DE10204424C1

DE10204424C1 - Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip

Info

Publication number: DE10204424C1
Application number: DE2002104424
Authority: DE
Inventors: Friedrich Lenhard; Stefan Schaefer
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-02-05

Abstract

Stromsensor mit einem Primärleiter (1), einer Kompensationswicklung (6), einer Magnetfeldsonde (3) zur Messung eines von Primärleiter (1) und Kompensationswicklung (6) erzeugten resultierenden Magnetfeldes, einem Kern (2) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (1), Kompensationswicklung (6) und Magnetfeldsonde (3), einer zwischen Magnetfeldsonde (3) und Kompensationswicklung (6) geschalteten Kompensationsschaltung (4, 5), einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensationsstromes (i¶2¶) als Maß für den in dem Primärleiter (1) fließenden, zu messenden Strom (i¶1¶) sowie einer Entmagnetisierungsschaltung (10), die für eine begrenzte Zeitdauer einen Wechselstrom mit sich zeitlich ändernder Frequenz in die Kompensationsspule (6) einspeist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor nach dem Kompensati onsprinzip mit einem Primärleiter, durch den ein zu messender Strom fließt; mit einer Kompensationswicklung, die mit einem Kompensationsstrom gespeist wird; mit einer Magnetfeldsonde zur Messung eines von Primärleiter und Kompensationswicklung erzeugten resultierenden Magnetfeldes; mit einem Kern zur magnetischen Kopplung von Primärleiter, Kompensationswicklung und Magnetfeldsonde; mit einer Kompensationsschaltung, die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung den Kompensationsstrom erzeugend verschaltet ist; und mit einer Strommessschaltung zur Bestim mung des Kompensationsstromes als Maß für den in den Primär leiter fließenden, zu messenden Strom.

Ein derartiger Stromsensor ist beispielsweise aus der DE 42 30 939 C2 bekannt, wobei ein Wechselstrom konstanter Frequenz zur Entmagnetisierung in eine zusätzliche Spule des Stromsensors eingespeist wird. Entmagnetisierungsschaltungen für sich sind beispielsweise aus der DE 198 55 457 C2 be kannt. Stromsensoren allgemein sind der DE 198 44 726 A1, DE 295 20 066, JP 60 205 374 AA, JP 62 01 731 AA und JP 11 083 908 AA.

Aus der EP-A-0742440 ist zudem ein Stromsensor nach dem Kom pensationsprinzip bekannt, bei dem mittels eines mit einer Magnetfeldsonde verbundenen Treibers in die Primärwicklung eines Ringkerns ein zu messender Strom eingespeist wird. Der Treiber regelt den Kompensationsstrom derart, dass das Mag netfeld im Ringkern vollständig bis auf einen verschwindend kleinen Wert ausgeregelt wird. Der Kompensationsstrom ist dann ein Maß für den in der Primärwicklung fließenden Strom. Kompensationsstromwandler führen demnach in der Kompensati onswicklung einen Strom, der zum zu messenden Strom im Pri märleiter (Primärwicklung) proportional ist. Die Stromstärke des Sekundärstroms wird üblicherweise mit einem Bürdenwider stand in ein Spannungssignal umgewandelt und ist proportional zum zu messenden Strom.

Eine andere Ausführungsform eines Stromsensors ist aus der DE 196 42 472 A bekannt. Bei dieser Bauart wird die Endstufe für den Kompensationsstrom über eine getaktete Endstufe ange steuert. Die Steuergröße für die Endstufe wird über ein fre quenzmoduliertes Signal mit konstanter Pulslänge angesteuert. Darüber hinaus ist auch aus der DE 197 05 767 C2 eine puls weitenmodulierte Ansteuerung der Endstufe bekannt, die sich wie alle pulsweitenmodulierten Stromsensoren durch einen ge ringen Leistungsbedarf auszeichnet.

Problematisch ist jedoch bei den bekannten, insbesondere ana logen Stromsensoren, dass die Kompensationsschaltungen einen Kompensationsstrom erzeugen, der einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil aufweist. Der Gleichstromanteil wird dabei hauptsächlich durch die Remanenz des Kerns hervorgeru fen. Dieser als Offset wirkende Gleichstromanteil schränkt dabei den Messbereich des Stromsensors deutlich ein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stromsensor der Eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der durch die Remanenz des Kerns bewirkte Offset verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromsensor gemäß Patent anspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfin dungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Im Einzelnen wird die Aufgabe bei einem Stromsensor der ein gangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Entmagnetisie rungsschaltung vorgesehen wird, die beispielsweise nach dem Aktivieren (Einschalten, Starten, Freigeben etc.) des Stromsensors für eine begrenzte Zeitdauer einen Wechselstrom mit zeitlich abnehmender Amplitude und ansteigender Frequenz in die Kompensationsspule eingespeist. Auf diese Weise wird die Kompensationsspule eingespeist. Auf diese Weise wird vor zugsweise bei Aufnahme des Betriebs des Stromsensors eine Entmagnetisierung des Kerns vorgenommen. Vorteil der Erfin dung ist es dabei, dass dazu ein nur sehr geringer schal tungstechnischer Aufwand benötigt wird.

Für die Entmagnetisierung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Frequenz des Wechselstromes sich mit fortschreitender Zeit logarithmisch erhöht.

Ein geringer Schaltungsaufwand kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass der Wechselstrom durch eine rechteck förmige Wechselspannung erzeugt wird ist, so dass die Entmag netisierungsschaltung im schaltenden Betrieb arbeiten kann und daher nur unaufwendige und wenig Verlustleistung erzeu gende Schalterelemente benötigt werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stromsensors ist vorgesehen, dass die Entmagnetisierungs schaltung zwei Zähler aufweist, die mit zwei miteinander syn chronisierten Takten unterschiedlicher Frequenz betrieben werden, und dass der mit dem höherfrequenteren Takt betriebe ne Zähler mit seinem höchstwertigen Bit sich selbst auf einen Startwert setzt und ein Speicherelement abwechselnd setzt und zurücksetzt, wobei der mit dem höherfrequenten taktbetriebene Zähler auf den Zählerstand des mit dem niederfrequenteren taktbetriebenen Zählers als Startwert gesetzt wird und das Ausgangssignal der Entmagnetisierungsschaltung am Ausgang des Speicherelements abgenommen wird.

Bevorzugt werden erfindungsgemäße Entmagnetisierungsschaltun gen in digitaler Schaltungstechnik und bei in digitaler Schaltungstechnik ausgeführten Kompensationsschaltungen ein gesetzt welche mit pulsweitenmodulierten Eingangssignalen an gesteuert werden und ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal abgeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Kompensationsstromsen sors mit einer erfindungsgemäßen Entmagnetisie rungsschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Entmagneti sierungsschaltung und

Fig. 3 das Ausgangssignal einer erfindungsgemäßen Entmagnetisierungsschaltung.

Wie in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt fließt bei einem Strom sensor nach dem Kompensationsprinzip ein zu messender Strom durch eine Primärwicklung 1 eines Stromtransformators, der beispielsweise einen Magnetkern 2 sowie einen den Magnetfluss im Magnetkern 2 messenden Magnetfeldsensor 3 aufweist. Der Magnetfeldsensor 3 besteht beispielsweise aus einem mit einer Indikatorwicklung versehenen weichmagnetischen Kern (oder ei nem Hall-Element). Zur Auswertung wird die Indikatorwicklung pulsförmig bipolar magnetisiert und die Unsymmetrien der Strom- und Spannungsamplituden zur Auswertung genutzt. Das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 3 wird in einer nachge schalteten Auswerteschaltung 4 aufbereitet, der wiederum eine Treiberschaltung 5 nachgeschaltet ist. Der Ausgang der Trei berschaltung 5 speist über einen Abschlusswiderstand 7 eine Sekundärwicklung 6.

Der zu messende Strom i₁ erzeugt mittels der Primärwicklung 1 einen magnetischen Fluss im Magnetkern 2, der von dem Magnet feldsensor 3 erfasst wird. Die den Magnetfeldsensor 3 nachge schaltete Auswerteschaltung 4 liefert ein von der Größe und Richtung des Magnetfelds im Magnetkern 2 abhängiges Signal an die Treiberschaltung 5, die einen Kompensationsstrom i₂ durch die Sekundärwicklung 6 treibt. Der Kompensationsstrom i₂ ist so gerichtet, das sein Magnetfeld den Magnetfluss im Magnet kern 2 kompensiert. Der Kompensationsstrom i₂ in der Sekun därwicklung 6 wird vom Magnetfeldsensor 3 in Verbindung mit der Auswerteschaltung 4, der Treiberschaltung 5 sowie der Se kundärwicklung 6 so lange geändert, bis das Magnetfeld im Magnetkern 2 zu Null wird. In diesem Fall ist der Kompensati onsstrom i₂ in der Sekundärwicklung 6 ein Maß für den Augen blickswert des zu messenden Stroms i₁ in der Primärwicklung 1, wobei sowohl Gleich- als auch Wechselströme erfasst werden können. Der Kompensationsstrom i₂ fließt zu dem durch den Ab schlusswiderstand 7, an dem die Ausgangsspannung U_a des Stromsensors abfällt. Die Ausgangsspannung U_a entspricht da bei in Größe und Phasenlage dem zu messenden Strom i₁ in der Primärwicklung 1.

Um einen geringen Leistungsverbrauch zu erzielen, ist im vor liegenden Fall die Treiberschaltung 5 getaktet ausgeführt. Die getaktete Treiberschaltung 5 erzeugt dabei aus dem von der Auswerteschaltung 4 bereitgestellten pulsweitenmodulier ten Signal eine entsprechende pulsweitenmodulierte Spannung zur Speisung der Sekundärwicklung 2. Darüber hinaus weist die Treiberschaltung 5 neben einem Pulsweitenmodulationsverstär ker 9 eine Endstufe 8 auf, die dementsprechend schaltend be trieben wird, so dass die Endstufentransistoren entweder voll durchgeschaltet oder voll abgeschaltet sind. Da im durchge schalteten Zustand die Verlustleistung durch den in diesem Fall relativ geringen Spannungsabfall und den durch sie flie ßenden Strom bestimmt wird, ergibt sich insgesamt eine äu ßerst geringe Verlustleistung und damit eine geringe Wärme entwicklung, so dass keine aufwendigen Kühlmaßnahmen notwen dig sind. Der erforderliche Kompensationsstrom i₂ wird dabei durch ein entsprechendes Pulsweitenverhältnis, dass heißt das Verhältnis von Einschaltdauer zur Ausschaltdauer, einge stellt. Aufgrund des höheren maximalen Kompensationsstromes i₂ lassen sich vorteilhafterweise Sekundärwicklungen mit ge ringeren Windungszahlen realisieren, wodurch bei gleichem Bauvolumen höhere Ströme gemessen werden können.

Erfindungsgemäß ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Stromsensor eine Entmagnetisierungsschaltung 10 vorgesehen, die für eine bestimmte Zeitdauer einen Wechselstrom mit sich zeitlich än dernder Frequenz in die Kompensationsspule einspeist. Die Zeitdauer wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein Steuersignal CS gestartet und mit einem Steuersignal AE beendet. Für die bestimmte Zeitdauer wird dabei die Entmag netisierungsschaltung 10 mit dem Steuersignal CS aktiviert und gleichzeitig ein Pulweitenmodulationsverstärker 9 über mit dem Steuersignal AE für diesen Zeitraum deaktiviert.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Entmagnetisie rungsschaltung 10 aus Fig. 1 detaillierter dargestellt. Die Entmagnetisierungsschaltung 10 weist dabei zwei Zähler 12 und 13 auf, die synchron aus einer Taktquelle 14 getaktet werden, wobei des Taktsignal der Taktquelle 14 dem Zähler 13 direkt und dem Zähler 12 unter Zwischenschaltung eines Frequenztei lers 15 dem jeweiligen Takteingang C zugeführt wird. Die Ein gangsleitungen des Zählers 13 sind dabei mit den Ausgangslei tungen des Zählers 12 verbunden. Der Setzeingang S des Zäh lers 13 ist dabei an das höchstwertige Bit MSB des Zählers 13 angeschlossen, das zudem das Steuersignal AE bildet. Darüber hinaus sind die Rücksetzeingänge R der beiden Zähler 12 und 13 den Steuereingang CS bildend verschaltet. Die höherwer tigste Bitleitung MSB ist zudem auf ein durch ein D-Flip-Flop gebildetes Speicherelement 16 geführt.

Im Messmodus sind die beiden Zähler 12, 13 zurückgesetzt und erzeugen somit kein Ausgangssignal Es. Tritt ein den Entmag netisierungsmodus bestimmendes impulsförmiges Signal CS (zum Beispiel "low") auf, dann werden beide Zähler 12 und 13 zu nächst auf Null gesetzt. Beide Zähler zählen dann aufwärts, wobei beide unterschiedliche Zählgeschwindigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Takte haben. Ändert sich das höchstwer tige Bit MSB des Zählers 13 von Null auf Eins, so wird der Zähler 13 mit dieser Flanke auf die an seinem Eingang anlie genden Werte gesetzt. Im des Zählers 13 ist dies der aktuelle Zählerstand des Zählers 12. Daraufhin startet der Zähler 13 von dem neuen Zählerstand aus. der Zähler 13 läuft weiter. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, wobei der zeitliche Abstand zwischen den Wiederholungen geringer wird und damit die Frequenz des rechteckförmigen Stromes am Ausgang der End stufe 8 logarithmisch zunimmt. Das Speicherelement 16 wird dabei mittels des höchstwertigen Bits MSB des Zählers 13 ab wechselnd auf Null und Eins gesetzt, wobei entsprechend die Periodendauer abnimmt. Wenn der Zähler 12 sein höchstwertiges Bit auf Eins setzt, wird das Steuersignal AE gesetzt und die Abmagnetisierung beendet.

Fig. 3 zeigt den Strom i₂ durch die Sekundärwicklung 6 wäh rend der Zeitdauer t_E. Wie zu ersehen ist, nimmt die Frequenz des Rechtecksignals logarithmisch über der Zeit zu, so dass der Kern 2 abmagnetisiert wird.

Claims

1. Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit
einem Primärleiter (1), durch den ein zu messender Strom (i₁) fließt,
einer Kompensationswicklung (6), die mit einem Kompensa tionsstrom (i₂) gespeist wird,
einer Magnetfeldsonde (3) zur Messung eines von Primär leiter (1) und Kompensationswicklung (6) erzeugten resultie renden Magnetfeldfeldes,
einem Kern (2) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (1), Kompensationswicklung (6) und Magnetfeldsonde (3),
einer Kompensationsschaltung (4, 5), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (3) und ausgangsseitig mit der Kom pensationswicklung (6) den Kompensationsstrom (i₂) erzeugend verschaltet ist, und
einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensa tionsstromes (i₂) als Maß für den in dem Primärleiter (1) fließenden, zu messenden Strom (i₁) gekennzeichnet, durch
eine Entmagnetisierungsschaltung (10), die für eine be grenzte Zeitdauer einen Wechselstrom mit zeitlich abnehmender Amplitude in die Kompensationsspule (6) einspeist,
wobei die Frequenz des Wechselstromes mit fortschreiten der Zeit sich erhöht.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom durch eine rechteckförmige Wechselspan nung erzeugt wird.

3. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Frequenz sich über der Zeit logarithmisch erhöht.

4. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet,
dass die Entmagnetisierungsschaltung (10) zwei Zähler (12, 13) aufweist, die mit zwei miteinander synchronisierten Takten unterschiedlicher Frequenz betrieben werden,
dass der mit dem höherfrequenteren Takt betriebene Zähler (13) mit seinem höchstwertigen Bit sich selbst zurücksetzt und ein Speicherelement (16) abwechselnd setzt und zurück setzt,
wobei der mit dem höherfrequenteren Takt betriebene Zäh ler (13) auf den Zählerstand des mit dem niederfrequenteren Takt betriebenen Zählers (12) zurückgesetzt wird und das Aus gangssignal (Es) der Entmagnetisierungsschaltung (10) am Aus gang des Speicherelements (16) abgenommen wird.

5. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung in digitaler Schaltungs technik ausgeführt ist, mit pulsweitenmodulierten Eingangs signalen angesteuert wird und pulsweitenmodulierte Ausgangs signale abgibt.