PT1397693E

PT1397693E - Dispositivos de medição

Info

Publication number: PT1397693E
Application number: PT02735606T
Authority: PT
Inventors: Mark David Crosier; Martin Anthony Murray; Brian Martin Reeder
Original assignee: Eaton Electric Ltd
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2010-08-27
Also published as: EP1397693B1; HK1048395A1; DE60236651D1; MY140944A; WO2002101397A1; GB2412511A; GB2412511B; EP1397693A1; GB2376360A; GB0513482D0; AU2002310615B2; ES2346959T3; US7221142B2; DK1397693T3; US20050212505A1; EP2219040A1; MY143617A; TWI221906B; ATE470869T1; GB2376360B

Description

ΡΕ1397693 - 1 -

DESCRIÇÃO "DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO"

Esta invenção refere-se a dispositivos de medição para instalações eléctricas e, em particular, a dispositivos de medição incluindo um módulo de detecção de corrente/tensão para analisar corrente e tensão para facilitar, inter alia, uma detecção de corrente residual e consumo de potência.

Um método de detecção de corrente residual pode implicar a utilização de um transformador de corrente tendo enrolamentos primários através dos quais, no caso de um dispositivo monofásico, a corrente de carga flui em direcções opostas, para que, se a corrente de retorno for diferente da corrente que flui para o exterior devido a fuga de corrente, se induza um sinal de corrente de saida num enrolamento secundário do transformador. No caso de um dispositivo multifásico, os enrolamentos primários do transformador estão conectados em todas as linhas de fase e na linha de neutro. Em situações normais, quando não há fuga de corrente, a corrente liquida induzida no enrolamento secundário é nula e, por conseguinte, não se detecta qualquer valor de saida. Estes dispositivos estão sujeitos a disparos intempestivos inconvenientes resultantes de sobretensões na alimentação, interruptores em aparelhos electrodomésticos e situações semelhantes. Outros problemas resultam do facto de o transformador ser concebido para ser sensivel a desequilíbrios de corrente muito pequenos provocados por fuga de corrente. Quando há anomalias devido a fugas de corrente relativamente grandes, -2- ΡΕ1397693 o fluxo magnético pode fazer com que o núcleo magnético do transformador fique saturado e, desse modo, não consiga induzir uma corrente no enrolamento secundário. Em alternativa, uma corrente induzida elevada pode provocar a saturação de um amplificador no circuito electrónico que é utilizado para processar o sinal de corrente induzida.

De igual modo, os dispositivos de transformadores toroidais podem não ser sensiveis a anomalias devidas a fugas de corrente dc, pelo que a anomalia não é detectada e não ocorre qualquer disparo. Muitos sistemas eléctricos incorporam fontes de alimentação comutadas, por exemplo, conversores e inversores de ac para dc em sistemas de controlo de velocidade e arranque de motores. Nesses sistemas, as fases de alimentação ac são comutadas electronicamente (por exemplo, com FET de alta tensão) para proporcionar sinais com forma de onda rectificada. Nesses casos, uma anomalia por fuga de corrente pode não induzir corrente suficiente no enrolamento secundário que permita detectar a anomalia.

Um método para determinar o consumo de potência é medir a tensão nos fios das fontes de alimentação e a corrente que flui através deles e, depois, multiplicar a corrente pela medição da tensão para determinar uma medição de potência. Uma abordagem é utilizar um shunt de valor conhecido conectado em série com um dos fios e medir a tensão e a corrente que flui através do mesmo. Os medidores de potência incluem um contador ou relógio para medir o número de watts-hora consumidos. 0 contador é lido manualmente, de uma forma periódica, de modo a poder facturar o consumidor pela quantidade de electricidade utilizada. ΡΕ1397693 -3 -

Também se podem utilizar resistências shunt para detectar um desequilíbrio na corrente provocado por uma fuga de corrente. No entanto, para terem utilidade, por si próprias, como dispositivo de segurança de detecção de corrente residual para fazer disparar um disjuntor, as resistências shunt teria que ser extremamente precisas. A corrente que flui através dos shunts teria que ser detectada com uma precisão da ordem de 1 a 10 mA em 100 A (10“5 a 10“4) . Isto significa que seria necessário um conjunto de circuitos de medição sofisticado e complexo para proporcionar a resolução exigida, bem como resistências shunt precisas e estáveis tendo caracteristicas de resistência linear.

Convencionalmente, os dispositivos de detecção de corrente residual e medidores de consumo de potência são dispositivos discretos distintos. O medidor de consumo de potência está situado no interior da unidade de consumidor ou caixa de fusíveis a partir da qual se distribuem os circuitos para as instalações. O documento FR 2590030 divulga um dispositivo de medição de corrente alterna que tem um shunt que conduz a corrente eléctrica a medir. Os terminais do shunt estão conectados ao enrolamento primário de um transformador e os terminais do enrolamento secundário do transformador estão conectados a um instrumento para medir ou comparar tensões. O documento FR 2430680 divulga um dispositivo de medição de corrente compreendendo um meio toroidal magnético proporcionado entre uma fonte e um circuito de corrente continua ou alterna. -4- ΡΕ1397693 0 documento US 6018700 divulga um dispositivo de monitorização de corrente para um circuito eléctrico, tendo o dispositivo de monitorização um meio de detecção de corrente compreendendo uma resistência conectada em série com o circuito eléctrico. O documento US 4278938 divulga um dispositivo de medição de corrente compreendendo um núcleo toroidal. É um objectivo da presente invenção conceber um dispositivo de medição de corrente residual e potência que supere ou, pelo menos, diminua estes problemas. É um outro objectivo da invenção conceber um dispositivo combinado de medição de corrente residual e potência que ocupe menos espaço do que os dispositivos convencionais e funcione com um melhor grau de sofisticação, de modo a facilitar a monitorização remota da instalação eléctrica.

De acordo com a presente invenção, proporciona-se um dispositivo combinado toroidal/shunt como definido na reivindicação 1.

Numa forma de realização, o primeiro intervalo de corrente residual AC é uma corrente residual AC resultante de fuga à terra ou fuga cruzada entre os condutores até se atingir um nivel de saturação no qual o meio toroidal ou um meio electrónico associado com o mesmo fique saturado, e o segundo intervalo inclui correntes residuais AC acima do referido nivel de saturação. O dispositivo combinado toroidal/shunt pode ainda compreender um meio processador para gerar um sinal de disparo proveniente de um referido primeiro e/ou segundo ΡΕ1397693 -5 - desequilíbrio de corrente indicativo da presença de uma anomalia de corrente residual. 0 meio processador tem, de preferência, a função de gerar o sinal de disparo com base numa comparação do sinal de desequilíbrio de corrente com um critério de limiar predeterminado. 0 dispositivo combinado toroidal/shunt compreende ainda, mais preferencialmente, um disjuntor com a função de interromper a referida alimentação AC em resposta ao referido sinal de disparo.

Noutra forma de realização, um dispositivo de monitorização para uma instalação eléctrica compreende o dispositivo combinado toroidal/shunt. Neste caso, os meios de detecção de corrente são sensíveis à corrente que flui em cada um dos referidos condutores e o processador tem a função de gerar um sinal de corrente indicativo da corrente detectada em cada um dos referidos condutores. 0 dispositivo de monitorização pode compreender ainda um meio detector de resistência para ligação entre os referidos condutores neutro e sob tensão para gerar um valor de saída indicativo da tensão entre os referidos condutores sob tensão e neutro ao medir a queda de tensão através do meio de resistência ou de uma sua parte potencialmente dividida. 0 meio processador tem, de preferência, a função de gerar um sinal de saída derivado dos referidos sinais de corrente e tensão para facilitar a determinação do consumo de potência. -6- PE 1397693 0 meio detector de corrente do dispositivo combinado toroidal/shunt ou do dispositivo de monitorização também pode compreender um primeiro conversor analógico-digital acoplado a um enrolamento secundário do transformador para gerar um sinal digital representativo do desequilibrio de corrente detectado pelo meio toroidal. 0 meio de detecção de corrente também compreende, de preferência, um segundo conversor analógico-digital acoplado ao detector de resistência shunt para gerar sinais digitais representativos da corrente que flui através do condutor neutro e de cada um dos, pelo menos um, condutores sob tensão. 0 segundo conversor analógico-digital pode, mais preferencialmente, ser acoplado ao referido meio detector de resistência para gerar sinais digitais representativos da tensão entre os referidos condutores neutro e sob tensão. 0 primeiro e/ou o segundo conversor analógico-digital podem incluir um multiplexador para acoplar, selectivamente, dois ou mais dos referidos meios detectores e gerar sinais digitais correspondentes representativos da tensão ou corrente detectada. É evidente que, em formas de realização da invenção, o dispositivo está dotado com dois meios para detectar uma corrente residual. 0 transformador toroidal facilita a detecção de um desequilibrio de corrente entre os condutores neutro e sob tensão, indicativo de uma comparação da corrente detectada nos condutores neutro e sob tensão. 0 detector de shunt pode, desse modo, facilitar -7- PE1397693 a detecção de uma corrente residual, mesmo quando a corrente residual surge de uma anomalia dc, não detectável pelo transformador. 0 detector de shunt também pode facilitar a detecção de corrente residual em circunstâncias em que o fluxo magnético leva à saturação do transformador. É evidente que formas de realização da invenção proporcionam um dispositivo integral ou combinado de potência e corrente residual. Uma vantagem resultante disso é que o medidor de potência, que é, normalmente, propriedade da companhia fornecedora de electricidade, pode ser propriedade do utilizador. Os parâmetros relacionados com o consumo de electricidade e condições anómalas são transmitidos para uma estação monitorizada pela companhia fornecedora para fins de facturação, diagnóstico, consumo ou manutenção. Também é óbvio que é possível reduzir o espaço ocupado relativamente aos dispositivos convencionais de medição de potência e corrente residual separados. Isto permite que os dispositivos que incorporam a invenção sejam embebidos em aparelhos electrodomésticos para proporcionar uma supressão dos disparos, uma maior descriminação, indicação de avarias e monitorização a jusante. Pode efectuar-se uma medição por subcircuito, particularmente, se os dispositivos estiverem em rede, permitindo isso uma melhor descriminação e isolamento de avarias, ao fazer disparar, em primeiro lugar, o subcircuito, antes de disparar o circuito principal. Prevêem-se outras utilizações, tais como o fornecimento de dados de aviso antes do disparo e utilização em sistemas de gestão de edifícios.

De acordo com um aspecto relacionado, que é mencionado a título de técnica antecedente, proporciona-se -8- ΡΕ1397693 um dispositivo de medição para uma instalação eléctrica compreendendo uma pluralidade de condutores, compreendendo o dispositivo um meio toroidal para detectar uma corrente residual e meio de consumo de potência compreendendo um meio detector de shunt para gerar um sinal de corrente indicativo da corrente detectada em, pelo menos, um dos referidos condutores e um meio detector de resistência para gerar um sinal de tensão indicativo da tensão através de, pelo menos, um par dos referidos condutores.

Numa forma de realização preferencial, a instalação eléctrica compreende uma fonte de alimentação ac por meio de um condutor neutro e um condutor sob tensão, compreendendo o referido meio toroidal um detector de transformador toroidal para gerar um sinal de corrente residual em resposta a uma corrente residual detectada na referida instalação eléctrica e o referido meio detector de resistência é proporcionado para ligação entre os referidos condutores neutro e sob tensão para gerar o referido sinal de tensão ao medir a queda de tensão através do meio detector de resistência ou de uma sua parte potencialmente dividida, compreendendo ainda o dispositivo um meio processador para gerar um sinal de disparo indicativo da presença de uma anomalia de corrente residual em dependência do referido sinal de corrente residual, para, desse modo, facilitar o funcionamento de um disjuntor para interromper a referida alimentação ac em resposta ao referido sinal de disparo, e um sinal de sarda derivado dos referidos sinais de corrente e tensão para facilitar a determinação de consumo de potência.

Noutra forma de realização preferencial, a alimentação em ac pode compreender uma pluralidade de -9- ΡΕ1397693 fases, compreendendo cada fase uma alimentação por meio de um condutor de fase sob tensão e um referido condutor neutro, em que o meio detector de shunt compreende um respectivo shunt conectado em série em cada um dos referidos condutores de fase sob tensão para proporcionar um respectivo sinal de corrente, indicativo da corrente que flui no respectivo condutor de fase sob tensão, e o referido meio detector de resistência compreende um respectivo meio de resistência conectado entre cada um dos referidos condutores de fase sob tensão e o referido condutor neutro, tendo o referido processador a função de gerar sinais representativos da tensão entre cada condutor de fase sob tensão e o referido condutor neutro ao medir a tensão através de cada um dos referidos meios de resistência ou das suas partes potencialmente divididas.

De acordo com um segundo aspecto relacionado, que é mencionado a titulo de técnica antecedente, proporciona-se um dispositivo de medição para uma instalação eléctrica tendo uma alimentação ac por meio de um condutor neutro e, pelo menos, um condutor sob tensão, compreendendo o dispositivo um detector de transformador toroidal para gerar um sinal de corrente residual em resposta a uma corrente residual detectada na referida instalação eléctrica, um detector de resistência shunt para gerar respectivos sinais de corrente indicativos da corrente detectada no referido condutor neutro e em cada um dos referidos, pelo menos um, condutores sob tensão, um meio processador para gerar um sinal de disparo indicativo da presença de uma anomalia de corrente residual em dependência do referido sinal de corrente residual e/ou dos referidos respectivos sinais de corrente detectados e um -10- ΡΕ1397693 disjuntor com a função de interromper a referida alimentação AC em resposta ao referido sinal de disparo.

Numa forma de realização preferencial, para cada um dos referidos, pelo menos um, condutores sob tensão, o dispositivo pode compreender ainda um meio detector de resistência para ligação entre os referidos condutores neutro e sob tensão e tendo a função de fornecer um sinal representativo da tensão entre os referidos condutores neutro e sob tensão por medição da queda de tensão através do referido meio detector de resistência ou de uma sua parte potencialmente dividida.

Numa forma de realização, o meio processador compreende um primeiro conversor analógico-digital acoplado a um enrolamento secundário do referido transformador para gerar o referido sinal de corrente residual como um sinal digital representativo da tensão detectada através do enrolamento e/ou da corrente no enrolamento. 0 meio processador pode compreender ainda um segundo conversor analógico-digital acoplado ao detector de resistência shunt para gerar sinais digitais representativos da corrente que flui através do referido condutor neutro e de cada um dos referidos, pelo menos um, condutores sob tensão. O primeiro e/ou segundo conversor analógico-digital também pode/m ser acoplado/s ao referido meio detector de resistência para gerar sinais digitais representativos da referido tensão entre os referidos condutores neutro e sob tensão. -11- ΡΕ1397693

Em alternativa, o primeiro e/ou segundo conversores analógico-digital podem incluir um multiplexador para acoplar, selectivamente, dois ou mais dos referidos meios detectores e gerar sinais digitais correspondentes representativos da tensão ou corrente detectada.

Cada conversor analógico-digital pode incluir um modulador delta-sigma. 0 meio processador pode incluir um microprocessador para receber os sinais digitais do primeiro e segundo conversores analógico- -digital para determinar a potência consumida pela instalação eléctrica a partir dos sinais digitais. 0 microprocessador pode, ainda, ter a função de gerar um sinal de desequilíbrio de corrente indicativo da corrente residual durante tempo real a partir do sinal de corrente residual. 0 microprocessador pode, ainda, ter a função de gerar o referido sinal de desequilíbrio de corrente a partir de uma comparação dos referidos sinais de corrente indicativos da corrente nos referidos condutores neutro e sob tensão. o microprocessador pode, ainda, ter a função de gerar o referido sinal de disparo com base na comparação do referido sinal de desequilíbrio de corrente com um critério de limiar predeterminado. 0 microprocessador pode, além disso, ter a função de analisar a corrente residual, corrente e tensão de modo a detectar uma ou mais condições suplementares, incluindo, sobreintensidade de corrente, falhas por arco eléctrico, fuga de corrente permanente e medição de "potência Activa" a partir do ângulo de fase (Potência = Tensão * Corrente * -12- PE1397693

Cosseno (Phi)). O consumo de potência, em conjunto com as condições de funcionamento ou eventos suplementares, pode ser registado para referência futura. Esta informação é útil para finalidades de diagnóstico.

Pode proporcionar-se um sensor de temperatura para permitir a compensação de flutuações de temperatura nos shunts. 0 microprocessador pode ser calibrado para gerar sinais de corrente e tensão tendo em consideração a temperatura dos shunts em relação a um ponto de referência. 0 microprocessador pode ser configurado para regular o limiar da corrente residual necessário para gerar um sinal de disparo se verificar que a corrente residual é provocada por uma fuga de corrente permanente na instalação. A função de detector de corrente residual irá, por conseguinte, continuar a funcionar como um dispositivo de segurança, ao mesmo tempo que minimiza a possibilidade de disparos intempestivos inconvenientes. Por exemplo, se houver uma fuga de corrente permanente de 10 mA quando o dispositivo de monitorização é instalado, o dispositivo só irá disparar quando o limiar predeterminado for atingido acima do nivel de 10 mA e não acima de zero.

Pode proporcionar-se um dispositivo de comunicação para transmitir esta informação para uma estação de monitorização remota. A invenção irá, agora, ser ainda descrita a titulo de exemplo recorrendo aos desenhos em anexo, nos quais: -13- PE1397693 A Figura 1 é um diagrama de blocos de um dispositivo medidor de potência e de corrente residual combinado incorporando a presente invenção aplicado a uma fonte de alimentação de electricidade monofásica; A Figura 2 é um diagrama de blocos de um dispositivo medidor de potência e de corrente residual combinado incorporando a presente invenção aplicado a uma fonte de alimentação de electricidade trifásica; e A Figura 3 é um fluxograma que indica uma sequência de funcionamento para a detecção de corrente residual num dispositivo incorporando a presente invenção.

Uma configuração estrutural de um dispositivo de monitorização incorporando a presente invenção é mostrada nas Figuras 1 e 2. Num primeiro aspecto, a Figura 1 mostra um dispositivo monofásico no qual um núcleo 1 de transformador toroidal está acoplado a condutores sob tensão e neutro, respectivamente, 2 e 3 de uma fonte de alimentação de rede pública em ac. Um enrolamento 4 secundário envolve o núcleo 1 e está acoplado a um primeiro conversor 5 analógico-digital para gerar um valor 01 de saida digital representativo do desequilíbrio de corrente detectado pelo transformador 1 toroidal.

Um meio detector de shunt compreende um shunt 6a resistivo proporcionado em série com o condutor 3 neutro da rede pública. Este pode ser um material resistivo, tal como manganina, tendo uma resistência nominal de 0,2 m£ para uma tolerância inferior a 5%. As extremidades respectivas do shunt 6a estão conectadas a um conversor 7 analógico-digital que produz um valor 02 de saida digitalizado -14- ΡΕ1397693 representativo da queda de tensão através do shunt 6a. A queda de tensão através do shunt 6a proporciona uma media da corrente que flui no condutor 3 neutro.

Um meio detector de resistência compreende um divisor de potencial tendo resistências 8a, 8b, 9 conectadas entre os condutores 2, 3, respectivamente, sob tensão e neutro da rede pública. A tensão entre estes condutores pode ser determinada pela medição da queda de tensão através da resistência 8a ao ligar as extremidades respectivas da resistência 8a ao segundo conversor 7 analógico-digital. 0 valor 02 de saida digitalizado contém a informação sobre a tensão através da resistência 8a.

Proporciona-se uma unidade 10 de alimentação para extrair potência dos condutores 2, 3 sob tensão e neutro da rede pública e para aplicar tensões controladas aos conversores 5, 7 analógico-digital por meio de barreiras 11, 12 de isolamento e processador 13. Pode proporcionar-se um multiplexador em cada conversor para fornecer ao processador, através da respectiva barreira de isolamento, sinais representativos da corrente no shunt associado e da tensão numa sua extremidade. O processador 13 utiliza estes sinais para monitorizar a corrente em cada shunt, bem como o desequilíbrio de corrente detectado pelo enrolamento 4 do transformador 1 toroidal.

No caso de um desequilíbrio de corrente exceder um limiar predeterminado, o processador gera um sinal 03 de disparo que activa um actuador 14 de solenoide para interromper ou desactivar os respectivos condutores 2, 3 por meio de um disjuntor indicado, esquematicamente, pelos interruptores 15 e 16 na Figura 1. -15- ΡΕ1397693 0 processador 13 também está dotado com um

Emissor-Receptor Assíncrono Universal (UART) 25 como meio de geração e transmissão de um sinal de saída na forma de comunicações 04 de dados em série. 0 processador 13 fornece sinais de saída com base nos sinais de corrente e tensão detectados. Isto pode incluir um sinal de consumo de potência com base na potência calculada a partir dos sinais de corrente e tensão detectados em conjunto com um tempo derivado de um sinal proveniente de um gerador 26 de relógio no interior do processador 13.

Cada um dos conversores analógico-digital compreende um conversor analógico-digital na forma de um modulador 17 delta-sigma que fornece um fluxo de dados digitais de um bit a alta frequência. Proporciona-se um sensor 18 de temperatura para que os sinais 01 e 02 de saída digitalizados sejam modificados para compensar flutuações de temperatura. A modificação pode ser efectuada por meio de uma técnica de calibração implicando a utilização de uma tabela de consulta (não mostrado). A compensação de temperatura pode assumir a forma de um polinómio adaptado a resultados de testes de calibração, sendo os coeficientes polinomiais armazenados na tabela de consulta.

Num segundo aspecto, também mostrado na Figura 1, o meio detector de shunt compreende uma outra resistência 6b shunt proporcionada em série com o condutor 2 sob tensão da rede pública. As respectivas extremidades do outro shunt 6b estão conectadas a um conversor 5 analógico-digital para que o valor 02 de saída digitalizado contenha um sinal digital representativo da queda de tensão através do outro shunt 6b. A queda de tensão através do outro shunt 6b -16- PE 1397693 fornece uma medida da corrente que flui no condutor 2 sob tensão. 0 processador 13 executa uma comparação das correntes detectadas nos condutores 2, 3 sob tensão e neutro para detectar uma corrente residual. Uma corrente residual não detectada pelo transformador 1 toroidal, por exemplo, uma corrente residual dc ou uma corrente residual de saturação, irá ser detectada pelo detector de shunt, a partir do qual o processador 13 gera o sinal 03 de disparo.

As resistências 8a, 8b e 9 que compreendem o meio detector de resistência fornecem um sinal de tensão adicional pela conexão das respectivas extremidades da resistência 8b ao primeiro conversor 5 analógico-digital. O valor 01 de saida digitalizado contém a informação sobre a tensão através da resistência 8b. As resistências 8a, 8b, através das quais se efectuam conexões para fornecer os sinais de tensão, são resistências de precisão com um valor óhmico relativamente baixo, ao passo que a resistência 9 intermédia tem um valor óhmico relativamente elevado. A relação das tensões medidas através das resistências 8a, 8b de precisão deve permanecer sempre constante. Ao monitorizar esta relação, proporciona-se um valor de referência independente, para que, se houver alteração da relação ao longo do tempo devido a uma oscilação no conversor 5 analógico-digital ou nas suas referências, se possa fazer um ajuste por software no interior do processador 13 para corrigir o valor da tensão medida. A Figura 2 mostra uma configuração trifásica na qual funções semelhantes às da Figura 1 têm o mesmo algarismo de referência. Neste caso, a fonte de alimentação ac tem dois condutores 21, 22 sob tensão adicionais para, respectivamente, a segunda e terceira fases de alimentação. -17- PE 1397693

Proporcionam-se dois conversores 14, 15 analógico-digital adicionais para as duas fases adicionais. Estes geram valores de saida representativos da corrente e tensão detectadas para, respectivamente, a segunda e terceira fases e fornecem-nos ao processador 13 por meio de barreiras 19 e 20 de isolamento. Na configuração da Figura 2, o meio detector de shunt compreende um shunt 6a resistivo no condutor 3 neutro da rede pública e shunts 6b, 6c, 6d resistivos em, respectivamente, cada um dos condutores 2, 21, 22 sob tensão da rede pública. Deve salientar-se que as conexões de detecção de tensão para os conversores 23 e 24 analógico-digital são efectuadas por meio de sequências de resistências conectadas entre cada linha de fase e o neutro num modo semelhante ao das resistências 8a, 8b e 9 da Figura 1.

Tanto na Figura 1 como na Figura 2, o processador 13 é programado para realizar os cálculos necessários para determinar a existência de um desequilíbrio. Também é programado para determinar a corrente e tensão relativamente a cada fase com um nível de precisão elevado para uma subsequente medição de potência. Estas medições podem ser analisadas de modo a detectar uma ou mais condições de funcionamento incluindo falhas por arco eléctrico, fuga de corrente permanente e medição de potência Activa. Esta informação é útil para fins de diagnóstico.

No que se refere à Figura 3, o procedimento de funcionamento de um dispositivo de monitorização inclui determinadas funções que são executadas por componentes de hardware e outras que são executadas por um programa informático no processador que compreende uma unidade -18- PE 1397693 microcontroladora (MCU). No passo 101, a fonte de alimentação é activada. Executam-se várias verificações pelo hardware para assegurar que a fonte de alimentação não é ligada na presença de uma grande corrente residual. Um monitor 102 de unidade de alimentação verifica se a fonte de alimentação está estável, se não, o dispositivo espera até que a fonte de alimentação estabilize antes de continuar para o passo 104 no qual se verifica se o relógio na MCU está estável. Depois de a estabilidade ter sido confirmada por estas verificações, a MCU é reiniciada no passo 107. Se as verificações nos passos 103 e 104 não confirmarem a estabilidade para que a MCU seja reiniciada num periodo de tempo predeterminado, então, no passo 105, um temporizador 106 de alarme fornece um sinal para activar um solenoide, no passo 108, que isola a fonte de alimentação.

Depois de a MCU ter sido reiniciada, o software na MCU executa, no passo 109, uma calibração dos conversores analógico-digital. A calibração utiliza critérios predeterminados para que os sinais analógicos de corrente e tensão medidos sejam convertidos em sinais digitais representativos das correntes/tensões com a precisão exigida.

As normas de funcionamento a que os dispositivos de protecção contra corrente residual têm que obedecer são, normalmente, definidas em termos de valores de corrente RMS. Por conseguinte, o processador calcula os valores RMS das tensões e correntes detectadas. Para avaliar, com precisão, um valor RMS, o cálculo tem que ser executado ao longo de um ciclo de sinal completo ou um múltiplo inteiro de ciclos de sinal. Isto pode ser efectuado utilizando uma -19- PE1397693 frequência de alimentação conhecida ou medindo a frequência de alimentação, por exemplo, executando uma análise de Fourier sobre uma amostra de valores medidos. Em alternativa, o cálculo RMS pode ser executado durante um intervalo de tempo especifico que contenha um múltiplo inteiro de ciclos para todas as frequências de funcionamento nominais. Independentemente do caso, no passo 110, a MCU deve inicializar os valores RMS e meios de temporização.

Pode calcular-se um novo valor RMS para cada ciclo de forma de onda de entrada ou depois de cada medição instantânea. O método anterior obtinha um valor RMS novo em cada ciclo e este último depois de cada amostra de medição. O último método é preferido dado que dá um tempo de resposta mais rápido a qualquer corrente residual ou sobreintensidade de corrente que apareça subitamente. Independentemente do caso, demora, pelo menos, 20 ms (frequência nominal = 50 Hz) para obter o primeiro valor RMS. Isto é uma parte significativa do tempo permitido para disparo no arranque na presença de uma corrente residual, portanto, pode ser vantajosa a existência de uma rotina especifica no arranque que tenha em atenção valores instantâneos em vez dos RMS.

Muitos sistemas de medição de rede pública executam amostragens a frequências que incluem a 31a harmónica. Permitindo um funcionamento até aos 60 Hz e uma tolerância de frequência de + 5% obtém-se uma frequência de amostragem mínima de 3906 Hz, portanto, utiliza-se, frequentemente, uma frequência de amostragem de 4 KHz, parecendo esta uma boa base para a concepção inicial. No entanto, para assegurar um número inteiro de amostras com -20- ΡΕ1397693 as duas frequências nominais de rede pública de 50 Hz e 60 Hz, prefere-se uma frequência de amostragem de 3, 9 KHz ou 4,2 KHz. A MCU, no passo 111, avalia as correntes e tensões a partir dos sinais detectados, no passo 112, calcula a corrente I residual e, no passo 113, calcula os valores RMS.

Nos passos 114 a 117, a MCU executa vários cálculos e comparações para determinar se existe uma condição insegura na forma de uma corrente residual ou outra condição predefinida. Na presença de uma condição insegura, gera-se um sinal de disparo de modo a activar o solenoide, no passo 108, para isolar a fonte de alimentação. Os cálculos e comparações executados irão depender do tipo de dispositivo de protecção contra corrente residual empregue. Por exemplo, as comparações mostradas nos passos 115 e 117 só seriam apropriadas para utilização com um disjuntor accionado por corrente residual tendo protecção contra sobreintensidade de corrente (RCBO).

Exemplos de parâmetros calculados pela MCU incluem os seguintes:

Valores de Medição Primários ils, Í2s/ Í3s e Ins Vl, v2, & v3

Corrente instantânea de linha e neutro a 4,2KHz,

Tensão de linha instantânea a 4,2KHz,

Τι, T2 T3 & T

Temperatura Instantânea a 4,2KHz -21- PE 1397693

Corrente Residual Instantânea a 4,2KHz (Toroidal)

Valores de Medição Secundários

Os valores de medição secundários calculados pela MCU são definidos do seguinte modo:

Corrente instantânea, iAs, em que esta é a soma das correntes em todos os quatro shunts (n indicando o shunt neutro) Í/js = ils + fcs + Í3s + ins

Corrente instantânea de linha e neutro ao quadrado,

2 2 2

Tensão de linha instantânea ao quadrado, v lr v 2 & v 3

Potência instantânea, pi, P2, P3 : pi = iis.vi, p2=Í2$.V2 and p3=Í3s.vi

Corrente residual RMS IAs (dos shunts):

em que j é o indice do ponto de amostra dentro de um ciclo completo. -22- ΡΕ1397693

Corrente residual RMS IAt (do Toroidal): / ύι

N ( N \ Σο-ω)2 W=' um ciclo em que j é o índice do ponto de amostra dentro de completo. shunts)

Corrente total de linha e neutro (dos lis, l2s/ l3s 6 Ins · / li * \ • ΣνΜ)2 \j=' e, de modo semelhante, para l2S, l3S e Ir

Tensão de linha RMS Vi, V2 e V3

Potência real RMS Pi, P2 e P3 p'={n

Potência total RMS Wi, W2 e W3 em que Wi=Iis. V] Ângulo de fase para cada linha φΐ, φ2 e φ3: φλ - acos -23- ΡΕ1397693

Na definição de todas as quantidades RMS secundárias, N é o número de palavras emitidas a 4,2 KHz num ciclo de tensão de linha. N=84 para uma frequência de linha de 50 Hz e N=70 para 60 Hz.

Lisboa, 20 de Agosto de 2010

Claims

PE1397693 - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo combinado toroidal/shunt para detectar uma corrente residual numa instalação eléctrica tendo uma fonte de alimentação AC e compreendendo um condutor (3) neutro e, pelo menos, um condutor (2, 21, 22) sob tensão, compreendendo o dispositivo: um meio (1, 4) toroidal para detectar um primeiro desequilíbrio de corrente entre os condutores neutro e sob tensão indicativo de uma corrente residual AC situada num primeiro intervalo; uma pluralidade de shunts (6a-6d) resistivos para ligação a condutores respectivos de cada um dos referidos condutores; e meios (5, 7, 13) de detecção de corrente sensíveis ao fluxo de corrente em cada um dos referidos shunts para detectar um segundo desequilíbrio de corrente entre os condutores neutro e sob tensão indicativo de uma corrente residual DC e/ou uma corrente residual AC situada/s num segundo intervalo.
2. Dispositivo combinado toroidal/shunt da reivindicação 1, em que o referido primeiro intervalo de corrente residual AC é uma corrente residual AC resultante de fuga à terra ou fuga cruzada entre os condutores até se atingir um nível de saturação no qual o meio toroidal ou um meio electrónico associado com o mesmo fique saturado e o segundo intervalo inclui correntes residuais AC acima do referido nível de saturação.
3. Dispositivo combinado toroidal/shunt da reivindicação 2, compreendendo ainda um meio (13) processador para gerar um sinal (03) de disparo proveniente de um referido primeiro e/ou segundo desequilíbrio de -2- ΡΕ1397693 corrente indicativo/s da presença de uma anomalia de corrente residual.
4. Dispositivo combinado toroidal/shunt da reivindicação 3, em que o referido meio processador tem a função de gerar o referido sinal de disparo com base numa comparação do sinal de desequilíbrio de corrente com um critério de limiar predeterminado.
5. Dispositivo combinado toroidal/shunt da reivindicação 3 ou reivindicação 4, compreendendo ainda um disjuntor (15, 16) com a função de interromper a referida alimentação AC em resposta ao referido sinal de disparo.
6. Dispositivo de monitorização para uma instalação eléctrica compreendendo o dispositivo combinado toroidal/shunt de qualquer das reivindicações 3 a 5, em que os referidos meios (5, 7, 13, 23, 24) de detecção de corrente são sensíveis à corrente que flui em cada um dos referidos condutores (2, 3, 21, 22) e o referido processador tem a função de gerar um sinal de corrente indicativo da corrente detectada em cada um dos referidos condutores.
7. Dispositivo de monitorização da reivindicação 6, compreendendo ainda meios (8a, 8b, 9) detectores de resistência para ligação entre os referidos condutores neutro (3) e sob tensão (2, 21, 22) para gerar um valor de saída indicativo da tensão entre os referidos condutores sob tensão e neutro ao medir a queda de tensão através do meio de resistência ou de uma sua parte potencialmente dividida. -3- PE1397693
8. Dispositivo de monitorização da reivindicação 7, em que o referido meio (13) processador tem a função de gerar um sinal de sarda derivado dos referidos sinais de corrente e tensão para facilitar a determinação do consumo de potência.
9. Dispositivo combinado toroidal/shunt da reivindicação 3 ou o dispositivo de monitorização da reivindicação 7 ou reivindicação 8, em que os meios (5, 7, 13, 23, 24) detectores de corrente compreendem um primeiro conversor (5) analógico-digital acoplado a um enrolamento (4) secundário do referido transformador (1) para gerar um sinal (01) digital representativo do desequilíbrio de corrente detectado pelo meio toroidal.
10. Dispositivo da reivindicação 9, em que os meios de detecção de corrente compreendem ainda um segundo conversor (7) analógico-digital acoplado ao detector de resistência shunt para gerar sinais digitais representativos da corrente que flui através do referido condutor neutro e de cada um dos referidos, pelo menos um, condutores sob tensão.
11. Dispositivo da reivindicação 10, em que o segundo conversor (7) analógico-digital está acoplado aos referidos meios (8a, 8b, 9) detectores de resistência para gerar sinais digitais representativos da tensão entre os referidos condutores neutro e sob tensão.
12. Dispositivo de qualquer das reivindicações 9 a 11, em que o primeiro (4) e/ou o segundo (7) conversor analógico-digital inclui/em um multiplexador para acoplar, selectivamente, dois ou mais dos referidos meios detectores -4- ΡΕ1397693 e gerar sinais digitais correspondentes representativos da tensão ou corrente detectada. Lisboa, 20 de Agosto de 2010 PE1397693 1/5 S Mains Mains live ío neutral to

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ΡΕ1397693 2/5

ΡΕ1397693 3/5

4/5 PE 1397693 ANEXO COM A DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Fig. 1 Mains live to load - Condutor sob tensão da rede pública para a carga Mains neutral to load - Condutor neutro da rede pública para a carga 10 - Unidade de alimentação 5,7 - Chip de medição analógica
17 - Modulador
18 - Sensor de temperatura Voltage reference - Referência de tensão Decimating filter - Filtro com redução da taxa de amostragem 11,12 - Isolamento 4 - Transformador toroidal
14 - Actuador de solenoide 13 - Chip de processador UART Memória Núcleo de processador Temporizador Gerador de relógio Monitor de potência Fig. 2 Mains live - Condutores sob tensão da rede pública Mains neutral - Condutor neutro da rede pública 10 - Unidade de alimentação 5,7, 23, 24 - Chip de medição analógica 11,12,19,20 - Isolamento 1 - Transformador toroidal 5/5 ΡΕ1397693 03 - Actuador de solenoide 13 - Chip de processador UART Memória Núcleo de processador Temporizador Gerador de relógio Fig.3
101 - Arranque
103 - Potência estável?
102 - Monitor de unidade de alimentação (PSU)
104 - Relógio estável?
107 - Reiniciar MCU
105 - Temporizador de alarme 106-0 temporizador foi reiniciado? Hardware Software
109 - Calibrar A/D
110 - Inicializar valores RMS & temporizador
111 - Medir correntes & tensões
112 - Calcular Π
113 - Calcular valores RMS Reiniciar temporizador de alarme
116 - Calcular I2t Apenas RCBO 108 - Activar solenoide - 1 - ΡΕ1397693 REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento da patente Europeia. Ainda que tenha sido tomado o devido cuidado ao compilar as referências, podem não estar excluídos erros ou omissões e o IEP declina quaisquer responsabilidades a esse respeito. Documentos de patentes citadas na Descrição .FR 2590030 . FR 2430680 . US 6018700 A . US 4278938 A