KR20160129890A - 회로 차단기 - Google Patents

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KR20160129890A
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

회로 차단기(30)는 전로(1)에 흐르는 교류 전류에 따른 전류 신호를 출력하는 변류기(14)와, 어느 것이 상기 교류 전류의 주파수와 같은 복수의 기준 주파수의 각각에 대해 기준 주파수의 기준 파형을 미리 기억하는 기준 파형 기억부(15)와, 변류기(14)로부터 출력된 전류 파형과 기준 파형 기억부(15)에 기억된 상기 각 기준 파형의 곱셈을 하는 곱셈 회로(8)와, 곱셈 회로(8)로 곱셈된 각 곱셈 데이터를 고속 푸리에 변환하여 주파수 성분으로 변환하는 FFT 회로(7)와, FFT 회로(7)로 주파수 성분으로 변환된 상기 각 곱셈 데이터에 직류 성분이 포함되는지 여부를 판정하여, 가장 큰 직류 성분을 포함하는 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 전로(1)에 흐르는 교류 전류의 주파수로서 검출하는 비교 판정 회로(10)를 구비한다.

Description

회로 차단기{CIRCUIT BREAKER}
본 발명은 전류 계측 기능을 구비한 회로 차단기에 관한 것이다.
종래의 회로 차단기에 있어서는, 전로(電路)에 흐르는 전류의 계측을 정밀도 좋게 행하기 위해서, 주파수를 검출하는 구성이 일반적이다. 이 경우의 주파수의 검출 방법으로서는, 전압을 검출하여, 전압 파형의 제로 크로스(전압이 음에서 양으로 변화하는 점)로부터 주기 T를 산출하고, 주기 T의 역수로서 주파수를 구하는 방법이 일반적이다.
또, 전압을 검출하지 않는 구성의 경우는, 전류 파형의 제로 크로스로부터 마찬가지로 주기 T를 산출하고, 주기 T의 역수로서 주파수를 구할 필요가 있다. 여기서, 전류 파형은 전로에 접속되는 부하에 의해 파형 왜곡을 일으키는 경우가 많기 때문에, 측정 오차를 억제할 수 있는 주파수의 검출 방법이 요구된다. 이러한 주파수 검출 방법으로서, 주기 T로부터 산출한 주파수(1/T)가 규정치로부터 예를 들면 1% 벗어난 경우, 제로 크로스를 구하기 위한 양측(positive-side) 임계치(threshold) 및 음측(negative-side) 임계치를 단계적으로 변동시켜 재차 주파수를 산출하고, 본 동작을 반복하여 주파수가 규정치의 예를 들면 1% 내에 들어간 경우는 그 주파수를 채용하는 등의 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1: 일본 특개 2012－145428호 공보
그렇지만, 상기 특허 문헌 1에 기재된 주파수 검출 방법에서는, 고조파(高調波)를 많이 포함하는 부하 전류의 전류 파형은, 제로 크로스의 점이 정상(定常)적으로 복수 개 존재하는 파형으로 되는 경우도 있어, 그러한 경우는 주파수를 규정치의 예를 들면 1% 내로 넣는 것이 곤란해져, 전류의 계측 표시를 정확하게 행하는 것이 곤란하게 된다고 하는 과제가 있었다.
또, 부하 전류에 직류 성분의 오프셋이 포함되고, 또한 부하 전류가 작은 경우, 전류 파형의 제로 크로스가 존재하지 않는 경우도 있고, 그러한 경우는 주기 T의 산출이 곤란해져, 주파수의 검출도 곤란하게 된다고 하는 과제가 있었다.
또, 전류 파형에 저주파 성분이 포함된 경우, 저주파 성분의 전류 파형으로의 영향에 의해 제로 크로스가 항상 변동하기 때문에, 주파수를 정확하게 검출할 수 없을 가능성이 있다고 하는 과제가 있었다.
또한, 예를 들면 주파수의 검출에 의한 설정은 아니고 유저가 주파수를 설정하는 구성인 경우에 있어서, 부하 전류가 제로 크로스를 포함하지 않는 전류 파형일 때는, 유저의 설정 오류가 있더라도 유저에게 그 취지를 알리는 것이 곤란하고, 그 결과, 잘못된 주파수 설정에 기초하여 전류가 계측되어 버리기 때문에, 계측 정밀도의 오차가 커져, 전류를 정확하게 계측하는 것이 곤란하게 된다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 변류기를 통해서 취득된 전류 파형의 제로 크로스를 구하는 일 없이 전로에 흐르는 교류 전류의 주파수를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능한 회로 차단기를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 회로 차단기는 교류 전류가 흐르는 전로를 개폐 가능한 회로 차단기로서, 상기 전로에 흐르는 교류 전류에 따른 전류 신호를 출력하는 변류기와, 어느 것이 상기 교류 전류의 주파수와 같은 복수의 기준 주파수의 각각에 대해 기준 주파수의 기준 파형을 미리 기억하는 기준 파형 기억부와, 상기 변류기로부터 출력된 전류 파형과 상기 기준 파형 기억부에 기억된 상기 각 기준 파형의 곱셈을 하는 곱셈부와, 상기 곱셈부로 곱셈된 각 곱셈 데이터를 푸리에 변환하여 주파수 성분으로 변환하는 푸리에 변환부와, 상기 푸리에 변환부로 주파수 성분으로 변환된 상기 각 곱셈 데이터에 직류 성분이 포함되는지 여부를 판정하여, 가장 큰 직류 성분을 포함하는 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 상기 전로에 흐르는 교류 전류의 주파수로서 검출하는 비교 판정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 변류기를 통해서 취득된 전류 파형의 제로 크로스를 구하는 일 없이 전로에 흐르는 교류 전류의 주파수를 정밀도 좋게 검출할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태에 따른 회로 차단기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 도면이다.
도 3은 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 다른 도면이다.
도 4는 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 또 다른 도면이다.
도 5는 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 또 다른 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 따른 회로 차단기를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태.
도 1은 본 실시 형태에 따른 회로 차단기의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시하는 것처럼, 회로 차단기(30)는 교류 전류가 흐르는 전로(1)와, 전로(1)에 마련된 개폐 접점(2)과, 전로(1)에 흐르는 전류에 따른 전류 신호를 출력하는 변류기(13)와, 전로(1)에 흐르는 전류에 따른 전류 신호를 출력하는 변류기(14)와, 변류기(13)로부터의 전류 신호에 기초하여 동작 전원을 생성하고, 변류기(14)로부터의 전류 신호에 기초하여 전로(1)에 흐르는 전류 및 그 주파수를 검출함과 아울러, 과전류를 검출했을 경우에는 개폐 접점(2)을 개로(開路)하도록 제어하는 차단 제어부(31)와, 전로(1)에 과전류가 흘렀을 경우에는 차단 제어부(31)에 의해 바이어스(bias)되어 개폐 접점(2)을 개로하는 전자 장치(3)를 구비하여 구성된다.
전로(1)는 삼상(三相) 교류의 각 상에 대응하는 전로(1a~1c)를 포함하고 있다. 즉, 전로(1a)는 제1상 교류 전로이고, 전로(1b)는 제2상 교류 전로이고, 전로(1c)는 제3상 교류 전로이다. 또, 전로(1)는 중성상(中性相)(N상)에 대응하는 전로(1n)를 포함하고 있다. 즉, 전로(1n)는 중성상 교류 전로이다.
개폐 접점(2)은 각각 전로(1a~1c)에 접속된 개폐 접점(2a~2c)과, 전로(1n)에 접속된 개폐 접점(2n)을 포함하고 있다. 개폐 접점(2a~2c, 2n)은 모두 예를 들면 공기중에 배치된다. 이 경우, 회로 차단기(30)는 공기중 차단기이다.
변류기(13)는, 전로(1a~1c, 1n)에 흐르는 전류에 비례한 전류 신호를 출력하는 변류기(13a~13c, 13n)로 이루어진다. 후술하는 것처럼, 변류기(13)는 회로 차단기(30)의 전원을 생성하기 위한 회로에 접속된다.
변류기(14)는 전로(1a~1c, 1n)에 흐르는 전류에 비례한 전류 신호를 출력하는 변류기(14a~14c, 14n)로 이루어진다. 변류기(14)는 전로(1)에 흐르는 전류를 계측하기 위한 전류 센서로서 사용된다.
또한, 중성상에 관한 구성(전로(1n), 개폐 접점(2n) 등)을 마련하지 않은 구성이라도 좋다. 또, 삼상 중 어느 1상에 관한 구성만을 마련하는 구성도 가능하다.
차단 제어부(31)는 정류 회로(16), 전원 회로(4), 제어 처리부(32), 표시부(6, 12) 및 특성 설정부(11)를 구비하고 있다.
정류 회로(16)는 변류기(13)에 접속되어 있다. 정류 회로(16)는 변류기(13)로부터 출력된 전류 신호를 정류하여, 전원 회로(4)에 출력한다. 전원 회로(4)는 회로 차단기(30)의 동작 전원을 생성한다. 또, 정류 회로(16)는 전자 장치(3)와 접속되어 있다.
제어 처리부(32)는 A/D 변환 회로(9)(A/D 변환부), 곱셈 회로(8)(곱셈부), FFT 회로(7)(푸리에 변환부), 비교 판정 회로(10)(비교 판정부) 및 기준 파형 기억부(15)를 구비하고 있다. 제어 처리부(32)는 마이크로 컴퓨터의 CPU로 구성된다.
A/D 변환 회로(9)는 변류기(14)로부터 출력된 전류 신호를 A/D 변환하여, 디지털 데이터로서 제어 처리부(32)에 인가한다.
제어 처리부(32)는 A/D 변환 회로(9)에 의해 인가된 전류 파형으로부터 전로(1)에 흐르는 전류를 검출한다. 제어 처리부(32)는 전로(1)에 흐르는 전류치를 전류 신호의 샘플링 데이터로부터 산출하고, 전류치가 규정의 값을 상회한 경우는, 전로(1)에 과전류가 흘렀다고 판정하여, 트리거 회로(5)에 트립 신호(trip signal)를 출력한다. 트리거 회로(5)는 트립 신호가 입력되면, 전자 장치(3)를 바이어스한다. 바이어스된 전자 장치(3)는, 변류기(13)를 통해서 공급되는 전류에 의해 여자(勵磁)되고, 그 전자력에 의해 개폐 접점(2)을 열어 전로(1)를 개로한다.
또, 제어 처리부(32)는 다양한 연산 결과 및 부하 전류 상태 등을 표시부(6) 또는 LED 표시부(12)에 표시시킬 수 있다.
또, 특성 설정부(11)는 유저에 의해 설정된 다양한 설정 조건을 제어 처리부(32)에 인가한다. 특성 설정부(11)는 설정용으로 예를 들면 복수 개의 설정 스위치(설정 SW)를 구비하고 있다. 주파수 설정을 유저측에서 행하는 경우에는, 이들 설정 스위치 중에 주파수를 설정하기 위한 설정 스위치가 포함된다.
곱셈 회로(8), FFT 회로(7), 비교 판정 회로(10) 및 기준 파형 기억부(15)는, 주파수 검출부(33)를 구성한다.
곱셈 회로(8)는 A/D 변환 회로(9)에 의해 디지털 데이터로 변환된 전류 파형과, 기준 파형 기억부(15)에 기억된 기준 주파수의 기준 파형을 곱셈한다. 여기서, 기준 주파수는 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수의 후보로서 미리 설정된 복수의 주파수이다. 또, 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수는, 이들 복수의 기준 주파수 중 어느 것인 것을 전제로 한다. 본 실시 형태에서는, 기준 주파수는, 예를 들면 50Hz 및 60Hz로 한다. 기준 파형은 기준 주파수의 파형(정현파(sine wave) 또는 여현파(cosine wave))이고, 기준 주파수의 개수에 따라 동수(同數) 설정된다.
FFT 회로(7)는 곱셈 회로(8)의 출력 데이터를 고속 푸리에 변환하여 주파수 성분의 데이터로 변환한다.
비교 판정 회로(10)는 FFT 회로(7)의 출력 데이터로부터 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수를 특정하여 검출한다.
주파수 검출부(33)에 의한 주파수의 검출은 전로(1a~1c, 1n)의 각 상에 대해 개별로 실시된다.
다음에, 제어 처리부(32)에 인가된 전류 파형(측정 파형)의 주파수 성분을 검출하는 방법에 대해 설명한다. 측정 파형은, 일반적으로, 고조파 성분 혹은 오프셋 성분 혹은 저주파 성분 또는 이들 조합이 포함된 파형이고, 이러한 측정 파형으로부터 기본파의 주파수를 특정할 필요가 있다. 여기서, 검출하는 주파수(기준 주파수)는 예를 들면 50Hz 또는 60Hz로 한다.
먼저, 측정 파형에 고조파 성분 오프셋 성분, 및 저주파 성분 중 어느 것도 포함되지 않고, 또한, 측정 파형과 기준 파형(더미 파형)의 위상이 같은 경우에 대해 검토한다.
측정 파형의 주파수를 f1이라고 하고, 비교용의 기준 주파수를 f2(50Hz 또는 60Hz)라고 한다. 삼각함수의 공식,
cos(α)cos(β)=(cos(α+β)＋cos(α-β))/2
에 있어서,α=ω1t=2πf1t, β=ω2t=2πf2t라고 함으로써, 측정 파형에 기준 파형을 곱셈함으로써 얻어지는 파형은 다음과 같게 된다.
cos(ω1t)cos(ω2t)=(cos(ω1t＋ω2t)＋cos(ω1t－ω2t))/2
=(cos(2π(f1＋f2)t)＋cos(2π(f1－f2)t))/2 … (1)
여기서, f1=f2인 경우,
cos(ω1t)cos(ω2t)=1/2＋cos(2π(f1＋f2)t)/2
가 되어, 동일 주파수인 경우는 직류 성분이 생긴다. 반대로 f1≠f2인 경우, 직류 성분은 생기지 않는다. 즉, 측정 파형과 기준 파형이 동위상이면서 또한 주파수가 같은 경우, 양(兩)파형을 곱셈하여 직류 성분을 검출함으로써, 측정 파형의 주파수를 특정할 수 있다. 여기서, 직류 성분의 검출은 측정 파형과 기준 파형을 곱셈하여 얻어진 파형을 푸리에 변환하여, 직류 성분을 추출함으로써 실현할 수 있다.
도 2는 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 도면이다. 상세하게는, 도 2 (a)는 60Hz의 정현파인 측정 파형을 도시한 도면으로, 가로축은 단위가 초인 시간, 세로축은 규격화된 수치이다. 도 2 (b)는 측정 파형과 같은 위상의 60Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우, 주파수 0에서 피크 P를 가지는 성분, 즉 직류 성분이 검출된다. 따라서 측정 파형의 주파수를 기준 파형의 주파수인 60Hz로 특정할 수 있다. 도 2 (c)는 측정 파형과 같은 위상의 50Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우, 주파수 0에 피크를 가지는 성분이 존재하지 않고, 직류 성분은 검출되지 않는다. 다만, 파형 데이터는, 예를 들면 일정한 시간 간격으로 샘플링된 것이고, 샘플링수가 유한(有限)이기 때문에, 주파수 0의 성분은, 10Hz의 피크의 스커트(skirt)의 영향을 받아 완전하게 0으로는 되어 있지 않았다. 이것은 도 3~도 5에서도 마찬가지이다.
다음에, 측정 파형에 오프셋 성분이 포함되고, 또한 측정 파형과 기준 파형의 위상이 같은 경우에 대해 검토한다. 오프셋 성분을 A라고 하면, 측정 파형에 기준 파형을 곱셈함으로써 얻어지는 파형은 다음과 같게 된다.
(A＋cos(ω1t))cos(ω2t)=Acos(ω2t)＋cos(ω1t)cos(ω2t) … (2)
상기 식의 우변 제1항은 기준 파형의 주파수 성분, 우변 제2항은 (1)의 파형과 같은 파형이다. 이 경우에도 f1=f2이면 직류 성분이 생기고, f1≠f2이면 직류 성분은 생기지 않는다. 즉, 측정 파형에 직류 성분이 포함되어 있었다고 하더라도, 측정 파형과 기준 파형이 동위상이면서 또한 주파수가 같은 경우, 양파형을 곱셈하여 직류 성분을 검출함으로써, 측정 파형의 주파수를 특정할 수 있다.
도 3은 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 다른 도면이다. 상세하게는 도 3 (a)는 60Hz의 정현파에 오프셋 성분이 가산된 측정 파형을 도시한 도면으로, 가로축은 단위가 초인 시간, 세로축은 규격화된 수치이다. 도 3 (b)는 측정 파형과 같은 위상의 60Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우, 주파수 0에 피크 P를 가지는 성분, 즉, 직류 성분이 검출된다. 따라서 측정 파형의 주파수를 기준 파형의 주파수인 60Hz로 특정할 수 있다. 도 3 (c)는 측정 파형과 같은 위상의 50Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우, 주파수 0에 피크를 가지는 성분이 존재하지 않아, 직류 성분은 검출되지 않는다.
다음에, 측정 파형에 고조파 성분, 오프셋 성분 및 저주파 성분 중 어느 것도 포함되지 않고, 또한 측정 파형과 기준 파형이 동위상이 아닌 경우에 대해 검토한다. 측정 파형과 기준 파형의 위상차를 Δ라고 한다. 동위상의 경우와 같이, α=ω1t=2πf1t, β=ω2t=2πf2t라고 하면,
cos(ω1t＋Δ)cos(ω2t)=(cos(ω1t)cos(Δ)－sin(ω1t)sin(Δ))cos(ω2t)
=cos(Δ)cos(ω1t)cos(ω2t)－sin(Δ)sin(ω1t)cos(ω2t) … (3)
이 된다. 상기 식의 우변 제1항은 (1)의 파형에 cos(Δ)를 곱셈한 것이다. 따라서 cos(Δ)≠0이면서 또한 f1=f2인 경우는, 직류 성분이 생긴다. 한편, cos(Δ)=0인 경우, 즉, Δ=π/2×n(n=1, 3, 5, 7 …)인 경우는,
sin(Δ)=sin(π/2×n)=±1
이 되기 때문에,
cos(ω1t＋Δ)cos(ω2t)=±sin(ω1t)cos(ω2t)
=±(sin(ω1t－ω2t)－sin(ω1t＋ω2t))/2
가 된다. 여기서, f1=f2인 경우,
cos(ω1t＋Δ)cos(ω2t)=±sin(ω1t＋ω2t)/2
가 된다. 즉, 측정 파형과 기준 파형의 위상차가 π/2×n(n=1, 3, 5, 7 …)인 경우는, 동일 주파수인 경우에도 직류 성분이 생기지 않는다. 또, f1≠f2인 경우는 (3)의 우변에 직류 성분은 생기지 않는다.
이와 같이, 측정 파형과 기준 파형의 위상이 다른 경우에는, 주파수가 같아도, 위상차가 π/2×n(n=1, 3, 5, 7 …)일 때는, (3)의 우변에 직류 성분이 생기지 않는다. 이에, 본 실시 형태에서는, 직류 성분을 검출함으로써 측정 파형의 주파수를 특정 가능하게 하기 때문에, 기준 파형의 위상을 변화시켜 복수의 위상차에 대해 측정 파형과 기준 파형의 곱셈을 구하여, 직류 성분의 증감(增減)을 확인하도록 한다.
상세하게는, 각 기준 주파수에 대해서, 위상이 서로 다른 복수 개의 기준 파형을 준비하고, 또한 이들 복수 개의 기준 파형 중 임의의 2개의 위상차가 π의 정수배가 되지 않도록 한다. 이렇게 함으로써, 각 기준 주파수에 대해서, 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 중에 위상차 Δ가 π/2×n(n=1, 3, 5, 7 …)이 되지 않는 경우를 반드시 찾아낼 수 있으므로, 측정 파형과 기준 파형의 주파수가 동일한 경우에는, 주파수 0에 피크를 가지는 직류 성분을 검출할 수 있다. 실제로는 측정 파형과 기준 파형은 동위상이 아닌 경우가 대부분이므로, 이와 같이 기준 파형의 위상을 변화시켜 직류 성분의 증감을 확인하는 처리가 필요하다.
도 4는 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 또 다른 도면이다. 상세하게는, 도 4 (a)는 60Hz의 정현파인 측정 파형을 도시한 도면이다. 도 4 (b)는 측정 파형과의 위상차가 π/2이고 또한 주파수가 60Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우, 주파수 0에 피크를 가지는 성분, 즉 직류 성분은 생기지 않는다. 도 4 (c)는 측정 파형과의 위상차가 π/2이고 또한 주파수가 50Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우도, 직류 성분은 생기지 않는다. 도 4 (d)는 측정 파형과의 위상차가 π/6이고 또한 주파수가 60Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우는 주파수 0에 피크 P를 가지는 성분, 즉 직류 성분이 검출된다. 따라서 측정 파형의 주파수를 기준 파형의 주파수인 60Hz로 특정할 수 있다. 도 4 (e)는 측정 파형과의 위상차가 π/6이고 또한 주파수가 50Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우도, 직류 성분은 생기지 않는다.
다음에, 측정 파형에 오프셋이 포함되고, 또한 측정 파형과 기준 파형이 동위상이 아닌 경우에 대해 검토한다. 측정 파형과 기준 파형의 위상차는 마찬가지로 Δ라고 한다. 오프셋 성분을 A라고 하면, 측정 파형에 기준 파형을 곱셈함으로써 얻어지는 파형은 다음과 같게 된다.
(A＋cos(ω1t＋Δ))cos(ω2t)=Acos(ω2t)＋cos(ω1t＋Δ)cos(ω2t) … (4)
상기 식의 우변 제1항은 기준 파형의 주파수 성분이고, 직류 성분을 주지 않는다. 우변 제2항은 (3)의 파형과 같은 파형이다. 따라서 (3)의 경우와 마찬가지로, 직류 성분을 검출함으로써, 측정 파형의 주파수를 특정할 수 있다.
다음에, 측정 파형에 저주파 성분이 포함되는 경우에 대해 검토한다. 저주파 성분을 cos(ω0t)라고 하면, 측정 파형에 기준 파형을 곱셈함으로써 얻어지는 파형은 다음과 같게 된다.
(cos(ω0t＋δ)＋cos(ω1t＋Δ))cos(ω2t)
=cos(ω0t＋δ)cos(ω2t)＋cos(ω1t＋Δ)cos(ω2t) … (5)
여기서, δ는 저주파 성분과 기준 파형의 위상차, Δ는 측정 파형과 기준 파형의 위상차이고, δ=0, Δ=0인 경우도 포함하는 것으로 한다. 또,ω0＜ω1,ω2이다. 상기 식의 우변 제1항은 직류 성분을 주지 않는다. 우변 제2항은 (3)의 파형과 같은 파형이다. 따라서 (3)의 경우와 마찬가지로, 직류 성분을 검출함으로써, 측정 파형의 주파수를 특정할 수 있다.
다음에, 측정 파형이 기본파 성분 및 3차 고조파 성분으로 구성되었을 경우에 대해 검토한다. 측정 파형은 cos(ω1t＋Δ)＋cos(3ω1t＋Δ)로 나타내진다. Δ는 기준 파형과의 위상차이고, Δ=0인 경우도 포함하는 것으로 한다. 측정 파형에 기준 파형을 곱셈함으로써 얻어지는 파형은 다음과 같게 된다.
(cos(ω1t＋Δ)＋cos(3ω1t＋Δ))cos(ω2t)
=cos(ω1t＋Δ)cos(ω2t)＋cos(3ω1t＋Δ)cos(ω2t) … (6)
상기 식의 우변의 제1항은 (3)의 파형과 같은 파형이다. 상기 식의 우변의 제2항은 고조파 성분에 유래하는 것으로,
cos(3ω1t＋Δ)cos(ω2t)=cos(Δ)cos(3ω1t)cos(ω2t)－sin(Δ)sin(3ω1t)cos(ω2t)
=cos(Δ)(cos(3ω1t＋ω2t)＋cos(3ω1t－ω2t))/2
－sin(Δ)(sin(3ω1t＋ω2t)＋sin(3ω1t－ω2t))/2
가 된다. 따라서 f1=f2인 경우, (6)의 우변의 제2항은 직류 성분을 주지 않는다. 또, 본 실시 형태에서는, 어느 기준 주파수도 측정 파형의 기본파의 주파수의 (2n＋1)배(n은 자연수)와 같아지지 않도록 복수의 기준 주파수를 미리 설정해 두는 것으로 한다. 예를 들면, 기준 주파수를 50Hz 및 60Hz로 설정했을 경우에는, 측정 파형의 주파수는 50Hz 또는 60Hz가 되므로, 이 조건을 만족한다. 이 조건의 하에서는, 3f1=f2(3ω1=ω2)가 되는 일은 없으므로, f1≠f2인 경우에, (6)의 우변의 제2항은 직류 성분을 주지 않는다.
이상은 측정 파형에 5차 이상의 고조파 성분이 포함되는 경우도 마찬가지이다. 즉, 직류 성분의 유무에 관한 한, 측정 파형이 고조파 성분을 함유하고 있더라도, 함유하지 않는 경우와 마찬가지로 생각할 수 있다.
도 5는 측정 파형과 기준 파형의 곱셈 결과에 포함되는 주파수 성분을 도시한 또 다른 도면이다. 상세하게는, 도 5 (a)는 50Hz의 정현파에 고조파 성분, 저주파 성분 및 오프셋 성분이 가산된 측정 파형을 도시한 도면이다. 도 5 (b)는 측정 파형과 같은 위상의 60Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우, 주파수 0에 피크를 가지는 성분, 즉 직류 성분은 생기지 않는다. 도 5 (c)는 측정 파형과 같은 위상의 50Hz의 정현파인 기준 파형과, 측정 파형의 곱셈을 FFT한 결과를 도시한 도면이다. 이 경우는 주파수 0에 피크 P를 가지는 성분, 즉, 직류 성분이 검출된다. 따라서 측정 파형의 주파수를 기준 파형의 주파수인 50Hz로 특정할 수 있다.
이와 같이, 측정 파형에 고조파 성분 혹은 오프셋 성분 혹은 저주파 성분 또는 이들 조합이 포함되어 있는 경우여도, 측정 파형과 기준 파형의 곱에 직류 성분이 포함되는지 여부에 관해서는, 고조파 성분 혹은 오프셋 성분 혹은 저주파 성분 또는 이들 조합이 포함되지 않는 경우와 마찬가지로 생각할 수 있다. 상기의 예에서는, Δ=0인 경우도 포함하여, (3)의 경우와 마찬가지로 생각하면 되기 때문에, 직류 성분을 검출함으로써 주파수를 특정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
즉, 측정 파형에 기준 파형을 곱셈하고, 이 곱셈 결과에 기초하여 직류 성분의 유무를 확인함으로써, 측정 파형의 제로 크로스의 검출을 행하는 일 없이, 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수를 특정하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 본 실시 형태의 동작에 대해 설명한다. 변류기(14)는 전로(1)에 흐르는 전류에 따른 전류 신호를 제어 처리부(32)에 출력한다. 제어 처리부(32) 내에서는, A/D 변환 회로(9)가 변류기(14)에 의해 검출된 전류 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다.
곱셈 회로(8)는 A/D 변환 회로(9)로부터 출력된 전류 파형(측정 파형)과, 기준 파형 기억부(15)에 기억된 각 기준 파형의 곱셈을 실행한다. 기준 파형 기억부(15)는 복수의 기준 주파수의 각각에 대해, 기준 주파수의 기준 파형을 미리 기억하고 있다. 상술한 것처럼, 이들 복수의 기준 주파수 중 어느 것은, 전로(1)에 흐르는 교류 전류의 주파수와 같다. 또, 기준 파형 기억부(15)는 각 기준 주파수에 대해서, 위상이 서로 다르면서 또한 위상차가 π의 정수배가 되지 않는 복수 개의 기준 파형을 미리 기억하고 있다. 곱셈 회로(8)는 각 곱셈 데이터를 FFT 회로(7)에 출력한다.
여기서, 기준 파형의 구체예를 든다. 기준 주파수는 예를 들면 f21=50Hz 및 f22=60Hz로 한다. 각 기준 주파수에 대해 예를 들면 2개의 기준 파형을 설정하는 경우, 기준 주파수 50Hz를 가지는 기준 파형은 cos(ω21t), cos(ω21t＋θ), 기준 주파수 60Hz를 가지는 기준 파형은 cos(ω22t), cos(ω22t＋θ)라고 할 수 있다. 여기서, ω21=2πf21,ω22=2πf22이고, θ는 예를 들면 π/6이다. 측정 파형을 예를 들면 cos(ω1t＋Δ)라고 하면, 곱셈 회로(8)는 cos(ω1t＋Δ)cos(ω21t), cos(ω1t＋Δ)cos(ω21t＋θ), cos(ω1t＋Δ)cos(ω22t), cos(ω1t＋Δ)cos(ω22t＋θ)를 샘플링 데이터에 대해 연산한다.
다음에, FFT 회로(7)는 곱셈 회로(8)로부터 출력된 곱셈 데이터를 고속 푸리에 변환하여, 주파수 성분의 데이터로 변환한다. FFT 회로(7)는 측정 파형과 각 기준 파형의 곱셈 데이터의 각각에 대해 연산을 실행한다. FFT 회로(7)는 연산 결과를 비교 판정 회로(10)에 출력한다.
비교 판정 회로(10)는 FFT 회로(7)로부터 출력된 각 곱셈 데이터의 주파수 성분에 직류 성분이 포함되는지 여부를 비교 판정하고, 직류 성분을 포함하는 곱셈 데이터를 특정하여, 당해 특정된 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수로서 검출한다. 또한 특정된 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수란, 당해 곱셈 데이터의 곱셈에 이용된 기준 파형의 기준 주파수이다. 여기서 곱셈 데이터에 있어서의 직류 성분은, 기준 주파수가 측정 파형의 주파수에 일치하지 않는 경우는, 이상적으로는 0이 되어야 하지만, FFT 회로(7)에서의 연산에 이용하는 파형 데이터는 유한의 샘플링 시간으로 샘플링되고, 샘플링수가 유한한 것이기 때문에, 그 직류 성분은 실제로는 0은 되지 않고, 어느 정도의 낮은 수치가 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 비교 판정 회로(10)는 각 곱셈 데이터에 포함되는 직류 성분을 비교하여, 가장 큰 직류 성분을 주는 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수로서 검출하는 것이다.
상기의 예에서는, 비교 판정 회로(10)는 곱셈 데이터 cos(ω1t＋Δ)cos(ω21t), cos(ω1t＋Δ)cos(ω21t＋θ), cos(ω1t＋Δ)cos(ω22t), cos(ω1t＋Δ)cos(ω22t＋θ)의 주파수 성분에 포함되는 직류 성분의 크기를 비교하고, 가장 큰 직류 성분을 주는 곱셈 데이터를 특정하여, 당해 특정된 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 전로(1)에 흐르는 전류의 주파수로서 검출한다(도 4 (d) 참조).
이상과 같이, 본 실시 형태의 회로 차단기(30)는 교류 전류가 흐르는 전로(1)를 개폐 가능한 회로 차단기로서, 전로(1)에 흐르는 교류 전류에 따른 전류 신호를 출력하는 변류기(14)와, 어느 것이 상기 교류 전류의 주파수와 같은 복수의 기준 주파수의 각각에 대해 기준 주파수의 기준 파형을 미리 기억하는 기준 파형 기억부(15)와, 변류기(14)로부터 출력된 전류 파형과 기준 파형 기억부(15)에 기억된 상기 각 기준 파형의 곱셈을 하는 곱셈 회로(8)와, 곱셈 회로(8)로 곱셈된 각 곱셈 데이터를 고속 푸리에 변환하여 주파수 성분으로 변환하는 FFT 회로(7)와, FFT 회로(7)로 주파수 성분으로 변환된 상기 각 곱셈 데이터에 직류 성분이 포함되는지 여부를 판정하여, 가장 큰 직류 성분을 포함하는 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 전로(1)에 흐르는 교류 전류의 주파수로서 검출하는 비교 판정 회로(10)를 구비하고 있다.
이러한 구성에 의해, 전로(1)에 흐르는 전류에 고조파 성분 혹은 오프셋 성분 혹은 저주파 성분 또는 이들의 임의의 조합이 포함되는 경우에도, 전류 파형의 제로 크로스점을 구할 필요가 없으므로, 전로(1)에 흐르는 교류 전류의 주파수를 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
또, 본 실시 형태에서는 특성 설정부(11)에 의해 유저가 주파수를 설정할 수 있다. 회로 차단기(30)는 설정된 주파수를 이용하여 각종의 연산 및 표시 등을 행한다. 이 구성에 있어서, 유저가 주파수의 설정을 틀렸을 경우에도, 주파수 검출부(33)가 독자적으로 주파수를 검출하므로, 유저의 설정 오류를 검출하여, 유저에게 그 취지를 외부 표시 혹은 접점 출력하여, 설정 오류의 가능성이 있다는 취지를 알리는 것이 가능해진다. 상세하게는, 비교 판정 회로(10)는 검출된 주파수와 특성 설정부(11)를 통해서 설정된 주파수가 일치하는지 여부를 판정하고, 일치하지 않는 경우에는 예를 들면 표시부(6)를 통해서 그 취지를 알린다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 따른 회로 차단기는 공기중 차단기로서 유용하다.
1, 1a~1c, 1n: 전로, 2, 2a~2c, 2n: 개폐 접점,
3: 전자 장치, 4: 전원 회로,
5: 트리거 회로, 6, 12: 표시부,
7: FFT 회로, 8: 곱셈 회로,
9: A/D 변환 회로, 10: 비교 판정 회로,
11: 특성 설정부,
13, 13a~13c, 13n, 14, 14a~14c, 14n: 변류기,
15: 기준 파형 기억부, 16: 정류 회로,
30: 회로 차단기, 31: 차단 제어부,
32: 제어 처리부, 33: 주파수 검출부.

Claims (4)

  1. 교류 전류가 흐르는 전로(電路)를 개폐 가능한 회로 차단기로서,
    상기 전로에 흐르는 교류 전류에 따른 전류 신호를 출력하는 변류기와,
    어느 것이 상기 교류 전류의 주파수와 같은 복수의 기준 주파수의 각각에 대해 기준 주파수의 기준 파형을 미리 기억하는 기준 파형 기억부와,
    상기 변류기로부터 출력된 전류 파형과 상기 기준 파형 기억부에 기억된 상기 각 기준 파형의 곱셈을 하는 곱셈부와,
    상기 곱셈부로 곱셈된 각 곱셈 데이터를 푸리에 변환하여 주파수 성분으로 변환하는 푸리에 변환부와,
    상기 푸리에 변환부로 주파수 성분으로 변환된 상기 각 곱셈 데이터에 직류 성분이 포함되는지 여부를 판정하여, 가장 큰 직류 성분을 포함하는 곱셈 데이터에 대응하는 기준 주파수를 상기 전로에 흐르는 교류 전류의 주파수로서 검출하는 비교 판정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변류기로부터 출력된 전류 신호를 A/D 변환하는 A/D 변환을 구비하고,
    상기 곱셈부는 상기 A/D 변환부에 의해 디지털 데이터로 변환된 전류 파형과 상기 각 기준 파형의 곱셈을 하고,
    상기 푸리에 변환부는 상기 곱셈부로 곱셈된 각 곱셈 데이터를 고속 푸리에 변환하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준 파형 기억부는 상기 각 기준 주파수에 대해서, 위상이 서로 다르면서 또한 위상차가 π의 정수배가 되지 않는 복수의 기준 파형을 미리 기억하고 있는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 1항 있어서,
    주파수를 설정 가능한 특성 설정부를 구비하고,
    상기 비교 판정부는 검출된 주파수와 상기 특성 설정부를 통해서 설정된 주파수가 일치하는지 여부를 판정하여, 일치하지 않는 경우에는 그 취지를 알리는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
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