JPH07322473A - サンプリングインターバルを自動的に選択するデジタル制御式断続器 - Google Patents

サンプリングインターバルを自動的に選択するデジタル制御式断続器

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JPH07322473A
JPH07322473A JP7152142A JP15214295A JPH07322473A JP H07322473 A JPH07322473 A JP H07322473A JP 7152142 A JP7152142 A JP 7152142A JP 15214295 A JP15214295 A JP 15214295A JP H07322473 A JPH07322473 A JP H07322473A
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zero crossings
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JP7152142A
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Richard A Johnson
アーサー ジョンソン リチャード
Joseph Charles Engel
チャールス エンゲル ジョセフ
Gary F Saletta
フランシス サレッタ ゲーリイ
Alan Burke Shimp
バーケ シンプ アラン
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Eaton Corp
Original Assignee
Eaton Corp
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/006—Calibration or setting of parameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
    • G01R23/10—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage by converting frequency into a train of pulses, which are then counted, i.e. converting the signal into a square wave

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電力系統に対して
サンプリングインターバルを自動的に調整するデジタル
制御式断続器を提供する。 【構成】 電流の零交差カウントを発生させ、第１の所
定時間周期における零交差カウントの、その第１の所定
時間周期における歪みのない６０Ｈｚ電源の零交差回数
からのずれが所定回数以内であればサンプリングインタ
ーバルを５０Ｈｚ電源用の第１のインターバルから６０
Ｈｚ電源用の第２のインターバルへ変化させ、第２の所
定時間周期における零交差カウントの、その第２の所定
時間周期における歪みのない５０Ｈｚ電源の零交差回数
からのずれが所定回数以内であればサンプリングインタ
ーバルを６０Ｈｚ電源用の第２のインターバルから５０
Ｈｚ電源用の第２のインターバルへ変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は負荷電流を選択可能なサ
ンプリングインターバルでサンプリングするデジタル制
御手段を備えた断続器に関し、さらに詳細には５０Ｈｚ
または６０Ｈｚの電力系統に対してサンプリングインタ
ーバルを自動的に調整するデジタル制御式断続器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】回路遮
断器、接触器、モータ始動器、モータ制御器等のような
種々の断続器はデジタル制御手段を具備している。かか
る断続器は電流を所定のインターバルでサンプリングし
てその電流をデジタル化する。通常、このサンプリング
インターバルは工場で固定され、断続器が使用される配
電系統の周波数、即ち５０Ｈｚか６０Ｈｚのいずれかに
適合可能なように選択されている。市場のグローバル化
が進んだ今日、いずれの周波数にも容易に適合できる断
続器を提供するのが望ましい。
【０００３】１９９３年６月７日付け米国特許出願第０
８／０７２，３７６号（発明の名称：Electrical Switc
hing Apparatus with Digital Trip Control and Autom
aticFrequency Selection）は、接続される５０Ｈｚま
たは６０Ｈｚの配電系統に対してサンプリングレートを
自動的にセットするデジタル制御手段を備えた断続器を
開示している。この制御装置は交流電流信号を自乗し、
その結果得られたパルスの前縁をカウントすることによ
って零交差カウントを発生させる。このカウントが基準
インターバルにおける５０Ｈｚ信号の零交差カウントと
６０Ｈｚ信号の零交差カウントのほぼ中間の値として選
択される基準カウントを越えると、６０Ｈｚの電源用の
サンプリングインターバルがセットされる。カウントが
この基準カウント以下であれば５０Ｈｚの電源用のサン
プリングインターバルがセットされる。選択されたイン
ターバルはデジタル制御手段のマイクロプロセッサが使
用できるようにＲＡＭに蓄積され、また制御用電源が一
時的に切れた後再起動する際マイクロプロセッサが使用
できるようにＥＥＰＲＯＭ（電子的に消去可能なプログ
ラム可能なＲＯＭ）に蓄積される。通常、デジタル制御
手段は被保護回路を流れる電流から給電されるため、断
続器がオフになるかトリップされると制御電源が失われ
ると共にＲＡＭに蓄積された値も失われる。
【０００４】上述したように５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの
電源に対してサンプリングインターバルを自動的に選択
する方式は電流波形が乱れていない場合はうまく働く。
しかしながら、交流モータ用のインバータ式速度制御装
置のような現在使用されている多くの負荷の負荷電流に
は調波が発生する。これらの調波は零交差回数を増加さ
せるため周波数を自動的に選択する装置に誤ったカウン
トが発生する傾向がある。断続器が５０Ｈｚ電源系統に
使用されている場合、この増加したカウントにより６０
Ｈｚ電源系統用のサンプリングインターバルが誤って選
択されるため問題がある。かかる問題は断続的に発生す
るため、サンプリングインターバルが５０Ｈｚと６０Ｈ
ｚの間で交互に切り換わる。このようにサンプリングイ
ンターバルが反復的に変化しても保護機能にとって受け
入れ不能な程の精度低下が生じるわけではないが、断続
器の中には電力及びエネルギーの計算を行うものがあ
り、この場合受け入れ不能な程の誤差が生じる。
【０００５】電流のサンプリングインターバルが２つの
値の間でランダムに切り換わることに起因する別の問題
点としては、ＥＥＰＲＯＭに例えば１万回のような限ら
れた回数を越えて書き込みが行われるとそれ以上の書き
込みができないことである。この書き込み回数を越える
とＥＥＰＲＯＭ全体が非作動状態になることがあり、パ
ラメータをＥＥＰＲＯＭに蓄積した制御装置の他の機能
も同じく非作動状態となる。上述の断続器のデジタル制
御手段は米国特許第５，２７０，８９８号に記載された
特注の集積回路チップを備えており、それにはチョッパ
を組み込んだシャントレギュレータ付きの電源が含まれ
る。このチョッパはデジタル制御手段が自動的にインタ
ーバルを選択するにあたり誤った零交差カウントを生ぜ
しめる雑音を発生させることがあり、その結果ＥＥＰＲ
ＯＭにサンプリングインターバルの書き込みが過度に行
われる。
【０００６】従って、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのいずれ
の配電系統にも使用可能な改良型断続器に対する要望が
ある。
【０００７】さらに詳細には、接続される電源の周波数
に対して適当なサンプリングレートを自動的に選択する
ことが可能であり、歪んだ負荷電流波形のような外部的
な原因の零交差による影響を受けないデジタル制御手段
を備えた断続器に対する要望がある。
【０００８】さらに、選択したサンプリングインターバ
ルを蓄積するためのＥＥＰＲＯＭに対してかかる外部要
因による再書き込みを行わない回路断続器に対する要望
がある。
【０００９】さらに、断続器がチョッパを有するシャン
トレギュレータ付き電源を備えている場合誤った動作を
しないように保護された断続器に対する要望がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記及び他の要望は、５
０Ｈｚ電源または６０Ｈｚ電源に負荷を接続するための
装置であって、デジタル制御手段と、デジタル制御手段
のために電流のデジタルサンプルを発生させるための選
択可能なサンプリングインターバルを設定する手段とを
備えた装置に関する本発明により充足される。このサン
プリングインターバル設定手段は電流の零交差カウント
を発生させ、第１の所定時間周期における零交差カウン
トの、その第１の所定時間周期における歪みのない６０
Ｈｚ電源の零交差回数からのずれが第１の所定零交差回
数以内であれば選択可能なサンプリングインターバルを
５０Ｈｚ電源用の第１のインターバルから６０Ｈｚ電源
用の第２のインターバルへ変化させ、第２の所定時間周
期における零交差カウントの、その第２の所定時間周期
における歪みのない５０Ｈｚ電源の零交差回数からのず
れが第２の所定零交差回数以内であれば選択可能なサン
プリングインターバルを６０Ｈｚ電源用の第２のインタ
ーバルから５０Ｈｚ電源用の第２のインターバルへ変化
させる。好ましくは、この選択可能なサンプリングイン
ターバルは零交差カウントのずれが２つの連続する所定
の時間周期において所定の零交差回数以内になった場合
にのみ変化させる。また第１の所定時間周期は第１のサ
ンプリングインターバルで所定数のサンプルが得られる
時間周期であるのが好ましく、第２の所定時間周期は第
２のサンプリングインターバルで同じ数のサンプルが得
られる時間周期であるのが好ましい。
【００１１】デジタルトリップ装置にデジタル制御手段
が電源起動時使用するため選択したインターバルを書き
込むためのＥＥＰＲＯＭが含まれる場合、選択したイン
ターバルのＥＥＰＲＯＭへの書き込み回数が所定回数を
越えた後ＥＥＰＲＯＭが非作動状態になるのを回避する
ためサンプリングインターバルをさらに書き込むのを阻
止する手段を備えている。この場合、デジタルトリップ
装置が使用するためサンプリングインターバルを変更す
ることは依然として可能であるが、その変更はＥＥＰＲ
ＯＭに記録されない。従って、その後デジタルトリップ
装置への電源が喪失した後起動を行う際、ＥＥＰＲＯＭ
に蓄積された最後のサンプリングインターバル値は正し
い値でない場合がある。しかしながら、たとえそれが正
しい値でなくても、システムは正しいインターバル値を
２つ連続して計算した後その正しい値へ変化する。
【００１２】デジタルトリップ装置がチョッパ付き直流
電源を備えている場合、零交差カウント手段には２極フ
ィルタが挿入され、これによりチョッパが発生する雑音
がフィルタリングにより除去される。保護機能の提供に
加えて電力とエネルギーを計算するが、フィルタによる
時間遅延が受け入れ不能なものである断続器では、サン
プリングインターバルを変化させる手段は外部直流電源
が使用可能でチョッパが非作動状態になっている場合に
のみ作動できる。
【００１３】従って、本発明は、負荷を５０Ｈｚまたは
６０Ｈｚ電源のいずれかに接続するための電気的装置で
あって、閉じた状態で負荷を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ電
源のうち選択した電源に接続し、開いた状態で負荷を選
択した電源から切り離す開離可能な接点、閉じた状態の
接点を介して負荷へ流れる電流を感知する感知手段、感
知した電流を選択可能なサンプリングインターバルでサ
ンプリングすることによりデジタル電流信号を発生させ
るデジタル化手段と、デジタル電流信号の所定の値に応
答してトリップ信号を発生させる手段とを含むデジタル
制御手段、選択可能なサンプリングインターバルを５０
Ｈｚ電源の場合は第１のサンプリングインターバルに、
また６０Ｈｚ電源の場合は第２のサンプリングインター
バルに設定する手段であって、電流の零交差回数をカウ
ントする零交差カウント手段と、第１の所定時間周期に
おける電流の零交差回数の、歪みのない６０Ｈｚ電源電
流の前記第１の所定時間周期における第１の零交差回数
からのずれが第１の所定零交差回数以内である時はサン
プリングインターバルを第１から第２のサンプリングイ
ンターバルへ変化させ、第２の所定時間周期における電
流の零交差回数の、歪みのない５０Ｈｚ電源電流の前記
第２の所定時間周期における第２の零交差回数からのず
れが第２の所定零交差回数以内である時はサンプリング
インターバルを第２から第１のサンプリングインターバ
ルへ変化させる手段とより成るサンプリングインターバ
ル設定手段、及びトリップ信号に応答して接点を開放さ
せる手段とより成ることを特徴とする電気的装置を提供
する。
【００１４】以下、添付図面を参照して本発明を実施例
につき詳細に説明する。
【００１５】
【実施例】図１は３相／４線電力系統３を保護するよう
に接続された本発明の回路遮断器１を示す。この電力系
統は相導体５Ａ，５Ｂ，５Ｃ及び中性導体５Ｎを有す
る。回路遮断器１は各相導体を流れる電流を感知する３
つの変流器１次巻線７Ａ，７Ｂ，７Ｃを有する。これら
の変流器１次巻線は回路遮断器１の筺体９内に配置され
ている。回路遮断器１の外部に設置された第４の変流器
の１次巻線７Ｎは中性導体５Ｎを流れる電流をモニター
する。変流器１次巻線７Ｎは電力系統のフルスケール定
格電流が２次側に例えば５アンペアの信号を発生させる
ように設定されている。相導体の変流器１次巻線７Ａ−
Ｃはすべて同一サイズであるが、中性導体の変流器１次
巻線７Ｎのサイズは相導体５Ａ−Ｃに対する中性導体５
Ｎの相対サイズに応じて選択することができる。補助ト
ランス１１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎはフルスケール定格電流を例
えば０．１アンペアにステップダウンする。相導体の変
流器１次巻線の２次側は１３で互いに接続されている。
【００１６】補助トランス１１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎの２次巻
線の２線出力は入力としてデジタルトリップ装置１５に
印加される。図３−８に関連して後述するデジタルトリ
ップ装置１５はモニターされた相導体及び中性導体を流
れる電流に基づいて保護機能を実行する。この保護機能
には相導体５Ａ−Ｃに設けた開離可能な接点１９Ａ，１
９Ｂ，１９Ｃを開くため磁束シャントトリップ装置１７
を作動させるトリップ信号の発生が含まれる。関連の法
規が許すなら、必要に応じて中性導体５Ｎにも１組の接
点（図示しない）を設けることができる。
【００１７】回路遮断器１は相導体及び中性導体の過負
荷または遮断器のトリップにつきアラームを発生させる
際に利用できるリレー２１を備えることができる。リレ
ー２１はデジタルトリップ装置１５からのリード２５上
の信号により作動される。リレー２１は１組の接点２５
を閉じることにより、出力端子２７において接点閉成を
指示する。これらの端子２７は遠隔のインディケータ
（図示しない）に接続することができる。
【００１８】回路遮断器１は既知の電流−時間保護特性
に従って保護を実行する。これらの保護機能の主体はデ
ジタルトリップ装置１５であるが、保護機能の中には瞬
時トリップ機能、短時間遅延トリップ機能及び長時間遅
延トリップ機能が含まれる。瞬時トリップ機能は短絡に
対する保護である。短時間遅延トリップ機能は、回路遮
断器１が接続された配電系統にある他の回路遮断器との
協調を可能にする。短時間遅延トリップは電流が所定時
間インターバルの間瞬時トリップの値より低いピックア
ップ値を越えると発生する。長時間遅延トリップ機能は
持続的な過電流により電気系統の導体が加熱されないよ
うに保護する。従って、長時間遅延トリップ機能は、電
気系統の熱容量に近似させた反時限電流特性をもつのが
普通である。長時間遅延保護は電流が長時間遅延ピック
アップレベルを越えると始動される。電流が短時間遅延
及び／または瞬時ピックアップレベルよりも低いが長時
間遅延の設定に対応する時間よりも長い間存在すると、
長時間遅延トリップが起こる。
【００１９】実施例の回路遮断器では、瞬時、短時間遅
延及び長時間遅延保護機能が相導体だけでなく中性導体
に対しても与えられる。中性導体に対するこれらの保護
機能のための電流ピックアップ値は相導体保護のための
ピックアップ値に対してスケーリングされている。ま
た、相導体の短時間遅延及び長時間遅延保護機能のため
の時間遅延もまた中性導体を保護するために使用され
る。しかしながら、本発明にとって過電流保護を中性導
体に施すことは必ずしも必須条件ではない。一例とし
て、中性電流に基づき地絡故障保護を与えることが可能
である。事実、回路遮断器１はかかる保護が所望されな
い場合には中性電流を全くモニタする必要がない。
【００２０】図２に示す通りに区分された図３−８は回
路遮断器１のデジタル引きはずし装置１５を略示する回
路図である。デジタルトリップ装置の心臓部はＩＣチッ
プ４７である。このカスタムチップは１個のモノリシッ
クチップ上にオンボード・マイクロプロセッサ、Ａ／Ｄ
サブシステム及び種々の入出力デバイスを含む相補型Ｍ
ＯＳ（ＣＭＯＳ）ＩＣである。このチップの詳細は参考
のためその内容を本願明細書に引用した１９９３年１２
月１４日付け米国特許第５，２７０，８９８号に開示さ
れている。この特許に記載されているＩＣは遠隔制御及
びモニタリングのためサージ保護回路５０によって保護
されるリード４８を介して回路遮断器と遠隔デバイス
（図示しない）との間の通信を可能にする回路を含む。
このような通信は本発明と併用可能であるが、本発明の
回路遮断器の必須部分ではないのでここでは言及しな
い。
【００２１】デジタルトリップ装置１５はこの装置に対
する信号の入出力を行うために回路遮断器筺体に差し込
まれる拡張ボード４９を含む。拡張ボード４９は変流器
２次巻線１１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎから相電流及び中性電流を
それぞれ入力するための結線対５１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎを含
む。これらの相電流及び中性電流信号は全波整流ブリッ
ジ回路５２Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎによって整流される。全波整
流ブリッジ回路５２のＤＣ出力は電源回路５４に電流を
供給する共通リード５３に印加される。
【００２２】電源回路５４は粗調整された直流電圧４０
ボルトを発生させる。全波整流ブリッジ回路５２からの
直流電流はキャパシタ７７を充電する。キャパシタ７７
の電圧はＦＥＴ Ｑ１より成るチョッパで制御される。
キャパシタ７７の電圧はツェナーダイオードＺ１及び抵
抗５５ａ，５５ｂより成る分圧器５５を含んだ回路によ
りモニタされる。従って、キャパシタ７７の電圧が４０
ボルトである時は、分圧器の中央接続点の電圧信号＋Ｂ
Ｓは２ボルトである。ＩＣ４７がこの＋ＢＳ信号をＢＳ
ＥＮＳＥ入力を介して読み取り、２ボルトと比較する。
＋ＢＳ信号が２ボルトよりも高くキャパシタ７７の電圧
が４０ボルトよりも高いことを指示すると、ＩＣ４７は
駆動信号＋ＢＤを発生させる。この信号は抵抗５６ａ及
び５６ｂを流れてＱ１をオンするため、変流器の二次巻
線により発生される全波整流ブリッジ回路５２からの電
流がアースにシャントされる。＋ＢＳ信号が２ボルト以
下になるとＱ１がオフになり、キャパシタ７７の電圧が
再び増加する。＋ＢＳ及び＋ＢＤ信号を運ぶリードの間
に接続されたキャパシタと抵抗５７はこれらの信号に時
間遅延を発生させるが、これがＱ１の動作を安定化させ
るヒステリシスを与える。
【００２３】４０ボルトの電源回路５４はまたマイクロ
プロセッサ４７Ｐを含むＩＣ４７のデジタル回路用の５
ボルト電源電圧を発生するために用いられる。４０ボル
トの信号ＳＴ１はトランジスタＱ２を介してキャパシタ
５９を充電する。Ｑ２はエミッタフォロワ構成となるよ
うに接続され、ベースはＩＣ４７の内部で発生される精
密な＋５ボルトの信号ＡＶＤＤによりバイアスされてい
る。ＩＣ４７のアナログ回路用電源として使用されるこ
の精密５ボルト信号については米国特許第５，２７０，
８９８号を参照されたい。トランジスタＱ２及びキャパ
シタ５９は電源回路５４からの粗調整４０ボルトの電圧
からデジタル回路用の精密５ボルト直流電圧を発生させ
る。
【００２４】デジタルトリップ装置１５はまた外部の直
流電源から給電を受けることも可能である。事実、実施
例のデジタルトリップ装置はプラグ４のピン８上の４０
ボルト入力または拡張ボード４９のピンＥＸＴＤＣを介
する別の外部電源を介してプラグイン充電回路により給
電することができる。これらの補助的直流電源はキャパ
シタ７７をほぼ直流４０ボルトに充電する。２０ボルト
のツェナーダイオードＺ２により、補助電源の使用中は
＋ＢＳ信号は２ボルトよりも充分に高い値である。この
ためＩＣ４７はＱ１をオンにして変流器１１からの電流
を連続してアースにシャントする。
【００２５】デジタルトリップ装置１５が変流器１１か
ら給電中にＱ１が連続してオン・オフされるとノイズが
発生するが、このノイズは周波数測定回路に結合され
る。しかしながら、補助電源の使用中、Ｑ１は連続して
オン状態にあるため周波数の測定に悪影響を与える誤っ
たゼロ交差を発生させる切り換えノイズは存在しない。
全波整流器５２Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎからの整流済み電流はそ
れぞれ電流を感知する抵抗６１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎへ印加さ
れる。感知した電流は入力抵抗６２Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎを介
してＩＣチップ４７に読み込まれる。前述した米国特許
に記載されるように、これらの電流はＩＣ４７のアナロ
グ回路により電圧に変換され、ボード上のＡ／Ｄコンバ
ータ４７Ａによりデジタル信号に変換されて、マイクロ
プロセッサ４７Ｐへ入力される。
【００２６】全波整流ブリッジ回路５２からのアナログ
直流電流はダイオード６５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｎに印加され、
その最も大きい電流値が選択される。最大のアナログ電
流がこれらのダイオードがリード６６により接続された
ツェナーダイオード６７により決まる値を越えると、リ
ード６９にオーバーライドトリップ信号が発生する。こ
のオーバーライドトリップ信号はＩＣ４７を介して回路
遮断器をトリップし、デジタル回路が過電流状態を検出
してそれに応答する際固有に発生する遅延を回避する。
これは、例えば落雷による短絡で発生するような非常に
大きな過電流にのみ応答する。オーバーライドトリップ
はリード６９を介してマイクロプロセッサへ報告され
る。
【００２７】相Ａの交流電流はまたリード７０を介する
信号ＳＩＧＮＩＡとしてＩＣ４７に印加されてこの電流
の符号を指示すると共に、以下に述べるように被保護系
統を流れる電流の周波数を測定するためにマイクロプロ
セッサにより使用される。
【００２８】上述したように、Ｑ１より成るチョッパが
発生するノイズは信号ＳＩＧＮＩＡに結合されると誤っ
たゼロ交差カウントを発生させて周波数の正確な測定を
妨げる。このノイズはキャパシタ７１Ａ，７１Ｂ及び抵
抗７１Ｃ，７１Ｄより成る２極フィルタ７１を挿入する
ことにより抑制可能である。チョッパが発生するノイズ
の周波数は通常高いため、２極フィルタ７１のロールオ
フ周波数をこのノイズの影響を減殺するように選択す
る。
【００２９】信号ＳＩＧＮＩＡは、配電系統の電流周波
数を測定するためＩＣ４７が使用するだけでなく、相Ａ
の交流電流の符号を決定するためにも用いられる。これ
は、ＩＣ４７のＡ／Ｄコンバータ４７Ａが一方の極性の
信号だけを変換できるため必要である。しかしながら、
フィルタ７１により信号ＳＩＧＮＩＡに位相の変化が導
入される。この位相の変化は保護機能にとっては受入れ
可能なものであるが、エネルギーと電力の計算を行うに
あたり受け入れ不能の誤差を導入することになる。従っ
て、フィルタ７１は保護機能だけを実行する回路遮断器
には使用可能であるが、エネルギー及び電力を計算可能
な回路遮断器には使用できない。後者の場合、フィルタ
７１を図９に示す回路で置き換える。図９の回路は補助
電源が存在する場合のみサンプリング周波数の変更を可
能にする。この回路２０１はリード７０に挿入した大き
な抵抗２０３（図示の例では１メグオーム）を含み、こ
のリードを介して相Ａの交流信号がＩＣ４７のＣＰ１入
力に印加される。上述したように、ＩＣ４７は信号ＳＩ
ＧＮＩＡを基準電圧と比較して相Ａのゼロ交差回数及び
相Ａの符号を測定する。＋５ボルトのデジタル用電源に
接続した抵抗２０５はＩＣ内のコンパレータが切り換わ
る動作点をセットするためのバイアスを提供する。抵抗
２０５はまた大きな値を有する（図示の例では２．７メ
グオームである）。ＩＣ４７のＣＰ１入力はダイオード
２０７及び抵抗２０９を介してアースにも接続されてい
る。５ボルトのＡＵＸ＋Ｖ信号はダイオード２０７のカ
ソードと抵抗２０９の間の接続点２１１に加えられる。
【００３０】補助電源が存在する場合、チョッパＱ１は
連続してオンの状態にあることを想起されたい。チョッ
パが連続してオン状態にあると、ゼロ交差カウントに影
響を与えるノイズは存在しない。また、この状態では、
ＡＵＸ＋Ｖの補助電源がダイオード２０７を逆バイアス
し、ＩＣ４７が信号ＳＩＧＮＩＡを読み取って周波数選
択機能のためにゼロ交差回数を測定する。
【００３１】一方、補助電源が存在しないと、チョッパ
はオン・オフに切り換えられてキャパシタ７７の電圧を
ほぼ４０ボルトに維持する。この状態のもとで、ＡＵＸ
＋Ｖ信号は零ボルトに等しく、ダイオード２０７は順方
向にバイアスされ、また、抵抗２０３は抵抗２０９より
も著しく大きいため、ＩＣ４７のＣＰ１入力に印加され
る信号ＳＩＧＮＩＡは基準電圧よりも低い。従って、補
助電源が存在しない場合、サンプリングインターバルは
変化することができない。しかしながら、これは重大な
欠点ではない。その理由は補助電源が再びオンになるま
でサンプリングインターバルの前の値が引き続き使用さ
れるからである。
【００３２】ＩＣ４７に組み込まれたマイクロプロセッ
サ４７Ｐは、抵抗６３Ａ〜６３Ｃを介して供給される相
電流及び中性電流を表わす電流信号を用い上述の保護特
性に従って瞬時、短時間遅延及び長時間遅延保護機能を
実行する。上述したように、中性導体の保護は以下に述
べるような態様で相導体の保護とは別に調整可能であ
る。
【００３３】過電流−時間限界値を越えると、ＩＣ上の
マイクロプロセッサ４７Ｐはリード７３上にトリップ信
号を発生させる。このトリップ信号はＦＥＴ７５をオン
にして電源回路５４のキャパシタ７７のリード７６を介
して放電パスを提供し、これにより拡張ボード４９の接
続点７９に接続された磁束シャントトリップ装置１７が
作動され、接点１９が開放される。フライバックダイオ
ード７８が磁束シャントトリップ装置に接続されてい
る。マイクロプロセッサはまた、リード８１，８３，８
５及び８７上にそれぞれＩＮＳＴ，ＳＨＯＲＴ，ＮＥＵ
ＴＲＡＬ，ＬＯＮＧを発生させる。これらの信号はトリ
ップの原因を可視表示するＬＥＤ９１，９３，９５，９
７を付勢させるためラッチ８９によりラッチされる。ト
リップが相導体の１つを流れる過電流によりひき起こさ
れた場合、１つのＬＥＤ９１，９３または９７が付勢さ
れる。中性導体に過電流が発生した場合、中性導体のＬ
ＥＤ９５が付勢される。
【００３４】マイクロプロセッサ４７Ｐはトリップに至
るような状態を知らせるアラーム信号を発する。即ち、
回路遮断器が長時間遅延トリップを行った場合、リード
９９にＬＤＡＬＡＲＭ信号が発生する。この信号は拡張
ボード４９上の結線１０１に現われ、必要に応じて遠隔
アラームを発生させる。電流が長時間遅延トリップ用ピ
ックアップレベルのパーセント値、例えば、８５％に達
すると、マイクロプロセッサ４７Ｐがリード１０３にＨ
ＬＡＬＡＲＭ信号を発生させる。この信号は拡張ボード
４９上のＨＩＬＯＡＤ ＡＬＡＲＭ結線１０５に供給さ
れる。マイクロプロセッサ４７Ｐは即時トリップが発生
したことを示す短絡アラーム信号としてリード１０７に
ＳＣＡＬＡＲＭ信号を発生させる。この信号は拡張ボー
ド上のＳＨＣＫ ＡＬＡＲＭ結線１０９に供給される。
オペレータが設定できる中性電流の高いしきいレベルは
中性線長時間遅延保護用のピックアップ電流よりも小さ
いが、このしきい値を越えるとリード１１０にＮＥＵＲ
ＡＬ ＡＬＡＲＭ信号が出力される。複数の中性保護ピ
ックアップレベルのうちいずれの値を越えても中性線保
護アラームが発生されるように構成することも可能であ
る。この信号は拡張ボードの出力１１２において得られ
る。ツェナーダイオード１１４はアラーム出力と接続す
る回路からのサージに対してＩＣ４７を保護する。
【００３５】デジタルトリップ装置１５はこの分野でよ
く知られた「領域連動」を可能にする。「領域連動」は
上流と下流の回路遮断器のトリップをよく知られた態様
で協調させるため短時間遅延保護につき行われる。短時
間遅延領域連動出力信号は拡張ボード４９とＳＯＵＴＸ
結線１１３において接続しているリード１１１を介して
マイクロプロセッサから供給される。短時間遅延領域連
動入力信号は拡張ボード４９のＳＩＮＸ結線１１７から
リード１１５を介してマイクロプロセッサに入力され
る。
【００３６】デジタルトリップ装置１５は、種々のフレ
ームサイズの回路遮断器と併用できる。さらにまた、デ
ジタルトリップ装置１５と併用される各サイズの回路遮
断器を利用することにより、最大許容連続電流がフレー
ムによって許容される最大連続電流より小さいかまたは
これに等しい電力系統３を保護することができる。デジ
タルトリップ装置１５にこの情報を供給するためには、
着脱自在で適当な定格プラグ１１９をデジタルトリップ
装置１５に差し込めばよい。定格プラグ１１９はフレー
ムサイズに合い、特定設備のための最大または定格電流
を設定する多数の抵抗器（図示しない）を含む。この定
格電流はフレームサイズが許容する最大電流またはこれ
よりもやや小さい値であればよい。例えば、フレームに
よって許容される最大電流が２，０００アンペアなら、
プラグ１１９における抵抗の組み合わせはマイクロプロ
セッサに対して定格電流が２，０００アンペア、１，５
００アンペア、１，２００アンペアまたは２，０００ア
ンペア以下のその他の任意の値であることを指示するよ
うに設定すればよい。マイクロプロセッサ４７Ｐはフレ
ームの設定を専用入力ＭＵＸ５を介して、また定格電流
をＭＸ６入力を介して読み取る。
【００３７】定格プラグ１１９は、３ボルト電源＋Ｅと
なるバッテリー（図示しない）も含む。既に指摘したよ
うに、デジタルトリップ装置１５は被保護回路からの電
流によって給電される。回路遮断器がトリップによって
電流を遮断すると、補助電源が提供されていないと仮定
してマイクロプロセッサへの給電も止まる。定格プラグ
１１９のバッテリーによって供給される３ボルト直流電
力＋Ｅがラッチ８９に印加されるから、ＬＥＤ９１，９
３，９５，９７はトリップ後も作動状態のままである。
このバッテリーにより結線＋Ｅを介してリセットボタン
１２１に電力を送り、ラッチ８９のためのリセット信号
を発生させる。
【００３８】回路遮断器のトリップと共にマイクロプロ
セッサ４７Ｐへの給電が止まると、長時間遅延トリップ
機能によって維持されるＩ2 t特性で表わされる負荷の
温度状態の計算が中断する。公知のように、Ｉ2 t 値で
表わされる負荷の温度状態を表わす電圧は外部のキャパ
シタ１２５に蓄積される。この例のデジタルトリップ装
置１５では、マイクロプロセッサが発生する熱励起状態
信号をキャパシタ１２５が連続的に追跡する。回路遮断
器がトリップを行い、マイクロプロセッサの給電が止ま
ると、キャパシタ１２５が抵抗１２７を介して放電す
る。抵抗１２７の値はキャパシタ１２５の電圧が負荷の
冷却に応じた速度で放電するように設定されている。マ
イクロプロセッサが再び給電されると、キャパシタ１２
５の残留電圧を利用して負荷の熱励起状態を引続き計算
するための初期値が設定される。
【００３９】状態ＬＥＤ１２９はマイクロプロセッサに
よって間歇的に給電され、マイクロプロセッサが作動状
態にあることを示す。テストボタン１３１を瞬間的に押
下することによりデジタルトリップ装置１５の自己診断
ができる。
【００４０】種々の保護機能の設定値をデータバス１３
５を介してマイクロプロセッサに入力する。データバス
には相導体保護のためのパラメータを調整するための第
１組のオペレータ調整可能スイッチ１３７と、中性導体
保護を設定するための第２組のスイッチ１３９、及びテ
ストパラメータを設定するためのスイッチ１４１が接続
している。相導体保護機能を設定する第１組のスイッチ
１３７は、相導体保護の長時間遅延ピックアップレベル
を設定するスイッチ１４３、長時間遅延時間を設定する
スイッチ１４５、相導体保護の短時間遅延ピックアップ
レベルを設定するスイッチ１４７、短時間遅延時間を設
定するスイッチ１４９、及び即時ピックアップレベルを
設定するスイッチ１５１を含む。
【００４１】第２組のスイッチ１３９は中性導体保護の
長時間遅延ピックアップレベルを設定するスイッチ１５
３、及び中性導体高負荷アラームのしきいレベルを設定
するスイッチ１５５を含む。スイッチ１４１〜１５５は
それぞれ８通りの選択可能な設定値を有する。スイッチ
１４１〜１５５の設定値はデータバス１３５を介してＩ
Ｃ４７により読み取られる。どのスイッチを読み取るべ
きかはＩＣポートＰＢ０〜ＰＢ７が判断する。読み取る
べきスイッチと接続しているポートがアースに設定さ
れ、そのスイッチのワイパーが接地される。残りのスイ
ッチと接続しているポートは高インピーダンスに設定さ
れ、これらのスイッチのワイパーが連携のプルアップ抵
抗１３６によって＋５ボルトまでプルアップされる。ポ
ートＰＤ１〜ＰＤ７は対応スイッチのワイパー位置を同
時に読み取る。ワイパーと連携する端子は接地される。
対応スイッチの残りの端子はすべて連携の抵抗１３８に
よって＋５ボルトまでプルアップされる。
【００４２】図１０はＩＣ４７上のマイクロプロセッサ
によって実行される割り込み保護ルーチンのフローチャ
ートである。この割り込み保護ルーチン１７９は約４ミ
リ秒ごとに、または１サイクルにつき４回、１８１にお
いてコールされる。コールされると、ルーチンは先ず次
の割り込みのために１８３においてタイマーをセット
し、次いで１８５において中性導体アラームリレー２１
のようなＡＴＲリレーに情報を与える。１８７におい
て、４回のサンプリングが完了したと判定されるごと
に、１８９において即時及び短時間遅延保護のための計
算を行う。１９１において６４回のサンプリングが完了
したと判定されたら、１９３において長時間遅延保護の
ための計算を行う。１９５において２５６回のサンプリ
ングが完了したと判定されるごとに、１９７において他
の関連ルーチン、例えば電源電流のエネルギー、電力及
び周波数の計算などを行う。いずれの場合にも１９９に
おいてルーチンはコーリングルーチンに戻る。
【００４３】電圧及び電流をデジタル値に変換するには
種々のサンプリング方式を使用できる。実施例の回路遮
断器１は、エネルギーモニタシステムに関し、１９９２
年７月１５日付けで出願され特許査定の通知を受けた米
国特許出願第０７／９１５，１７１号に記載されたサン
プリング方式を利用する。その方式によると、サンプリ
ングは８個のサンプルより成る群で行われ、各群はオク
ターブと呼ばれる。各オクターブまたは８個のサンプル
の中で、奇数番号のサンプルはサンプリング波形におい
てその前の偶数番号のサンプルから９０°の電気角経過
後に採取し、偶数番号のサンプルはその前の奇数番号の
サンプルから１１２．５°の電気角経過後に採取する。
オクターブ間には電気角９８．４°の遅延が存在する。
連続した１６オクターブの後、合計で１２８個のサンプ
ルが得られるが、サンプリングプロセスは電気角１２
０．９４°の遅延でもって繰り返される。このサンプリ
ング方式により６０ヘルツの正弦波では５．０６２５ミ
リ秒、５０ヘルツの正弦波では６．０７５ミリ秒の平均
サンプリングインターバルが得られる。
【００４４】サンプリングインターバルの設定に用いる
回路遮断器が接続された配電系統の交流電力周波数を測
定するにあたり、マイクロプロセッサ４７Ｐは相Ａ電流
のゼロ交差回数をカウントする。外部的要因によるゼロ
交差に起因して誤ったインターバルの選択がなされるの
を防止する１番目の措置として、ゼロ交差回数の、もう
一方の周波数の歪みのない正弦波のゼロ交差回数からの
ずれを１または２以内にする必要がある。この計算を２
５６個のサンプルにつき一回行うため、周波数の選択を
変化させるに必要なサンプルの個数は下記のように決定
される。サンプリングレートが現在６０ヘルツに設定さ
れている場合、上述した平均的なサンプリングインター
バルは５．０６２５ミリ秒であり、１２９６．０ミリ秒
の間に２５６個のサンプルが生じる。この時間周期にお
いて６０ヘルツの正方向ゼロ交差回数は７７．７５であ
る。一方、この時間周期において５０ヘルツの正方向ゼ
ロ交差回数は６４．８である。幾分かの誤差に対して余
裕をもたせるため、ゼロ交差回数が６３，６４，６５ま
たは６６に等しければ接続された電源が５０ヘルツ電源
であると判定する。５０ヘルツでは、平均的サンプリン
グインターバルは実施例のサンプリング方式では６．０
７５ミリ秒であり、１５５５．２ミリ秒の間に２５６個
のサンプルが生じる。この時間周期における５０ヘルツ
の正方向ゼロ交差の回数は７７．７５であるが、この時
間周期における６０ヘルツの正方向ゼロ交差の回数は９
３．３である。従って、ゼロ交差回数が９２，９３，９
４または９５に等しければ、６０ヘルツのサンプリング
インターバルへ変更される。
【００４５】図１１はＩＣ４７のマイクロプロセッサ４
７Ｐにより実行されるタイミング選択ルーチン３０１を
示す。このルーチンは約１秒に一回３０３においてコー
ルされる。この前にルーチンを実行して周波数を変更し
たことが３０５において判明すると、ＥＥＰＲＯＭに蓄
積されたカウントＮＶＦＲＥＱカウントが３０７におい
てインクリメントされ、ルーチンが脱出する。このカウ
ントの実際のインクリメント動作は非揮発性メモリの値
を変化すると時間がかかるため呼び出されたルーチン
（図示せず）により行われる。
【００４６】周波数がこの前のパスでは変化しなかった
が相ＡのＲＭＳ電流が、３０９において零カウントフラ
ッグをセットする別のルーチンにより決定される０．１
ｐｕのようなしきい値よりも低い場合、そのルーチンも
また脱出する。相Ａ電流がこのしきい値よりも高く、６
０ヘルツのサンプリングインターバルが使用中であるこ
とが３１１で判明すると、プログラムはこの前のサンプ
ルが２５６個の６０ヘルツ・サンプリングインターバル
の間にカウントされたゼロ交差回数が６３，６４，６５
または６６でないことが３１３において判明したなら
ば、３１４においてフラッグＳＴ１をリセットした後、
脱出する。ゼロ交差回数がこの範囲にあるため、電源が
６０ヘルツでなく５０ヘルツの電源であり、これが３１
５において初めて判定された場合、ルーチンが脱出する
前に３１７においてフラッグＳＴ１がセットされる。次
のパスにおいて、カウントが再び６３，６４，６５また
は６６のいずれかであると３１３において判明し、フラ
ッグのセット状態が３１５において読み取られると、３
１９においてサンプリングインターバルが５０ヘルツ用
の値に変化し、フラッグがクリアされる。ＥＥＰＲＯＭ
への周波数選択の書き込み回数がその最大値を越えてい
ないことが３２１において判明すると、３２３において
５０ヘルツへの選択がこのＥＥＰＲＯＭに書き込まれ、
３２５においてフラッグがセットされ、３０７において
その次のパスでＮＶＦＲＥＱカウントがインクリメント
する。３２１でチェックした結果ＥＥＰＲＯＭへの書き
込み回数が最大回数（この例では２５５）に到達してい
ることがわかると、ルーチンはＥＥＰＲＯＭへの書き込
みを行わずに終了する。しかしながら、３１９におい
て、このサンプリングインターバルの変更が実行され
る。この変化はＲＡＭに蓄積され、マイクロプロセッサ
４７Ｐによって利用される。ＥＥＰＲＯＭへサンプリン
グインターバルの変更が書き込まれない結果、電源が切
られると、ＥＥＰＲＯＭへ書き込んだ最後の変更はそれ
が正しかろうと正しくなかろうと再び電源を起動したと
きマイクロプロセッサ４７Ｐにより利用される。しかし
ながら、２つの２５６個のサンプルインターバルの後、
システムは現在において正しいサンプリングインターバ
ルに切り換わる。
【００４７】３１１においてチェックした結果使用中の
サンプリングインターバルが５０ヘルツ用インターバル
である場合、３２７で観察した２５６個のサンプルの間
にカウントしたゼロ交差回数が９２，９３，９４または
９５であって、６０ヘルツの電源が回路遮断器に接続さ
れていることを指示していない限り、３２８においてフ
ラッグＳＴ１をリセットした後、ルーチンが脱出する。
３２９においてこれが初めて起ったと判定された場合、
３３１においてフラッグＳＴ１がセットされるため、次
にサンプリングインターバルが６０ヘルツ用インターバ
ルにセットされるとフラッグが３３１においてリセット
される。再び、この新しいサンプリングインターバルが
マイクロプロセッサにより利用され、書き込み回数が最
大値を越えていない限りＥＥＰＲＯＭに記録される。
【００４８】本発明を特定の実施例につき詳細に説明し
たが、当業者にとっては本願明細書の全体的記載に照ら
して多くの変形例または設計変更が想到可能であること
が理解される。従って、図示説明した特定の実施例は例
示の目的を有するに過ぎず、本願発明の技術的範囲を限
定するものではなく、この技術的範囲は頭書した特許請
求の範囲及びその均等物によって決定されるべきであ
る。
【００４９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による断続器の一部をブロック図で示す
回路図。
【図２】図１の回路遮断器の一部を形成するデジタルト
リップ装置の簡略な回路図を形成するための図３乃至図
８の配列を示す。
【図３】デジタルトリップ装置の回路図の一部である。
【図４】デジタルトリップ装置の回路図の一部である。
【図５】デジタルトリップ装置の回路図の一部である。
【図６】デジタルトリップ装置の回路図の一部である。
【図７】デジタルトリップ装置の回路図の一部である。
【図８】デジタルトリップ装置の回路図の一部である。
【図９】図３乃至８のデジタルトリップ装置の一部の別
の実施例を示す回路図。
【図１０】図３乃至８のデジタルトリップ装置が用いる
適当なコンピュータプログラムのフローチャート。
【図１１】本発明に従って周波数選択を行うため図１０
のコンピュータプログラムにより使用されるサブルーチ
ンのフローチャートである。
【符号の説明】
１ 回路遮断器 ５ 導体 ７ 変流器 １５ デジタルトリップ装置 １７ 磁束シャントトリップ装置 ２１ リレー
フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ チャールス エンゲル アメリカ合衆国 ペンシルベニア 15146 モンロービル オーバールック サーク ル 107 (72)発明者 ゲーリイ フランシス サレッタ アメリカ合衆国 ペンシルベニア 15642 アーウイン ペンヒルズ ドライブ ７ (72)発明者 アラン バーケ シンプ アメリカ合衆国 ペンシルベニア 15146 モンロービル ハーバード ドライブ 1022

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 負荷を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ電源のい
    ずれかに接続するための電気的装置であって、 閉じた状態で負荷を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源のう
    ち選択した電源に接続し、開いた状態で負荷を選択した
    電源から切り離す開離可能な接点、 閉じた状態の接点を介して負荷へ流れる電流を感知する
    感知手段、 感知した電流を選択可能なサンプリングインターバルで
    サンプリングすることによりデジタル電流信号を発生さ
    せるデジタル化手段と、デジタル電流信号の所定の値に
    応答してトリップ信号を発生させる手段とを含むデジタ
    ル制御手段、 選択可能なサンプリングインターバルを５０Ｈｚ電源の
    場合は第１のサンプリングインターバルに、また６０Ｈ
    ｚ電源の場合は第２のサンプリングインターバルに設定
    する手段であって、電流の零交差回数をカウントする零
    交差カウント手段と、第１の所定時間周期における電流
    の零交差回数の、歪みのない６０Ｈｚ電源電流の前記第
    １の所定時間周期における第１の零交差回数からのずれ
    が第１の所定零交差回数以内である時はサンプリングイ
    ンターバルを第１から第２のサンプリングインターバル
    へ変化させ、第２の所定時間周期における電流の零交差
    回数の、歪みのない５０Ｈｚ電源電流の前記第２の所定
    時間周期における第２の零交差回数からのずれが第２の
    所定零交差回数以内である時はサンプリングインターバ
    ルを第２から第１のサンプリングインターバルへ変化さ
    せる手段とより成るサンプリングインターバル設定手
    段、及びトリップ信号に応答して接点を開放させる手段
    とより成ることを特徴とする電気的装置。
  2. 【請求項２】 サンプリングインターバルを変化させる
    前記手段は、指定個の前記第１の所定時間周期における
    零交差回数の前記第１の零交差回数からのずれが前記第
    １の所定の零交差回数以内であるときはサンプリングイ
    ンターバルを第１から第２のサンプリングインターバル
    へ変化させるだけであり、指定個の前記第２の所定時間
    周期における零交差回数の前記第２の零交差回数からの
    ずれが前記第２の所定の零交差回数以内であるときはサ
    ンプリングインターバルを第２から第１のサンプリング
    インターバルへ変化させるだけであることを特徴とする
    請求項１の電気的装置。
  3. 【請求項３】 前記指定個の所定時間周期は２つの連続
    する所定時間周期に等しいことを特徴とする請求項２の
    電気的装置。
  4. 【請求項４】 前記第１の所定時間周期は第１のサンプ
    リングインターバルで所定数の電流サンプルが得られる
    時間周期であり、前記第２の所定時間周期は第２のサン
    プリングインターバルで前記所定数の電流サンプルが得
    られる時間周期であることを特徴とする請求項２の電気
    的装置。
  5. 【請求項５】 前記サンプリングインターバル設定手段
    は、デジタル制御手段への給電開始と共にデジタル化手
    段が用いるサンプリングインターバルを書き込むＥＥＰ
    ＲＯＭと、サンプリングインターバルをＥＥＰＲＯＭに
    所定回数書き込んだ後はサンプリングインターバルを変
    化させる前記手段がサンプリングインターバルをさらに
    書き込めないように書き込み禁止にするブロック手段と
    を含むことを特徴とする請求項２の電気的装置。
  6. 【請求項６】 前記デジタル制御手段は、デジタル制御
    手段へ送られる直流電力を調整するが電流の零交差カウ
    ント手段に影響を与えるノイズを発生させるチョッパー
    手段と、零交差カウント手段に接続されてチョッパー手
    段が発生するノイズをフィルタリングにより除くフィル
    タ手段とを含むことを特徴とする請求項１の電気的装
    置。
  7. 【請求項７】 前記フィルタ手段は、チョッパー手段が
    発生するノイズをフィルタリングにより除くように同調
    された少なくとも２極のフィルタであることを特徴とす
    る請求項６の電気的装置。
  8. 【請求項８】 前記デジタル制御手段は、補助電源から
    デジタル制御手段へ直流制御電力を供給する手段と、前
    記電流から別の直流制御電力を発生させる内部電源手段
    と、補助電源から直流制御電力が供給されない場合前記
    選択可能なサンプリングインターバルを設定する手段を
    不能にする不能化手段を含み、内部電源手段は前記別の
    直流制御電源を調整するが零交差カウント手段に影響を
    与えるノイズを発生させるチョッパー手段を含むことを
    特徴とする請求項１の電気的装置。
  9. 【請求項９】 選択可能なサンプリングインターバルを
    設定する前記手段は前記電流の零交差カウントを発生さ
    せる前記手段を不能にすることにより不能化されること
    を特徴とする請求項７の電気的装置。
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