JP5837645B2 - 回路遮断器用検出回路 - Google Patents
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Description
本発明は、回路遮断器に関し、特に電圧検出信号又は電流検出信号にノイズが含まれていても目的とする（所望の）交流成分の大きさを正確に判別することのできる回路遮断器用検出回路に関する。
以下、図６〜図８を参照して従来の回路遮断器用検出回路の一例を説明する。
従来の回路遮断器用検出回路の構成例を示すブロック図である図６を参照すると、従来の回路遮断器用検出回路は、交流電源の線路に流れる電圧又は電流を検出して検出信号を出力する検出センサ２０と、検出センサ２０の出力端に接続され、検出センサ２０から出力される電圧又は電流の検出信号のピークレベルを検出するピークレベル検出回路部２１と、ピークレベル検出回路部２１の出力端に接続され、ピークレベル検出回路部２１の出力信号と基準電圧とを比較する比較器２２とを含む。
検出センサ２０により検出される交流電源の線路に流れる電圧又は電流の検出信号は、図７に示すような検出信号Ｖａの波形のように、ノイズの混在により、ＲＭＳ（Root Mean Square）（二乗平均平方根）値の波形を中心に上下に揺らぐ波形となる。
その後、後段のピークレベル検出回路部２１により、検出信号Ｖａから尖頭レベル（ピークレベル）の信号が抽出される。
その後、後段の比較器２２により、尖頭レベルの出力信号と基準電圧とが比較される。比較器２２は、尖頭レベルの出力信号が基準電圧より小さくなければハイレバルの信号を出力し、当該ハイレバルの出力信号は図８に示すような出力信号Ｖｏｕｔの波形となる。
比較器２２からのハイレバルの出力信号Ｖｏｕｔは、図６に示す回路遮断器１０を遮断位置に動作（トリップ動作）させる。
しかし、従来の回路遮断器用検出回路においては、周辺のダイオードやトランジスタのスイッチングノイズなどの多くの高調波ノイズにより図７に示すように歪んだ検出信号Ｖａがそのまま比較器２２で基準電圧と比較され、比較器２２から図８に示すような出力信号Ｖｏｕｔが出力される。従って、回路遮断器の誤動作を引き起こすという問題があった。
そこで、本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、電圧検出信号又は電流検出信号にノイズが含まれていても回路の電圧又は電流を正確に検出することのできる回路遮断器用検出回路を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、回路遮断器用検出回路であって、交流電力回路の電圧又は電流を検出して検出信号を出力する検出センサと、前記検出センサの出力端に接続され、前記検出センサの出力信号の高周波成分を除去して出力するローパスフィルタ回路部と、前記ローパスフィルタ回路部の出力端に接続され、前記ローパスフィルタ回路部の出力信号の直流オフセットを除去して出力するオフセット除去回路部と、前記オフセット除去回路部の出力端に接続され、前記オフセット除去回路部の出力信号を増幅して出力する増幅回路部と、前記増幅回路部の出力信号のほうが基準電圧より小さくなければ、回路遮断器が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力する比較回路部と、前記増幅回路部の出力端に接続され、前記増幅回路部の出力信号から所定周波数の信号間隔で信号をサンプリングして出力するサンプリング回路部とを含む、本発明による回路遮断器用検出回路を提供することにより達成することができる。
本発明の一態様によれば、本発明による回路遮断器用検出回路は、前記ローパスフィルタ回路部の出力端に前記オフセット除去回路部と並列に接続され、前記ローパスフィルタ回路部の出力信号に対するＲＭＳ（二乗平均平方根）信号を出力するＲＭＳ検出回路部をさらに含む。
本発明の他の態様によれば、本発明による回路遮断器用検出回路は、前記ＲＭＳ検出回路部の出力端及び前記オフセット除去回路部の出力端に接続され、前記ＲＭＳ検出回路部の出力信号及び前記オフセット除去回路部の出力信号に基づいて、前記オフセット除去回路部の出力信号が前記ＲＭＳ検出回路部の出力信号より大きいときはハイレバルの出力信号を出力する基準電圧検出回路部をさらに含む。
本発明のさらに他の態様によれば、本発明による回路遮断器用検出回路は、前記基準電圧検出回路部の出力端及び前記サンプリング回路部の出力端に接続され、前記サンプリング回路部の出力信号から周波数成分信号を抽出し、前記抽出された周波数成分信号からパルス幅及び周期に基づいて目的とする周波数の信号を抽出して出力する信号分類回路部をさらに含む。
本発明のさらに他の態様によれば、本発明による回路遮断器用検出回路において、前記比較回路部は、前記基準電圧検出回路部の出力端及び前記信号分類回路部の出力端に接続され、前記信号分類回路部の出力信号のほうが前記基準電圧検出回路部の出力信号より小さくなければ前記回路遮断器が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力するように構成される。
本発明による回路遮断器用検出回路は、電圧検出信号又は電流検出信号にノイズが含まれていても目的とする交流成分の大きさを正確に判別することができ、回路遮断器の誤動作を最小限に抑えることができ、従って、回路遮断器の動作信頼性を向上させることができるという効果を有する。
また、本発明による回路遮断器用検出回路は、ローパスフィルタ回路部を備えるので、電圧検出信号又は電流検出信号から不要な高周波ノイズ信号を除去することができるという効果を有する。
さらに、本発明による回路遮断器用検出回路は、オフセット除去回路部を含むので、検出信号に含まれる直流ノイズ成分を除去することができるという効果を有する。
さらに、本発明による回路遮断器用検出回路は、ＲＭＳ検出回路部を含むので、電圧検出信号又は電流検出信号のＲＭＳ信号を出力することができるという効果を有する。
さらに、本発明による回路遮断器用検出回路は、ＲＭＳ検出回路部の出力端及びオフセット除去回路部の出力端に接続され、オフセット除去回路部の出力信号がＲＭＳ検出回路部の出力信号より大きいときはハイレバルの出力信号を出力する基準電圧検出回路部を含むので、直流ノイズ成分が除去された検出信号が検出信号のＲＭＳ値より大きいときはその時間区間に基準電圧信号を出力することができるという効果を有する。
さらに、本発明による回路遮断器用検出回路は、増幅回路部の出力端に接続されるサンプリング回路部を含むので、増幅回路部の出力信号から所定周波数の信号間隔で信号をサンプリングして出力することができるという効果を有する。
さらに、本発明による回路遮断器用検出回路は、基準電圧検出回路部の出力端及びサンプリング回路部の出力端に接続され、これらの出力端から出力される信号が入力される信号分類回路部を含むので、サンプリング回路部の出力信号から周期を有する周波数成分信号を抽出し、抽出された周波数成分信号からパルス幅及び周期に基づいて目的とする周波数の信号、すなわちパルス幅が短く周期が一定の信号を抽出して出力することができるという効果を有する。
さらに、本発明による回路遮断器用検出回路は、基準電圧検出回路部の出力端及び信号分類回路部の出力端に接続され、これらの出力端から出力される信号が入力される比較回路部を含むので、信号分類回路部の出力信号のほうが基準電圧検出回路部の出力信号より小さくなければ回路遮断器が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力することができるという効果を有する。
前述した本発明の目的とそれを達成する本発明の構成及びその作用効果は、添付図面を参照した本発明の好ましい実施形態についての以下の説明によりさらに明確に理解できるであろう。
以下、図１〜図５を参照して本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路の構成及び動作を説明する。
まず、図１を参照して本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路の構成を説明する。
なお、同図に示す回路遮断器１０は、配線用遮断器、漏電遮断器、気中遮断器、真空遮断器などを含む。
同図に示すように、本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路は、検出センサ２０、ローパスフィルタ回路部（ＬＰＦ）３０、オフセット除去回路部４０、増幅回路部５０及び比較回路部１００を含む。
検出センサ２０は、例えば計器用変圧器、変流器で構成され、交流電力回路の電圧又は電流を検出して検出信号を出力する。
ローパスフィルタ回路部３０は、検出センサ２０の出力端に接続され、検出センサ２０の出力信号の高周波成分を除去して出力する。
オフセット除去回路部４０は、ローパスフィルタ回路部３０の出力端に接続され、ローパスフィルタ回路部３０の出力信号の直流オフセット（すなわち、目的とする交流の周波数成分ではない直流成分）を除去して出力する。例えば、オフセット除去回路部４０は、直流成分を除去して周波数成分のみを後段に伝達するカップリングコンデンサで構成されてもよい。
増幅回路部５０は、オフセット除去回路部４０の出力端に接続され、オフセット除去回路部４０の出力信号を増幅して出力する。
比較回路部１００は、増幅回路部５０の出力信号のほうが基準電圧より小さくなければ、回路遮断器１０が遮断位置（トリップ位置）に動作するように遮断制御信号を出力する。
また、本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路は、サンプリング回路部６０をさらに含んでもよい。
サンプリング回路部６０は、増幅回路部５０の出力端に接続され、増幅回路部５０の出力信号から所定周波数の信号間隔で信号をサンプリングして出力する。
また、本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路は、ＲＭＳ検出回路部８０をさらに含んでもよい。
ＲＭＳ検出回路部８０は、ローパスフィルタ回路部３０の出力端にオフセット除去回路部４０と並列に接続され、ローパスフィルタ回路部３０の出力信号に対するＲＭＳ信号を出力する。
図２を参照すると、直流成分が除去されたオフセット除去回路部４０の出力信号が実線で示す波形である場合、ＲＭＳ検出回路部８０の出力信号は点線で示すサイン波の交流波形となる。
また、本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路は、基準電圧検出回路部９０をさらに含んでもよい。
基準電圧検出回路部９０は、ＲＭＳ検出回路部８０の出力端及びオフセット除去回路部４０の出力端に接続され、ＲＭＳ検出回路部８０の出力信号及びオフセット除去回路部４０の出力信号に基づいて、オフセット除去回路部４０の出力信号がＲＭＳ検出回路部８０の出力信号より大きいときはハイレバルの出力信号を出力する。
図３を参照すると、ＲＭＳ検出回路部８０の出力信号が図２の点線で示す波形であり、オフセット除去回路部４０の出力信号が図２の実線で示す波形である場合、基準電圧検出回路部９０の出力信号は、オフセット除去回路部４０の出力信号がＲＭＳ検出回路部８０の出力信号より大きいときはハイレバルとなる矩形波信号の波形となる。
また、本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路は、信号分類回路部（信号分類器）７０をさらに含んでもよい。
信号分類回路部７０は、基準電圧検出回路部９０の出力端及びサンプリング回路部６０の出力端に接続され、サンプリング回路部６０の出力信号から周波数成分信号を抽出し、抽出された周波数成分信号からパルス幅及び周期に基づいて目的とする周波数の信号を抽出して出力する。
つまり、信号分類回路部７０は、サンプリング回路部６０の出力信号から周期を有する信号を抽出することにより、周波数成分信号を抽出し、抽出された周波数成分信号から目的とする周波数の信号（すなわち、パルス幅が短く周期が一定（例えば、商用交流電流の周波数である６０Ｈｚ）の信号）を抽出する。
目的とする周波数の信号の場合、オフセット除去回路部４０の出力信号は、図４の実線波形で示すように一定の周期を有する。
基準電圧検出回路部９０は、図４において実線で示すオフセット除去回路部４０の出力信号の波形と図４において点線で示すＲＭＳ検出回路部８０の出力信号の波形とを比較し、図５に示すパルス波形のように一定の周期の出力信号を出力する。
本発明の好ましい実施形態によれば、比較回路部１００は、基準電圧検出回路部９０の出力端及び信号分類回路部７０の出力端に接続され、信号分類回路部７０の出力信号のほうが基準電圧検出回路部９０の出力信号より小さくなければ回路遮断器１０が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力する。
図示していないが、回路遮断器１０、とりわけ回路遮断器１０に含まれるトリップ機構は、周知のように、コイル及びアーマチュアを備える電磁石機構で構成され、遮断制御信号に応答して、トリップスプリングを解放して蓄積された弾性エネルギーをトリップ駆動力として与えるトリップ位置に動作するように開閉機構をトリガする。開閉機構がトリップ駆動力を与えることにより、回路遮断器１０において可動接触子が固定接触子から分離され、事故電流（過電流、短絡電流又は漏洩電流）が発生した回路が遮断される。
次に、図１〜図５を参照して前述したように構成される本発明の好ましい実施形態による回路遮断器用検出回路の動作を説明する。
まず、検出センサ２０により、交流電力回路の電圧又は電流を検出して検出信号を出力する。
目的とする６０Ｈｚの商用交流信号を得るためには高周波ノイズ信号を除去しなければならないので、ローパスフィルタ回路部３０により、検出センサ２０の出力信号の高周波成分を除去して出力する。ローパスフィルタ回路部３０から出力される出力信号には、目的とする６０Ｈｚの商用交流信号に隣接する周波数成分、すなわち１２０Ｈｚ、１８０Ｈｚ、２４０Ｈｚの信号が混在して残っている。
その後、オフセット除去回路部４０により、ローパスフィルタ回路部３０の出力信号の直流オフセット（すなわち、目的とする交流の周波数成分ではない直流成分）を除去して出力する。
それと同時に、オフセット除去回路部４０と並列にローパスフィルタ回路部３０の出力端に接続されるＲＭＳ検出回路部８０により、ローパスフィルタ回路部３０の出力信号に対するＲＭＳ信号を出力することで、図２及び図４に点線で示すような正弦波交流信号を抽出する。
その後、増幅回路部５０により、オフセット除去回路部４０の出力信号を増幅して出力する。
それと同時に、基準電圧検出回路部９０により、オフセット除去回路部４０の出力信号がＲＭＳ検出回路部８０の出力信号より大きいときはハイレバルの出力信号を出力することで、矩形波の出力信号を得る（図３参照）。
このとき、サンプリング回路部６０は、増幅回路部５０の出力信号から所定周波数の信号間隔で信号をサンプリングして出力する。
その後、信号分類回路部７０により、サンプリング回路部６０の出力信号から周波数成分信号を抽出し、抽出された周波数成分信号からパルス幅及び周期に基づいて目的とする周波数（例えば、６０Ｈｚ）の信号を抽出して出力する。
その後、信号分類回路部７０の出力信号のほうが基準電圧検出回路部９０の出力信号より小さくない場合、比較回路部１００により、回路遮断器１０が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力する。
これにより、回路遮断器１０、とりわけ回路遮断器１０に含まれるトリップ機構（図示せず）は、遮断制御信号に応答して、開閉機構（図示せず）がトリップ位置に動作するようにトリガする。すると、開閉機構がトリップ駆動力を与えることにより、回路遮断器１０において可動接触子（図示せず）が固定接触子（図示せず）から分離され、事故電流（過電流、短絡電流又は漏洩電流）が発生した回路が遮断され、負荷側に接続された回路と負荷機器を保護する。
１０ 回路遮断器
２０ 検出センサ
３０ ローパスフィルタ回路部
４０ オフセット除去回路部
５０ 増幅回路部
６０ サンプリング回路部
７０ 信号分類回路部
８０ ＲＭＳ検出回路部
９０ 基準電圧検出回路部
１００ 比較回路部
２０ 検出センサ
３０ ローパスフィルタ回路部
４０ オフセット除去回路部
５０ 増幅回路部
６０ サンプリング回路部
７０ 信号分類回路部
８０ ＲＭＳ検出回路部
９０ 基準電圧検出回路部
１００ 比較回路部
Claims (5)
- 回路遮断器用検出回路であって、
交流電力回路の電圧又は電流を検出して検出信号を出力する検出センサと、
前記検出センサの出力端に接続され、前記検出センサの出力信号の高周波成分を除去して出力するローパスフィルタ回路部と、
前記ローパスフィルタ回路部の出力端に接続され、前記ローパスフィルタ回路部の出力信号の直流オフセットを除去して出力するオフセット除去回路部と、
前記オフセット除去回路部の出力端に接続され、前記オフセット除去回路部の出力信号を増幅して出力する増幅回路部と、
前記増幅回路部の出力信号のほうが基準電圧より小さくなければ、回路遮断器が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力する比較回路部と、
前記増幅回路部の出力端に接続され、前記増幅回路部の出力信号から所定周波数の信号間隔で信号をサンプリングして出力するサンプリング回路部と、
前記ローパスフィルタ回路部の出力端に前記オフセット除去回路部と並列に接続され、前記ローパスフィルタ回路部の出力信号に対する二乗平均平方根（ＲＭＳ）信号を出力するＲＭＳ検出回路部と、を含む、回路遮断器用検出回路。 - 前記オフセット除去回路部は、直流成分を除去して周波数成分のみを後段に伝達するカップリングコンデンサで構成される、請求項１に記載の回路遮断器用検出回路。
- 前記ＲＭＳ検出回路部の出力端及び前記オフセット除去回路部の出力端に接続され、前記ＲＭＳ検出回路部の出力信号及び前記オフセット除去回路部の出力信号に基づいて、前記オフセット除去回路部の出力信号が前記ＲＭＳ検出回路部の出力信号より大きいときはハイレバルの出力信号を出力する基準電圧検出回路部をさらに含む、請求項１に記載の回路遮断器用検出回路。
- 前記基準電圧検出回路部の出力端及び前記サンプリング回路部の出力端に接続され、前記サンプリング回路部の出力信号から周波数成分信号を抽出し、前記抽出された周波数成分信号からパルス幅及び周期に基づいて目的とする周波数の信号を抽出して出力する信号分類回路部をさらに含む、請求項３に記載の回路遮断器用検出回路。
- 前記比較回路部は、前記基準電圧検出回路部の出力端及び前記信号分類回路部の出力端に接続され、前記信号分類回路部の出力信号のほうが前記基準電圧検出回路部の出力信号より小さくなければ前記回路遮断器が遮断位置に動作するように遮断制御信号を出力するように構成される、請求項４に記載の回路遮断器用検出回路。
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