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公開番号2024149640
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-18
出願番号2024126082,2021569078
出願日2024-08-01,2020-05-18
発明の名称インテリジェント回路遮断器
出願人アンバーセミコンダクター,インク.
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02H 3/08 20060101AFI20241010BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】信頼性の高い回路遮断器を提供する。
【解決手段】
回路遮断器は、電気機械スイッチ、電流センサ、電圧センサ、およびプロセッサを含む。電気機械スイッチは、回路遮断器の線路入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されており、スイッチ閉鎖状態またはスイッチ開放状態にされるように構成されている。電流センサは、線路入力端子と負荷出力端子との間の電路に流れる電流の大きさを検知し、かつ電流検知信号を生成するように構成されている。電圧センサは、線路入力端子と負荷出力端子との間の電路上の点における電圧の大きさを検知し、かつ電圧検知信号を生成するように構成されている。プロセッサは、電流検知信号および電圧検知信号を受信し、処理して、回路遮断器の動作ステータス情報を判定し、かつ負荷出力端子に接続された負荷の電力使用情報を判定するように構成されている。
【選択図】図3B
特許請求の範囲【請求項１】
回路遮断器であって、
前記回路遮断器の線路入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されており、（ｉ）スイッチ閉鎖状態および（ｉｉ）スイッチ開放状態のうちの１つにされるように構成された、電気機械スイッチと、
前記線路入力端子と前記負荷出力端子との間の電路に流れる電流の大きさを検知し、かつ電流検知信号を生成するように構成された、電流センサと、
前記線路入力端子と前記負荷出力端子との間の前記電路上の点における電圧の大きさを検知し、かつ電圧検知信号を生成するように構成された、電圧センサと、
前記電流検知信号および前記電圧検知信号を受信し、処理して、前記回路遮断器の動作ステータス情報を判定し、かつ前記負荷出力端子に接続された負荷の電力使用情報を判定するように構成された、プロセッサと、を備える、回路遮断器。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記プロセッサに結合された無線周波数送受信機をさらに備え、無線周波数送受信機が、前記動作ステータス情報および電力使用情報をリモートコンピューティングノードに伝送するように、かつ前記プロセッサによって処理するために前記リモートコンピューティングノードから伝送されたリモート制御コマンドを受信するように構成されている、請求項１に記載の回路遮断器。
【請求項３】
前記電圧センサが、
前記電気機械スイッチの上流の前記電路に結合されており、電源入力端子に印加されたＡＣ供給電圧の大きさを検知するように構成された、第１の電圧センサと、
前記電気機械スイッチの下流の前記電路に結合されており、前記負荷出力端子に接続された負荷の負荷電圧の大きさを検知するように構成された、第２の電圧センサと、を備える、請求項１に記載の回路遮断器。
【請求項４】
前記電流センサが、過電流状態を検出し、前記検出された過電流状態を示す制御信号を生成し、前記制御信号を前記プロセッサに出力して、前記プロセッサに前記過電流状態を通知するように構成されている回路機構を備える、請求項１に記載の回路遮断器。
【請求項５】
前記電流センサが、プログラム可能な過電流閾値に基づいて前記過電流状態を検出する、請求項４に記載の回路遮断器。
【請求項６】
前記過電流閾値が、電流デジタルアナログ変換器によって生成され、かつ前記電流センサの比較器の入力に印加される基準閾値電流を含む、請求項５に記載の回路遮断器。
【請求項７】
前記電気機械スイッチが、エアギャップ電磁スイッチを含む、請求項１に記載の回路遮断器。
【請求項８】
前記プロセッサが、差し迫った障害事象を示すセンサデータに応答して前記エアギャップ電磁スイッチを開放させるためのスイッチ制御信号を生成する、請求項７に記載の回路遮断器。
【請求項９】
前記プロセッサから出力されたスイッチ制御信号に応答して前記回路遮断器内に内部短絡を生成するように構成されている内部短絡スイッチをさらに備え、前記内部短絡が、（ｉ）前記電気機械スイッチをトリップさせること、および（ｉｉ）前記回路遮断器のヒューズを溶断させることのうちの１つのために生成される、請求項１に記載の回路遮断器。
【請求項１０】
前記電流センサが、エネルギーメータリング回路機構を備え、前記エネルギーメータリング回路機構が、前記回路遮断器を流れる検知された電流に基づいてエネルギー使用データを生成し、かつ前記エネルギー使用データを分析のために前記プロセッサに出力するように構成されている、請求項１に記載の回路遮断器。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、以下の出願、（ｉ）２０１９年５月１８日に出願された米国特許仮出願第６２／８４９，８４７号、（ｉｉ）２０１９年１２月１９日に出願された、ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒｓという名称の米国特許出願第１６／７２０，４４６号、（ｉｉｉ）２０１９年１２月１９日に出願された、ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒｓｗｉｔｈＳｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＢｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＳｗｉｔｃｈｅｓという名称の米国特許出願第１６／７２０，５０６号、（ｉｖ）２０１９年１２月１９日に出願された、ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒｓｗｉｔｈＡｉｒ－ＧａｐａｎｄＳｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＳｗｉｔｃｈｅｓという名称の米国特許出願第１６／７２０，４８５号、（ｖ）２０１９年１２月１９日に出願された、ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒｓｗｉｔｈＤｅｔｅｃｔｉｏｎＣｉｒｃｕｉｔｒｙＣｏｎｆｉｇｕｒｅｄｔｏＤｅｔｅｃｔＦａｕｌｔＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓという名称の米国特許出願第１６／７２０，５３３号、および（ｖｉ）２０１９年１２月１９日に出願された、ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒｓｗｉｔｈＶｉｓｕａｌＩｎｄｉｃａｔｏｒｓｔｏＰｒｏｖｉｄｅＯｐｅｒａｔｉｏｎａｌＳｔａｔｕｓという名称の米国特許出願第１６／７２０，５８３の各々に対する優先権を主張し、これらの開示はすべて参照により本明細書に完全に組み込まれる。
続きを表示（約 3,000 文字）【０００２】
本開示は、概して、電力制御システムおよびデバイスに関し、特に、障害状態に起因する損傷から分岐回路を保護するための回路遮断器デバイスおよびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気回路遮断器は、配電システムにおいて本質的な構成要素である。一般に、回路遮断器は、所与の建物または住宅構造内の複数の下流分岐回路に外部電源システムの高電流電源供給線を分割する配電パネル（例えば、回路遮断器パネル）に配設される。各回路遮断器は、入ってくる高電流電源供給線と分岐回路の対応する１つとの間に接続されて、分岐回路導体および分岐回路に対する電気負荷を過電流状態にさらされることから保護する。過負荷状態および障害状態を含む、いくつかのタイプの過電流状態がある。過負荷状態は、通常の全負荷定格を超える機器、または電流容量を超える分岐回路として定義され、過負荷が十分な期間続くと、損傷または危険な過熱を引き起こす。障害状態は、障害のインピーダンスに応じて、通常、過負荷よりもはるかに高い過電流状態を生じる、意図しないまたは偶発的な負荷状態を含む。最大過電流状態を生じる障害は、短絡または「ボルテッド障害（ｂｏｌｔｅｄｆａｕｌｔ）」と称される。
【０００４】
従来の回路遮断器は、本来、電気機械なものであり、オペレータレバーの手動介入によって物理的に分離された、または障害状態または長時間の過電流状態の発生時に自動的に分離された電気接点を有しており、自動的に分離される場合、回路遮断器は、「トリップした」と見なされる。回路遮断器の電気接点の分離は、電磁的もしくは電気機械に、または両方の組み合わせによって行われ得る。
【０００５】
従来の回路遮断器の重要な問題は、回路遮断器の電気機械構造に起因して、回路遮断器が障害状態に反応するのが遅いことである。従来の回路遮断器は、典型的には、障害状態を分離するために少なくとも数ミリ秒を必要とする。反応時間が遅いと、ボルテッド障害が十分に迅速に分離されない場合に短絡箇所で発生する可能性がある、有害な火災、電気機器の損傷、およびアークフラッシュの危険性が高まるため、望ましくない。アークフラッシュは、短絡状態を生じる導体の電気的爆発である。アークフラッシュでのエネルギー放出は、端子で３５，０００°Ｆを超える温度を生成し、これにより、金属導体を急速に気化させ、溶融金属をブラストするとともに、プラズマを膨張させて極端な力で外側に排出し得る。したがって、アークフラッシュは、生命、財産、および電気機器にとって、特に、ガス漏れのリスクが著しい産業環境および住宅環境で、極めて有害である。
【０００６】
従来の回路遮断器は、障害の分離が遅いことに加えて、障害または長時間の過電流状態に応答して、トリップまでの時間と電流トリップ限界との両方において大きな変動を呈する。この変動は、主に、回路遮断器デバイスの電気機械設計の制限、および、取り付け応力および温度変動などの物理的要因の影響に起因する。トリップまでの時間および電流トリップ限界の変動自体は、デバイスが、同じタイプであり、同じ定格を有し、かつ同じ製造者製であっても、デバイスによって相違し得る。
【０００７】
従来の回路遮断器は、回路遮断器がトリップされると高い分離能力を提供する。しかしながら、これらの回路遮断器の遅い反応時間、精度の欠如、および高次の変動性は、いずれも、非常に望ましくない特徴である。反応時間の遅さが、アークフラッシュの可能性に対する不十分な保護をもたらすだけでなく、高次の変動性および精度の欠如が、複雑なシステム内の複数の回路遮断器間の協調をほとんど不可能にする。
【０００８】
保護デバイスとして、回路遮断器は、障害電流が回路遮断器トリップ電流定格を大きく超える場合でも、外部供給回路から障害を分離することができ、それによって内部の単一の障害点から保護しなければならない。回路遮断器のアンペア遮断容量（ＡＩＣ）定格は、回路遮断器デバイスの負荷側に障害が適用されたときに回路遮断器デバイスが安全にクリアする最大障害電流（アンペア単位）を示す。回路遮断器デバイスのＡＩＣ定格は、回路遮断器デバイスの障害なしで回路遮断器デバイスによって遮断され得る最大障害電流を表す。ＡＩＣ定格は、極めて高いレベルの短絡保護を要求し、国内の回路遮断器は、１０，０００アンペア以上を定格とすることが多い。
【０００９】
従来の回路遮断器は、外部電源を負荷から遮断するかもしくは分離するためのスマート意思決定に基づく機能性を実装しないか、またはそれ以外に電圧および／もしくは電流などの電力の成分を監視もしくは測定し、電圧および／もしくは電流の測定および計算に基づいてインテリジェントな意思決定を行う。対照的に、従来の回路遮断器は、磁力、または別異の熱膨張パラメータを有する金属を有するバイメタル素子の膨張によって生成される機械的な力によって回路遮断器をトリップさせる電気機械構成要素に基づいて、過剰な負荷電力需要（例えば、電流過負荷、短絡）から保護するように動作する。インテリジェントなトリップ動作の欠如、および配電環境で作り出される粗野な力への依存は、過度のアーキング、遅いトリップ応答時間、および危険なほど高い内部動作温度などの過度の電力状態をもたらし得る。従来の回路遮断器が、フック、ばねなどのトリップを起こす機械部品に依存することは、火災の危険、デバイスの非信頼性、ならびに人命および財産の潜在的な損失に関して、災害の潜在性を増加させる。住宅または建物内の電気火災の一般的な原因は、信頼できない、障害のある電気機械保護デバイスおよび回路遮断器の結果であることが知られている。よって、従来の電気機械／熱磁気回路遮断器／保護デバイスの使用を排除し、かつ保護デバイスのより信頼性が高く効率的なソリューションを実装することが、回路遮断器および保護デバイス業界において望まれ、必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
本開示の実施形態は、インテリジェント回路遮断器、ならびにインテリジェント回路遮断器を実装するためのシステムおよび方法を含む。例えば、一実施形態は、回路遮断器を含む。回路遮断器は、電気機械スイッチ、電流センサ、電圧センサ、およびプロセッサを備える。電気機械スイッチは、回路遮断器の線路入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されており、（ｉ）スイッチ閉鎖状態および（ｉｉ）スイッチ開放状態のうちの１つにされるように構成されている。電流センサは、線路入力端子と負荷出力端子との間の電路に流れる電流の大きさを検知し、かつ電流検知信号を生成するように構成されている。電圧センサは、線路入力端子と負荷出力端子との間の経路上の点における電圧の大きさを検知し、かつ電圧検知信号を生成するように構成されている。プロセッサは、電流検知信号および電圧検知信号を受信し、処理して、回路遮断器の動作ステータス情報を判定し、かつ負荷出力端子に接続された負荷の電力使用情報を判定するように構成されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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