JP2023504681A - 残留電流回路遮断器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電気回路(300)用の残留電流回路遮断器RCCB(100)に関する。RCCBは、電源(302)と負荷(304)との間に互いに直列に連結された第一スイッチングデバイス(106)および第二スイッチングデバイス(140)を備える。第一スイッチングデバイス(106)は、負荷(304)に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイス(106)のスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、負荷(304)に電流が供給されないOFFモードに切り替わるように構成される。第二スイッチングデバイス(140)は、負荷(304)に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷(304)が短絡されるONモードに切り替わるように構成される。これにより、新たなRCCBアーキテクチャが提供される。漏電が検出されると、短絡が導入される。すなわち、負荷の電圧がゼロになり、回路内の電流によって人が危害を受けない。しかし、負荷が短絡されると、回路内に電流ラッシュが生じ、それにより第一スイッチングデバイスが回路を遮断するようトリガされ、その後回路内に電流が流れなくなる。本発明は、このような残留電流回路遮断器を備える回路およびそれに対応する方法にも関する。【選択図】図3a、図3b
Description
本発明は、電気回路用の残留電流回路遮断器に関する。本発明は、このような残留電流回路遮断器を備える回路およびそれに対応する方法にも関する。
残留電流回路遮断器(RCCB:Residual current circuit breaker)または残留電流デバイス(RCD:residual current device)は、当技術分野において周知である。対応する機能をもつデバイスを表すその他の語は、地絡回路インタラプタ、地絡インタラプタ、電化製品漏れ電流インタラプタ、および漏れ電流検出インタラプタである。
RCCBおよびRCD等のデバイスの目的は、供給導体と戻り導体との間で電流が不均衡であるときに感電による人への危害を防ぐために電気回路を素早く遮断または切断することである。供給導体と戻り導体との間の電流の差は、感電の危険を生じる漏れ電流を示す。
通常、RCCBおよびRCDはテスト可能およびリセット可能なデバイスである。テストボタン等の機械入力手段が小さな漏れ状態を作り出し、故障状態が解消された後にリセットボタンが導体を再接続する。
本発明の実施形態の目的は、従来の解決策の欠点および問題を緩和または解決する解決策を提供することである。
上記目的およびさらなる目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項に見出すことができる。
本発明の第一態様によれば、上述の目的および他の目的は、電気回路用の残留電流回路遮断器RCCBであって、回路の電源と負荷との間に連結されるように構成され、電源と負荷との間に互いに直列に連結された第一スイッチングデバイスおよび第二スイッチングデバイスを含み、
第一スイッチングデバイスは、負荷に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイスのスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、負荷に電流が供給されないOFFモードに切り替わるように構成され、
第二スイッチングデバイスは、負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷が短絡されるONモードに切り替わるように構成される、
RCCBによって達成される。
第一スイッチングデバイスは、負荷に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイスのスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、負荷に電流が供給されないOFFモードに切り替わるように構成され、
第二スイッチングデバイスは、負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷が短絡されるONモードに切り替わるように構成される、
RCCBによって達成される。
第一スイッチングデバイスのスイッチング電流isは、第一スイッチングデバイスがONモードからOFFモードに切り替えられる電流である。スイッチング電流は、例えば閾値電流値でありうる。一実装形態では、スイッチング電流は用途に応じて適切な値に動的に変更されうる。スイッチング電流の動的変化は、ソフトウェアソリューション、ハードウェアソリューション、またはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって、例えば一つ以上の制御デバイスを通して制御されうる。第一スイッチングデバイスは、実施形態において電界効果トランジスタ(FET:field effect transistor)等のトランジスタでありうるが、これはスイッチング時間が機械式スイッチのスイッチング時間よりもはるかに速いことを意味する。
第一態様によるRCCBは、新たなRCCBアーキテクチャを提供する。漏電が検出されると、第二スイッチングデバイスによって回路に短絡が導入され、したがって負荷が短絡される。これは、負荷の電圧がゼロになり、回路内の電流によって人が危害を受けないことを意味する。しかし、負荷が短絡されると、回路内に電流ラッシュが生じ、それにより第一スイッチングデバイスが回路を遮断するようトリガされ、その後回路内に電流が流れなくなる。電流ラッシュ中の電流は第一スイッチングデバイスのスイッチング電流よりも高くなるため、第一スイッチングデバイスが回路を遮断する。また、回路の遮断は、回路の遮断後に回路内に電流が通らないことから人が危害を受けないことを意味する。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第二スイッチングデバイスは負荷と並列に連結される。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第二スイッチングデバイスは、機械式スイッチと並列に連結された電子スイッチを備える。
電子スイッチは、例えば電界効果トランジスタ(FET)等のトランジスタでありうるが、これはスイッチング時間が機械式スイッチのスイッチング時間よりもはるかに速いことを意味する。
これにより、電子スイッチは人が危害を受けないように速やかに切り替わりうる。機械式スイッチは、例えば国内法および政府機関によって定められる規制要件を満たす。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、
電子スイッチは、負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷が短絡されるONモードに切り替わるように構成され、同時に、
機械式スイッチは、負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷が短絡されるONモードに切り替わるように構成される。
電子スイッチは、負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷が短絡されるONモードに切り替わるように構成され、同時に、
機械式スイッチは、負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷が短絡されるONモードに切り替わるように構成される。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、電子スイッチは、期間Tの後に負荷が短絡されないOFFモードに戻るように切り替わるように構成される。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、期間Tは機械式スイッチのONスイッチング時間よりも大きく、ONスイッチング時間は、機械式スイッチがONモードに切り替わるための期間である。
これにより、機械式スイッチには、電子スイッチがOFFモードに戻るように切り替わる前にONモードに切り替わる時間がある。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、機械式スイッチは、ユーザの入力を受信したときに、負荷が短絡されないOFFモードに戻るように切り替わるように構成される。
ユーザは、RCCBを操作する人でありうる。これにより、規制要件が満たされうる。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、RCCBは、
回路の第一ノードの第一電流i1を測定し、
回路の第二ノードの第二電流i2を測定し、
第一電流i1と第二電流i2とに基づいて負荷に供給される電流iの漏れを検出する
ように構成された漏電検出器を備える。
回路の第一ノードの第一電流i1を測定し、
回路の第二ノードの第二電流i2を測定し、
第一電流i1と第二電流i2とに基づいて負荷に供給される電流iの漏れを検出する
ように構成された漏電検出器を備える。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、負荷に供給される電流iの漏れを検出する際に、第一電流i1と第二電流i2とが異なる値をもつことを検出する。
第一電流i1と第二電流i2とが異なる値をもつことは、その差が閾値未満であることを意味しうる。漏電を検出する際に時間的側面が考慮されねばならない可能性があることにも留意されたい。例えば、電流の漏れを検出するために使用される測定電流値は、その期間にわたる平均値等、適切な期間にわたって統合されうる。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第一ノードは負荷の供給コネクタに設けられ、第二ノードは負荷の戻りコネクタに設けられる。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、漏電検出器は、直流および/または交流の漏れを検出するように構成される。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、漏電検出器はホールセンサである。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、RCCBは、第一スイッチングデバイスおよび第二スイッチングデバイスのうちの少なくとも一つを制御するように構成された少なくとも一つの制御デバイスを備える。
少なくとも一つの制御デバイスは、ソフトウェアソリューション、ハードウェアソリューション、またはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせのいずれかでありうる。例えば、ソフトウェアソリューションとして制御手段がマイクロコントローラに実装されることができ、ハードウェアソリューションでは制御手段が物理論理回路に実装されることができる。少なくとも一つの制御デバイスは、漏電検出器と連結されて、回路内の電流の漏れおよび/または漏れなしについての指示を受け取りうる。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第一スイッチングデバイスは、
a)第一時間間隔T1の後に、OFFモードから電流iが負荷に供給されるONモードに戻るように切り替わる
ように構成される。
a)第一時間間隔T1の後に、OFFモードから電流iが負荷に供給されるONモードに戻るように切り替わる
ように構成される。
第一スイッチングデバイスのスイッチング時間は、例えばトランジスタのスイッチング電流が検出されてからトランジスタがOFFモードに設定される(導通しなくなる)までの時間として考えられうる。スイッチング時間は、過電流の検出時間(ハードウェア制限到達)にトランジスタのOFFモードへのスイッチング時間を加えた合計でありうる。例えば、第一スイッチングデバイスのスイッチング時間は、250ns以下でありうる。従来の回路遮断器のスイッチング時間は、1msより大きくなりうる。よって、第一スイッチングデバイスのスイッチング時間は従来の回路遮断器のスイッチング時間よりも常に短く、これは、この回路遮断器が従来の回路遮断器よりも速いことも意味する。
この実装形態の利点は、スイッチング手段が第一時間間隔T1の後にOFFモードからONモードに戻ることにより、過電流状態の持続時間が短い例えば突入電流の場合に、回路が自動的に通常モードで動作する、つまり負荷が適切に作動することである。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第一スイッチングデバイスは、
b)負荷に供給される電流iの値がスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、OFFモードに戻るように切り替わり、
ステップa)およびb)をN回繰り返し、ここでNは正の整数である
ように構成される。
b)負荷に供給される電流iの値がスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、OFFモードに戻るように切り替わり、
ステップa)およびb)をN回繰り返し、ここでNは正の整数である
ように構成される。
これにより、ACの場合に連続する数の突入電流インスタンスが処理されうる。DCの場合には容量性負荷が処理されうる。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第一スイッチングデバイスは、
ステップa)およびb)がN回繰り返された場合に、第二時間間隔T2の間にOFFモードのままである
ように構成される。
ステップa)およびb)がN回繰り返された場合に、第二時間間隔T2の間にOFFモードのままである
ように構成される。
第一態様によるRCCBの一実装形態では、第二時間間隔T2は第一時間間隔T1よりも大きい。
本発明の第二態様によれば、上述の目的および他の目的は、少なくとも一つの負荷に電流を供給するように設けられた電源と、先行する請求項のいずれか一項に記載のRCCBとを備える電気回路であって、RCCBは、電源と少なくとも一つの負荷との間に連結される、電気回路により達成される。
本発明の第三態様によれば、上述の目的および他の目的は、RCCBのための方法であって、RCCBは、回路の電源と負荷との間に連結されるように構成され、電源と負荷との間に互いに直列に連結された第一スイッチングデバイスおよび第二スイッチングデバイスを含み、この方法は、
負荷に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイスのスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、第一スイッチングデバイスを負荷に電流が供給されないOFFモードに切り替えるステップと、
負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、第二スイッチングデバイスを負荷が短絡されるONモードに切り替えるステップと
を含む方法により達成される。
負荷に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイスのスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、第一スイッチングデバイスを負荷に電流が供給されないOFFモードに切り替えるステップと、
負荷に供給される電流iの漏れを検出したときに、第二スイッチングデバイスを負荷が短絡されるONモードに切り替えるステップと
を含む方法により達成される。
第三態様による方法は、第一態様によるRCCBの実施形態に対応する実装形態に拡張することができる。よって、方法の実装形態は、RCCBの対応する実装形態の特徴(単数または複数)を備える。
第三態様による方法の利点は、第一態様によるRCCBの対応する実装形態のものと同じである。
第三態様による方法の一実装形態では、方法は、
電源により負荷に供給される電流を継続的に測定または監視するステップ
を含む。
電源により負荷に供給される電流を継続的に測定または監視するステップ
を含む。
本発明の実施形態において、電流は電流監視手段を用いて監視される。
第三態様による方法の一実装形態では、方法は、
測定される電流が第一スイッチングデバイスの閾値電流、すなわち第一スイッチングデバイスのスイッチング電流よりも高いか否かをチェックするステップ
を含む。
測定される電流が第一スイッチングデバイスの閾値電流、すなわち第一スイッチングデバイスのスイッチング電流よりも高いか否かをチェックするステップ
を含む。
第三態様による方法の一実装形態では、方法は、
測定される電流が第一スイッチングデバイスの閾値電流よりも高いと判断したときに、連続する過電流(例えば突入電流)の最大検出数nに達しているか否かをチェックするステップであって、nは連続する過電流の検出数を示すカウンタ値である、ステップ
を含む。
測定される電流が第一スイッチングデバイスの閾値電流よりも高いと判断したときに、連続する過電流(例えば突入電流)の最大検出数nに達しているか否かをチェックするステップであって、nは連続する過電流の検出数を示すカウンタ値である、ステップ
を含む。
第三態様による方法の一実装形態では、方法は、
連続する過電流の最大検出数に達していないと判断したときに、第一スイッチングデバイスによって第一時間間隔T1の間に回路を遮断し、その後ONモードに戻るように切り替わるステップ
を含む。
連続する過電流の最大検出数に達していないと判断したときに、第一スイッチングデバイスによって第一時間間隔T1の間に回路を遮断し、その後ONモードに戻るように切り替わるステップ
を含む。
第三態様による方法の一実装形態では、方法は、
連続する過電流の最大検出数に達していると判断したときに、第一スイッチングデバイスによって第二時間間隔T2の間に回路を遮断するステップであって、T2はT1より大きい、すなわちT2>T1である、ステップ
を含む。
連続する過電流の最大検出数に達していると判断したときに、第一スイッチングデバイスによって第二時間間隔T2の間に回路を遮断するステップであって、T2はT1より大きい、すなわちT2>T1である、ステップ
を含む。
第三態様による方法の一実装形態では、T2の値はRCCBの用途に依存する。
第三態様による方法の一実装形態では、T2は5s以下である。
本発明の実施形態のさらなる応用および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
添付の図面は、本発明の様々な実施形態を明確にし、説明することを意図する。
図1は、本発明の一実施形態によるRCCB100を示す。本発明の実施形態によればRCCB100は、回路300の電源302と負荷304との間に連結されるように構成される、例えば図3a、3b、4a、4b、5aおよび5bを参照されたい。RCCB100は、電源302と負荷304との間に互いに直列に連結された第一スイッチングデバイス106および第二スイッチングデバイス140を備える。第一スイッチングデバイス106は、負荷304に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイス106のスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、負荷304に電流が供給されないOFFモードに切り替わるように構成される。第二スイッチングデバイス140は、負荷304に供給される電流iの漏れを検出したときに、負荷304が短絡されるONモードに切り替わるように構成される。
図2は、図1に示されるもののようなRCCB100において実装されうる本発明の一実施形態による対応する方法を示す。方法200は、第一スイッチングデバイス106は、負荷304に供給される電流iの値が第一スイッチングデバイス106のスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、第一スイッチングデバイス106を負荷304に電流が供給されないOFFモードに切り替えるステップ202を含む。方法200は、負荷304に供給される電流iの漏れを検出したときに、第二スイッチングデバイス140を負荷304が短絡されるONモードに切り替えるステップ204を含む。
一般に、本開示においては、スイッチまたはスイッチング手段もしくはスイッチングデバイスが図6bに示されるようにONモードおよびOFFモードをとることができるものと理解されうる。ONモードでは、スイッチは電流がスイッチを通って流れる/通ることができるように閉じられ、よってスイッチは導通する。OFFモードでは、スイッチは開放され、電流がスイッチを通って流れる/通ることはできない。
図3aおよび3bは、本発明のさらなる実施形態によるRCCB100を示す。図3aは、RCCB100の非短絡動作モードを示し、図3bは、RCCB100の短絡動作モードを示す。非短絡動作モードでは負荷304は短絡されないが、短絡動作モードでは負荷304が短絡される。
図3aを参照すると、本発明によるRCCB100が、電源302と負荷304との間に連結され、回路300の一部である。電源302は、用途に応じて負荷304に交流(AC)または直流(DC)を供給または送達しうる。一つの負荷304のみが図示されるが、一つ以上の負荷が回路300の一部であることができ、ACまたはDC電流iが供給されうるものと認められる。また、第一スイッチングデバイス106と第二スイッチングデバイス140とが、図示のように電源302と負荷304との間に互いに直列に連結される。さらに、負荷304の供給導体SCおよび戻り導体RCが示される。供給導体SCおよび戻り導体RCは、負荷304を出入りする回路内の電流の流れおよび方向に関係する。実施形態において、第二スイッチングデバイス140は、図示のように負荷304と並列に連結される。
図3aでは、RCCB100は、制御デバイス104から第一スイッチングデバイス106および第二スイッチングデバイス140にそれぞれ破線矢印で示される制御線162を介して第一スイッチングデバイス106および第二スイッチングデバイス140を制御するように構成された一つの制御デバイス104をさらに備える。さらに、漏電検出器150が、RCCB100の一部であるかまたはこれに備えられる。漏電検出器150は、回路300の第一ノードN1の第一電流i1を測定するように構成され、回路300の第二ノードN2の第二電流i2を測定するようにさらに構成される。漏電検出器150は、第一電流i1および第二電流i2に基づいて、負荷304に供給される電流iの漏れを検出することができる。第一ノードN1および第二ノードN2は、図示されるように電流iの流れの方向との関係で負荷304の両側に設けられうる。
実施形態において、負荷304に供給される電流iの漏れを検出するステップは、第一電流i1と第二電流i2とが実質的に異なる値をもつことを検出するステップを含む。第一電流i1と第一電流i2との間の非常に小さな値の差は、電流の漏れがあると結論せずに、例えば測定障害、ハードウェア制限などに起因する場合でありうる。このような誤差の理由は、例えば測定の誤り、ハードウェア制限などに起因しうる。したがって、この点で検出間隔および/または閾値が使用されうる。例えば、測定される差が閾値より小さい場合には目下漏電がないと判断される一方、測定される差が閾値より大きい場合には目下漏電があると判断される。また、値は経時的に変動しうるため、時間の側面が考慮されねばならない可能性がある。この場合には、回路内に電流の漏れがあるか否かを判断するために使用される値を得るために、適切な期間にわたる統合が行われうる。
漏電検出器150は、DCおよびACの両方の漏れを検出するように構成されうる。よって、実施形態において、漏電検出器150はホールセンサである。
さらに、漏電検出器150は、漏電検出器150から制御デバイス104への矢印で示されるように通信線164を介して制御デバイス104に連結される。漏電検出器150が電流の漏れを検出すると、漏電検出器150は通信線164を介してこれを制御デバイス104に示す。例えば、制御信号が制御デバイス104に伝送されうる。漏電検出器150は、電流の漏れがなくなったとき、例えば第一電流i1と第一電流i2とが実質的に同じ値をもつときに示すようにも構成されうることにさらに留意されたい。また、この場合、目下電流の漏れがないか否かを判断するために間隔および/もしくは閾値ならびに/または統合が用いられうる。
電流の漏れが検出されないときには、回路300は通常動作で機能し、図3aに示すように電源302から負荷304に電流iが供給される。したがって、第二スイッチングデバイス140を出入りする破線で示すように、第二スイッチングデバイス140を介して通る電流はない。
しかし、図3bを参照すると、漏電検出器150によって回路300において漏電が検出されると、制御デバイス104に漏れの指示が送られる。回路300の漏電の指示を受信すると、制御デバイス104は制御カップリング162を介して第一スイッチングデバイス106および第二スイッチングデバイス140を適宜制御する。よって、制御デバイス104は、第一スイッチングデバイス106を負荷304に電流が供給されない第一スイッチングデバイス106のOFFモードに切り替える。さらに、制御デバイス104は、第二スイッチングデバイス140を負荷304が短絡される第二スイッチングデバイス140のONモードに切り替える。これは、図3bに示すように回路300内の電流iが負荷304を流れるかわりに第二スイッチングデバイス140を直接通って流れることを意味する。よって、この場合、負荷304に電流は流れない。
図4aおよび4bは、本発明のさらなる実施形態によるRCCB100を示す。図4aは非短絡モードを、図4bは短絡モードをそれぞれ示す。図3aおよび3bに示す実施形態と図4aおよび4bに示す実施形態との主な違いは、後者の実施形態ではRCCB100が一つの制御デバイスのかわりに二つの独立した制御デバイス、すなわち104、104’を備えることである。第一制御デバイス104が第一スイッチングデバイス106に連結されてこれを制御するように構成され、第二制御デバイス104’が第二スイッチングデバイス140に連結されてこれを制御するように構成される。図4aおよび4bに示すように、第二制御デバイス104’は、通信線164を介して漏電検出器150にも連結される。よって、第二制御デバイス104’と漏電検出器150との間のやり取りは、図3aおよび3bを参照して前述したとおりでありうる。
一方、第一制御デバイス104は、矢印で示される適切な通信線166を介して過電流検出デバイス(図7参照)に連結されうる。過電流が検出され、第一制御デバイス104に示されると、第一スイッチングデバイス106が回路300を遮断するように制御される。この態様についてのさらなる詳細は、第一制御デバイス104が第一スイッチングデバイス106の一体部分である下の図7を参照して開示される。
図5aおよび5bは、本発明のさらなる実施形態によるRCCB100を示す。図5aは非短絡モードを、図5bは短絡モードをそれぞれ示す。図5aおよび5bに示した実施形態と図3a、3b、4aおよび4bの以前の実施形態との違いは、この場合の第一スイッチングデバイス106が機械式スイッチおよび/またはヒューズであることである。よって、第一スイッチングデバイス106を制御するための制御デバイスは不要である。機械式スイッチの場合、前記機械式スイッチは、以下の開示において図6aを参照して説明される第二スイッチングデバイス140の機械式スイッチとして機能し構成されうる、すなわちユーザ500によって部分的に操作される。
また、図6aは、本発明の実施形態による第二スイッチングデバイス140を示す。本実施形態では、第二スイッチングデバイス140は、機械式スイッチ144と並列に連結された電子スイッチ142を備える。動作の間には、電子スイッチ142は、負荷304に供給される電流iの漏れを検出すると、電子スイッチ142によって負荷304が短絡されるONモードに切り替わるように構成される。同時に、機械式スイッチ144は、負荷304に供給される電流iの漏れを検出すると、機械式スイッチ144によって負荷304が短絡されるONモードに切り替わるように構成される。実施形態において、電子スイッチ142および/または機械式スイッチ144のON切り替えは、前述のように制御デバイス104、104’によって制御されうる。電子スイッチ142および機械式スイッチ144のOFFモードおよびONモードの働きが図6bに示される。
電子スイッチ142は機械式スイッチ144よりもスイッチング時間がはるかに短いため、電子スイッチ142は、実施形態において、期間Tの後に電子スイッチ142によって負荷304が短絡されないOFFモードに戻るように切り替わるように構成される。言及した期間Tは、機械式スイッチ144のONスイッチング時間よりも大きくなるように設計される。機械式スイッチ144のONスイッチング時間は、機械式スイッチ144がOFFモードからONモードに切り替わるための期間である。
図6aにも示されるように、機械式スイッチ144は、実施形態において、例えばRCCB100を操作する人であるユーザ500の入力を受信すると、機械式スイッチ144によって負荷304がもはや短絡されないOFFモードに戻るように切り替わるように構成される。入力は、機械式スイッチ144をONモードからOFFモードに戻るようにリセットする、機械入力手段400、例えばレバー、ボタンまたはスイッチによるものでありうる。したがって、本実施形態によれば、機械式スイッチ144は、RCCB100のユーザ500によってリセットされなければならない。
一方で、第二スイッチングデバイス140の電子スイッチ142は、制御デバイス104、104’が回路内の漏電の指示を得るたびに電子スイッチ142がONモードに切り替えられ、その結果、制御デバイス104、104’が回路300内の電流の漏れなしの指示を得るたびに電子スイッチ142がOFFモードに戻るように切り替えられる、つまり電子スイッチ142によって負荷304が短絡されなくなるように、引き続き制御デバイス104、104’によって制御されうる。しかし、機械式スイッチ144がリセットされない限り、負荷304は機械式スイッチ144によって短絡され続ける。
図7は、第一スイッチングデバイス106が非短絡モードで動作する際にRCCB100の一部である回路遮断器の一部である本発明の実施形態を示す。回路遮断器は、電流が電気負荷304に到達できないように電気回路300を遮断するために設けられる。したがって、前述のように、電気回路300は、少なくとも一つの負荷304に電流i(または対応する電圧)を供給するように設けられた少なくとも一つの電源302を備える、つまり電源302が負荷304に電気的に連結される。負荷304の例は家電製品であるが、これに限定されない。よって、この文脈における負荷は、その働きのために電力を消費するように設けられた電気デバイスに関する。電源302は、用途に応じてACまたはDCを供給するように設けられる。提供される電流は、例えば、公称電圧110Vまたは220V、周波数50Hzの電源電流でありうる。しかし、本発明はこれに限定されず、よって本発明の実施形態は、低電圧システムから高電圧システムまであらゆる種類の電圧システムから適用されうる。
回路遮断器が回路300を遮断すると、電流iは負荷304に到達できない。この点で、回路遮断器は、制御手段104により制御されるように設けられた第一スイッチングデバイス106を備える。第一スイッチングデバイス106は、電源302からの電流iが負荷304に供給されるONモードと、負荷304に電流が供給されないOFFモードとの間で切り替わるよう設けられる。よって第一スイッチングデバイス106は、回路を開閉するスイッチとして働く。制御手段104は、例えば先述のデジタルマイクロコントローラでありうるが、これに限定されない。
制御手段104は、電源により提供され負荷304に供給される電流の値を得るように構成されることができ、得られた電流の値に基づいて制御手段104は第一スイッチングデバイス106を適宜制御する。特に、本明細書における制御手段104は、a)電流iの値が回路遮断器のスイッチング電流isよりも大きい場合に、回路遮断器のスイッチング時間内に第一スイッチングデバイス106をOFFモードに切り替え、b)第一時間間隔T1の後に第一スイッチングデバイス106をOFFモードからONモードに戻るように切り替えるように構成されうる。
制御手段104は、ステップa)およびb)をN回繰り返すようにさらに構成されることができ、Nは正の整数である。繰り返しのうちの一回の間に負荷304に供給される電流iが回路遮断器のスイッチング電流isよりも小さい場合、スイッチング手段はONモードに維持されうる。
図7を参照すると、回路遮断器は、電源302から負荷304に供給される電流iを継続的に監視し、監視される電流iの値を信号カップリング120および122を通じて閾値検出器110を介して制御手段104に提供するように構成された電流監視手段108を備える。電源によって供給される電流を継続的に測定し、電流の測定値を閾値検出器110に提供するように構成された電流監視手段108によって監視が行われうる。閾値検出器110では、スイッチング電流および遮断電流の両方がチェックされうる。測定値がスイッチング電流の閾値よりも大きい場合には、閾値検出器110は、信号カップリング128を通じて制御手段104をトリガし、その結果、制御手段104が制御インタフェース118を通じて第一スイッチングデバイス106をONモードからOFFモードに切り替える。よって、閾値検出器110は、電流の測定値が回路遮断器100のスイッチング電流よりも大きい場合に制御手段104をトリガするように構成される。しかし、測定される電流が回路遮断器の遮断電流よりも大きい場合には、制御手段104は、回路遮断器内の部品に危害が及ばないように、第一スイッチングデバイス106を直ちにOFFモードに切り替える。
電流監視手段108は、図7に示されるようなコイル等のインダクタでありうる。このコイルの機能は、電気部品が損傷される前にスイッチング手段がOFFモードに設定されうるように過電流を遅延させることである。コイルは、コイルの誘導セクションの異なる側に設けられた二つの測定ノード134および136を有する。よって、本実施形態ではゼロクロス検出器116および閾値検出器110の両方が、コイルの測定ノード134および136の電流を測定するために設けられる。換言すれば、電流監視手段108、またはこの場合にはコイルは、測定ノード134へのカップリング120および測定ノード136へのカップリング122を介してゼロクロス検出器116に接続される。本明細書において、ゼロクロス検出器116は、電源302から供給される電流がACである場合にゼロクロスを検出するように構成される。したがって、ゼロクロス検出器116は、制御手段104がゼロクロスでスイッチング手段をONモードに戻るように切り替えうるように、信号手段126を通じて制御手段104にゼロクロスを示す。これは、ゼロクロス検出器116がACの場合にのみ関連することを意味する。
図7は、信号手段132を通じて制御手段104に正しい時間遅延を提供するように設けられた遅延ブロック114も示す。例えば、DCの場合には、第一時間間隔T1は、本発明の実施形態において電流監視手段108がその蓄えられたエネルギーの実質的に全部を失ったときを定義する閾値時間間隔よりも長い。よって、この場合、第一時間間隔T1が遅延ブロック114によって制御手段に遅延として提供されうる。したがって、閾値検出器110は、信号手段130を通じて遅延ブロック114をトリガするかまたはこれに通知しうる。
図7に同様に示されるように、回路遮断器100は、別の第二回路遮断器112と直列に連結され、回路遮断器100および第二回路遮断器112は一緒に電源302と負荷304との間に連結される。実施形態において、第二回路遮断器112は、ヒューズ、二極もしくは四極小型回路遮断器、または任意の他の適切な標準化された回路遮断器等のいわゆる標準化された回路遮断器である。回路遮断器の規格の例は、IEC60898‐1である。標準化された第二回路遮断器により、回路遮断器は、国内、地域および国際政府機関および組織によって設定された電気安全に関する安全要件を満たす。これらの実施形態によれば、第一スイッチングデバイス106のスイッチング時間は、第二回路遮断器112のスイッチング時間よりも短い。
本発明のさらなる実施形態では、第一スイッチングデバイス106の遮断電流またはスイッチング電流は、第二回路遮断器112の遮断電流よりも大きい。第一スイッチングデバイス106の遮断電流またはスイッチング電流は、実施形態において、第二回路遮断器112の遮断電流よりも少なくとも三倍高い。デジタル回路遮断器では、ピーク電流を処理するトランジスタ(回路遮断器のスイッチ、すなわちこの場合にはスイッチング106)の能力が遮断電流のハードウェア制限を設定する。第一スイッチングデバイス106の遮断電流は、スイッチとして働くトランジスタ等のスイッチング手段を過電流から保護するために設定されたハードウェア制限と考えられうる。第二回路遮断器112の遮断電流は、第二回路遮断器112の定格電流でありうる。
さらに、第二回路遮断器112は、RCCBと統合される、例えば同じハウジング内および/または共通のPCB上に設けられることができる。一つの場合には、ヒューズに対応する金属ストリップが共通のPCB内に設けられ、第二回路遮断器112として働く。金属ストリップは、小型回路遮断器(MCB:miniature circuit breaker)の熱トリガに対応するであろう。
図8は、スイッチング時間と定格電流との間の関係を図示する。x軸は定格電流(「x」×所与の公称値)を示し、y軸は秒単位のスイッチング時間を示す。図8のB、CおよびDと記された磁気トリガゾーンは、MCBの異なる標準化された定格過電流に関係する。一方、熱トリガゾーンは、MCBで生成されるエネルギー(すなわち電流*時間)によって生成される熱に関係する。
「スイッチング電流閾値」と記され表示された縦線が、図8のゾーンIおよびIIの境界を定める。図8のゾーンIは、スイッチング電流閾値(SCT:switching current threshold)に関連するソフトウェアにより定義される電流制限に関係し、ゾーンIIは、スイッチング電流閾値に関連するソフトウェアにより定義される過電流制限に関係する。本発明の実施形態において、SCTは、ソフトウェアによって変更または設定および制御されうる。図8の右R矢印および左L矢印でこれが示される。これは、測定される電流が現在のSCTを上回るときに、例えばマイクロコントローラのソフトウェアは、測定される電流が回路遮断器自体または負荷にとって害がないと判断された場合にスイッチングが行われないように、SCTを上昇させることを決定しうることを意味する。よって、この状況は、測定される電流が現在のSCTを上回るが回路遮断器の遮断電流を下回るときに生じる。逆の場合、すなわちSCTが下げられることも起こりうる。例えば、コストを節約する(関税を下げる)ために、SCTを下げることによって最大定格電流が下げられうる。一方、図8のゾーンIIIは、遮断電流と同じであるハードウェアにより定義される過電流制限に関係する。
先に述べたように、本発明の実施形態は、AC電源、DC電源、またはAC電源とDC電源との両方を備える回路に関しうる。以下の開示では、ACおよびDCの異なる場合が、図9のフローチャートを参照してより詳細に説明される。
図9は、第一スイッチングデバイス106に関する本発明による方法のフローチャートを示す。
図9のステップIでは、電源302によって負荷304に供給される電流が継続的に測定または監視される。本発明の実施形態において、電流は前述のように電流監視手段108を用いて監視される。
図9のステップIIで、測定される電流が第一スイッチングデバイス106の閾値電流、すなわち第一スイッチングデバイス106のスイッチング電流よりも高いか否かがチェックされる。ステップIIでNOの場合、すなわち測定される電流が閾値電流を下回る場合には、本方法はステップIに戻り、電源302によって供給される電流の測定を続ける。しかし、ステップIIでYESの場合、すなわち測定される電流が閾値電流よりも高い場合には、本方法はステップIIIに続く。
図9のステップIIIで、連続する過電流(例えば突入電流)の最大検出数nに達しているか否かがチェックされ、ここでnは連続する過電流検出数を示すカウンタ値である。ステップIIIでYESの場合には、これは測定される電流が閾値電流よりもN回高かった場合に等しい。ステップIIIでNOの場合には、本方法はステップIVに続き、あるいはステップIIIにおいてYESの場合には、本方法はステップVを続く。本発明の実施形態において、Nは10以下である。本発明のさらなる実施形態において、Nは6以下である。
図9のステップIVでは、すなわちステップIIIでNOと判断された場合には、第一スイッチングデバイス106が第一時間間隔T1の間にOFFモードに切り替わることによって回路300を遮断し、その後ONモードに戻るように切り替わる。カウンタnは値1で、すなわちn=n+1に増やされ、方法はステップIに戻る。
電源302が負荷にACを供給するときのACの場合には、本発明の実施形態によれば、T1は、第一スイッチングデバイス106がゼロクロスでONモードに戻るように切り替わるように設計される。よって第一時間間隔T1はAC電流のゼロクロスに依存する。第一時間間隔T1は、例えばAC電流の二つの連続するゼロクロスの間の時間間隔、したがって過電流が検出された後の次のゼロクロスである。第一時間間隔T1は、連続する検出される過電流の間で変動しうることに留意されたい。よって、第一時間間隔T1は最適な性能のために設計されうる。
電源が負荷304にDCを供給するときのDCの場合には、本発明の実施形態によれば、第一時間間隔T1は、電流監視手段108のエネルギー蓄積特性に依存する。前述のように、前記電流監視手段108は、電源302から負荷304に供給される監視される電流iの値を提供するように構成された固有の抵抗をもつコイル等のインダクタでありうる。よって、実施形態において、DCの場合には、第一時間間隔T1は、電流監視手段108がその蓄えられたエネルギーの実質的に全部を失ったときを定義する閾値時間間隔よりも長い。
図9のステップVでは、すなわちステップIIIでYESの場合には、第一スイッチングデバイス106は、第二時間間隔T2の間にOFFモードに切り替わることにより回路を遮断し、ここでT2はT1より大きい、すなわちT2>T1である。カウンタnもゼロ、すなわちn=0にリセットされ、方法はステップIに戻る。
ACの場合、T2は、第一スイッチングデバイス106が、本発明の実施形態により連続する数のゼロクロスの後にゼロクロスでONモードに戻るよう切り替わるように設計される。
本発明の実施形態において、T2は、電気的故障状況に対する人間の知覚に起因して、ACおよびDCの場合の両方で5s以下であるように設計される。しかし、パラメータT2は他の値に設計できることに留意されたい。よって、パラメータT2は、実施形態において、様々な用途に動的に適合されうる。
最後に、本発明は上述した実施形態に限定されず、添付の独立請求項の範囲内の全ての実施形態にも関係しそれらを組み込むことが理解されねばならない。
Claims (18)
- 電気回路(300)用の残留電流回路遮断器RCCB(100)であって、前記電気回路(300)の電源(302)と負荷(304)との間に連結されるように構成され、前記電源(302)と前記負荷(304)との間に互いに直列に連結された第一スイッチングデバイス(106)および第二スイッチングデバイス(140)を含み、
前記第一スイッチングデバイス(106)は、前記負荷(304)に供給される電流iの値が前記第一スイッチングデバイス(106)のスイッチング電流閾値isよりも大きいことを検出したときに、前記負荷(304)に電流が供給されないOFFモードに切り替わるように構成され、
前記第二スイッチングデバイス(140)は、前記負荷(304)に供給される前記電流iの漏れを検出したときに、前記負荷(304)が短絡されるONモードに切り替わるように構成される、RCCB(100)。 - 前記第二スイッチングデバイス(140)は、前記負荷(304)と並列に連結される、請求項1に記載のRCCB(100)。
- 前記第二スイッチングデバイス(140)は、機械式スイッチ(144)と並列に連結された電子スイッチ(142)を備える、請求項1または2に記載のRCCB(100)。
- 前記電子スイッチ(142)は、前記負荷(304)に供給される前記電流iの前記漏れを検出したときに、前記負荷(304)が短絡されるONモードに切り替わるように構成され、
前記機械式スイッチ(144)は、前記負荷(304)に供給される前記電流iの前記漏れを検出したときに、前記負荷(304)が短絡されるONモードに切り替わるように構成される、請求項3に記載のRCCB(100)。 - 前記電子スイッチ(142)は、期間Tの後に前記負荷(304)が短絡されないOFFモードに戻るように切り替わるように構成される、請求項4に記載のRCCB(100)。
- 前記期間Tは、前記機械式スイッチ(144)のONスイッチング時間よりも大きく、前記ONスイッチング時間は、前記機械式スイッチ(144)が前記ONモードに切り替わるための期間である、請求項5に記載のRCCB(100)。
- 前記機械式スイッチ(144)は、ユーザ(500)の入力を受信したときに、前記負荷(304)が短絡されないOFFモードに戻るように切り替わるように構成される、請求項4~6のいずれか1項に記載のRCCB(100)。
- 前記RCCB(100)は、
前記電気回路(300)の第一ノード(N1)の第一電流i1を測定し、
前記電気回路(300)の第二ノード(N2)の第二電流i2を測定し、
前記第一電流i1と前記第二電流i2とに基づいて前記負荷(304)に供給される前記電流iの漏れを検出する
ように構成された漏電検出器(150)を備える、請求項1~7のいずれか一項に記載のRCCB(100)。 - 前記負荷(304)に供給される前記電流iの前記漏れを検出する際に、前記第一電流i1と前記第二電流i2とが異なる値をもつことを検出する、請求項8に記載のRCCB(100)。
- 前記第一ノード(N1)は前記負荷(304)の供給コネクタに設けられ、前記第二ノード(N2)は前記負荷(N2)の戻りコネクタに設けられる、請求項8または9に記載のRCCB(100)。
- 前記漏電検出器(150)は、直流および/または交流の漏れを検出するように構成される、請求項8~10のいずれか一項に記載のRCCB(100)。
- 前記漏電検出器(150)は、ホールセンサである、請求項11に記載のRCCB(100)。
- 前記RCCB(100)は、前記第一スイッチングデバイス(106)および前記第二スイッチングデバイス(140)のうちの少なくとも一つを制御するように構成された少なくとも一つの制御デバイス(104;104’)を備える、請求項1~12のいずれか一項に記載のRCCB(100)。
- 前記第一スイッチングデバイス(106)は、
a)第一時間間隔T1の後に、前記OFFモードから電流iが前記負荷(304)に供給されるONモードに戻るように切り替わる
ように構成される、請求項1~13のいずれか一項に記載のRCCB(100)。 - 前記第一スイッチングデバイス(106)は、
b)前記負荷(304)に供給される電流iの値が前記スイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、前記OFFモードに戻るように切り替わり、
ステップa)およびb)をN回繰り返し、ここでNは正の整数である
ように構成される、請求項14に記載のRCCB(100)。 - 前記第一スイッチングデバイス(106)は、
ステップa)およびb)が前記N回繰り返された場合に、第二時間間隔T2の間に前記OFFモードのままである
ように構成される、請求項15に記載のRCCB(100)。 - 前記第二時間間隔T2は前記第一時間間隔T1よりも大きい、請求項16に記載のRCCB(100)。
- RCCB(100)のための方法(200)であって、前記RCCB(100)は、回路(300)の電源(302)と負荷(304)との間に連結されるように構成され、前記電源(302)と前記負荷(304)との間に互いに直列に連結された第一スイッチングデバイス(106)および第二スイッチングデバイス(140)を含み、
前記方法(200)は、
前記負荷(304)に供給される電流iの値が前記第一スイッチングデバイス(106)のスイッチング電流isよりも大きいことを検出したときに、前記第一スイッチングデバイス(106)を前記負荷(304)に電流が供給されないOFFモードに切り替えるステップ(202)と、
前記負荷(304)に供給される前記電流iの漏れを検出したときに、前記第二スイッチングデバイス(140)を前記負荷(304)が短絡されるONモードに切り替えるステップ(204)と、を含む方法(200)。
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