DE1638602B1 - Stromwandler mit einem Eisenkernsystem,das einen mittels mindestens eines Luftspaltes gescherten Eisenkern enthaelt - Google Patents

Stromwandler mit einem Eisenkernsystem,das einen mittels mindestens eines Luftspaltes gescherten Eisenkern enthaelt

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    • H01F38/22Instruments transformers for single phase ac
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stromwandler mit einem Eisenkernsystem, das einen mittels mindestens eines Luftspaltes gescherten Eisenkern enthält.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in den F i g. 2 bis 7 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stromwandlers dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Patentansprüche: 1. Stromwandler mit einem Eisenkernsystem, das einen mittels mindestens eines Luftspaltes gescherten Eisenkern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem oder den Luftspalten (2) des gescherten Eisenkernes (1) 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 (1, 3) im Nennstrombereich über die Permeabilität des gescherten Eisenkernes (1) ergibt (F i g. 2).
  2. 2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisensteg Teil zumindest eines eisengeschlossenen, weiteren Eisenkernes (3) ist, der eine dem gescherten Eisenkern (1) ähnliche, äußere Form aufweist.
  3. 3. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gescherte Eisenkern (1) und der eisengeschlossene, weitere Eisenkern (3) in einer senkrecht zu ihren Hauptebenei verlautenden Richtung nebeneinander, vorzugsweise parallel zueinander, angeordnet sind.
  4. 4. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eisengeschlossene Eisenkern (3) bei einem Eisenkernsystem mit mehr als einem gescherten Eisenkern (1) bzw. einem in mehrere Teile geteilten, gescherten Eisenkern zwischen den gescherten Eisenkernen bzw. den Teilen des gescherten Eisenkernes angeordnet ist (F i g. 4).
  5. 5. Stromwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eisengeschlossene Eiseakera (3) unter Einhaltung ei ges Abstindes neben dem gescherten Eisenkern (1) bzw. den gescherten Eisenkernen, vorzugsweise parallel zu ihnen, angeordnet ist.
  6. 6. Stromwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des eisengeschlossenen Eisenkernes (3) von dem gescherten Eisenkern (1) bzw. den gescherten Eisenkernen durch unmagnetische, vorzugsweise galvanisch leitende Zwischenlagen (14) eingehalten ist (F i g. 5).
  7. 7. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungsanordnung aus einer sämtliche Eisenkerne (1, 3) gemeinsam umfassenden Sekundärwicklung (5) besteht (F i g. 2 bis 5). B.
  8. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungsanordnung aus zwei Sekundärwicklungen (18,19) gleicher Windungszahl besteht, daß jeder Eisenkern (1, 3) eine Sekundärwicklung trägt und daß die Sekundärwicklungen (18, 19) in Reihe geschaltet sind (F i g. 6).
  9. 9. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisensteg ein aus magnetisch leitendem Werkstoff bestehendes Bauteil (30) ist, das mittels eines mechanischen Antriebs vom Luftspalt (23) fortbewegt werden kann (F i g. 7).
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