DE102016124164A1

DE102016124164A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter

Info

Publication number: DE102016124164A1
Application number: DE102016124164.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Hermann Dibos
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-14
Also published as: CN108226603A; US20180164347A1; GB201720154D0; US10416197B2; GB2559261A; GB2559261B; CN108226603B

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren des elektrischen Stroms umfasst, wobei die Vorrichtung eine Abschirmvorrichtung zum Abschirmen einer Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter und der Detektionsvorrichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Abschirmen der Kopplung steuerbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter, wobei die Vorrichtung eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren des elektrischen Stroms umfasst, wobei die Vorrichtung eine Abschirmvorrichtung zum Abschirmen einer Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter und der Detektionsvorrichtung umfasst.
Derartige Vorrichtungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise offenbart die Druckschrift US 2006/0232265 A1 eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms, wobei die Vorrichtung eine Rogowski-Chattock-Spule und eine an die Rogowski-Chattock-Spule angeschlossene Schaltung umfasst. Hierbei besitzen die Rogowski-Chattock-Spule und die Schaltung jeweils einen Schirm, wobei beide Schirme eine Masse-Verbindung aufweisen. Hierbei verhindert bzw. reduziert der Schirm der Rogowski-Chattock-Spule eine zwischen der Rogowski-Chattock-Spule und einem zu messenden elektrischen Leiter wirkende Kapazität.
Des Weiteren ist aus der Druckschrift US 2014/0340072 A1 eine Rogowski-Chattock-Spule bekannt, welche einen Schirm zwischen sich und einem von der Rogowski-Chattock-Spule zu messenden elektrischen Leiter umfasst. Hierbei verhindert bzw. reduziert der Schirm eine zwischen der Rogowski-Chattock-Spule und dem elektrischen Leiter wirkende Kapazität.
Die Druckschrift 2012/0243140 A1 offenbart eine Strommessanordnung, wobei ein zu messender Leiter von einer Spule umgeben wird und zwischen der Spule und dem Leiter ein dielektrisches Material vorgesehen ist.
Ferner ist aus der Druckschrift WO 2015/104189 A1 eine Rogowski-Chattock-Spule mit zwei Schirmen bekannt, wobei zwischen einem zu messenden elektrischen Leiter und der Rogowski-Chattock-Spule ein dielektrisches Material und zwischen den Schirmen eine Isolierung vorgesehen ist.
Des Weiteren offenbart die Druckschrift US 2015/0293150 A1 eine elektronische Fahrzeugkomponente mit einem Stromsensor, wobei der Stromsensor durch einen Schirm vor einem magnetischen Feld eines Schalters geschützt wird.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter wird häufig eine Rogowski-Chattock-Spule verwendet, wobei die Rogowski-Chattock-Spule einen zu messenden elektrischen Leiter umschließt um einen elektrischen Strom in dem elektrischen Leiter über eine in der Rogowski-Chattock-Spule induzierte Spannung zu messen. In elektrischen Fahrzeugen und in der Leistungselektronik von Kraftfahrzeugen treten vermehrt sehr hohe Spannungen auf, welche über ihr elektrisches Feld an die Rogowski-Chattock-Spule koppeln können und so das Messergebnis der Rogowski-Chattock-Spule verfälschen können. Um eine derartige Verfälschung zu verhindern wird häufig ein Schirm auf einem festen Potential zwischen der Rogowski-Chattock-Spule und dem zu messenden elektrischen Leiter positioniert, welcher die elektrische Kopplung verhindert bzw. reduziert. Durch die Verwendung eines derartigen Schirms sinkt jedoch die Messbandbreite der Rogowski-Chattock-Spule, da der Schirm eine Kapazität darstellt bzw. wie eine Kapazität auf die Rogowski-Chattock-Spule wirkt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zum Stand der Technik alternative Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter bereitzustellen. Bevorzugt soll hierbei die Vorrichtung ein besonders genaues und einfaches Messen des elektrischen Stroms ermöglichen.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter, wobei die Vorrichtung eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren des elektrischen Stroms umfasst, wobei die Vorrichtung eine Abschirmvorrichtung zum Abschirmen einer Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter und der Detektionsvorrichtung umfasst, wobei die Abschirmvorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Abschirmen der Kopplung steuerbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mithilfe des steuerbaren Abschirmens der Kopplung ein besonders genaues und einfaches Messen des elektrischen Stroms ermöglicht.
Bevorzugt umfasst die Kopplung eine kapazitive Kopplung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Abschirmvorrichtung zumindest teilweise zwischen dem elektrischen Leiter und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist. Hierdurch wird ein besonders einfaches Steuern der Abschirmung der Kopplung sowie eine effektive Abschirmung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionsvorrichtung eine Rogowski-Chattock-Spule umfasst. Hierdurch wird eine besonders praktikable und in vielen Anwendungsbereichen erprobte Detektionsvorrichtung bereitgestellt. Somit wird ein besonders genaues und einfaches Messen des elektrischen Stroms ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abschirmvorrichtung einen potentialgesteuerten Schirm umfasst. Mit dem potentialgesteuerten Schirm kann besonders vorteilhaft das Potential des Schirms an das Potential der Detektionsvorrichtung, bevorzugt der Rogowski-Chattock-Spule, angepasst und somit eine Potentialdifferenz zwischen dem potentialgesteuerten Schirm und der Detektionsvorrichtung, bevorzugt der Rogowski-Chattock-Spule, vermieden bzw. minimiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Abschirmvorrichtung eine Steuereinheit zum Steuern des potentialgesteuerten Schirms umfasst. Erfindungsgemäß bevorzugt umfasst bzw. ist die Steuereinheit eine, bevorzugt an die Detektionsvorrichtung gekoppelte, Rückkopplungsschleife. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der potentialgesteuerte Schirm besonders abgestimmt auf eine an der Detektionsvorrichtung, bevorzugt an der Rogowski-Chattock-Spule, anliegende Spannung gesteuert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit derart konfiguriert ist, dass an dem potentialgesteuerten Schirm ein elektrisches Potential der Detektionsvorrichtung anliegt. Hierdurch wird besonders vorteilhaft erreicht, dass eine Kapazitive Wirkung zwischen dem potentialgesteuerten Schirm und der Detektionsvorrichtung, bevorzugt der Rogowski-Chattock-Spule, im Vergleich zum Stand der Technik reduziert bzw. vermieden wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei mit einer Detektionsvorrichtung der Vorrichtung der elektrische Strom detektiert wird, wobei mit einer Abschirmvorrichtung der Vorrichtung eine Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter und der Detektionsvorrichtung abgeschirmt wird, wobei mit der Abschirmvorrichtung das Abschirmen der Kopplung gesteuert wird. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein potentialgesteuerter Schirm der Abschirmvorrichtung von einer Steuereinheit der Abschirmvorrichtung gesteuert wird.
Außerdem ist erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass wobei der potentialgesteuerte Schirm von der Steuereinheit derart gesteuert wird, dass an dem potentialgesteuerten Schirm ein elektrisches Potential der Detektionsvorrichtung anliegt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.

1 bis 3 und 6 zeigen aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter.
4 und 5 zeigen Ersatzschaltbilder von aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter.
7 bis 13 zeigen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Exakte Strommessungen sind ein zentrales Element der Leistungselektronik und EMV-Technik. Aufgrund von Regelschleifen determinieren Strommessungen in der Regel direkt die Qualität des Gesamtsystems.
Zentrale Qualitätseigenschaften von Strommessungen umfassen Folgendes:

- Hohe spektrale Bandbreite (sowohl bei niedrigen als auch hohen Frequenzen)
- Geringes Messoffset (konstanter Fehler)
- Geringe Drift (schwankender Fehler)
- Kontrollierbarer Fehler
- Hoher Dynamikbereich (Messbereich hinsichtlich der Amplitude)
- Phasengenaue Messung (beispielsweise zur zeitlich genauen Detektion von Stromnulldurchgängen)

Die Detektion von Wechselströmen mit sehr hohem Dynamikbereich (von µA (Mikroampere) bis kA (Kiloampere)) und hoher Genauigkeit erfolgt in der Regel über deren magnetisches Feld. Dabei sticht neben Hall-Sensoren, die zumeist an hohen Messoffsets leiden, die Rogowski-Chattock-Spule hervor, die in der Regel ohne magnetischen Kern und somit ohne Hochfrequenzmessungserschwerender magnetischer Trägheit verwendet wird.
Rogowski-Chattock-Spulen, welche eine um den Messstrom herum zu legende Toroidspule verwenden, sind beispielsweise aus „A. P. Chattock (1887). On a magnetic potentiometer. Proceedings of the Physical Society of Londong 23-26.“ und „W. Rogowski and W. Steinhaus (1912). Die Messung der magnetischen Spannung: Messung des Linienintegrals der magnetischen Feldstarke. Archiv für Elektrotechnik, 1(4):141-150.“ bekannt. Abweichend davon sind auch Vorrichtungen beispielsweise aus „S. Hain, M. Bakran (2014). Highly dynamic current measurements with inductive current sensors - a numerical recipe. PCIM Europe, 1617-1624 .)“ bekannt, bei denen die Spule den elektrischen Leiter nicht unbedingt umschließt.
Die Rogowski-Chattock-Spule erlaubt sehr hohe Bandbreiten vom Millihertzbereich bis in den Megahertzbereich, erzeugt jedoch ein Messsignal, das durch magnetische Induktion entsteht und daher proportional zur Ableitung des Messstromes ist. Aus diesem Grund können keine DC-Ströme gemessen werden.
In 1 bis 3 und 6 sind aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen 1 zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter 3 dargestellt, wobei jede Vorrichtung 1 jeweils eine Rogowski-Chattock-Spule 9 umfasst.
Das Messprinzip der Rogowski-Chattock-Spule basiert auf magnetischer Induktion. Hierbei verzerrt beispielsweise elektrische Kopplung an das Messobjekt oder elektromagnetische Einstreuungen (EMI) von anderen Geräten das Messergebnis wodurch Messfehler erzeugt werden. Insbesondere bei hohen Spannungen, wie sie in der Leistungselektronik und in elektrischen Fahrzeugen zum Einsatz kommen, ist jedoch die elektrische bzw. kapazitive bzw. durch elektrische Felder erzeugte Kopplung an den Messstrom nicht mehr zu vernachlässigen.
In dem Stand der Technik wird daher eine Schirmung der Spule diskutiert, die jedoch den technischen Nachteil hat, dass durch die Schirmung die Bandbreite gerade bei hohen Frequenzen deutlich verringert wird.
Ein weitere Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen 1 ist, dass aufgrund der hohen Impedanz des Messsignals bzw. aufgrund von lediglich geringen Strömen, welche von der Spule in den Messverstärker fließen und nicht ausreichend sind um das Signal gegen Störungen stabilisieren zu können, können auch schwache Spannungssignale beispielsweise des elektrischen Leiters 3 in das Messsignal einkoppeln.
In 4 und 5 sind Ersatzschaltbilder von aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter dargestellt.
Hierbei ist in 4 eine Verringerung der mit einer Rogowski-Chattock-Spule 9 messbare Bandbreite durch einen wie aus dem Stand der Technik bekannten Schirm in einem vereinfachten Ersatzschaltbild durch eine zusätzliche Kapazität 15 beschrieben. Wie in 4 beispielhaft dargestellt bildet der Schirm einen Kondensator 15 zwischen der Masse des Schirmes und der Messspule 9. 4 zeigt außerdem die ungewollte Einstreuung bzw. die elektrische Kopplung an den Messstrom anhand eines weiteren Kondensators 17 und einer Spannungsquelle 19. Des Weiteren zeigt 4 das induzierte Messsignal anhand einer Stromquelle 21. Ein erster Widerstande 23, ein zweiter Widerstand 25 und zwei Anschlüsse 27 für eine Auswerteeinheit komplettieren das vereinfachte Ersatzschaltbild in 4. Sämtliche Kapazitäten bilden zusammen mit der Induktivität Filter bzw. Resonanzen, die die Messbandbreite um Größenordnungen verringern können.
5 zeigt ein weiteres vereinfachtes Ersatzschaltbild, insbesondere ein pi-Ersatzschaltbild, wobei dargestellt ist, dass neben der Kapazität 15 zwischen dem Spulenleiter 9 und dem Schirm insbesondere bei hohen Frequenzen, sobald sich aufgrund der geringen Wellenlängen Phasenunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der Rogowski-Chattock-Spule 9 herausbilden, auch weitere Kapazitäten 29 zwischen den Leitern störend auftreten können.
In 6 ist dargestellt, dass für ein bestmögliches Schirmungsergebnis der Schirm alle Leiter der Rogowski-Chattock-Spule umgibt und auch die Zwischenräume zwischen den Leitern ausfüllt. Hierfür umfasst der Schirm eine Schirmung 31 sowie einen Trenner 33 bzw. Abstandshalter zur Erhöhung des Abstands und somit zur Verringerung der Kapazität. Außerdem umfasst der Schirm eine zusätzliche Schirmung 35 für die Kapazität zwischen den Windungen 37 der Rogowski-Chattock-Spule 9. Somit wird ein isolierter Spulenleiter 37 erreicht. Nachteilig bei der in 6 dargestellten Ausbildung ist jedoch, dass sich die Kapazität zwischen Schirm und Spulenleiter 37 erhöht, die zumindest näherungsweise mit der Oberfläche und invers mit dem Abstand steigt.
In 7 bis 13 sind beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei umfasst die Vorrichtung 1 zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter 3 eine Detektionsvorrichtung 5 und eine Abschirmvorrichtung 7. Hierbei ist die Detektionsvorrichtung 5 zum Detektieren des elektrischen Stroms und die Abschirmvorrichtung 7 zum Abschirmen einer Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter 3 und der Detektionsvorrichtung 5 vorgesehen. Außerdem ist die Abschirmvorrichtung 7 derart ausgebildet, dass das Abschirmen der Kopplung steuerbar ist. Beispielsweise umfasst die Detektionsvorrichtung 5 eine Rogowski-Chattock-Spule 9 und die Abschirmvorrichtung 7 einen potentialgesteuerten Schirm 11. Ferner umfasst die Abschirmvorrichtung 7 eine Steuereinheit 13 zum Steuern des potentialgesteuerten Schirms 11 und die Steuereinheit 13 ist bevorzugt derart konfiguriert, dass an dem potentialgesteuerten Schirm 11 ein elektrisches Potential der Detektionsvorrichtung 5 anliegt.
Wie in 7 bis 9 dargestellt, ist die Abschirmvorrichtung 7, bevorzugt der potentialgesteuerte Schirm 11, zumindest teilweise zwischen dem elektrischen Leiter 3 und der Detektionsvorrichtung 5 angeordnet.
Mit den beispielhaften Ausführungsformen ist es vorteilhaft möglich eine Verringerung der kapazitiven Einflüsse eines im Wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannten Schirms auf die Detektionsvorrichtung 5 und somit auf ein Messsignal zum Messen des elektrischen Stroms in dem elektrischen Leiter 3 zu erreichen. Beispielsweise lässt sich hierbei der Einfluss der Kapazität zum Schirm zusätzlich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Erhöhung des Abstandes weiter reduzieren. Dadurch, dass die Abschirmvorrichtung 7 derart ausgebildet ist, dass das Abschirmen der Kopplung steuerbar ist, lässt sich die Wirkung der Kapazität vermindern bzw. vollständig aufheben, indem die Spannungsdifferenz über die Kapazität minimiert wird. Eine Idee der Erfindung ist, dass kein aus dem Stand der Technik bekannter passiver Schirm verwendet wird, der beispielsweise auf Masse oder ein anderes festes Potential gelegt wird. Es wird vielmehr ein gesteuerter bzw.
Geregelter Schirm 11 verwendet. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Potential des potentialgesteuerten Schirmes 11 im Wesentlichen auf das Potential der Leitungen der Messspule bzw. der Rogowski-Chattock-Spule 9 geregelt wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Potential des potentialgesteuerten Schirmes 11 im Wesentlichen auf das Potential der Leitungen der Rogowski-Chattock-Spule 9 derart geregelt wird, dass das Potential des potentialgesteuerten Schirmes 11 dem zeitlichen Verlauf des Potentials der Leitungen der Rogowski-Chattock-Spule 9 folgt. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Spannungsdifferenz über die Kapazität zwischen dem potentialgesteuerten Schirm 11 und der Rogowski-Chattock-Spule zu minimieren. Hierdurch kann vorteilhaft die filternde Wirkung der zusätzlichen Kapazität und auch aufgrund der zusätzlichen Kapazität auftretende Resonanzen minimiert bzw. vermieden werden.
Des Weiteren ist auch vorteilhaft, dass der getriebene bzw. potentialgesteuerte Schirm 11 selbst aufgrund der aktiven Steuerung stabil ist.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 einen weiteren Schirm 39, bevorzugt einen gewöhnlichen Masseschirm, umfasst, wobei der weitere Schirm 39 derart ausgebildet ist, dass der weitere Schirm 39 den potentialgesteuerten Schirm 11 zumindest teilweise umgibt. Hierdurch wird ein besonders stabiler potentialgesteuerter Schirm 11 ermöglicht. Dies ist beispielhaft in 8 bis 13 dargestellt.
In 8 ist eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Hierbei umfasst die Detektionsvorrichtung 5 eine, auch in 7 dargestellte, Auswerteeinheit 41, wobei die Auswerteeinheit 41 einen Instrumentenverstärker umfasst. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass der Instrumentenverstärker drei Operationsverstärker 43 sowie Widerstände 25 umfasst. Des Weiteren ist in 8 beispielhaft dargestellt, dass die Steuereinheit 13 einen Tiefpassfilter 45, bevorzugt eine Widerstand-Kondensator-Kombination bzw. ein RC-Glied, umfasst. Des Weiteren umfasst die Steuereinheit 13 eine Kopplung 47 des potentialgesteuerten Schirms 11 sowie eine optionale Strombegrenzung 49. Wie in 8 beispielhaft dargestellt ist die Auswerteeinheit 41 an die Steuereinheit 13 über ein mittleres Potential 51 der Rogowski-Chattock-Spule 9 gekoppelt.
Somit wird auf vorteilhafte Weise eine Verstärkung des Rückkopplungspfades < 1 ermöglicht und somit eine Vorrichtung 1 bereitgestellt, welche eine besonders hohe Stabilität des Gesamtsystems gewährleistet und Schwingungen vermeidet bzw. im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. Insbesondere mit Hilfe des Tiefpassfilters 45 in der Rückkopplung bzw. in der Steuereinheit 13 bzw. in der Abschirmvorrichtung 7 ist ein Unterbindung bzw. eine signifikante Reduzierung von Hochfrequenzeffekten möglich.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass der Tiefpassfilter 45 derart konfiguriert ist, dass die halbe Wellenlänge der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 45 in der Rückkopplung größer oder gleich der Ausdehnung der Schaltung der Rückkopplungseinheit bzw. der Abschirmvorrichtung 7, bevorzugt der Steuereinheit 13 bzw. minimal der Länge des längsten Strompfades, bevorzugt des längsten Strompfades in der Vorrichtung 1, besonders bevorzugt des längsten Strompfades in der Abschirmvorrichtung 7, ganz besonders bevorzugt des längsten Strompfades in der Steuereinheit 13 bzw. Rückkopplungseinheit ist. Alternativ oder zusätzlich ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Tiefpassfilter 45 derart konfiguriert ist, dass die halbe Wellenlänge der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 45 größer oder gleich der Länge einer Spulenleiterlänge der Rogowski-Chattock-Spule 9 ist.
Des Weiteren ist beispielsweise auch vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen besonders klein ausgebildet ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Phasenunterschiede bei hohen Spannungen minimierbar sind.
Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die in 9 dargestellte Auswerteeinheit 41 umfasst jedoch eine Impedanzanpassung 53.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Vorrichtung 1 einen Messverstärker 55, bevorzugt den Instrumentenverstärker, eine Mittelpotentialbildung 57, bevorzugt zum Bilden des mittleren Potentials 51 der Rogowski-Chattock-Spule 9, eine, bevorzugt einen Operationsverstärker 43 und einen Widerstand 25 umfassende, Verstärkung und/oder Dämpfung 59, einen Filter 61, bevorzugt den Tiefpassfilter 45, und einen Schirmtreiber 63 zum Antreiben des potentialgesteuerten Schirms 11 umfasst.
Erfindungsgemäß sind weitere in 11 bis 13 dargestellte Ausführungsbeispiele, insbesondere durch Modifikationen der Steuereinheit 13 bzw. der Rückkopplung vorgesehen. Hierdurch wird insbesondere eine Kompensation von Phasenversatz und Hochfrequenzeffekten der Rückkopplungsschleife ermöglicht. Hierbei wird besonders vorteilhaft der Effekt von einer möglichen Limitierung und einer möglichen Stabilitätsgrenze bei hohen Frequenzen reduziert. Beispielsweise können hiermit Verzögerungen der Rückkopplungsschleife eines Common-Mode-Potentials 65 der Messspule bzw. der Rogowski-Chattock-Spule 9 über die Zwischenstufen ab einer gewissen Frequenz reduziert werden. Somit wird auf vorteilhafte Weise eine Verzögerung einer Übertragung bzw. ein Auflegen eines Common-Mode-Signals, bevorzugt eines Common-Mode-Sinussignals, besonders bevorzugt des Mittelwerts der beiden Spulenanschlüsse, von der Messspule bzw. von der Rogowski-Chattock-Spule 9 auf den Schirm bzw. auf den potentialgesteuerten Schirm 11 vermieden. Beispielsweise wird somit vermieden, dass ab einer gewissen Frequenz ein Signal, bevorzugt das Common-Mode-Signal, gegenphasig zurückgespeist wird und somit eine erste Resonanz vorteilhaft vermieden wird. Auch weitere durch die erste Resonanz entstehende weitere Resonanzen können somit vorteilhaft vermieden werden, insbesondere wenn eine Zeitverzögerung der Rückkopplung ungerade Vielfache der halben Periodendauer erreichen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 einen Kompensationsfilter, bevorzugt einen optionalen konventionellen und bevorzugt abgeglichenen Filter 67, umfasst. Somit ist es vorteilhaft möglich unter Berücksichtigung der Totzeit der Rückkopplung und weiterer Parameter der Messspule, wie beispielsweise der Kapazitäten der Messspule, insbesondere bei periodischen Signalen den Effekt von einer möglichen Limitierung und einer möglichen Stabilitätsgrenze bei hohen Frequenzen zu reduzieren. Dies wird beispielsweise durch eine Kompensation der Phase erreicht. Hierbei wird bevorzugt die Phase für eine bestimmte Frequenz um weitere pi/2 erhöht, um wieder eine näherungsweise Gesamtphase eines Vielfachen von pi aufzuweisen.
Besonders bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass für die gezielte Messung von transienten Signalen, wie beispielsweise Pulsen, ein geeigneter Modus zugeschaltet wird, welcher auf eine derartige Kompensation verzichtet und stattdessen jegliche Rückkopplung, bevorzugt ab dieser Resonanzfrequenz dämpft.
Ferner ist bevorzugt, dass Rückkopplung bzw. die Steuereinheit 13 einen aktiven Signalfilter umfasst. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das Abschirmen der Kopplung, bevorzugt der Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter 3 und der Detektionsvorrichtung 5, mit dem Common-Mode-Potential bzw. Common-Mode-Signal 65 und einem weiteren Signal, bevorzugt mit dem Ausgangssignal 69, besonders bevorzugt mit der Differenz der beiden Spulenanschlüsse, gesteuert wird. Das Common-Mode-Signal 65 und das Ausgangssignal 69 bzw. die Leiter über welche die beiden Signale übermittelt werden sind in 11 beispielhaft dargestellt. In 11 ist zusätzlich eine Verarbeitung 71 der Vorrichtung 1 zur Kombination des Common-Mode-Signals 65 und des Ausgangssignals 69 und/oder zur Filterung und/oder zur Amplitudenanpassung und/oder für weitere Funktionen dargestellt. Schließlich ist in 11 dargestellt, dass die Vorrichtung einen Schirmtreiber 73 umfasst.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 einen aktiven Filter zum Unterdrücken eines Signals, bevorzugt des Common-Mode-Signals 65 und/oder des Ausgangssignals bereits in der Messspule. Somit wird vorteilhaft erreicht, dass ein Verstärker der Vorrichtung 1, bevorzugt der Instrumentenverstärker, nicht überbelastet wird. Überlastungen des Verstärkers umfassen beispielsweise eine Übersteuerung des Verstärkers, ein Übertreffen von Dynamikgrenzen des Verstärkers, einen erhöhten Messfehler, der sich aufgrund des höheren Signals über den relativen Messfehler ergibt, sich ein Common-Mode-Übersprechen erhöht oder Nichtlinearitäten anregt werden.
Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bestimmte Signale oder Moden zu isoliert werden und/oder bestimmte Signalteile gezielt unterdrückt werden. Erfindungsgemäß ist beispielsweise auch vorgesehen, dass die Vorrichtung ein durchstimmbares Filter umfasst. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das durchstimmbare Filter derart konfiguriert ist, eine Fourier-Analyse, eine Wavelet-Analyse und/oder verwandte Transformationen, bevorzugt in physiko, durchzuführen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, der (v. a. passive) Filter vor der ersten Verstärkerstufe vermeidet, weil diese in der Regel als zusätzliche Bedämpfung einen Pegelverlust bedeuten und das Rauschen (sowohl thermisches Johnson-Nyquist-Rauschen als auch Shot-Rauschen) erhöhen, gilt dies hier explizit nicht. Aktive Filter an dieser Stelle erhöhen die Verzerrung bei gleichzeitig nichtidealer Impedanzwandlung.
Erfindungsgemäß ist bei aktiven Signalfiltern insbesondere vorgesehen, dass eine positive Abbildung des äquivalenten direkten bereitgestellt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Rückkopplung dämpfend wirkt. Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass ein Rückkopplungsfilter zur Erzeugung eines aktiven Eingangsfilters den Frequenzverlauf abbildet, den ein direktes passives Eingangsfilter hätte (nicht invertiert oder dergleichen).
Außerdem ist es erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen, dass die Gesamtverstärkung des Rückkopplungspfades für höhere Stabilität für alle Frequenzen < 1 gewählt wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 einen Anti-Alias-Filters umfasst. Hierbei ist der Anti-Alias-Filter derart konfiguriert, dass eine AD-Wandlung des Messsignales durchführbar ist. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass das Filter Spektralanteile unterdrückt, die nahe und über der Abtastrate liegen (siehe Satz von Shannon).
In 12 ist eine Vorrichtung 1 mit einem aktiven Signalfilter gezeigt. Hierbei umfasst die Vorrichtung 1 optional das konventionelle Filter 67 sowie einen Tracker 75. Die in 12 dargestellte Vorrichtung 1 ist besonders vorteilhaft für eine Signalisolierung. Enthält ein Messsignal beispielsweise mehrere Signalanteile oder Moden, lässt sich das aktive Filter der Vorrichtung 1 zur Isolierung eines dieser Bestandteile verwenden. Beispielsweise ist vorgesehen, dass das aktive Filter das konventionelle bzw. traditionelle Filter 67 umfasst. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das aktive Filter ein adaptives Filter bzw. den Tracker 75 umfasst. Hierdurch sind ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis und eine exakte Anpassung an das Signal vorteilhaft erreichbar. Außerdem ist hierbei der Tracker 75 bevorzugt derart konfigurierte, dass durch den Tracker eine Mode detektierbar und verstärkbar gegenüber weiteren Signalbestandteilen im Rückkopplungspfad ist. Besonders bevorzugt ist der Tracker 75 derart konfiguriert, dass die Rückkopplung positiv erfolgt. Ganz besonders bevorzugt ist der Tracker 75 derart konfiguriert, dass die Verstärkung < 1 ist. Des Weiteren ist erfindungsgemäß beispielsweise auch vorgesehen, dass der Tracker 75 derart konfiguriert ist, dass durch den Tracker 75 adaptiv Signaländerungen, bevorzugt Phasenverschiebungen oder Frequenzveränderungen im Falle harmonischer Signale, detektierbar sind. Erfindungsgemäß bevorzugt umfasst der Tracker 75 einen Resonanz-Schwingkreis, ein PLL, einen Likelihood-Schätzer und/oder einen Kalman-Filter. In einer bevorzugten Weiterbildung ist das PLL derart konfiguriert, dass das PLL auf Basis des Eingangssignals eine Reaktion erzeugt, beispielsweise aus einem verrauschten Sinus-Signal ein zugehöriges rauschfreies und phasen-, amplituden- und frequenzkorrektes Sinussignal erzeugt und rückkoppelt. Der in 12 beispielhaft dargestellte Tracker 75 ist bevorzugt zur Kombination des Common-Mode-Signals 65 und des Ausgangssignals 69 und/oder zur Filterung und/oder zur Amplitudenanpassung und/oder für weitere Funktionen vorgesehen.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 zur Signalsuppression bzw. ein aktives Filter der Vorrichtung 1 zur Signalsuppression vorgesehen ist. Die Signalsuppression entspricht hierbei im Wesentlichen der Signalisolierung, allerdings erfolgt die Rückkopplung negativ. Beispielsweise ist eine Unterdrückung von Einstreuungen mit 50 Hz/60 Hz aus dem Stromnetz vorgesehen.
In 13 ist eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren Filter dargestellt. Hierbei umfasst die Vorrichtung 1 einen Signalerzeuger 77. Die in 13 dargestellte Verarbeitung 71 ist bevorzugt zur Filterung und/oder zur Amplitudenanpassung und/oder für weitere Funktionen vorgesehen. Erfindungsgemäß bevorzugt wird mit dem durchstimmbaren Filter eine Identifizierung von Bestandteilen des Messsignales durchgeführt. Hierbei werden beispielsweise testweise fest vorgegebene, nicht aus dem Messsignal erzeugte Signale in den potentialgesteuerten Schirm 11 rückgekoppelt. Hierbei ist das durchstimmbare Filter vorteilhaft derart konfiguriert, dass eine Signalkorrelation bzw. Signaltransformation, bevorzugt eine Fourier-Transformation durchführbar ist. Hierbei wird beispielsweise ein Testsignal in die Rückkopplungsschleife eingespielt, wobei das Messsignal einer additiven Überlagerung entspricht und sich entsprechend verstärkt.
Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführungsform ist das durchstimmbare Filter derart konfiguriert, dass entweder Signale einer Liste nacheinander rückgekoppelt werden und das zugehörige Messsignal aufgenommen wird oder entsprechend ein parametrisches Signal, wie beispielsweise sin (2 pi f t + phi) oder Wavelet( a t - phi)), rückgekoppelt wird und der oder die Parameter variiert werden und das zugehörige Messsignal aufgenommen wird.
Außerdem wird beispielsweise für eine Fourier-Transformation das Rückkopplungssignal von dem durchstimmbaren Filter durch einen gewissen Frequenz- und Phasen-Bereich durchgestimmt. Alternativ ist beispielsweise der durchstimmbare Filter derart konfiguriert, dass der durchstimmbare Filter eine Wavelet-Transformation, bevorzugt Streckung und Phasenverschiebung von Testwavelets, durchführt.
Im Folgenden wird beispielhaft auf das erfindungsgemäße Verfahren anhand der 1 bis 13 eingegangen. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter 3, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierbei wird mit einer Detektionsvorrichtung 5 der Vorrichtung 1 der elektrische Strom detektiert und mit einer Abschirmvorrichtung 7 der Vorrichtung 1 eine Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter 3 und der Detektionsvorrichtung 5 abgeschirmt. Außerdem wird zusätzlich mit der Abschirmvorrichtung 7 das Abschirmen der Kopplung gesteuert. Beispielsweise wird ferner ein potentialgesteuerter Schirm 11 der Abschirmvorrichtung 7 von einer Steuereinheit 13 der Abschirmvorrichtung 7 gesteuert. Außerdem wird bevorzugt der potentialgesteuerte Schirm 11 von der Steuereinheit derart gesteuert, dass an dem potentialgesteuerten Schirm 11 ein elektrisches Potential der Detektionsvorrichtung 5 anliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0232265 A1 [0003]
US 2014/0340072 A1 [0004]
WO 2015/104189 A1 [0006]
US 2015/0293150 A1 [0007]
EP 16171624 [0026]

Claims

Vorrichtung (1) zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter (3), wobei die Vorrichtung (1) eine Detektionsvorrichtung (5) zum Detektieren des elektrischen Stroms umfasst, wobei die Vorrichtung (1) eine Abschirmvorrichtung (7) zum Abschirmen einer Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter (3) und der Detektionsvorrichtung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtung (7) derart ausgebildet ist, dass das Abschirmen der Kopplung steuerbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Abschirmvorrichtung (7) zumindest teilweise zwischen dem elektrischen Leiter (3) und der Detektionsvorrichtung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Detektionsvorrichtung (5) eine Rogowski-Chattock-Spule (9) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abschirmvorrichtung (7) einen potentialgesteuerten Schirm (11) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abschirmvorrichtung (7) eine Steuereinheit (13) zum Steuern des potentialgesteuerten Schirms (11) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (13) derart konfiguriert ist, dass an dem potentialgesteuerten Schirm (11) ein elektrisches Potential der Detektionsvorrichtung (5) anliegt.
Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter (3), insbesondere mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mit einer Detektionsvorrichtung (5) der Vorrichtung (1) der elektrische Strom detektiert wird, wobei mit einer Abschirmvorrichtung (7) der Vorrichtung (1) eine Kopplung zwischen dem elektrischen Leiter (3) und der Detektionsvorrichtung (5) abgeschirmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abschirmvorrichtung (7) das Abschirmen der Kopplung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein potentialgesteuerter Schirm (11) der Abschirmvorrichtung (7) von einer Steuereinheit (13) der Abschirmvorrichtung (7) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der potentialgesteuerte Schirm (11) von der Steuereinheit derart gesteuert wird, dass an dem potentialgesteuerten Schirm (11) ein elektrisches Potential der Detektionsvorrichtung (5) anliegt.