DE19953354A1 - Auf einer Korrellation beruhende Lichtbogenerfassungsanordnung für Ausschalter - Google Patents
Auf einer Korrellation beruhende Lichtbogenerfassungsanordnung für AusschalterInfo
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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
fsamp = mf0 = 6 kHz.
falls f0 = 60 Hz und m = 100, dann beträgt die Abtastfrequenz
fsamp = 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 (25)
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.
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.
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.
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.
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