СИСТЕМА И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ОТ ТОКА ПЕРЕГРУЗКИ
SYSTEM AND METHOD OF PROTECTION OF ELECTRIC CIRCUIT AGAINST OVERLOAD CURRENT

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. Область техники, к которой относится изобретение
Варианты исполнения настоящего изобретения относятся в общем случае к области защиты цепей от тока перегрузки. А именно, по крайней мере, один из вариантов исполнения настоящего изобретения относится к системе и к способу отсоединения защитных устройств цепей.
2. Обсуждение предшествующего уровня техники
Вообще говоря, защита от тока перегрузки для электрических цепей обеспечивается токовыми расцепителями, плавкими предохранителями или их комбинацией. Эти защитные устройства выбираются и устанавливаются для защиты электрических цепей, включая электрические провода и кабели, а также электрические приборы, электродвигатели, трансформаторы и другие электрические нагрузки в соответствии с их номинальным током. Часто электрическая система включает в себя главный токовый расцепитель или главный плавкий предохранитель, через который подается питание на несколько ответвленных электрических цепей, каждая из которых может включать в себя отдельное защитное устройство.
Используемый в тексте данной заявке термин "защитное устройство цепи" относится к устройству, которое обеспечивает защиту от тока перегрузки, включая восприятие тока перегрузки и отсоединение цепи в ответ на одно или несколько предопределенных условий тока перегрузки.
В общем случае плавкий предохранитель включает в себя металлический провод или полоску, который (которая) при нагреве электрическим током предопределенной величины плавится. Номинал плавкого предохранителя или уровень номинального тока есть величина непрерывного тока, который этот плавкий предохранитель может проводить без расплавления плавкого элемента и размыкания электрической цепи, то есть без "перегорания" плавкого предохранителя. Соответственно, плавкий предохранитель на 20 А может проводить непрерывно ток в 20 ампер без размыкания цепи вследствие перегрева элемента в предохранителе. Время, в течение которого плавкий предохранитель может проводить ток перегрузки, уменьшается с увеличением величины тока.
Токовые расцепители также предназначены для размыкания электрической цепи в ответ на ток перегрузки. Поскольку конструкция токовых расцепителей предполагает их переустановку и замыкание после срабатывания из-за тока перегрузки, то обычно они содержат механический или электромеханический рабочий механизм.
Точно так же защита от токов перегрузки может содержать тепловой элемент, который в ответ на ток перегрузки может отклоняться (так называемый бытовой токовый расцепитель с литым корпусом), и/или электронный блок, воспринимающий ток и электронный блок расцепителя (например, коммерческие или промышленные токовые расцепители).
Условием возникновения тока перегрузки является либо собственно перегрузка, либо короткое замыкание цепи. Как токовые расцепители, так и плавкие предохранители иногда вынуждены срабатывать ошибочно, когда они размыкают цепь и отсоединяют связанную с ней нагрузку, в ответ на небольшие перегрузки. Особенно быстросрабатывающими могут быть плавкие предохранители, а потому многие электрические нормы и организации, устанавливающие стандарты, требуют, чтобы плавкие предохранители вследствие скорости их срабатывания использовались лишь в специальных случаях. Тем не менее, быстродействие плавких предохранителей в условиях возникновения токов перегрузки иногда может привести к досадным ошибкам, когда предохранитель размыкает цепь из-за временной перегрузки, после чего должен быть заменен. Многие токовые расцепители также требуют ручной переустановки после их размыкания в результате перегрузки.
Хотя многие существующие подходы к вопросам защиты цепей предусматривают согласованную установку защитных устройств, установка по току в этих устройствах (то есть номинальный нормированный ток устройств) устанавливается, исходя из необходимости защиты электрической нагрузки. Как уже говорилось, такая нагрузка может представлять собой не только работающее оборудование, такое как осветительные цепи, электроприборы и т.п., но и саму электропроводку, соединяющую различные элементы цепи. Соответственно, в существующих подходах к вопросам защиты цепей обычно не рассматривается влияние того, как тепловые характеристики плавкого предохранителя могут привести к ошибочному расцеплению, поскольку при создании устройства защиты все внимание было направлено на защиту оборудования и провода, питающего цепь. Другими словами, работа защитных устройств цепей при низких уровнях перегрузки допускается лишь в интересах защиты электрической цепи и защищаемых устройств, с помощью устройств защиты.
Другая проблема существующих подходов связана с использованием цепей, воспринимающих ток, то есть датчиков тока, с аналоговым выходом, который подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Точность и диапазон АЦП ограничиваются его размером, то есть количеством бит в преобразователе, а также выбранным разрешением АЦП. Эти ограничения снижают точность восприятия тока при наступлении условий тока перегрузки. В общем случае разрешение и диапазон АЦП определены уровнем номинального тока цепи, в которой он используется. Но ток, проходящий в электрической цепи, может широко изменяться - от величины порядка номинального значения непрерывного тока или ниже ее (например, 15-20 ампер в бытовых электросетях) до уровней токов перегрузки, которые могут превышать номинальное значение непрерывного тока в 2-3 раза или даже до токов короткого замыкания, которые могут быть в десятки и в сотни раз больше номинальной величины непрерывного тока. Вышеуказанные ограничения, накладываемые на АЦП, используемые совместно с цепями, воспринимающими ток, могут привести к неточностям измерения тока и, соответственно, к возникновению неточностей при защите от тока перегрузки, применяемой с АЦП. В частности, значения тока, которые выше значения максимального тока, который точно представляется АЦП, могут быть "усечены". То есть цифровое представление формы волны тока для всех значений тока выше максимального может иметь одну и ту же величину.
Еще одной проблемой существующих подходов к проектированию схем защиты от тока перегрузки является тот факт, что анализ тепловой нагрузки часто производится по принципу последовательного рассмотрения цепей. То есть если система содержит множество ответвленных цепей, то тепловая нагрузка может быть оценена по принципу последовательного рассмотрения ответвляющихся цепей, и поэтому тепловая мощность всей системы может быть проанализирована неверно. Например, если передающий переключатель на номинальный непрерывный ток в 100 А включен на десять ответвленных цепей, каждая со своим отдельным токовым расцепителем или плавким предохранителем для защиты ответвленной цепи, то общий номинальный ток токовых расцепителей или плавких предохранителей в совокупности может быть гораздо выше уровня номинального тока передающего переключателя. В этом примере, если каждая из десяти цепей рассчитана на номинальный ток в 20 А, то передающий переключатель, который питает эти десять цепей, теоретически подает ток в 200 ампер. Таким образом, этот передающий переключатель может не содержать устройства защиты главной цепи, и передающий переключатель, рассчитанный на номинальный ток в 100 А, может быть перегружен без какого-либо срабатывания защитного устройства цепи. В альтернативном варианте, если в эту цепь будет включено защитное устройство главной цепи, то в соответствии с существующими подходами в ответ на попытку реализовать глубокую защиту системы все десять цепей этим главным устройством защиты будут отсоединены. Такой подход может привести к нежелательному отсоединению важной нагрузки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый объект настоящего изобретения представляет собой аппарат, содержащий датчик тока, выполненный с возможностью восприятия тока в защитном устройстве цепи и с возможностью генерирования сигнала, соответствующего воспринятому току, контроллер, который принимает сигнал, соответствующий воспринятому току, а также устройство отсоединения, выполненное с возможностью отсоединения защитного устройства цепи. В одном варианте исполнения контроллер выполнен с возможностью оценки накопленной тепловой нагрузки защитного устройства цепи на основе тепловой характеристики защитного устройства цепи и воспринятого тока. В этом варианте исполнения контроллер выполнен также с возможностью обеспечения выходного сигнала для активизации устройства отсоединения и прерывания тока в том случае, когда накопленная тепловая нагрузка превысит максимальную величину тепловой нагрузки, предустановленную для защитного устройства цепи. Согласно другому варианту осуществления изобретения, контроллер выполнен с возможностью обеспечения выходного сигнала до того, как защитное устройство цепи прервет ток.
Другой объект настоящего изобретения представляет собой аппарат, воспринимающий ток перегрузки, который содержит цепь, воспринимающую ток, выполненную с возможностью генерирования аналогового выходного сигнала, воспроизводящего воспринятый ток, аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью приема аналогового выходного сигнала и генерирования цифрового представления аналогового выходного сигнала с использованием множества дискретных выборок, и контроллер, выполненный с возможностью оценки величины тока перегрузки, воспринятого цепью, воспринимающую ток, по выборкам, имеющим по существу одинаковую амплитуду. В одном варианте исполнения каждая из множества дискретных выборок, отображающих выходной аналоговый сигнал, который соответствует уровню величины максимального тока или выше него, имеет по существу одинаковую величину. В другом варианте исполнения оценка величины тока перегрузки производится на основании количества последовательных выборок, имеющих по существу одинаковую амплитуду.
Еще один аспект настоящего изобретения представляет собой систему для защиты множества цепей, содержащих множество защитных устройств цепи, в которых каждое из защитных устройств цепи содержит соответствующий уровень номинального тока. В соответствии с одним вариантом исполнения эта система включает в себя цепь, воспринимающую ток, выполненную с возможностью измерения тока каждого защитного устройства цепи, и контроллер, дополнительно выполненный с возможностью приема каждого из измеренных токов. В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер, кроме того, выполнен с возможностью определения отношения общего тока, протекающего во всех объединенных защитных устройствах цепи, к общему уровню номинального тока всех объединенных защитных устройств цепи и использования этого отношения для определения уровня модифицированного номинального тока соответственно каждого защитного устройства цепи. В еще одном варианте исполнения контроллер выполнен с возможностью генерирования выходного сигнала для отсоединения выбранной цепи, выбранной из множества цепей на основании уровня модифицированного номинального тока защитного устройства цепи, включенного в выранную цепь. В соответствии с еще одним вариантом исполнения контроллер выполнен с возможностью определения каждого защитного устройства цепи, для которого уровень модифицированного номинального тока превышает уровень номинального тока этого устройства.
Другой объект настоящего изобретения относится к способу защиты устройства защиты цепи. Этот способ включает в себя восприятие тока в защитном устройстве цепи, генерирование сигнала, соответствующего воспринятому току, оценку накопленной тепловой нагрузки защитного устройства цепи на основе тепловой характеристики защитного устройства цепи и величины воспринятого тока и прерывание тока в том случае, когда накопленная тепловая нагрузка превышает предопределенную максимальную тепловую нагрузку защитного устройства цепи.
В этом способе предопределенная максимальная тепловая нагрузка может соответствовать, по существу, среднему времени плавления защитного устройства цепи. Данный способ может дополнительно включать в себя определение предопределенной максимальной тепловой нагрузки на основе теплового воздействия тока, проводимого защитным устройством цепи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопроводительные чертежи не предназначены для сужения объема изобретения. На чертежах каждый одинаковый или почти одинаковый компонент, показанный на различных фигурах, представлен подобной ссылочной позицией. Для целей ясности на каждом чертеже может быть обозначен не каждый компонент. На чертежах:
фиг.1 представляет собой схему аппарата в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой график кривой времятоковой характеристики защитных устройств цепи.
Фиг.3 представляет собой блок-схему алгоритма в соответствии с одним из вариантов изобретения.
Фиг.4 представляет собой график кривой времятоковой характеристики защитных устройств цепи в соответствии с другим вариантом изобретения.
Фиг.5 представляет собой однолинейную схему системы в соответствии с одним из вариантов изобретения.
Фиг.6 представляет собой блок-схему алгоритма в соответствии с еще одним из вариантов изобретения.
Фиг.7 представляет собой график волны тока в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
Фиг.8 представляет собой вторую форму волны в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
Фиг.9 представляет собой третий график формы волны в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
Фиг.10 представляет собой схему аппарата в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение не ограничивается в своем исполнении указанными далее в описании или в иллюстративных чертежах элементами конструкции и порядком их установки. Изобретение допускает иные варианты исполнения, оно может быть построено и реализовано другим образом. Кроме того, и использованная далее в тексте для целей описания изобретения фразеология и терминология не несет никакого ограничительного смысла. Использование далее слов "включающий в себя", "содержащий", "имеющий" или "вмещающий в себя" и их вариантов производится с намерением описания элементов устройства в соответствии с приведенным далее перечнем, а также дополнительных позиций.
Обращаясь теперь к фиг.1, рассмотрим схему аппарата (20) в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. На схеме показана цепь (18), содержащая источник (22) питания, защитное устройство (24) цепи, а также электрическую нагрузку (26). Кроме того, на фиг.1 показаны цепь (28), воспринимающая ток, контроллер (30) и отсоединяющее устройство (32). В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения цепь (28), воспринимающая ток, контроллер (30) и отсоединяющее устройство (32) включены в аппарат (20). Источник (22) питания может быть источником питания постоянного или переменного тока; кроме того, если источник (22) питания является источником питания переменного тока, он может быть как однофазным, так и многофазным. Таким же образом, показанное на иллюстрации в виде плавкого предохранителя защитное устройство (24) цепи может быть плавким предохранителем, токовым расцепителем или комбинацией предыдущего и/или какого-либо другого защитного устройства цепи, которое в ответ на возникновение условий перегрузки по току производит отсоединение цепи (20). Далее, защитное устройство цепи может быть как однофазным, так и многофазным устройством в зависимости от конкретного приложения. Вообще говоря, защитное устройство (24) цепи при срабатывании в ответ на возникновение условий перегрузки по току производит размыкание пути тока между источником питания (22) и нагрузкой (26). Например, большинство плавких предохранителей содержат внутренний токопроводящий элемент (например, металлический элемент), который в течение предопределенного времени, которое в зависимости от величины тока перегрузки плавится. А токовый расцепитель, в общем случае, содержит одну или несколько контактных пар, которые в ответ на ток перегрузки, воспринятый термоэлементом или связанной с токовым расцепителем цепью, воспринимающей ток, размыкаются для прерывания течения электрического тока.
В различных исполнениях цепь (28), воспринимающая ток, может содержать токовый трансформатор, шунт, датчик Холла или установленное в цепи иное воспринимающее ток средство. В соответствии с одним вариантом исполнения цепь (28), воспринимающая ток, имеет выход (36).
В соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения контроллер (30) может содержать аналого-цифровой преобразователь (АЦП), один или несколько процессоров и память. В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер (30) включает в себя микроконтроллеры TI DSP 2801 производства компании "Texas Instrument", которые могут предусматривать в одном чипе и центральный процессор, и АЦП, и память. Таким образом, контроллер (30) может быть выполнен в виде микропроцессора или микроконтроллера, выполняющего встроенные программные и/или аппаратно-программные инструкции. В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер может также содержать вход (38) и выход (39). В одном варианте данного исполнения вход (38) соединен с выходом (36) цепи (28), воспринимающей ток, а выход (39) контроллера соединен с отсоединяющим устройством (32). В другом варианте данного исполнения в схему могут быть включены дополнительные выходы для получения внешних сигналов от контроллера, которые могут указывать на наступление состояния перегрузки по току.
В соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения в качестве отсоединяющего устройства (32) может использоваться реле, прерыватель цепи или иное электрически управляемое размыканием устройство при приеме сигнала от контроллера (30). Кроме того, исполнение отсоединяющего устройства может быть также электрически управляемым для замыкания при приеме сигнала на замыкание для контроллера (30) или другого аппарата.
Наконец, защитное устройство (24) цепи может быть как однофазным, так и многофазным устройством в зависимости от приложения.
На фиг.2 показан набор кривых времятоковых характеристик (40) (или среднее время плавления) для семейства плавких предохранителей, например, предохранителей класса G с задержкой по времени от компании "Cooper Bussman". Например, самая левая кривая показывает времятоковую характеристику плавкого предохранителя на пол-ампера, а самая правая кривая показывает времятоковую характеристику предохранителя на 60 А. Ось Y на фиг.2 есть время в секундах, а ось Х - сила тока в амперах, причем масштаб каждой оси - логарифмический. Каждая кривая представляет собой среднее время плавления в зависимости от роста величины тока (слева направо). Очевидно, что среднее время плавления предохранителя с ростом величины тока уменьшается.
Указанные на фиг.2 уровни в амперах плавких предохранителей представляют уровень номинального непрерывного тока данного плавкого предохранителя. То есть величину тока, который данный плавкий предохранитель может непрерывно проводить в течение неопределенного периода времени (по крайней мере, теоретически). В качестве одного примера возьмем кривую для плавкого предохранителя на 20 А: этот плавкий предохранитель может выдержать ток величиной 100 А в течение примерно 0,25 секунд, после чего в результате теплового воздействия тока на проводящий элемент плавкого предохранителя он расплавится, и электрическая цепь внутри предохранителя разомкнется. Другие примеры могут дать подобную же информацию относительно времени, в течение которого плавкий предохранитель может проводить ток определенной величины до своего "срабатывания" (то есть до перегорания). Кривые времятоковых характеристик могут быть обеспечены и для других защитных устройств, например, для тепловых токовых расцепителей, а также для твердотельных токовых расцепителей, которые используют электронное восприятие тока.
В соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения тепловые характеристики защитного устройства (24) цепи определены и обеспечены контроллеру (30). Контроллер (30) содержит один или несколько алгоритмов, которые на основе входного сигнала от цепи (28), воспринимающей ток, используются для определения проводимого электрической цепью тока. Алгоритм может также определить накопленную тепловую нагрузку защитного устройства (24) цепи. В другом варианте исполнения контроллер (30) может быть предусмотрен с максимально допустимым значением тепловой нагрузки защитного устройства цепи. В этом случае данный алгоритм может использоваться для определения превышения накопленной величиной тепловой нагрузки максимально допустимого значения тепловой нагрузки для защитного устройства (24) цепи.
В соответствии с одним вариантом исполнения, когда накопленная величина тепловой нагрузки превышает максимально допустимое значение тепловой нагрузки защитного устройства (24), цепь контроллера (30) на своем выходе (39) формирует сигнал. Этот сигнал может быть передан на отсоединяющее устройство (32), которое в ответ на этот сигнал срабатывает для размыкания протекающего тока в цепи (18). По крайней мере, в одном варианте исполнения настоящего изобретения система выполнена с возможностью прерывания протекающего тока до "перегорания" защитного устройства цепи.
На фиг.3 показана блок-схема алгоритма (50) в соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения. Алгоритм (50) представляет собой пример, в котором для предотвращения нежелательного срабатывания защитного устройства (24) цепи может быть использован аппарат (20), который одновременно обеспечивает защиту от тока перегрузки в цепи, в которой установлено это защитное устройство (24). В общем случае и в соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения алгоритм (50) основан на сравнении накопленной тепловой нагрузки защитного устройства (24) цепи с заданной максимальной величиной тепловой нагрузки устройства защиты цепи. В соответствии с одним вариантом исполнения, сравнение используется для определения будет ли контроллер 30 обеспечивать сигнал для срабатывания устройства (32) отсоединения и отсоединять цепь до срабатывания защитного устройства цепи.
2
В соответствии с одним вариантом исполнения максимальная тепловая нагрузка определяется, исходя из времятоковой характеристики защитного устройства цепи в одной точке времятоковой кривой. Например, может быть выбран ток, больший чем номинальный ток защитного устройства цепи, и затем для этого выбранного тока определена тепловая нагрузка, подсчитанная как функция It. В этом варианте исполнения изобретения время, используемое при этом подсчете, определяется из кривой времятоковой характеристики. Возвращаясь вновь к фиг.2, видим, что если определение тепловой нагрузки защитного устройства цепи, рассчитанного на номинальный ток в 20 А, производится по 60-амперной кривой, то за исходное время для определения тепловой нагрузки, которая заставляет срабатывать 20-амперное защитное устройство цепи, может быть взято время в 2,5 секунды или менее. В этом примере для 20-амперного защитного устройства цепи максимальная тепловая нагрузка при токе 60 А составляет:
Макс. тепл. нагрузка(60)(60)2,5=9000
(1)
Другими словами, при подаче в защитное устройство цепи тока в 60 А для предотвращения срабатывания защитного устройства (24) цепи аппарат (20) должен быть выполнен с возможностью срабатывания отсоединяющего устройства (32) в течение 2,5 с.
2
2
В соответствии с одним вариантом исполнения максимальная величина It определяется на основании разницы между номинальным током и током в выбранной точке времятоковой кривой. В данном примере уровень номинального тока составляет 20 А, а выбранный ток перегрузки составляет 60 А. Соответственно, значение It определяется как:
Макс. I<sup>2</sup>t=(60-20)(60-20)2,5=4000
(2)
s
2
В некоторых вариантах исполнения оценивается накопленная тепловая нагрузка для определения, достигнуто ли уже значение максимальной тепловой нагрузки или нет. Например, в том случае, когда воспринимаемый ток оценивается как множество дискретных выборок I-n, продолжительность каждой из которых составляет t, то вклад воспринимаемого тока в создании общей тепловой нагрузки It для каждого периода выборки может быть определен в соответствии с уравнением 3:
Вклад в макс. I<sup>2</sup>t=(I<sub>n</sub>-20)(I<sub>n</sub> -20)t
(3)
2
Далее, в соответствии с одним вариантом исполнения любой ток уровня номинального тока или ниже не вносит никакой составляющей в накопленную тепловую нагрузку защитного устройства цепи и даже может уменьшить накопленную тепловую нагрузку. То есть если ток цепи равен номинальному значению (то есть 20 ампер), то он не влияет на накопленную тепловую нагрузку защитного устройства цепи. Если величина тока меньше его уровня номинального тока (то есть менее 20 ампер), то он уменьшает накопленную тепловую нагрузку на величину It,
где I=ΔI=|I<sub>в мом. t</sub>-I<sub>ном</sub>|
(4)
В соответствии с проиллюстрированным исполнением алгоритм (50) содержит операцию (52), в которой производится измерение тока за первое приращение времени. В одном варианте исполнения ток воспринимается цепью (28), воспринимающей ток и передается на контроллер (30). В одном варианте такого исполнения цепь (28), воспринимающая ток передает на контроллер (30) аналоговый выходной сигнал, а контроллер (30) преобразует этот сигнал в цифровой, который содержит дискретный набор выборок из аналоговой формы кривой тока.
В соответствии с одним вариантом исполнения алгоритм содержит также операцию (54), в которой производится вычитание уровня номинального тока защитного устройства цепи из величины тока, измеренной при выполнении операции (52) для определения значения ΔI. Например, возвращаясь вновь к плавкому предохранителю на 20 А, уровень номинального тока этого предохранителя составляет 20 А.
Далее, в одном варианте исполнения алгоритм (50) содержит также операцию (56), в которой определяется вклад тока в тепловую нагрузку защитного устройства цепи за период времени, в течение которого в соответствии с операцией (52) производилось измерение тока.
В следующем варианте исполнения алгоритм (50) содержит операцию (58), в которой производится оценка разности тока, полученной в операции (54), для определения, превышает ли она ноль. В одном варианте исполнения операция (58) содержит также операцию определения абсолютного значения разности между током за временной период и номинальным значением тока защитного устройства цепи (то есть в соответствии с уравнением (2)), в то время как в другом варианте абсолютное значение определяется в ходе операции (56). Как уже говорилось ранее, ток, меньший номинального тока, может уменьшить совокупную тепловую нагрузку, в то время как ток, больше номинального, может увеличить совокупную тепловую нагрузку.
2
2
В соответствии с одним вариантом исполнения, если значение, определенное в результате операции (54), меньше или равно нулю, то алгоритм (50) переходит к операции (60). В операции (60) вклад тока в накопленную тепловую нагрузку, определенный в ходе операции (56) за заданный период времени, прилагается к совокупной тепловой нагрузке защитного устройства цепи. В одном варианте исполнения определенное в ходе операции (56) значение It (то есть ΔIt) вычитается из совокупной тепловой нагрузки. В соответствии с одним исполнением, если результат операции (60) отрицателен, то значения совокупной тепловой нагрузки, меньшие нуля, округляются до нуля.
В соответствии с одним исполнением за операцией (60) следует операция (64) (далее она описывается более подробно), в то время как в альтернативном варианте исполнения алгоритм (50) переходит к операции (52) (для следующего периода времени), за которой следует операция (60).
2
Если значение, определенное в результате операции (54), больше нуля, алгоритм (50) переходит к операции (62). В операции (62) вклад тока в накопленную тепловую нагрузку, определенный в ходе операции (56) за заданный период времени, прилагается к совокупной тепловой нагрузке защитного устройства цепи. В одном варианте исполнения определенное в ходе операции (56) значение It суммируется с совокупной тепловой нагрузкой.
За операцией (62) процесс переходит к операции (64), в ходе которой производится определение, является ли общая совокупная тепловая нагрузка большей, чем максимальная тепловая нагрузка, определенная для защитного устройства цепи. Как описано ранее, максимальная тепловая нагрузка может быть определена на основе рассмотрения одной или нескольких точек, взятых вдоль кривой времятоковой характеристики.
2
В соответствии со следующим вариантом исполнения алгоритм (50) переходит к операции (66), если определено, что совокупная тепловая нагрузка больше, чем максимальная тепловая нагрузка защитного устройства цепи. В результате операции (66) "объявляется" перегрузка. В различных вариантах исполнения настоящего изобретения могут быть установлены уровни перегрузки, которые соответствуют максимальной тепловой нагрузке, определенной по одной или нескольким точкам, взятым на кривой времятоковой характеристики защитного устройства цепи, или меньше ее. Этот подход может дать запас погрешности, чтобы при появлении относительно низких уровней токов перегрузки обеспечить более быстрое срабатывание отсоединяющего устройства, чем срабатывание защитного устройства цепи (то есть перегрузки по сравнению с коротким замыканием). Такой подход обеспечивает защиту, предупреждая срабатывание защитного устройства цепи. Например, устройство (20) может допустить существование в защищаемой цепи тока в 60 А в течение 2 секунд вместо 2,5 секунд, допустимых защитным устройством цепи. Величина It в этом примере может быть установлена, соответственно, на уровне 40×40×2= 3200, а не на уровне 4000.
В операции (66) "объявляется" состояние перегрузки по току. В некоторых вариантах исполнения в результате операции (68), когда "объявлена" перегрузка по току, контроллер (30) на своем выходе (39) формирует сигнал, предназначенный для срабатывания отсоединяющего устройства (32). Но контроллер (30) может быть выполнен с возможностью выдачи и иного сигнала, отдельного или в дополнение к предыдущему. Например, контроллер может выдать сигнал на интерфейс пользователя для идентификации им состояния перегрузки, прежде чем произойдет срабатывание отсоединяющего устройства или защитного устройства цепи.
В еще одном в варианте исполнения настоящего изобретения, если в результате выполнения операции (64) определено, что совокупная тепловая нагрузка меньше максимальной тепловой нагрузки защитного устройства цепи, то контроллер оценивает один или несколько последовательно измеренных значений тока, сделанных за дополнительный период (периоды), и начинает процесс (50) для последовательного измерения тока.
2
2
В одном конкретном примере алгоритм (50) привел к следующей ситуации, в которой каждый период является одним циклом сигнала частотой 60 Гц (приблизительно 16,7 мс): 1) непрерывный ток равен 20 А или меньше, а совокупная общая величина It остается равной нулю; 2) ток нагрузки возрастает до 60 А, и в каждый период величина ΔIt, добавленная к совокупной общей тепловой нагрузке, есть 26,72; 3) после 150 периодов совокупная тепловая нагрузка достигает максимально допустимой тепловой нагрузки. Поскольку в этом примере для установки максимально допустимой тепловой нагрузки было выбрано 60 А и 2,5 с, то время, в течение которого имела место перегрузка (то есть время до того, как контроллер "объявил" перегрузку и выдал команду на срабатывание отсоединяющего устройства (32)), есть произведение 150 периодов на (0,0167 с/период)=2,5 с.
2
2
Как следует из предыдущего, использование одной точки, на основании которой основывается определение максимальной величины It, приводит к аппроксимации допустимой тепловой нагрузки в других точках. Эта аппроксимация может быть использована для получения диапазона, обеспечивающего заведомое отсоединение защитного устройства цепи до наступления момента времени, при котором сработает само защитное устройство цепи от перегрузки. То есть защитное устройство цепи при низких уровнях токов перегрузки работает более медленно. Вновь возвращаясь к примеру защитного устройства цепи на 20 А: 50%-я перегрузка (то есть ток в 30 А) не приведет к достижению соответствующего уровня теплового максимума защитного устройства цепи в течение приблизительно 100 секунд. Поэтому предыдущий подсчет максимального значения It, основанный на времени 2,5 с, может стать причиной перерасчета защитного устройства цепи.
2
2
Хотя предыдущее изложение представляет собой консервативный подход, в следующем варианте исполнения используется еще один подход для определения максимально допустимой величины It. В общем, в этом подходе определяется "инкрементальный" эффект нагрева ΔIt, который добавляется в каждом периоде выборки, при этом сначала определяется кривая, наиболее соответствующая кривой времятоковой характеристики защитного устройства цепи, а затем с помощью уравнения формируется кривая, которая подходит для определения инкрементального эффект нагрева.
2
Теперь обратимся к фиг.4, на которой в соответствии с данным вариантом исполнения изобретения приведен график (42), соответствующий защитному устройству цепи. График (42) содержит первую кривую (43) и вторую кривую (44). Эти кривые построены в системе линейной оси х (ток) и логарифмической оси y (время, с). Первая кривая (43) является близкой к кривой времятоковой характеристики для защитного устройства цепи на ток 20 А (эта кривая (43) наложена на реальную кривую времятоковой характеристики). Вторая кривая (44) представляет собой максимально допустимую тепловую нагрузку для защитного устройства цепи на ток 20 А, построенную по одной точке в соответствии с предыдущим вариантом исполнения. То есть вторая кривая (44) основана на допустимой величине It, где t=2,5 с для всех значений тока. Как видно из этих графиков, предыдущий вариант исполнения дает меньшую максимальную тепловую нагрузку для перегрузок, при которых ток перегрузки меньше, чем ток, связанный с точкой, в которой определена максимальная тепловая нагрузка. Возвращаясь к предыдущему примеру с защитным устройством цепи на ток 20 А, для которого построены кривые 43 и 44, при токах перегрузки величиной менее 60 А контроллер подаст на отсоединяющее устройство сигнал на отсоединение защитного устройства цепи до возникновения тепловой нагрузки, которая определяет срабатывание самого защитного устройства цепи, представленного кривой (43).
В соответствии с одним вариантом исполнения приближенная кривая для защитного устройства цепи на ток 20 А получается из следующего уравнения:
Y=(A×10<sup>10</sup>)Х<sup>В</sup>
(5)
где А=1,1877, а В=-5,437, то есть соответственно:
Y=(1,1877×10<sup>10</sup>)Х<sup>-5,437</sup>
(6)
Коэффициенты А и В могут быть определены с использованием техники аппроксимации, хорошо известной лицам, сведущим в данной области.
2
В соответствии с этим вариантом исполнения инкрементальный эффект нагрева ΔIt, который следует прибавлять для каждой выборки, определяется как
ΔI<sup>2</sup>t=А/I<sup>В</sup>
(7)
В результате один используемый вариант исполнения допускает приложение максимальной тепловой нагрузки, которая наиболее близко соответствует максимальной расчетной тепловой нагрузке самого защитного устройства цепи.
На фиг.5 схематически показана электрическая система (80), построенная в соответствии с одним вариантом исполнения изобретения. Электрическая система (80) может включать в себя главное защитное устройство (82) цепи, а также множество защитных устройств (84А)-(84J) цепей нагрузки, где в качестве защитных устройств могут использоваться плавкие предохранители, токовые расцепители, реле или любая комбинация указанных устройств. В одной версии варианта каждое из защитных устройств (84А)-(84J) цепей нагрузки включено соответственно в одну из цепей (1)-(10). В одном варианте исполнения электрическая система включена в цепь передающего переключателя, через который подается питание защитным устройствам (84) цепей нагрузки. В некоторых вариантах исполнения передающий переключатель выполнен с возможностью подавать питание от любого из множества источников питания.
Данная электрическая система включает в себя аппарат, который содержит контроллер (30) и цепь (28), воспринимающую ток. В показанном исполнении цепь, воспринимающую ток, включает в себя множество датчиков (85А)-(85J) тока, которые подсоединены к контроллеру (30) проводами (86). В одном варианте исполнения каждый из датчиков (85А)-(85J) тока воспринимает ток соответственно в одной из цепей (1)-(10). Хотя провода (86) схематически показаны в виде одной цепи, в различных вариантах исполнения провода (86) представляют собой множество цепей, каждая из которых, например, подсоединена соответственно к одному из датчиков (85А)-(85J) тока. Кроме того, каждый датчик тока также может быть связан с главным защитным устройством (82) цепи. В некоторых вариантах исполнения датчики (85) тока могут являться неотъемлемой частью защитного устройства цепи. В альтернативном варианте исполнения датчики тока (85) не составляют часть, связанную с защитным устройством цепи, а это защитное устройство цепи (например, токовый расцепитель) может содержать иной датчик тока, который используется в системе общей защиты от перегрузки, включенной в защитное устройство цепи. Как хорошо известно тем, кто практически сведущ в данной области, если в качестве защитного устройства цепи используется плавкий предохранитель, в это защитное устройство цепи датчик тока не включается.
В различных вариантах исполнения изобретения защитные устройства (82), (84) цепи, как хорошо известно лицам, сведущим в данной области, могут выполнять функцию удаленного управляемого расцепления, функцию удаленного управляемого замыкания или обе эти функции. Эти операции с удаленным управлением позволяют производить размыкание и замыкание защитного устройства цепи, соответственно, по получении сигнала управления от устройства (например, от электрического или электронного элемента управления), которое не является общим с защитным устройством цепи нагрузки. Это устройство может быть включено в оборудование (например, в качестве электрического блока), которое также содержит защитные устройства (84) цепи. Как альтернатива, это устройство может быть удалено физически, например, установлено в отдельном корпусе, в отдельном помещении или здании.
В соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения аппарат (20) работает в соответствии с описанием варианта исполнения, показанного на фиг.1. То есть в ответ на перегрузку контроллер (30) формирует сигнал, используемый для отсоединения защитного устройства (82), (84) цепи до срабатывания защитного устройства цепи. В соответствии с одним вариантом исполнения защитные устройства (82), (84) цепи имеют функцию удаленного управляемого срабатывания, а контроллер (30) выполнен с возможностью выдачи сигнала срабатывания для отсоединения цепей (1)-(10), как это описано далее более подробно.
В соответствии с этим в одном варианте исполнения защитные устройства (82), (84) цепи имеют электрическое управление. То есть защитные устройства (82), (84) цепи являются токовыми расцепителями или реле, которые, по крайней мере, содержат функцию удаленного расцепления. Кроме того, они могут содержать функцию удаленного замыкания.
В альтернативном варианте исполнения одно или несколько защитных устройств (82), (84) цепи являются плавкими предохранителями или иными устройствами без электрического управления, а аппарат (20) содержит отдельное отсоединяющее устройство, которое связано с каждым из защитных устройств неэлектрического управления, например, отсоединяющее устройство (то есть отсоединяющее устройство (32)), в изначальном виде описанное на фиг.1. Соответственно, в одном варианте исполнения отдельное отсоединяющее устройство работает в комбинации с каждым защитным устройством (84) цепи для каждой из цепей (1)-(10).
Далее, хотя датчики тока показаны здесь как отдельный элемент, цепь (28), воспринимающая ток, может включать в себя множество датчиков тока, например, датчик тока, установленный в каждой фазе многофазной цепи (то есть в любой из цепей (1)-(10)).
В одном или нескольких вариантах исполнения одно или более защитных устройств (84) цепи являются электрически управляемыми, то есть электрически управляемыми токовыми расцепителями. В общем случае в соответствии с этими вариантами исполнения контроллер (30) может сработать для размыкания защитного устройства (84) цепи нагрузки в ответ на ток, воспринятый в связанной с ней цепи. Например, контроллер (30) в ответ на ток, воспринятый датчиком тока (85С) в цепи (3), может сработать на размыкание защитного устройства (84С) цепи нагрузки.
В соответствии с одним вариантом исполнения аппарат (20) работает на отсоединение одной или нескольких цепей (1)-(10), основываясь на совокупной нагрузке электрической системы (80). Например, общая допустимая нагрузка по току электрической системы может быть 100 А. Соответственно, главное защитное устройство цепи может иметь уровень номинального непрерывного тока 100 А. Уровни отдельных защитных устройств (84) цепей нагрузки в совокупности могут превысить уровень номинального непрерывного тока главного устройства защиты (82). То есть если каждая из цепей (1)-(10) имеет уровень номинального непрерывного тока 20 А, то совокупный уровень непрерывного тока защитных устройств цепей нагрузки будет составлять 200 А, что вдвое превышает уровень номинального непрерывного тока электрической системы (80) и главного защитного устройства (82) цепи.
В соответствии с одним вариантом исполнения, например, электрическая система (80) (включенная в цепь передающего переключателя) рассчитана на подачу максимального непрерывного тока в 100 А, причем каждая из цепей защищена 20-амперным плавким предохранителем и нагружена в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1
Цепочка
Измеренный ток, А
1
15
2
20
3
5
4
18
5
8
6
12
7
19
8
7
9
14
10
14
Общий: 132
В соответствии с вышеизложенным, электрическая система (80) перегружена. Перегрузка может быть воспринята главным защитным устройством (82), которое в ответ на продолжительную перегрузку в конечном итоге отсоединит электрическую систему (80). Как, в общем, следует из времятоковых кривых, приведенных на фиг.2, время реакции, например, главного защитного устройства (82) цепи, по мере роста перегрузки будет уменьшаться. Хотя общий ток электрической системы (80) больше расчетного максимального значения непрерывного тока, аппарат (20) может быть выполнен с возможностью выборочного отсоединения одной или нескольких цепей (1)-(10) для уменьшения общего тока до 100 А или менее (то есть для исключения состояния перегрузки), прежде чем главное защитное устройство (82) сработает и отсоединит всю электрическую систему (80).
В одном варианте исполнения аппарата (20) обычно для выбора одной или нескольких цепей на предмет их отсоединения используется алгоритм (70) (см. фиг.6). В этом алгоритме (70) на первой операции (71) определяется, превышает ли общий ток максимальную величину. Если результат операции (71) есть "Нет", то алгоритм (70) возвращается в исходную точку. Если результат операции (71) есть "Да", то по алгоритму (70) производится переход к операции (72), в которой определяется отношение R действительного общего тока к расчетной максимальной величине непрерывного тока электрической системы. Далее в операции (73) алгоритм (70) совершает переход к определению величины модифицированного номинального тока в каждой из цепей (1)-(10) умножением измеренного тока на отношение R для каждой цепи. Затем в алгоритме производится переход к операции (74), в ходе которой определяются те цепи из цепей (1)-(10), которые имеют модифицированный номинальный ток, больший чем уровень номинального тока защитного устройства цепи нагрузки, которое защищает эту цепь. В следующей операции (75) алгоритм переходит к определению той из цепей, идентифицированных в предыдущей операции (если идентифицировано более одной цепи), которая имеет уровень модифицированного номинального тока, в наибольшей степени превосходящий уровень номинального тока защитного устройства, включенного в цепь. Конечная операция (76) предусматривает отсоединение цепи, определенной в результате выполнения операции (75), после чего производится повторение операций (71)-(75) до тех пор, пока действительное значение общего тока больше не будет превышать расчетную максимальную величину непрерывного тока электрической системы.
В соответствии с примером, приведенным в таблице 1, отношение действительного значения общего тока к расчетной максимальной величине непрерывного тока электрической системы определяется как:
R=132/100=1,32
(8)
Применяя отношение R, определенное в уравнении (3), к цепям, описанным в таблице 1, получаем следующий результат:
Таблица 2
Цепочка
Измеренный ток, А
Модифицированный ток, А
1
15
19,8
2
20
26,4
3
5
6,6
4
18
23,76
5
8
10,56
6
12
15,84
7
19
25,08
8
7
9,24
9
14
18,48
10
14
18,48
Общий: 132
Каждая из цепочек (2), (4) и (7) имеют модифицированное значение номинального тока, которое превышает уровень номинального тока соответствующего защитного устройства цепочки. Далее цепочка (2) имеет модифицированное значение номинального тока, которое в наибольшей степени превосходит уровень номинального тока (то есть 20А) соответствующего защитного устройства (то есть защитного устройства (84В) цепи). В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер (30) генерирует выходной сигнал, который подается на защитное устройство (84В) цепи и который затем используется для отсоединения цепочки (2) с целью уменьшения общей нагрузки на электрическую систему (80). В результате общая нагрузка уменьшается до 112 А, как показано в таблице 3 (конечно, при условии, что нагрузка в остальных запитанных цепях не изменилась).
Таблица 3
Цепочка
Измеренный ток, А
1
15
2
0
3
5
4
18
5
8
6
12
7
19
8
7
9
14
10
14
Общий: 112
В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер (30) продолжает процесс оценки нагрузки электрической системы (80). В результате продолжающейся перегрузки отношение R пересчитано с новой нагрузкой до величины:
R=112/100=1,12
(9)
Затем умножением номинального тока цепочек на новое отношение могут быть определены новые величины модифицированных значений номинальных токов. Результат этой операции представлен в таблице 4.
Таблица 4
Цепочка
Измеренный ток, А
Модифицированный ток, А
1
15
16,8
2
0
0
3
5
5,6
4
18
20,16
5
8
8,96
6
12
13,44
7
19
21,28
8
7
7,84
9
14
15,68
10
14
15,68
Общий: 112
При анализе этих вновь вычисленных значений модифицированных токов видно, что каждая из цепей (4) и (7) продолжает иметь модифицированный номинальный ток, который превышает уровень номинального тока соответствующего защитного устройства цепи. При этом цепь (7) имеет модифицированный номинальный ток, который в наибольшей степени превосходит уровень номинального тока (то есть 20А) соответствующего защитного устройства (то есть защитное устройство (84G) цепи). В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер (30) генерирует выходной сигнал, который подается на защитное устройство (84G) цепи и который затем используется для отсоединения цепи (7) с целью дальнейшего уменьшения общей нагрузки на электрическую систему (80). В результате общая нагрузка уменьшается до 93 А, как показано в таблице 5.
Таблица 5
Цепочка
Измеренный ток, А
1
15
2
0
3
5
4
18
5
8
6
12
7
0
8
7
9
14
10
14
Общий: 93
В таблице 5 показано результирующее состояние электрической системы (80), в которой отсоединение двух включенных в нее цепей устранило состояние перегрузки. Важно, что этот результат достигнут без участия главного защитного устройства (82) цепи. То есть при этом восемь из десяти цепей оставались работающими, несмотря на возникновение кратковременной перегрузки. Этот результат наиболее впечатляющ, если сравнить его с отсоединением всех 10 цепей главным защитным устройством (82) цепи, когда никакого отключения нагрузки не производилось.
Если защитное устройство (84) цепи или связанное с ним отсоединяющее устройство (то есть если это плавкий предохранитель или токовый расцепитель с ручным управлением) содержит операцию электрического замыкания, то обесточенные цепи (например, цепи (2) или (7)) могут быть вновь дистанционно подключены к источнику питания по окончании соответствующей задержки, предусматривающей, что общий ток остается меньше номинального расчетного тока электрической системы (80). В одном варианте исполнения это подключение выполняется автоматически устройством (20). Конечно, переустановка и вторичное замыкание защитных устройств цепи нагрузки и/или отсоединяющих устройств может производиться и вручную.
В вышеописанных вариантах исполнения для снижения измерений токов отдельных цепочек используется простое линейное соотношение. В других вариантах исполнения может быть использована более сложная формула, основанная на отношении R, например, в некоторых случаях может быть использован квадратный корень от R, особенно в том случае, когда требуется более интенсивный "сброс" тока.
Хотя предыдущее описание со ссылками на фиг.5 относилось к электрической системе (то есть к электрической системе (80)), которая содержит главное защитное устройство (82) цепи, описанный вариант исполнения настоящего изобретения может эффективно использоваться в электрических системах, не имеющих главного защитного устройства цепи. В общем случае варианты исполнения настоящего изобретения могут использоваться для индивидуального отсоединения цепей, которые в противном случае могут перегружать электрическую систему, например, не обнаруживая перегрузки до тех пор, пока не произойдет превышение уровня теплового предела системы.
На фиг.10 показан вариант исполнения электрической системы (90), содержащей передающий переключатель (92) (например, универсальный передающий переключатель Universal Transfer Switch, производства корпорации American Power Corporation of West Kingston, шт. Род-Айленд). Примеры передающих переключателей, которые могут быть использованы в варианте исполнения настоящего изобретения, описаны в Заявке на американский патент рег. № 10/952,565, поданной 28 сентября 2004 года, озаглавленной "Система и способ распределения энергии к нагрузкам" авторов Paik и др., который здесь приводится в качестве ссылки. В одном варианте исполнения аппарат (20) используется для защиты передающего переключателя (92) от превышения им своей общей тепловой мощности. В показанном на схеме исполнении передающий переключатель содержит всего 10 цепей, включая цепи (1)-(9), которые работают при напряжении 120 В, и цепь (10), которая работает при напряжении 240 В. Для ясности на схеме только цепь (7) содержит элементы, которые связывают ее с аппаратом (20), хотя каждая из цепей или все цепи могут содержать такое устройство. Например, каждая из цепей или все цепи могут содержать отсоединяющее устройство (32), управляемое контроллером (30). В некоторых вариантах исполнения на несколько цепей используется только один контроллер (30), в то время как в других вариантах исполнения каждая цепь имеет свой выделенный контроллер.
В показанном варианте исполнения защита от токов перегрузки каждой цепи производится отдельным плавким предохранителем, главное защитное устройство цепи не используется. Как описано ранее, тепловая мощность передающего переключателя (92) вследствие совокупной нагрузки цепей (1)-(10) может быть превышена без ее обнаружения. Соответственно, аппарат (20) может использоваться для выборочного управления одним или несколькими отсоединяющими устройствами (32) для уменьшения подсоединенной нагрузки, когда контроллер (30) воспринимает, что совокупная нагрузка передающего переключателя (92) превысила максимальную расчетную тепловую нагрузку переключателя. Как уже отмечалось выше, аппарат (20) может использоваться для повторного подсоединения любых отсоединенных цепей по истечении предопределенного времени, в течение которого совокупная нагрузка передающего переключателя (92) оставалась менее максимальной расчетной тепловой нагрузки переключателя.
В соответствии с вышеописанным подходом в различных вариантах исполнения может быть обеспечена схема сброса нагрузки, которая защищает одну или несколько наиболее важных цепей от ненужного отключения. То есть цепям (1)-(10) могут быть назначены приоритеты таким образом, чтобы цепи с более низким приоритетом отсоединялись ранее цепей, имеющих более высокий приоритет, даже если цепи более высокого приоритета имеют большую разность между их модифицированным номинальным током и расчетной величиной номинального тока. Такой подход может существенно сократить время пребывания наиболее важных цепей в отключенном состоянии. По крайней мере, в одном варианте изобретения описанные здесь подходы могут быть использованы для возобновления подачи питания нагрузкам, допускающим перерывы в питании, при непрерывном питании нагрузок с недопустимыми перерывами в подаче питания, как это описано в вышеуказанной Заявке США 10/952,565.
Ток, протекающий по электрической цепи, обычно может изменяться в широком диапазоне - от значения непрерывного тока, равного номинальному, или даже ниже номинального (например, 15 или 20 ампер в бытовых сетях), до уровней токов перегрузки, которые могут в 2 или в 3 раза превышать номинальный ток, или даже до величин токов короткого замыкания, которые могут быть в десятки или в сотни раз больше номинального тока. Соответственно, защитные устройства от токов перегрузки должны быть работоспособны в широком диапазоне изменения тока.
Как уже говорилось, в цепи, воспринимающей ток, работающей вместе с защитными устройствами от токов перегрузки, часто используется датчик тока, который подает на АЦП выходной сигнал, соответствующий воспринятому току. АЦП используется для преобразования аналогового выходного сигнала от цепи, воспринимающей ток в формат цифрового сигнала для его дальнейшей обработки цифровыми цепями. Например, показанный на фиг.1 контроллер (30) может содержать АЦП, установленный на входе (38). Однако точность и рабочий диапазон АЦП ограничиваются его размером, то есть количеством бит в преобразователе, а также выбранным разрешением.
8
В одном из примеров АЦП содержит 8 бит и значит имеет динамический диапазон 256 к 1. В общем случае разрешение АЦП определяется количеством бит (например, 8) и значением тока, представленным максимальным значением, предусмотренным 8-битовым числом, то есть 2-1=255. Таким образом, если максимальное значение, предусмотренное 8-битовым АЦП (то есть 255) представляет ток в 100 ампер, то разрешение АЦП составляет 100/256=0,39 А. В альтернативном подходе сначала определяется желаемое разрешение, а затем вычисляется значение тока, представленное максимальным значением АЦП. Например, если каждый бит представляет 0,1 А, то максимальный ток, который может быть точно представлен АЦП, есть 0,1×255=25,5 А. В другом варианте для увеличения динамического диапазона может быть использован 16-битовый АЦП с тем же разрешением. То есть при 0,1 А на один бит ток 0,1×65,536=6553,6 есть наибольший ток, который может быть точно представлен таким АЦП.
Вышеуказанные ограничения АЦП, работающих с цепями, воспринимающими ток, могут привести к снижению точности измерений тока и, соответственно, к снижению точности защиты от тока перегрузки устройств, работающих с АЦП. В частности, токи, превышающие максимальный ток, который точно воспроизводим АЦП, могут быть "отсечены". Например, для 8-битового АЦП с минимальной значащей величиной бита, представляющей 0,39 А, одно и то же цифровое значение (соответствующее 100 А) будет представлять каждую выборку тока, в которой воспринятый ток равен или больше 100 А. Соответственно, каждая выборка тока, в которой аналоговый ток больше 100 А, будет представлена неточно. Таким же образом для 16-битового АЦП с минимальной значащей величиной бита, представляющей 0,1 А, одно и то же цифровое значение (то есть отсчет) будет представлять каждую выборку тока, в которой воспринятый ток равен или больше 6563,6 А.
Вышеописанная ситуация иллюстрируется на фиг.7-9. Графики этих рисунков содержат аналоговую форму волны тока, а также вторую форму волны, содержащую соответствующий набор цифровых выборок полного периода выпрямленного варианта аналоговой формы волны тока. В одном варианте исполнения каждая из фиг.7-9 соответствует системе с цепью, включающей в себя плавкий предохранитель на 20 ампер и 8-битовый АЦП с разрешением 0,34 А/бит. Максимальный пиковый ток, который точно воспринимается этой иллюстративной системой, составляет 86,7 А, что соответствует среднеквадратичной величине приблизительно в 60 А. Вторая же кривая тока образована шестьюдесятью четырьмя выборками, взятыми по каждому из периодов аналоговой формы волны тока.
Каждая из фиг.7-9 имеет горизонтальную ось, соответствующую интервалу цифровой выборки, первую вертикальную ось, соответствующую мгновенному току в амперах, и вторую вертикальную ось, соответствующую отсчетам, сгенерированным АЦП. На фиг.7 график (100) формы волны включает в себя аналоговую форму волны (102) токового сигнала и набор (104) цифровых выборок, соответствующий выходному сигналу АЦП для аналоговой формы волны (102) тока. Среднеквадратичное значение аналогового тока, показанного на фиг.7, составляет 20 А, то есть пиковое значение тока - приблизительно 28 А. Поскольку это значение тока меньше максимального тока, который может быть точно представлен на выходе АЦП, набор (104) цифровых выборок не содержит никаких "отсечек", и, таким образом, аналоговый ток точно представлен набором (104) цифровых выборок.
На фиг.8 график (106) формы волны содержит форму (108) волны аналогового тока и набор (110) цифровых выборок, соответствующий выходному сигналу АЦП для аналоговой формы (108) волны тока. В этом примере воспринятый аналоговый ток составляет 70 А в среднеквадратичном значении или приблизительно 99 А в пиковом значении. Если цепь рассчитана на 20 А непрерывного тока, то 70 А среднеквадратичного значения тока является перегрузкой. В данном случае цифровая форма (110) волны обрезана, поскольку воспринятый ток больше максимального тока, который может быть точно представлен выходным сигналом АЦП. В приведенном примере цифровая форма (110) волны содержит 11 последовательных выборок (центрированных относительно каждого пика), для которых эта цифровая форма волны имеет одно и то же значение. То есть каждая из этих выборок имеет одинаковые отсчеты. Как описано выше, этот результат является следствием того, что каждая из 11 последовательных выборок представляет собой часть аналоговой формы волны тока, в которой ток соответствует максимальному току, который может быть точно представлен выходным сигналом АЦП (то есть 60 А ср.кв.), или выше его. Как будет подробно описано ниже, варианты данного изобретения позволяют производить улучшенное восприятие для перегрузок по току, содержащих максимальный ток, больший тока, который может быть точно представлен выходным сигналом АЦП.
Подобно этому график (112) формы волны на фиг.9 содержит аналоговую форму (114) волны тока и цифровую форму (116) волны, соответствующую выходному сигналу АЦП для аналоговой формы (114) волны тока. В этом примере воспринятый аналоговый ток составляет 500 А среднеквадратичного значения или приблизительно 707 А пикового значения. Уровень тока (то есть в 25 раз больший расчетного номинального тока цепи) ассоциируется с коротким замыканием. Поскольку величина тока больше, чем максимальный ток, который может быть точно представлен выходным сигналом АЦП, то здесь также усечена цифровая форма (116) волны. Далее, поскольку величина тока такая большая, усечению подвергается большая часть периода аналоговой формы (114) волны тока. А именно: усечение начинается внутри двух выборок от пересечения аналоговой формы волны тока нулевого значения.
В различных вариантах исполнения аппарат (20) может использовать такой подход, в котором обнаруживается как само возникновение, так и длительность усеченных значений, на основании чего затем определяется степень перегрузки. Такой подход особенно пригоден в системах переменного тока, в которых пересечение нуля является опорным моментом, который может быть использован для оценки момента достижения выходным сигналом АЦП максимального значения (то есть "усечения") и продолжительности такого сигнала. По крайней мере, в одном варианте исполнения для оценки потенциальных погрешностей АЦП любое считывание внутри нескольких отсчетов максимального считывания может считаться усеченным и включенным в "усеченную" зону.
В соответствии с одним вариантом исполнения контроллер (30) содержит процессор и память. Кроме того, в этом исполнении могут быть использованы вышеописанные подходы с использованием одного или нескольких хранящихся в памяти алгоритмов, которые исполняются входящим в состав контроллера (30) процессором.
Таким образом, обсудив несколько аспектов, по крайней мере, одного варианта исполнения настоящего изобретения следует понимать, что любому человеку, сведущему в данной области, легко придумать различные его изменения, модификации и улучшения. Предполагается, что такие изменения, модификации и улучшения соответствуют сущности и объему настоящего изобретения. Соответственно, следуемое ранее описание и иллюстрации приведены лишь в качестве примеров.