DE102007041176A1

DE102007041176A1 - Mess- und/oder Schaltgerät

Info

Publication number: DE102007041176A1
Application number: DE200710041176
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kiendl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-05
Also published as: CN101790689B; CN101790689A; WO2009027373A2; WO2009027373A3

Abstract

Die vorliegende Anmeldung stellt Methoden vor, wie rechnerisch ein korrigierter Effektivwert aus einem realen Effektivwert eines Sekundärstroms eines Stromwandlers mit Eisenkern berechnet werden kann, wenn bei der Erzeugung des Sekundärstroms aus einem Primärstrom die Magnetisierung des Eisenkerns in Sättigung geht. Der korrigierte Wert simuliert den Fall, dass die Sättigung nicht erreicht wird. Dies kann dazu ausgenutzt werden, in Mess- und/oder Schaltgeräten mit einem Stromwandler mit Eisenkern, zum Beispiel in einem Niederspannungs-Leistungsschalter, einen kleineren Stromwandler mit Eisenkern als sonst üblich zu verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät, das von einem Stromwandler mit Eisenkern Gebrauch macht. Der Stromwandler mit Eisenkern transformiert einen Primärstrom in einen Sekundärstrom. Entsprechend gehören zum Gerät Mittel zum Einkoppeln des Primärstroms. Der Sekundärstrom wird in irgendeiner Form ausgewertet. Entweder genügt für die Zwecke des Geräts die Erfassung eines Messwerts, oder der Sekundärstrom wird als Richtgröße für ein Schalten verwendet. Dementsprechend ist das Gerät ein Mess- und/oder Schaltgerät. Ein typischer Anwendungsfall ist ein Niederspannungs-Leistungsschalter.
Durch die Mittel zum Auswerten wird von dem Sekundärstrom auf den Primärstrom zurückgeschlossen. Bisher wird davon ausgegangen, dass der Effektivwert des Sekundärstroms im Wesentlichen linear zum Effektivwert des Primärstroms ist. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn der Primärstrom für eine zu seinem Wert proportionale Magnetisierung des Eisenkerns sorgt. Der Eisenkern darf daher nicht die Sättigungsmagnetisierung erreichen. Der Bereich, in dem die Sättigung einsetzt, darf überhaupt nicht erreicht werden. Aus diesem Grund wird in den Geräten der genannten Gattung üblicherweise ein ausreichend groß dimensionierter Stromwandler eingesetzt. Es wäre wünschenswert, könnte man kleinere Stromwandler verwenden.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, Mess- und/oder Schaltgeräte der genannten Gattung kompakt zu bauen.
Dies wird dadurch bewirkt, dass die Mittel zum Auswerten des Sekundärstroms dazu ausgelegt sind, es beim Auswerten zu berücksichtigen, wenn der Primärstrom so hoch ist, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld bewirkt, dass der Bereich der Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns erreicht wird. Dieser Fall ist genau der Fall, dass die Magnetisierung nicht mehr (im Wesentlichen) linear mit dem Primärstrom korreliert ist. Zur Folge hat dies alles, dass die Kurvenform des Sekundärstroms von der des Primärstroms abweicht.
Dadurch, dass die Mittel zum Auswerten des Sekundärstroms berücksichtigen, dass der Bereich der Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns erreicht wird, muss der Bereich der Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns nicht mehr umgangen werden. Dadurch kann der Stromwandler kleiner als sonst ausgebildet sein.
Im Zentrum des Interesses steht bei einem Mess- und/oder Schaltgerät mit Stromwandler der Effektivwert des Sekundärstroms. Durch die Verwendung des kleineren Stromwandlers geht bei gewissen Primärstromwerten die Magnetisierung des Eisenkerns in Sättigung, und dieser Effektivwert ist im Vergleich zu dem linearen Verhalten bei kleineren Primärströmen zwischen dem Effektivwert des Sekundärstroms und dem Effektivwert des Primärstroms zu klein. Bevorzugt erfolgt das Berücksichtigen dieses Effekts dadurch, dass die Mittel zum Auswerten einen korrigierten Effektivwert für den Sekundärstrom ermitteln (insbesondere berechnen), den man beim realen Sekundärstrom erhalten würde, wenn die Magnetisierungskurve des Eisenkerns so aussähe, dass eine Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns nicht erreicht würde. Es wird durch den korrektiven Effektivwert also der Fall simuliert, dass ein so groß dimensionierter Stromwandler mit Eisenkern verwendet wird, dass der Sekundärstrom noch (im Wesentlichen) linear mit dem Primärstrom korreliert ist.
Wie bereits erwähnt ist es eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips, dass das erfindungsgemäße Gerät ein Niederspannungs-Leistungsschalter ist, bei dem ein Magnetaktor eine Unterbrechung des Primärstromkreises bewirkt. Anstatt den realen Effektivwert als Grundlage für ein Auslösekriterium zu verwenden, wird nunmehr der korrigierte Effektivwert verwendet, und zwar wird der Magnetaktor dann aktiviert, wenn der korrigierte Effektivwert die Einstellwerte des Niederspannungs-Leistungsschalters (z. B. mindestens einen Grenzwert) überschreitet.
Das Erzeugen eines korrigierten Effektivwerts beruht auf der Tatsache, dass der Eisenkern, wenn er in Sättigung geht, ein definiertes Verhalten zeigt, so dass anhand des Sekundärstroms tatsächlich auf den Primärstrom zurück-geschlossen werden kann, auch wenn der Sekundärstrom nicht mehr dieselbe Kurvenform wie der Primärstrom hat. Es zeigt sich, dass man den Sekundärstrom als phasenabschnitt-gesteuerten Sekundärstrom ansehen kann: Der Sekundärstrom folgt also über eine bestimmte Zeitdauer dem Primärstrom und fällt bei Erreichen der Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns abrupt ab. Man kann nun einen Schwellwert definieren so, dass die Zeitdauer des Überschreitens des Schwellwerts durch den Betrag des Sekundärstroms im Wesentlichen genau gleich der Zeitdauer ist, während der der Sekundärstrom linear dem Primärstrom folgt.
Bei einer Ausführungsform erfolgt der Vergleich mit dem Schwellwert durch analoge Elektronik, und es wird ein Rechteckpulssignal erzeugt, derart, dass die Dauer des Rechteckpuls gleich der Dauer des Überschreitens des Schwellwerts ist. Dieses Rechteckpulssignal kann dann nach Transformation durch einen Analog-Digital-Wandler von einem Mikrocontroller ausgewertet werden, indem einfach die Länge der Rechteckpulse gemessen wird.
Alternativ kann die gesamte Auswertung digital erfolgen. Der Vergleich der Sekundärstromwerte mit dem Schwellwert erfolgt dann ebenfalls in dem Mikrocontroller nach Transformation des Sekundärstroms durch einen Analog-Digital-Wandler. Eine Rechteckpulskurve muss dann nicht eigens erzeugt werden.
Rechnerisch am einfachsten zu handhaben ist es, wenn als korrigierter effektiver Sekundärstrom das Produkt aus dem realen effektiven Sekundärstrom mit einem von der ermittelten Zeit dauer des Überschreitens des Schwellwerts abhängigen Faktor verwendet wird. Dieser Korrekturfaktor K(α) mit der ermittelten Zeitdauer α ist bevorzugt durch die folgende Formel gegeben:
Bei einem sinusförmigen Primärstrom wird dieser Korrekturfaktor K(α) zu 1, wenn sich der reale Sekundärstrom auch der Sinusform nähert, dann beträgt nämlich α genau π. In diesem Falle muss der reale effektive Sekundärstrom ja auch nicht um einen von 1 verschiedenen Faktor korrigiert werden.
Eine Zeitdauer des Überschreitens eines Schwellwerts durch den Betrag des Sekundärstroms ist nicht die einzige Größe, die man heranziehen kann, um einen Korrekturfaktor für den realen effektiven Sekundärstrom zu ermitteln. So kann alternativ auch ein Formfaktor für den Sekundärstrom definiert werden. Dieser Formfaktor ist das Verhältnis von Effektivwert des Sekundärstroms zum Betragsmittelwert (auch Gleichrichtwert genannt) des Sekundärstroms. Dieser Messgröße Formfaktor kann mit Hilfe eines Kennfelds ein Korrekturfaktor zugeordnet werden, mit dem der korrigierte Effektivwert des Sekundärstroms aus dem realen Effektivwert des Sekundärstroms berechnet wird.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
1 eine elektronischen Auslöseeinheit eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Leistungsschalters veranschaulicht,
2 den zeitlichen Verlauf eines Sekundärstroms veranschaulicht, wenn ein Eisenkern eines Stromwandlers nicht in Sättigung geht und
3 den zeitlichen Verlauf eines Sekundärstroms veranschaulicht, wenn ein Eisenkern des Stromwandlers in Sättigung geht,
4 das Anlegen eines Schwellwert-Kriteriums an die Kurve aus 3 veranschaulicht,
5 eine aufgrund des Schwellwert-Kriteriums gewonnene Kurve mit Rechteckpulsen zeigt,
6 ein Kennlinienfeld zeigt, das die Beziehung aus einem Korrekturfaktor und einem gemessenen Formfaktor wiedergibt,
7 die Ableitung des korrigierten Effektivwerts aus dem zeitlichen Verlauf des Sekundärstroms gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
In einem Niederspannungs-Leistungsschalter soll ab einem bestimmten Effektivwert eines Stroms der das Fließen dieses Stroms ermöglichende Stromkreis unterbrochen werden. Ein erfindungsgemäßer Niederspannungs-Leistungsschalter umfasst eine elektronische Auslöseeinheit, die in 1 dargestellt und im Ganzen mit 10 bezeichnet ist. Es wird nun nicht ein in dem zu unterbrechenden Stromkreis fließender Strom direkt als Kriterium für das Unterbrechen des Stromkreises verwendet, sondern dieser wird als Primärstrom i_p(t) an Stromwandler 12 zugeführt, der einen Eisenkern haben soll. Der Stromwandler erzeugt auf der Sekundärseite einen Sekundärstrom i_s(t), und dieser Sekundärstrom dient als Kriterium für das Auslösen des Stromkreises. Der Sekundärstrom i_s(t) fällt an einem Abschlusswiderstand (Bürde) 14 ab und wird einem Analog-Digital-Wandler 16 zugeführt. Man erhält so digitale Werte, die einem Mikrocontroller 18 zugeführt werden, der die eigentliche Auswertung vornimmt. Nach einem bestimmten Kriterium analysiert der Mikrocontroller 18 den digitalisierten Sekundärstrom und weist gegebenenfalls über einen Magnetaktor 20 das Schaltschloss des Niederspannungsleistungsschalters an, den Stromkreis, in dem der Primärstrom i_p(t) fließt, mechanisch zu öffnen.
Bei herkömmlichen Niederspannungs-Leistungsschaltern wird ein solcher Stromwandler verwendet, bei dem für die zu erwartenden Primärströme der Sekundärstrom dieselbe Form hat. 2 zeigt für diesen Fall eine Kurve 22 des zeitlichen Verlauf des Sekundärstroms i_s(t) für einen sinusförmigen Primärstrom: Der Sekundärstrom ist ebenfalls sinusförmig, weil der Eisenkern des Stromwandlers nicht in Sättigung gelangt.
3 zeigt nun einen anderen Fall: Hier ist der Stromwandler im Vergleich zu dem zur Erzeugung der Sekundärstromkurve 22 des aus 2 verwendeten Stromwandlers kleiner. Bei gleichem Primärstrom geht die Magnetisierung des Eisenkerns in Sättigung. Man erhält dann anstelle der Kurve 22 die in 3 gezeigte Sekundärstromkurve 24. Wie in 3 zu sehen, ist ein in 3 mit 26 bezeichneter Teil der Kurve 24 nahezu ausgebildet wie ein entsprechender Teil der Kurve 22, d. h. es wird ein Teil einer Sinuskurve durchlaufen. Ab Ereichen eines bestimmten Primärstroms geht die Magnetisierung des Eisenkerns in Sättigung, und die Kurve fällt rapide ab, siehe Abschnitt 28. Man kann den Sekundärstrom aus 3 als phasenabschnitt-gesteuerten Sekundärstrom ansehen.
Die Breite des durch die Kurvenabschnitte 26 und 28 definierten Peaks ist nun ein Maß für das Ausmaß des Einflusses der Magnetisierungskurve aufgrund der Tatsache, dass deren nichtlinearer Sättigungsbereich erreicht wird. Es wird nun ein Schwellwert 30 festgelegt und eine Breite α des Peaks ermittelt. Die Einheit der Breite α ist die einer Zeit. Man kann dies jedoch auch als Phase ansehen und α als Stromflusswinkel bezeichnen. Analog zum Schwellwert 30 kann auch dessen negativer Wert 30' festgelegt werden, und für dessen Unterschreiten ebenfalls die Breite des zugehörigen Peaks, α, ermittelt werden.
Man kann nun das Ergebnis des Vergleichs der Kurve 24 mit den Schwellwerten 30 und 30' zu einer Kurve zusammenfassen, die in 5 gezeigt ist. Die Kurve steht auf logisch hoch („Vergleichsergebnis = 1"), wenn der Schwellwert überschritten ist, und sie ist logisch niedrig („Vergleichsergebnis = 0"), solange der Schwellwert 30 beziehungsweise 30' betragsmäßig unterschritten wird. In 5 ist die Breite α also die Dauer eines Rechteckpulses. Je weniger die Magnetisierung des Eisenkerns in Sättigung geht, desto größer ist α und desto mehr nähert sich die Kurve durchgehend logisch hoch an, und wenn die Sättigung der Magnetisierung des Eisenkerns immer mehr erreicht wird, dann wird α umso kleiner.
Es lässt sich nun aus dem realen Effektivwert des Sekundärstroms, I_Seff,real und der Größe α ein korrigierter Effektivwert I_Seff,korr für den Sekundärstrom berechnen, wobei der korrigierte Effektivwert der Wert ist, der sich ergeben würde, wenn der Stromwandler größer wäre und der Bereich der Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns bei Erregung durch denselben Primärstrom nicht erreicht würde. Bei ausreichend niedrig liegendem Schwellwert 30 beziehungsweise 30' lässt sich folgende Formel ableiten: ISeff,korr = ISeff,real·K(α)
Es ist vorgesehen, dass der Mikrocontroller 18 die Größe α ermittelt, indem dort ein Vergleich der digitalisierten Daten mit den Schwellwerten 30 und 30' erfolgt, dass auch I_Seff,real. in dem Mikrocontroller ermittelt wird und dass I_Seff,korr ermittelt wird. Der Magnetaktor 20 wird nun durch den Mikrocontroller 18 dann ausgelöst, wenn der korrigierte Effektivwert für die Sekundärstromstärke I_Seff,korr einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dadurch, dass der korrigierte Effektivwert größer als der reale Effektivwert des Sekundärstroms ist, erfolgt eine Auslösung schneller als sonst, so wie sie bei einer rein linearen Beziehung zwischen Primärstrom und Sekundärstrom erfolgen würde.
Anstatt die Größe α anhand der Definition der Schwellwerte 30 und 30' zu definieren, dann zu ermitteln und zum Berechnen eines Korrekturwerts K(α) zu verwenden, kann ein Korrekturwert K auch auf anderem Wege ermittelt werden. Bei dieser Alternativlösung wird der Formfaktor des Sekundärstromes verwendet. Dieser Formfaktor ist definiert als Verhältnis von Effektivwert
zum Gleichrichtwert, also dem Betragsmittelwert |i(t)|
Dieser Formfaktor kann zum Stromflusswinkel α näherungsweise wie folgt in Beziehung gesetzt werden:
Verwendet man nun denselben Korrekturwert wie bei der oben beschriebenen Alternative K(α)
dann lässt sich eine Beziehung zwischen dem Formfaktor F und dem Korrekturfaktor K ermitteln, zum Beispiel indem die obigen Formeln für unterschiedliche α berechnet werden. Es lässt sich ein Kennfeld beziehungsweise eine Kennkurve ermitteln, in der der Korrekturfaktor K(α) zum Formfaktor F = F(α) in Beziehung gesetzt wird. Diese Kennkurve ist in 6 dargestellt und dort mit 32 bezeichnet. Verwendet man die Kennkurve 32, muss der Wert α gar nicht mehr ermittelt werden. Die Kennkurve 32 kann insbesondere auch anders als über die obigen Gleichungen ermittelt werden, zum Beispiel anhand von experimentiellen Versuchen an Stromwandlern oder mittels Simulationen mit Hilfe von finiten Elementen.
7 fasst die Vorgehensweise bei Verwendung des Kennfelds 32 zusammen: Aus i_s(t) wird einerseits der Effektivwert I_Seff,real und andererseits der Gleichrichtwert
ermittelt, diese werden in ein Verhältnis zueinander gesetzt, um den Formfaktor F zu bestimmen, und aus dem Formfaktor F wird anhand des Kennfeldes 32 der Korrekturfaktor K abgeleitet. Dieser Korrekturfaktor K wird anschließend mit dem zuvor ermittelten I_Seff,real multipliziert, um I_Seff,korr zu erhalten.
Den beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, dass ausgehend von dem realen Effektivwert des Sekundärstroms ein korrigierter Effektivwert mit Hilfe eines Korrekturfaktors K berechnet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind auch andere Methoden denkbar, wie in irgendeiner Form berücksichtigt werden kann, das der Bereich der Sättigungs-Magnetisierung des Eisenkerns erreicht wird. Folge dieser Berücksichtigung ist es, dass der Stromwandler mit dem Eisenkern nicht übermäßig groß sein muss. Das im Stand der Technik vorhandene Erfordernis, den Stromwandler mit Eisenkern so groß auszuführen, dass der Sekundärstrom linear zum Primärstrom korreliert ist, entfällt.

Claims

Mess- und/oder Schaltgerät mit Mitteln zum Einkoppeln eines Primärstroms (i_p(t)) mit einem Stromwandler (12) mit Eisenkern, der den Primärstrom in einen Sekundärstrom (i_s(t)) transformiert, und mit Mitteln (14, 16, 18) zum Auswerten des Sekundärstroms, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 16, 18) zum Auswerten des Sekundärstroms (i_s(t)) dazu ausgelegt sind, es beim Auswerten zu berücksichtigen, wenn der Primärstrom (i_p(t)) so hoch ist, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld bewirkt, dass der Bereich der Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns erreicht wird.
Mess- und/oder Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 16, 18) zum Auswerten einen korrigierten Effektivwert (I_Seff,korr) für den Sekundärstrom ermitteln, den man beim realen Sekundärstrom erhalten würde, wenn die Magnetisierungskurve des Eisenkerns so aussähe, dass eine Sättigung in der Magnetisierung des Eisenkerns nicht erreicht würde.
Mess- und/oder Schaltgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Niederspannungs-Leistungsschalter ist, bei dem ein Magnetaktor (20) eine Unterbrechung des Primärstromkreises bewirkt, wenn der korrigierte Effektivwert (I_Seff,korr) die Einstellparameter des Niederspannungs-Leistungsschalters überschreitet.
Mess- und/oder Schaltgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert (30, 30') definiert wird, die Zeitdauer des Überschreitens dieses Schwellwerts durch den Betrag des zeitlich variablen Sekundärstroms ermittelt wird und aus dieser Zeitdauer dann der korrigierte Effektivwert (I_Seff,korr) abgeleitet wird.
Mess- und/oder Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sekundärseite des Stromwandlers nachgeordnete Schaltung eine Rechteckpulskurve erzeugt, in der die Zeitdauer des Rechteckpulses gleich der Zeitdauer des Überschreitens des Schwellwerts ist, wobei die Rechteckpulskurve einem Analog-Digital-Wandler zugeführt wird und die Zeitdauern der Rechteckpulse von einem Mikrokontroller erfasst werden.
Mess- und/oder Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite des Stromwandlers (12) mit einem Analog-Digital-Wandler (16) verbunden ist und der Vergleich der Sekundärstromwerte mit dem Schwellwert (30, 30') in einem dem Analog-Digital-Wandler (16) nachgeordnetem Mikrokontroller (18) erfolgt, der so die Zeitdauer (α) des Überschreitens des Schwellwerts ableitet.
Mess- und/oder Schaltgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ISeff,korr = ISeff,realK(α)wobei I_Seff,real der Effektivwert des Sekundärstroms ist und I_Seff,korr der korrigierte Effektivwert des Sekundärstrom ist, wobei K(α) ein von der ermittelten Zeitdauer α abhängiger Korrekturfaktor ist, der bevorzugt anhand der Formel
ermittelt wird.
Mess- und/oder Schaltgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formfaktor (F) zum Sekundärstrom (i_s(t)) als Verhältnis vom Effektivwert des Sekundärstroms I_Seff,real zum Betragsmittelwert
des Sekundärstroms ermittelt wird und aufgrund eines Kennfelds 32 dem Formfaktor (F) ein Korrekturfaktor K zugeordnet wird und der korrigierte Effektivwert des Sekundärstroms I_Seff,korr gemäß ISeff,korr = ISeff,real·Kberechnet wird.