenschlusses
einschließt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist eine Reststrom-Erfassungseinrichtung vorgesehen, wie
im Anspruch 1 definiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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Die
Erfindung wird nun weiter mit Hilfe eines nicht-beschränkenden
Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
diagrammartige perspektivische Ansicht eines Beispiels der Erfindung,
wie auf eine einzelphasige Einrichtung angewendet;
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2 ein
Blockdiagramm eines anderen Beispiels der Erfindung, wie auf eine
dreiphasige Einrichtung angewendet;
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3 eine
perspektivische Ansicht, die eine der Stromerfassungseinrichtungen
zeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpern;
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4 eine
Querschnittsansicht einer Stromerfassungseinrichtung der 3;
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5 einen
Aufriss der Einrichtung der 3;
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6 ein
Blockdiagramm einer einfachen Ausbildung der elektronischen Schaltung
einer einzelnen Stromsensoreinrichtung;
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7 ein
Blockdiagramm einer alternativen Ausbildung der elektronischen Schaltung,
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8 ein
Blockdiagramm einer noch anderen Form der elektronischen Schaltung,
und
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9 ein
Blockdiagramm einer Form der elektronischen Schaltung, die einen
Temperatursensor in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beinhaltet.
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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 mΩ 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.
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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.
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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.
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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]
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.