JPS59156120A - ｉ↑２ｔ保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発　　明　　の　　背　　Ｊし 本発明は、電流・時間保護装置、詳しくは、過負荷に対
して能動および受動電子部品を保護し得る新規な　１２
を保護装置に関する。

すべての電子部品および電気部品は、例えばモータのよ
うな能動的性質を有するものであろうと、配線、スイッ
チなどのような受動的性質を有するものであろうと、使
用中にその部品内に温度上昇が発生するというようなあ
る限られた消費特性を有している。個々の部品は、その
使゛用中に越えてはならない最大定格温度を有している
。しかしながら、種々の動作条件、例えば、作動開始時
において突入電流が発生するような条件においては、し
ばしば過負荷が限定された範囲内で発生ずることがある
。このように過負荷が限られた範囲内で発生する動作は
、その部品の最大定格温度を越えないかぎりにおいては
、許容し得るものである。

説明を簡単にするために、本質的に抵抗性部品の場合に
ついて考えると、その動作温度は、その部品から周囲に
発散される熱エネルギーの量を決定づる部品の特性によ
って決まる部品の冷却量（Ｗｃ　＞と部品の消費損失１
２ｒによる部品の発熱Ｍ（Ｗｈ＞との釣合いによって決
定される。再び、説明を簡単にするために、問題の部品
の動作を定抵抗ｒの場合について説明すると、発熱量Ｗ
ｈは、Ｗｈ　＝　（Ｋ／ｌ　）ｆ占ｉ　２ｄｔで゛あり
、ここにおいてＫは定数であり、ｉは部品をぬれる瞬時
電流である。部品に正常または定格瞬時電流　ＩＮが流
れる揚台の正常な発熱量は、Ｗｈ−Ｎ＝（Ｋ／ｌ　）　
ｆｏ＋Ｎ２ｄｔである。過負荷電流　ｉｏＬが部品に流
れた場合の過負荷時発熱量は、Ｗｈ　−。

Ｌ＝（Ｋ、／１）ｆｏ　＋ｏＬ２ｄｔであり、この値に
相当する温度上昇が発生する。過度的な場合には、過負
荷電流　ｉｏＬが存在している間の温度上昇Δ丁は、一
般に余分に消費したエネルギーに比例し、ΔＴ＝ｋ　　
ｆ　　（ｌ０Ｌ２−　１Ｎ２）ｄｔである。

部品に最大温度上昇△ＴＭが規定されている場合には、
部品の損傷を防止するように、部品を切断する前の（過
負荷電流　ｉｏＬが流れる）時間１゜を過負荷電流の関
数として選ぶことが必要である。

上述したことは、通常　１２［保護と呼ばれるものであ
り、これは、狭い範囲においてヒユーズ、熱スィッチ、
電磁スイッチなどのような種々の素子により近似される
。しかしながら、このような狭い範囲で近似される素子
を組み合わせて使用した場合でさえも、その動作結果は
、理想的な　１２ｔの関係からかなり異なっていること
がしばしばある。保護される部品がそれぞれ異なってい
る場合には、必要な保護曲線も異なっているので、各部
品に関連して保護すべき組み合せ範囲を異ならせること
がしばしば必要である。例えば、モータを保護するため
には、モータのそれぞれの大きさおよび種類に合せて異
なる形状、大きさおよび定格を有する特殊な「ヒータ」
ユニットがモータ起動装置にしばしば使用されている。

典型的には電源周波数の１周期（米国で使用されている
６０Ｈｚの電源周波数の場合には約１６ミリセコンド〉
から少なくとも１分までの広い範囲にわたって１２を関
数を正確に表わす　１２を保護装置を提供することは明
らかに望ましいことである。また、内部に設けられた筒
車な調整手段の設定を変えることによって広い範囲の部
品を適切に保護することができる単一の　ｉ２ｔ　Ｉ＆
護装置を提供することも望ましいことである。

発　　明　　の　　概　　要 本発明によれば、　１２を保護装置は、電源からの電流
が流れる電気部品に用いられるものであり、流れる電流
の自乗に応じて変化する出力を発生するセンサーを利用
している。このようなセンサーは、例えば１９８２年１
０月１日に出願された米国特許出願第４３２，２０７号
に記載されているものである。信号条件付は手段が、セ
ンサーの出力によって作動し、保護されるべき部品に流
れる電流の自乗に比例した電圧信号を発生する。この信
号条件付は手段の出力電圧は、自己リセット式積分手段
内において時間積分され、各保護される部品の正常動作
電流より大きい電流に対して　１２ｔに比例する信号を
発生する。比較手段が、前記積分手段の出力信号を　１
２１の最大値に比例する信号と比較し、　１２ｔの最大
値を越えている場合には、保護される部品を動作から取
り除くためのトリップ出力信号を発生する。

好適実施例においては、信号条件付は手段は、インピー
ダンス変換手段および高請度整流手段を有し、条件付（
プした信号電圧を積分手段の入力に供給する。積分手段
には自己リセ、ット姦能を制御するように正常な定常状
態電流値を設定するための調節手段を、また比較手段に
は　１２ｔの最大値を設定するための調節手段をそれぞ
れ備えて、広範囲にわたる異なる保護部品に対して本発
明の１２℃保護回路を利用できるようにして−いる。

従って、本発明の目的は、電流を消費づ”る電気部品お
よび電子部品の保護に使用するための新規な　１２を保
護回路を提供することにある。

本発明のこの目的およびその他の目的は、図面を参照し
ながら、次の詳■１な説明を考慮することにより明白と
なるであろう。

明の具体的な説明 図を参照すると、本発明による新規な　１２を保護装置
１０は、電源Ｓと電流を使用する負荷部品りどの間に配
設された電流センサー１１を利用している。対向する両
端に設けられている端部電極１１ｂ−１および１ｌｂ−
２を有する圧電変換器などからなる感知素子１１ａは、
少なくとも１つの隣接する導体１１Ｃを矢印の方向に電
源から負荷部品に向かって流れる電流１の自乗に対応す
る信号を発生する。センサー１１は、上述したような圧
電型ものであって、上述した米国出願第４３２．２Ｑ７
号に記載されているようなものが好ましいが、伯の電流
自乗センサーでも同様に使用することができる。センサ
ーの出力信号が信号条件付は手段１２の入力端子１２ａ
および１２ｔ間に現われる。信号条件付は手段１２は、
その出力１２Ｃに部品の瞬時電流：の自乗に比例した大
きざの直流信号を発生するように作用する。

圧電型の自乗電流センサー１１を使用する場合には、イ
ンピーダンス変換が必要である。このインピーダンス変
換は、ンースホロワーにより、または電圧ホロワ−とし
て接続された高入力インピーダンスを有する演算増幅器
により達成することができる。信号条件付は手段１２は
、このインビ−ダンス変換を達成するために、第１の演
算増幅器１４を使用している。この第１の演算増幅器の
非反転〈十〉入力１４ａは、第１の電流制限抵抗１６ａ
を介して信号条件句り手段の第１の入力端子１２ａに接
続され、反転り−〉入力１４ｂは、第２の電流制限抵抗
１６ｂを介して信号条件（−１け手段の第２の入力１２
１）に接続されている。抵抗１６ａおよび１６ｂは、過
負荷電流Ｉが非常に大きい場合に、演算増幅器が焼失さ
れるのを防止するように作用する。反転入ノｒ１４ｂは
、演算増幅器の出力１４．ｃに接続され、電圧小ロワ（
本能を達成している。保護装置１０によって保護される
部品の多くが交流電源を使用しているものであり、その
ため、部品を流れる電流ｉは、交流電流であり、また端
子１’２ａおよび１２ｂ間のセンサーの信号も交流信号
である。図示の自乗電流センサーは、容量性素子である
ため、センサーの静電容量の放電路を形成するために、
センサー゛の両端、すなわち信号条件句は手段の第１の
入力端子１２ａと第２の入力端子１２ｂの間に減衰抵抗
１８が必要である。抵抗１８の大ぎさは、センサーの出
力が保護される部品に流れる°電流を感知した信号の振
幅の変化に追従し得るように選択される。静電容量素子
２０が、第１の演算増幅器１４の出力１４０からのイン
ピーダンス変換された信号を高精度全波整流手段２２の
入力２　’２　ａに結合するために使用されている。

短い過度現象に対しては、電流センサー１１の出力は、
電圧Ｖ＝　ａｆｏ（１２）ｄｔとなり、ここにおいてＣ
は使用した特定のセンサー１１による定数である。正弦
波電流の場合には、その出力電圧は、Ｖ−ＣＩ２　（Ｓ
ｉｎ２ωｔ）であり、ここで１はピーク電流であり、ω
は交流電源の角周波数である（ω−２πｆであり、ここ
においてｔは電源周波数、例えば６０Ｈｚである）。従
って、Ｖ＝Ｘ２（ｃ　／２＞　　（１−ｃｏｓ　２ωｔ
）になる。静電容ｆｆ１２０を介して結合することによ
り、直流成分は取り除かれ、入力２２’ａにおける電圧
Ｖ′は、Ｖ′−Ｉ２　（ｃ−／２）（ｃｏｓ　２ωｔ）
であり、ここでＣ−は定数である。入力２２ａにおける
電圧は、定常状態の交流動作に対しては同じ波形であり
、直流成分はセンザー出力から取り除かれている。高精
度全波整流手段２２は、信号条件句は手段の出力１２ｃ
に直流成分を発生するために使用されている。

整流手段２２は、補償抵抗２６を介してアース電位に接
続されている第１の非反転（＋）入力２４ａを有する第
２の演算増幅器２４を使用している。第２の反転（−）
入力２４ｂは、入ノｊ抵抗２８を介して整流手段の入力
２２ａに接続されている。入力２゛２ａは、抵抗素子３
０を介してアース電位に接続され、また他の抵抗係子３
４を介して第３の演算増幅器３２の第１の反転（−）入
力３２ａに接続されている。入力２４ｂは第１の整流素
子３６ａ１例えばダイオードのアノードに接続され、こ
の第１の整流素子３６ａのカソードは第２の演算増幅器
の出力２４ｃに接続され−Ｃいる。

第２の整流素子３６ｂのアノードは出力２４Ｇに接続さ
れ、カソードは第１の抵抗素子３Ｂと第２の抵抗素子４
０との接続点に接続され、第１の抵抗素子３８の残りの
端子は入力２４ｂに接続され、第２の抵抗素子４０の残
りの端子は第３の演算増幅器の入力３２ａに接続されて
いる。他の補償抵抗４２がアース電位から第３の演算増
幅器３２の残りの非反転（＋）入力３２ｂに接続されて
いる。

フィードバック抵抗４４が、第３の演算増幅器の入力３
２ａと第３の演算増幅器の出力３２Ｃとの間に接続され
ている。高精度整流手段の出力２２ｂは、第３の演算増
幅器の出力３２Ｃにより形成され、かつ信号条件イ」け
手段１２の出力１２Ｃに接続されている。出力２２１）
にお（プる信号は、抵抗３８とダイオード３６ｂとの接
続点における半波整流信号と入力２２ａにおける信号と
の加算により負極性の全波整流された信号になっている
。

出力１２ｃにおける信号条件句（プ手段の出力信号は、
　１２に比例した直流信号、すなわち保護される９部品
に流れる電流１の瞬時値の自乗に比例した直流信号であ
る。この信号は、ＩＮ２に等しい予め選択された値と比
較され（ここにおいて、ＩＮは　ｉＮの実効値である）
、その差は、積分手段′５０によって積分される。積分
手段の入力５０ａは、入力抵抗５２を介して第４の演算
増幅器５４の第１の反転＜−）入力５４ａに接続されて
いる。

人力５４ａは積分用静電容量素子５６を介して第４の演
算増幅器の出力５４ｂに接続され、この出力が積分手段
の出力を形成する。また、出力５４ｂは、単一方向性の
導電素子５８、例えば半導体ダイオードのアノードに接
続され、そのカソードは入力５４ａに接続されている。

第４の演痺増幅器５４の非反転（＋）入力５４ｃは、直
列抵抗６０を介してポテンショメータ６２の調節可能な
タップ６２ａに接続されている。ポテンショメータ６２
の両端部は、アース電位と＋Ｖ電位踪、好ましくは実質
的に調整され。た大ぎさを持つ＋Ｖ電位の踪との間に接
続されている。積分時定数は、コンデンサ５６の静電容
量と抵抗５２の抵抗値との積により、トリップ時間に相
当した値（例えば、１５倍の過負荷においては１６ミリ
ｔ？］ンド）に設定される。

ポテンショメータ６２は、入力電流Ｉが部品を流れる正
常な電流値　ＩＮに等しい場合に、積分手段５０の出力
電圧を実質的に一定の低い電圧（例えば、ゼロ）に設定
するために使用される。

積分手段５０は、ダイオード５８の作用によって自己リ
セットする積分手段である。部品を流れる電流Ｉの値が
ポテンショメータ６２によって設定される正常電流ＩＮ
以下である場合には、出力５０ｂの電圧は、ダイオード
５８を順方向にバイアスするのに十分な低いレベルにな
り、このため積分用コンテン１ノ５６の両端間には非常
に低い抵抗が接続されることになる。従って、積分用コ
ンデンサは、実質的に短絡され、積分動作は生じない。

増幅器５４は電圧ホロワのように動作し、積分手段の出
力５０　ｂは増幅器３２の実質的に低い出力電圧に維持
される。部品を流れる電流の実効値Ｉが増加し、正常電
流ＩＮに対してポテンショメータ６２により設定された
正常電圧よりも負の方向へ積分手段の入力電圧が増加す
ると、この積分手段の人力５０ａにおりる負の方向に増
加し、た電圧によって、積分手段の出力５０ｂにあける
電圧が正極性方向に増加し、これによってダイオード５
８は逆バイアスされる。ダイオード５８が逆方向にバイ
アスされると、コンデンサ５６の両端間には高い抵抗が
接続されることになり、積分手段５０は、その入力にお
ける電圧差の時間積分値である出力電圧を発生するよう
に作動する。この積分手段の出ツノ電圧は、Ｖｉ　＝Ｃ
ｆｏ　　（１２ＩＮ２）ｄｔである。部品を流れる電流
■の実効値が正常電流ＩＮより大きくない値に下がる場
合には、積分手段の出力５０ｂは、（狛極性方向に）増
加し、ダイオード５８は再び順方向にバイアスされ、積
分用コンデンサ５６を放電させ、出力電圧を実質的に低
い正常レベルに戻す。

比較手段６５は、積分手段の出力５０ｂに接続された非
反転＜＋）入力６６ａを有する第５の演算増幅器６６を
倫えている。残りの反転（−）入力６６ｂは、ポテンシ
ョメータ６８の調節可能なタップ６８ａに接続されてい
る。このポテンショメータの両端部は、アース電位と正
電位子Ｖ１好ましくは実質的に一定値である正電位子Ｖ
との間に接続されている。（このような電圧±Ｖは、一
般に演算増幅器自身に作動電位を供給するのに使用され
るものである）。第５の演算増幅器の出力６６Ｃは、装
置のトリップ出力１．ＱＣに接続されている。出力１０
ｃは、保護される部品を不作動にづるための多くの周知
手段の中の選択された１つの手段に接続される。例えば
、トリップ出力１Ｑｃは、接点がセンサ一部にある導体
１１Ｇと保護される負荷部品りどの間に直列に接続され
ている遮断器の作動入力に接続することが出来る。ポテ
ンショメータ６８は、トリップ出力１０ｃを作動する　
１２ｔの値を設定するように調整することができる。積
分手段の出力５０ｂにおける正方向の電圧がポテンショ
メータのタップ６８ａに設定された正のバイアス電圧よ
りも高い適当な正の１２ｔの値に達すると、比較手段の
出力６６Ｇは、第１の２進値から第２の２滌値に切り変
り、出力１０Ｃにトリップ信号ｙｔを発生する。従って
、トリップ電圧は、Ｖ６ｇ　”　＝　ａＪｏ　（ｉ２　
　Ｉ　Ｎ２）ｄｔであり、ここにおいてａは全保護装置
の定数である。

正常負荷電流設定用のポテンショメータ６２および　１
２１設定用のポテンショメータ６８を成る値に設定した
場合の保護装置１０の動作を種々の過負荷状態に対して
第２図に示す。横座標７０は実効（ｒ、ｍ、ｓ、）電流
値１をアンペアにより対数目盛で表示したものであり、
縦座標７２はトリップ時間、すなわち特定の過負荷電流
において過負荷の発生時点からトリップ出力１０ｃの電
圧Ｖｔがトリップ状態になるまでに必要な時間を秒単位
により対数目盛で表示したものである。図示の例におい
ては、正常電流ＩＮは、ポテンショメータ６２により約
４０アンペアの値に設定した。

１２を用ポテンショメータ６８および積分時定数（コン
デンサ５６の容量と抵抗５２の抵抗値との積）は、単一
周期（例えば、１６．６ミリレコンド）において正常電
流ＩＮの１５倍の実効電流■が生じたときに積分手段の
出力５０ｂの電圧が十分に正になってトリップ信号を発
生するように設定した。曲線７４の全体は、矢印Ｒ６２
で示すように、部品を流れる正常電流値ＩＮ用のポテン
ショメータ６２を調節することによって左方向、右方面
に移動可能であり、また（一般には最大正常過負荷点７
４８近くのそれより高い過負荷電流領域における）曲線
７４の傾斜は、矢印Ｒ６，８で示す方向に、　１２を用
のポテンショメータ６８の設定に応じて制御することが
できる。ポテンショメータ６８で制御されるこの比較的
直線的な部分は、電流ＩがＩＮよりもずっと大きいとき
の領域である。電流ＩがＩＮに比較的接近している場合
（比較手段の入力電圧はｆｔ　（！２　１Ｎ２）ｄｔ艇
比例しＣいる）には、点７４ｂより上で示す第２の直線
部分は、ＩＮ＝１の線に漸近的に接近する。

このように、保護される特定の部品に対する正常電流・
時間特性および過負荷電流・時間保護特性の各々は広範
囲の保護装置１０中の容易に設定可能な一対の制御部の
一方を調節することにより設定することができる。

以上、本発明の新規な　１２を保護回路の好適実施例を
詳細に記載したが、本技術分野における専門知識を有す
る者にとって多くの変形や変更を行い得ることは明らか
なことであろう。例えば、端子１２ａ　−１２ｂから出
力端子１０Ｃに至るまでのすべての回路を単一のモノリ
シック集積回路にすることも可能であり、またこれをセ
ンサー１１の圧電素子１１ａの一部に組み込むこともで
きる。

他の形式の電流自乗センサーを本発明の範囲内において
利用してもよいし、まｉ＝他の形式の信号条件付は手段
、積分手段および比較手段を使用してもよい。従って、
本発明は特許請求の範囲によって限定されるものであり
、ここに記載した特定の構成要素または手段に限定され
るものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の新規な　１２を保護装置の好適実施
例を示す概略図であり、 第２図は、第１図の装置の　１２１動作を例示し、部品
を流れる電流の大きさに対するトリップ時間の関係を例
示したグラフである。 主な符号の説明 １０・・・　１２を保護装置、 １１・・・電流センサー、 １２・・・信号条件付は手段、 １４・・・第１の演算増幅器、 ２２・・・高精度全波整流手段、 ２４・・・第２の演算増幅器、 ３２・・・第３の演算増幅器、 ５０・・・積分手段、 ５４・・・第４の演算増幅器、 ６５・・・比較手段、 ６６・・・第５の演算増幅器。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、過度の電流・時間発熱による損傷から負荷部品を保
   護する装゛首であって、 前記負荷部品を流れる電流の瞬時値を感知する手段と、 前記感知手段によって感知された負荷部品を流れる電流
   の自乗に従って変化する出ノ］（”ａ号を発生する信号
   条件付は手段と、 負荷部品を流れる電流の実効値が負荷部品を流れる所定
   の正常電流値を越えた場合のみ、前記信号条件付は手段
   の出力信号を時間積分する自己リセッ１〜式積分手段と
   、 前記積分された信号値が所定の自乗電流・時間値を越え
   た場合、前記負荷部品に電流か流れないようにするため
   のトリップ信号を発生づる手段と、を有する保護装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の保護装置において、前
   記負荷部品を流れる瞬時電流が前記負荷部品を流れる所
   定の正常電流を越えなくなった場合には、前記積分手段
   の出力信号が実質的に所定の値にリセットされる保護装
   置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の保護装置において、前
   記積分手段は、反転入力、非反転入力および出力を有す
   る演算増幅器と、前記反転入力に接続された第１の端子
   および前記信号条件付は手段の出力信号を受信する第２
   の端子を有した入力抵抗と、前記非反転入力に接続され
   た第１の端子および第２の端子を有する他の抵抗素子と
   、前記負荷部品を流れる所定の正常電流値を設定するた
   め、前記他の抵抗素子の第２の端子にほぼ一定電位を供
   給する手段と、前記反転入力および出力の間に接続され
   た積分用容量素子と、前記積分用容量素子に並列に接続
   され、かつ前記負荷部品を流れる電流の瞬時値が前記負
   荷部品を流れる所定の正常電流値を設定するだめの電位
   によって設定された値を越えない場合に、導通づるよう
   な極性に接続されている一方向性導電素子とを有する保
   護装置。 ４．特許請求の範囲第３項記載の保護装置において、前
   記トリップ信号を発生する手段は、前記演算増幅器の出
   力に接続された第１の入力、別の入力および前記トリッ
   プ信号が現われる出力を有する比較手段と、前記比較手
   段の別の入力に接続され、この入力に前記所定の自乗電
   流・時間値を設定する電位を供給する手段とを有する保
   護装置。 ５、特許請求の範囲第２項記載の保護装置において、前
   記トリップ信号を発生する手段は、前記積分手段に接続
   された第１の入力、別の入力およびトリップ信号が現わ
   れる出力を有する比較手段と、前記比較手段の別の入力
   に接続され、この入力に前記所定の自乗電流・時間値を
   設定する電位を供給する手段とを有する保護装置。 ６、特許請求の範囲第１項記載の保護装置において、前
   記トリップ信号発生手段は、前記積分手段に接続された
   第１の入力、別の入力および前記トリップ信号が現われ
   る出力を有する比較手段と、前記比較手段の他の入力に
   接続され、この入力に前記所定の自乗電流・時間値を設
   定する電位を供給する手段とを有する保護装置。 ７、特許請求の範囲第１項記載の保護装置において、前
   記負荷部品は交流電流で作動し、前記信号条件付は手段
   は、前記負荷部品を流れる交流電流の瞬時ピーク値に応
   じた大ぎさの直流出力信号を発生する整流手段を有する
   保護装置。 ８、特許請求の範囲第７項記載の保護装置において、前
   記感知手段が圧電センサーであり、前記信号条件付は手
   段が、更に前記感知手段のインピーダンスを変換する手
   段昇有している保護装置。 ９、特許請求の範囲第８項記載の保護装置において、前
   記感知手段が自乗検出センサーである保護装置。 １０、特許請求の範囲第９項記載の保護装置において、
   過負荷電流が前記所定の正常電流の約１５倍である場合
   に、交流電流の１周期内に前記トリップ信号が発生され
   る保護装置。