ЭЛЕКТРОННЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С АЛЬТЕРНАТИВНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
ELECTRONIC AUTOMATIC CIRCUIT BREAKER WITH ALTERNATIVE OPERATION MODE USING AUXILIARY POWER SUPPLY SOURCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к электронным автоматическим выключателям, а в частности к усовершенствованному автоматическому выключателю, который после выработки сигнала отключения входит в режим работы без защиты от отказов и в котором используется вспомогательный источник питания.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При эксплуатации электронного автоматического выключателя весьма желательно, чтобы любые функции, выполняемые для обновления программного обеспечения или встроенного («прошитого») программного обеспечения микроконтроллера выключателя, выполнялись бы без прерывания и без той защиты нагрузки, которая прерывает работу. В традиционном электронном автоматическом выключателе - сразу же после его срабатывания - микроконтроллер, управляющий выключателем, не получает питание и недоступен. Таким образом, в известных в прошлом электронных автоматических выключателях состояние микроконтроллера было либо включенным, либо отключенным, отражая замкнутое или разомкнутое положение контактов выключателя соответственно.
Чтобы осуществить обновление встроенного программного обеспечения, выключатель нужно либо 1) отсоединить от точки приложения нагрузки, либо 2) осуществить защиту от отказов во время процесса обновления, либо 3) войти в режим работы, где защита от отказов не требуется. Что касается п. 1), то отсоединение выключателя от точки приложения нагрузки не является идеальным для обновлений встроенного программного обеспечения в контексте времени и износа выключателей и связанном с ними оборудовании, а также аспектов безопасности отсоединения выключателя. Что касается п. 2), то для обеспечения защиты от отказов в течение процесса обновления или определения того, может ли выключатель войти в режим работы, где защита от отказов не требуется, необходимы накладные расходы на микропроцессор. В одном примере обновления встроенного программного обеспечения с обеспечением защиты необходимы две отдельные секции программы и отдельная секция начальной загрузки. Чтобы гарантировать бескомпромиссную защиту, новая программа должна быть переписана в отдельную область памяти, когда существующая программа продолжает обнаружение для защиты от отказов. Затем, сразу же после подтверждения правильности новой программы, придется осуществить сброс процессора, а область начальной загрузки микроконтроллера должна следить за тем, какую программу встроенного программного обеспечения использовать в будущем, чтобы всегда обращаться к новейшей программе. Чтобы справиться в случае, когда обнаруживается отказ, требуются дополнительные накладные расходы на процессор, а новую программу записывают в ту секцию программы, которая гарантирует, что выключатель не войдет в опасный режим работы.
Современные бытовые электронные автоматические выключатели (AFCI) осуществляют контроль и защиту от состояний отказов многих разных типов. Когда автоматический выключатель срабатывает, выгодно знать, отказ какого типа вызвал прерывание автоматического выключателя, чтобы точно и быстро устранить состояние отказа. Электронные модули в таких автоматических выключателях выполнены с возможностью указания прервавшего отказа только тогда, когда на электронику подается питание. Обычно это требует повторного включения автоматического выключателя вручную с помощью рукоятки для запитывания электрического модуля. Однако повторное включение автоматического выключателя для указания причины прервавшего отказа также означает повторное возбуждение отказа, если этот отказ еще существует. Для безопасного повторного включения автоматического выключателя, электрик должен раскрыть точку приложения нагрузки и отсоединить нагрузку линии и нейтральные провода нагрузки от автоматического выключателя. Было бы желательно иметь вспомогательное средство запитывания электронного модуля для указания прервавшего отказа, не требующее повторного возбуждения отказа на уровнях, которые считались бы опасными, и тем самым исключающее потребность в отсоединении проводов нагрузки от автоматического выключателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним вариантом осуществления, электронный автоматический выключатель включает в себя управляемые механические контакты, выполненные с возможностью соединения основного источника питания, по меньшей мере, с одной нагрузкой, и схему управления для контроля протекания электроэнергии от основного источника питания к нагрузке, обнаружения состояний отказов, выработки сигнала отключения в ответ на них и автоматического размыкания контактов. Основной источник питания подает питание в схему управления, когда контакты замкнуты, а вспомогательный источник питания подает питание в схему управления, когда контакты разомкнуты.
За счет подачи питания в схему управления из вспомогательного источника питания при разомкнутых контактах выключателя эта система выключателя позволяет избежать какой бы то ни было потребности в замыкании автоматического выключателя с получением опасного отказа для определения причины срабатывания автоматического выключателя. Это также позволяет избежать какой бы то ни было потребности в отключении ответвляющихся проводов цепи от автоматического выключателя или в отсоединении автоматического выключателя от точки нагрузки, чтобы обновить встроенное («прошитое») программное обеспечение, указать причину отключения или осуществить диагностику ответвляющихся проводов.
В одном воплощении, по меньшей мере, один датчик связан с потоком электроэнергии от основного источника питания к нагрузке и вырабатывает выходной сигнал, представляющий характеристику этого потока электроэнергии, а схема управления делает выборку данных, выводимых из выходного сигнала, и обрабатывает эти данные для обнаружения состояний отказов. Схема управления обнаруживает сбои в выборке данных и выдает сигнал отключения в ответ на заранее выбранное количество обнаруженных сбоев в выборке данных. Схема управления может обнаруживать сбои в выборке данных путем обнаружения отсутствия пересечения нуля в напряжении переменного тока, подаваемом основным источником питания на нагрузку, как будет происходить при размыкании контактов вручную с помощью рукоятки выключателя, вследствие чего схема управления и выдает сигнал отключения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Наилучшим образом понять изобретение можно будет, обратившись к нижеследующему описанию, приводимому со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
на фиг. 1 представлен схематический чертеж участка электрической схемы в электронном автоматическом выключателе, имеющем вспомогательный источник питания и альтернативные режимы работы;
на фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма стандартной программы, исполняемой микроконтроллером в схеме согласно фиг. 1 для активации вспомогательного источника питания и управления режимом работы электронного автоматического выключателя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хотя изобретение будет описано в связи с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Наоборот, изобретение следует считать охватывающим все альтернативы, модификации и эквивалентные компоновки, которые могут находиться в рамках сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
На фиг. 1 изображен участок схемы управления для автоматического выключателя, которая осуществляет контроль электроэнергии, подаваемой на одну или более нагрузок 11 из основного источника 10 питания, такого как источник питания переменного тока с напряжением 120 вольт. Во время нормальной работы, т.е. при отсутствии отказа, источник 10 подает питание переменного тока на нагрузку 11 через нормально замкнутые контакты 12 выключателя в схеме 13 отключения. Кроме того, в микроконтроллер 14 в выключателе подается питание постоянного тока с диодного моста 15, который осуществляет выпрямление напряжения питания переменного тока из источника 10 для получения выходного сигнала постоянного тока, подаваемого на предварительную схему 17 для регулятора напряжения через схему 16 контроля напряжения. В свою очередь предварительная схема 17 для регулятора напряжения подает питание в регулятор 18 напряжения, который питает микроконтроллер 14 регулируемым входным напряжением постоянного тока.
Когда автоматический выключатель обнаруживает отказ, микроконтроллер 14 генерирует сигнал отключения, который подается на схему 13 отключения для автоматического размыкания контактов 12 выключателя и таким образом прерывает протекание электрического тока к нагрузке 11. Как правило, микроконтроллер также хранит информацию, идентифицирующую причину отключения, такую как обнаружение короткого замыкания на землю или короткого замыкания через дугу.
Чтобы создать возможность использования микроконтроллера 14, когда контакты 12 выключателя разомкнуты, питание можно подавать в микроконтроллер 14 из вспомогательного источника 20 питания, такого как батарея, путем замыкания переключателя 20a. Он соединяет вспомогательный источник 20 питания с регулятором 18 напряжения, который в свою очередь питает микроконтроллер 14. Следует понять, что батарея может быть вставлена непосредственно в выключатель, а переключатель при этом не нужен.
Существует несколько причин, по которым может оказаться желательным иметь возможность эксплуатации микроконтроллера 14, когда контакты 12 выключателя разомкнуты. Например, желательно иметь возможность обновлять встроенное («прошитое») программное обеспечение микроконтроллера 14 или проводить диагностику ответвляющихся проводов, не нуждаясь в отсоединении выключателя от точки приложения нагрузки и/или в устранении потребности дополнительных накладных расходов на процессор внутри электронного выключателя. В качестве еще одного примера, отметим, что может оказаться желательной возможность доступа к микропроцессору для определения типа отказа, который вызвал отключение, когда контакты выключателя разомкнуты по сигналу отключения.
Блок-схема алгоритма на фиг. 2 показывает, как встроенное программное обеспечение в микроконтроллере 12 позволяет электронному автоматическому выключателю входить в любой из двух взаимоисключающих альтернативных режимов работы, которые обеспечивают либо обычный режим работы (например, с защитой от отказов), либо альтернативный режим работы (например, обновление встроенного программного обеспечения). В частности, оба альтернативных режима работы позволяют питать микроконтроллер 14 либо посредством основного источника питания через замкнутые контакты 12 главного выключателя, либо посредством вспомогательного источника 20 питания, когда контакты 12 выключателя разомкнуты, например, за счет использования ручной рукоятки, входящей в состав всех автоматических выключателей, для ручного управления и переустановки контактов 12 выключателя.
Обращаясь к фиг. 2, отмечаем, что при питании посредством любого источника, встроенное программное обеспечение входит в исходное состояние, при этом происходит сброс микроконтроллера в исходное состояние на этапе 30, инициализация диагностики на этапе 31 и инициализация защиты от отказов на этапе 32. После инициализации защиты от отказов система переходит к паре параллельных состояний, представленных этапами 33-35 в одной ветви и этапами 36-37 в параллельной ветви.
В ветви «Обнаружение отказов» этап 33 предусматривает выборку данных, которые используются для обнаружения состояний отказов (например, данных, получаемых из схемы 16 контроля напряжения), а затем этап 34 предусматривает использование выбранных данных в алгоритмах, которые исполняются для обнаружения того, когда возник отказ. До тех пор, пока отказ не обнаружен, этап 35 предусматривает выдачу отрицательного ответа, который возвращает систему к этапу 33 для продолжения выборки данных из схемы 16 контроля напряжения. Этот цикл продолжается, пока продолжается выборка данных на этапе 33, а алгоритмы, исполняемые на этапе 34, не обнаруживают состояние отказа.
В одновременно отрабатываемой, параллельной ветви «Обнаружение состояния системы» этап 36 предусматривает обнаружение того, когда в данных выборки есть сбой, например, за счет обнаружения сбоя запуска выборки (например, отсутствие пересечений нуля основным напряжением переменного тока). Это стандартный диагностический признак отказоустойчивости в электронных автоматических выключателях, как правило, отрабатываемый с помощью обычного сторожевого таймера во встроенном программном обеспечении, и поэтому дополнительные накладные расходы на процессор для микроконтроллера 14 отсутствуют. Этап 37 предусматривает подсчет сбоев, обнаруженных на этапе 36, и определение того, когда количество последовательных сбоев достигает заранее заданного «количества сбоев», которое указывает, что обнаружен реальный сбой. Поскольку этап 37 дает отрицательный ответ, система возвращается к этапу 36 для продолжения наблюдения за сбоями данных выборки. Этот цикл продолжается до тех пор, пока не произойдет совпадение с заранее заданным «количеством сбоев». Если выключатель выключают вручную, т.е. размыкают контакты 12, то система прерывает работу и выдается положительный ответ.
Положительный ответ на любом из этапов - 35 или 37 - вызывает генерирование сигнала отключения на этапе 38. Сигнал отключения посылается в схему 13 отключения, которая размыкает основные контакты 12 для отсоединения основного источника 10 питания от системы выключателя. После выдачи сигнала отключения на этапе 38, на этапе 39 запускается альтернативный режим работы.
Альтернативный режим работы продолжается лишь в случае, если переключатель 20a замкнут, соединяя вспомогательный источник 20 питания с регулятором 18 напряжения для подачи питания в микроконтроллер 14. Если вспомогательный источник 20 питания подсоединен, то микроконтроллер продолжает получать питание, и поэтому микроконтроллер может проводить различные операции. Когда микроконтроллер запитан вспомогательным источником 20 питания, событие начала выборки не происходит, потому что основные контакты 12 разомкнуты. Таким образом, последовательно возникает несколько сторожевых перерывов в работе, что вызывает положительный ответ на этапе 37, генерирование сигнала отключения на этапе 38 и начало альтернативного режима работы на этапе 39. В альтернативном режиме работы всегда присутствует сигнал отключения, так что если основные контакты 12 замыкаются, схема 13 отключения сразу же повторно размыкает эти контакты. Если вспомогательный источник питания отсоединяется, например, за счет размыкания переключателя 20а или достижения батареей окончания срока ее службы, то альтернативный режим работы оканчивается. Это обеспечивает признак самозащиты при наличии вспомогательного питания.
В иллюстративном примере, согласно фиг. 2, система переходит от этапа 39 к стандартной программе «Обновление встроенного программного обеспечения». Первым этапом этой стандартной программы является этап 40, который предусматривает проверку порта связи микроконтроллера 14, после чего происходит прием и буферизация нового встроенного программного обеспечения на этапе 41. Затем на этапе 42 происходит запись и проверка нового встроенного программного обеспечения, а основные контакты 12 при этом остаются разомкнутыми. Как уже упоминалось, в альтернативном режиме возможны и другие операции, такие как поиск и отображение причины отказа или диагностики ответвляющихся проводов. При разомкнутых основных контактах 12 питание на нагрузку 12 в альтернативном режиме не подается. Это позволяет проводить такие операции, как обновление встроенного программного обеспечения и отображение причины отказа, в альтернативном режиме без отсоединения или отключения проводов нагрузки или выключателя от точки приложения нагрузки.
Использование существующей диагностической проверки на пересечения нуля основным напряжением переменного тока не требует дополнительных накладных расходов на процессор для обнаружения момента, когда следует войти в альтернативный режим работы. Накладные расходы на процессор определяются как предусматривающие использование дополнительных циклов синхронизации или большей электроэнергии для выполнения операции перед выдачей сигнала отключения. Как правило, частью стандартного встроенного программного обеспечения для электронного выключателя является сторожевой таймер, так что дополнительные накладные расходы или дополнительные ограничения синхронизации отсутствуют.
Хотя проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления и приложения данного изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается точной конструкцией и составами средств, описанных здесь, и что из вышеизложенного описания очевидны различные модификации, изменения и варианты в рамках сущности и объема изобретения, как задано в прилагаемой формуле изобретения.