DE102014105306A1

DE102014105306A1 - Flux-Gate-Stromsensor

Info

Publication number: DE102014105306A1
Application number: DE102014105306.0A
Authority: DE
Inventors: Steffen Böttcher; Holger Schwenk
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2015-10-15
Also published as: US20150293153A1

Abstract

Es wird eine Stromsensoranordnung zur Messung eines effektiven Primärstromes in einem Primärleiter beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist die Stromsensoranordnung einen magnetischen Kern zur magnetischen Kopplung des Primärleiters an einen Sekundärleiter auf, sowie eine gesteuerte Spannungsquelle, die mit dem Sekundärleiter verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter anzulegen. Als Folge dessen fließt ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter. Eine mit dem Sekundärleiter gekoppelte Mess- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal zu erzeugen, und fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern zu detektieren. Bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns wird die Spannung umgepolt, um den Kern umzumagnetisieren. Die Mess- und Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, nach Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns das Messsignal eine Verzögerungszeit nach der Detektion abzutasten. Diese Verzögerungszeit wird dabei adaptiv in Abhängigkeit einer zuvor ermittelten Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen eine magnetische Sättigung des Kerns detektiert wurde, angepasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft einen Flux-Gate-Stromsensor, beispielsweise einen Differenzstromsensor zum Einsatz in Fehlerstromschutzschaltern.
HINTERGRUND
Zur berührungslosen und damit potenzialfreien Messung der Stärke eines elektrischen Stromes in einem Leiter sind zum einen so genannte direktabbildende Stromsensoren bekannt, die den durch den Strom verursachten magnetischen Fluss beispielsweise mittels eines Hallsensors in einem geschlitzten magnetischen Kreis erfassen und ein der Stromstärke proportionales Signal erzeugen. Diese Sensoren sind sehr kostengünstig, weisen aber eine relativ geringe Genauigkeit auf. Direktabbildende Stromsensoren sind so genannte Open-Loop-Stromsensoren, die keinen geschlossenen Regelkreis enthalten.
Des Weiteren sind so genannte Closed-Loop-Stromsensoren bekannt, bei denen mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises kontinuierlich ein magnetisches Gegenfeld gleicher Größe wie das Magnetfeld des zu messenden Stromes erzeugt wird, so dass ständig eine vollständige Magnetfeldkompensation bewirkt wird und aus den Parametern zur Erzeugung des Gegenfeldes die Größe des zu messenden Stromes ermittelt werden kann. Closed-Loop-Stromsensoren gehören also zur Klasse der Kompensationsstromsensoren.
Eine besondere Art von Kompensationsstromsensoren, die jedoch keinen geschlossenen Regelkreis enthalten, sind sogenannte Flux-Gate-Sensoren. Derartige Stromsensoren umfassen einen Magnetkern mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung. Eine Kompensation des Magnetfeldes, welches durch den zu messenden Strom (Primärstrom) durch die Primärwicklung erzeugt wird, erfolgt nur in bestimmten Zeitintervallen eines Messzyklusses, wobei in jedem Messzyklus der Magnetkern mit Hilfe der Sekundärwicklung in die positive und in die negative Sättigung getrieben wird. Eine sehr genaue Strommessung ist mit Hilfe derartiger Sensoren deshalb möglich, weil durch geeignete Signalverarbeitung der Einfluss der Hysterese des Magnetkerns eliminiert werden kann. Aus diesem Grund eignen sich Flux-Gate-Stromsensoren auch für die Differenzstrommessung. In diesem Fall besteht die Primärwicklung aus mindestens zwei Teilwicklungen; gemessen wird die Differenz der Ströme durch die beiden Teilwicklungen. Im einfachsten Fall sind die beiden Teilwicklungen gerade Leitungen, die durch einen Ringkern durchgeführt sind. Bei mehr als zwei Teilwicklungen subtrahieren oder addieren sich die Ströme in den Teilwicklungen je nach Stromflussrichtung und Orientierung der jeweiligen Teilwicklung.
Insbesondere bei der Messung von Differenzströmen liefern bekannte Methoden zur Ermittlung der Primärstromdifferenz Messergebnisse, die für manche Anwendungen zu ungenau sind. Es besteht folglich ein Bedarf an Differenzstromsensoren nach dem Flux-Gate-Prinzip, welche eine Differenzstrommessung mit hoher Genauigkeit ermöglichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Stromsensoranordnung zur Messung eines effektiven Primärstromes in einem Primärleiter beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist die Stromsensoranordnung einen magnetischen Kern zur magnetischen Kopplung des Primärleiters an einen Sekundärleiter auf, sowie eine gesteuerte Spannungsquelle, die mit dem Sekundärleiter verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter anzulegen. Als Folge dessen fließt ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter. Eine mit dem Sekundärleiter gekoppelte Mess- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal zu erzeugen, und fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern zu detektieren. Bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns wird die Spannung umgepolt, um den Kern umzumagnetisieren. Die Mess- und Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, nach Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns das Messsignal eine Verzögerungszeit nach der Detektion abzutasten. Diese Verzögerungszeit wird dabei adaptiv in Abhängigkeit einer zuvor ermittelten Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen eine magnetische Sättigung des Kerns detektiert wurde, angepasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines Primärstromes mit Hilfe einer Flux-Gate-Stromsensoranordnung, die einen Primär- und einen Sekundärleiter aufweist, die über einen magnetischen Kern gekoppelt sind. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das fortlaufende Detektieren einer magnetischen Sättigung im Kern und das Umpolen einer an dem Sekundärleiter anliegenden Versorgungsspannung, wenn eine magnetische Sättigung detektiert wurde. Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Detektionen einer magnetischen Sättigung im Kern wird fortlaufend ermittelt. Ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter wird nach Ablauf einer Verzögerungszeit nach der Detektion einer magnetische Sättigung abgetastet. Diese Verzögerungszeit wird abhängig von einer zuvor bestimmten Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Detektionen einer magnetischen Sättigung im Kern angepasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Differenzstromsensor sowie auf einen Fehlerstromschutzschalter mit einem solchen Differenzstromsensor zur Messung einer Differenz zwischen einem ersten Primärstrom in einem ersten Teil und einem zweiten Primärstrom in einem zweiten Teil eines Primärleiters. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist der Differenzstromsensor einen magnetischen Kern zur magnetischen Kopplung des Primärleiters an einen Sekundärleiter auf, sowie eine gesteuerte Spannungsquelle, die mit dem Sekundärleiter verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter anzulegen. Als Folge dessen fließt ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter. Eine mit dem Sekundärleiter gekoppelte Mess- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal zu erzeugen, und fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern zu detektieren. Bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns wird die Spannung umgepolt, um den Kern umzumagnetisieren. Die Mess- und Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, nach Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns das Messsignal eine Verzögerungszeit nach der Detektion abzutasten. Diese Verzögerungszeit wird dabei adaptiv in Abhängigkeit einer zuvor ermittelten Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen eine magnetische Sättigung des Kerns detektiert wurde, angepasst.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ABBILDUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.
1 ist ein Blockschaltbild einer bekannten Stromsensoranordnung, die nach dem Flux-Gate-Prinzip arbeitet;
2 illustriert den Signalverlauf (idealisiert) des Sekundärstroms, der Magnetisierung und der magnetischen Feldstärke bei einer freischwingenden Stromsensoranordnung mit einem Primärstrom von null;
3 illustriert den Signalverlauf (idealisiert) des Sekundärstroms, der Magnetisierung und der magnetischen Feldstärke bei einer freischwingenden Stromsensoranordnung mit einem Primärstrom größer null;
4 illustriert einen realen, gemessenen Signalverlauf des Sekundärstroms über rund eine halbe Periode der Sensoroszillation;
5 illustriert eine Sensoranordnung zum Messung einer Stromdifferenz ähnlich der Sensoranordnung gemäß 1;
6 illustriert ein Beispiel einer Sensoranordnung mit adaptiver Anpassung der Abtastzeitpunkte für den Sekundärstrom;
7 illustriert anhand eines Zeitdiagrams die Funktion der Sensoranordnung gemäß 6; und
8 illustriert anhand eines Flussdiagrams die ein Beispiel der Bestimmung eines Primärstroms bzw. einer Primärstromdifferenz aus dem Sekundärstrom.
In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiels eines Flux-Gate-Kompensationsstromsensors ohne Hysteresefehler dargestellt. Der zu messende Strom (Primärstrom i_P) fließt durch eine Primärwicklung 1 (Primärleiter), die über einen weichmagnetischen und beispielsweise ungeschlitzten Kern 10 magnetisch an eine Sekundärwicklung 2 (Sekundärleiter) gekoppelt ist. Die Primärwicklung 1 kann z. B. aus einer einzigen Windung bestehen, d.h. die Primärwicklung 1 wird aus einem Leiter gebildet, der durch den Kern 10 hindurchgeführt ist (Windungszahl 1). Die Sekundärwicklung 2 (Windungszahl N) ist in Serie zu einer gesteuerten Spannungsquelle Q geschalten, die den Sekundärstrom i_S durch die Sekundärwicklung erzeugt. Zur Messung des Sekundärstromes i_S ist zwischen Sekundärwicklung 2 und Spannungsquelle Q ein Shunt-Widerstand R_SH geschaltet. Die Spannung U_SH über dem Shunt-Widerstand R_SH ist einer Mess- und Steuereinheit 20 zugeführt, die auch ein Steuersignal CTR zur Ansteuerung der gesteuerten Spannungsquelle Q bereitstellt.
Die Funktionsweise der in 1 dargestellten Strommessanordnung wird im Folgenden anhand der 2 und 3 beschrieben. 2a beschreibt die ferromagnetischen Eigenschaften des magnetischen Kerns 10 anhand einer Magnetisierungskennlinie, wobei auf der Abszisse die magnetische Feldstärke H und auf der Ordinate die Magnetisierung M aufgetragen sind. Die Magnetisierungskennlinie weist eine annähernd rechteckförmige Hysterese auf mit einer bestimmten Koerzitivfeldstärke H_C und einer bestimmten Sättigungsmagnetisierung M_SAT. Für die magnetische Feldstärke H gilt entsprechend dem Ampère'schen Gesetz vereinfacht H = N·i_S/I_FE, wobei der Parameter I_FE die effektive magnetische Weglänge der Magnetfeldlinien im Kern 10 bezeichnet.
Für die in der Sekundärspule 2 induzierte Spannung u_i gilt entsprechend dem Farady'schen Gesetz u_i = –N·dΦ/dt = –N·A·dB/dt, (1) wobei der Parameter A die Querschnittsfläche des Kerns 10, das Symbol Φ den von dem Sekundärstrom i_S verursachten magnetischen Fluss durch den Kern 10 und das Symbol B die magnetische Flussdichte bezeichnet. Die magnetische Flussdichte B lässt sich allgemein durch die Beziehung B = µ₀·(H + M) darstellen; daraus folgt, dass während des Ummagnetisierens des Kerns 10 (entspricht dem linken oder rechten vertikalen Ast der Magnetisierungskennlinie in 2a) die Änderungsrate der Magnetisierung dM/dt proportional zu der induzierten Spannung u_i ist und dabei die magnetische Feldstärke H und somit auch der Sekundärstrom i_S konstant sind, d.h. u_i = –N·A·µ₀·dM/dt(beim Ummagnetisieren) (2)
Man kann auch sagen die differentielle Induktivität der Sekundärspule 2 ist während des Ummagnetisierens nahezu unendlich groß. Sobald die Magnetisierung im Kern 10 die Sättigungsmagnetisierung M_SAT erreicht hat, steigt der Sekundärstrom i_S an, und wird nur mehr durch den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung 2 und den Shunt-Widerstand R_SH begrenzt.
Das Ansteigen des Sekundärstroms i_S wird von der Mess- und Steuereinheit 20 beispielsweise mit Hilfe von Komparatoren erkannt (vgl. 2b). Sobald der Sekundärstrom einen positiven Schwellwert +i_SMAX überschreitet oder einen negativen Schwellwert –i_SMAX unterschreitet erzeugt die Mess- und Steuereinheit 20 ein entsprechendes Steuersignal CTR um die Spannungsquelle Q umzupolen und den nächsten Ummagnetisierungszyklus einzuleiten.
Der zeitliche Verlauf des Sekundärstromes bei einem Primärstrom i_P von null ist in 2b dargestellt. Während des Ummagnetisierens (vgl. annähernd vertikale Äste der Magnetisierungskennlinie aus 2a) ist der Sekundärstrom konstant und entspricht dem Magnetisierungsstrom +i_µ bzw. –i_µ. Der Betrag des Magnetisierungsstrom i_µ hängt von der Breite der Hysterese in der Magnetisierungskennlinie, also von der Koerzitivfeldstärke H_C, ab, d.h. i_µ = I_FE/N·H_C. Sobald die Magnetisierung im Kern 10 die positive oder negative Sättigungsmagnetisierung erreicht beginnt der Sekundärstrom i_S anzusteigen, wie oben bereits beschrieben. Aufgrund der Symmetrie der Hysteresekennlinie ist der zeitliche Verlauf des Sekundärstroms i_S auch symmetrisch um einen mittleren Stromwert.
Die 3a und 3b zeigen den gleichen Sachverhalt wie die 2a und 2b, jedoch für einen Primärstrom i_P ungleich null. Das von dem Primärstrom i_P erzeugte Magnetfeld überlagert sich in dem weichmagnetischen Kern 10 additiv dem Magnetfeld des Sekundärstromes i_S, was als Verschiebung der Magnetisierungskennlinie entlang der Abszisse dargestellt werden kann. Dieser Sachverhalt ist in 3a bildlich dargestellt. Der korrespondierende zeitliche Verlauf des Sekundärstromes ist in 3b dargestellt. Dieser ist ähnlich wie in 2b bei einem Primärstrom von null mit dem Unterschied, dass der Sekundärstrom nicht mehr symmetrisch um die Abszisse (i_S = 0) verläuft, sondern symmetrisch um die horizontale Gerade (i_S = i_P/N). Das heißt während des Ummagnetisierens stehen Primärstrom und Sekundärstrom im selben Verhältnis k = 1:N wie die Wicklungszahlen von Primärwicklung 1 und Sekundärwicklung 2, mit Ausnahme des Hysterese-Offsets in der Höhe des Magnetisierungsstroms i_µ. Zur Strommessung wird das Sekundärstromsignal i_S, genau genommen das Spannungssignal u_SH am Shunt-Widerstand R_SH, während des Ummagnetisierungsvorganges abgetastet. So erhält man durch Sampling des Sekundärstromsignals in der ersten Hälfte einer Periode des Sekundärstromes (Messzyklusses) einen Strommesswert i_S[n – 1] = (i_P/N) + i_µ und in der zweiten Periodenhälfte einen Strommesswert i_S[n] = (i_P/N) – i_µ. Durch Mittelwertbildung lässt sich der Hysteresefehler, der durch den Magnetisierungsstrom verursacht wird eliminieren, der Primärstrom zu einem Abtastzeitpunkt n berechnet sich wie folgt: i_P[n] = N·(i_S[n – 1] + i_S[n])/2. (3)
Dadurch dass die Hysterese der Magnetisierungskennlinie auf das Messergebnis keinen Einfluss hat, eignet sich dieses Strommessverfahren sehr gut zur Messung sehr kleiner Ströme. Der Messbereich reicht von einigen Milliampere bis hin zu einem Kiloampere. Während des Ummagnetiserungsvorganges im Kern 10 folgt der Sekundärstrom i_S dem Primärstrom i_P enstsprechend dem Übertragungsverhältnis 1:k. Der Sekundärstrom wird während eines Ummagnetisierungsvorganges zumindest einmal abgetastet um einen Messwert (i_S + i_µ bzw. i_S – i_µ) zur Berechnung des Primärstromes zu erhalten. Während des Ummagnetisierens kann die Abtastung aber auch wiederholt mit einer Abtastrate erfolgen, die wesentlich höher ist, als die Schwingfrequenz des Sensors f_SENSOR.
Der Sekundärstrom i_S ist während des Ummagnetisierens und vor Eintritt magnetischer Sättigung im Kern 10 näherungsweise konstant und gleich (i_P/N) ± i_µ. Diese in 3b dargestellte Situation ist jedoch idealisiert und in der Praxis ist der Sekundärstrom während des Ummagnetisierens und vor Eintritt magnetischer Sättigung im Kern 10 nicht konstant, sondern weist einen gekrümmten Verlauf auf wie in 4 dargestellt. Der gekrümmte Verlauf ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Magnetisierungskennlinie (Hysteresekennlinie) des Magnetkerns nicht exakt rechteckig ist. Die exakte Form des Stromverlaufs sowie auch die Dauer ∆t_– des Ummagnetisierungsvorganges (zwischen negativer und darauffolgender positiver Sättigung) hängt von dem Betrag des Primärstromes ab. Die Zeitdauer ∆t_– beträgt in 4 ca. 108 Abtastperioden. Genauere Analysen haben gezeigt, dass nicht jeder beliebige dieser 108 Abtastwerte für eine exakte Berechnung des Primärstroms i_P geeignet ist. Im Folgenden wird eine Auswertemethode beschrieben, mit der systematische Messfehler großteils vermieden und die Genauigkeit der Strommessung erhöht werden kann.
Das bisher unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erläuterte Messprinzip kann mit nur geringfügiger Modifikation des in 1 gezeigten Sensoraufbaus auch zur Differenzstrommessung verwendet werden. Eine Differenzstrommessung wird z.B. in Fehlerstromschutzschaltern verwendet. Dazu ist mit dem Kern 10 statt einer Primärwicklung 1 eine erste Teilwicklung 1a und eine zweite Teilwicklung 1b gekoppelt. Der Primärstrom durch die erste Teilwicklung 1a wird mit i_Pa und der Primärstrom durch die zweite Teilwicklung 1b wird mit i_Pb. Die Teilwicklungen können jeweils auch nur aus einer einzigen Windung bestehen und sind derart orientiert, dass die durch die Ströme i_Pa und i_Pb verursachte magnetischen Felder sich zumindest teilweise kompensieren (destruktiv überlagern) und nur der Nettoprimärstrom i_Pa – i_Pb ein entsprechendes Netto-Magnetfeld im Kern 10 erzeugt (welches wiederum vom Magnetfeld des Sekundärstromes i_S überlagert wird). Der erwähnte modifizierte Sensoraufbau ist in 5 dargestellt und ist abgesehen von der Primärwicklung 1 im Wesentlichen identisch mit dem Aufbau in 1. Auch der in 4 dargestellte Verlauf des Sekundärstroms i_S ist bei dem Differenzstromsensor gemäß 5 zu beobachten. In dem in 5 gezeigten Beispiel sind die beiden Teilwicklungen 1a und 1b der Last L vor- bzw. nachgeschaltet, sodass die Differenz i_Pa – i_Pb nur dann ungleich Null ist, wenn in der Last ein Leckstrom abfließt, der genau dieser Differenz entspricht. Der Differenzstrom berechnet sich aus Abtastwerten des Sekundärstroms analog zu Gleichung 3 wie folgt: ∆i_P[n] = i_Pa[n] – i_Pb[n] = N·(i_S[n – 1] + i_S[n])/2. (4)
Der in 4 dargestellte Verlauf des Sekundärstroms i_S zeigt, dass es im Hinblick auf die Genauigkeit der Strommessung eine Rolle spielt, wann innerhalb der Zeitintervalle ∆t₊ und ∆t_– (vgl. 2b) der Sekundärstrom i_S abgetastet wird, um die Abtastwerte i_S[n] und i_S[n – 1] zu erhalten (vgl Gleichung 3). Untersuchungen haben gezeigt, dass der gemäß Gleichung 3 berechnete Primätstrom i_P[n] oder die gemäß Gleichung 4 berechnete Primärstromdifferenz ∆i_P[n] dann sehr präzise ermittelt werden können, wenn die Abtastzeitpunkte, an denen der Sekundärstrom abgetastet wird, annähernd in der Mitte der Zeitintervalle ∆t₊ und ∆t_– (vgl. 2b und 7) gewählt werden. Dabei ist zu beachten, dass diese Zeitintervalle nicht konstant sind, sondern von dem Betrag des Sekundärstroms abhängt, was vor allem bei der Differenzstrommessung problematisch ist, da sich der Betrag des Sekundärstromes i_S auch bei annähernd konstantem Differenzstrom ∆i_P[n] stark ändern kann. Der Abtastzeitpunkt muss also adaptiv an die Periodendauer der Sensoroszillation angepasst werden. Ein Beispiel einer Schaltung mit adaptiver Anpassung der Abtastzeitpunkte wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 6 und 7 erläutert.
Die in 6 dargestellte Sensoranordnung entspricht in vielen Teilen der Sensoranordnung gemäß 5. Die in 5 dargestellte umpolbare Spannungsquelle Q ist in 6 als H-Brücke implementiert, welche aus vier steuerbaren Halbleiterschalter SW₁, SW₂, SW₃, SW₄ besteht, insbesondere aus vier MOSFETs. Wenn die Schalter SW₁ und SW₄ leitend und die Schalter SW₂ und SW₃ sperrend angesteuert sind, liegt eine positive Spannung an der Sekundärwicklung 2 an. Wenn die Schalter SW₂ und SW₃ leitend und die Schalter SW₁ und SW₄ sperrend angesteuert sind, liegt eine negative Spannung an der Sekundärwicklung 2 an. Die zugehörigen Steuersignale werden beispielsweise von der Steuerung 22 erzeugt und ggf. mit Hilfe von Treiberschaltungen (nicht dargestellt) verstärkt. Die Halbbrücke ist zwischen einen ersten Versorgunganschluss, an dem die Versorgungsspannung U_S anliegt, und ein einen zweiten Versorgungsanschluss, der mit einem Referenzpotential GND verbunden ist, geschaltet. In Serie zur Halbbrücke ist der Messwiderstand R_SH geschaltet, sodass die Spannung U_SH über dem Widerstand R_SH vom Sekundärstrom i_S abhängt. Im vorliegenden Beispiel ist U_SH = i_S·R_SH.
Wenn der magnetische Kern sättigt, steigt der Sekundärstrom an (vgl. auch 2b) und die Spannung über der Sekundärwicklung 2 wird umgepolt. Das Erreichen der (positiven und negativen) Sättigung wird dann detektiert, wenn der Sekundärstrom i_S einen vorgegebenen Maximalwert i_SMAX bzw. Minimalwert i_SMIN (wobei z.B. i_SMIN = –i_SMAX) erreicht. Dies ist dann der Fall, wenn der Spannungsabfall U_SH über dem Messwiderstand R_SH einen Schwellwert U_SW erreicht oder überschreitet. Diese Bedingung (U_SH ≥ U_SW) kann mit Hilfe eines Komparators K ausgewertet werden, dem eine den Schwellwert repräsentierende Spannung U_SW und das Strommesssignal U_SH zugeführt sind. Der Logikpegel am Ausgang des Komparators K zeigt an, ob der Schwellwert USW (d.h. ±i_SMAX) erreicht oder überschritten wird. Ein Erreichen des Maximal- bzw. Minimalwertes ±i_SMAX durch den Sekundärstroms i_S kann als „Sättigungsereignis“ bezeichnet werden, welches mit Hilfe des Komparators K detektiert wird.
Der Ausgang des Komparators K ist mit einem Zähler 21 gekoppelt, der dazu ausgebildet ist, die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sättigungsereignissen zu bestimmen (entspricht ∆t₊ und ∆t_– in 2b und 7). Dem Zähler 21 ist auch ein Taktsignal CLK zugeführt und die erwähnte Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sättigungsereignissen wird durch den Zählerstand CNT repräsentiert, der die Zeit als Vielfaches der Periodendauer T_CLK des Taktsignals angibt. Der Zählerstand CNT zeigt also immer die Zeit zwischen dem zuletzt detektierten Sättigungsereignis und dem davor detektierten Sättigungsereignis an. Der Zählerstand CNT sowie auch das Taktsignal CLK ist der Steuerung 22 zugeführt. Die Steuerung 22 ist dazu ausgebildet, aus den ermittelten Zählerständen die Abtastzeitpunkte zu berechnen. Angenommen der Zählerstand CNT[n] = y und der Zählerstand CNT[n – 1] = x (n ist ein fortlaufender Index, der die Sättigungsereignisse zählt), dann gilt ∆t₊ = y·T_CLK und ∆t_– = x·T_CLK, und die Abtastzeiten für die folgenden Perioden n + 1 und n + 2 sind t₁ = (y/2)·T_CLK und t₂ = (x/2)·T_CLK. Das heißt, der Sekundärstrom i_S wird eine Verzögerungszeit t₁ (x Taktzyklen T_CLK) nach dem Sättigungsereignis n + 1 sowie eine Verzögerungszeit t₂ (y Taktzyklen T_CLK) nach dem Sättigungsereignis n + 2 abgetastet (siehe 7). Die Zählerstände x und y sowie die resultierenden Verzögerungszeiten t₁ und t₂ werden fortlaufend aktualisiert. Die Abtastung kann um einen (positiven oder negativen) Offset z verschoben sein, d.h. t₁ = (y/2 + z)·T_CLK, t₂ = (x/2 + z)·T_CLK (Offset in 7 nicht dargestellt). Die Steuerung 22 ist dazu ausgebildet, entsprechende Triggersignale für einen Analog-Digital-Wandler 23 zu erzeugen, der aus dem analogen Strommesssignal U_SH entsprechende Digitalwerte erzeugt, aus denen entsprechend den Gleichungen 3 und 4 ein Messwert für den Primärstrom i_P bzw. die Primärstromdifferenz i_Pa – i_Pb berechnet werden kann.
Die Funktion der Sensoranordnung gemäß 6, d.h. die Methode der Auswertung des Sekundärstromsignals, wird anhand des in 8 abgebildeten Ablaufdiagramms noch einmal zusammengefasst. Wie bereits erwähnt bezeichnet der Index n die fortlaufenden Sättigungsereignisse (Sättigung des Magnetkerns in positiver oder negativer Richtung). Die Sättigungsereignisse werden fortlaufend detektiert. Die in 8 dargestellten Verfahrensschritte 31 bis 36 werden also in einer Schleife wiederholt ausgeführt. Der aktuelle Schleifendurchlauf hat den Index n. In Schritt 31 wird ein Sättigungsereignis (mit Index n) detektiert und der zugehörige Zeit (∆t₊ bzw. ∆t_–) zwischen diesem Sättigungsereignis und dem vorhergehenden Sättigungsereignis (mit Index n – 1) detektiert. Im dargestellten Beispiel wird dazu der Zählerstand CNT[n] des Zählers 21 (siehe 6) durch die Steuerung 21 ausgelesen und abgespeichert (Schritt 32). Der Zählerstand CNT[n] repräsentiert beispielsweise das Zeitintervall ∆t₊, wohingegen der in dem vorhergehenden Schleifendurchlauf ermittelte Zählerstand CNT[n – 1] das das Zeitintervall ∆t_– repräsentiert.
Im Schritt 33 wird der Sekundärstrom i_S eine Verzögerungszeit (die von dem zuvor ermittelten Zeitintervall ∆t_– abhängt) nach dem letzten Sättigungsereignis (mit Index n) abgetastet. Diese Verzögerungszeit ist in 7 mit t₁ bzw. t₂ bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Abtastung genau in der Mitte des Zeitintervalls ∆t_–, also CNT[n – 1]/2 Taktperioden TCLK nach dem detektierten Sättigungsereignis mit Index n (d.h. t₂ = CNT[n – 1]/2). In Schritt 34 wird der Abtastwert i_S[n] gespeichert. In Schritt 35 wird der Primärstrom i_P[n] (oder eine Primärstromdifferenz) aus dem aktuellen Abtastwert i_S[n] und dem im vorhergehenden Schleifendurchlauf gespeicherten Abtastwert i_S[n – 1] gemäß den Gleichungen 3 oder 4 berechnet. In dem in 4 gezeigten Schritt 36 wird der Index n inkrementiert und die Schleife beginnt von vorne. Bei der beschriebenen Vorgehensweise müssen nur die Gespeichert werden müssen die letzten beiden Zählerstände CNT[n] und CNT[n – 1] sowie die letzten beiden Abtastwerte i_S[n] und i_S[n – 1] gespeichert werden. Ältere Zählerstände und Abtastwerte können verworfen werden.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen exemplarisch für eine Vielzahl von anderen möglichen Ausführungsbeispiele, welche ebenfalls vom Schutzbereich der angefügten Ansprüche erfasst werden. Die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschriebenen Merkmale können, sofern technisch möglich und nicht explizit ausgeschlossen, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden. Es versteht sich, dass die in den beschriebenen Schaltungsanordnungen verwendeten Komponenten, durch andere Komponenten ersetzt werden können, die im Wesentlichen die gleiche Funktion oder eine ähnliche Funktion erfüllen. So können beispielsweise bestimmte Funktionen durch analoge Elektronikkomponenten, durch digitale Elektronikkomponenten oder auch mittels Software implementiert werden, die beispielsweise in einem Mikrocontroller ausgeführt wird. Mischformen von Analog- und Digitalelektronik und Software sind möglich. Die beschriebenen Verfahrensschritte betreffen im Wesentlichen eine von vielen möglichen Vorgehensweisen. Auch die beschriebene Reihenfolge der Schritte ist nicht unbedingt zwingend.

Claims

Stromsensoranordnung zur Messung eines effektiven Primärstromes (i_P) in einem Primärleiter (1); die Stromsensoranordnung weist folgendes auf: einen magnetischen Kern (10) zur magnetischen Kopplung des Primärleiters (1) an einen Sekundärleiter (2); eine gesteuerte Spannungsquelle (Q; SW₁, SW₂, SW₃, SW₄), die mit dem Sekundärleiter (2) verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung (±U_S) mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter (2) anzulegen, sodass ein Sekundärstrom (i_S) durch den Sekundärleiter (2) fließt; eine mit dem Sekundärleiter (2) gekoppelte Mess- und Steuereinheit (20), die dazu ausgebildet ist, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal (u_SH) zu erzeugen, fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern (10) zu detektieren und bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns (10) die Spannung (±U_S) umzupolen, um den Kern (10) umzumagnetisieren, wobei die Mess- und Steuereinheit (20) weiter dazu ausgebildet ist, nach jeder Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns (10) das Messsignal (u_SH) eine Verzögerungszeit (t₁, t₂) nach der Detektion abzutasten, wobei die Verzögerungszeit adaptiv in Abhängigkeit einer zuvor ermittelten Zeitdauer (∆t₊, ∆t_–) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen eine magnetische Sättigung des Kerns detektiert wurde, angepasst wird.
Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Primärleiter einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, durch die jeweils ein erster und ein zweiter Primärstrom derart fließen, dass die von dem Primärleiter erzeugte magnetische Feldstärke der Differenz der Primärströme entspricht.
Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Erreichen magnetischen Sättigung im Kern (10) detektiert wird, wenn der Sekundärstrom einen definierten Maximal- oder Minimalwert erreicht.
Die Stromsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mess- und Steuereinheit (20), dazu ausgebildet ist, fortlaufend eine erste Zeitdauer (∆t₊) zwischen einem ersten Zeitpunkt, an dem eine negative Sättigung detektiert wird, und einem zweiten Zeitpunkt, an dem eine positive Sättigung detektiert wird, zu bestimmen, wobei nach einer weiteren Detektion einer negativen Sättigung der Sekundärstrom abgetastet wird und die Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der negativen Sättigung und dem Abtasten des Sekundärstromes von der ersten Zeitdauer abhängt.
Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 4, wobei die Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der negativen Sättigung und dem Abtasten des Sekundärstromes die Hälfte der ersten Zeitdauer (∆t₊) unter Berücksichtigung eines zeitlichen Offsets beträgt.
Die Stromsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mess- und Steuereinheit (20), dazu ausgebildet ist, fortlaufend eine zweite Zeitdauer (∆t_–) zwischen einem dritten Zeitpunkt, an dem eine positive Sättigung detektiert wird, und einem vierten Zeitpunkt, an dem eine negative Sättigung detektiert wird, zu bestimmen, wobei nach einer weiteren Detektion einer positiven Sättigung der Sekundärstrom abgetastet wird und die Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der positiven Sättigung und dem Abtasten des Sekundärstromes von der zweiten Zeitdauer abhängt.
Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der positiven Sättigung und dem Abtasten des Sekundärstromes die Hälfte der zweiten Zeitdauer (∆t_–) unter Berücksichtigung eines zeitlichen Offsets beträgt.
Die Stromsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Primärstrom aus dem Mittelwert zweier aufeinanderfolgender Abtastwerde des Messsignals berechnet wird.
Verfahren zur Messung eines Primärstromes mit Hilfe einer Flux-Gate-Stromsensoranordnung, die einen Primär- und einen Sekundärleiter aufweist, die über einen magnetischen Kern gekoppelt sind; das Verfahren weist auf: Fortlaufendes Detektieren einer magnetischen Sättigung im Kern; Umpolen einer an dem Sekundärleiter anliegenden Versorgungsspannung, wenn eine magnetische Sättigung detektiert wurde; Fortlaufendes Ermitteln der Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Detektionen einer magnetischen Sättigung im Kern; Abtasten eines Sekundärstromes durch den Sekundärleiter eine Verzögerungszeit nach der Detektion einer magnetische Sättigung; Anpassen der Verzögerungszeit abhängig von einer zuvor bestimmten Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Detektionen einer magnetischen Sättigung im Kern.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Primärleiter einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, durch die jeweils ein erster und ein zweiter Primärstrom derart fließen, dass die von dem Primärleiter erzeugte magnetische Feldstärke der Differenz der Primärströme entspricht.
Differenzstromsensoranordnung zur Messung einer Differenz (i_P) zwischen einem ersten Primärstrom in einem ersten Teil (1a) und einem zweiten Primärstrom in einem zweiten Teil (1b) eines Primärleiters (1); die Stromsensoranordnung weist folgendes auf: einen magnetischen Kern (10) zur magnetischen Kopplung des Primärleiters (1) an einen Sekundärleiter (2); eine gesteuerte Spannungsquelle (Q; SW₁, SW₂, SW₃, SW₄), die mit dem Sekundärleiter (2) verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung (±U_S) mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter (2) anzulegen, sodass ein Sekundärstrom (i_S) durch den Sekundärleiter (2) fließt; eine mit dem Sekundärleiter (2) gekoppelte Mess- und Steuereinheit (20), die dazu ausgebildet ist, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal (u_SH) zu erzeugen, fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern (10) zu detektieren und bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns (10) die Spannung (±U_S) umzupolen, um den Kern (10) umzumagnetisieren, wobei die Mess- und Steuereinheit (20) weiter dazu ausgebildet ist, nach jeder Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns (10) das Messsignal (u_SH) eine Verzögerungszeit (t₁, t₂) nach der Detektion abzutasten, wobei die Verzögerungszeit adaptiv in Abhängigkeit einer zuvor ermittelten Zeitdauer (∆t₊, ∆t_–) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen eine magnetische Sättigung des Kerns detektiert wurde, angepasst wird.
Fehlerstromschutzschalter umfassend einen Differenzstromsensor gemäß Anspruch 11.