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Die Erfindung betrifft einen Stromwandler mit einem Eisenkernsystem,
das einen mittels mindestens eines Luftspaltes gescherten Eisenkern enthält.
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Ein bereits vorgeschlagener Stromwandler dieser Art, der im folgenden
stets kurz als Linearwandler bezeichnet wird, enthält Eisenkerne, deren Permeabilität
mittels der vorgeschlagenen Dimensionierungsvorschriften unter Berücksichtigung
unter anderem der Zeitkonstante des Primärkreises, des zulässigen Fehlwinkels, der
Nennbürde und des sekundären Kupferaufwandes im Hinblick darauf bestimmt ist, daß
der Wandler den Kurzschlußwechselstrom über die gesamte Zeit des Vorgangs mit einem
Minimum an Kernquerschnitt überträgt, ohne dabei in Sättigung zu gehen.
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Nach den vorgeschlagenen Dimensionierungsregeln bemessene Linearwandler
weisen magnetische Kreise mit geringer Permeabilität auf. Um zugleich jedoch hohe
Sättigungsinduktionen zu erreichen, werden hochwertige Siliziumeisen verwendet und
diese durch Luftspalte auf niedrige Permeabilitätswerte heruntergeschert. Die Folge
ist, daß die Permeabilität des magnetischen Kreises über den gesamten Induktionsbereich
bis zur Sättigungsinduktion konstant niedrig ist. Da der Fehler eines Stromwandlers
der Permeabilität seines Eisenkernes umgekehrt proportional ist, ist der Fehler
eines Linearwandlers über den gesamten Induktionsbereich konstant und so groß, wie
er bei der Berechnung im Hinblick auf die Bedürfnisse der Schutztechnik als maximal
zulässig angenommen wurde.
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Auf Grund dieser Tatsache ist es häufig nicht möglich, Linearwandler
formal einer genauen Klasse zuzuordnen, weil insbesondere ihre Fehlwinkel die Grenzwerte
dieser Klasse übersteigen. Diese Eigenschaft der Linearwandler stand bisher ihrer
Verbreitung hinderlich entgegen.
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Um dem abzuhelfen, wird ein Stromwandler mit einem Eisenkernsystem
vorgeschlagen, das einen mittels mindestens eines Luftspaltes gescherten Eisenkern
enthält, der gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß neben dem oder
den Luftspalten des gescherten Eisenkernes Eisenstege mit im Vergleich zum gescherten
Eisenkern erheblich geringerem Querschnitt angeordnet sind, so daß sich eine Parallelschaltung
von magnetischen Widerständen unter Anhebung der Permeabilität des Eisenkernsystems
im Nennstrombereich über die Permeabilität des gescherten Eisenkernes ergibt.
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Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben nämlich
gezeigt, daß ein Eisenkernsystem, das beispielsweise aus einem gescherten und einem
eisengeschlossenen Eisenkern besteht, als eine Reihenschaltung der magnetischen
Leitwerte der beiden Eisenkerne zu betrachten ist, solange die Luftspalte des gescherten
Eisenkernes streuarm sind, was beim Bau von Linearwandlern grundsätzlich angestrebt
wird. Es trifft also nicht die naheliegende Vorstellung zu, daß der eisengeschlossene
Eisenkern im Bereich der Luftspalte des gescherten Kernes von der Summe aller Kraftlinien
durchflossen und damit frühzeitig gesättigt wird, wie dies bei einem Isthmus der
Fall ist. Diese als neu zu wertende Erkenntnis eröffnet die Möglichkeit, die Eisenkerne
hinreichend genau theoretisch zu dimensionieren und schafft die Voraussetzung, den
Fehlwinkel von Linearwandlern - wie unten näher erläutert ist - im Nennstrombereich
auf solche Werte herabzusetzen, daß ihre Zuordnung zu einer genauen Klasse möglich
ist. Es ist zwar bereits ein Sättigungsstromwandler mit mindestens zwei magnetischen
Zweigen bekannt (schweizerische Patentschrift 412 097), wobei einer dieser Zweige
einen Luftspalt besitzt und die Primärwicklung hingegen mit beiden Zweigen verkettet
ist, jedoch dient dieser Stromwandler zur Begrenzung des Sekundärstromes, um an
die Sekundärwicklung angeschlossene Verbraucher vor Schäden durch große Ströme zu
bewahren. Zur amplituden- und phasengetreuen Übertragung von Strömen von der Primärauf
die Sekundärseite ist dieser Wandler daher nicht geeignet.
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Ferner ist eine Spule, insbesondere ein Übertrager bekannt (deutsche
Patentschrift 646 692), der so ausgelegt ist, daß er mit hohem Wirkungsgrad sowohl
Sprachströme geringer Intensität als auch niederfrequente Signalströme hoher Intensität
übertragen kann. Zu diesem Zwecke sind Luftspalte des Eisenkernes von einem Material
derartiger Bemessung und Zusammensetzung überbrückt, daß bei kleinen Feldstärken
der magnetische Widerstand im magnetischen Kreis des Kernes im wesentlichen nur
durch den Luftspalt bestimmt ist, während er bei großen Feldstärken durch das Überbrückungsmaterial
wesentlich verkleinert ist.
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In Abweichung davon ist bei dem erfindungsgemäßen Stromwandler, der
wie alle Meßwandler für eine einzige Frequenz, nämlich für die Netzfrequenz, ausgelegt
ist, durch die Luftspalte überbrückende Eisenstege mit geeigneter Bemessung erreicht,
daß bei kleinen Feldstärken der magnetische Widerstand im magnetischen Kreis des
Eisenkernsystems weitgehend durch die Eisenstege bestimmt ist, so daß sich eine
Anhebung der Permeabilität des Eisenkernsystems im Nennstrombereich über die Permeabilität
des Eisenkernes ergibt; bei größeren Feldstärken, die bei verlagerten Kurzschlußströmen
auftreten, sind nur die Luftspalte wirksam, so daß bei Kurzschlußströmen in gewünschter
Weise die Permeabilität des gescherten Eisenkernes allein zum Tragen kommt.
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Schließlich ist auch eine Stromwandleranordnung für Distanzrelais
bekannt (»Siemens-Zeitschrift«, Bd. 39, 1965, H. 11, S. 1238 bis 1245), von denen
das eine für den unteren Strombereich von einem normalen Stromwandler gespeist ist,
während ein weiteres Distanzrelais für den oberen Strombereich an einen linearisierten
Wandler angeschlossen ist. Die bekannte Anordnung besteht also aus zwei selbständigen
Stromwandlern.
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Als zweckmäßig hat es sich bei dem erfindungsgemäßen Stromwandler
erwiesen, den gescherten Eisenkern und den eisengeschlossenen, weiteren Eisenkern
in einer senkrecht zu ihren Hauptebenen verlaufenden Richtung nebeneinander, vorzugsweise
parallel zueinander, anzuordnen. Eine derartige Anordnung der beiden Eisenkerne
bietet nämlich den Vorteil, daß sie sich theoretisch verhältnismäßig einfach behandeln
läßt, da sie nahezu exakt einer Reihenschaltung der magnetischen Leitwerte der beiden
magnetischen Kreise entspricht. Die sich bei dieser Anordnung ergebende mittlere
Permeabilität bei einer bestimmten Feldstärke errechnet sich unter Vernachlässigung
der Wirkverluste aus der Gleichung
in der Mm die mittlere Permeabilität"pl die Permeabilität
des
gescherten Kernes, ,u2 die Permeabilität des eisengeschlossenen Kernes, Q, der Querschnitt
des gescherten Kernes und Q2 der Querschnitt des eisengeschlossenen Kernes ist.
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Streng genommen gilt diese Gleichung (1) jedoch nur dann, wenn die
Scherung durch eine große Anzahl kleiner Luftspalte erfolgt, d. h., wenn das Streufeld
der Spalte relativ klein ist. Dies ist nicht nur von der absoluten Spaltlänge, sondern
auch von der Größe des Eisenquerschnitts und- seiner geometrischen Gestalt sowie
der Anordnung der Wicklung über dem Spalt abhängig. Versuche haben jedoch gezeigt,
daß die Formel für die bei Linearwandlern üblichen Spaltabmessungen eine ausreichend
sichere Berechnung des mittleren Permeabilitätsverlaufs ermöglicht.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist der Fehlwinkel eines Stromwandlers
der Perrneabilität umgekehrt proportional. Demzufolge gilt die Gleichung
in der mit öm der sich durch Anordnen des weiteren eisengeschlossenen Eisenkerns
zusätzlich zu dem gescherten Eisenkern ergebende resultierende Fehlwinkel und mit
8, der Fehlwinkel des Systems mit geschertem Eisenkern bezeichnet ist.
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Da die Größen ,u, und d,. als Eigenschaften des magnetischen Kreises
des gescherten Eisenkernes vorgegeben sind und der Fehlwinkel öm durch die Forderungen
der Klasse vorbestimmt ist, der der erfindungsgemäße Stromwandler zugeordnet werden
soll, läßt sich aus der obigen Gleichung (2) die mittlere Permeabilität j,ai errechnen.
Mittels dieses Wertes ergibt sich dann in an sich bekannter Weise aus der Nenninduktion
die Feldstärke und damit aus dem Diagramm ,u = f(B) für das jeweils verwendete
Kernmaterial die Permeabilität ,u2 des eisengeschlossenen, weiteren Kernes. Mittels
der Gleichung (1) läßt sich dann bei vorgegebenem Querschnitt Q,. des gescherten
Eisenkernes der Querschnitt Q2 des weiteren eisengeschlossenen Eisenkernes bestimmen.
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In der F i g. 1 sind die Verläufe der Permeabilität ,u,. des gescherten
Eisenkernes, der Perrneabilität ,u, des eisengeschlossenen, weiteren Eisenkernes
und die mittlere Permeabilität ,um des gesamten Eisenkernsystems dargestellt. Man
erkennt, daß die Permeabilität ,csm nach erwünschter Anhebung innerhalb etwa des
Nennbereiches bald wieder auf den zur einwandfreien Übertragung des verlagerten
Kurzschlußstromes erforderlichen Betrag absinkt. Damit ist sichergestellt, daß die
eine Abweichung von der der theoretischen Berechnung von Linearwandlern ursprünglich
zugrunde liegenden Voraussetzung einer konstanten Permeabilität darstellende Permeabilitätsanhebung
hinsichtlich der Übertragung verlagerter Kurzschlußströme ohne nennenswerten Einfiuß
bleibt.
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In Abweichung von dem den obigen Betrachtungen zugrunde liegenden
Eisenkernsystem mit einem gescherten und einem eisengeschlossenen Eisenkern kann
auch ein Eisenkernsystem mit mehr als einem gescherten Eisenkern bzw. einem in mehrere
Teile geteilten gescherten Eisenkern verwendet werden; in diesen Fällen hat es sich
als zweckmäßig erwiesen, den eisengeschlossenen Eisenkern zwischen den gescherten
Eisenkernen bzw. den Teilen des gescherten Eisenkernes anzuordnen.
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Um den Einfluß des eisengeschlossenen Eisenkernes auf den gescherten
Eisenkern bzw. die gescherten Eisenkerne zu vermindern, ist der eisengeschlossene
Eisenkern zweckmäßigerweise unter Einhaltung eines Abstandes neben dem gescherten
Eisenkern bzw. den gescherten Eisenkernen, vorzugsweise parallel zu ihnen, angeordnet.
Durch eine derartige Anordnung kommt man nämlich bei Wahl eines entsprechenden Abstandes
der oben unterstellten Eigenständigkeit der magnetischen Kreise auch theoretisch
am nächsten.
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Dieser Effekt läßt sich noch dadurch verbessern, daß der Abstand des
eisengeschlossenen Eisenkernes von dem gescherten Eisenkern bzw. den gescherten
Eisenkernen durch urmagnetische, galvanisch leitende Zwischenlagen eingehalten wird,
die auf Grund der in ihnen auftretenden Wirbelströme eine abschirmende Wirkung ausüben,
wodurch die magnetischen Kreise in noch stärkerem Maße voneinander getrennt werden.
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Die Sekundärwicklungsanordnung kann bei dem erfindungsgemäßen Stromwandler
aus einer einzigen, sämtliche Eisenkerne gemeinsam umfassenden Sekundärwicklung
bestehen; es ist jedoch auch möglich, im Falle eines Eisenkernsystems mit einem
gescherten und einem geschlossenen Eisenkern eine Sekundärwicklungsanordnung mit
zwei getrennten Sekundärwicklungen gleicher Windungszahl zu verwenden und auf jeden
Eisenkern eine Sekundärwicklung aufzubringen; die Sekundärwicklungen sind in Reihe
geschaltet. Diese letztere Ausbildung der Sekundärwicklungsanordnung hat den Vorteil,
daß in einfacher Weise die Verknüpfung der magnetischen Eigenschaften der beiden
Kreise aufgehoben werden kann, so daß dann ein Wandler mit den Eigenschaften eines
Linearwandlers entsteht, der ausschließlich zu Netzschutzzwecken eingesetzt werden
kann, und ein weiterer Stromwandler gebildet wird, der auf Grund seines eisengeschlossenen
Magnetkreises die Eigenschaften eines klassischen Meßwandlers aufweist.
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Vorteilhaft kann es gegebenenfalls auch sein, wenn der neben dem Luftspalt
des gescherten Eisenkernes angeordnete Eisensteg ein aus magnetisch leitendem Werkstoff
bestehendes Bauteil ist, das mittels eines mechanischen Antriebs vom Luftspalt fortbewegt
werden kann. Eine derartige Anordnung bildet zwar kein Eisenkernsystem mit einem
eisengeschlossenen Eisenkern, weist also gewisse Unregelmäßigkeiten im Aufbau seiner
magnetischen Kreise auf, bietet jedoch die vorteilhafte Möglichkeit, durch Entfernen
des aus magnetisch leitendem Werkstoff bestehenden Bauteils vom Luftspalt den erfindungsgemäßen
Stromwandler je nach Bedarf entweder als reinen Linearwandler oder als Stromwandler
zur Übertragung auch verlagerter Kurzschlußwechselströme einzusetzen, der innerhalb
eines durch- eine Klasse definierten Strombereichs einen dieser Klasse genügenden
Fehlwinkel nicht überschreitet.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in den F i g. 2 bis 7
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stromwandlers dargestellt.
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In der F i g. 2, die ebenso wie die weiteren Figuren nur eine schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Stromwandlers in Seitenansicht wiedergibt, ist
ein beispielsweise als Ringkern 1 ausgeführter Eisenkern durch einen Luftspalt 2
geschert. In der F i g. 2 unterhalb des Ringkernes 1 ist ein weiterer Ringkern 3
vorzugsweise parallel zum Ringkern 1 angeordnet; der weitere Ringkern 3 ist eisengeschlossen
und weist einen erheblich kleineren Querschnitt als der gescherte Ringkern
1 auf. Beide Kerne 1 und 3
werden gemeinsam von einem
Primärleiter 4 durchsetzt und von einer Sekundärwicklung 5 gemeinsam umfaßt.
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In der F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Stromwandlers dargestellt, bei dem der mittels eines Luftspaltes 6 gescherte Eisenkern
7 (Ringkern) unmittelbar neben dem weiteren eisengeschlossenen Ringkern 8 angeordnet
ist. Das aus den beiden Kernen 7 und 8 bestehende Eisenkernsystem ist von dem Primärleiter
4 durchsetzt und von der Sekundärwicklung 5 gemeinsam umfaßt.
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Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Stromwandlers gemäß F i g. 3
ist in der F i g. 4 dargestellt, wo der eisengeschlossene Eisenkern 9 zwischen zwei
mit jeweils einem Luftspalt 10 bzw. 11 versehenen, gescherten Eisenkernen
12 bzw. 13 angeordnet ist. Durchsetzt wird das Eisenkernsystem wiederum von
dem Primärleiter 4; die Sekundärwicklung umgibt wiederum gemeinsam die Eisenkerne
9, 12 und 13.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers, bei dem
zur gegenseitigen magnetischen Abschirmung der magnetischen Kreise zusätzlich eine
galvanisch leitende Zwischenlage 14 vorgesehen ist, zeigt die F i g. 5. In
dieser Figur ist der durch einen Luftspalt 15 gescherte Eisenkern
16, der wiederum als Ringkern ausgebildet ist, durch die Zwischenlage
14
von dem eisengeschlossenen, weiteren Eisenkern 17 abgeschirmt. Erregt wird
das aus den Kernen 16 und 17 gebildete Eisenkernsystem wiederum von dem Primärleiter
4. Die aus einer Sekundärwicklung bestehende Sekundärwicklungsanordnung 5
umfaßt wiederum gemeinsam die Eisenkerne 16 und 17.
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In der F i g. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Stromwandlers dargestellt, das von dem in der F i g. 2 wiedergegebenen Ausf ührungsbeispiel
lediglich hinsichtlich der Ausbildung der Sekundärwicklungsanordnung abweicht. Bauteile
der F i g. 6, die denen der F i g. 2 entsprechen, sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen
versehen worden. Wie aus der F i g. 6 zu erkennen ist, besteht die Sekundärwicklungsanordnung
aus zwei Sekundärwicklungen 18 und 19, von denen die Sekundärwicklung 18
auf dem gescherten Eisenkern 1 und die Sekundärwicklung 19 auf dem eisengeschlossenen
Eisenkern 3 aufgebracht ist; die Sekundärwicklungen 18 und 19 sind in Reihe geschaltet.
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Um bei diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Kopplung der beiden
magnetischen Kreise aufheben zu können und damit den erfindungsgemäßen Stromwandler
als reinen Linearwandler mit dem gescherten Eisenkern 1 und als klassischen Meßwandler
mit dein geschlossenen Eisenkern 3 betreiben zu können, sind die zwecks Reihenschaltung
der beiden Sekundärwicklungen 18 und 19 miteinander verbundenen Enden dieser Wicklungen
an von außen zugängliche Klemmen 20 und 21 geführt, die durch die Schaltbrücke 22
miteinander verbunden werden können. Durch Auftrennen der Brücke 22 kann die elektrische
Kopplung der magnetischen Kreise aufgehoben werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erÜndungsgemäßen Stromwandlers,
bei dem der neben dem Luftspalt des gescherten Eisenkernes verlaufende Eisensteg
als aus magnetisch leitendem Werkstoff bestehendes Bauteil ausgebildet ist, gibt
die F i g. 7 wieder. In diesem Ausführungsbeispiel ist der durch einen Luftspalt
23 gescherte Eisenkern von einem Mantelkern 24 gebildet. Durch die Fenster 25 und
26 des Eisenkernes 24 sind in bekannter Weise die Primärwicklung 27 sowie die Sekundärwicklung
28 geführt. In Längsrichtung des mit dem Luftspalt 23 versehenen Mittelschenkels
29 des Eisenkernes 24 ist das als Schieber 30 ausgebildete Bauteil aus magnetisch
leitendem Werkstoff verschiebbar angeordnet, und zwar mittels eines in der F i g.
7 nicht näher dargestellten mechanischen Antriebs.
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Befindet sich der Schieber 30 in der in der F i g. 7 ausgezeichneten
Lage, dann besitzt der Stromwandler das Fehlwinkelverhalten eines reinen Linearwandlers
und ist deshalb insbesondere zur Speisung von Netzschutzgeräten geeignet. Bedeckt
dagegen der Schieber 30, wie in der F i g. 7 strichhert angedeutet, den Luftspalt
23, dann weist der Stromwandler ebenfalls die Eigenschaft auf, verlagerte Kurzschlußströme
getreu übertragen zu können, besitzt aber zusätzlich noch die weitere vorteilhafte
Eigenschaft, hinsichtlich seines Fehlwinkels einer Klasse zu genügen, so daß er
zusätzlich zu Meßzwecken eingesetzt werden kann.
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Durch die Erfindung wird bei Linearwandlern, deren Verbreitung häufig
ihr verhältnismäßig großer Fehlwinkel im Wege stand, die Möglichkeit einer Erniedrigung
des Fehlwinkels geschaffen, so daß der Wandler einer Klasse zugeordnet werden kann,
die auch seinen Einsatz als Meßwandler gestattet.