AT501640A1 - POWER RECORDING WITH OSCILLATOR - Google Patents

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AT501640A1
AT501640A1 AT4642005A AT4642005A AT501640A1 AT 501640 A1 AT501640 A1 AT 501640A1 AT 4642005 A AT4642005 A AT 4642005A AT 4642005 A AT4642005 A AT 4642005A AT 501640 A1 AT501640 A1 AT 501640A1
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Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
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Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
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Description

       

  Stromerfassung mit Oszillator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Strömen bzw. Vorrichtungen zur Stromerfassung, bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitspunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird.
LC Oszillatoren dienen zum Erzeugen einer Sinusschwingung. Das Prinzip ist seit langem bekannt. Sie bestehen grob gesagt aus einem Verstärkervierpol und einem Rückkoppelvie[phi]ol. Durch richtige Dimensionierung kommt es zum Entstehen einer von der Resonanzfrequenz des LC Kreises, typischerweise als Parallelschwingkreis ausgeführt, abhängigen Schwingfrequenz.

   Führt man nun auf der Schwingspule L eine weitere Wicklung ein - das kann auch nur das Durchstecken einer Leitung bei einer auf einem Ringkern gewickelten Spule sein - und schickt über diese Wicklung Strom, so verändert sich die Schwingfrequenz. Die Frequenz des Oszillators wird im Wesentlichen durch die wirksame Kapazität und die
verwendete Induktivität gemäss /( ) = I festgelegt. Man kann so recht einfach
2[pi] L(i) -C niederfrequente oder sogar Gleichströme erfassen, indem man die Frequenzveränderung analysiert. Der niederfrequente Strom verursacht eine Frequenzmodulation. Die Amplitude beeinflusst den auftretenden Frequenzhub. Die Auswertung kann durch eine Frequenzdemodulation mit einer PLL erfolgen.
Eine etwas andere Methode ist im folgenden geschildert.

   Der Strom durch die Messwicklung verursacht ein Frequenzänderung des Oszillators. Über eine Hilfswicklung mit deutlich mehr Windungen als die Messwicklung, die ja auch nur aus der durchgesteckten Leitung mit dem zu messenden Strom bestehen kann, wird ein entsprechend kleinerer gegensinniger Strom in der Grösse eingespeist, dass die Frequenz gleich der ursprünglichen ohne Messstrom ist. Die Grösse dieses Kompensationsstroms ist proportional dem zu messenden Strom. Dazu ist als Referenzfrequenz die Oszillatorfrequenz, die ohne Stromfluss durch die Messwindung/en auftritt, zu verwenden.

   Die Frequenzdifferenz zur Referenzfrequenz wird durch einen Phasendetektor erfasst, dessen Ausgangssignal wird einem Regler mit integrierendem Anteil zugeführt, dessen Ausgangssignal nach einer eventuellen Leistungsverstärkung in die Hilfswicklung gespeist wird.
P69/fh/12.3.2005/19.3.05 Um eine starke Abhängigkeit der Induktivität und daher der Frequenz vom Messstrom zu erzielen, kann man einen entsprechend geformten Luftspalt in den Magnetkreis einbauen. Die Kernmaterialien haben einen über den Querschnitt konstanten Luftspalt. Dadurch bleibt der Induktivitätswert unabhängig vom durchfliessenden Strom konstant (solange die Spule nicht in Sättigung kommt).

   Macht man jedoch den Luftspalt nicht gleichmässig, sondern über den Querschnitt veränderlich, so wird bei kleinen Strömen der magnetische Fluss sich über dem Eisenkreis schliessen, ohne wesentlich über den Luftspaltbereich zu fliessen. Der AL-Wert des Kernmaterials ist daher hoch und der Induktivitätswert der Spule gross. Mit steigendem Strom wird der entstehende Fluss immer mehr auch über den Luftbereich fliessen, der Kernbereich in unmittelbarer Nähe dieses Luftbereichs wird sich zu sättigen beginnen und das vom magnetischen Fluss durchflossene Luftvolumen wird grösser. Mit der Vergrösserung des Luftspalts kommt es zu einer Verringerung des AL- Werts und damit zu einer Verringerung des Induktivitätswertes.

   Durch die Veränderung der Luftspaltform erreicht man für kleine Ströme einen grösseren Induktivitätswert, der sich mit zunehmendem Strom verringert.
Der Luftspalt des Eisenkerns hat also keine konstante Luftspaltlänge. Das Kernmaterial wird im Bereich des Luftspalts in Form eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Pyramide,, eines Pyramidenstumpfs, beliebiger Bombierungen, mehrerer Kegel, mehrerer Kegelstümpfe, mehrerer Pyramiden, mehrerer Pyramidenstümpfe, schräg oder in Dachform ausgeführt. Das Kernmaterial kann dabei im Bereich des Luftspalts auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite ungleichmässig ausgeführt sein.
Die dargestellten Methoden sind sehr einfach und ermöglichen die Herstellung einfacher Stromsensoren für Regel- und Überwachungsaufgaben. Eine weitere interessante Möglichkeit ist der Einsatz in Energieversorgungsnetzen.

   Dabei wird in gewohnter Weise mit einem Stromwandler die Trennung zum Netz durchgeführt, an der Sekundärseite des Stromwandlers wird die beschriebene Vorrichtung angeschaltet, d.h. der Sekundärkreis wird ein oder mehrmals durch den Magnetkreis, der die Oszillatorspule trägt, gesteckt.
P69/fh/l 2.3.2005/19.3.05



  Current detection with oscillator
The invention relates to a method for determining currents or devices for current detection, consisting of a magnetic circuit with high operating point-dependent magnetic material on which the winding of a coil is applied, wherein the line through which flows the current to be detected through the magnetic core or repeatedly plugged.
LC oscillators are used to generate a sine wave. The principle has been known for a long time. Roughly speaking, they consist of a repeater pole and a feedback vector. By correct dimensioning, a resonant frequency dependent on the resonant frequency of the LC circuit, typically designed as a parallel resonant circuit, arises.

   If you then introduce another winding on the voice coil L - this can only be the insertion of a cable in a coil wound on a toroidal core - and sends current through this winding, then the oscillation frequency changes. The frequency of the oscillator is essentially determined by the effective capacity and the
used inductance according to / () = I set. It's so easy
2 [pi] L (i) -C detect low frequency or even DC currents by analyzing the frequency change. The low frequency current causes a frequency modulation. The amplitude influences the occurring frequency deviation. The evaluation can be done by a frequency demodulation with a PLL.
A slightly different method is described below.

   The current through the measuring winding causes a change in the frequency of the oscillator. About an auxiliary winding with significantly more turns than the measuring winding, which can indeed consist only of the plugged-through line with the current to be measured, a correspondingly smaller counter-current is fed in the size that the frequency is equal to the original without measuring current. The magnitude of this compensation current is proportional to the current to be measured. For this purpose, the reference frequency is the oscillator frequency which occurs without current flow through the measuring winding (s).

   The frequency difference to the reference frequency is detected by a phase detector whose output signal is fed to a controller with Integrierendem share whose output signal is fed to the auxiliary winding after a possible power amplification.
P69 / fh / 12.3.2005 / 19.3.05 In order to achieve a strong dependence of the inductance and therefore the frequency of the measuring current, one can install a suitably shaped air gap in the magnetic circuit. The core materials have a constant air gap over the cross section. As a result, the inductance value remains constant regardless of the current flowing through it (as long as the coil does not saturate).

   However, if one makes the air gap not uniform, but over the cross section variable, then at low currents, the magnetic flux will close over the iron circle, without flowing significantly over the air gap area. The AL value of the core material is therefore high and the inductance value of the coil is large. With increasing current, the resulting flow will flow more and more over the air area, the core area in the immediate vicinity of this air area will begin to saturate and the volume of air flowing through the magnetic flux will increase. As the air gap increases, the AL value is reduced and the inductance value reduced.

   By changing the air gap shape is achieved for small currents a larger inductance value, which decreases with increasing current.
The air gap of the iron core thus has no constant air gap length. The core material is carried out in the region of the air gap in the form of a cone, a truncated cone, a pyramid, a truncated pyramid, any crowns, several cones, several truncated cones, several pyramids, multiple truncated pyramids, obliquely or in roof form. The core material can be carried out unevenly in the region of the air gap on both sides or only on one side.
The presented methods are very simple and allow the production of simple current sensors for control and monitoring tasks. Another interesting option is the use in energy supply networks.

   In this case, the separation is performed to the network in the usual way with a current transformer, on the secondary side of the current transformer, the device described is turned on, i. the secondary circuit is inserted one or more times through the magnetic circuit carrying the oscillator coil.
P69 / fh / l 2.3.2005 / 19.3.05

Claims (12)

Patentansprücheclaims 1. Verfahren zur Bestimmung von Strömen dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz eines Oszillators durch den Strom verändert wird und die Frequenzänderung entsprechend ausgewertet wird. 1. A method for determining currents, characterized in that the frequency of an oscillator is changed by the current and the frequency change is evaluated accordingly. 1. Verfahren zur Bestimmung von Strömen dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz eines Oszillators durch den Strom verändert wird und die Frequenzänderung entsprechend ausgewertet wird. 1. A method for determining currents, characterized in that the frequency of an oscillator is changed by the current and the frequency change is evaluated accordingly. 2. Verfahren zur Bestimmung von Strömen mit einem LC-Oszillator dadurch gekennzeichnet, dass auf der Spule des Oszillators eine weitere magnetisch gekoppelte Wicklung angebracht oder eine Leitung durch den Magnetkern, auf dem die Oszillatorspule aufgebracht ist, ein oder mehrmals gesteckt wird und die Veränderung der Frequenz gemessen wird. 2. A method for determining currents with an LC oscillator characterized in that mounted on the coil of the oscillator, a further magnetically coupled winding or a line through the magnetic core on which the oscillator coil is applied, one or more times inserted and the change of Frequency is measured. 2. Verfahren zur Bestimmung von Strömen mit einem LC-Oszillator dadurch gekennzeichnet, dass auf der Spule des Oszillators eine weitere magnetisch gekoppelte Wicklung angebracht oder eine Leitung durch den Magnetkern, auf dem die Oszillatorspule aufgebracht ist, ein oder mehrmals gesteckt wird und die Veränderung der Frequenz gemessen wird. 2. A method for determining currents with an LC oscillator characterized in that mounted on the coil of the oscillator, a further magnetically coupled winding or a line through the magnetic core on which the oscillator coil is applied, one or more times inserted and the change of Frequency is measured. 3. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the oscillator signal supplied to a frequency demodulation and the demodulation signal is used as a measure of the flowing current. 3. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the oscillator signal supplied to a frequency demodulation and the demodulation signal is used as a measure of the flowing current. 4. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Magnetkern eine zweite Wicklung aufgebracht ist und durch diese ein dem Messstrom proportionaler Strom so eingeprägt wird, dass die Frequenz des Oszillators wieder dem ursprünglichen Wert ohne Messstrom entspricht. 4. The method according to claim 2, characterized in that on the magnetic core, a second winding is applied and by this a current proportional to the measuring current is impressed so that the frequency of the oscillator again corresponds to the original value without measuring current. 4. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Magnetkern eine zweite Wicklung aufgebracht ist und durch diese ein dem Messstrom proportionaler Strom so eingeprägt wird, dass die Frequenz des Oszillators wieder dem ursprünglichen Wert ohne Messstrom entspricht. 4. The method according to claim 2, characterized in that on the magnetic core, a second winding is applied and by this a current proportional to the measuring current is impressed so that the frequency of the oscillator again corresponds to the original value without measuring current. 5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt des Eisenkerns so ausgeformt wird, dass er keine konstante Luftspaltlänge hat. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the air gap of the iron core is formed so that it does not have a constant air gap length. 5. Verfahren gemäss Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt des Eisenkerns keine konstante Luftspaltlänge hat. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the air gap of the iron core has no constant air gap length. 6. Verfahren gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Kemmaterial im Bereich des Luftspalts in Form eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Pyramide, eines Pyramidenstumpfs, beliebiger Bombierungen, mehrerer Kegel, mehrerer Kegelstümpfe, mehrerer Pyramiden, mehrerer Pyramidenstümpfe, schräg oder in Dachform oder in Stufen ausgeformt wird, wobei das Kemmaterial im Bereich des Luftspalts auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite ungleichmässig ausgeführt ist. 6. The method according to claim 5, characterized in that the core material in the region of the air gap in the form of a cone, a truncated cone, a pyramid, a truncated pyramid, any crowns, multiple cones, a plurality of truncated cones, a plurality of pyramids, a plurality of truncated pyramids, obliquely or in roof form or is formed in stages, wherein the core material is carried out in the region of the air gap on both sides or only on one side uneven. 6. Verfahren gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial im Bereich des Luftspalts in Form eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Pyramide, eines Pyramidenstumpfs, beliebiger Bombierungen, mehrerer Kegel, mehrerer Kegelstümpfe, mehrerer Pyramiden, mehrerer Pyramidenstümpfe, schräg oder in Dachform oder in Stufen ausgeführt ist, wobei das Kernmaterial im Bereich des Luftspalts auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite ungleichmässig ausgeführt ist. 6. The method according to claim 5, characterized in that the core material in the region of the air gap in the form of a cone, a truncated cone, a pyramid, a truncated pyramid, any crowns, multiple cones, a plurality of truncated cones, a plurality of pyramids, a plurality of truncated pyramids, obliquely or in roof form or is executed in stages, wherein the core material is carried out in the region of the air gap on both sides or only on one side uneven. 7. Vorrichtung zur Stromerfassung bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Spule als frequenzbestimmende Induktivität eines LC-Oszillators dient und die Frequenz des Oszillators gemessen wird. 7. Device for current detection consisting of a magnetic circuit with strong working point-dependent magnetic material on which the winding of a coil is applied, wherein the line through which the current to be detected flows through the magnetic core one or more times inserted is characterized in that the coil serves as a frequency-determining inductance of an LC oscillator and the frequency of the oscillator is measured. P69V/fh/22.3.2006/19.3.05 P69V / fh / 03.22.2006 / 03.19.05 NACHGEREICHT SUBSEQUENT 7. Vorrichtung zur Stromerfassung bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Spule als frequenzbestimmende Induktivität eines LC-Oszillators dient und die Frequenz des Oszillators gemessen wird. 7. Device for current detection consisting of a magnetic circuit with strong working point-dependent magnetic material on which the winding of a coil is applied, wherein the line through which the current to be detected flows through the magnetic core one or more times inserted is characterized in that the coil serves as a frequency-determining inductance of an LC oscillator and the frequency of the oscillator is measured. 8. Vorrichtung gemäss Anspmch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird. 8. An apparatus according Anspmch 7, characterized in that the oscillator signal supplied to a frequency demodulation and the demodulation signal is used as a measure of the flowing current. 8. Vorrichtung gemäss Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird. 8. The device according to claim 7, characterized in that the oscillator signal supplied to a frequency demodulation and the demodulation signal is used as a measure of the flowing current. P69/fh/12.3.2005/19.3.05 3 P69 / fh / 12.3.2005 / 19.3.05 3 9. Vorrichtung gemäss Anspmch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenzdemodulator eine PLL verwendet wird. 9. Device according Anspmch 8, characterized in that a PLL is used as a frequency demodulator. 9. Vorrichtung gemäss Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als 9. Device according to claim 8, characterized in that as Frequenzdemodulator eine PLL verwendet wird. Frequency Demodulator a PLL is used. 10. Vorrichtung zur Stromerfassung, bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer ersten Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzändemng des Oszillators, dessen Frequenz durch den Induktivitätswert der ersten Spule beeinflusst wird, gegenüber der Frequenz ohne Stromfluss (Referenzfrequenz) durch einen Phasendetektor mit nachgeschaltetem Regler (mit integrierenden Anteil) erfasst wird und dieses Reglersignal entsprechend dem Windungsverhältnis angepasst in eine weitere auf dem Magnetkreis aufgebrachte zweite Spule kompensierend eingespeist wird, sodass der Oszillator wieder auf der Referenzfrequenz schwingt, 10. A device for current detection, consisting of a magnetic circuit with strong working point-dependent magnetic material on which the winding of a first coil is applied, wherein the line through which the current to be detected flows through the magnetic core one or more times inserted is characterized in that the Frequenzänderemng of the oscillator whose frequency is influenced by the inductance value of the first coil, compared to the frequency without current flow (reference frequency) by a phase detector with downstream controller (with integrating portion) is detected and this controller signal adapted in accordance with the turn ratio in another on the magnetic circuit applied second coil is fed compensating, so that the oscillator oscillates again at the reference frequency, das Reglersignal steht als Mass für den zu messenden Strom zur Verfügung.  the controller signal is available as a measure of the current to be measured. 10. Vorrichtung zur Stromerfassung, bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer ersten Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzänderung des Oszillators, dessen Frequenz durch den Induktivitätswert der ersten Spule beeinflusst wird gegenüber der Frequenz ohne Stromfluss (Referenzfrequenz) durch einen Phasendetektor mit nachgeschaltetem Regler (mit integrierenden Anteil) erfasst wird und dieses Reglersignal entsprechend dem Windungsverhältnis angepasst in eine weitere auf dem Magnetkreis aufgebrachte zweite Spule kompensierend eingespeist wird, sodass der Oszillator wieder auf der Referenzfrequenz schwingt, 10. A device for current detection, consisting of a magnetic circuit with strong working point-dependent magnetic material on which the winding of a first coil is applied, wherein the line through which the current to be detected flows through the magnetic core one or more times inserted is characterized in that the frequency change of the oscillator, the frequency of which is influenced by the inductance value of the first coil relative to the frequency without current flow (reference frequency) is detected by a phase detector with downstream controller (with integrating portion) and this controller signal adapted according to the turns ratio in a further applied to the magnetic circuit second coil is fed compensating, so that the oscillator oscillates again at the reference frequency, das Reglersignal steht als Mass für den zu messenden Strom zur Verfügung.  the controller signal is available as a measure of the current to be measured. 11. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensor für Regel- und Überwachungsaufgaben dient. 11. Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that it serves as a current sensor for control and monitoring tasks. 11. Vorrichtung gemäss Anspruch 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensoren für Regel- und Überwachungsaufgaben dient. 11. The device according to claim 7 to 10, characterized in that it serves as current sensors for control and monitoring tasks. 12. Vorrichtung gemäss Anspruch 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensor in Zusammenhang mit einem Stromwandler verwendet wird. 12. The device according to claim 7 to 10, characterized in that it is used as a current sensor in connection with a current transformer. P69/h/12.3.2005/19.3.05 P69 / h / 03.12.2005 / 19.03.05 Patentansprüche claims 12. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensor in Zusammenhang mit einem Stromwandler verwendet wird. 12. Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that it is used as a current sensor in connection with a current transformer. P69V/fh22.3.2006/19.3.05 P69V / fh22.3.2006 / 03.19.05 NACHGERÜCKT NACHGERÜCKT
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