DE1153452C2

DE1153452C2 - Gleichstromwandler

Info

Publication number: DE1153452C2
Application number: DE1961H0044485
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Klaus Haxel
Original assignee: Klaus Haxel Dipl Ing
Priority date: 1961-12-27
Filing date: 1961-12-27
Publication date: 1973-01-04
Also published as: CH418455A; DE1153452B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES mmm PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1153

INTERNATIONALE KL.

GOIr 1/20, 19/20

ANMELDETAGi 27. DEZEMBER 1961

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 29. AUGUST 1963

AUSGABE DER

PATENTSCHRIFT: 4. J A N U A R 1973

WEICHT AB VON AUSLEGESCHRIET

P 11 53 452.4-35 (H 44485)

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strommeßwandler mit weichmagnetischem Kern und einer Primärwicklung für den zu messenden Strom, der nach Amplitude und Richtung sich ändern kann und den Kern vormagnetisiert, ferner mit einer gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehenden Sekundärwicklung, erregt von einer Stromquelle, die bezüglich ihrer Polarität umsteuerbar eingerichtet ist und hierzu in Steuerverbindung mit einer die Erregung des Kernes erfassenden, bei Erreichen eines vorbestimmten Magnetiserungszustandes des Kernes die Umsteuerung veranlassenden Vorrichtung steht.

Es ist bereits ein Strommeßwandler mit weichmagnetischem Kern und einer Primärwicklung, durch die der zu messende Strom fließt, bekannt. Bei diesem Strom handelt es sich um Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom. Die Sekundärwicklung des Strommeßwandlers, die gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehen kann, wird von einer bezüglich ihrer Polarität über Kontakte umsteuerbar eingerichteten Stromquelle gespeist. Diese steht zwecks Umpolung in Steuerverbindung mit einer auf eine vorbestimmte magnetische Feldstärke in einem Luftspalt des Kernes ansprechenden und somit den Magnetisierungszustand des Kernes erfassenden Kontaktvorrichtung (deutsche Patentschrift 905 169).

Diese Anordnung arbeitet nach folgendem Prinzip. Der zu messende Primärstrom erzeugt einen magnetischen Kraftfluß, welcher durch seine auf die Kontaktvorrichtung einwirkende Kraft die Sekundärwicklung so polt, daß sich der Sekundärstrom in der dem Primärstrom entgegengesetzten Durchflutungsrichtung ändert. Dieses führt nach einer von der Induktivität der. Sekundärwicklung abhängigen Zeit zum Überwiegen der sekundären gegenüber der primären Durchflutung und folglich zu einer Umkehr der Kraftflußrichtung. Diese bewirkt, sobald sie einen vorbestimmten Ansprechwert der Kontaktvorrichtung erreicht hat, eine Umpolung der Sekundärwicklung und damit < eine Umkehr der Änderungsrichtung des Sekundärstromes. Infolgedessen überwiegt nach kurzer Zeit weder die Primärdurchflutung, und die Sekundärwicklung wird auf den Ausgangszustand zurückgepolt. Danach ·= wiederholt sich der vorbeschriebene Zyklus. ■ ■.

Man kann diese Anordnung demnach als Zweipunktregler betrachten, welcher die Sekundärdurchflutüng auf einen die Primärdurchfiutung im Mittel kompensierenden Wert regelt. Folglich ist der Mittelwert des Sekundärstromes ein vorzeichenrichtiges Maß für den Primärstrom. Letzterer kann daher Strommeßwandler

Patentiert für:

Dr.-Ing. Klaus Haxel,
6453 Seligenstadt

Dr.-Ing. Klaus Haxel, 6453 Seligenstadt,
ist als Erfinder genannt worden

durch ein vom Sekundärstrom durchflossenes Drehspulinstrument gemessen werden.

Aus der deutschen Patentschrift 907 673 ist ferner ein Strommeßwandler mit einem geschlossenen weichmagnetischen Kern bekannt, dessen Sekundärwicklung eine Wechselspannung aufgeprägt ist. Eine Gleichrichterweiche leitet eine Halbwelle des Sekundärstromes über die Bürde (z. B. ein Drehspulinstrument).

Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 961 557 die Verwendung von zwei Kernen mit in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen bekannt. Beide sekundären Stromhalbwellen werden gleichgerichtet und über die Bürde geleitet.

Die aus diesen beiden deutschen Patentschriften bekannten Anordnungen arbeiten nach einem Meßprinzip, welches darauf beruht, daß dem vom zu messenden Strom in den Sättigungsbereich ausgesteuerten Kern mit rechtwinkliger Magnetisierungskurve durch die der Sekundärwicklung aufgeprägte, z. B. sinusförmige Wechselspannung eine dementsprechende, z. B. sinusförmig verlaufende Flußdichte abverlangt wird, was nach der einen Seite hin einen praktisch bis zur Feldstärke Null führenden Sekundärstrom zur Folge hat. Der große Hilfsstromimpuls nach der andereh Seite wird für die Messung entweder durch einen Gleichrichter (^₁ nach der deutschen Patentschrift 907 673) kurzgeschlossen oder durch einen entgegengesetzt geschalteten weiteren Kern unterdrückt (deutsche Patentschrift 961 557). Der zu messende Strom darf im ersteren Fall nur eine, im letzteren Fall beide Polaritäten annehmen, der Sekundärstrom ist in beiden Fällen unipolar.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1074 745 ist schließlich ein Transduktor bekanntgeworden, dessen in der bekannten Selbstsättigungsschaltung betriebenen Sekundärwicklungen eine z. B. sinusförmige

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■. . ,> 3 4

Wechselspannung aufgeprägt ist. Durch den Strom Möglichkeit der Stromwandlung mit nur einem Uber-

einer Vormagnetisierungswicklung wird der Aus- trager und in der guten Linearität der Kennlinie; der

Steuerungsnullpunkt des Transduktors in der zur arithmetischen Mittelwerte von Sekundär- und Pri-i

Magnetisierungsrichtung der Sekundärwicklung ent- märstrom /₂ = / (I₁), insbesondere auch im Nullpunkt,

gegengesetzten Richtung verschoben. Der infolge- 5 In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung -,

dessen im Sekundärstromkreis fließende Kompen- dient als Stromquelle ein an sich bekannter Kipp-;

sationsstrom wird als Spannungsabfall an einem generator, so daß die Umkehr der Polarität augen-

Wiederstand dargestellt und durch den Spannungs- blicklich, also unverzögert durch Auslösung einer

abfall des Stromes der Vormagnetisierungswicklung Kippung herbeigeführt wird.

an einem weiteren Widerstand kompensiert. Die io Auf diese Weise ist durch den Erfindungsgedanken

Summe der Spannungen an beiden Widerständen verhindert, daß der Wandlerkern, außer gegebenen-

bildet daher den zu messenden Strom Vorzeichen- falls während einer vernachlässigbar kurzen Zeit, im

richtig ab. . ,. -, Zustand der Sättigung betrieben wird, weshalb der

Durch die deutsche Auslegeschrift 1 030 878 ist Sekundärstrom den Primärstrom praktisch lückenlos auch ein Magnetverstärker mit einem Kern bekannt- 15 abbildet. Der Magnetisierungsstrom ist beim Primärgeworden, welcher von einer Gleichspannungsquelle strom Null im arithmetischen Mittel genau und sonst gespeist wird und mit elektronischen Schaltern ar- annähernd gleich Null, weshalb die Kennlinie i₂ = f (J₁) beitet. Er dient zur Steuerung der Leistung an einem genau durch den Nullpunkt geht und eine gute Line-Verbraucher durch eine Steuerspannung und hat arität auch in seiner Nähe besitzt. Ein in der Primäreinen aus einem Sättigungszyklus und einem sich 20 wicklung induzierter Wechselstrom beeinflußt die sofort anschließenden Rückstellzyklus bestehenden Kennlinie nicht, da er im Sekundärstromkreis infolge Arbeitsablauf. Der Sättigungszyklus erbringt am Ver- fehlender Gleichrichtung immer ebenfalls als Wechbraucher eine Spannungs-Zeitfläche, deren Größe selstrom fließt. ·' durch die Rückmagnetisierung und damit die Steuer- An Hand von Fig. 1 wird die Erfindung im folgenspannung bestimmt ist.' Die Auslösung des Sätti- 25 den näher erläutert: Ein weichmagnetischer Kern 1 gungszyklus erfolgt periodisch durch fremde Trigger- trägt eine vom Primärstrom I₁ durchflossen Primärimpulse. Bei bestimmten Betriebszuständen kann die wicklung 2, eine in Reihe mit einer Meßanordnung 3, Auslösung auch ohne Triggerimpuls erfolgen. einem Kippgenerator 4 und einem Widerstands lie-

Es sind auch Einrichtungen bekannt, welche in gende Sekundärwicklung 6 und eine an einen Steuerjedem Betriebszustand weichmagnetische Kerne 30 teil 7 angeschlossene Steuerwicklung 8. Die Meßselbsttätig, also ohne fremde Triggerimpulse peri- anordnung3 kann z.B. aus einem den arithmetischen odisch bis zu den beiden entgegengesetzten Sätti- Mittelwert anzeigenden Strommesser oder einer gungszuständen ummagnetisieren. Allerdings dienen Steuer- oder Regeleinrichtung bestehen. Der Widerderartige Einrichtungen nicht der Messung eines stand 5 symbolisiert die Summe der Widerstände von Stromes oder der Steuerung einer Leistung. Derarti- 35 Generator 4, Meßanordnung 3 und Sekundärwickgen Einrichtungen ist, gemeinsam, daß als Kriterium , lung 6, ein Widerstand 9 die Summe der Widerstände für die Umkehr der Magnetisierungsrichtung der bei von Steuerteil 7 und Steuerwicklung 8. Die durch den magnetischer Sättigung auftretende Abfall der EMK Kippgenerator in der Steuerwicklung induzierte EMK in den Ubertragerwicklungen dient. Beispielsweise u_s steuert über den Steuerteil den Kippgenerator dersind in dem Aufsatz »Magnetic Inverter Uses« von 40 art, daß er bei Beginn der Sättigung, gekippt wird, Campling in Electronics, 14. März 1958, S. 158 also sprunghaft die Polarität seiner Ausgangsspanbis 161, und in dem Aufsatz »Saturable-Core-Oscil,- ' nung wechselt.

lator« von Langley in Electronics, 23. Januar 1959, Für die praktische Ausführung des erfindungs-

S. 42 und 43, solche Einrichtungen beschrieben, wel- gemäßen Stromwandlers kann zweckmäßig von einem

ehe der Umformung einer Spannung in eine Fre- 45 an sich bekannten astabilen Multivibrator ausgegan-

quenz dienen. ... gen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine In einem Beispiel gemäß Fig. 2 ist ein solcher MuI-

Anordnung der eingangs erwähnten Art so umzuge- tivibrator mit vier Transistoren 10, 11, 12, 13 und

stalten, daß Änderungen des Primärstromes mög- zwei Steuerwicklungen 8 a, 8 b ausgeführt. Die PoIa-

lichst unverzögert übertragen werden, daß eine mög- 50 rität der Wicklungen ist an den durch Punkte ge-

iichst lineare Abhängigkeit zwischen Primärstrom kennzeichneten Enden gleich. Im Verlaufe einer

und Sekundärstrom sowie ein konstantes Über- Schwingungsperiode sind zunächst die Transistoren

Setzungsverhältnis hergestellt wird und daß die Null- 10 und 13 und anschließend die Transistoren 11 und

durchgänge der Mittelwerte beider Ströme weitgehend 12 gleichzeitig ausgesteuert. Eine Kippung, d. h. ein

übereinstimmen. ; 55 Polaritätswechsel an der Sekundärwicklung 6, findet

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß — aus- jedesmal statt, wenn infolge Sättigung des Kernes 1

gehend von einem Strommeßwandler der eingangs die EMK der Steuerwicklungen so weit gesunken ist,

bezogenen Art — der Vorrichtung als Kriterium für daß sie zur Aussteuerung der Transistoren nicht mehr

die Umsteuerung der Polarität der Abfall der EMK ausreicht. Weil der Kernl in beiden Richtungen bis

in den auf dem Kern angebrachten Wicklungen beim 60 zur Sättigung magnetisiert wird, muß er zwecks. Er- ,

Eintritt des magnetischen Sättigungszustandes dient reichung einer hohen Wandlergenauigkeit wie bei

und daß die Erfassung des magnetischen Sättigungs- bekannten Anordnungen zur Gleichstromwandlung

zustandes und die Umsteuerung der Polarität der einen Kern mit rechteckförmiger Hystereseschleife

Stromquelle kontaktlos durch elektronische Schalt- besitzen. : .

mittel bewirkt ist. ·..,·. 65 Die EMKm₂ der Sekundärwicklung in Zuordnung

Der Vorteil der Erfindung liegt in der Anwend- _v . zum Sekundärstrom I₂ und der gesamten an. Sekun-

barkeit für die betragsrichtige, vorzeichenrichtige und ' därwicklung und Meßanordnung liegenden Spannung u

unverzögerte Abbildung des Primärstromes, in der ist in Fig. 3 dargestellt, wobei zur Vereinfachung eine

wechselspannungsfreie Speisespannung U und - ein konstanter Primärstrom angenommen sind. Der Sekundärstrom i₂ besteht aus dem auf die Sekundärwicklung transformierten Primärstrom J₁', den Steuerströmen C und i'_sb und dem Magnetisierungsstrom ί_μ. ·5 Es sind dargestellt: . ■ ■■■

durch Kurve I,

durch Kurve II und

durch Kurve III.

₁₅

Die Ströme ϊ_μ und i'_sa + Kb bewirken eine geringfügige Verzerrung der Abbildung des Primärstromes. Sie sind in Fig. 3 mit Ausnahme der Sättigungsspitzen des Magnetisierungsstromes jedoch übertrieben groß dargestellt. Ihr arithmetischer Mittelwert ist annähernd Null, welhalb sie nur einen geringen Meßfehler verursachen. Durch einen veränderbaren Widerstand 9 a (Fig. 2) kann dieser Mittelwert für den Primärstrom Null genau auf Null abgeglichen werden. Die Kennlinie der Mittelwerte von Sekundär- und Primärstrom i₂ = f (Z₁) verläuft also durch den Nullpunkt und ist auch in der Nähe desselben gut linear.

Abgesehen von der geringfügigen Verzerrung durch den Magnetisierungsstrom und die Steuerströme wird der Primärstrom durch den Sekundärstrom betragsrichtig, vorzeichenrichtig und unverzögert abgebildet.

Der von der Hilfsspannungsquelle U gelieferte Hilf sstrom i_h ergibt sich aus dem Sekundärstrom i₂ gemäß Fig. 3, wenn man das Vorzeichen von i₂ während des Zeitintervalles t_± bis t₂ umkehrt. Der Hilf sstrom wechselt demnach außer bei sehr kleinen Primärströmen seine Richtung und fließt entweder über die Emitter-Kollektor-Strecke der gerade ausgesteuerten Transistoren oder über die hierzu parallelgeschalteten Dioden 14 bis 17.

Falls der Primärstrom nur positive Werte annimmt, können die Dioden 14 und 17 entfallen, da sie während der gesamten Schwingungsperiode keinen Strom führen. Wird der Wandler immer mit mindestens einem Primärstrom betrieben, der einen Nulldurchgang des Sekundärstromes gemäß Fig. 3 außer während der negativen Sättigungsspitze verhindert, könnten auch die Transistoren 11 und 12 entfallen, weil der Strom über die Paralleldioden 15 und 16 fließt. Beim Fehlen dieser Transistoren wird jedoch die vorstehende Sättigungsspitze, welche für eine schnelle Kippung im Augenblick des Eintretens der Sättigung erforderlich ist, unter der Nullinie abgeschnitten. Dadurch wird die Kippung verzögert und folglich die verkürzte Sättigungsspitze wesentlich breiter, wodurch ein zusätzlicher Wandlerfehler entsteht. Ein Schutzwiderstand 18 verhindert bei einem primären Kurzschlußstrom unzulässig hohe Kollektorströme der Transistoren.

Der gleichgerichtete Hilfsstrom i_h ist identisch mit dem Sekundärstrom i₂ gemäß Fig. 3, solange letzterer keinen Nulldurchgang aufweist. Derjenige infolge der negativen Sättigungsspitze des Magnetisierungsstromes ist dabei vernachlässigt. Eine Meßanordnung kann also auch vom gleichgerichteten Hilfsstrom betrieben werden, wobei hinsichtlich der Kennlinie i₂ = / (Z₁) die gleichen Verhältnisse wie bei der Anordnung nach der deutschen Patentschrift 961 557 vorliegen.

Der Multivibrator gemäß Fig. 2 kann gemäß Fig. 4 abgeändert werden. Die Sekundärwicklung ist hier in zwei gleiche Wicklungen 6 a und 6 b aufgeteilt. Die Meßanordnung 3 besitzt drei Anschlüsse und erfaßt die Summe der Ströme i_2a und i_2b. Sie kann gemäß Fig. 5 z. B. aus zwei gleichen Widerständen 19 und einem Meßinstrument 20 bestehen. In diesem Fall erübrigt sich der Schutzwiderstand 18 (Fig. 4), falls die Widerstände 19 so bemessen sind, daß ein unzulässig hoher Kollektorstrom nicht fließen kann.

Ein sicheres Anschwingen des Multivibrators gemäß Fig. 2 und 4 kann mit den für solche Schaltungen üblichen Mitteln erreicht werden. Ein solches Mittel ist z. B. die Verbindung der Basis der p-ri-p- bzw. n-p-n-Transistqren über hochohmige Widerstände 9 a, 9 b, 9 c bzw. 9 d mit dem negativen bzw. positiven Pol der Hilfsspannung U.

Eine Möglichkeit zur weiteren Ausgestaltung der Schaltungen gemäß Fig. 2 und 4 besteht in der Verwendung eines Steuerübertragers, der an Stelle des Übertragers 1 die der Aussteuerung der Transistoren dienenden Steuerwicklungen trägt. In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind der Übertrager 1 und ein Steuerübertrager 21 über ihre Wicklungen 8 und 22 miteinander gekoppelt. Die übrigen Wicklungen der Übertrager sind nicht eingezeichnet. Ein Widerstand 23 symbolisiert die Summe der Widerstände beider Wicklungen.

Die Verwendung eines Steuerübertragers gestattet einen derartigen Betrieb des Übertragers 1, daß dieser nicht oder nur wenig gesättigt wird. Zu diesem Zweck ist der Steuerübertrager, der dann zweckmäßigerweise einen Kern mit rechteckförmiger Hystereseschleife besitzt, so zu dimensionieren, daß er schneller als der Übertrager 1 gesättigt wird. Letzterer kann dann einen Kern ■ ohne rechteckförmige Hystereseschleife besitzen, weshalb die Verwendung eines billigeren Kernmaterials möglich ist.

Die Gleichspannungsquelle U muß nicht stabilisiert sein, was einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers bedeutet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Strommeßwandler mit weichmagnetischem Kern und einer Primärwicklung für den zu messenden Strom, der nach Amplitude und Richtung sich ändern kann und den Kern vormagnetisiert, ferner mit einer gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehenden Sekundärwicklung, erregt von einer Stromquelle, die bezüglich ihrer Polarität umsteuerbar eingerichtet ist und hierzu in Steuerverbindung mit einer die Erregung des Kernes erfassenden, bei Erreichen eines vorbestimmten Magnetisierungszustandes des Kernes die Umsteuerung veranlassenden Vorrichtung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrichtung als Kriterium für die Umsteuerung der Polarität der Abfall der EMK in den auf dem Kern angebrachten Wicklungen beim Eintritt des magnetischen Sättigungszustandes dient und daß die Erfassung des magnetischen Sättigungszustandes und die Umsteuerung der Polarität der Stromquelle (4) kontaktlos durch elektronische Schaltmittel bewirkt ist.

2. Strommeßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung eines an sich bekannten Kippgenerators als Stromquelle (4).

3. Strommeß wandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Magnetisierungszustandes des Kernes (1) eine Hilfswicklung (8) desselben dient.

4. Strommeßwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Hilfswicklung (8) ein Steuerübertrager (21) angeschlossen ist, der die der Umsteuerung der Polarität der Stromquelle dienenden Wicklungen trägt.

5. Strommeßwandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine derartige Auslegung des Steuerübertragers (21), daß dessen Kern ebenfalls in beiden Richtungen bis zur Sättigung magnetisiert wird und daß als Kriterium für die Um-

Steuerung der Polarität der Stromquelle (4) die Erreichung dieser Sättigung dient.

6. Strommeßwandler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Hilfsspannungsquelle des Kippgenerators gelieferte Hilfsstrom (i_h) gleichgerichtet und über eine Meßanordnung geleitet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 761 007, 905 169,
673,961557;

»Funk-Technik«, 1958, S. 532 bis 534;

»A. I. E. E. Trans.«, Part 1,74 (1955), S. 322 bis 324;

»IRE Trans, on Circuit Theory«, Sept. 1957,
S. 276 bis 279;

»Electronics«, 14. 3. 1958, S. 159; 23. 1. 1959,
S. 42, 43; 25. 11. 1960, S. 120.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen