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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gleichstrommessung bei einem zugleich vorhandenen deutlich größeren Wechselstromanteil.
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Strommesser, die auf dem Prinzip eines Transformators beruhen, finden in vielen Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie Verwendung. Dabei besitzt die Primärseite des Transformators häufig nur eine Windung und die Sekundärseite ist über einen Messwiderstand von geringer Größe abgeschlossen. Eine solche Anordnung wird auch als Wechselstrommesswandler oder AC-Stromwandler bezeichnet und weist z. B. die folgenden Vorteile auf:
- – geringe Kosten,
- – galvanische Trennung,
- – hohe Isolationsfestigkeit,
- – hohe Genauigkeit,
- – hohe Überstromfestigkeit und
- – hohe Störfestigkeit gegenüber kapazitiver Einkopplungen.
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Nachteilig sind bei solchen Wechselstromwandlern vor allem die konzeptionell fehlende DC-Fähigkeit sowie die Signalverzerrung bei der Messung von AC/DC-Mischströmen.
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Da sich bei der Erzeugung und vor allem beim Verbrauch elektrischer Energie zunehmend Gleichstromgeräte etablieren, wird elektrische Energie heutzutage zu einem erheblichen Anteil mehrfach umgerichtet. Dies hat zur Folge, dass bei einer Störung oder einer Fehlfunktion auch Gleichstromanteile mit über das Wechselstromnetz fließen können. Darüber hinaus treten, z. B. bei langen Freileitungen, abhängig von den Umweltbedingungen, regelmäßig (zusätzlich zu den Wechselströmen) Gleichströme auf. Auch in Gebäuden, die z. B. mit Photovoltaik-Anlagen („PV-Anlagen”) ausgestattet sind, können DC-Ableitströme zur Fehlfunktion von Schalt- und Schutzeinrichtungen führen.
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Damit kommt dem Erfassen von überlagerten Gleichströmen eine zunehmende Bedeutung zu. Die Gleichströme sind zwar wesentlich kleiner als die Wechselströme, führen jedoch an den Netztransformatoren zu stark erhöhten Verlusten und Oberwellen. Von besonderem Interesse im Bereich der Stromübertragung ist das Erfassen von Gleichströmen, die z. B. um einen Faktor 50 bis 500 kleiner als die jeweiligen Wechselströme der Leitung sind.
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Bekannte Lösungen für Gleichstrommessungen für Gleichströme, die um mindestens einen Faktor 100 geringer sind als die gleichzeitig vorhandenen Wechselströme, sind häufig zu ungenau.
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Aus
DE 10 2007 013 634 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung eines von einem Wechselstromanteil überlagerten Gleichstromanteils eines in Leitern von Wechselstrombahnen fließenden Stroms bekannt. Auch dieser Ansatz eignet sich nicht zur Messung sehr kleiner Gleichströme mit hoher Genauigkeit.
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Auch sind Messverfahren (sogenannte Zero-Flux-Verfahren) bekannt: Die nach dem Prinzip der Magnetflusskompensation arbeitenden Stromwandler verfügen über eine oder mehrere sekundärseitig angebrachte Kompensationswicklungen, in die ein Strom eingespeist wird. Der eingespeiste Kompensationsstrom wird so geregelt, dass der Magnetfluss im Wandlerkern vorzugsweise vollständig kompensiert wird. Der Kompensationsstrom stellt somit eine Nachbildung des Primärstroms dar und wird als Spannungsabfall über einen Messwiderstand erfasst und in einer Auswerteinheit ausgewertet. Für die Einstellung des Kompensationsstroms wird ein Steuer- bzw. Rückführsignal benötigt. Dieses kann beispielsweise mittels eines im Wandlerkern angebrachten Hall-Sensors gewonnen werden (
EP 0 194 225 B1 ).
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EP 0 132 745 A2 betrifft eine Einrichtung zur Messung von Gleichströmen, die nach dem Nullflußprinzip arbeitet. Die Einrichtung umfasst neben einer Messwicklung und einer Kompensationswicklung eine Indikatorwicklung, und eine Vormagnetisierungswicklung. Zur Senkung des Magnetisierungsleistungsbedarfs und zur Vermeidung von HF-Störungen weist der Magnetkreis Isthmen auf, die aus Parallelschaltungen magnetischer Leiter bestehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Lösung zur Messung kleiner Gleichströme bei gleichzeitig vorhandenen großen Wechselströmen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Gleichstrommessung vorgeschlagen
- – mit einem ersten Kern,
- – mit einem zweiten Kern,
- – wobei der erste Kern und der zweite Kern über mindestens eine AC-Kompensationswindung gekoppelt sind,
- – wobei der erste Kern eine AC/DC-Kompensationswindung aufweist,
- – wobei der erste Kern eine Pick-Up-Wicklung aufweist,
- – wobei anhand der von der Pick-Up-Wicklung aufgenommenen Signale eine Stromquelle ansteuerbar ist, die über die AC/DC-Kompensationswindung ein Kompensationssignal induziert,
- – wobei der der erste Kern und der zweite Kern jeweils geschlossene Magnetkerne aufweisen, insbesondere mit unterschiedlichen Materialeigenschaften und Geometrien.
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Hierbei sei angemerkt, dass eine Windung auch mehrere Windungen aufweisen kann. Der Begriff Wicklung wird entsprechend zur Windung verwendet, d. h. die Wicklung kann mindestens eine Wicklung oder eine Vielzahl von Wicklungen um den Kern aufweisen.
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Die hier vorgeschlagene Messvorrichtung erlaubt eine Messung der Gleichstromanteile in einem Mischsignal (Mischstrom) umfassend einen Wechselstrom und einen Gleichstrom, wobei der Wechselstromanteil deutlich größer als der Gleichstromanteil ist.
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Eine Weiterbildung ist es, dass eine Regeleinheit vorgesehen ist, anhand derer die Signale von der Pick-Up-Wicklung in eine Stellgröße zur Ansteuerung der Stromquelle umsetzbar sind.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass ein Signal der AC-Kompensationswicklung anhand der Regeleinheit auswertbar ist zur Ansteuerung der Stromquelle.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass das Signal der AC-Kompensationswicklung und das Signal der Pick-Up-Wicklung jeweils über einen AD-Wandler der Regeleinheit zuführbar ist.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Regeleinheit als ein FPGA oder als ein Signalprozessor ausgeführt ist.
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Auch kann die Regeleinheit Teil einer bereits vorhandenen Rechnereinheit, z. B. eines Mikroprozessors oder -controllers, sein.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der erste Kern und der zweite Kern die folgende Bedingung hinsichtlich ihrer Dimensionierung erfüllen:
wobei
- A1
- den Querschnitt des ersten Kerns,
- μ1
- die Permeabilität des ersten Kerns,
- lFe_1
- die effektive Eisenlänge des ersten Kerns,
- A2
- den Querschnitt des zweiten Kerns,
- μ2
- die Permeabilität des zweiten Kerns,
- lFe_2
- die effektive Eisenlänge des zweiten Kerns.
bezeichnen.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung weisen der erste Kern und der zweite Kern jeweils geschlossene Magnetkerne auf, insbesondere mit unterschiedlichen Materialeigenschaften und Geometrien.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der erste Kern eine Permeabilität μ und eine Koerzitivfeldstärke Hc wie folgt aufweist:
μ > 30000;
Hc < 10 A/m.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass der erste Kern rascherstarrtes, nanokristallines oder amorphes Bandmaterial mit einer F-Charakteristik der Hysterese aufweist.
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Die Wahl eines entsprechenden Materials stellt sicher, dass bereits kleine Gleichstromanteile zu einem signifikanten Anstieg der magnetischen Flussdichte in dem Kernmaterial führen.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der erste Kern eine Steuerwicklung aufweist, über die ein Wechselsignal einprägbar ist, wobei das Wechselsignal insbesondere ein zeitharmonisches Flussdichtesignal ist.
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Bei Überlagerung der vom Gleichstrom verursachten magnetischen Flussdichte mit einem zeitharmonischen Flussdichtesignal können an der Pick-Up-Spule Oberwellen gemessen werden. Für die weitere Auswertung sind besonders die ungeradzahligen Oberwellen von Bedeutung. Ein solches zeitharmonisches Flussdichtesignal kann durch einen Steuerstrom z. B. über die Steuerwicklung eingeprägt werden.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Vorrichtung zur Anordnung um einen Leiter ausgeführt ist, der einen Mischstrom führt.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Vorrichtung symmetrisch um den Leiter anordenbar ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Gleichstrommessung,
- – bei dem ein erster Kern und ein zweiter Kern über mindestens eine AC-Kompensationswindung gekoppelt sind,
- – wobei der erste Kern eine AC/DC-Kompensationswindung und eine Pick-Up-Wicklung aufweist,
- – wobei anhand von der Pick-Up-Wicklung aufgenommener Signale eine Stromquelle angesteuert wird, die über eine AC/DC-Kompensationswindung ein Kompensationssignal induziert,
- – wobei der der erste Kern und der zweite Kern jeweils geschlossene Magnetkerne aufweisen, insbesondere mit unterschiedlichen Materialeigenschaften und Geometrien.
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Die vorstehenden Ausführungen für die Vorrichtung gelten entsprechend auch für das Verfahren.
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Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z. B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z. B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau eines Mess-Systems zur Messung einer Gleichstrom-Komponente eines AC/DC-Mischstroms,
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2 eine schematische Skizze eines Mess-Systems zur Messung der Gleichstrom-Komponente eines AC/DC-Mischstroms.
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Es wird insbesondere vorgeschlagen, eine Kombination aus einem Fluxgate-Sensor mit geschlossenem Kern und einer AC-Kompensationseinheit zur Messung von Gleichströmen, welche von einem großen Wechselstrom überlagert sind, einzusetzen.
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Die AC-Kompensationseinheit weist vorzugsweise einen geschlossenen Magnetkern sowie eine AC-Kompensationsspule auf, die beide Kerne umfasst.
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Durch Kombination zweier geschlossener Magnetkerne mit unterschiedlichen Materialeigenschaften und Geometrien kann die Wechselstromkompensation verbessert und zusätzlich die Gleichstromempfindlichkeit erhöht werden. Dazu ist unter anderem eine geeignete Auslegung des magnetischen Kerns von Bedeutung. Das Kernmaterial des ersten Kerns zur Gleichstrommessung weist vorzugsweise eine hohe Permeabilität (μ > 30000) und eine vergleichsweise geringe Koerzitivfeldstärke (z. B. Hc < 10 A/m) auf. Auch sollte die Sättigungsmagnetisierung möglichst gering sein. Dies kann z. B. durch die Verwendung von rascherstarrten, nanokristallinen bzw. amorphen Bandmaterialien (z. B. Vitroperm) mit F-Charakteristik der Hysterese erreicht werden.
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Die Wahl eines entsprechenden Materials stellt sicher, dass bereits kleine Gleichstromanteile zu einem signifikanten Anstieg der magnetischen Flussdichte in dem Kernmaterial führen. Bei Überlagerung der vom Gleichstrom verursachten magnetischen Flussdichte mit einem zeitharmonischen Flussdichtesignal können an der Pick-Up-Spule Oberwellen gemessen werden. Für die weitere Auswertung sind besonders die ungeradzahligen Oberwellen von Bedeutung. Ein solches zeitharmonisches Flussdichtesignal kann durch einen Steuerstrom z. B. über eine Steuerwicklung eingeprägt werden.
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Ist die Bedingung
erfüllt, tritt keine Kompensation über die AC-Kompensationswindung auf. Hierbei bezeichnen
- A1
- den Querschnitt des ersten Kerns,
- μ1
- die Permeabilität des ersten Kerns,
- lFe_1
- die effektive Eisenlänge des ersten Kerns,
- A2
- den Querschnitt des zweiten Kerns,
- μ2
- die Permeabilität des zweiten Kerns,
- lFe_2
- die effektive Eisenlänge des zweiten Kerns.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Mess-Systems zur Messung einer Gleichstrom-Komponente eines AC/DC-Mischstroms. Ein Kern 101 (erster Kern) ist mit einer Pick-Up-Wicklung 102, mit einer Steuerwicklung 103 und mit einer AC/DC-Kompensationswicklung 104 umgeben. Weiterhin ist ein Kern 105 (zweiter Kern) vorgesehen. Der erste Kern 101 und der zweite Kern 105 sind mit einer AC-Kompensationswindung 106 umgeben. Die Anordnung dieses Mess-Systems ist um einen Leiter 107 herum ausgeführt, in dem ein Strom Ip fließt.
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Der Kern 101 weist eine hohe Permeabilität (μ > 30000) und eine geringe Koerzitivfeldstärke (Hc < 10 A/m) auf. Der Kern 105 weist vorzugsweise eine hohe Permeabilität auf.
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Neben dem Kernmaterial ist die richtige Dimensionierung der Kerne 101 und 105 von Bedeutung. Damit an der Pick-Up-Wicklung 102 ein verwertbares Signal auftritt, sollte die Beziehung gemäß der vorstehenden Gleichung (1) erfüllt sein.
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Neben der Wahl des richtigen Materials ist auch die Geometrie der einzelnen Wandlerkerne von Bedeutung. Die Wahl der richtigen Wandlerkerne mit dem beschriebenen Eigenschaftsprofil stellt sicher, dass bereits kleine Gleichstromanteile zu einer messbaren magnetischen Flussdichte in dem ersten Kern 101 führen.
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Vorzugsweise ist der Kern 101 von mindestens drei Wicklungen bzw. Windungen unterschiedlichen Typs umgeben, z. B.
- – der Steuerwicklung 103, durch die ein definierter periodischer Strom fließt,
- – der Pick-Up-Wicklung 102, an der die induzierte Spannung gemessen wird,
- – der AC-Kompensationswindung 106 (die AC-Kompensationswindung kann direkt von einem transformatorischen AC-Wandler getrieben werden),
- – der AC/DC-Kompensationswindung 104.
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Hierbei sei angemerkt, dass die Reihenfolge der Typen von Wicklungen/Windungen auf dem Kern auch variieren und nicht nur wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt ausgeführt sein kann.
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Die bekannte Technik der Fluxgate-Sensoren zur hochgenauen Messung kleinster Felder wird durch eine AC-Kompensationseinheit erweitert und so für die hochgenaue Messung von Gleichströmen eingesetzt. Hieraus ergeben sich z. B. die folgenden Vorteile:
- – der Gleichstrom kann erfasst werden trotz überlagerter Wechselströme,
- – geringe Zusatzkosten,
- – galvanische Trennung,
- – einfache Integration in bestehende Systeme.
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2 zeigt eine schematische Skizze eines Mess-Systems zur Messung der Gleichstrom-Komponente eines AC/DC-Mischstroms.
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Der Leiter 107 ist mit einem solchen Mischstrom Ip durchflossen. Die Pick-Up-Spule 102 um den Kern 101 und die AC-Kompensationswindung 106 um den Kern 101 liefern über je einen Analog-Digital Wandler 204, 205 ein Signal an eine Regeleinheit 201. Die Regeleinheit 201 speist eine Stromquelle 202, die über die AC/DC-Kompensationswindung 104 mit der Windungszahl N mit dem Kern 101 gekoppelt ist.
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Weiterhin ist eine zeitharmonische Stromquelle 203 vorgesehen, die über die Steuerwicklung 103 mit dem Kern 101 gekoppelt ist. Die zeitharmonische Stromquelle 203 speist beispielsweise einen sinusförmigen Strom ein, so dass die magnetische Feldstärke variiert wird. Es erfolgt eine zeitliche Veränderung des magnetischen Flusses, der mit der der magnetischen Feldstärke über die Hysterese verknüpft ist. Dadurch erhält das Signal eine Asymmetrie, die von der Regeleinheit 201 verringert wird.
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Die Regeleinheit 201 liefert eine Stellgröße 206 für die Stromquelle 202. Auch stellt die Regeleinheit 201 einen AC-Wert und einen DC-Wert an einem Datenausgang 207 bereit. Die Regeleinheit 201 kann als ein FPGA oder ein DSP realisiert sein. Die Regelung kann z. B. mittels FFT erfolgen.
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Die Pick-Up-Wicklung 102 und die Steuerwicklung 103 werden über ein sogenanntes Fluxgate-Prinzip betrieben. Als Hauptverfahren kommen hier die Fluxgate Betriebsverfahren „Symmetrischer Puls” und „Erste Oberwelle” (2nd harmonic) in Betracht. Bei diesen Verfahren wird vorteilhaft noch die AC/DC-Kompensationswindung 104 verwendet. Dies erlaubt eine Unterdrückung der Wechselstromanteile um einen Faktor von ca. 1000. Damit kann der eigentliche DC-Messkreis besser auf die Größe der DC-Ströme eingestellt werden, was die Genauigkeit der DC-Messung deutlich verbessert.
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Durch Messung der Spannung an der AC-Kompensationswindung 106 kann der Wechselstromanteil gemessen werden. Durch die Verwendung eines Kompensationsverfahrens durch die Nutzung der AC/DC-Kompensationswindung 104 und der entsprechenden gesteuerten Stromquelle 202 kann die Genauigkeit für die DC-Messung weiter erhöht werden.
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Somit wird z. B. vorgeschlagen, einen Gleichstromanteil in einem Signal, das zugleich einen deutlich größeren Wechselstromanteil aufweist, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dies wird erreicht mit einer Vorrichtung, die zwei Kerne aufweist, die über eine AC-Kompensationswindung verbunden sind, mit einer Pick-Up-Wicklung und einer AC/DC-Kompensationswindung um den ersten Kern, wobei anhand eines von der Pick-Up-Wicklung detektierten Signals ein entsprechendes Kompensationssignal über die AC/DC-Kompensationswicklung induziert wird. Durch die Kompensation des Wechselstromanteils bei der Signalmessung kann der Gleichstromanteil mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der Ansatz eignet sich z. B. für PV-Anlagen, Umrichter oder Freileitungen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
