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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung für einen elektrischen Verbraucher, wie z B Auswert-Elektronik, aus dem einen stromdurchflos- senen Leiter umgebenden Magnetfeld, umfassend einen Stromwandler, dessen Primärwicklung durch den stromdurchflossenen Leiter gebildet ist und dessen Sekundärwicklung ein Gleichrichter und über eine Diode ein Speicherkondensator sowie eine, die am Speicherkondensator anliegende Versorgungsspannung regelnde Regelschaltung nachgeschaltet sind.
Zur Strommessung in elektrischen Leitungen werden vermehrt Rogowskywandler eingesetzt.
Das Messsignal dieser Wandler ist eine Spannung, die dem Integral des zu messenden Stromes entspricht und im allgemeinen nur einige 100mV/kA gross ist.
Eine derartige Strommess-Einrichtung wird beispielsweise in der DE-A1-17 91 011 beschrieben: Diese weist eine Spule auf, durch welche der zu vermessende Leiter hindurch geführt ist. Der Wickelkörper dieser Spule weist einen Hohlraum auf, innerhalb welchem die Rückführung des Leiters verläuft.
Das dem zu messenden Strom proportionale Signal wird mit elektronischen Mitteln, vornehm- lich mit Microcontroller-Schaltungen, konditioniert und entweder direkt vor Ort ausgewertet oder einer extern liegenden Anzeige und Auswerteinheit zugeführt. Die zur Konditionierung notwendige, unmittelbar an der Messstelle liegende Elektronik benötigt eine autonome Spannungsversorgung.
Bei der Konstruktion einer für diese Spannungsversorgung geeigneten Schaltung sind folgende Gegebenheiten zu berücksichtigen:
Der Spannungsbereich jenes Leiters, der den zu messenden Strom führt, ist relativ gross und kann von 100V bis einige kV# reichen. Damit die Spannungsversorgungs-Schaltung und mit ihr die gesamte Auswert-Elektronik und in weiterer Folge der Rogowskywandler unabhängig von der am Leiter anliegenden Spannungshöhe eingesetzt bzw. problemlos von einem Leiter mit erster Spannungslage auf einen Leiter mit zweiter Spannungslage versetzt werden kann, entnimmt man die zur Erzeugung der Versorgungsspannung erforderliche Hilfsenergie aus dem Magnetfeld (H- Feld), das den Leiter bei Stromfluss umgibt.
Hierfür werden vom Messwandler verschiedene Stromwandler verwendet, bei welchen -wie bereits eingangs angeführt- die Primärwicklung durch den stromdurchflossenen Leiter gebildet ist und deren Sekundärstrom gleichgerichtet und einem Speicherkondensator zugeführt wird.
Zwischen der Gleichrichterbrücke und dem Speicherkondensator liegt eine weitere Diode und parallel zur Brücke ein Schalttransistor, der von einem Komparator angesteuert wird. Erreicht der Kondensator zufolge des Stromflusses die Sollspannung, schaltet der Komparator den Transistor auf Kurzschluss, wodurch die Ladung des Kondensators beendet ist, aber der Transistor den gesamten Wandlerstrom tragen muss.
So wie die am Leiter anliegende Spannung stark variieren kann, kann auch der zu vermes- sende Strom in einem relativ grossen Bereich schwanken, beispielsweise liegt das Verhältnis vom minimalen Messstrom zum maximalen Messstrom bei < 1:300 und das Verhältnis vom minimalen Messstrom zum möglichen Kurzschlussstrom, den die Messsonde samt Spannungsversorgung unbe- schadet überstehen muss bei 1.3000.
Spannungsversorgungs-Schaltungen der eben erörterten Art wurden beispielsweise durch folgende Dokumente bekannt:
Die EP-A2-288 998 beschreibt eine Anordnung zur Messung der in einem Leiter herrschenden Stromstärke. Als Messsensor wird hier eine Rogowsky-Spule mit entsprechender Auswertschaltung eingesetzt. Die Versorgungsspannung für diese Auswertschaltung wird aus dem vom zu messen- den Strom erzeugten Magnetfeld gewonnen (vgl. Ringkern und Spule sowie Gleichrichter und Regler).
Der Ringkern ist so zu dimensionieren, dass er bei niedrigen Strömen eine ausreichend hohe Spannung produziert, dass er aber bei sehr hohen Strömen im Leiter (z. B bei Kurzschlussströmen) in magnetische Sättigung geht, damit das mit einem hohen Strom verbundene starke Magnetfeld keine zu hohe, die Auswertschaltung beschädigende Spannung in der Spule induzieren kann. Hier- aus geht hervor, dass der Ringkern bei niedrigen Strömen nicht in der magnetischen Sattigung betrieben wird.
Auch die US-PS-5 552 978 bezieht sich auf eine Schaltung zur Messung der Stromstärke in einem Leiter, bei welcher der Stromsensor durch eine Rogowsky-Spule gebildet ist. Die Versor- gungsspannung für die der Rogowsky-Spule nachgeschaltete Auswertschaltung wird ebenfalls aus
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dem Magnetfeld des Stromes im Leiter erzeugt. Dazu ist diesen Leiter umgebend ein Ringkern vorgesehen, auf welchen eine Spule gewickelt ist. Diese Spule ist mit einem Brückengleichrichter verbunden, welchem über eine Diode ein Speicherkondensator nachgeschaltet ist. Zur Regelung der am-dem Speicherkondensator nachgeschalteten- Widerstand anstehenden Versorgungsspan- nung sind hier Kurzschlusskontakte vorgesehen, welche von Schwellwertschaltern angesteuert werden.
Diese Kurzschlusskontakte dienen zur Ab- und Ankopplung der am Gleichrichter anstehen- den Spannung an den Speicherkondensator.
Die Problematik mit hohen Strömen in der zu vermessenden Leitung wird hier dadurch gelöst, dass zwei Windungen mit unterschiedlichen Windungszahlen auf den Kern aufgebracht sind, wobei in Abhängigkeit von der gerade gegebenen Stromstärke mittels eines Umschalters die eine oder die andere Windung mit dem Gleichrichter verbunden wird. Angaben betreffend die Dimensionie- rung des Ringkernes werden in der US-PS-5 552 978 nicht gemacht.
Das dt. Gebrauchsmuster DE-U1-298 10 541 zeigt eine auf eine Stromschiene aufgesteckte Wandlerkombination. Diese Wandlerkombination dient dazu, einerseits den in der Schiene fliessen- den Strom zu detektieren und andererseits aus dem Magnetfeld dieses Stromes die Versorgungs- spannung für die Auslöseeinheit eines Leistungsschalters zu erzeugen. Der Sensor zur Stromde- tektion ist auch hier durch eine Rogowsky-Spule gebildet. Der Energiewandler zur Erzeugung der Versorgungsspannung umfasst einen Eisenkern sowie zwei auf diesen Eisenkern aufgebrachte Teilwicklungen. Als Besonderheiten stellt die DE-U1-298 10 541 das Aufteilen der Energiewandler- Wicklungen auf zwei Teilwicklungen sowie die Tatsache dar, dass die Rogowsky-Spule diese Teil- wicklungen umschliessend angeordnet ist.
Der wesentliche Nachteil der erörterten Methode, aus dem Magnetfeld des Leiters Energie zur Spannungsversorgung auszukoppeln, ist, dass im vom Sekundärstrom durchflossenen Stromkreis, wegen der hohen Stromvariation im Lastkreis (beim kleinsten Messstrom muss schon voll gemessen werden können, beim um den Faktor 3000 grösseren Kurzschlussstrom muss noch gemessen werden können) sehr hohe Verluste auftreten, die in einem krassen Missverhältnis zur Nutzleistung stehen. Es geht hierbei weniger um den Energieverlust, sondern vielmehr um die Erwärmung der
Messeinrichtung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Versorgungs- spannung der eingangs angeführten Art anzugeben, bei welcher diese Energieverluste zuverlässig reduziert werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Stromwandler durch sämtliche im Leiter zu erwartenden Stromstärken in seine magnetische Sättigung steuerbar ist und dass dem Gleich- richter eine Drossel vorgeschaltet ist.
Während bei der obenstehend erläuterten bekannten Schaltungsanordnung die Verlustleistung nur durch den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung begrenzt bzw. an diesem Widerstand zur Gänze in Wärme umgesetzt wird, ist beim erfindungsgemässen Schaltungsaufbau die Verlust- leistung auch durch den Blindwiderstand der Drossel begrenzt. Damit wird die im Sekundärkreis auftretende Verlustleistung etwa um den Faktor 10 reduziert. Darüber hinaus wird diese bereits reduzierte Verlustleistung nicht nur durch den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung, sondern auch durch den Blindwiderstand der Drossel abgebaut. Die an der Drossel abgebaute
Verlustleistung ist aber Blindleistung, welche zu keiner Erwärmung der Spannungsversorgungsein- richtung führt.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wicklung der Drossel durch die Sekundärwicklung des Stromwandlers gebildet ist, welche
Sekundärwicklung gleichzeitig um den Stromwandler-Kern und einen weiteren Magnetkern gewik- kelt ist.
Damit wird auf sehr einfache Weise vermieden, dass die bei hohen Strömen durch den Leiter 2 auftretenden hohen Stromanstiegsraten di/dt zu hohen Spitzenspannungen an der Stromwandler-
Sekundärwicklung führen.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der weitere Magnetkern zumindest einen Luftspalt aufweist.
Durch Veränderung der Grösse dieses Luftspaltes kann in besonders einfacher Weise die
Induktivität der Drossel eingestellt bzw. an geänderte Bedingungen angepasst werden
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen
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näher erörtert. Dabei zeigt:
Fig.1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanord- nung ;
Fig.2a,b die an der Sekundärwicklung des Stromwandlers M anliegende Spannung um bzw. den durch diese Sekundärwicklung 4 fliessenden Strom im Zeitablauf, jeweils bei einem kleinen Strom durch den Leiter 2;
Fig. 3a,b die Spannungs- bzw Stromverläufe gemäss Fig.2, jeweils bei einem grossen Strom durch den Leiter 2 und
Fig.4 das Schaltbild einer zweiten, besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemässen Schaltungsanordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung UA für einen elektrischen Verbraucher umfasst im wesentlichen den Stromwandler M, dessen Primär- wicklung durch einen stromdurchflossenen Leiter 2 gebildet ist. Im Sekundärkreis dieses Strom- wandlers M sind angeordnet, d. h. der Sekundärwicklung 4 dieses Stromwandlers M nachge- schaltet, die Baugruppen Gleichrichter 6 (hier gebildet durch eine Graetz-Schaltung) und über eine Diode 7 ein Speicherkondensator 8 sowie eine Regelschaltung 9, welche die am Speicherkonden- sator 8 anliegende Versorgungsspannung UA regelt.
Für die Erläuterung der Funktion dieser Schaltungsanordnung sei vorläufig die Drossel L nicht eingebaut, d. h. durch einen Kurzschluss ersetzt. Diese, also ohne die Drossel L ausgeführte, Schaltungsanordnung ist-wie bereits in der Einleitung angeführt- Stand der Technik und funktio- niert wiederholend gesagt so, dass die vom Magnetfeld des Wechselstromes im in der Sekun- därwicklung 4 induzierte Spannung vom Gleichrichter 6 gleichgerichtet und über die Diode 7 an den Speicherkondensator 8 gelegt wird.
Die Regelschaltung 9 besteht im wesentlichen aus einem Komparator 91, dessen Ausgang einen Transistor 92 ansteuert. Dieser Transistor 92 ist mit den Gleichspannungspolen des Gleich- richters 6 verbunden und kann diese bei entsprechender Ansteuerung durch den Komparator 91 kurzschliessen. An den ersten Eingang des Komparators 91 ist eine der Soll-Versorgungsspannung proportionale Referenzspannung angeschlossen. Diese Referenzspannung wird gemäss Fig.1 mittels einer Serienschaltung aus Widerstand 93 und Z-Diode 94 erzeugt, welche Serienschaltung mit dem Speicherkondensator 8 verbunden ist. Die Verbindungsleitung zwischen Widerstand 93 und Z-Diode 94 ist an den ersten Eingang des Komparators 91 geführt.
An den zweiten Eingang des Komparators 91 ist eine der momentan vorliegenden Versor- gungsspannung UA proportionale Spannung angelegt, die mittels des aus den Widerständen 95,96 bestehenden Spannungsteilers erzeugt wird. Erreicht die aktuelle Versorgungsspannung ihren Sollwert, ändert der Komparator 91 den Pegel seiner Ausgangsspannung so, dass der Transistor 92 leitend wird und damit den Gleichrichterausgang kurzschliesst. Der von der Last gezogene Versor- gungsstrom IL wird nun solange vom Speicherkondensator 8 bezogen, bis dessen Spannung unter die Soll-Versorgungsspannung abgesunken ist Der Komparator 91 schaltet dann den Transistor 92 wieder aus, sodass der Gleichrichter 6 Strom an den Speicherkondensator 8 und der parallel zu diesem geschalteten Last liefern kann.
Diese Schaltungsanordnung erlaubt es zusammenfassend also, die Versorgungsspannung UA aus dem Magnetfeld, das den stromdurchflossenen Leiter 2 umgibt, zu erzeugen. Bevorzugtes
Einsatzgebiet für derartige Schaltungsanordnungen ist die Erzeugung einer Versorgungsspannung für die Auswertelektronik eines Rogowskywandlers. Auf dieses Einsatzgebiet wird auch in der nachstehenden Erläuterung der Erfindung Bezug genommen, was aber nicht als Einschränkung der Erfindung auf dieses Anwendungsgebiet zu verstehen ist
Die gegenständliche Erfindung liegt in der Dimensionierung des Stromwandlers M sowie im gleichzeitigen Vorsehen der Drossel L, welche dem Gleichrichter 6 vorgeschaltet ist.
Der Strom- wandler M ist erfindungsgemäss so ausgelegt, dass er durch sämtliche im Leiter 2 zu erwartenden
Stromstärken, d. h. bereits durch die kleinste Stromstärke, bei welcher eine ausreichend hohe
Versorgungsspannung UA erzeugt werden muss, in seine magnetische Sättigung gesteuert wird.
Diese kleinste Stromstärke, die eine ausreichend hohe Versorgungsspannung UA erfordert, ist beim bevorzugten Anwendungsgebiet durch die untere Messbereichsgrenze des Rogowskywand- lers festgelegt.
Der Stromwandler M muss (durch entsprechende Auswahl der magnetischen Eigenschaften
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des Kernes, dessen geometrischen Abmessungen, der Windungszahl der Sekundärwicklung usw. ) so dimensioniert sein, dass sein Sattigungsfluss #max # #udt beim kleinsten zu messenden Strom gerade gross genug ist, um die Nennspannung UA an der Last zu liefern. Da der Stromwandler M wie erörtert in seinem gesamten Betriebsbereich, d. h. von jedem Primärstrom im in die mag- netische Sättigung getrieben wird, bleibt die übertragene Spannungszeitfläche ( fudt) stets, d.h. unabhängig von der Höhe des Stromes IM konstant.
Diese Funktion der Übertragung einer konstanten Spannungszeitfläche geht besser aus den Diagrammen der Fig. 2 und 3 hervor:
Für den Bereich kleiner IM stellt die Drossel L lediglich einen induktiven Widerstand dar. Die übertragene Spannungszeitfläche #udt teilt sich, wie in Fig. 2a dargestellt, auf die Drossel L (A1) und die dazu in Serie liegende übrige Beschaltung, i.w.F. als "Last" bezeichnet, (B1) auf Bei grösseren Strömen IM (vgl.Fig.3a,b) bekommt zwar die Sekundärspannung UM einen steileren Verlauf (da u - di/dt; bei Strömen mit grösserer Amplitude, aber gleicher Kurvenform ist di/dt grösser), jedoch bleibt auch hier, wegen der Aussteuerung des Stromwandlerkernes in die Sättigung, die übertragene Spannungszeitfläche #udt konstant.
Durch die Drossel L wird diese konstante Spannungszeitfläche #udt in einen konstanten, d. h. von der Höhe des Stromes IM unabhängigen Scheitelstrom Is umgeformt, da ja I = 1/L. #udt und die Induktivität der Drossel L genauso wie die Spannungszeitfläche konstant ist. Dadurch bleibt auch die von der Primär- auf die Sekundärseite des Stromwandlers M übertragene Energie W = Is2*L stark begrenzt.
Da sicn 2 die maximal übertragbare Spannungszeitfläche #udt beim kleinsten Primärstrom IM zwischen der Last und der Drossel L aufteilt, steigt die übertragene Energie bei hoheren Primär- stromen IM noch an, da sich die Spannungszeitfläche #udt in Richtung Drossel L verschiebt. Die maximal übertragbare Energie ist jedoch bei jenem Wert begrenzt, bei dem die gesamte Span- nungszeitfläche #udt an der Drossel L liegt.
Die der Wandter-Drosselkombination nachgeschaltete Regelschaltung 9 sorgt in der bereits erörterten Weise dafür, dass die am Speicherkondensator 8 anliegende Versorgungsspannung UA nicht zu hoch wird. Die Überschussenergie wird in den Widerstanden in Warme umgesetzt.
An der Drossel L entstehen bei einer Schaltungsanordnung gemass Fig. 1 zufolge der hohen di/dt-Werte bei hohen Messströmen IM, insbesonders bei nichtsinusförmigen Strömen, hohe Scheitelspannungen.
Diese können dadurch vermieden werden, dass die Drossel L in den Stromwandler M integriert wird, worin eine besonders bevorzugte und in Fig 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung liegt.
Konkret besteht diese Integration darin, dass die Wicklung der Drossel L durch die Sekun- därwicklung 4 des Stromwandlers M gebildet ist. Die Sekundärwicklung 4 ist dabei nicht nur um den Stromwandler-Kern 1, sondern gleichzeitig um einen weiteren Magnetkern 3 gewickelt.
Der Kern 1 bildet den als Sättigungswandler arbeitenden Stromwandler M, durch den die Stromschiene 2 hindurchgeführt ist. Der Magnetkern 3 bildet mit der Stromwandlerwicklung 4 die Drossel L und ist vorzugsweise mit zumindest einem Luftspalt 5 versehen, über die Dimen- sionierung welchen Luftspaltes 5 der Induktivitätswert der Drossel L eingestellt werden kann.
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Genauso wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 versucht hier ein Strom IM mit hoher Änderungsrate di/dt in der Stromwandlersekundärwicklung 4 eine hohe Spannung zu induzieren.
Da die dem Magnetkreis 3 zugeführte Spannungszeitfläche #udt bedingt durch den Sättigungsfluss
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des Kernes 1 begrenzt ist, ergibt sich in der Wicklung 4 ein Is L3 wobei L3
L3 die vom Magnetkern 3 vorgegebene Induktivität der Drossel L ist.
Da hier die Änderungen des Stromes IM nicht ungehindert Spannungen in Wicklungen induzieren können, entstehen bei angeschlossener Elektronik keinerlei Überspannungen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung (UA) für einen elektn- chen Verbraucher, wie z.B. Auswert-Elektronik, aus dem einen stromdurchflossenen Leiter (2) umgebenden Magnetfeld, umfassend einen Stromwandler (M), dessen Primärwicklung durch den stromdurchflossenen Leiter (2) gebildet ist und dessen Sekundärwicklung (4) ein Gleichrichter (6) und über eine Diode (7) ein Speicherkondensator (8) sowie eine, die am Speicherkondensator (8) anliegende Versorgungsspannung (UA) regelnde Regel- schaltung (9) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (M) durch sämtliche im Leiter (2) zu erwartenden Stromstärken in seine magnetische Sättigung steuerbar ist und dass dem Gleichrichter (6) eine Drossel (L) vorgeschaltet ist.