JP6672465B2 - 三相交流負荷の短絡監視のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、概括的には三相交流系統に、ならびにとりわけ三相交流負荷の短絡監視のための装置および方法に関する。

三相交流系統内では、三相交流系統で動作する三相交流負荷、例えばモータ、加熱素子、またはランプのための短絡監視が、電気的安全性の理由から必要である。

このために、三相交流負荷を三相交流網の導体に接続している電流経路内の電流強度の監視を、一般的には電流センサを用いて行っており、これに関し、三相交流負荷での短絡は、測定される電流強度の突然の変化によってはっきりと現れる。

変流器とも呼ばれる交流センサは、たいていリングコアから成っており、変圧器のように実施されている。捕捉すべき交流に貫流される導体の交流磁場が、測定コイル内で交流を誘導し、この交流は、巻数比の逆数を介して測定電流に比例している。

したがって三相交流適用における電流センサは、入力信号の比例写像をもたらし、この変流器の作用原理は、例えばロゴスキーコイル、ホールセンサ、または変圧器に基づいている。例えば、交流用にも設計されており、測定すべき導電体を越えてぱたんと閉じ得る大きな開口部を有するクランプ電流計が知られている。

関与するコイルの巻数比の選択により、一次回路にさほどの影響を及ぼすことなく、大きな測定範囲をカバーすることができる。この原理に基づく変流器は、一般的には動作用の外部エネルギーを必要としない。

三相交流適用における電流センサによる短絡監視のため、一般的には最初に電流データをアナログ値として捕捉する。捕捉した電流データの信号推移を、例えばモータ電流監視機構により、あり得る突然の変化について検査し、これらの変化が短絡を示している。

ＤＥ１０２０１１００１３４０Ａ１からは、例えば三相交流系統内の三相交流負荷の短絡保護用の電気装置が知られており、この装置では、三相交流負荷での短絡を認識するための手段が設けられており、この短絡を認識するための手段は電流センサを有しており、および予め定めたスイッチング閾値を超過すると短絡が認識されるように形成されたスイッチング閾値認識手段が設けられている。

センサの出力信号は、電気的および／または電磁的妨害により影響を及ぼされる可能性がある。短絡電流用にデザインされた電流センサはまさに、有用信号の際の高い上昇速度に基づき、妨害に似た信号をもたらす特性を有している。

三相交流系統内でのスイッチング操作により、電流センサの出力信号が磁気的または電気的結合により妨害される可能性がある。短絡監視装置は典型的には例えば２４Ｖの動作電圧で動作し、その一方で三相交流網の２つの導体間の電圧は約４００Ｖである。これらの電圧差が、ただし配線の結合容量および配線の平行な案内も、結合に決定的な役割を果たす。妨害量の原因となる妨害電流は、たいていは配線を経由して機器に導かれ、そして機器インターフェイスを経由して侵入する。妨害電流は、ケーブルシールド容量を経由するのと同じくらい、ハウジング寄生容量を経由して流れることができる。妨害電流は、非常に容易にガルバニック接続を経由して機器内部に達する。ガルバニック分離型インターフェイスの数ピコファラドの寄生結合容量で十分である。

ＤＥ４３２９９１９Ａ１からは、車両内の消費機器を動作させるための方法および装置が知られており、この装置はスイッチング素子を含んでおり、この場合、各スイッチング素子により電流を捕捉し、かつそれぞれ個々に、設定された最大値の達成または超過について監視する。すべてのこのような超過の際に消費機器の領域内の短絡を仮定し、スイッチオフを引き起こす場合、例えば妨害放射線によって生じる妨害の際にもスイッチオフが行われる。短時間の妨害が装置のスイッチオフに至らないよう、最大電流の超過により時限素子をスタートさせ、この超過が設定された時間の長さ持続する場合に初めてエラーを認識する。

ＤＥ４３２９９１９Ａ１で説明している方法に関しては、短絡の認識が遅れて行われ、かつ短時間の妨害の際にしかエラー認識を回避できないことが不利である。

ＤＥ１０２０１１００１３４０Ａ１ ＤＥ４３２９９１９Ａ１

したがって本発明の課題は、三相交流負荷の短絡監視をどのように改善させ得るか、その方法を示すことである。

この課題は独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の対象である。

それに応じて、三相交流網に接続された三相交流負荷の短絡監視装置は、三相交流網の１つの位相の電流経路内に配置された少なくとも１つの電流センサ、それぞれの電流センサが接続配線を介して接続されている各電流センサ用のそれぞれ１つの端子を備えた、少なくとも１つの電流センサの測定値を評価するための処理ユニットを含んでおり、この処理ユニットは、三相交流負荷での短絡を、電流センサによって確定された測定値の評価によって認識するために形成されており、かつこの評価は、短絡と、確定した測定値の電気的および／または電磁的妨害による影響とを区別するため、確定した測定値の妥当性（Plausibilitaet）検査を含んでいる。

短絡監視のために、三相交流網の複数またはすべての位相の電流経路内の電流を測定することが特に有利である。それに応じて装置は、好ましくは複数の、とりわけ３つの電流センサを含んでおり、これらの電流センサはそれぞれ三相交流網の異なる位相の電流経路内に配置されており、かつそれぞれ接続配線を介して処理ユニットの割り当てられた端子に接続されている。言い換えればこの実施形態では、各電流経路内に、短絡監視装置のそれぞれ１つの電流センサが配置されることが特に有利である。

装置の特に有利な一実施形態では、電流センサを処理ユニットに接続している接続配線の少なくとも２つが相互に結合素子を介して連結されている。特に有利なのは、電流センサを処理ユニットに接続しているすべての接続配線がそれぞれペアで相互に、別々の結合素子を介して相互に連結されていることである。

結合素子は、とりわけ接続配線間の容量結合を引き起こし、それに応じてそれぞれ少なくとも１つのコンデンサを含んでいることが有利である。

結合素子は、とりわけ、短絡監視装置に結合される電気的および／または電磁的妨害を接続配線に均一に分配し、こうして、どの方向からおよびどの接続配線で妨害か結合されるかに関係なく、電流センサが接続されている処理ユニットのすべての端子で、妨害によって生じる電圧レベルを同一に保つために用いられる。

これに対し電流センサの有用信号、つまり電流測定の測定信号は、結合素子によって影響を及ぼされるべきはでない。したがって結合素子はそれぞれ、接続配線が高周波信号に対しては実質的に短絡されるが、接続配線で伝送される電流センサの測定信号は結合素子により実施的に影響を及ぼされないように、ハイパスフィルタとして形成されることが特に有利である。結合素子は、とりわけ周波数５０Ｈｚの有用信号に影響を及ぼさないように調節される。

短絡監視のため、装置は、電流センサを用いて連続的にまたは設定された時間間隔で、とりわけ周期的に電流測定値を確定するために形成されることが好ましい。電流センサによって確定された測定値の処理ユニットによる評価は、とりわけ信号推移における突然の変化を認識するため、確定した測定値の時間的推移の評価を含むことが有利である。

処理ユニットは、少なくとも１つの確定した電流値がまたは複数の確定した電流値から導き出された値が、設定された閾値を超過しており、かつ確定した電流値が、設定された妥当性ルールを守っている場合に、短絡を認識するために形成されることが好ましい。

有利な一実施形態では処理ユニットが、導き出された値として、設定された測定期間中の電流推移の正半波および負半波の最大振幅を確定するために形成されている。

処理ユニットは、電流センサによって捕捉されたアナログ測定信号を、そのまま対応するアナログ回路構成を用いてアナログで処理するために形成することができ、または測定信号をデジタルデータに変換し、例えばマイクロコントローラを用いて評価するために形成することができることを付け加えておく。

本発明の中心思想は、電流センサの捕捉した測定信号を評価する際に、短絡と、確定した測定値の電気的および／または電磁的妨害による影響とを区別するため、確定した測定値の妥当性検査を実施することにある。

有利な一実施形態では、守られるべき妥当性ルールとして、例えば所定の時点で電流センサによって確定された電流値がすべて同じ符号を有してはいないことを規定している。使用する三相交流負荷および予想され得る妨害に応じて、さらなる適切な妥当性ルールを定めることができる。

装置は、短絡を認識した際に、例えば三相交流負荷の確実なスイッチオフを引き起こすといった適切な措置を開始するため、処理ユニットにより短絡を認識した際に制御信号を生成するための制御出力部を含んでいることが好ましい。

本課題は、三相交流網に接続された三相交流負荷の短絡監視方法によっても解決され、この方法では、三相交流網の１つの位相の電流経路内に配置された少なくとも１つの電流センサを用いて測定値を確定し、そして短絡を認識するために、確定した測定値をまたはそれらから導き出された値を処理ユニットによって評価し、この評価は、短絡と、確定した測定値の電気的および／または電磁的妨害による影響とを区別するため、確定した測定値の妥当性検査を含んでいる。

この方法は、有利な実施形態を上述の装置の有利な実施形態に倣って規定している。

それに応じて有利なのは、この方法が測定値の確定を、それぞれ三相交流網の異なる位相の電流経路内に配置されており、かつそれぞれ接続配線を介して処理ユニットの割り当てられた端子に接続されている複数の、とりわけ３つの電流センサを用いて行うことであり、これに関してはとりわけ、電流センサを処理ユニットに接続している接続配線の少なくとも２つが相互に結合素子を介して連結されており、特に有利には、電流センサを処理ユニットに接続しているすべての接続配線がそれぞれペアで相互に、別々の結合素子を介して相互に連結されている。

測定値の確定は、連続的にまたは設定された時間間隔で、とりわけ周期的に行われることが好ましく、その際、処理ユニットによる評価が、確定した測定値の時間的推移の評価を含むことが好ましい。

処理ユニットにより、とりわけ、少なくとも１つの確定した電流値がまたは複数の確定した電流値から導き出された値が、設定された閾値を超過しており、かつ確定した電流値が、設定された妥当性ルールを守っている場合に、短絡が認識され、その際、守られるべき妥当性ルールは、例えば所定の時点で電流センサによって確定された電流値がすべて同じ符号を有してはいないことを規定している。

さらにこの方法は、処理ユニットにより短絡を認識した際に制御信号を生成することが有利である。有利なのはこの方法が、制御信号を用い、アクション、例えばエラー情報の表示、エラーメッセージの転送、または三相交流負荷の確実なスイッチオフを引き起こすことである。

以下に、本発明を幾つかの例示的実施形態に基づき、図面を参照しながらより詳しく説明する。その際、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を意味している。

三相交流負荷の本発明による短絡監視装置の好ましい一実施形態の概略図である。 三相交流負荷の本発明による短絡監視方法の好ましい一実施形態のステップの概略図である。

図１は、三相交流系統１０を示しており、三相交流系統１０内では、三相交流負荷２５０が、電流経路１０１、１０２、および１０３を介し、図１では示されていない三相交流網の導体に接続されており、この場合、電流経路を通ってそれぞれ電流が流れており、これは図１で示している記号Ｉ１、Ｉ２、またはＩ３によって示唆されている。

三相交流負荷２５０は、例えばスター結線または三角結線で動作させることができる。図示した例示的実施形態では、三相交流負荷２５０をスター結線で動作させており、この場合、スターブリッジ（Sternbruecke）はＮ電位であり、保護導体２６０と連結されている。

三相交流網に接続された三相交流負荷２５０の短絡監視装置１００が設けられており、装置１００は、三相交流網の位相の電流経路内に配置された３つの電流センサ２０１、２０２、および２０３と、それぞれの電流センサが接続配線を介して接続されている各電流センサ用のそれぞれ１つの端子４０１、４０２、または４０３を備えた、電流センサ２０１、２０２、および２０３の測定値を評価するための処理ユニット４００とを含んでいる。さらにこれらの電流センサのために、処理ユニット４００の共通の基準端子４０４が設けられている。端子４０１、４０２、または４０３の１つと、基準端子４０４との間にかかる電圧は、それぞれの電流センサ２０１、２０２、または２０３によって測定された電流強度に比例している。電流センサ２０１〜２０３は、とりわけ変流器として形成されている。しかし原理的には、適切な電流センサのあらゆる既知の種類を、または将来的な種類も用いることができる。

電流センサ２０１、２０２、または２０３を端子４０１、４０２、または４０３に接続している接続配線はそれぞれペアで、結合素子３０５、３０６、および３０７を介して相互に連結されている。図示した例示的実施形態ではさらに、電流センサ２０１、２０２、または２０３を端子４０１、４０２、または４０３に接続している接続配線がそれぞれ、電流センサ２０１、２０２、または２０３を基準端子４０４に接続している接続配線と、結合素子３０２、３０３、または３０４を介して連結されている。

装置１００はさらに、装置１００を供給電圧に接続するための端子４１０および４２０を含んでおり、この端子４１０および４２０は、図示した例示的実施形態では、処理ユニット４００に電気エネルギーを供給する電源ユニット４５０と連結されており、端子４２０は接地端子として形成されている。

図示した例示的実施形態ではさらに、電流センサ２０１、２０２、または２０３を基準端子４０４に接続している接続配線が、さらなる結合素子を介して接地端子４２０と連結されている。

結合素子３０１〜３０７は、とりわけ接続配線間の容量結合を引き起こし、それに応じてそれぞれ少なくとも１つのコンデンサを含んでいることが有利である。結合素子３０１〜３０７は、とりわけ、装置１００に結合される電気的および／または電磁的妨害を接続配線に均一に分配し、こうして、どの方向からおよびどの接続配線で妨害が結合されるかに関係なく、電流センサ２０１〜２０３が接続されている処理ユニットのすべての端子４０１〜４０４で、妨害によって生じる電圧レベルを同一に保つために用いられている。

処理ユニット４００は、三相交流負荷での短絡を、電流センサ２０１、２０２、および２０３によって確定された測定値の評価によって認識するために形成されており、この評価は、短絡と、確定した測定値の電気的および／または電磁的妨害による影響とを区別するため、確定した測定値の妥当性検査を含んでいる。

装置はさらに、短絡を認識した際に処理ユニット４００により制御信号を生成するための制御出力部４０５を有している。

図２は、三相交流負荷の本発明による短絡監視方法の好ましい一実施形態のステップを概略的に示している。

ステップ５０１では電流センサ２０１、２０２、および２０３を用い、設定された期間にわたって電流測定データを捕捉する。捕捉した電流測定データから、ステップ５０２ではすべての電流位相の正半波の最大振幅を、およびステップ５０３ではすべての電流位相の負半波の最大振幅を確定する。ステップ５０４では確定した最大振幅をそれぞれ、設定された短絡レベルと比較し、かつステップ５０５では捕捉した電流測定データの妥当性検査を実施する。その後、ステップ５０６では短絡の認識を、それぞれの確定した最大振幅と設定された短絡レベルとの比較の結果に応じて、および妥当性検査の結果に応じて実施し、その際、短絡が認識されるのは、確定した最大振幅の１つが短絡レベルを超過しており、かつ妥当性検査用に定められた妥当性ルールが守られており、つまり例えば所定の測定時点ですべての電流測定値が同じ符号を有してはいない場合であり、なぜなら同じ符号を有することは、短絡に基づくのではなく妨害に基づく短絡レベルの超過を示すからである。

したがって本発明は、測定パラメータにおいて、測定対象物のＥＭＣ挙動（ＥＭＣ：電磁両立性）を考慮し、それにより妨害効果または測定信号をできるだけ厳密に、かつ反作用なく捕捉し、エラーの場合には一種の「敵味方」識別を考慮する、測定方法および直読式測定システムを提供する。

本発明によれば、測定値の時間推移に基づき、結合素子３０１〜３０７なしでは、機器が妨害されているか否かの決定を導き出すのは困難である。

本発明は、ハードウェアによる電気的および／または電磁的妨害を回路間で的確に結合することが有利であり、これによりあらゆる時点で、端子４０１、４０２、および４０３で、妨害に起因する同じ電圧比が生じる。

とりわけ有用信号が急激に上昇する場合、短絡電流センサおよび処理には、有用信号を電気的および／または電磁的妨害から区別する時間がほとんど残っていない。

説明している装置１００により、機器および回路の規則通りの動作に影響を及ぼす高すぎる妨害量が認識され、制御出力部４０５またはシステムの応答により、その後の処理および監視閾値の作動が阻止される。

処理ユニット４００は、データおよび信号推移を、短絡に関するあり得る突然の変化について絶えず検査する。短絡が存在するのはとりわけ、その時々の電流データから確定した最大振幅偏差が、設定された閾値を超過しており、かつ妥当性チェックが、すべての電流データが正半波または負半波にあるのではないことを明らかにする場合である。

相次ぐ一連の電流データまたはサンプリング内で短絡を確認した場合、「短絡」事象を起こすことが有利である。

妥当性チェックにより、信号を正しい時間的推移について検査する。例えば、三相交流系統内の３つの電流は、如何なる時点でも、同じ符号推移での比例的なアナログ信号を有することはない。妥当性チェックにより、有用信号が電気的または電磁的妨害から明確に区別される。

１０ 三相交流系統
１００ 短絡監視装置
１０１〜１０３ 電流経路
２０１〜２０３ 変流器
２５０ 三相交流負荷
２６０ 保護導体
３０１〜３０７ 結合素子
４００ 処理ユニット
４０１〜４０３ アナログ電流測定信号用の端子
４０４ アナログ基準信号用の端子
４０５ 出力部
４１０、４２０ 供給電圧用の端子
４５０ 電源ユニット
５０１〜５０６ プロセスステップ

Claims (18)

1. 三相交流網に接続された三相交流負荷（２５０）の短絡監視装置（１００）であって、
   − それぞれが前記三相交流網の異なる位相の電流経路（１０１〜１０３）内に配置された複数の電流センサ（２０１〜２０３）、及び、
   − それぞれの前記電流センサ（２０１〜２０３）が接続配線を介して接続されている各電流センサ（２０１〜２０３）用のそれぞれ１つの端子（４０１〜４０４）を備えた、前記電流センサ（２０１〜２０３）の測定値を評価するための処理ユニット（４００）、
   を含んでおり、
   前記処理ユニット（４００）が、前記三相交流負荷（２５０）での短絡を、前記電流センサ（２０１〜２０３）によって確定された前記測定値の評価によって認識するために形成されており、
   前記評価が、短絡と、確定した前記測定値の電気的および／または電磁的妨害による影響とを区別するため、確定した前記測定値の妥当性検査を含み、
   前記電流センサ（２０１〜２０３）を前記処理ユニット（４００）に接続している前記接続配線の少なくとも２つが相互に結合素子（３０１〜３０７）を介して連結されている、
   短絡監視装置。
2. それぞれ前記三相交流網の異なる位相の電流経路（１０１〜１０３）内に配置されており、かつそれぞれ接続配線を介して前記処理ユニット（４００）の割り当てられた端子（４０１〜４０４）に接続されている３つの電流センサ（２０１〜２０３）を含んでいる、請求項１に記載の装置。
3. 前記電流センサ（２０１〜２０３）を前記処理ユニット（４００）に接続している前記接続配線がそれぞれペアで相互に、別々の結合素子（３０２〜３０７）を介して相互に連結されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記結合素子（３０１〜３０７）はそれぞれ、前記接続配線が高周波信号に対しては実質的に短絡されるが、前記接続配線で伝送される前記電流センサ（２０１〜２０３）の測定信号が前記結合素子（３０１〜３０７）により実質的に影響を及ぼされないように、ハイパスフィルタとして形成されている、請求項１に記載の装置。
5. 短絡監視のため、前記電流センサ（２０１〜２０３）を用いて連続的にまたは設定された時間間隔で、とりわけ周期的に電流測定値を確定するために形成されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記処理ユニット（４００）による前記評価が、確定した前記測定値の時間的推移の評価を含んでいる、請求項１に記載の装置。
7. 前記処理ユニット（４００）は、少なくとも１つの確定した電流値がまたは複数の確定した電流値から導き出された値が、設定された閾値を超過しており、かつ確定した前記電流値が、設定された妥当性ルールを守っている場合に、短絡を認識するために形成されている、請求項１に記載の装置。
8. 守られるべき妥当性ルールは、所定の時点で前記電流センサ（２０１〜２０３）によって確定された前記測定値がすべて同じ符号を有してはいないことを規定している、請求項１に記載の装置。
9. 前記処理ユニット（４００）により短絡を認識した際に制御信号を生成するための制御出力部（４０５）を含んでいる、請求項１に記載の装置。
10. 三相交流網に接続された三相交流負荷（２５０）の短絡監視方法であって、
    − それぞれ前記三相交流網の異なる位相の電流経路（１０１〜１０３）内に配置され、かつそれぞれ接続配線を介して処理ユニット（４００）のそれぞれの端子（４０１〜４０４）に接続されている複数の電流センサ（２０１〜２０３）を用いて測定値を確定するステップであって、前記電流センサ（２０１〜２０３）を前記処理ユニット（４００）に接続している前記接続配線の少なくとも２つが相互に結合素子（３０１〜３０７）を介して連結されている、確定するステップ、及び、
    − 短絡を認識するために、確定した前記測定値をまたは確定した前記測定値から導き出された値を、前記電流センサ（２０１〜２０３）が接続されている前記処理ユニット（４００）によって評価するステップあって、前記評価が、短絡と、確定した前記測定値の電気的および／または電磁的妨害による影響とを区別するため、確定した前記測定値の妥当性検査を含んでいる、評価するステップ、
    を有する、
    短絡監視方法。
11. 前記測定値の前記確定が、それぞれ前記三相交流網の異なる位相の電流経路（１０１〜１０３）内に配置されており、かつそれぞれ接続配線を介して前記処理ユニット（４００）の割り当てられた端子（４０１〜４０４）に接続されている３つの電流センサ（２０１〜２０３）を用いて行われる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記電流センサ（２０１〜２０３）を前記処理ユニット（４００）に接続している前記接続配線がそれぞれペアで相互に、別々の結合素子（３０２〜３０７）を介して相互に連結されている、請求項１０に記載の方法。
13. 前記結合素子（３０１〜３０７）はそれぞれ、前記接続配線が高周波信号に対しては実質的に短絡されるが、前記接続配線で伝送される前記電流センサ（２０１〜２０３）の測定信号が前記結合素子（３０１〜３０７）により実質的に影響を及ぼされないように、ハイパスフィルタとして形成されている、請求項１０に記載の方法。
14. 測定値の前記確定が、連続的にまたは設定された時間間隔で、とりわけ周期的に行われる、請求項１０に記載の方法。
15. 前記処理ユニット（４００）による前記評価が、確定した前記測定値の時間的推移の評価を含んでいる、請求項１０に記載の方法。
16. 前記処理ユニット（４００）により、少なくとも１つの確定した電流値がまたは複数の確定した電流値から導き出された値が、設定された閾値を超過しており、かつ確定した前記電流値が、設定された妥当性ルールを守っている場合に、短絡が認識される、請求項１０に記載の方法。
17. 守られるべき妥当性ルールは、所定の時点で前記電流センサ（２０１〜２０３）によって確定された前記測定値がすべて同じ符号を有してはいないことを規定している、請求項１０に記載の方法。
18. 前記処理ユニット（４００）により短絡を認識した際に制御信号が生成される、請求項１０に記載の方法。

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