ПРЕРЫВАТЕЛЬ ДУГОВОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ЕДИНСТВЕННЫЙ ДАТЧИК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И ЕДИНСТВЕННЫЙ ADC Российский патент 2018 года по МПК G01R31/00 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся, в целом, к способам и системам для защиты от коротких замыканий на землю и дуговых коротких замыканий, и, в частности, к способу и системе для защиты от коротких замыканий на землю и дуговых коротких замыканий, которые используют общий датчик и единственный аналого-цифровой преобразователь (ADC), в то же время используя один и тот же интервал обнаружения, чтобы обнаруживать такие короткие замыкания на землю и дуговые короткие замыкания.

Уровень техники изобретения

[0002] Размыкатели цепи и прерыватели цепи при коротком замыкании на землю (GFCI), в целом, хорошо известны в области техники. GFCI предотвращают электрический удар или поражение электротоком от короткого замыкания на землю, которое является непреднамеренным путем тока между незаземленным токонесущим проводником и грунтовым заземлением, который может возникать, например, когда подключенный в розетку электрический прибор падает в мойку, бассейн, водоем, лужу или джакузи. GFCI прерывает питание к находящимся ниже по потоку схемам, когда он обнаруживает дисбаланс в токе нагрузки (т.е., выходной ток отличается от возвратного тока), который превышает допустимую величину тока утечки короткого замыкания на землю. Путь тока утечки на землю может включать в себя заземленный металлический корпус прибора или человека в некоторых случаях.

[0003] GFCI могут также защищать от коротких замыканий на заземленную нейтраль. В отличие от коротких замыканий на землю, короткое замыкание на заземленную нейтраль является путем с небольшим импедансом между проводом заземления и нейтральным проводом и возникает в ситуациях, когда нейтральный проводник касается проводника заземления, используемого для заземления оболочек и структур оборудования. Ток короткого замыкания на землю, переданный на проводник заземления, имеет путь возврата, который делится между проводником заземления и нейтральным проводником. Ток короткого замыкания на землю, возвращающийся через нейтральный проводник, компенсирует часть существующего сигнала короткого замыкания на землю, что уменьшает чувствительность схемы обнаружения короткого замыкания на землю и может приводить в результате к опасно высоким токам короткого замыкания на землю, появляющимся в пути утечки.

[0004] Доступная в настоящее время GFCI-технология часто использует схему обнаружения, имеющую трансформатор дифференциального тока и единственный ADC, чтобы отслеживать как короткие замыкания на землю, так и короткие замыкания на заземленную нейтраль. Короткие замыкания на землю зачастую обнаруживаются посредством сравнения тока в схеме обнаружения на вторичной стороне трансформатора с опорным значением во время первого временного интервала с помощью ADC. Короткие замыкания на заземленную нейтраль зачастую обнаруживаются посредством отслеживания импеданса закороченной первичной цепи, отраженного назад во вторичную цепь трансформатора. Одним способом наблюдения за короткими замыканиями на заземленную нейтраль является введение тока в схему обнаружения в течение второго временного интервала, чтобы создавать затухающий синусоидальный сигнал в схеме обнаружения. Амплитуда затухающего синусоидального сигнала измеряется в течение этого интервала посредством ADC, и измеренная амплитуда может затем быть использована, чтобы определять присутствие коротких замыканий на заземленную нейтраль.

[0005] В последнее время в новых конструкциях домов и зданий стали требоваться прерыватели цепей при дуговом коротком замыкании (AFCI). Дуговые короткие замыкания - это перемежающиеся короткие замыкания, которые могут быть вызваны, например, изношенной или поврежденной изоляцией, ослабленными соединениями, порванными проводниками и т.п. Вследствие своей прерывистости дуговые короткие замыкания не генерируют установившихся токов значительной величины, чтобы легко автоматически выключать традиционный термомагнитный прерыватель цепи. Входные устройства, такие как полосовые фильтры, датчики линейного тока и датчики напряжения, должны опрашиваться с регулярными временными периодами для того, чтобы реализовывать алгоритмы обнаружения дугового короткого замыкания.

[0006] Попытки объединить защиту от дугового короткого замыкания и защиту от короткого замыкания на землю в устройстве прерывателя цепи с двойственной функцией при коротком замыкании на землю и дуговом коротком замыкании столкнулись со смешанными результатами. Отметим, что термин "короткое замыкание на землю", когда используется в фразе "защита от короткого замыкания на землю" или "двойственная функция защиты от короткого замыкания на землю и дугового короткого замыкания", может ссылаться как на "короткое замыкание на землю", так и на "короткое замыкание на заземленную нейтраль". В целом, выборочный контроль (контроль посредством получения выборок) короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль происходят в течение отдельных фрагментов интервала обнаружения короткого замыкания, в то время как выборочный контроль дугового короткого замыкания происходит на протяжении всего интервала обнаружения короткого замыкания. Это может создавать конфликт, поскольку выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль используют некоторые из одних и тех же ресурсов.

[0007] В частности, обнаружение короткого замыкания на заземленную нейтраль требует, чтобы ADC часто дискретизировал амплитуду затухающего синусоидального сигнала в течение фрагмента интервала обнаружения короткого замыкания. Однако, поскольку ADC регулярно предназначается для выборочного контроля связанных с дуговым коротким замыканием входных данных и сигналов, конфликт ресурсов может возникать по отношению к ADC в течение этого фрагмента интервала обнаружения. В результате, до сих пор было непрактичным выполнять как обнаружение дугового короткого замыкания, так и обнаружение короткого замыкания на заземленную нейтраль одновременно с помощью единственного ADC вследствие вероятности взаимных помех. Добавление дополнительного ADC, с другой стороны, повышает общую сложность и стоимость устройства прерывателя цепи.

[0008] Соответственно, необходим эффективный и экономичный способ объединить обнаружение дугового короткого замыкания и обнаружение короткого замыкания на землю в одном устройстве прерывателя цепи. Более конкретно, необходим способ выполнять выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль в одном и том же интервале выборочного контроля с помощью единственного ADC без формирования взаимных помех.

Сущность изобретения

[0009] Раскрытые варианты осуществления предоставляют способ и систему в устройстве прерывателя цепи для выполнения обнаружения дугового короткого замыкания, обнаружения короткого замыкания на землю и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль в общем интервале обнаружения с помощью одного ADC, в то же время не допуская взаимных помех. В целом, раскрытые варианты осуществления диспетчеризируют использование ADC в течение общего интервала обнаружения так, что выборочный контроль, требуемый для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, выполняется в течение времени, когда не выполняется выборочный контроль дугового короткого замыкания. Выборочный контроль дугового короткого замыкания типично начинается в или рядом с началом полупериода линейного напряжения и происходит с периодичными и известными продолжительностями выборочного контроля, которые являются относительно короткими по сравнению со временем между периодами выборочного контроля дугового короткого замыкания. Выборочный контроль для коротких замыканий на заземленную нейтраль может, поэтому, быть диспетчеризирован, чтобы выполняться до и/или после конкретного одного из периодических и известных периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, чтобы избегать взаимных помех.

[0010] В целом, может быть использован любой способ, чтобы реализовывать диспетчеризацию выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль, включающий в себя таймер, происшествие некоторых предварительно определенных событий и т.п. В некоторых вариантах осуществления диспетчеризация выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль может быть реализована на основе события, такого как предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, выполняемых затухающим синусоидальным сигналом, вводимым в схему обнаружения короткого замыкания на землю. Используемое число пересечений нулевого уровня может быть любым подходящим числом для конкретной реализации, таким как от 1 до 50, например. В некоторых вариантах осуществления предварительно определенное число пересечений нулевого уровня может быть числом, таким как 13, которое предоставляет достаточно времени для того, чтобы размах напряжения затухающего синусоидального сигнала попадал во входной диапазон используемого конкретного ADC.

[0011] Чтобы гарантировать, что предварительно определенное число пересечений нулевого уровня происходит в или около одного из периодических и известных периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, затухающий синусоидальный сигнал может быть задержан на соответствующее время задержки. В некоторых вариантах осуществления соответствующее время задержки может быть определено на основе периодических и известных периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания. Эти периодические периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания происходят с известными интервалами, которые типично начинаются вскоре после пересечения нулевого уровня напряжения линии питания, каждый период выборки длится в течение известной продолжительности. Синхронизация периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания может затем быть использована, чтобы вычислять время задержки, которое гарантирует, что предварительно определенное число пересечений нулевого уровня происходит в или около одного из периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания.

[0012] В некоторых вариантах осуществления время, которое затрачивается для того, чтобы затухающий синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, может повторно измеряться время от времени для того, чтобы компенсировать какие-либо изменения, которые могут возникать в схеме обнаружения короткого замыкания на землю вследствие температуры и/или с течением времени.

[0013] В целом, в одном аспекте, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу выполнения выборочного контроля дугового короткого замыкания, выборочного контроля короткого замыкания на землю и выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль в устройстве прерывателя цепи. Способ содержит выполнение выборочного контроля дугового короткого замыкания в течение множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания происходят с регулярными интервалами, и каждый период выборочного контроля дугового короткого замыкания длится фиксированную продолжительность времени, которая короче времени между последовательными периодами выборочного контроля дугового короткого замыкания. Способ дополнительно содержит отслеживание возникновения предварительно определенного события в устройстве прерывателя цепи, предварительно определенное событие привязывается по времени, чтобы совпадать с одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, и выполнение выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль близко к возникновению предварительно определенного события, так что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно соседним периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания. Выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль могут тогда выполняться в течение общего интервала обнаружения.

[0014] В целом, в другом аспекте, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к системе для выполнения выборочного контроля дугового короткого замыкания, выборочного контроля короткого замыкания на землю и выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль в устройстве прерывателя цепи. Система содержит единственный контроллер системы, запрограммированный, чтобы выполнять выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль в течение общего интервала обнаружения, схему обнаружения короткого замыкания на землю, соединенную с контроллером системы и выполненную с возможностью предоставлять входной сигнал датчика короткого замыкания на землю и входной сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль контроллеру системы для выполнения выборочного контроля короткого замыкания на землю и выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль, и схему обнаружения дугового короткого замыкания, соединенную с контроллером системы и выполненную с возможностью предоставлять входной сигнал датчика дугового короткого замыкания контроллеру системы для выполнения выборочного контроля дугового короткого замыкания. Единственный контроллер системы выполнен с возможностью отслеживать возникновение предварительно определенного события в устройстве прерывателя цепи и выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль близко к возникновению предварительно определенного события, так что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно соседним периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания.

[0015] В целом, в еще одном аспекте, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к контроллеру в устройстве прерывателя цепи, выполненному с возможностью выполнять выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль. Контроллер содержит модуль аналого-цифрового преобразователя (ADC), имеющий один вход и один выход, ADC выполнен с возможностью принимать сигналы датчика дугового короткого замыкания, сигналы датчика короткого замыкания на землю и сигналы датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль, причем сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль включает в себя затухающий синусоидальный сигнал, модуль компаратора, выполненный с возможностью принимать сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль и обнаруживать пересечения нулевого уровня, выполняемые затухающим синусоидальным сигналом, модуль входного захвата, выполненный с возможностью принимать указание пересечения нулевого уровня, обнаруженного посредством модуля компаратора, и захватывать отметку времени для пересечения нулевого уровня, и модуль сравнения выходного сигнала, выполненный с возможностью инициировать затухающий синусоидальный сигнал, принимаемый посредством ADC и компаратора. Контроллер выполнен с возможностью управлять модулем сравнения выходного сигнала, чтобы инициировать затухающий синусоидальный сигнал, управлять ADC, чтобы принимать затухающий синусоидальный сигнал, управлять модулем компаратора, чтобы обнаруживать пересечения нулевого уровня, выполняемые затухающим синусоидальным сигналом, и управлять модулем входного захвата, чтобы получать отметку времени для пересечения нулевого уровня. Контроллер дополнительно выполнен с возможностью отслеживать предварительно определенное пересечение нулевого уровня и выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль при предварительно определенном пересечении нулевого уровня, причем предварительно определенное пересечение нулевого уровня совпадает по времени с одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, так что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно соседним периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания, при этом выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняются в течение совместно используемого интервала обнаружения.

[0016] Вышеупомянутые и другие аспекты раскрытых вариантов осуществления станут более очевидными из последующего подробного описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

[0017] Фиг.1 иллюстрирует примерную блок-схему для выполнения обнаружения дугового короткого замыкания, обнаружения короткого замыкания на землю и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе;

[0018] фиг.2 иллюстрирует примерную принципиальную схему для выполнения обнаружения короткого замыкания на землю и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе;

[0019] фиг.3 иллюстрирует примерную блок-схему последовательности операций для выполнения обнаружения дугового короткого замыкания, обнаружения короткого замыкания на землю и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе; и

[0020] фиг.4A и 4B иллюстрируют примерные временные диаграммы для выполнения обнаружения дугового короткого замыкания и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе.

Подробное описание раскрытых вариантов осуществления

[0021] Прежде всего, будет очевидно, что разработка фактического, реального коммерческого прибора, объединяющего аспекты раскрытых вариантов осуществления, потребует множества специфичных для реализации решений, чтобы добиваться конечной цели разработчика для коммерческого варианта осуществления. Такие специфичные для реализации решения могут включать в себя, и вероятно не ограничиваются этим, соответствие со связанными с системой, связанными с бизнесом, связанными с правительством и другими ограничениями, которые могут изменяться посредством конкретной реализации, местоположения и время от времени. В то время как усилия разработчика могут быть сложными и затратными по времени в абсолютном смысле, такие усилия, тем не менее, будут общепринятой практикой, предпринимаемой специалистами в области техники, извлекающими пользу от этого изобретения.

[0022] Должно также быть понятно, что варианты осуществления, раскрытые и преподаваемые в данном документе, восприимчивы к многочисленным и различным модификациям и альтернативным формам. Таким образом, использование термина в единственном числе не предназначается в качестве ограничения числа предметов. Аналогично, любые относительные термины, такие как, но не только, "верх", "дно", "лево", "право", "верхний", "нижний", "вниз", "вверх", "вбок" и т.п., используемые в написанном описании, предоставлены для ясности в конкретной ссылке на чертежи и не предназначены, чтобы ограничивать рамки изобретения.

[0023] Как указано выше, раскрытые варианты осуществления относятся к способу прерывателя цепи и системе для выполнения как обнаружения дугового короткого замыкания, так и обнаружения короткого замыкания на землю и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, в то же время не допуская взаимных помех или конфликтов ресурсов. В целом, раскрытые варианты осуществления способны выполнять обнаружения посредством диспетчеризации выборочного контроля, требуемого для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, чтобы он происходил в течение времени, когда не происходит выборочный контроль для обнаружения дугового короткого замыкания. Этот подход предоставляет возможность раскрытым вариантам осуществления обеспечивать как защиту UL 1699 Combination Art-fault, так и защиту UL 943 Ground Fault с помощью одного микроконтроллера и единственного ADC.

[0024] Обращаясь теперь к фиг.1, показана блок-схема системы 100 на основе микроконтроллера, которая может быть использована в качестве схемы прерывания в устройстве прерывателя цепи. В соответствии с раскрытыми вариантами осуществления система 100 может обнаруживать как короткие замыкания на землю, так и дуговые короткие замыкания в одном и том же интервале обнаружения без взаимных помех или конфликта ресурсов. Система 100 может избегать взаимных помех посредством диспетчеризации выборочного контроля для коротких замыканий на заземленную нейтраль, чтобы он происходила перед и/или после периода выборочного контроля дугового короткого замыкания. Такая система 100 может быть использована в любом подходящем устройстве прерывателя цепи с двойственной функцией, способном обеспечивать защиту от короткого замыкания на землю и дугового короткого замыкания, известную обычному специалисту в области техники.

[0025] В некоторых вариантах осуществления система 100 может планировать выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль около выборочного контроля дугового короткого замыкания, поскольку синхронизация периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания типично известна и, следовательно, прогнозируема. Например, в большинстве вариантов осуществления периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания назначаются по времени, чтобы происходить периодически с предварительно определенными временными интервалами, начиная с пересечения нулевого уровня линии питания. Выборочный контроль заземленной нейтрали может тогда выполняться непосредственно перед и/или непосредственно после одного из этих периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания. И поскольку продолжительность каждого периода выборочного контроля дугового короткого замыкания также известна и обычно гораздо короче, чем время между периодами выборочного контроля, существует достаточно времени, чтобы система 100 выполняла выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль между периодами выборочного контроля дугового короткого замыкания.

[0026] Как может быть видно в примерном варианте осуществления на фиг.1, система 100 может состоять из множества функциональных компонентов, представленных здесь посредством различных блоков. Например, система 100 может включать в себя трансформатор 102 тока короткого замыкания на землю, схему 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю, и испытательная схема 106 может управляться, чтобы предоставлять нагрузку или нагрузку вторичной цепи и ступенчатый сигнал. Эти компоненты вместе формируют схему 105 обнаружения короткого замыкания на землю, когда размещаются, как показано. Также присутствуют датчик 108 тока, один или более полосовых фильтров 110, интегратор 112 и датчик 114 линейного напряжения. Эти компоненты вместе формируют схему 115 обнаружения дугового короткого замыкания, когда размещаются, как показано.

[0027] Использование вышеупомянутых компонентов в обнаружении короткого замыкания на заземленную нейтраль и дугового короткого замыкания хорошо известно в области техники, и, следовательно, только высокоуровневое описание их специфических функций будет предоставлено ниже. Также должно быть отмечено, что обнаружение короткого замыкания на землю, как предполагается повсюду в этом описании, должно происходить в отдельном интервале обнаружения от обнаружения дугового короткого замыкания и обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, и, следовательно, отдельное описание такого обнаружения короткого замыкания на землю не предоставляется. Для информации, касающейся такого обнаружения короткого замыкания на землю, ссылка может быть сделана на патент США № 7193827, который содержится по ссылке.

[0028] Микроконтроллер 116 в системе 100 принимает входные сигналы от схемы 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю, полосовых фильтров 110, интегратора 112 и датчика 114 линейного напряжения. Микроконтроллер 116 преобразует эти входные сигналы из аналоговых в цифровые сигналы, так что они могут быть обработаны посредством микроконтроллера 116, чтобы обнаруживать короткие замыкания на землю и дуговые короткие замыкания в соответствии с раскрытыми вариантами осуществления. Такой микроконтроллер 116 может быть любым подходящим микроконтроллером, известным обычным специалистам в области техники, включающим в себя PIC24FJ32GA002 или аналогичный микроконтроллер от Microchip Technology, Inc., цифровой сигнальный процессор (DSP), ASIC-устройство и т.п.

[0029] В большинстве вариантов осуществления микроконтроллер 116 преимущественно использует только единственный внутренний ADC 118, чтобы принимать и преобразовывать входные сигналы от схемы 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю, полосовых фильтров 110, интегратора 112 и датчика 114 линейного напряжения. И конкретный ADC 118, используемый в данном документе, имеет тип, который приспособлен обрабатывать только один входной сигнал за раз. Оцифрованные сигналы из ADC 118 затем предоставляются модулю 120 обнаружения дугового короткого замыкания и короткого замыкания на землю в микроконтроллере 116 для дальнейшей обработки. Этот модуль 120 обнаружения дугового короткого замыкания и короткого замыкания на землю функционирует, чтобы активизировать схему 122 прерывания тока или автоматического выключения, если дуговое короткое замыкание, короткое замыкание на землю или короткое замыкание на заземленную нейтраль обнаруживается в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе.

[0030] Другие компоненты, которые могут присутствовать, включают в себя компаратор 124 в микроконтроллере 116, который принимает входной сигнал от схемы 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю и сравнивает его с программируемым опорным напряжением 126 (Vref) в целях обнаружения пересечения нулевого уровня. Также, микроконтроллер 116 может включать в себя, по меньшей мере, один счетчик или таймер 128 для отсчета времени в обратном порядке, когда необходимо, модуль 130 входного захвата для предоставления отметок времени, когда запускается посредством компаратора 124, один или более модулей 132 сравнения выходных сигналов для автоматизации испытания датчика короткого замыкания на землю и модуль 134 управления испытанием датчика заземленной нейтрали для управления синхронизацией ступенчатого сигнала, который может быть приложен к схеме 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю через испытательную схему 106. Наконец, датчик 136 пересечения нулевого уровня линейного напряжения предоставляет входной сигнал микроконтроллеру 116, чтобы обнаруживать пересечения нулевого уровня, выполняемые линией питания (явно не показана).

[0031] Фиг.2 изображает схему 105 обнаружения короткого замыкания на землю более подробно для одной примерной реализации раскрытых вариантов осуществления. Как может быть видно в этой реализации, схема 105 обнаружения короткого замыкания на землю состоит из нескольких дискретных схемных элементов, которые формируют трансформатор 102 тока короткого замыкания на землю, схему 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю и испытательную схему 106. Обычные специалисты в области техники поймут, что возможно добиваться эквивалентной или аналогичной функциональности с помощью одной или более интегральных схем вместо дискретных элементов схемы без отступления от рамок раскрытых вариантов осуществления.

[0032] В реализации, показанной здесь, трансформатор 102 тока короткого замыкания на землю может включать в себя обмотку L1 датчика короткого замыкания на землю, которая типично соединяется с линейным проводником и нейтральным проводником (явно не показан) линии питания.

[0033] Конденсатор C4, обмотка L1 датчика короткого замыкания на землю и резистор R5 формируют резонансную цепь, которая позволяет ступенчатому сигналу, подаваемому к схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю резонировать с некоторой величиной затухания. Конденсатор C2 предоставляет этот ступенчатый сигнал для схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю, когда управляется таким образом посредством микроконтроллера 116. Схема выбора режима, состоящая из транзистора Q1 и нагрузки или нагрузочного резистора R6, может быть предусмотрена для использования во время обнаружения короткого замыкания на землю. В некоторых вариантах осуществления транзистор Q1 может быть FET-транзистором, который может управляться посредством микроконтроллера 116, чтобы размещать нагрузочный резистор R6 между концами обмотки L1 датчика во время обнаружения короткого замыкания на землю. Эти компоненты вместе формируют испытательную схему 106, когда размещены, как показано.

[0034] Усилитель A1 может также присутствовать и может быть соединен с парой резисторов R7 и R8, которые, в свою очередь, соединяются с микроконтроллером 116. Схема резистивного делителя смещающего напряжения может быть сформирована посредством пары резисторов R3 и R4, соединенных, как показано, чтобы устанавливать напряжение цепи, равное 1/2 входного напряжения Vdd системы. Эти компоненты вместе формируют схему 104 согласования сигнала короткого замыкания на землю, когда размещены, как показано.

[0035] В обычной эксплуатации существуют два процесса обнаружения, которые должны происходить в реальном времени в течение одного и того же интервала обнаружения в системе 100 без взаимных помех: обнаружение дугового короткого замыкания и обнаружение короткого замыкания на заземленную нейтраль. Для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль микроконтроллер 116 типично измеряет размах напряжения затухающего синусоидального сигнала в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю в течение интервала обнаружения. Для обнаружения дугового короткого замыкания микроконтроллер 116 непрерывно и периодически дискретизирует выходные сигналы датчика дугового короткого замыкания в схеме 115 обнаружения дугового короткого замыкания в течение того же интервала обнаружения. Обнаружение короткого замыкания на землю происходит в течение отдельного фрагмента сигнала обнаружения от обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль и, следовательно, как предполагается, не представляет конфликта ресурсов или помеху.

[0036] Фиг.3 иллюстрирует работу системы 100 посредством примерной блок-схемы 300 последовательности операций в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе. Отметим, что хотя множество индивидуальных этапов показаны на фиг.3, обычные специалисты в области техники поймут, что один или более этих этапов могут быть разделены на несколько составляющих этапов без отступления от рамок раскрытых вариантов осуществления. Аналогично, два или более отдельных этапов могут быть объединены в один этап без отступления от рамок раскрытых вариантов осуществления. Дополнительно, хотя этапы показаны в конкретной последовательности, обычные специалисты в области техники поймут, что один или более этих этапов могут выполняться вне последовательности с одним или более другими этапами, или в то же самое время, что и один или более других этапов, без отступления от рамок раскрытых вариантов осуществления.

[0037] Как может быть видно на фиг.3, при запуске на этапе 302 микроконтроллер 116 синхронизирует свою последовательность обнаружения с циклом линии питания. В частности, контроллер 116 ожидает возникновения пересечения нулевого уровня напряжения линии питания, затем синхронизирует последовательность обнаружения с этим пересечением нулевого уровня. На этапе 304 микроконтроллер 116 выполняет обнаружение дугового короткого замыкания и обнаружение короткого замыкания на землю способом, известным обычным специалистам в области техники. На этапе 306 микроконтроллер 116 анализирует результаты последовательности обнаружения на этапе 304 и определяет, было ли обнаружено короткое замыкание на землю или дуговое короткое замыкание. Если определение на этапе 306 является положительным, тогда микроконтроллер 116 автоматически выключает или иначе прерывает ток на этапе 308.

[0038] Если определение на этапе 306 является положительным, микроконтроллер 116 выполняет определение на этапе 310 относительно того, истек ли таймер задержки обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль. Таймер задержки обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль гарантирует, что достаточное время было выделено микроконтроллеру 116, чтобы выполнять обнаружение дугового короткого замыкания и обнаружение короткого замыкания на землю способом, известным обычным специалистам в области техники. Если определение на этапе 310 является отрицательным, тогда микроконтроллер 116 продолжает процесс обнаружения дугового короткого замыкания и короткого замыкания на землю.

[0039] Если определение на этапе 310 является положительным, тогда микроконтроллер 116 начинает процесс обнаружения дугового короткого замыкания и короткого замыкания на заземленную нейтраль на этапе 312. В частности, микроконтроллер 116 периодически дискретизирует входные сигналы датчика дугового короткого замыкания, необходимые для обнаружения дугового короткого замыкания, в течение этого фрагмента интервала обнаружения, в то же время также дискретизируя входные сигналы датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль в течение фрагмента интервала обнаружения.

[0040] В качестве части выборочного контроля заземленной нейтрали микроконтроллер 116 выполняет определение на этапе 314 того, необходимо ли ему определять интервал времени, необходимый для возникновения предварительно определенного события. В некоторых вариантах осуществления предварительно определенное событие является затухающим синусоидальным сигналом в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю, выполняющим предварительно определенное число пересечений нулевого уровня. Время, необходимое для того, чтобы это предварительно определенное событие произошло, неизвестно, когда микроконтроллер 116 первый раз запускается, поскольку резонансная частота схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю, и, следовательно, время, которое затрачивается для того, чтобы затухающий синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, еще не были определены.

[0041] Если определение на этапе 314 является положительным, тогда на этапе 316 микроконтроллер 116 начинает фазу инициализации, выключая FET управления нагрузкой, затем прикладывая ступенчатый сигнал к схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю, чтобы формировать первоначальный затухающий синусоидальный сигнал в схеме 105 обнаружения. Микроконтроллер 116 затем обнаруживает пересечения нулевого уровня, выполненные затухающим синусоидальным сигналом, на этапе 316 и отслеживает или наблюдает конечное пересечение нулевого уровня в предварительно определенном числе пересечений нулевого уровня. На этапе 320 микроконтроллер определяет (и сохраняет) время, которое он затратил для того, чтобы затухающий синусоидальный сигнал достиг этого назначенного пересечения нулевого уровня. Используемое предварительно определенное число пересечений нулевого уровня может быть любым числом, которое подходит для конкретной прикладной задачи, например, от 1 до 50 пересечений нулевого уровня.

[0042] В предпочтительных вариантах осуществления предварительно определенное число пересечений нулевого уровня может быть числом пересечений нулевого уровня, которое позволяет размаху напряжения затухающего синусоидального сигнала попадать в диапазон входного напряжения ADC (например, от 0В до 3В). Это предварительно определенное число пересечений нулевого уровня может быть 13 в некоторых вариантах осуществления, хотя скорость затухания синусоидального сигнала типично изменяется в зависимости от используемых компонентов схемы, рабочей температуры и т.п., таким образом, число пересечений нулевого уровня может быть различным в других вариантах осуществления. Использование множества пересечений нулевого уровня дополнительно предоставляет возможность усреднения частоты пересечения нулевого уровня, хотя также может быть полезным использовать настолько мало пересечений нулевого уровня, насколько возможно, чтобы минимизировать время, используемое для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, поскольку это является временем, забираемым у обнаружения короткого замыкания на землю.

[0043] После того как время, необходимое для того, чтобы затухающий синусоидальный сигнал достиг назначенного пересечения нулевого уровня, было определено, на этапе 322, микроконтроллер 116 может вычислять (и сохранять) время задержки, необходимое для задержки инициирования последующих ступенчатых сигналов. Это время задержки помогает обеспечивать то, что затухающие синусоидальные сигналы, получающиеся в результате последующих ступенчатых сигналов, выполняют назначенное пересечение нулевого уровня в или рядом с периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания (синхронизация для которого известна).

[0044] После этого, на этапе 324, микроконтроллер определяет, было ли обнаружено дуговое короткое замыкание. Если это определение является положительным, тогда микроконтроллер 116 автоматически выключает или иначе прерывает цепь на этапе 308. Если определение является отрицательным, тогда микроконтроллер 116 возвращается к этапу 304 и продолжает выполнять обнаружение короткого замыкания на землю и дугового короткого замыкания.

[0045] Если определение на этапе 314 является отрицательным, означая, что время, необходимое для того, чтобы затухающий синусоидальный сигнал в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, уже было определено, тогда микроконтроллер 116 приступает к обычной операции выборочного контроля на этапе 326. В частности, микроконтроллер 116 ожидает в течение интервала времени, равного времени задержки, вычисленному на этапе 322, затем инициирует второй (последующий) синусоидальный сигнал. Как объяснено ранее, это время задержки гарантирует, что второй (последующий) синусоидальный сигнал выполнит назначенное пересечение нулевого уровня очень близко или одновременно с одним из периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания. На этапе 328 микроконтроллер 116 обнаруживает пересечения нулевого уровня, выполненные синусоидальным сигналом, и наблюдает за назначенным пересечением нулевого уровня. Микроконтроллер 116 может затем выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль на этапе 330 либо перед и/или после того, как назначенное пересечение нулевого уровня происходит.

[0046] Возьмем пример, в варианте осуществления, когда предварительно определенное число пересечений нулевого уровня равно 13, микроконтроллер 116 может выполнять измерение полного размаха для выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль между 12-м и 13-м пересечением нулевого уровня и/или между 13-м и 14-м пересечением нулевого уровня. Таким образом, микроконтроллер 116 фактически уверен, что ADC 118 уже не будет занят получением выборочных данных контроля дугового короткого замыкания в то же время.

[0047] В некоторых вариантах осуществления, в качестве необязательных этапов после выполнения выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль на этапе 330, микроконтроллер 116 может опять определять время, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал достиг назначенного пересечения нулевого уровня на этапе 332, и может вычислять (и сохранять) соответствующее время задержки для задержки инициирования следующего ступенчатого сигнала на этапе 334. Это помогает гарантировать, что затухающий синусоидальный сигнал, получающийся в результате следующего ступенчатого сигнала, выполняет назначенное пересечение нулевого уровня в или близко к периоду выборочного контроля дугового короткого замыкания. Эти необязательные этапы предоставляют возможность микроконтроллеру 116 непрерывно обновлять время, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал достиг назначенного пересечения нулевого уровня, и время задержки ступенчатого сигнала, не сразу при запуске, когда время назначенного пересечения нулевого уровня неизвестно, или после некоторого периодического интервала сброса.

[0048] Наконец, на этапе 336, микроконтроллер определяет, было ли обнаружено дуговое короткое замыкание или короткое замыкание на заземленную нейтраль. Если это определение является положительным, тогда микроконтроллер 116 автоматически выключает или иначе прерывает цепь на этапе 308. Если определение является отрицательным, тогда микроконтроллер 116 возвращается к этапу 304 и продолжает выполнять обнаружение короткого замыкания на землю и дугового короткого замыкания.

[0049] В некоторых вариантах осуществления резонансная частота схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю может изменяться, и, следовательно, время, необходимое для того, чтобы затухающий синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нуля, может изменяться, с изменениями в окружающей температуре и/или с прохождением времени. Любые такие изменения могут быть компенсированы посредством регулярного повторения последовательности инициализации выборочного контроля на фиг. 3, например, после предварительно определенной продолжительности обычной работы (например, каждые 200 мс, 300 мс, 400 мс и т.д.), после того как предварительно определенное число синусоидальных сигналов было инициировано (например, 300, 400, 500 и т.д.) или т.п. Это предоставляет возможность микроконтроллеру 116 компенсировать любые частотные сдвиги, которые могут произойти в результате изменений окружающей температуры и/или с прохождением времени.

[0050] Теперь следует описание работы конкретной системы 100, реализованной с помощью PIC24FJ32GA002 или аналогичного микроконтроллера от Microchip Technology Inc. После запуска микроконтроллер инициализирует свои порты ввода/вывода (I/O), ожидает пересечения нулевого уровня напряжения линии питания, затем начинает периодическую дискретизацию входных сигналов всех датчиков короткого замыкания, включающих в себя входные сигналы датчика короткого замыкания на землю, короткого замыкания на заземленную нейтраль и дугового короткого замыкания, с помощью своего ADC. В некоторых вариантах осуществления микроконтроллер получает 32 выборки для каждого полуцикла линии питания, приводя в результате к периодам времени, когда ADC занят и недоступен. Этот процесс обычно не прерывается, и период выборочного контроля обычно не изменяется во время нормальной операции выборочного контроля. Таймер испытания может также быть запущен в это время, 300 мс, например, чтобы выделять достаточно времени для микроконтроллера, чтобы выполнять выборочный контроль короткого замыкания на землю (и выборочный контроль дугового короткого замыкания).

[0051] После первоначального истечения таймера испытания микроконтроллер программирует опорное напряжение (например, Vref_internal или Vref компаратора), чтобы соответствовать напряжению смещения синусоидального сигнала схемы обнаружения короткого замыкания на землю относительно земли в подготовке для переключения с обнаружения короткого замыкания на землю на обнаружение короткого замыкания на нейтраль, затем ожидает следующего пересечения нулевого уровня напряжения линии питания. После того как это происходит, периферийное устройство TMR1 таймера в микроконтроллере, отдельное от таймера испытания, может быть включено, и несколько модулей сравнения выходного сигнала, например, OC1 и OC2, могут быть затем запрограммированы, чтобы изменять состояния I/O-выводов управления испытанием микроконтроллера, когда периферийное устройство TMR1 таймера достигает некоторых предварительно определенных чисел. Отметим, что для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, нагрузочный транзистор Q1 выключается посредством OC1 и затем обратно включается. После того как Q1 обратно включается, OC1 выключается. Но прежде чем OC1 выключается, I/O-вывод программируется, чтобы поддерживать транзистор Q1 включенным в течение интервала обнаружения короткого замыкания на землю.

[0052] При типичной работе, когда периферийное устройство TMR1 таймера достигает некоторого предварительно определенного подсчета, модуль OC1 сравнения выходного сигнала может управлять I/O-выводом, чтобы выключать транзистор Q1, вынуждая нагрузочный резистор R6 устраняться из схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю в целях начала обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль. Когда периферийное устройство TMR1 таймера достигает другого предварительно определенного подсчета, модуль OC1 сравнения выходного сигнала включает транзистор Q1, таким образом, применяя нагрузочный резистор R6 к схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю для обнаружения короткого замыкания на землю.

[0053] Модуль OC2 сравнения выходного сигнала в микроконтроллере может управлять I/O-выводом, который соединяется с конденсатором C2, который, в свою очередь, соединяется со схемой 105 обнаружения короткого замыкания на землю. Когда периферийное устройство TMR1 таймера достигает предварительно определенного подсчета, модуль OC2 сравнения выходного сигнала переключает из одного состояния в другое I/O-вывод, чтобы вынуждать этот конденсатор C2 сбрасывать заряд в схему 105 обнаружения короткого замыкания на землю. Этот сброс заряда инициирует ступенчатый сигнал, который колеблется и затухает в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю с некоторой частотой, создавая затухающий синусоидальный сигнал, амплитуда напряжения которого может затем быть измерена для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль. Когда другой сброс заряда необходим, микроконтроллер переключает состояния логического уровня, с высокого на низкий или с низкого на высокий, чтобы сбрасывать другой заряд в схему. Этот переход логического состояния создает первоначальный положительный или отрицательный импульс в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю (т.е., переход с низкого на высокий уровень создает положительный импульс и наоборот).

[0054] В то же самое (или почти в то же самое) время инициируется ступенчатый сигнал, компаратор C1 в микроконтроллере включается и используется, чтобы обнаруживать пересечения нулевого уровня затухающим синусоидальным сигналом в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю. Модуль IC1 входного захвата в микроконтроллере выполнен с возможностью захватывать отметки времени пересечений нулевого уровня, когда запускается посредством компаратора C1. В некоторых вариантах осуществления модуль IC1 входного захвата может быть выполнен с возможностью захватывать отметки времени каждого второго пересечения нулевого уровня, начиная с первого, пока назначенное число пересечений нулевого уровня не произойдет. Например, в варианте осуществления, когда назначенное число пересечений нулевого уровня равно 13, семь отметок времени могут быть захвачены для всех 13 пересечений нулевого уровня. Микроконтроллер может затем выключать модуль IC1 входного захвата после 13-го пересечения нулевого уровня (или после седьмой отметки времени).

[0055] Теперь, это время, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, определяется, микроконтроллер может использовать это время, чтобы вычислять время задержки, необходимое для управления началом последующих синусоидальных сигналов, чтобы гарантировать, что назначенное пересечение нулевого уровня произойдет в или около одного из периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания (который известен). Микроконтроллер может затем планировать, чтобы выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль происходил непосредственно перед и/или непосредственно после назначенного пересечения нулевого уровня.

[0056] После того как обнаружение короткого замыкания на заземленную нейтраль выполнено, на основе предварительно определенного подсчета по таймеру TMR1, модуль OC1 сравнения инструктирует I/O-выводу обратно включать транзистор Q1, таким образом, повторно применяя нагрузочный резистор R6 между концами схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю для обнаружения короткого замыкания на землю.

[0057] Фиг.4A и 4B иллюстрируют примерные временные диаграммы для системы 100. Временная диаграмма на фиг.4A, в целом, показывает последовательность инициализации выборочного контроля системы 100, в которой время, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, определяется, в то время как временная диаграмма на фиг.4B, в целом, показывает обычную операцию выборочного контроля системы 100. В этих временных диаграммах t_off начинает период, когда транзистор Q1 выключается, и нагрузочный резистор R6 убирается из схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю, в то время как t_on начинает период, когда транзистор Q1 включается, и нагрузочный резистор R6 применяется к схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю (т.е., во время обнаружения короткого замыкания на землю). Кроме того, t_step является временем задержки, используемым, чтобы планировать введение ступенчатого сигнала, которое ведет к затухающему синусоидальному сигналу и может быть задано первоначально в любое подходящее предварительно определенное значение перед вычислением. Также, t_zx представляет моменты времени, когда затухающий синусоидальный сигнал выполняет пересечение нулевого уровня, а t_k представляет моменты времени, когда начинается период выборочного контроля дугового короткого замыкания. Наконец, t_busy представляет продолжительность периода выборочного контроля дугового короткого замыкания, в течение которого ADC занят и, следовательно, недоступен, чтобы дискретизировать входные сигналы короткого замыкания на заземленную нейтраль. Переменная m представляет конкретную итерацию интервала обнаружения, а переменная n представляет конкретное пересечение нулевого уровня затухающим синусоидальным сигналом в интервале обнаружения.

[0058] Для легкости ссылки временные диаграммы на фиг.4A и 4B будут описаны со ссылкой на систему 100 на основе PIC24FJ32GA002. Как может быть видно на фиг.4A, в течение фазы инициализации (т.е., m=0), когда таймер TMR1 достигает предварительно определенного подсчета, как представлено посредством t_off, микроконтроллер инструктирует транзистору Q1 устранять нагрузочный резистор R6 из схемы 105 обнаружения короткого замыкания на землю. Когда таймер TMR1 достигает другого предварительно определенного подсчета, отражающего значение t_step, микроконтроллер инструктирует конденсатору C2 сбрасывать заряд в схему 105 обнаружения короткого замыкания на землю. Этот сброс заряда формирует затухающий синусоидальный сигнал в схеме 105 обнаружения короткого замыкания на землю, который может быть дискретизирован для обнаружения короткого замыкания на заземленную нейтраль, как указано линией, обозначенной "GF-датчик".

[0059] В то же самое (или почти в то же самое) время формируется синусоидальный сигнал, компаратор C1 в микроконтроллере включается и используется, чтобы обнаруживать предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, выполненных затухающим синусоидальным сигналом, как указано линией, обозначенной "Компаратор". Каждый раз, когда обнаруживается пересечение нулевого уровня (или каждый второй раз, в зависимости от реализации), модуль IC1 входного захвата захватывает отметку времени пересечения нулевого уровня, как указано линией, обозначенной "Входной захват". Отметим, что конечное пересечение нулевого уровня в предварительно определенном числе пересечений нулевого уровня не происходит в или около периода выборочного контроля дугового короткого замыкания во время фазы инициализации, как указано линией, обозначенной "Периодическое использование ADC". Однако, задавая время t_step задержки ступенчатого сигнала соответствующим образом, назначенное пересечение нулевого уровня может гарантированно происходить около или совпадать с периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания во время обычной работы. В некоторых вариантах осуществления время t_step задержки ступенчатого сигнала может быть вычислено согласно уравнению 1 ниже, где (t_zx[m-1][n]-t_step[m-1]) является временем, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня:

[0060] t_step[m]=t_k+1/2t_busy-(t_zx[m-1][n]-t_step[m-1]), для m>0 (Уравнение 1)

[0061] С вычисленным временем задержки ступенчатого сигнала обычная операция выборочного контроля может теперь начинаться, как изображено на фиг.4B. Эта временная диаграмма аналогична диаграмме на фиг.4A за исключением того, что время, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, теперь было определено, и время t_step задержки ступенчатого сигнала было задано соответственно. Синусоидальный сигнал, таким образом, выполняет назначенное пересечение нулевого уровня около или одновременно с периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания, и микроконтроллер свободен выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль непосредственно перед и/или сразу после этого периода выборочного контроля дугового короткого замыкания, поскольку ADC фактически гарантированно должен быть доступен. Эта полезная синхронизация может быть осуществлена, как упомянуто ранее, поскольку периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания происходят регулярно и периодически, начиная с пересечения нулевого уровня линии питания, как указано линией, обозначенной "zx линейного напряжения".

[0062] Отметим в этом варианте осуществления, что ступенчатый сигнал на фиг.4B имеет противоположную полярность от ступенчатого сигнала на фиг.4A вследствие переключения логического состояния I/O-вывода, управляющего конденсатором C2, чтобы формировать ступенчатый сигнал, что приводит в результате к ступенчатому сигналу, имеющему противоположную полярность от предыдущего ступенчатого сигнала. Конечно, возможно приспосабливаться, чтобы ступенчатые сигналы имели одинаковую полярность на обоих чертежах без отступления от рамок раскрытых вариантов осуществления.

[0063] В то время как раскрытые варианты осуществления были описаны со ссылкой на одну или более конкретных реализаций, специалисты в области техники признают, что многие изменения могут быть сделаны в них без отступления от духа и рамок описания.

[0064] Например, в то время как выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль был описан выше относительно времени, которое затрачивается для того, чтобы синусоидальный сигнал выполнил предварительно определенное число пересечений нулевого уровня, обычные специалисты в области техники понимают, что могут быть использованы альтернативные способы синхронизации. В частности, вместо использования пересечений нулевого уровня для времени начала выборочного контроля дугового короткого замыкания и выборочного контроля короткого замыкания на землю, выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на землю могут быть основаны на таймере, запрограммированном так, чтобы отсчитывать в обратном порядке предварительно определенный интервал времени. Выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль может затем быть диспетчеризирован, чтобы происходить около выборочного контроля дугового короткого замыкания с помощью того же таймера. Таймер может быть внутренним по отношению к микроконтроллеру, таким как периферийный таймер TMR1 (см. фиг.3), или другим периферийным таймером в микроконтроллере, или таймер может быть внешним таймером, работающим вместе с микроконтроллером.

[0065] В качестве другого примера, вместо внутреннего ADC, с микроконтроллером может быть использован внешний ADC.

[0066] Кроме того, вместо использования ADC, чтобы дискретизировать синусоидальный сигнал в реальном времени, может быть реализована схема обнаружения пика, посредством чего, синусоидальный сигнал заряжает небольшой конденсатор через диод и резистор. Два экземпляра этой схемы могут быть использованы, одна для положительного интересующего пика, а другая для отрицательного интересующего пика. Переключающий элемент, такой как транзистор, может быть использован, чтобы включать эту схему в течение интересующего цикла, позволяя конденсаторам заряжаться. Напряжения могут позже быть преобразованы, когда ADC доступен, позволяя определять размах напряжения.

[0067] Дополнительно, вместо использования модулей сравнения выходных сигналов, таймер может быть запрограммирован, чтобы истекать для каждого события, такого как включение/выключение нагрузочного транзистора и инициирование ступенчатого сигнала. В соответствующем запросе прерывания, управления соответствующим I/O-выводом могут затем быть выполнены, чтобы осуществлять события. И вместо использования модуля входного захвата компаратор может быть выполнен с возможностью вызывать запрос прерывания при обнаружении пересечения нулевого уровня сигнала. Микроконтроллер сам может затем извлекать соответствующую отметку времени для пересечения нулевого уровня.

[0068] Соответственно, каждый из этих вариантов осуществления и очевидные их разновидности рассматриваются как попадающие в дух и рамки заявленного изобретения, которые изложены в последующей формуле изобретения.

Изобретение относится к технике защиты от замыканий на землю и от дуговых коротких замыканий. Согласно способу выполняют выборочный контроль дугового короткого замыкания в течение множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, причем периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания происходят с регулярными интервалами и каждый период выборочного контроля дугового короткого замыкания длится фиксированную продолжительность времени, которая короче времени между последовательными периодами выборочного контроля дугового короткого замыкания. Осуществляют мониторинг возникновения предварительно определенного события в устройстве прерывателя цепи, причем возникновение предварительно определенного события назначается по времени, чтобы совпадать с одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания. Выполняют выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль близко к возникновению предварительно определенного события так, что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно смежным периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания. При этом выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняются в течение общего интервала обнаружения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ выполнения выборочного контроля дугового короткого замыкания, выборочного контроля короткого замыкания на землю и выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль в устройстве прерывателя цепи, содержащий этапы, на которых:

выполняют выборочный контроль дугового короткого замыкания в течение множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, причем периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания происходят с регулярными интервалами и каждый период выборочного контроля дугового короткого замыкания длится фиксированную продолжительность времени, которая короче времени между последовательными периодами выборочного контроля дугового короткого замыкания;

осуществляют мониторинг возникновения предварительно определенного события в устройстве прерывателя цепи, причем возникновение предварительно определенного события назначается по времени, чтобы совпадать с одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания; и

выполняют выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль близко к возникновению предварительно определенного события так, что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно смежным периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания;

при этом выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняются в течение общего интервала обнаружения.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором вычисляют время задержки для предварительно определенного события, причем время задержки гарантирует, что возникновение предварительно определенного события совпадает по времени с одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания.

3. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором формируют синусоидальный сигнал в устройстве прерывателя цепи, при этом предварительно определенное событие является конечным пересечением нулевого уровня в предварительно определенном числе пересечений нулевого уровня, выполненных синусоидальным сигналом.

4. Способ по п.3, при этом предварительно определенное число пересечений нулевого уровня является любым числом между 1 и 50.

5. Способ по п.1, при этом выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно предшествующим периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания и между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно следующим периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания.

6. Способ по п.1, при этом выборочный контроль короткого замыкания на землю выполняется во фрагменте общего интервала обнаружения, отличном от выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль.

7. Способ по п.1, при этом выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на землю основываются на пересечении нулевого уровня напряжения линии питания.

8. Способ по п.1, при этом выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на землю основываются на таймере, запрограммированном для предварительно определенного времени, и предварительно определенное событие назначается по времени, чтобы происходить на основе упомянутого таймера.

9. Система для выполнения выборочного контроля дугового короткого замыкания, выборочного контроля короткого замыкания на землю и выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль в устройстве прерывателя цепи, содержащая:

единственный контроллер системы, запрограммированный с возможностью выполнять выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль во время общего интервала обнаружения;

схему обнаружения короткого замыкания на землю, соединенную с контроллером системы и выполненную с возможностью предоставлять входной сигнал датчика короткого замыкания на землю и входной сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль контроллеру системы для выполнения выборочного контроля короткого замыкания на землю и выборочного контроля короткого замыкания на заземленную нейтраль; и

схему обнаружения дугового короткого замыкания, соединенную с контроллером системы и выполненную с возможностью предоставлять входной сигнал датчика дугового короткого замыкания контроллеру системы для выполнения выборочного контроля дугового короткого замыкания;

при этом единственный контроллер системы выполнен с возможностью осуществлять мониторинг возникновения предварительно определенного события в устройстве прерывателя цепи и выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль близко к возникновению предварительно определенного события так, что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно соседним периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания.

10. Система по п.9, при этом входной сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль включает в себя синусоидальный сигнал, а предварительно определенное событие является конечным пересечением нулевого уровня в предварительно определенном числе пересечений нулевого уровня, выполненным синусоидальным сигналом.

11. Система по п.10, при этом предварительно определенное число пересечений нулевого уровня является числом, которое позволяет размаху напряжения синусоидального сигнала снижаться, чтобы попадать в предварительно определенный диапазон напряжения.

12. Система по п.9, при этом единственный контроллер системы дополнительно выполнен с возможностью вычислять время задержки для предварительно определенного события, причем время задержки гарантирует, что возникновение предварительно определенного события совпадает по времени с упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания.

13. Система по п.9, при этом единственный контроллер системы дополнительно выполнен с возможностью выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно предшествующим периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно последующим периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания.

14. Система по п.9, при этом единственный контроллер системы выполняет периоды выборочного контроля дугового короткого замыкания с предварительно определенным интервалом времени относительно друг друга и каждый период выборочного контроля дугового короткого замыкания выполняется в течение фиксированной продолжительности, которая короче предварительно определенного интервала времени.

15. Система по п.9, причем устройство прерывателя цепи соединено с напряжением линии питания и единственный контроллер системы дополнительно выполнен с возможностью инициировать выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на землю при пересечении нулевого уровня напряжения линии питания.

16. Контроллер в устройстве прерывателя цепи, выполненный с возможностью выполнять выборочный контроль дугового короткого замыкания и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль, содержащий:

модуль аналого-цифрового преобразователя (ADC), имеющий единственный вход и единственный выход, причем ADC выполнен с возможностью принимать сигналы датчика дугового короткого замыкания, сигналы датчика короткого замыкания на землю и сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль, причем сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль включает в себя затухающий синусоидальный сигнал;

модуль компаратора, выполненный с возможностью принимать сигнал датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль и обнаруживать пересечения нулевого уровня, выполненные затухающим синусоидальным сигналом;

модуль входного захвата, выполненный с возможностью принимать указание пересечения нулевого уровня, обнаруженного посредством модуля компаратора, и захватывать отметку времени для пересечения нулевого уровня; и

модуль сравнения выходного сигнала, выполненный с возможностью инициировать затухающий синусоидальный сигнал, принимаемый посредством ADC и компаратора;

причем контроллер выполнен с возможностью:

управлять модулем сравнения выходного сигнала, чтобы инициировать затухающий синусоидальный сигнал;

управлять ADC, чтобы принимать затухающий синусоидальный сигнал;

управлять модулем компаратора, чтобы обнаруживать пересечения нулевого уровня, выполненные затухающим синусоидальным сигналом; и

управлять модулем входного захвата, чтобы получать отметку времени для пересечения нулевого уровня;

причем контроллер дополнительно выполнен с возможностью осуществлять мониторинг предварительно определенного пересечения нулевого уровня и выполнять выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль при предварительно определенном пересечении нулевого уровня, причем возникновение предварительно определенного пересечения нулевого уровня совпадает по времени с одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания, так что выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняется между упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания и непосредственно соседним периодом выборочного контроля дугового короткого замыкания;

при этом выборочный контроль дугового короткого замыкания, выборочный контроль короткого замыкания на землю и выборочный контроль короткого замыкания на заземленную нейтраль выполняются во время совместно используемого интервала обнаружения.

17. Контроллер по п.16, дополнительно содержащий модуль обнаружения дугового короткого замыкания и короткого замыкания на землю, управляемый контроллером, чтобы обнаруживать дуговые короткие замыкания и короткие замыкания на заземленную нейтраль на основе сигналов датчика дугового короткого замыкания и сигнала датчика короткого замыкания на заземленную нейтраль.

18. Контроллер по п.16, дополнительно содержащий модуль управления испытанием датчика заземленной нейтрали, управляемый контроллером, чтобы вычислять время задержки для предварительно определенного пересечения нулевого уровня, причем время задержки гарантирует, что возникновение предварительно определенного пересечения нулевого уровня, по существу, совпадает по времени с упомянутым одним из множества периодов выборочного контроля дугового короткого замыкания.

19. Контроллер по п.18, дополнительно содержащий таймер, управляемый контроллером, чтобы отсчитывать в обратном порядке время задержки, и модулем компаратора, чтобы обнаруживать пересечения нулевого уровня, выполненные затухающим синусоидальным сигналом.

20. Контроллер по п.16, дополнительно содержащий опорное напряжение, запрограммированное посредством контроллера, причем опорное напряжение позволяет модулю компаратора определять, когда затухающий синусоидальный сигнал выполнил пересечение нулевого уровня.