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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Strömen mit einem LC-Oszillator bzw. eine 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 bzw. der zu erfassende Strom durch eine weitere, auf den Kern aufgebrachte Wicklung, fließt. LC Oszillatoren dienen zum Erzeugen einer Sinusschwingung. Das Prinzip ist seit langem bekannt. Sie bestehen grob gesagt aus einem Verstärkervierpol und einem Rückkoppel Vierpol. 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 gemäßThe invention relates to a method for determining currents with a LC oscillator or a 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 , is inserted by the magnetic core once or several times or the current to be detected by another, applied to the core winding flows. LC oscillators are used to generate a sine wave. The principle has been known for a long time. Roughly speaking, they consist of an amplifier quad and a feedback quadrupole. 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 capacitance and the inductance used
festgelegt. Man kann so recht einfach niederfrequente oder sogar Gleichströ- me 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.established. It is quite easy to detect low-frequency or even direct 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.
Der Ausdruck „mehrfach gesteckt" soll im folgenden erläutert werden. Die Spule, die die Frequenz des Oszillators festlegt, ist auf einem Eisenkern, typisch einem Ferritkern, gewickelt. Diese Spule ist die Induktivität eines Oszillators. Der Arbeitspunkt stellt sich im Zentrum der Magnetisierungskennlinie (Fluss-Feldstärke/magn. Erregung) ein, da der Oszillator eine reine Wechselspannung produziert. Wickelt man nun einen stromdurchflossenen Leiter um den Magnetkern, so erzeugt der durch diese eine Windung fließende Strom eine magnetische Durchflutung (Feldstärke), die den Arbeitspunkt des Magnetkreises verschiebt. Dadurch kommt es zu einer Veränderung der Induktivität der Oszillatorspule und daher zu einer Frequenz. Je größer der Strom durch diese Zusatzwindung ist, umso größer ist die Durchflutung und umso größer ist die Verschiebung des magnetischen Arbeitspunkts vom Nullpunkt. Man kann also, um eine größere Wirkung des Stroms zu erzielen, die vom Strom durchflossene Leitung mehrmals durch den Kern fädeln, d.h. mehrere Windungen aufbringen. Die dadurch erzeugte Durchflutung ist dann um die Windungszahl größer. Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung soll der Strom in einem Leiter erfasst werden. Daher ist der Leiter ein oder mehrfach über den Magnetkreis zu wickeln oder der zu bestimmende Strom muss durch eine mit der Oszillatorspule magnetisch verkoppelte (auf dem selben Kern aufgebrachte) Wicklung fließen.The phrase "multiple times " will be explained below. The coil, which determines the frequency of the oscillator, is wound on an iron core, typically a ferrite core. This coil is the inductance of an oscillator. The operating point adjusts itself in the center of the magnetization characteristic (flux field strength / magnification excitation), since the oscillator produces a pure alternating voltage. If one now winds a current-carrying conductor around the magnetic core, the current flowing through this one turn generates a magnetic flux (field strength) which shifts the operating point of the magnetic circuit. This leads to a change in the inductance of the oscillator coil and therefore to a frequency. The larger the current through this additional winding, the greater the flooding and the greater the displacement of the magnetic operating point from the zero point. Thus, in order to obtain a greater effect of the current, it is possible to thread the current-carrying line through the core several times, i. apply several turns. The resulting flux is then greater by the number of turns. In the context of the present invention, the current is to be detected in a ladder. Therefore, the conductor must be wound one or more times over the magnetic circuit or the current to be determined must flow through a winding magnetically coupled to the oscillator coil (applied to the same core).
Die Aufgabe der Erfindung ist die relativ einfache Realisierung eines Stromsensors wie er beispielhaft für Überwachungs-, Steuer- und Regelaufgaben in der Antriebstechnik und bei leistungselektronischen Konvertern erforderlich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß so gelöst, 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, bzw. die Spule als frequenzbestimmende Induktivität eines LC-Oszillators dient und die Frequenz des Oszillators gemessen wird.The object of the invention is the relatively simple realization of a current sensor as it is required for monitoring, control and regulating tasks in drive technology and power electronic converters. The object is achieved in such a way that mounted on the coil of the oscillator another 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 in the frequency is measured, or the coil serves as a frequency-determining inductance of an LC oscillator and the frequency of the oscillator is measured.
Eine etwas andere Methode ist im folgenden geschildert. Der Strom durch die Messwicklung verursacht eine 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 3 AT 501 640 B1 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. US 4 567 874 (ROUANES) behandelt eine Zündvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen. Dazu wird mindestens ein Transformator zur Erzeugung der Zündspannung verwendet. Um die Spannungserhöhung von Resonanzkreisen zu nutzen, kann man Kondensatoren parallel zu den Transformatorwicklungen schalten. Es entstehen dadurch Schwingungen, deren Frequenz indirekt proportional der Wurzel aus dem Produkt von Kapazitäts- mit Induktivitätswert ist. Angeregt durch ein Steuersignal kommt es zu Schwingungen. Schaltungstechnisch kann man den so entstehenden Oszillator als single ended oscillator, wie er zur Erzeugung von Schwingungen im Hoch- und Höchstfrequenzbereich verwendet wird, bezeichnen. US 4 233 949 (POIRIER D' ANGE D'ORSAY) behandelt eine Vorrichtung zur Verteilung von Hochspannung an die Zündkerzen eines Verbrennungsmotors. Dazu werden magnetisch miteinander gekoppelte Spulen verwendet.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 size 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 turn (s), to 3 AT 501 640 B1. 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. US 4 567 874 (ROUANES) deals with an ignition device for internal combustion engines. For this purpose, at least one transformer is used to generate the ignition voltage. To use the voltage increase of resonant circuits, one can switch capacitors in parallel with the transformer windings. This results in vibrations whose frequency is indirectly proportional to the root of the product of capacitance with inductance value. Excited by a control signal it comes to vibrations. Circuitically, one can designate the resulting oscillator as a single-ended oscillator, as it is used to generate vibrations in the high and ultra-high frequency range. US 4,233,949 (POIRIER D'ANGE D'ORSAY) deals with a device for distributing high voltage to the spark plugs of an internal combustion engine. Magnetically coupled coils are used for this purpose.
In der gegenständlichen Erfindung wird aber ein Verfahren und abgeleitet davon eine Vorrichtung zur Strommessung vorgestellt. Es soll damit ein einfacher Stromsensor zum Einsatz in zahlreichen Anwendungen in der Industrie und bei Energieverteilungsaufgaben ermöglicht werden. Der Bezug auf die obigen Dokumente besteht nur in der Verwendung der magnetischen Kopplung. Durch den Internetlink http://www.student.uni-oldenburg.de/hendrik. heisselmann/private/apr01/schwingkreise.pdfw\rd auf eine Quelle verwiesen, bei der Schwingkreise erklärt werden. Wenn man die Wirkung eines Schwingkreises bei harmonischer Anregung untersucht, zeigt sich, dass der Strom durch den Schwingkreis stark frequenzabhängig ist. Das ist grundsätzlich durch die frequenzabhängige Impedanz gegeben. Der durch den Schwingkreis fließende Strom wird durch die angelegte Spannung bestimmt. Eine Messung eines durch eine Leitung oder in eine Maschine fließenden Stroms ist dadurch nicht möglich. Die Strommessung soll möglichst ohne Beeinflussung des zu messenden Stroms und auch ohne genaue Kenntnis des Frequenzspektrums desselben auskommen.In the subject invention, however, a method and derived therefrom a device for current measurement is presented. It is intended to enable a simple current sensor for use in numerous industrial applications and energy distribution tasks. The reference to the above documents is only the use of the magnetic coupling. Through the Internet link http://www.student.uni-oldenburg.de/hendrik. heisselmann / private / apr01 / schwingkreise.pdfw \ rd referred to a source in which resonant circuits are explained. When examining the effect of a resonant circuit with harmonic excitation, it can be seen that the current through the resonant circuit is highly frequency dependent. This is basically given by the frequency-dependent impedance. The current flowing through the resonant circuit is determined by the applied voltage. A measurement of a current flowing through a line or into a machine current is not possible. The current measurement should be as possible without influencing the current to be measured and without exact knowledge of the frequency spectrum of the same.
Genau das wird in der gegenständlichen Erfindung erreicht. Die für einen Schwingkreis verwendete Spule ist mit einem Eisenkern versehen. Der zu messende Strom wird ebenfalls (geführt in einer isolierten Leitung) durch den Eisenkreis geführt. Dadurch erzeugt der zu messende Strom eine Durchflutung, die den Arbeitspunkt in der Magnetisierungskurve verschiebt. Dies führt zu einer Änderung der Induktivität der für den Schwingkreis verwendeten Spule. Dieser Schwingkreis wird als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators verwendet. Eine Änderung des zu messenden Stroms führt also zu einer Änderung der Induktivität des Schwingkreises und daher zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Kreises. Da die Resonanzfrequenz frequenzbestimmend für einen LC-Oszillator (es gibt zahlreiche LC Oszillatorschaltungen, die oft schon seit den Anfängen der Rundfunktechnik bekannt sind) ist, stellt die sich im Oszillator einstellende Frequenz eine dem zu messenden Strom (der ja den Arbeitspunkt des Magnetkreises verschiebt) proportionale Größe dar. Die auftretende Frequenz ist daher das Maß für den zu messenden Strom. Die Auswertung des Frequenzsignals liefert letztlich den Stromwert, der z.B. angezeigt werden oder als Istgrößensignal für eine Regelung verwendet werden kann. Die eigentliche Auswertung ist problemlos mit den heute vorhandenen Mitteln möglich und benötigt keiner weiteren Erläuterung. Diese Methoden sind vorhanden.This is exactly what is achieved in the subject invention. The coil used for a resonant circuit is provided with an iron core. The current to be measured is also passed through the iron circuit (guided in an insulated line). As a result, the current to be measured generates a flooding, which shifts the operating point in the magnetization curve. This leads to a change in the inductance of the coil used for the resonant circuit. This resonant circuit is used as a frequency-determining element of an oscillator. A change in the current to be measured thus leads to a change in the inductance of the resonant circuit and therefore to a change in the resonant frequency of the circuit. Since the resonant frequency determines the frequency of an LC oscillator (there are numerous LC oscillator circuits, which are often known since the beginnings of broadcasting), the frequency set in the oscillator sets the current to be measured (which shifts the operating point of the magnetic circuit) proportional frequency. The frequency occurring is therefore the measure of the current to be measured. The evaluation of the frequency signal ultimately provides the current value, e.g. can be displayed or used as an actual variable signal for a control. The actual evaluation is easily possible with the funds available today and requires no further explanation. These methods are available.
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 annähernd 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 steigendemIn order to achieve a strong dependence of the inductance and therefore the frequency of the measuring current, one can install a correspondingly 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 approximately constant regardless of the current flowing through it (as long as the coil does not saturate). However, if one does not make the air gap uniform, but variable across the cross section, then at small currents the magnetic flux will close over the iron circle without substantially flowing 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 rising