Anordnung zur kontaktlosen Messung von in Leitern auf rotierenden Körpern fliessenden Strömen, insbesondere auf Läufern elektrischer Maschinen
Wenn in sich abgeschlossene Systeme um eine Achse rotieren, ist es infolge der fehlenden galvanischen Verbindung nicht möglich, die dort fliessenden Ströme unmittelbar zu messen. Es ist bekannt, eine galvanische Verbindung über Schleifringe herauszuführen. Gerade bei bürstenlosen Synchronmaschinen, die über mitrotierende Gleichrichter erregt sind, sollen aber Schleifringe völlig vermieden werden. Ausserdem sind Schleifringe in Messanordnungen unerwünscht, da die gleitenden Kontakte laufend kleine Widerstandsänderungen an der Übergangsstelle verursachen.
Zur Übertragung von Wechselströmen und -spannungen ist es weiterhin bekannt, Transformatoren mit Wicklungen vorzusehen, deren Flussverkettung durch die Rotation nicht beeinflusst wird und bei denen eine Wicklung mit der Welle rotiert und die ihr ständig gegenüberliegende zweite Wicklung feststehend angeordnet ist. Dort kann dann der induktiv übertragene Messwert abgenommen werden. Diese Anordnung versagt bei Übertragung von Gleichströmen. Eine weitere bekannte Anordnung besteht darin, dass im rotierenden Teil ein vom zu messenden Gleichstrom erregtes Feldsystem vorhanden ist, das in feststehenden Statorwicklungen dem Erregerstrom proportionale Spannungen nach dem Prinzip des Synchrongenerators induziert. Damit ist aber diese vorbekannte Anordnung drehzahlabhängig und nur für stationäre Verhältnisse geeignet.
Bei Pendelungen der Hauptmaschine ergeben sich Fehlangaben. Auch beim asynchronen Hochlauf der Hauptmaschine ist der Drehzahl abhängigkeit wegen die Messung der Augenblickswerte nicht möglich. Ferner sind allgemein zur Messung von Strömen in stationären Anlagen Stromjoche bekannt, die wenigstens einen Luftspalt haben, in dem sich eine von der magnetischen Induktion in diesem Luftspalt abhängige Sonde, beispielsweise ein Hallgenerator, befindet. Die von diesem abgegebene Hallspannung ist ein Mass für den Strom, der in der Jochwicklung fliesst.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur kontaktlosen Messung von in Leitern auf rotierenden Körpern fliessenden Strömen, insbesondere auf Läufern elektrischer Maschinen, durch induktive Übertragung auf eine feststehende Messsonde.
Erfindungsgemäss ist eine konzentrisch zur Wellenachse angeordnete, rotierende Leiterwindung, in welcher der zu messende Strom fliesst, von einem feststehenden, U-förmigen Magnetjoch mit in letzterem eingefügter Messsonde teilweise umschlossen, in dessen Luftspalt der mit der Stromzuleitung zur Leiterwindung umlaufende Träger derselben angeordnet ist, wobei die genannte Stromzuleitung durch den Träger hindurchgeführt ist.
Es wird also ein feststehendes Magnetjoch mit einer feststehenden Sonde zur Strommessung geschaffen, wobei in dem Luftspalt des Magnetjoches eine Leiterwindung rotiert, die an einem vorzugsweise ringförmigen Magnetkern, gleich Träger der Leiterwindung, befestigt ist, der ebenfalls rotiert. Von den auf dem Läuferkörper zu messenden elektrischen Grössen, wie Erregerstrom oder Erregerspannung in ihren Augenblickswerten, können dabei über die Messsonde in direkter oder indirekter Abbildung über proportionale Ströme oder Spannungen dieser Messsonde die Augenblickswerte in einer stationären Anordnung erfasst und dann in bekannter Weise die Gleich- und gegebenenfalls auch die Wechselstromanteile bis zu einer gegenüber der Netzfrequenz höheren Frequenz durch Auswertung ermittelt werden.
Damit sind auch die nicht-stationären elektrischen Vorgänge auf dem Läuferkörper, hauptsächlich bei den Stromund Spannungsverhältnissen, erfassbar. Als Messsonde kann ein Hallgenerator oder aber auch eine Spule, vorzugsweise mit Eisenkern, die durch Vormagnetisierung in ihrer Induktivität beeinflusst ist, verwendet werden.
Die Anderung der Induktivität dieser Spule ist dann ein Mass für den Strom auf dem Läufer. Die Messung erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise in einer Brükkenschaltung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung zwei Ansichten einer gesamten Messanordnung, die Fig. 3 und 4 eine Einzelheit einer beispielsweisen Stromdurchführung der Leiterwindung.
In den Fig. 1 und 2 ist das feststehende Magnetjoch, das vorzugsweise lamelliert und aus wirbelstrom-und hysteresisverlustarmem ferromagnetischem Material gefertigt ist, mit 1 bezeichnet. Sein Querschnitt ist der Messsonde 2 angepasst. Der in der Leiterwindung 4 des Erregerkreises fliessende, zu messende Rotorstrom erzeugt einen Magnetfluss, der in dem Joch 1 geführt wird und der durch Induktion den messbaren Strom der Sonde 2 hervorruft. Der Träger 3 der Leiterwindung 4 ist beispielsweise ringförmig ausgebildet, lamelliert und aus wirbelstrom- und hysteresisverlustarmem ferromagnetischem Material hergestellt.
Besondere Vorteile dieser Anordnung sind, dass eine mögliche axiale Bewegung der Welle ohne Einfluss auf das Messergebnis ist, da die Breite der Pole des U-förmigen, feststehenden Magnetjoches so bemessen ist, dass sie um das Mass der möglichen axialen Bewegung des Trägers der Leiterwindung grösser ist als die Breite des Trägers. Eine radiale Bewegung der Welle in der Grösse der beiden Luftspalte 5 ist ebenfalls möglich, da die Summe der Luftspalte konstant bleibt und somit keine Änderung der Durchflutung auftritt. Auf diese Weise werden Fehlmessungen vermieden. Dagegen kann die aufzubringende Durchflutung bei gleichbleibender Luftspaltbreite verkleinert werden, indem die Fläche der beiden Luftspalte 5, durch die der umlaufende Träger mit der Leiterwindung hindurchgreift, vergrössert wird.
Der Messbereich des Stromes kann für kleine Werte begrenzt werden, in dem das feststehende, U-förmige Magnetjoch 1 ganz oder teilweise so gebaut ist, dass es bei grossen Strömen in den Bereich der Sättigung kommt. Es ist auch möglich, mehrere Magnetjoche 1 vorzusehen, die mit verschiedenen Messbereichen versehen sind, jedoch die gleiche Leiterwindung umschliessen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine besondere Ausführung der konzentrischen Leiterdurchführung durch den umlaufenden Träger 3 der Leiterwindung, der auch als Magnetkern bezeichnet werden kann. Die den Messstrom führenden Leiter 4 sind konzentrisch durch eine Bohrung im Magnetkern 3 geführt und sind durch die Isolation 7 galvanisch voneinander getrennt. Es können jederzeit mehrere Leiterwindungen vorgesehen werden.
Der Vorteil einer Leiterdruchführung nach den Fig. 3 und 4 ist die gleichmässige Durchflutung des feststehenden, U-förmigen Magnetjoches, unabhängig von der augenblicklichen Stellung der Leiterdurchführung während des Umlaufens.
Neben der betriebssicheren Anordnung bietet die beschriebene und dargestellte Anordnung zur kontaktlosen Messung von auf Läufern elektrischer Maschinen fliessenden Strömen noch weitere Vorteile. Es ist dabei insbesondere an die Verringerung der Wirbelstrom- und Hysteresisverluste des Magnetjoches und auch des Magnetkernes gedacht, die Fehlmessungen bei den Wechselstromanteilen des Gleichstroms zur Folge haben, weiterhin eine Verkleinerung des Messfehlers, der durch die Remanenz des Magnetjoches bedingt ist, was insbesondere beim Nullwerden des Stromes notwendig ist.
Arrangement for contactless measurement of currents flowing in conductors on rotating bodies, in particular on rotors of electrical machines
If self-contained systems rotate around an axis, the lack of a galvanic connection means that it is not possible to measure the currents flowing there directly. It is known to lead out a galvanic connection via slip rings. Especially with brushless synchronous machines that are excited by rotating rectifiers, slip rings should be completely avoided. In addition, slip rings are undesirable in measuring arrangements, since the sliding contacts continuously cause small changes in resistance at the transition point.
For the transmission of alternating currents and voltages, it is also known to provide transformers with windings whose flux linkage is not influenced by the rotation and in which one winding rotates with the shaft and the second winding, which is constantly opposite it, is fixedly arranged. The inductively transmitted measured value can then be picked up there. This arrangement fails when transmitting direct currents. Another known arrangement consists in the fact that in the rotating part there is a field system excited by the direct current to be measured, which induces voltages proportional to the excitation current in the stationary stator windings according to the principle of the synchronous generator. However, this previously known arrangement is speed-dependent and only suitable for stationary conditions.
In the case of oscillations of the main engine, incorrect information results. Even with asynchronous start-up of the main machine, the speed dependency is not possible because of the measurement of the instantaneous values. Furthermore, current yokes are generally known for measuring currents in stationary systems, which yokes have at least one air gap in which there is a probe, for example a Hall generator, which is dependent on the magnetic induction in this air gap. The Hall voltage emitted by this is a measure of the current that flows in the yoke winding.
The subject matter of the invention is an arrangement for the contactless measurement of currents flowing in conductors on rotating bodies, in particular on rotors of electrical machines, by inductive transmission to a stationary measuring probe.
According to the invention, a rotating conductor winding arranged concentrically to the shaft axis, in which the current to be measured flows, is partially enclosed by a stationary, U-shaped magnetic yoke with a measuring probe inserted in the latter, in the air gap of which the carrier of the same, which runs around the current supply line to the conductor winding, is arranged, wherein said power supply line is passed through the carrier.
A stationary magnet yoke with a stationary probe for current measurement is thus created, with a conductor winding rotating in the air gap of the magnet yoke, which is attached to a preferably ring-shaped magnet core, which is the carrier of the conductor winding and which also rotates. From the electrical quantities to be measured on the rotor body, such as excitation current or excitation voltage in their instantaneous values, the instantaneous values can be recorded in a stationary arrangement via the measuring probe in direct or indirect representation via proportional currents or voltages of this measuring probe and then the direct- and, if necessary, the alternating current components up to a frequency that is higher than the mains frequency can be determined by evaluation.
This means that the non-stationary electrical processes on the rotor body, mainly the current and voltage ratios, can be recorded. A Hall generator or also a coil, preferably with an iron core, whose inductance is influenced by premagnetization, can be used as the measuring probe.
The change in the inductance of this coil is then a measure of the current on the rotor. The measurement is carried out in a known manner, for example in a bridge circuit.
1 and 2 show, as an exemplary embodiment of the arrangement according to the invention, two views of an entire measuring arrangement, while FIGS. 3 and 4 show a detail of an exemplary current feedthrough of the conductor winding.
In FIGS. 1 and 2, the stationary magnet yoke, which is preferably laminated and made of ferromagnetic material with little eddy current and hysteresis loss, is denoted by 1. Its cross section is adapted to the measuring probe 2. The rotor current to be measured, flowing in the conductor winding 4 of the excitation circuit, generates a magnetic flux which is guided in the yoke 1 and which induces the measurable current of the probe 2. The carrier 3 of the conductor winding 4 is, for example, ring-shaped, laminated and made of ferromagnetic material with little eddy current and hysteresis loss.
Special advantages of this arrangement are that a possible axial movement of the shaft has no influence on the measurement result, since the width of the poles of the U-shaped, fixed magnetic yoke is dimensioned in such a way that it is larger by the amount of the possible axial movement of the carrier of the conductor winding is than the width of the beam. A radial movement of the shaft in the size of the two air gaps 5 is also possible, since the sum of the air gaps remains constant and therefore no change in the flow occurs. In this way, incorrect measurements are avoided. On the other hand, the flow rate to be applied can be reduced with the air gap width remaining the same, in that the area of the two air gaps 5 through which the circumferential support with the conductor winding extends is increased.
The measuring range of the current can be limited for small values in that the fixed, U-shaped magnet yoke 1 is completely or partially built in such a way that it comes to saturation with large currents. It is also possible to provide several magnet yokes 1 which are provided with different measuring areas but which enclose the same conductor turn.
3 and 4 show a special embodiment of the concentric conductor leadthrough through the circumferential support 3 of the conductor winding, which can also be referred to as a magnetic core. The conductors 4 carrying the measuring current are routed concentrically through a bore in the magnet core 3 and are galvanically separated from one another by the insulation 7. Several conductor turns can be provided at any time.
The advantage of a conductor leadthrough according to FIGS. 3 and 4 is the uniform flow through the fixed, U-shaped magnetic yoke, regardless of the current position of the conductor leadthrough during rotation.
In addition to the operationally reliable arrangement, the described and illustrated arrangement for contactless measurement of currents flowing on rotors of electrical machines offers further advantages. In particular, it is intended to reduce the eddy current and hysteresis losses of the magnet yoke and also of the magnet core, which result in incorrect measurements of the alternating current components of the direct current, and also a reduction in the measurement error caused by the remanence of the magnet yoke, which is especially true when it becomes zero of electricity is necessary.