DE19953354A1

DE19953354A1 - Auf einer Korrellation beruhende Lichtbogenerfassungsanordnung für Ausschalter

Info

Publication number: DE19953354A1
Application number: DE19953354A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daum; Daniel Arthur Staver
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2000-05-11
Also published as: FR2785683A1; FR2785683B1; CA2287415A1; US6242922B1

Abstract

Ein preiswerter gemischt analog-digitaler anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) umfaßt eine standardmäßige zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), die zur Ausführung einer Korrelationsfunktion für eine Lichtbogenerfassung programmiert ist. Die Verwendung einer Standard-CPU ist möglich, da eine digitale Fourier-Analyse durch die ASIC-Anordnung nicht mehr erforderlich ist. Der ASIC umfaßt eine Energieversorgung, die ausgelegt ist, an eine Wechselstrom-Energieleitung zur Stromzufuhr zu ASIC-Komponenten angeschlossen zu werden, und ferner einen Stromsensor, der an eine stromführende Leitung zur Erzeugung eines Signals gekoppelt ist, das einen Strom in der Leitung darstellt. Ein erster Analog-Digital-Wandler (ADC), der in Reihe an den Stromsensor angeschlossen ist, weist einen Ausgangsanschluß auf, der an eine CPU angeschlossen ist. Die CPU führt einem Digital-Analog-Wandler (DAC) ein digitales Signal zu, das einen Teil des erfaßten Stroms darstellt. Der DAC führt dieses Signal in analoger Form einer Summiereinrichtung zu, die ebenfalls ein Ausgangssignal des Stromsensors empfängt. Das summierte analoge Ausgangssignal der Summiereinrichtung wird durch einen zweiten ADC in digitale Form umgewandelt und der CPU zugeführt. Der CPU-Ausgangsanschluß ist an eine Auslöseeinrichtung, beispielsweise eine Auslöseeinrichtung eines Ausschalters, angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Ausschalter, und insbesondere eine Lichtbogenerfassung bei Ausschaltern in einem Haushalt.

Obwohl eine Erfassung von Lichtbögen zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit, daß ein Feuer durch einen Lichtbogen entzündet wird, und zum Schutz von Gebäudeleitungen und Verbraucherleitungen, wie beispielsweise Verlängerungs kabel und Gerätekabel, sowie von Geräten selbst wünschenswert ist, weisen bekannte Haushalts-Ausschalter (Überlastschalter, Leistungsschalter) typischerweise keine Lichtbogenerfassungseinheit auf. Lichtbögen können im allgemeinen durch einen hochfrequenten Stromanteil in einer Verzweigungsleitung identifiziert werden. Hochfre quenter Strom, d. h. Strom, der eine Frequenz aufweist, die den Bereich von 1 kHz bis 10 MHz überschreitet, kann in die Verzweigungsleitung durch entsprechende Geräte, wie beispielsweise Universalmotoren in Haartrocknern, Bohrmaschinen und Staubsaugern, eingebracht werden. Derartige Motoren können eine deutliche, hohe Frequenz energie aufgrund einer Lichtbogenbildung bei der Bürsten motor-Kommutation erzeugen. Siliziumgesteuerte Gleich richter-Lampendimmer sowie fortschrittliche elektronische Vorrichtungen können ebenso eine Hochfrequenzenergie erzeugen. Eine Unterscheidung zwischen tatsächlichen Lichtbogenfehlern und entsprechenden Quellen von Hoch frequenzenergie ist folglich schwieriger als lediglich eine hohe Frequenz zu erfassen. Eine Haushalts-Licht bogenerfassungseinheit muß jedoch eine niedrige Fehl auslöserate, d. h. eine niedrige Fehlalarmrate aufweisen. Bekannte Lichtbogenerfassungseinheiten mit der erforder lichen niedrigen Fehlalarmrate sind komplex und daher teuer.

Zur Reduzierung der Kosten von Lichtbogenerfassungsein heiten weisen einige bekannte Ausschalter zentrale Ver arbeitungseinheiten auf, die Algorithmen zur Eliminierung möglicher Rauschquellen aufweisen, wie beispielsweise elektrischer Haushaltsgeräte und Werkzeuge (beispiels weise Motoren, Schweißgeräte und Schalter). Derartige bekannte Algorithmen umfassen eine Fourier-Analyse und andere frequenzbereichsbasierende Lösungswege. Die Rauschquellen werden von dem Primärsignal durch Klassi fizierung des von derartigen Quellen stammenden Rauschen eliminiert, woraufhin derartige klassifizierte Signale zur Identifikation von Rauschsignalen und Rauschquellen in dem Primärsignal verwendet werden. Die Rauschsignale werden daraufhin von dem Primärsignal subtrahiert, so daß der Rauschanteil des Signals eliminiert wird.

Die funktionalen Anforderungen für eine digitale Signal verarbeitung, die auf der Eliminierung von Rauschquellen beruht, erfordern eine korrekte Klassifizierung von Rauschsignalen, gefolgt von einer Datenspeicherung, d. h. einer Speicherung des primären Signalanteils verbunden mit dem Rauschsignal. Die Verarbeitungsleistung, die zur Bereitstellung dieser Funktion erforderlich ist, ist hoch und steigt linear mit der Anzahl von vorhandenen Rausch quellen sowie quadratisch mit dem Frequenzbereich an, der aufgrund der Fourier-Transformation-Anforderungen betrachtet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schutz für einen Haushalt vor Lichtbogenfehlern ein schließlich Isolationsfehlern und Einbaufehlern bereit zustellen. Weiterhin besteht eine Aufgabe der vorliegen den Erfindung darin, einen derartigen Schutz mit niedrigen Kosten im Vergleich zu den Kosten bereitzu stellen, die mit einer Verwendung von komplizierten Lichtbogenerfassungseinheiten verbunden sind.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Lichtbögen von einem durch einen Stromsensor bereitge stellten Signal weist einen gemischt analog-digitalen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) auf, der eine standardmäßige zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) mit einer verringerten digitalen Signalverarbeitungslast (DSP-Last) einsetzt und der zur Ausführung einer Korrela tionsfunktion für eine Lichtbogenerfassung programmiert ist. Eine Verwendung einer derartigen Standard-CPU ist möglich, da der für eine digitale Fourier-Analyse erfor derliche zusätzliche DSP-Platzbedarf (bzw. DSP-Overhead) durch die ASIC-Anordnung beseitigt ist. Ferner können durch Ermöglichung der Verwendung einer Standard-CPU die Herstellungskosten des ASIC wesentlich niedriger gehalten werden als die Herstellungskosten, die mit bekannten Lichtbogenerfassungseinheiten verbunden sind.

In einem Ausführungsbeispiel weist der ASIC eine Energie versorgung auf, die ausgelegt ist, an eine Wechselstrom- Energieleitung zur Zufuhr von Strom zu den ASIC-Kompo nenten angeschlossen zu werden. Der ASIC umfaßt ferner einen Stromsensor, der an eine stromführende Leitung beispielsweise eines Ausschalters gekoppelt ist. Der Stromsensor ist derart neben dem Schalterstrompfad angebracht, daß der Sensor ein Signal erzeugt, das den Strom in der Leitung darstellt. Der ASIC umfaßt ferner einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC), der in Reihe an den Stromsensor angeschlossen ist. Der Ausgangsan schluß des ersten ADC ist an eine zentrale Verarbeitungs einheit (CPU) angeschlossen. Die CPU kann beispielsweise eine Vielzweck-CPU sein, die allgemein bekannt ist. Ausgangssignale des ersten ADC können von der CPU zur Ausführung von Überstrom-Auslöse-Algorithmen verwendet werden, die ebenfalls allgemein bekannt sind.

Die CPU weist einen Ausgangsanschluß auf, der mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC) verbunden ist, und die CPU führt dem DAC ein digitales Signal zu, das einen Teil des erfaßten Stroms darstellt. Der DAC ist an eine Summier einrichtung angeschlossen, die ebenfalls an einen Aus gangsanschluß des Stromsensors angeschlossen ist. Der Ausgangsanschluß der Summiereinrichtung ist an einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC) angeschlossen, und das Ausgangssignal des zweiten ADC wird der CPU als Ein gangssignal zugeführt. Ein CPU-Ausgangsanschluß ist an eine Auslöseeinrichtung oder Betätigungseinrichtung ange schlossen, beispielsweise an eine Auslöseeinrichtung eines Ausschalters.

In Betrieb erzeugt der Stromsensor ein analoges Signal, das den Strom in der Ausschalterleitung darstellt. Das analoge Signal wird durch den ersten ADC in ein digitales Signal umgewandelt, und das durch den ersten ADC erzeugte digitale Signal wird der CPU zugeführt. Die CPU verarbei tet das empfangene digitale Signal und filtert das empfangene digitale Signal zur Entfernung beispielsweise des Rauschanteils des digitalen Signals. Die Filter funktion kann mittels standardmäßiger digitaler Signal verarbeitungsverfahren erreicht werden. Daraufhin führt die CPU dem DAC ein im wesentlichen rauschfreies digitales Signal zu, beispielsweise ein im wesentlichen rauschfreies 50-Hz- oder 60-Hz-Signal. Der DAC wandelt das rauschfreie digitale Signal in ein analoges Signal um, und das im wesentlichen rauschfreie analoge Signal wird der Summiereinrichtung zugeführt.

Die Summiereinrichtung subtrahiert das im wesentlichen rauschfreie analoge Signal von dem durch den Stromsensor zugeführten analogen Signal, so daß die 50-Hz- oder 60- Hz-Signalkomponente daraus entfernt wird. Die Subtraktion der 50-Hz- oder 60-Hz-Signalkomponente von dem Sensor ausgangssignal stellt eine differenzielle Empfindlich keitsverbesserung bereit. Das durch die Summiereinrich tung erzeugte Signal wird daraufhin dem zweiten ADC zugeführt, der das Summiereinrichtung-Ausgangssignal in ein digitales Signal umwandelt, das der CPU zugeführt wird. Das Ausgangssignal des zweiten ADC enthält im wesentlichen das durch den Lichtbogen erzeugte Rauschen mit der 50-Hz- oder 60-Hz-Signalkomponente, das für eine weitere Verarbeitung bei höherer Empfindlichkeit entfernt wird.

Die CPU führt eine Korrelationsfunktion unter Verwendung des von dem zweiten ADC empfangenen digitalen Signals aus. Eine Korrelationsfunktion, die in der CPU verwendet werden kann, ist eine Gleitfensterfunktion, die eine Fourier-Frequenzanalyse in Echtzeit emuliert, wodurch eine digitale Fourier-Analyse nicht mehr erforderlich ist und somit die erforderliche CPU-Verarbeitungsleistung und die damit verbundenen Kosten reduziert werden. Obwohl die Lichtbogensignatur den Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 kHz umfaßt, kann die Erfassung auf einige hundert Hertz, beispielsweise 300 Hz, bis zu einigen zehn kHz, beispielsweise 20 kHz, begrenzt werden, um bestmöglich an die Verarbeitungsgeschwindigkeit angepaßt zu werden, die für einfache CPU verfügbar ist. Da mit dem Fortschritt bei Halbleiterschaltungen höhere Verarbeitungsgeschwin digkeiten bei im wesentlichen gleichen Kosten verfügbar werden, kann der durch das Korrelationselement abgedeckte Bereich ausgeweitet werden. Die genaue Auswahl zwischen einem Frequenzbereich für das Korrelationselement und der Anzahl von Korrelationsabgriffen kann mit der Erfassungs genauigkeit verknüpft werden. Durch Begrenzen des Fre quenzbereichs auf 300 Hz bis hin zu 20 kHz werden Bei träge von parasitären Rauschquellen, wie beispielsweise von Funkübertragungen, von einem Schalten von Energie quellen und von Gleichrichtern im wesentlichen elimi niert, während die Lichtbogenenergie in diesem Frequenz bereich auf einer dominierenden Grundlage erfaßt wird. Zur weiteren Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit kann eine überlagerte halbperiodische 50-Hz- oder 60-Hz-Signa tur verwendet werden, wodurch der Lichtbogen von der Signatur parasitärer Lichtbögen unterschieden wird, die beispielsweise durch Motorbürsten erzeugt werden, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Die durch die Erfindung eingesetzten Korrelationsalgorithmen beruhen auf einer Erfassung, nicht auf einer Eliminierung von Rauschquellen.

Zur Ausführung der Korrelationsfunktion besteht eine Möglichkeit darin, die Berechnung eines Satzes von Bandpaß-Filtern vorzusehen und sie über Vielfache oder gebrochene Vielfache der Grundfrequenz (das heißt 50 Hz oder 60 Hz) auszuführen. Die gefilterten Signale werden daraufhin zur Bestimmung der mit dem Rauschen oder dem Lichtbogensignal verbundenen Energie über der Bandbreite von Interesse verwendet. Eine Alternative besteht darin, eine Hauptoberwelle-Sperrfilterung des digitalisierten Signals vorzusehen, bevor die Korrelations-Signalverar beitung ausgeführt wird.

Ein weiterer Lösungsweg besteht darin, das eingehende Grundsignal in der Phase zu verriegeln und daraufhin derart unterabzutasten, daß alle Oberwellen der Grund frequenz (50 Hz oder 60 Hz) auf sich selbst oder zu sich innerhalb gesteuerter Bandbreiten rückgefaltet werden. Dies verringert die Abtastraten und reduziert die Filterung auf einige wenige Bänder von Interesse, so daß die Komplexität des Herausfilterns des Grundsignals und der zugehörigen Oberwellen reduziert wird. Alternativ dazu kann ein Lösungsweg mit Phasenverriegelung dadurch angenähert werden, daß die Grundfrequenz verfolgt wird und dies für eine Unterabtastung mit einer einstellbaren Rate verwendet wird. Dieser Lösungsweg erzwingt, daß die Grundfrequenz und die zugehörigen Oberwellenkomponenten nahe zueinander innerhalb einer festen Bandbreite rück gefaltet werden. Falls sich die Grundfrequenz über einen eingestellten Bereich hinaus verändert, wird die rück abgetastete Rate derart eingestellt, daß die Grundfre quenz und die Oberwellen zurück in die gewünschte Bandbreite gebracht werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Dabei bezeichnen in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer anwendungsspezifischen Schaltkreisanordnung für gemischte Signale gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anwendungsspezifischen Schaltkreisanordnung für gemischte Signale gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer anwendungsspezifischen Schaltkreisanordnung für gemischte Signale gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Einheit, die zwischen einem Ausgangsanschluß einer Summiereinrichtung 28 und einem Eingangsanschluß einer CPU 20 in jeder der Fig. 1, 2 und 3 eingesetzt werden kann, damit die Grundfre quenz und die zugehörigen Oberwellen vollständiger auf Null gesetzt werden, während Rauschspektrumanzeichen eines Lichtbogens zurückgehalten werden.

Nachstehend ist eine anwendungsspezifische Schaltkreisan ordnung (ASIC-Anordnung) für ein gemischtes Signal gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Obwohl der Gegenstand ASIC nachstehend von bisweilen für eine Verwendung in Haushaltsanwendungen beschrieben ist, ist es ersichtlich, daß ein derartiger ASIC neben Haushaltsanwendungen ebenso in anderen Anwen dungen verwendet werden kann. Zusätzlich kann der ASIC in bekannte Ausschalter (Leistungsschalter, Überstromschal ter) eingebaut werden oder getrennt von derartigen Aus schaltern eingesetzt werden, und er ist nicht auf ein Zusammenwirken mit einem bestimmten Ausschaltertyp begrenzt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines ASIC 10 veranschaulicht, der gemäß einem bevorzugten Ausführungs beispiel der Erfindung aufgebaut ist. Er umfaßt eine Energieversorgung 12, die an eine (nicht gezeigte) Wechselstrom-Energieleitung entweder direkt oder über Stromtransformatoren angeschlossen ist. Die Energie versorgung 12 kann vorteilhafterweise eine nebenschluß geregelte Energieversorgung umfassen.

Der ASIC 10 umfaßt ferner eine Stromsensor 14, der an eine stromführende Leitung 16 beispielsweise eines Aus schalters gekoppelt ist. Der Stromsensor 14 befindet sich nahe bei dem Schalterstrompfad, so daß der Sensor 14 ein Signal erzeugen kann, das den Strom in der Leitung 16 darstellt. Der Stromsensor 14 kann einen Stromtransfor mator oder einen Strom-Spannungs-Wandler aufweisen, die beide allgemein bekannt sind. Der Stromsensor 14 kann von dem ASIC 10 getrennt oder in dem ASIC 10 integriert sein, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist.

Der ASIC 10 umfaßt ferner einen ersten Analog-Digital wandler (ADC) 18, der in Reihe mit dem Stromsensor 14 geschaltet ist. Der ADC 18 weist einen Ausgangsanschluß auf, der an eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 20 angeschlossen ist. Die CPU 20 weist einen Nur-Lese- Speicher (ROM) 22 und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 24 auf, die bei der Erfassung von Licht bögen verwendet werden. Die CPU 20 kann beispielsweise ein Vielzweck-Mikroprozessor des Typs 8051 sein, der allgemein bekannt ist.

Die CPU 20 weist einen Ausgangsanschluß auf, der an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 26 angeschlossen ist. Die CPU 20 führt dem DAC 26 ein analoges Signal zu, das einen Teil des von dem ADC 18 erfaßten Stroms darstellt. Der DAC 26 ist an eine Summiereinrichtung 28 angeschlossen, die ebenso an einen Ausgangsanschluß des Stromsensors 14 angeschlossen ist. Der Ausgangsanschluß der Summierein richtung 28 ist an einen zweiten ADC 30 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluß an die CPU 20 angeschlossen ist. Ein CPU-Ausgangsanschluß ist an eine Auslöseeinrichtung angeschlossen, beispielsweise an eine Auslöseeinrichtung 32 eines Ausschalters. Ein Anschluß der CPU 20 kann an eine Kommunikationsschaltung 34 zum Empfang externer Nachrichten, beispielsweise extern erzeugter Befehle und Daten, angeschlossen sein. Die Kommunikationsfunktion des ASIC 10 kann eine bidirektionale Datenübertragung bereit stellen.

In Betrieb führt der Stromsensor 14 ein analoges Signal zu, das den Strom in der Ausschalterleitung 16 darstellt. Durch den ADC 18 wird das analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt, und das durch den ADC 18 erzeugte digitale Signal wird der CPU 20 zugeführt. Die CPU 20 verarbeitet das empfangene digitale Signal und filtert das empfangene digitale Signal zur Entfernung beispiels weise des Rauschanteils des digitalen Signals. Daraufhin führt die CPU 20 dem DAC 26 ein im wesentlichen rausch freies digitales Signal zu, beispielsweise ein im wesentlichen rauschfreies 60-Hz- oder 50-Hz-Signal. Der DAC 26 wandelt das im wesentlichen rauschfreie Signal in ein im wesentlichen rauschfreies analoges Signal um, das der Summiereinrichtung 28 zugeführt wird.

Die Summiereinrichtung 28 subtrahiert das im wesentliche rauschfreie analoge Signal von dem durch den Stromsensor 14 zugeführten analogen Signal, wobei die 60-Hz- oder 50- Hz-Signalkomponente von dem von dem Stromsensor zuge führten Signal entfernt wird. Das Subtrahieren der 50-Hz- oder 60-Hz-Signalkomponente von dem Sensorausgangssignal wird bisweilen als differenzielle Empfindlichkeitsverbes serung bezeichnet. Im wesentlichen bleiben nach der Sub traktion der 50-Hz- oder 60-Hz-Signalkomponente lediglich das Rauschen und die Lichtbogenkomponenten des Signals zurück. Dieses Signal ist folglich gegenüber Änderungen zumindest in der Lichtbogencharakteristik des durch den Sensor 14 zugeführten Signals empfindlich. Das Ausgangs signal der Summiereinrichtung 28 wird daraufhin durch den ADC 30 in ein digitales Signal umgewandelt, das der CPU 20 zugeführt wird.

Die CPU 20 führt eine Korrelationsfunktion unter Verwen dung des von dem ADC 30 empfangenen digitalen Signals aus. Alternativ dazu kann die Korrelationsfunktion in einer Korrelationseinheit unter Steuerung der CPU 20 ausgeführt werden. Eine Korrelationsfunktion, die in jedem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann, ist eine Gleitfensterfunktion, die eine Fourier-Frequenzanalyse in Echtzeit emuliert, wobei eine digitale Fourier-Analyse nicht mehr erforderlich ist und somit die erforderliche CPU-Verarbeitungsleistung und die damit verbundenen Kosten verringert werden.

Zur Ausführung der Korrelationsfunktion kann ein Satz von Bandpaß-Filtern über Vielfache oder gebrochene Vielfache der Grundfrequenz (d. h. 50 oder 60 Hz) verwendet werden. Die gefilterten Signale werden daraufhin zur Bestimmung der mit dem Rauschen oder dem Lichtbogensignal verbun denen Energie über der Bandbreite von Interesse ver wendet. Zusätzlich kann eine Oberwellen-Sperrfilterung des digitalisierten Signals vor Ausführung der Korrela tion-Signalverarbeitung ausgeführt werden. Die Verarbei tung kann als

y(j) = Σ(i = 0 : m - 1) V(j - i) × K(i)

beschrieben werden, wobei i = 0 : m - i für eine m-Punkt- Filterberechnung, y(j) für ein gefiltertes Ausgangs signal, V(i) für ein Eingangssignal und K(i) für einen Korrelationsfilterkern steht. Der Filter kann eine Vor verarbeitung der Daten zur Entfernung von Oberwellenkom ponenten umfassen, falls dies gewünscht ist.

Falls es nicht erwünscht ist, eine ausreichende DSP- Leistung zur vollständigen Entfernung des gesamten 50-Hz- oder 60-Hz-Signals über den DAC 26 aufzuwenden, oder falls sich das durch den DAC 26 erzeugte Rückführungs signal in der Phase oder Amplitude von dem idealen Rückführungssignal unterscheidet, bleibt ein Teil des vorherrschenden 50-Hz- oder 60-Hz-Signals in dem durch den ADC 30 digitalisierten Signal zurück.

Eine weitere Verarbeitung zur vollständigen Entfernung der verbleibenden 50-Hz- oder 60-Hz-Frequenz kann mit standardmäßigen DSP-Verfahren erreicht werden. Diese Verfahren können jedoch verarbeitungsintensiv sein.

Ein weiterer Lösungsweg besteht darin, das eingehende Grundsignal in der Phase zu verriegeln und daraufhin das Signal derart unterabzutasten, daß alle Oberwellen der Grundfrequenz (d. h. 50 oder 60 Hz) auf sich selbst oder zu sich innerhalb gesteuerter Bandbreiten rückgefaltet werden. Dies verringert die Abtastraten und reduziert die Filterung auf einige wenige Bänder von Interesse, wodurch die Komplexität des Herausfilterns der Grundfrequenz und der damit verbundenen Oberwellensignale verringert wird. Folglich synchronisiert, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, eine Phasenregelkreis-Schaltung (PLL-Schaltung) 300 in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Abtast rate des ADC 30 mit einem Vielfachen der Grundfrequenz, d. h. mit einem Vielfachen mf₀ entweder von 50 Hz oder 60 Hz, wobei m typischerweise eine ganze Zahl oder ein Bruch ist und f₀ die dominierende Leitungsgrundfrequenz darstellt, üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz. Eine einfache Verringerungseinrichtung (301) tastet den Datenstrom von der höheren Rate mf₀ zurück zu einer niedrigeren Rate mf₀/n, wobei n der Faktor der Abtastratenverringerung ist.

Alle Signalkomponenten der Grundfrequenz f₀ und die zugehörigen Oberwellen sind nun rückabgetastet oder auf niedrigere Frequenzen gefaltet, die wirksamer rausgefil tert werden. Als Beispiel sei gegeben:
falls f₀ = 60 Hz und m = 100, dann beträgt die Abtastfrequenz
f_samp = mf₀ = 6 kHz.

Durch Verwenden des Faktors n = 100 kann ein Transformationsfilter

eine Verzögerung von 1-z^-1 erzeugend, als Nullfilter 302 eingesetzt werden, um die Grundfrequenz und alle Oberwellen vollständig auf Null zu bringen, während das einen Lichtbogen anzeigende Rauschspektrum zurückbehalten wird. Auf ähnliche Weise kann durch Verwenden des Faktors n = 50 ein Transformationsfilter

eine Verzögerung von 1-z² erzeugend, als Nullfilter 302 eingesetzt werden, um die Grundfrequenz und alle Oberwellen vollständig auf Null zu bringen, während das einen Lichtbogen anzeigende Rauschspektrum zurückbehalten wird, während bei Verwenden des Faktors n = 25 ein Transformationsfilter

eine Verzögerung von 1-z⁴ erzeugend, als Nullfilter 302 für diesen Zweck eingesetzt werden kann.

Somit werden durch Phasenverriegeln auf die Grundfrequenz unter Verwendung einer höheren Originalabtastrate sowie einer zweiten, sehr viel niedrigeren rückabgetasteten Abtastung die Grundfrequenz und alle Oberwellenkomponen ten auf 0 Hz zurückgefaltet und können mit einem Gleich strom-Sperrfilter herausgefiltert werden. Dies läßt eine Signalstärke von Signalen ungleich des Grundfrequenzsig nals in dem Bandpaß zurück. Zusätzlich können, falls Vorfilter verwendet werden, bevor die Rückabtastung stattfindet, unterschiedliche Frequenzbänder vor Ausführung des Rückabtastungs-/Filterungsvorgangs abgeschwächt werden.

Eine Alternative zur Verwendung eines Lösungswegs mit Phasenverriegelung wäre ein Lösungsweg mit Phasenver riegelung durch Verfolgen der Grundfrequenz und Unter abtasten des Signals mit einer einstellbaren Größe. Dieser Lösungsweg erzwingt, daß die Grundfrequenz und die Oberwellenkomponenten nahe zueinander innerhalb einer festen Bandbreite rückgefaltet werden. Falls sich die Grundfrequenz über einen eingestellten Bereich hinaus verändert, wird die Rückabtastrate derart eingestellt, daß die Grundfrequenz und die Oberwellenkomponenten zurück in die gewünschte Bandbreite gebracht werden.

Viele weitere Alternativen zu dem in Fig. 1 veranschau lichten Ausführungsbeispiel sind möglich. Beispielsweise kann der DAC 26 durch eine Phasenregelkreis-Schaltung (PLL-Schaltung) unter Steuerung der CPU ersetzt werden, die das 50-Hz- oder 60-Hz-Signal erzeugt und es der Summiereinrichtung 28 zuführt, wodurch die CPU 20 von der Durchführung der Filterfunktion befreit wird. Gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel wird der DAC 26 durch eine direkte digitale Synthetisierschaltung (DDS- Schaltung) unter Steuerung der CPU ersetzt, die das 50-Hz- oder 60-Hz-Signal erzeugt, ohne daß es erforder lich ist, daß die CPU 20 eine Filterung ausführt. Das Ausgangssignal der DDS wird der Summiereinrichtung 28 direkt zugeführt.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines anwendungsspezifischen Schaltkreises 100 für ein gemischtes Signal veranschaulicht, der eine Abtast- und Halteschaltung 102, die an den Ausgangsanschluß des Stromsensors 14 angeschlossen ist, sowie eine Verzöge rungseinheit 104 aufweist, die an den Ausgangsanschluß der Abtast- und Halteschaltung 102 angeschlossen ist. Die Abtast- und Halteschaltung 102 sowie die Verzögerungs einheit 104 stellen der Summiereinrichtung 28 eine Abtastung des Ausgangssignals des Stromsensors 14 bereit und kompensieren jede Verzögerung, die aus einer Verar beitung der CPU 20 und des DAC 26 resultiert. Es ist ersichtlich, daß die Einheiten 102 und 104 in Kombination mit den Schaltungen verwendet werden können, die eine PLL oder eine DDS anstelle des DAC 26 verwenden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel 200 eines anwendungsspezifischen Schaltkreises für ein gemischtes Signal veranschaulicht, der einen 50- oder 60-Hz-Filter 202 aufweist. Das von dem Stromsensor 14 stammende Signal wird sowohl der Summiereinrichtung 28 als auch dem Filter 202 zugeführt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel muß die CPU 20 die Filterfunktion nicht ausführen, und der DAC 26 ist entfernt worden, was dazu führt, daß der Filter 202 die Funktion auszuführen hat, der Summiereinrichtung 28 ein im wesentlichen rauschfreies 60- oder 50-Hz-Signal zuzuführen.

Für einen Fachmann ist es ersichtlich, daß die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung eingesetzt werden kann, die verbleibende 50-Hz- oder 60-Hz-Grundfrequenz gemäß den in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen auf die gleiche Weise vollständig zu entfernen, wie es in Verbin dung mit Fig. 1 beschrieben ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein preiswerter gemischt analog-digitaler anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) eine standardmäßige zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), die zur Ausführung einer Korrelationsfunktion für eine Lichtbogenerfassung programmiert ist. Die Verwendung einer Standard-CPU ist möglich, da eine digitale Fourier-Analyse durch die ASIC- Anordnung nicht mehr erforderlich ist. Der ASIC umfaßt eine Energieversorgung, die ausgelegt ist, an eine Wechselstrom-Energieleitung zur Stromzufuhr zu ASIC- Komponenten angeschlossen zu werden, und ferner einen Stromsensor, der an eine stromführende Leitung zur Erzeugung eines Signals gekoppelt ist, das einen Strom in der Leitung darstellt. Ein erster Analog-Digital-Wandler (ADC), der in Reihe an den Stromsensor angeschlossen ist, weist einen Ausgangsanschluß auf, der an eine CPU angeschlossen ist. Die CPU führt einem Digital-Analog- Wandler (DAC) ein digitales Signal zu, das einen Teil des erfaßten Stroms darstellt. Der DAC führt dieses Signal in analoger Form einer Summiereinrichtung zu, die ebenfalls ein Ausgangssignal des Stromsensors empfängt. Das summierte analoge Ausgangssignal der Summiereinrichtung wird durch einen zweiten ADC in digitale Form umgewandelt und der CPU zugeführt. Der CPU-Ausgangsanschluß ist an eine Auslöseeinrichtung, beispielsweise eine Auslöseeinrichtung eines Ausschalters, angeschlossen.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung von Lichtbögen von einem Signal, das von einem Stromsensor (14) zur Erfassung eines Stroms in einer Wechselstrom-Energieleitung (16) bereitgestellt ist, mit
einer zentralen Verarbeitungseinheit (20), die an den Stromsensor (14) zum Empfang eines Signals angeschlossen ist, das den durch den Stromsensor erfaßten Strom darstellt, und
einer Summiereinrichtung (28) mit einem ersten Eingangsanschluß, der an den Stromsensor (14) ange schlossen ist, einem zweiten Eingangsanschluß, der an einen Ausgangsanschluß der zentralen Verarbeitungseinheit (20) angeschlossen ist, sowie einem Ausgangsanschluß, der an einen Eingangsanschluß der zentralen Verarbeitungs einheit (20) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem ersten Analog- Digital-Wandler (18), der zwischen dem Stromsensor (14) und der zentralen Verarbeitungseinheit (20) zur Umwandlung eines durch den Stromsensor (14) erzeugten analogen Signals in ein digitales Signal angeschlossen ist, das den durch den Stromsensor (14) erfaßten Strom darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Digital-Analog- Wandler (26), der zwischen der zentralen Verarbeitungs einheit (20) und der Summiereinrichtung (28) zur Zufuhr eines analogen Signals zu dem zweiten Eingangsanschluß der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einem zweiten Analog- Digital-Wandler (30), der zwischen der Summiereinrichtung (28) und der zentralen Verarbeitungseinheit (20) zur Zufuhr eines digitalen Signals zu der zentralen Verarbei tungseinheit (20) angeschlossen ist, das aus einem von der Summiereinrichtung (28) erzeugten analogen Ausgangs signal umgewandelt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (20) einen Nur-Lese-Speicher (22) und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (24) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (20) einen Vielzweck-Mikroprozessor umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Ausschalter- Auslöseeinrichtung (32), die an einen Ausgangsanschluß der zentralen Verarbeitungseinheit (20) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Kommunikations leitung (34), wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (20) an die Kommunikationsleitung (34) für eine bidirektionale Datenübertragung angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Phasenregel kreis-Schaltung, die zwischen der zentralen Verarbei tungseinheit (20) und der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer direkten digitalen Synthetisiereinrichtung, die zwischen der zentralen Verarbeitungseinheit (20) und der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler (30), der an den Ausgangsanschluß der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist, einer Verringerungseinrichtung (301), die an den Ausgangsan schluß des zweiten Analog-Digital-Wandlers (30) ange schlossen ist, einem Null-Filter (302), der an den Aus gangsanschluß der Verringerungseinrichtung (301) ange schlossen ist, und einer Phasenregelkreis-Schaltung (300), die den Ausgangsanschluß des zweiten Analog- Digital-Wandlers (30) mit einem Abtastrate-Steuerungs eingangsanschluß des zweiten Analog-Digital-Wandlers (30) zur Synchronisation der Rate verbindet, bei der der zweite Analog-Digital-Wandler (30) einen Wechselstrom in der Energieleitung (16) abtastet.

12. Vorrichtung zur Erfassung von Lichtbögen bei einer Wechselstrom-Energieleitung (16) mit
einem Stromsensor (14),
einer zentralen Verarbeitungseinheit (20), die zum Empfang eines Signals angeschlossen ist, das einen durch den Stromsensor erfaßten Strom darstellt,
einer Summiereinrichtung (28) mit einem ersten Ein gangsanschluß, der an den Stromsensor (14) angeschlossen ist, und einem Ausgangsanschluß, der an einen Eingangsan schluß der zentralen Verarbeitungseinheit (20) ange schlossen ist, und
einem ersten Analog-Digital-Wandler (18), der zwischen dem Stromsensor (14) und der zentralen Verarbeitungseinheit (20) zur Umwandlung eines durch den Stromsensor (14) erzeugten analogen Signals in ein digitales Signal angeschlossen ist, das den durch den Stromsensor (14) erfaßten Strom darstellt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Stromsensor (14) einen Stromtransformator umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Stromsensor einen Strom-Spannungswandler umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler (30), der zwischen der Summierein richtung (28) und der zentralen Verarbeitungseinheit (20) zur Zufuhr eines digitalen Signals zu der zentralen Verarbeitungseinheit (20) angeschlossen ist, und einem Digital-Analog-Wandler (26), der zwischen der zentralen Verarbeitungseinheit (20) und der Summiereinrichtung (28) zur Zufuhr eines analogen Signals zu einem zweiten Ein gangsanschluß der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (20) einen Nur-Lese-Speicher (22) und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (24) umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (20) programmiert ist, eine Korrelationsfunktion auszuführen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einer Ausschalter- Auslöseeinrichtung (32), die an einen Ausgangsanschluß der zentralen Verarbeitungseinheit (20) angeschlossen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einer Kommunika tionsleitung (34), wobei die zentrale Verarbeitungsein heit (20) an die Kommunikationsleitung (34) für eine bidirektionale Datenübertragung angeschlossen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler (30), der an den Ausgangsanschluß der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist, einer Verringerungseinrichtung (301), die an den Ausgangsan schluß des zweiten Analog-Digital-Wandlers (30) ange schlossen ist, einem Null-Filter (302), der an den Aus gangsanschluß der Verringerungseinrichtung (301) ange schlossen ist, und einer Phasenregelkreis-Schaltung (300), die den Ausgangsanschluß des zweiten Analog- Digital-Wandlers (30) mit einem Abtastrate-Steuerungs eingangsanschluß des zweiten Analog-Digital-Wandlers (30) zur Synchronisation der Rate verbindet, bei der der zweite Analog-Digital-Wandler (30) den Wechselstrom in der Energieleitung (16) abtastet.

21. Vorrichtung zur Erfassung von Lichtbögen aus einem durch einen Stromsensor (14) zur Erfassung eines Stroms in einer Wechselstrom-Energieleitung (16) erzeugten Signal, mit
einer zentralen Verarbeitungseinheit (20), die an den Stromsensor (14) zum Empfang eines Signals einschließlich eines Grundsignals angeschlossen ist, das den durch den Stromsensor (14) erfaßten Strom darstellt, und
einer Summiereinrichtung (28) mit einem ersten Ein gangsanschluß, der an den Stromsensor (14) angeschlossen ist, und einem Ausgangsanschluß, der an einen Eingangs anschluß der zentralen Verarbeitungseinheit (20) ange schlossen ist, wobei die Summiereinrichtung (28) ausge legt ist, das Grundsignal von dem Stromsensorsignal zu subtrahieren.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, mit einer Abtast- und Halteschaltung (102), die zwischen dem Stromsensor (14) und der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, mit einem Filter (202), der zwischen dem Stromsensor (14) und einem zweiten Eingangsanschluß der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, mit einer Verzögerungs einheit (104), die zwischen der Abtast- und Halteschal tung (102) und der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler (30), der an den Ausgangsanschluß der Summiereinrichtung (28) angeschlossen ist, einer Verringerungseinrichtung (301), die an den Ausgangsan schluß des zweiten Analog-Digital-Wandlers (30) ange schlossen ist, einem Null-Filter (302), der an den Ausgangsanschluß der Verringerungseinrichtung (301) angeschlossen ist, und einer Phasenregelkreis-Schaltung (300), die den Ausgangsanschluß des zweiten Analog- Digital-Wandlers (30) mit einem Abtastrate-Steuerungs eingangsanschluß des zweiten Analog-Digital-Wandlers (30) zur Synchronisation der Rate verbindet, bei der der zweite Analog-Digital-Wandler (30) den Wechselstrom in der Energieleitung (16) abtastet.