DE19701324A1

DE19701324A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselstrom niedriger Frequenz

Info

Publication number: DE19701324A1
Application number: DE1997101324
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl Ing Dr Dittmann
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: EZW ELEKTRONIK ZENTRUM WEST GMBH, 42579 HEILIGENH
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 1998-07-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselstrom niedriger Frequenz mit einem als Transformator ausgebildeten Stromwandler, dessen Primärwicklung von dem zu messenden Wechselstrom durchflossen ist und an dessen Sekundärwicklung Mittel zur Wandlung des sekundären Meßstromes in eine adäquate Meßspannung angeschlossen sind.

Stromwandler werden in der Starkstrommeßtechnik zur galvanisch getrennten Messung von Wechelströmen und -spannungen eingesetzt. Bei diesem Meßverfahren wird der Primärstrom I_pr mit dem Übersetzungsverhältnis ü auf die Sekundärseite übertragen. Das Übersetzungsverhältnis wird im allgemeinen so gewählt, daß sich auf der Sekundärseite Ströme im mA-Bereich ergeben, die elektronisch weiterverarbeitet werden können.

Dazu wird der sekundärseitige Strom über eine Bürde geleitet, wobei über der Bürde die Meßspannung abfällt.

Dabei besteht der Sekundärstromkreis aus der Parallelschaltung einer Induktivität mit einem ohmschen Widerstand, deren Übertragungscharakteristik Hochpaßverhalten zeigt. Dieses Hochpaßverhalten führt grundsätzlich zu einem Meßfehler, der jedoch bei Festfrequenzgeräten konstant und somit leicht kompensierbar ist.

In einem Meßstromwandler jedoch, der in einem weiten Frequenzbereich, beispielsweise von 162/3 Hz bis 1000 Hz, eingesetzt wird, ist dieser Meßfehler von der Frequenz abhängig und wirkt sich gleichermaßen auf alle, aus der Meßspannung abgeleiteten elektrischen Größen wie Phasenwinkel, Leistungsfaktor sowie Wirk- und Blindleistung aus.

Dieser Meßfehler ist auf die Phasendrehung in der Übertragungscharakteristik zurückzuführen, die zudem aussteuerungs- und temperaturabhängig ist.

Durch offenkundige Vorbenutzung vorbekannter Kompensationsverfahren, die darin bestehen, der Bürde ein wandlerindividuell abzugleichendes RC-Glied nachzuschalten, sind entweder sehr aufwendig oder es gelingt nur, einen der Parameter Frequenz, Amplitude oder Temperatur zu kompensieren. Ursächlich dafür ist die endliche untere Grenzfrequenz des als Transformator ausgebildeten Stromwandlers. Darüber hinaus sind Stromwandler bezüglich ihrer Hauptinduktivität, Koppelfaktor und Innenwiderstand hohen Fertigungstoleranzen unterworfen, die einen individuellen Abgleich eines jeden Wandlers über ein Kompensationsnetzwerk erfordern. Nachteiligerweise ist ein derartiger Abgleich auf eine Abgleichfrequenz bezogen, so daß mit zunehmender Differenz zwischen der Abgleichfrequenz und der Frequenz des zu messenden Wechselstroms der Meßfehler proportional zu dieser Differenz wächst.

Weiterhin ist bekannt, die untere Grenzfrequenz durch Vergrößerung des Kernvolumens des Meßwandlers abzusenken. Nachteiligerweise steigt jedoch dabei die Masse und das Volumen des Meßwandlers überproportional an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für sich bekannten Meßwandler dahingehend zu verbessern, daß die Meßspannung in Betrag und Phase weitgehend unabhängig von den nichtlinearen frequenz-, amplituden- und temperaturabhängigen Übertragungseigenschaften des Stromwandlers ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß der frequenzgangbestimmende Innenwiderstand der Sekundärwicklung des als Transformator ausgebildeten Stromwandlers durch einen virtuellen negativen, betragsgleichen Serienwiderstand kompensiert wird. Infolge dieser Maßnahme wird der komplexe Innenwiderstand der Sekundärwicklung bei vollständiger Kompensation idealerweise rein imaginär, so daß die resultierende untere Grenzfrequenz zu Null wird. Der so ausgebildete Stromwandler weist nunmehr im interessierenden Frequenzbereich einen Frequenzgang mit gleichbleibendem Ausgangspegel auf. Infolgedessen werden frequenzgangbestimmende Meßfehler vermieden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gleichwohl mit den Mitteln des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 3 und 4 beschrieben. Mit den Mitteln der Ansprüche 2 bis 4 ist das Verfahrens nach Anspruch 1 realisierbar.

Dabei ist vorgesehen, daß die Mittel zur Wandlung des sekundären Meßstromes in eine adäquate Meßspannung eine nichtinvertierende gegengekoppelte Verstärkerschaltung umfassen und daß die Sekundärwicklung des Stromwandlers in einem zusätzlichen Mitkopplungszweig der Verstärkerschaltung angeordnet ist. Diese Mitkopplung bewirkt in vorteilhafter Weise eine dem Strom durch den Innenwiderstand der Sekundärwicklung entgegengerichtete Stromgröße, die den Spannungsabfall über den Innenwiderstand der Sekundärwicklung kompensiert. Dadurch verbessert sich in vorteilhafter Weise das Verhältnis der Induktivität der Sekundärwicklung zum Gesamtinnenwiderstand zugunsten der Induktivität, so daß die untere Grenzfrequenz gegen Null abgesenkt wird und bei idealer Kompensation Null erreicht. In vorteilhafter Weise wird dabei insbesondere im interessierenden Frequenzbereich ein Frequenzgang mit im wesentlichen konstantem Ausgangspegel erzielt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mitkopplung der Verstärkerschaltung durch einen Koppelwiderstand gedämpft ist. Da ein präziser Abgleich der Mitkopplung die Verstärkerschaltung am Stabilitätsrand betreibt, d. h. bei geringer Überkompensation würde die Verstärkerschaltung schwingen, ist es in der Praxis vorteilhaft, auf eine ideale Kompensation zu verzichten und eine untere Grenzfrequenz größer Null zu akzeptieren, soweit im interessierenden Frequenzbereich ein konstanter Pegel abgegriffen werden kann. Durch Bedämpfung der Mitkopplung mittels des Koppelwiderstandes ist der Grad der Mitkopplung in vorteilhafter Weise auf einen schwingungsfreien Zustand der Verstärkerschaltung einstellbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Koppelwiderstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der betragsmäßig gleich dem im Verhältnis des Innenwiderstandes der Sekundärwicklung zum Koppelwiderstand gewichteten Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes ist. In vorteilhafter Weise wird mit dieser Maßnahme erreicht, daß der positive Temperaturkoeffizient der aus Kupfer bestehenden Sekundärwicklung bereits am Ort der Temperaturschwankungen kompensiert wird. In vorteilhafter Weise ist somit am Ausgang der Verstärkerschaltung eine temperaturunabhängige Meßspannung abgreifbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Meßumformers,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer frequenzgangkompensierten Sekundärwicklung und

Fig. 3 eine mitgekoppelte Verstärkerschaltung.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Meßumformers gezeigt. Der Meßumformer besteht im wesentlichen aus einem Stromwandler 1 und einer Verstärkerschaltung 2. Der Stromwandler 1 ist als Transformator mit einer Primärwicklung 11 und einer Sekundärwicklung 12 ausgebildet, wobei die Primärwicklung 11 von dem zu messenden Wechselstrom 111 durchflossen wird. In der Sekundärwicklung 12 wird ein, dem Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechender sekundärer Meßstrom 121 getrieben, wobei das Übersetzungsverhältnis durch die Anzahl der Windungen der Primärwicklung 11 zu der Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung 12 gebildet ist.

Der Meßstrom 121 wird in der Verstärkerschaltung 2 durch Strom-/Spannungswandlung in eine äquivalente Meßspannung 122 umgesetzt. Gleichwohl ist in der Verstärkerschaltung 2 die Anpassung an den jeweiligen Meßbereich vorgesehen.

Verantwortlich für das Übertragungsverhalten des Stromwandlers 1 sind im wesentlichen die nichtidealen Eigenschaften seiner Sekundärwicklung, die in Fig. 2 in der Art einer Ersatzschaltung detailliert dargestellt ist. Dabei sind die Haupteigenschaften der Sekundärwicklung 12 im wesentlichen durch deren Hauptinduktivität 123 sowie ihrem Innenwiderstand 120 beschreibbar, wobei der Innenwiderstand 120 im wesentlichen durch den Kupferwiderstand der Windungen der Sekundärwicklung 12 gebildet ist. Der sekundäre Meßstrom 121 durchfließt die Reihenschaltung aus Hauptinduktivität 123 und Innenwiderstand 120 der Sekundärwicklung 12, die also ein RL-Glied darstellt. Die Tatsache, daß der Innenwiderstand 120 stets größer als Null ist, führt dazu, daß die Übertragungscharakteristik des Zweipols der Sekundärwicklung 12 frequenzabhängig ist. Für Meßzwecke maßgeblich ist dabei die untere Grenzfrequenz

wobei R_i der Innenwiderstand 120 und L die Hauptinduktivität 123 gemäß Fig. 2 ist.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, einen negativen Serienwiderstand 20 in die Masche des Meßstromes 121 der betragsmäßig gleich dem Innenwiderstand 120 ist. Daraus ergibt sich bei gleichen Bezugszeichen für gleiche Mittel für die untere Grenzfrequenz

wobei Rn der negative Serienwiderstand 20 gemäß Fig. 2 ist.

Dabei sinkt die untere Grenzfrequenz Ω_g,w mit abnehmendem Zählerwert der aus der Summe des Innenwiderstandes R_i mit dem Bezugszeichen 120 und dem negativen Serienwiderstand Rn mit dem Bezugszeichen 20 zusammengesetzt ist. Bei idealer Kompensation des Innenwiderstandes R_i mit dem Bezugszeichen 120 durch den negativen Serienwiderstand Rn mit dem Bezugszeichen 20, wobei R_n = -R_i ist, wird die untere Grenzfrequenz ω_g,w zu Null. Dadurch wird in vorteilhafter Weise zumindest für den interessierenden Meßbereich das Übertragungsverhalten des Stromwandlers 1 frequenzunabhängig.

In Fig. 3 ist eine Verstärkerschaltung 2 mit einem Operationsverstärker 23 dargestellt. Dabei ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 23 mit einem für sich bekannten Gegenkopplungsnetzwerk 22 beschaltet. Die Meßspannung 122 ist am Ausgang des Operationsverstärkers 23 abgreifbar. Darüber hinaus umfaßt die Verstärkerschaltung 2 ein Mitkopplungsnetzwerk 21, das zumindest aus der Reihenschaltung der Sekundärwicklung 12 des Stromwandlers 1 und einem Meßwiderstand 212 in Form eines Spannungsteilers besteht, dessen Abgriff mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23 verbunden ist. Der freie Anschluß der Sekundärwicklung 12 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 23 verbunden und der freie Anschluß des Meßwiderstands 221 ist an Masse geschaltet.

Diese Anordnung bewirkt, daß die verstärkte Meßspannung 122 auf die Sekundärwicklung 12 im Sinne einer Mitkopplung rückgekoppelt wird. Für die untere Grenzfrequenz ω_g,res gilt nunmehr unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel

wobei v die Verstärkung des gegengekoppelten Operationsverstärkers 23 und R_m der Meßwiderstand mit dem Bezugszeichen 212 ist.

Zur Kompensation des Innenwiderstandes R_i mit dem Bezugszeichen 120 in Fig. 2 wird die Verstärkung v des Operationsverstärkers 23 und der Meßwiderstand R_m mit dem Bezugszeichen 212 in Fig. 3 so eingestellt, daß der Term (1-v) . R_m genau = R_i ist. Mit dem Zählerterm wird gleichwohl die untere Grenzfrequenz ω_g,res zu Null und somit die Meßspannung 122 zumindest im interessierenden Frequenzbereich frequenzunabhängig.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Mitkopplungszweig 21 der Verstärkerschaltung 2 durch einen Koppelwiderstand 211 zu bedämpfen. Der Koppelwiderstand 211 ist dabei zweckmäßigerweise zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 23 und dem freien Anschluß der Sekundärwicklung 12 geschaltet.

In vorteilhafter Weise läßt sich mit diesem Koppelwiderstand 211 bei vorgegebenem Meßwiderstand 212 und auf einen vorgegebenen Meßbereich normierte Meßspannung 122 der Mitkopplungsgrad des Mitkopplungsnetzwerks 21 so einstellen, daß die reale Verstärkerschaltung schwingungsfrei arbeitet und die untere Grenzfrequenz nahezu Null wird. Die untere Grenzfrequenz ergibt sich dabei unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel zu

wobei R_k der Koppelwiderstand 211 ist.

Der Meßwiderstand 212 und die Verstärkung des gegengekoppeltes Operationsverstärkers 23 sind dabei in vorteilhafterweise so einstellbar, daß die Meßspannung 122 ein spannungsunabhängiges Abbild des zu messenden Wechselstroms 111 ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Koppelwiderstand 211 einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der betragsmäßig gleich dem im Verhältnis des Innenwiderstandes 120 der Sekundärwicklung 12 zum Koppelwiderstand gewichteten Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes 120 ist.

Die regelmäßig aus Kupfer bestehende Wicklung der Sekundärwicklung 12 ist mit +3900 ppm/K temperaturabhängig. Dieser positive Temperaturkoeffizient wird durch einen negativen Temperaturkoeffizienten des Koppelwiderstandes 211 kompensiert, der betragsmäßig über das Verhältnis der ohm'schen Widerstände des Innenwiderstandes 120 der Sekundärwicklung 12 und des Koppelwiderstandes 211 bewichtet ist. In vorteilhafter Weise ist die Meßspannung 122 ein temperaturunabhängiges Abbild des zu messenden Wechselstroms 111.

Bezugszeichenliste

1

Stromwandler

11

Primärwicklung

111

zu messender Wechselstrom

12

Sekundärwicklung

120

Innenwiderstand

121

Meßstrom

122

Meßspannung

123

Hauptinduktivität

2

Verstärkerschaltung

20

negativer Serienwiderstand

21

Mitkopplungsnetzwerk

211

Koppelwiderstand

212

Meßwiderstand

22

Gegenkopplungsnetzwerk

23

Operationsverstärker

Claims

1. Verfahren zur Messung von Wechselstrom niedriger Frequenz mit einem als Transformator ausgebildeten Stromwandler, dessen Primärwicklung von dem zu messenden Wechselstrom durchflossen ist und an dessen Sekundärwicklung Mittel zur Wandlung des sekundären Meßstromes in eine adäquate Meßspannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzgangbestimmende Innenwiderstand (120) der Sekundärwicklung (12) durch einen virtuellen, negativen Serienwiderstand (20) kompensiert wird.

2. Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselstrom niedriger Frequenz mit einem als Transformator ausgebildeten Stromwandler, dessen Primärwicklung von dem zu messenden Wechselstrom durchflossen ist und an dessen Sekundärwicklung Mittel zur Wandlung des sekundären Meßstromes in eine adäquate Meßspannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Mittel zur Wandlung des sekundären Meßstromes (121) in eine adäquate Meßspannung (122) eine nichtinvertierende, gegengekoppelte Verstärkerschaltung (2) umfassen und
- daß die Sekundärwicklung (12) des Stromwandlers (1) in einem zusätzlichen Mitkopplungsnetzwerk (21) der Verstärkerschaltung (2) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Mitkopplung (21) der Verstärkerschaltung (2) durch einen Koppelwiderstand (211) bedämpft ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelwiderstand (211) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der betragsmäßig gleich dem im Verhältnis des Innenwiderstandes (120) der Sekundärwicklung (12) zum Koppelwiderstand (211) gewichteten Temperaturkoeffizienten des Innenwiderstandes (120) ist.