(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気システム（２）のための過負荷監視装置であって、
電流及び／又は電圧のための測定装置（６）を有する、
過負荷監視装置において、
時点及び／又は時間間隔を時間データとして検出する時間測定装置（７）と、
前記測定装置（６）及び前記時間測定装置（７）に接続された評価装置（８）と、
が設けられており、
前記評価装置（８）は、前記時間測定装置（７）の前記時間データを使用して前記電気システム（２）の時間的な変化を組み込むことにより、前記測定装置（６）の測定値から特性パラメータを計算して生成し、前記特性パラメータに基づいて前記電気システム（２）の過負荷状況を検出するように構成されている、
ことを特徴とする過負荷監視装置。
【請求項２】
前記特性パラメータは、電流、電圧、電力、エネルギ、並びに、これらのパラメータの立ち上がり速度、微分値、積分値、及び、平均値、の群からの少なくとも一つの値を含む、
請求項１に記載の過負荷監視装置。
【請求項３】
複数の前記特性パラメータが、確実な動作領域と過負荷領域との間の境界を画定する一つの遮断特性曲線を形成し、
前記一つの遮断特性曲線は、監視されるそれぞれ異なる測定値及び／又は特性パラメータを備える複数の領域を有する、
請求項１又は２に記載の過負荷監視装置。
【請求項４】
前記電気システム（２）の給電線（３）に、前記評価装置（８）に接続された切断素子（５）が設けられており、
前記切断素子（５）は、過負荷状況が検出されると、前記給電線（３）を切断するために前記評価装置（８）によって活性化させることが可能である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の過負荷監視装置。
【請求項５】
前記測定装置（６）は、前記切断素子（５）の出力側及び／又は入力側に配置されている、
請求項４に記載の過負荷監視装置。
【請求項６】
前記切断素子（５）として及び前記測定装置（６）として、半導体スイッチが構成されており、前記半導体スイッチは、当該半導体スイッチの導通抵抗の両端における電圧降下が測定されるように構成されている、
請求項４又は５に記載の過負荷監視装置。
【請求項７】
電気システム（２）の過負荷監視方法であって、
・前記電気システム（２）の電流及び／又は電圧の測定値を検出するステップと、
・時間データとして時点及び／又は時間間隔を検出するステップと、
・前記時間データを使用して前記電気システム（２）の時間的な変化を組み込むことにより、前記測定値に基づいて特性パラメータを計算して生成するステップと、
・前記特性パラメータに基づいて前記電気システム（２）の過負荷状況を検出するステップと、
を備えることを特徴とする過負荷監視方法。
【請求項８】
複数の前記特性パラメータから、確実な動作領域と過負荷領域との間の境界を画定する一つの遮断特性曲線を求め、
前記一つの遮断特性曲線は、監視されるそれぞれ異なる測定値及び／又は特性パラメータを備える複数の領域を有する、
請求項７に記載の過負荷監視方法。
【請求項９】
複数の特性パラメータを、時間的に並行して及び／又は所定の動作状態に対して、検出のために監視する、
請求項７又は８に記載の過負荷監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気システムのための過負荷監視装置、及び、電気システムの過負荷監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの電気システムでは、電気システムの一部又は全体を電気的な過負荷から保護する必要がある。このためには例えばヒューズが、低電圧のシステムにおいて多くの形態で使用される。このようなヒューズは、図１に図示されるような特徴的なｌ２ｔ特性曲線を有するか、又は、連続的な推移を備える図２に図示されるような電流／時間・特性曲線を有する。これらの特性曲線から、実際には遮断電流又は遮断電流の大きさではなく、所定の期間中に供給された電力が、ヒューズを切断する役割を担っていることが見て取れる。
【発明の概要】
【０００３】
本発明によれば、電気システムのための過負荷監視装置であって、電流及び／又は電圧のための測定装置を有する、過負荷監視装置において、時間測定装置と、前記測定装置及び前記時間測定装置に接続された評価装置とが設けられており、前記評価装置は、前記測定装置の測定値から特性パラメータを生成し、前記時間測定装置の時間データを使用して、前記測定値及び／又は前記特性パラメータに基づいて過負荷状況を検出するように構成されている、過負荷監視装置が提供される。
【０００４】
電気システムは、エネルギ伝送に使用される給電線のような線路網、及び／又は、線路網に接続された消費素子又は負荷のようなコンポーネント、及び／又は、スイッチング素子又は測定装置を含み得る。これらのコンポーネントの総て又は複数又は一つを最適に監視して、保護することも可能にするために、本発明によれば、過負荷監視装置の特性パラメータ及び／又は特性曲線を、消費素子の挙動及び／又はエネルギ伝送網の手段に適合させることが提案される。これによって、電気システムの最適な保護が可能となる。本発明によれば、特に有利には、自由に規定可能であって、任意選択的に時間的に変化可能でもある特性パラメータに基づいた監視及び遮断が可能となり、この場合に、特性パラメータは、ヒューズのような保護装置の形状に依存することなく、監視すべき電気システムに対して最適化されている。
【０００５】
有利には、前記特性パラメータは、電流、電圧、電力、エネルギ、並びに、これらのパラメータの立ち上がり速度、微分値、積分値、及び、平均値の群からの少なくとも一つの値を含む。特性パラメータとは、例えば上記のパラメータであると理解され、この場合には、例えば電流の測定値から、純粋な測定値の時間分解を適合若しくは処理することによって、又は、特定の時点若しくは時間間隔だけを考慮することによって、電流の特性パラメータを生成することができる。
【０００６】
複数の特性パラメータが、一つの特性曲線又は一つの遮断特性曲線を形成することができ、前記特性曲線の移行部は、不連続であり得る。この特性曲線は、確実な動作領域と過負荷領域との間の境界を画定するものであり、従って、この特性曲線に到達すると保護措置が講じられる。特性曲線の各領域間の移行部は、不連続であり得る。例えば、時間的に相前後することが可能な複数の異なる領域ごとに、又は、複数の動作状態に対応付け可能な複数の異なる領域ごとに、それぞれ異なる特性パラメータを考慮することができる。これによって、監視すべきシステムの実際の状況に合わせて監視をモデル化することができる。
【０００７】
特別な一つの実施形態では、前記電気システムへの給電線、又は、前記電気システムの給電線に、前記評価装置に接続された切断素子が設けられており、前記切断素子は、過負荷状況が検出されると、前記給電線を切断するために前記評価装置によって活性化させることが可能である。切断素子によって、例えば半導体スイッチのようなパワースイッチによって、純粋な監視から、過電流又は電力の遮断による保護へと移行させることが可能となる。
【０００８】
前記測定装置を、前記切断素子の出力側及び／又は入力側に配置することも可能である。用途に応じて位置を最適化することができる。
【０００９】
本発明の好ましい一つの実施形態によれば、前記切断素子として及び前記測定装置として、半導体スイッチが構成されており、前記半導体スイッチは、当該半導体スイッチの導通抵抗の両端における電圧降下が測定されるように構成されている。このように向上した集積密度によって、監視装置の小型化が可能となる。
【００１０】
本発明に係る電気システムの過負荷監視方法は、
・前記電気システムの電流及び／又は電圧の測定値を検出するステップと、
・時間データを検出するステップと、
・前記測定値に基づいて特性パラメータを生成するステップと、
・前記時間データを使用して、前記測定値及び／又は前記特性パラメータに基づいて過負荷状況を検出するステップと、
を基本的に含む。
【００１１】
上述したのと同様の利点及び実施形態が当てはまる。特性パラメータは、時間データを使用して生成することができる。
【００１２】
有利には、複数の前記特性パラメータから、一つの遮断特性曲線が求められ、前記一つの遮断特性極性は、監視されるそれぞれ異なる測定値及び／又は特性パラメータを備える複数の領域を有する。これら複数の領域によって、監視及び／又は遮断を、監視すべきシステムに最適に適合させることが可能となる。
【００１３】
前記特性パラメータには、前記電気システムの時間的な変化を組み込むことができる。このことにより、特性曲線及び／又は特性パラメータの動的な適合が可能となる。従って、監視によって誤った結論が引き出されることなく、例えば電気システムの時間的な変化を捕捉することができる。このようにして、例えば摩耗のような寿命に亘る変化を考慮することが可能となる。
【００１４】
複数の特性パラメータを、時間的に並行して及び／又は所定の動作状態に対して、検出のために監視することができる。これにより、監視マトリクス及び／又は特性曲線マップを形成することができ、このことによって多次元的な監視が可能となる。
【００１５】
本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載されており、明細書にて説明される。
【００１６】
本発明の実施例について、図面及び以下の記載に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】公知のヒューズのｌ２ｔ特性曲線が示された線図である。
【図２】公知のヒューズの電流／時間・特性曲線が示された線図である。
【図３】本発明に係る電気システムのための過負荷監視装置の概略図である。
【図４】過負荷監視装置の複数の測定値又は特性パラメータが示された線図である。
【図５】過負荷監視装置の別の測定値又は特性パラメータが示された線図である。
【図６】過負荷監視装置のさらなる別の測定値又は特性パラメータが示された線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図３には、電気システム２のための過負荷監視装置又は過負荷遮断装置１が図示されている。電気システム２は、少なくとも一つの給電線３と、少なくとも一つの消費素子又は負荷４とを含む。給電線３には、例えばパワースイッチの形態の切断素子５が設けられている。パワースイッチは、例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）として構成することができる。パワースイッチは特に、逆直列接続された二つのＭＯＳＦＥＴから構成することができる。
【００１９】
切断素子５は、過負荷監視装置１の構成部材とすることができ、及び／又は、電気システム２の構成部材とすることができ、この場合にはつまり、切断素子５も同様にして監視される。過負荷監視装置１は、給電線３における電流及び／又は電圧のための測定装置６を含む。ここでは測定装置６は、切断素子５の出力側に、即ち、切断素子５と消費素子４との間に設けられている。これに代えて、測定装置６を切断素子５の入力側に配置することも可能である。二つの測定装置６を設けて、一方を入力側に配置し、他方を出力側に配置することも可能である。
【００２０】
過負荷監視装置１はさらに、時間測定装置７を含む。時間測定装置７によって、時点及び／又は時間間隔の絶対的及び／又は相対的な検出が可能となる。
【００２１】
過負荷監視装置１の評価装置８が、測定装置６の測定値を利用するために測定装置６に接続されている。評価装置８はさらに、時間情報を利用するために時間測定装置７に接続されている。評価装置８はさらに、切断素子５を制御するために切断素子５に接続されている。評価装置８には、時間測定装置７を組み込むことができる。特に、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路 application specific integrated circuit）又はマイクロコントローラへの組み込みが可能である。
【００２２】
評価装置８は、測定装置６の測定値から特性パラメータを生成するように構成されている。従って、例えば測定装置６の電流測定値から、評価装置８において、電力値、電流の微分値、及び／又は、電流の積分値を計算することができる。さらには、測定値の特性パラメータを、時間期間又は時点を考慮して計算することができ、この場合の時間情報は、時間測定装置７から得られる。このようにして例えば、電流測定値から、種々の時間期間に亘って平均された平均電力を計算することができる。
【００２３】
評価装置８は、特性パラメータから特性曲線又は遮断特性曲線を決定することができる。遮断特性曲線の形状は、特に、電流及び／又は電力の最適フィルタの評価によって決定することができる。最適フィルタは、信号雑音比（Signal to noise ratio、ＳＮＲ）を最適化するフィルタである。遮断特性曲線の形状は、電流及び／又は電力の複数の最適フィルタ、又は、時間的に可変の最適フィルタの評価によって決定することも可能である。
【００２４】
以下、過電流又は電力の監視又は遮断について、図４乃至図６に基づいてより詳細に説明する。
【００２５】
図４は、例えば電球のような、大きい容量成分を有する電気システム２の複数の特性曲線が示された線図である。特性曲線は、時間に対してプロットされている。一番上の特性曲線Ａは、測定された電流に相当し、上から２番目の特性曲線Ｂは、電力に相当し、３番目の特性曲線Ｃは、３個のクロックに亘って平均された平均電力に相当し、４番目の特性曲線Ｄは、５個のクロックに亘って平均された平均電力に相当し、５番目の特性曲線Ｅは、１０個のクロックに亘って平均された平均電力に相当し、最後の特性曲線Ｆは、２０個のクロックに亘って平均された平均電力に相当する。
【００２６】
消費素子は、約０．６ミリ秒（ｍｓ）に相当する始動電流の消失後、クロック駆動される。この例では、約１．８ミリ秒（ｍｓ）においてエラー状況又は過負荷状況が存在する。電流の絶対値（特性曲線Ａ）に関しても、現在の電力（特性曲線Ｂ）に関しても、３，５，１０個のクロックに亘って平均された平均電力（特性曲線Ｃ，Ｄ，Ｅ）に関しても、エラーを識別することはできない。２０個のクロックの期間に亘って電力を積分評価することによって初めて、過負荷が可視となるか、又は、閾値若しくは特性曲線を介して評価可能となる（特性曲線Ｆ）。ここで、例えば電流の平均値用に設計されている給電線が使用された場合には、パルスデューティ比の不適当な選択によって給電線の過負荷が生じる可能性がある。測定値だけを、即ち、本来の電流推移だけを考慮した場合には、この過負荷は検出されない。電力に対して適合された平均値形成器によって初めて、過負荷状況を検出することが可能となる。過負荷状況が検出された場合には、評価装置８が切断素子５を活性化して、消費素子又は負荷４が給電線３から遮断される。
【００２７】
図５は、大きいインダクタンス成分を有する別の電気システム２の六つの特性曲線Ａ乃至Ｆを対比的に示している。ここでは、電流（特性曲線Ａ）及び電力（特性曲線Ｂ）の緩慢な立ち上がりが見て取れる。特性曲線Ｃは、２０個のクロックに亘って平均された平均電力の時間微分を示し、特性曲線Ｄは、５個のクロックに亘って平均された平均電力を示し、特性曲線Ｅは、１０個のクロックに亘って平均された平均電力を示し、特性曲線Ｆは、２０個のクロックに亘って平均された平均電力を示す。図５の特性曲線Ａ乃至Ｆに示された動作領域又は時間区分に関しては、エラー又は過負荷は存在しない。従って、図５に示された特性曲線は、例えば基準特性曲線として使用することができる。
【００２８】
図６には、図５の線図に類似した線図が示されている。さてここで、特性曲線Ａ乃至Ｆは、例えば消費素子への給電線の内部の短絡によって引き起こされた、変化された始動特性を示している。ここでは、給電線の残余の長さに依存して、ひいては給電線のインダクタンスに依存して、電流の迅速な立ち上がりと、最大電流とが発生する。図示されたこの例では、最大電力（特性曲線Ａ）も、最大電力（特性曲線Ｂ）も、平均された平均電力（特性曲線Ｄ，Ｅ，Ｆ）も、過負荷状況に対する一義的な証拠ではない。電流又は電力の立ち上がり速度（特性曲線Ｃ）によって初めて、この場合には、２０個のクロックに亘って平均された平均電力の微分によって初めて、確実かつ充分に迅速な遮断要求に対する充分な遮断基準が提供される。
【００２９】
測定装置６の測定値は、上述したように時間分解されて考慮され、測定値の評価方法、又は、測定値から導出される特性パラメータは、監視すべき電気システム２に合わせて選択される。さらには、例えばスイッチオンプロセス、又は、進行中の動作、又は、スイッチオフプロセスごとに、それぞれ異なる領域若しくは部分区間を規定することができる。監視すべき電気システム２のそれぞれ異なるコンポーネントごとに、特性パラメータ又は特性曲線を最適化することも可能である。即ち、例えば、第１時点において、スイッチ又は切断素子５の保護が必要である又は望ましい場合があり、この保護は、電流又は電圧の評価によって最適に実施される。第２時点において、給電線３の保護が重要である場合があり、この保護は、電流及び時間の監視によって有利に実施される。第１及び第２の時点に並行して、又は、第３時点又は第３時間領域にも並行して、電気システムの消費素子４の監視が重要である場合がある。この監視は、電圧、電流、及び時間に基づいた特性パラメータの監視によって最適に実施される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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