DD231883B1 - Einrichtung zur messung von gleichstroemen - Google Patents

Description

-2- 231883 Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Gleichströmen, die aus einem Magnetkern, einer Meßwicklung, einer Kompensationswicklung, wenigstens einer Indikatoreinrichtung sowie gegebenenfalls einer oder mehrerer Vormagnetisierungswicklungen besteht. Die Meßwicklung führt den zu messenden Gleichstrom. Sie besteht aus wenigen Windungen bzw. aus einem einzigen Leiter. Die Kompensationswicklung wird von einem Strom durchflossen, der den zu messenden Strom abbildet, welcher von einer Verstärkeranordnung getrieben wird. Die Indikatoreinrichtung liefert die Eingangsgrößen fur die Verstärkeranordnung und bewirkt zusammen mit ihr, daß in der Kompensationswicklung stets ein Strom fließt, der im Magnetkern zu einem resultierenden Fluß nahe Null führt, das heißt, die Einrichtung arbeitet nach dem Prinzip des Nullflußwandlers. Die gegebenenfalls noch vorgesehenen Vormagnetisierungswicklungen werden mit einem Wechselstrom vorzugsweise dreieckförmigen Verlaufs beaufschlagt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, einen Gleichstromwandler aus einem Magnetkern, einer die Primärwicklung darstellenden Meßwicklung, einer Induktionswicklung, die der Sekundärwicklung entspricht sowie einer Vormagnetisierungswicklung aufzubauen, wobei die Vormagnetisierungswicklung einen Wechselstrom führt. Aus dem Strom- und/oder Spannungsverlauf in der Induktionswicklung, z. B. seinem Oberwellengehalt, wird auf den Strom im Gleichstromkreis geschlossen. Es ist auch bekannt, ein mit Hilfe von auf dem Magnetkern aufgebrachten Indikatorwicklungen gewonnenes Signal einem Verstärker zuzuführen und den Verstärkerausgangsstrom, der den zu messenden Strom abbildet, durch eine gleichfalls auf den Magnetkern aufgebrachte Kompensationswicklung zu treiben, wobei am Verstärker ein Signal anliegt, wenn der durch die Kompensationswicklung erzeugte Fluß und der durch die Meßwicklung erzeugte Fluß bei vorzeichenrichtiger Addition nicht Null ergibt (Lisser; Ribberink „Nullfluß-Stromwandler zur Messung von Gleichströmen und Wechselströmen" etz Bd. 100 [1979] H. 24). Es wurde ferner bereits eine Einrichtung zur Messung von Gleichströmen vorgeschlagen, die neben einem Magnetkern eine Meßwicklung, Vormagnetisierungswicklungen und wenigstens zwei beziehungsweise eine geradzahlige Anzahl von Indikatorwicklungen sowie ein Kompensationswicklung aufweist und bei der die Ausgangsspannungen der Indikatorwicklungen je einem Differenzierglied mit nachgeschaltetem Diskriminator zugeführt sind, deren Ausgänge an einer Logik liegen, welche Schalter im Aufladekreis eines Kondensators steuert, wobei die Spannung des Kondensators eine Eingangsgröße eines Verstärkers ist, der den Strom durch eine Bürde und die mit ihr in Reihe geschaltete Kompensationswicklung treibt (DD-Patentanmeldung G 01 R 260321/1). Hierbei wird also die zeitliche Verschiebung der Ausgangsimpulse der Indikatorwicklungen ausgenutzt. Außerdem wurde bereits eine Gleichstrommeßeinrichtung vorgeschlagen, die einen Magnetkern aufweist, der eine Meßwicklung, eine Kompensationswicklung und zwei Indikatorwicklungen trägt, die auf je einem magnetischen Leiter angeordnet sind, der sich in einem Isthmus des Magnetkernes befindet (DD-Patentanmeldung G01 R260322/8). Hierbei werden die beiden magnetischen Leiter mit den Indikatorwicklungen mit unterschiedlicher magnetischer Vorspannung betrieben und die Induktivität dieser Indikatorwicklungen bildet das frequenzbestimmende Glied von jeweils einem Schwingkreis, der auf einen Phasendetektor und selbiger über einen Tiefpaß auf den Verstärker arbeitet, der seinerseits den Strom durch die Kompensationswicklung und eine Bürde treibt.

Prinzipiell werden bei den vorgenannten Einrichtungen die nichtlinearen Eigenschaften von magnetischen Materialien genutzt und zwar werden in jedem Falle geeignete Magnetika mit einer trägerfrequenten magnetischen Feldstärke ausgesteuert. In Abhängigkeit vom zu messenden Gleichstrom, welcher die auf dem Magnetmaterial aufgebrachte Meßwicklung durchfließt und damit einer magnetischen Feldgröße, die sich der trägerfrequenten Aussteuerung überlagert, erfolgt eine Arbeitspunktverschiebung auf der Magnetisierungskennlinie. Diese Arbeitspunktverschiebung bewirkt schließlich eine Änderung des zeitlichen Verlaufs einer Spannung an einer Indikatorwicklung, die sich gleichfalls auf dem Magnetmaterial befindet. Die Abhängigkeit der Indikatorspannung vom Gleichfeld wird elektronisch weiterverarbeitet, so daß im Ergebnis eine Ausgangsspannung U_A entsteht, welche zumindest für einen bestimmten Bereich ein Maß für Richtung und Betrag des Gleichfeldes H₃ und damit des zu messenden Gleichstromes darstellt. Mit Hilfe des Kompensationsverfahrens wird erreicht, daß trotz der Nichtlinearität der Kennlinie U_A = F (H_a) ein genauer Gleichstromwandler entsteht.

Bei all den genannten Einrichtungen tritt jedoch ein Nachteil auf. Übersteigt nämlich die Gleichfeldstärke H₃ einen bestimmten Betrag, so ist das Magnetmaterial gesättigt und bringt bezüglich der trägerfrequenten Aussteuerung keinen Beitrag zur Flußverstärkung mehr. Es stellt sich ein stabiler Arbeitspunkt ein, was im Extremfall dazu führt, daß der maximal mögliche Sekundärstrom fließt, obwohl die Eingangsgröße d. h. der zu messende Primärstrom Null beträgt. Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Messung von Gleichströmen anzugeben, bei welcher der genannte Nachteil auf wirtschaftliche Art und Weise vermieden ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung von Gleichströmen zu konzipieren, die eine genaue Messung von Gleichströmen gewährleistet und auch bei Fehlerfällen, beispielsweise nach extremer Belastung, arbeitsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im kennzeichnenden Tel des Patentanspruches genannten Mittel Anwendung finden.

Die in den Unteransprüchen definierten Maßnahmen stellen besonders zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung dar.

Gegenüber einer Gleichstrommeßeinrichtung ohne erfindungsgemäßer Durchflutungsüberwachung werden folgende wesentliche Vorteile erreicht: Die Gleichstrommeßeinrichtung ist nach kurzzeitigem Ausfall der Betriebsspannung wieder betriebsfähig. Ein Hängenbleiben im nicht erwünschten stabilen Arbeitspunkt wird vermieden. Die Betriebsspannung kann verzögert gegenüber dem Primärstrom zugeschaltet werden. Schließlich ist die erfindungsgemäße Gleichstrommeßeinrichtung in der Lage, Überströme zu verarbeiten, die somit nur durch thermische und dynamische Gesichtspunkte begrenzt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispieles einschließlich zweckmäßiger Weiterbildungen der erfinderischen Lösung und mittels einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromwandlers in Einleiterbauweise gemäß der Erfindung und die Fig. 2 bis 4: jeweils ein Schaltbild einer zweckmäßigen Ausführungsform eines solchen Gleichstromwandlers.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist auf einem Magnetkern 1 eine den zu messenden Gleichstrom h führende Meßwicklung 2 aufgebracht, die als Primärwicklung fungiert und in diesem Fall aus einem einzigen Leiter besteht. Des weiteren ist der Magnetkern 1 entsorechend einem nach dem Nullflußprinzip arbeitenden Gleichstromwandler mit einer Kompensationswicklung 3 versehen.

die sozusagen der Sekundärwicklung entspricht. Außerdem sind Indikatoreinnchtungen 4, 5, beispielsweise gleichfalls auf dem Magnetkern 1 aufgebrachte Indikatorwicklungen, vorgesehen. Ein dem vom zu messenden Gleichstrom Ii im Magnetkern 1 erzeugten magnetischen Gleichfeld H_a überlagertes trägerfrequentes magnetisches Wechselfeld H_v wird von einer Schaltung 6 erzeugt. Diese Trägerfrequenzerzeugungsschaltung 6 kann beispielsweise aus einer oder mehreren auf dem Magnetkern 1 angeordneten, von einem Wechselstromgenerator gespeisten Vormagnetisierungswicklungen bestehen oder aber eine Oszillatorschaltung sein, falls die Indikatorwicklung als frequenzbestimmende Induktivität eines Schwingkreises genutzt wird. Die Indikatoreinrichtungen 4, 5 arbeiten schließlich über eine elektronische Auswerteschaltung 7 auf einen Kompensationsverstärker 8, der einen Strom I₂ durch die Kompensationswicklung 3 und eine hierzu in Reihe geschaltete Bürde 9 treibt, so daß ein proportionales Abbild des Stromes I₁ entsteht.

Die Arbeitsweise des vorstehend erläuterten Gleichstromwandlers ist folgendermaßen: In Abhängigkeit vom zu messenden Gleichstrom I₁, welcher die auf dem Magnetkern 1 aufgebrachte Meßwicklung 2 durchfließt und damit in Abhängigkeit der magnetischen Feldgröße H₃, die sich derträgerfrequenten Aussteuerung überlagert, erfolgt eine Arbeitspunktverschiebung auf der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie des verwendeten Magnetmaterials. Diese Arbeitspunktverschiebung bewirkt schließlich eine Änderung des zeitlichen Verlaufs einer Spannung an den Indikatoreinrichtungen 4, 5. Die Abhängigkeit der Indikatorspannung vom Gleichfeld H_a wird dann mittels der Auswerteschaltung 7 weiterverarbeitet, so daß im Ergebnis eine Ausgangsspannung U_A entsteht, welche ein Maß für Richtung und Betrag des Gleichfeldes H_a und damit des zu messenden Gleichstromes I₁ darstellt. Das gilt jedoch nur für einen bestimmten Bereich . Übersteigt nämlich die Gleichfeldstärke H₃ einen bestimmten Betrag, so ist das Magnetmaterial gesättigt und bringt bezuglich der trägerf requenten Aussteuerung keinen Beitrag zur Flußverstärkung mehr. Dieser Sachverhalt ist unabhängig von der Richtung des Gleichfeldes H₃ und folglich ist die Ausgangsspannun U_A der elektronischen Auswertung für große positive Gleichfeldstärken H_a gleich der bei großen negativen Gleichfeldstärken H₃. Bei einem Differenzverfahren mit zwei oder mehreren Indikatoreinrichtungen müßte sich theoretisch eine Ausgangsspannung U_A gleich Null einstellen. Aufgrund von Unsymmetrien in der elektronischen Auswerteschaltung 7 wird dieser Fall praktisch nicht erreicht. Es ergibt sich somit eine kritische Gleichfeldstärke H_K, deren Betrag nicht überschritten werden darf, da sich dann die Polarität der Spannung U_A umkehrt, d. h. aus der ursprünglichen Gegenkopplung des Gleichstromwandlerregelkreises entstände eine Mitkopplung, so daß der Wandler nicht mehr arbeiten kann. Mit anderen Worten, es stellt sich ein in diesem Fall unerwünschter stabiler Arbeitspunkt ein, was im Extremfall dazu führt, daß der maximal mögliche Sekundärstrom I₂ fließt, obwohl die Eingangsgröße, d.h. der zu messende Primärstrom I₁ Null beträgt. Um diesen Fehlerfall zu beheben, ist eine Überwachungsschaltung 10 vorgesehen, die ständig überprüft, ob das Durchflutungsgleichgewicht des Magnetkernes 1 derart eingehalten ist, daß die kritische Feldstärke H_K nicht überschritten wird. Das geschieht im einfachsten Fall dadurch, daß die Veränderungen von Spannungs- und/oder Stromverläufen an den Indikatoreinrichtungen 4, 5 in Abhängigkeit vom Durchflutungsbetrag beurteilt werden. So kann beispielsweise die Amplitude der induzierten Spannung bewertet werden, da diese mit wachsendem Betrag der Gleichdurchflutung sinkt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mittels einer zusätzlichen Indikatoreinrichtung 11 zu arbeiten.

Ist das Durchflutungsgleichgewicht im oben genannten Sinne gestört, sorgt die Überwachungsschaltung 10 dafür, daß der Kompensationsverstärker 8 von der Kompensationswicklung 3 getrennt wird und zwar so lange, bis die kritische Feldstärke H_K wieder unterschritten wird. Für Gleichstromwandler großer Nennströme kann dieser Umstand störend sein, da nach einem solchen Fehlerfall die Primärstromstärke auf annähernd Null geregelt werden müßte. Deshalb ist es noch günstiger, statt den Kompensationsverstärker 8 von der Kompensationswicklung 3 zu trennen, im Fehlerfall im Magnetkern 1 zumindest im Bereich der Indikatoreinrichtungen 4, 5 eine Wechseldurchflutung zu erzeugen, was wie in den nachstehend erläuterten zweckmäßigen Ausführungsformen mittels Kompensationsverstärkers 8 und Kompensationswicklung 3, einem zusätzlichen Wechselspannungsgenerator im Verein mit zusätzlich auf dem Magnetkern 1 aufgebrachten Wicklungen bzw. Wicklungen der Indikatoreinrichtungen 4, 5 erreicht werden kann. Diese Maßnahmen führen dazu, daß der richtige Arbeitspunkt des Gleichstromwandlers nach allen Fehlerfällen gefunden wird. Selbstverständlich ist es auch denkbar, beide Möglichkeiten kombiniert, d. h. sowohl eine Abschaltung des Kompensationsverstärkers 8 als auch die Erzeugung einer Wechseldurchflutung im Magnetkern 1, zu nutzen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher außer der Meßwicklung 2 und der Kompensationswicklung 3 auf dem Magnetkern 1 zwei in Reihe geschaltete Vormagnetisierungswicklungen 12,13 aufgebracht sind, die von einem Wechselstromgenerator 14 mit einem dreieckförmigen Strom gespeist werden und somit zur Erzeugung desträgerfrequenten magnetischen Wechselfeldes H_v dienen. Als Indikatoreinrichtungen 4, 5 fungieren hierbei gleichfalls auf dem Magnetkern 1 angeordnete Indikatorwicklungen 15,16. Die Ausgangsspannungen der Indikatorwicklungen 15,16 werden zunächst jeweils einem Verstärker 17,18 zugeführt, wodurch der Wickelaufwand für diese Wicklungen 15,16 entscheidend gesenkt werden kann. Die Auswerteschaltung 7 besteht hierbei aus mit der verstärkten Ausgangsspannung der Indikatorwicklungen 15,16 jeweils beaufschlagten Differenziergliedern 19,20, diesen nachgeschalteten Komparatoren 21,22 sowie einem Integrationsglied 23,24, 25, welches von beiden Komparatoren 21,22 gespeist wird. Die Überwachungsschaltung 10 setzt sich aus einem mit der 'erstärkten Ausgangsspannung der Indikatorwicklung 16 beaufschlagten Spitzenwertbildner 26 und einem Schmitt-Trigger 27 zusammen, wobei letzterer zwei Schalter 28, 29 beeinflußt. Der Spitzenwertbildner 26 registriert die Amplitude der verstärkten Indikatorspannung. Sinkt die Arrplitude unter einen bestimmten Wert, werden mittels Schmitt-Triggers 27 die Schalter 28, 29 geschlossen. Der Schalter 28 legt den Integrationskondensator 25 auf Massepotential. Mit dem Schließen des Schalters 29 wird die in einem Wechselspannungsgenerator 30 erzeugte Wechselspannung an den zweiten Eingang eines auf den Kompensationsverstärker 8 arbeitenden Summiergliedes 31 geführt, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Integrationsgliedes 23,24,25 verbunden ist. Die am Kompensatiorisverstärker 8 liegende Wechselspannung wird verstärkt, und es fließt ein Wechselstrom durch die Kompensationswicklung 3. Für den Fall, daß die aus der Amper-Windungszahl der Meßwicklung 2 und der Amper· Windungszahl der Kompensationswicklung 3 gebildete Differenz etwa Null erreicht, steigt die Induktionsspannung ander Indikatorwicklung 16 wieder an, und die beiden Schalter 28, 29 werden geöffnet. Nun gelangt nur noch die Kondensatorspannung vorn Integrationskondensator 25 an den Kompensationsverstärker 8 und der Gleichstromwandler arbeitet, d.h. die Kompensationswicklung 3 und damit auch die zu dieser Wicklung in Reihe geschaltete Bürde 9 wird von einem den die Meßwicklung 2 durchfließenden Strom I₁ abbildenden Strom I₂ durchflossen. Eine andere Ausführungsform zeigt Fig.3, die weitestgehend derjenigen gemäß Fig. 2 entspricht und auch sinngemäß arbeitet, bei welcher jedoch der Wechselspannungsgenerator 30 eingespart ist. Anstelle des Wechselspannungsgenerators 30 und des diesen Wechselspannungsgenerator 30 anschaltenden Schalters 29 ist hierbei ein vom Schmitt-Trigger 27 angesteuerter Schalter 32 vorgesehen, durch den eine den auf die Kompensationswicklung 3 arbeitenden Verstärker 8 selbsttätig zum Schwingen anregende Mitkopplung 33 einschaltbar ist.

Eine weitere mögliche Ausführungsform zeigt Fig.4. Abweichend von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind hierbei die Indikatorwicklungen 15,16 in Reihe geschaltet und der Schmitt-Trigger 27 arbeitet auf einen Schalter 34, über den ein Wechselspannungsgenerator 37 an die Reihenschaltung der Indikatorwicklungen 15,16 schaltbar ist, d. h. im Fehlerfall wird hierbei eine Wechseldurchflutung im Magnetkern 1 nicht über die Kompensationswicklung 3, sondern über die ndikatorwicklungen 15,16 selbst erreicht. Damit dieser niederfrequente Anteil nicht von der aus den Differenzgliedern 19, 20, den Komparatoren 21, 22 sowie dem Integrationsglied 23, 24, 25 bestehenden Auswerteschaltung 7 erfaßt wird, wird die Induktionsspannung an den Indikatorwicklungen 15,16 jeweils über ei η Hochpaßglied 35,36 ausgekoppelt und den Verstärkern 17,18 zugeführt, wobei der Verstärker 17 auf das Differenzierglied 19 und der Verstärker 18 sowohl auf das Differenzierglied 20 als auch auf den Spitzenwertbildner 26 arbeitet, welcher den Schmitt-Trigger 27 beeinflußt.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Messung von Gleichströmen, bestehend aus einer Meßwicklung, die den zu messenden Gleichstrom führt, einem Magnetkern, einer Kompensationswicklung, die den zu messenden Strom abbildenden Strom führt, wenigstens einer Indikatoreinrichtung, der eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, die eine Verstärkeranordnung ansteuert, die den Strom in der Kompensationswicklung treibt und gegebenenfalls einer oder mehrerer Vormagnetisierungswicklungen, welche mit einem Wechselstrom beaufschlagt sind, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel (10; 26; 27) zur Überwachung der Durchflutung im Magnetkern (1) vorgesehen sind, die bei Überschreitung einer kritischen Feistärke (H_k) durch Ansteuerung eines Schaltmittels (28) die Abschaltung der Verstärkeranordnung (8) und/oder durch Einschalten eines weiteren Mittels (30; 33; 37) die Erzeugung einer Wechseldurchflutung im Magnetkern (1) zumindest im Bereich der Indikatoreinrichtung (4; 5) bewirken.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit zwei Indikatorwicklungen und einer Auswerteschaltung, die je ein mit der Ausgangsspannung einer Indikatorwicklung beaufschlagtes Differenzierglied mit nachgeschaltetem Komparator aufweist, deren Ausgänge an einem Integrationsglied liegen, gekennzeichnet dadurch, daß das integrationsglied (23; 24; 25) auf ein Sumrnierglied (31) arbeitet, dem der auf die Kompensationswicklung (3) arbeitende Verstärker (8) nachgeschaltet ist, und daß die Überwachungsmittel aus einem mit der Ausgangsspannung der einen Indikatorwicklung (16) beaufschlagten Spitzenwertbildner (26) mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger (27) bestehen und daß der Schmitt-Trigger (27) einerseits auf das Schaltmittel (28) arbeitet, durch welches der Ausgang des Integrationsgliedes (23; 24; 25) an Massepotential schaltbar ist, und andererseits ein Schaltmittel (29) betätigt, über welches ein Wechselspannungsgenerator (30) an den zweiten Eingang des Summiergliedes (31) schaltbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle des Wechselspannungsgenerators (30) und des diesen Wechselspannungsgenerators (30) anschaltenden Schaltmittels (29) ein vom Schmitt-Trigger (27) angesteuertes Schaltmittel (32) vorgesehen ist, durch welches eine den auf die Kompensationswicklung (3) arbeitenden Verstärker (8) selbsttätig zum Schwingen anregende Mitkopplung (33) einschaltbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 mit zwei Indikatorwicklungen und einer Auswerteschaltung, die je ein mit der Ausgangsspannung einer Indikatorwicklung beaufschlagtes Differenzierglied mit nachgeschaltetem Komparator aufweist, deren Ausgänge an einem Integrationsglied liegen, gekennzeichnet dadurch, daß die Indikatorwicklungen (15; 16) in Reihe geschaltet sind und deren Ausgangsspannungen jeweils über ein Hochpaßglied (35 bzw. 36) dem Differenzierglied (19 bzw. 20) zugeführt sind und daß die Überwachungsmittel aus einem mit der Eingangsspannung des einen Differenziergliedes (20) beaufschlagten Spitzenwertbildner (26) mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger (27) bestehen und daß der Schmitt-Trigger (27) auf ein Schaltmittel (34) arbeitet, über welches ein Wechselspannungsgenerator (37) an die Reihenschaltung der Indikatorwicklungen (15; 16) schaltbar ist.

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