DE19706127C2 - Stromwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromwandler für Wechselstrom, insbesondere Netz-Wechselstrom, mit Gleichstromanteilen, be­ stehend aus zumindest einem Wandlerkern mit einer Primärwick­ lung und zumindest einer Sekundärwicklung, zu der ein Bürden­ widerstand parallel geschaltet ist und den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt.

Solche Stromwandler sind seit langem aus Siemens, Elektro­ technik, 5. Auflage, Karlsruhe 1968, S. 167 ff. bekannt. Die­ se Stromwandler übersetzen einen Primärstrom im Verhältnis der Windungszahlen zwischen Primär- und Sekundärwicklung auf einen Sekundärstrom, der dann als Spannungsabfall am Bürden­ widerstand potentialfrei von einem Meßgerät oder einer digi­ talen Auswerteschaltung erfaßt wird. Der Strombereich kann zum Beispiel 100 A primär auf 50 mA sekundär sein und der Se­ kundärstrombereich kann von genormter Größe sein. Die prinzi­ pielle Schaltung eines solchen Stromwandlers wird nachfolgend beschrieben. Auf einem Wandlerkern, der ähnlich wie bei Lei­ stungstransformatoren aus Bandkernen aufgebaut sein kann, be­ findet sich die Primärwicklung, die den zu messenden Strom i_prim führt, und eine Sekundärwicklung, die den Meßstrom i_sec führt. Der Sekundärstrom i_sec stellt sich automatisch so ein, daß die Amperewindungen primär und sekundär im Idealfall gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, zum Beispiel primär i_prim = 600 A und Windungen n_prim = 2, sekundär i_sec = 5 A und Windungen n_sec = 240. Mit einer Phasenverschiebung zwi­ schen Primärstrom und Sekundärstrom von 180°. Dies ergibt sich aus der Lenzschen Regel, nach der sich der Indukti­ onsstrom immer so einstellt, daß er die treibende Ursache zu hindern versucht.

Die Sekundärwicklung ist niederohmig über einen Bürdenwider­ stend R_B abgeschlossen, das heißt der Bürdenwiderstand R_B ist sehr viel kleiner als die Impedanz der Sekundärwicklung, das heißt R_B << ωL. Die magnetischen Felder, die durch die bei­ den Wicklungen im Kern erzeugt werden, sind - und das ist das besondere Merkmal des Stromwandlers - in jedem Augenblick fast gleich groß und einander entgegengesetzt gerichtet. Im Wandlerkern wird also nur ein sehr kleiner magnetischer Fluß erzeugt, der eine Sekundärspannung induziert, die gerade den Meßstrom durch den Bürdenwiderstand R_B aufrecht erhält. Der Wandlerkern wird also im Verhältnis zur Stärke des vom Pri­ märstrom ausgehenden Magnetfeldes nur sehr gering ausgesteu­ ert.

Das Problem der Sättigung des Kerns, welches allerdings bei vergleichsweise hohem Bürdenwiderstand im Sekundärkreis und hoher Last auftritt, ist in der älteren Anmeldung DE 195 32 197 A1 beschrieben. Der in dieser Schrift vorgeschlagene Stromwandler weist im Sekundärstromkreis zur Lösung dieses Problems zwei Bürdenwi­ derstände mit unterschiedlichem Widerstand auf, welche je nach Betriebszustand von einer Steuerungselektronik in den Sekundärschaltung mit einem Transistor geschaltet werden kön­ nen.

Der Idealfall wird wegen der Wirbelstromverluste und der Um­ magnetisierungsverluste im Wandlerkern, Verlusten in den Wicklungen und dem Bürdenwiderstand nicht vollständig er­ reicht. Unter dem Gütefaktor des Stromwandlers versteht man das Verhältnis aus dem Verlustwiderstand R_V und der Impedanz der Sekundärspule ωL. Für den Gütefaktor des Stromwandlers, der möglichst klein sein soll, gelten folgende Beziehungen:

wobei tan δ die Phasenverschiebung zwischen i_prim und i_sec, H^ Amplitude der magnetischen Feldstärke, B^ Amplitude der ma­ gnetischen Felddichte B, R_V der Verlustwiderstand des Strom­ wandlers bedeutet, in dem alle Verlustmechanismen zusammenge­ faßt sind, und unter dem Term auf der rechten Seite der Glei­ chung (2) das Verhältnis zwischen der magnetischen Aussteue­ rung des Wandlerkerns zum Ansteuerfeld bedeutet.

Der Sekundärstrom i_sec weist demnach eine kleine Phasenver­ schiebung gegenüber dem ansteuernden Strom i_prim auf und die Amplitude der magnetischen Flußdichte im Wandlerkern ist we­ sentlich geringer als bei einer reinen Aussteuerung nur durch den Primärstrom. Typische Werte für den Faktor R_v/ωL liegen zwischen 1/100 und 1/500.

Die magnetische Flußdichte B im Wandlerkern weist eine Pha­ senverschiebung von nahezu -90° relativ zum Ansteuern zum Ma­ gnetfeld bzw. zum Primärstrom auf. Sie hat Maximalwerte also jeweils nahe der Nulldurchgänge von Primärstrom und Sekundär­ strom. Diese Maximalwerte dürfen die Sättigungsflußdichte B_sat des Kernmaterials nicht erreichen. Durch die Gleichung (2) und die Materialkonstante B_sat wird der von einem Stromwandler erfaßbare Strombereich festgelegt. Die oben gegebenen Erläu­ terungen werden durch die Fig. 1 veranschaulicht.

Die Stromwandler der eingangs genannten Art funktionieren demnach nur bei nahezu rein symmetrischem Wechselstrom. Ein Gleichstromanteil, der durch gleichrichtende Bauelemente im Primärstromkreis auftreten kann, bringt den Wandlerkern sehr schnell in die magnetische Sättigung. Der Stromwandler ist dann nicht mehr funktionsfähig.

Dies soll im folgenden anhand eines Beispiels erläutert wer­ den:

Befindet sich im Primärstromkreis eine Diode, so findet dort eine reine Halbwellengleichrichtung statt. Der Gleichstroman­ teil dieser Stromform beträgt i₌ = 1/πî. Ein Stromwandler, der für eine Wechselstromamplitude von 100 A ausgelegt ist, kann demnach bei einem Halbwellenstrom mit einer Amplitude von 1 A schon nicht mehr sauber arbeiten.

Von Stromwandlern, die in Energiezählern eingesetzt werden sollen, wird aber gerade eine hohe Gleichstromtoleranz gefor­ dert. Dieser Forderung wurde bisher dadurch Rechnung getra­ gen, daß die verwendeten Wandlerkerne sehr stark überdimen­ sioniert und eventuell darüber hinaus noch mit einem Pri­ märshunt verbunden wurden, der dafür sorgt, daß nur ein Teil des Primärstroms durch den Wandlerkern geleitet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Strom­ wandler der eingangs genannten Art bereitzustellen, der gleichstromtolerant ist und ohne überdimensionierte Wandler­ kerne präzise funktionstüchtig ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Stromwandler der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen einer Anschlußklemme der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand zumindest ein Halbleiterbauelement vorgesehen ist, welches den Sekundärstromkreis periodisch für ein Zeitintervall in den Leerlauf versetzt.

Durch diese Maßnahme wird der Sekundärstromkreis innerhalb jeder Periode für einen bestimmten Zeitraum geöffnet, so daß innerhalb dieses Zeitintervalls ein Abbau der Kernmagnetisie­ rung stattfinden kann. Für den Abbau der Kernmagnetisierung ist dann die innere Zeitkonstante des Wandlerkerns maßgebend. Diese innere Zeitkonstante des Wandlerkerns wird hauptsäch­ lich durch Wirbelstromeffekte im Wandlerkern bestimmt und ist insbesondere bei Bandkernen, die aus einer weichmagnetischen, hochpermeablen, amorphen oder nanokristallinen Legierung mit hoher Sättigungsinduktion bestehen, sehr gering. Die Kernma­ gnetisierung kann bei solchen Kernen während eines sehr kur­ zen Zeitraumes wieder abgebaut werden und nach dem Schließen des Sekundärstromkreises kann dann der Magnetisierungszyklus im ursprünglichen Ausgangswert neu starten.

Das Öffnen des Sekundärstromkreises für einen kurzen Zeitraum hat also die Funktion eines magnetischen "Reset" für den Kern. Wird dieses "Reset" an geeigneter Stelle während jeder Periode durchgeführt, so hat eine Asymmetrie im ansteuernden Wechselstrom, d. h. die Gleichstromanteile, keinen negativen Einfluß auf das Stromwandlerverhalten.

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Stromwandler zwei Wandlerkerne mit jeweils einem Sekundär­ stromkreis auf. In diesen Sekundärstromkreisen befinden sich Dioden, die antiparallel geschaltet sind. Dadurch wird im ei­ nen Sekundärstromkreis der positive Halbwellenzug und im an­ deren Sekundärstromkreis der negative Halbwellenzug erfaßt.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung weist der Stromwandler einen einzelnen Wandlerkern auf, der mit zwei Sekundärstromkreisen versehen ist. In diesen Se­ kundärstromkreisen befinden sich wiederum Dioden, die anti­ parallel geschaltet sind und verschiedenes Abkommutierverhal­ ten aufweisen. Wesentlich dabei ist das verschiedene Abkommu­ tierverhalten, d. h., daß die Dioden ein unterschiedliches Sperr- und Durchlaßverhalten aufweisen. Dadurch befinden sich beide Sekundärstromkreise für ein kurzes Zeitintervall gleichzeitig im Leerlauf, was wiederum zum Abbau der Kernma­ gnetisierung führt.

In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung weist der Stromwandler einen Wandlerkern auf, der mit einem Sekun­ därstromkreis versehen ist, wobei in diesem einen Sekundär­ stromkreis zwei antiparallel geschaltete Dioden vorgesehen sind, die verschiedenes Abkommutierverhalten aufweisen. Diese Ausführungsform arbeitet wie die zuletzt genannte Ausfüh­ rungsform, hat aber den Vorteil, daß nur ein einzelner Sekun­ därstromkreis, d. h. eine einzelne Sekundärwicklung und ein einzelner Bürdenwiderstand benötigt werden.

In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung ist als Halbleiterbauelement ein Halbleiterschalter vorgesehen, des­ sen Laststrecke zwischen der Anschlußklemme der Sekundärwick­ lung und dem Bürdenwiderstand geschaltet ist, wobei der Halb­ leiterschalter mit einer Steuerschaltung versehen ist, welche den Halbleiterschalter derart ansteuert, daß der Sekundär­ stromkreis periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leer­ lauf ist. Diese Lösung, die schaltungstechnisch etwas aufwen­ diger ist als die eingangs genannten Lösungen mit den nicht­ linearen passiven Halbleiterbauelementen, d. h. den Dioden, hat wiederum den Vorteil, daß die Zeitintervalle exakt einge­ stellt werden können und auch auf verschiedene Anforderungen, d. h. also auf verschiedenartige Primärstromkreise umgestellt werden können. Als Halbleiterschalter stehen verschiedene ak­ tive Halbleiterbauelemente zur Verfügung, die jeweils in ver­ schiedenen Spannungs-, Strom- und Frequenzbereichen ihre Ein­ satzschwerpunkte finden. Im untersten Leistungsbereich werden vorzugsweise MOSFETs eingesetzt, die für Sperrspannungen bis zu 1000 V erhältlich sind. Üblicherweise werden alle aktiven Halbleiterbaulelemente bis zu Gleichspannungen eingesetzt, die etwa der halben Sperrspannung entsprechen, im Falle der MOSFETs, also bis zu Gleichspannungen von 500 V. Der Strom ist bei diesen Bauelementen maximal auf ca. 30 A beschränkt. Sofern diese Grenzwerte für die vorgesehene Anwendung ausrei­ chen, können mit MOSFETs Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz rea­ lisiert werden, was für die meisten vorliegenden Anwendungen sicherlich ausreichend ist. Es ist jedoch auch denkbar, Bipo­ lartransistoren und Thyristoren, insbesondere IGBTs (Insula­ ted Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyri­ stors) sowie GTOs (Gate Turn Off Thyristors), zu verwenden.

In einer Weiterentwicklung dieser Ausführungsform wird der Halbleiterschalter derart angesteuert, daß der Sekundärstrom­ kreis nahe der Nulldurchgänge des Sekundärstroms periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leerlauf ist. Optimal ist ei­ ne Ansteuerung derart, daß der Sekundärstromkreis periodisch kurz vor dem Nulldurchgang des Sekundärstroms geöffnet und exakt im Nulldurchgang des Sekundärstroms geschlossen wird.

Bei kleinen Primärströmen, d. h. bei Primärströmen, die den Wandlerkern nicht sättigen, ist es auch denkbar, den Halblei­ terschalter während des gesamten Stromdurchgangs zu öffnen und an der offenen Sekundärspule die Spannung abzugreifen und für die Leistungsberechnung heranzuziehen. Durch diese Maß­ nahme wird eine wesentlich höhere Genauigkeit im Bereich kleiner Primärströme bei einer über etwaig angeschlossene Meßgeräte erfolgenden Leistungsberechnung erzielt.

Um ein sehr kleines Bauvolumen zu erzielen, weist der oder die Wandlerkerne die Gestalt eines Ringbandkerns auf, so daß der Stromwandler typischerweise als Durchsteckwandler ausge­ führt ist. Durchsteckwandler heißt, daß der Primärleiter, dessen Strom erfaßt werden soll, einfach durch die Öffnung des Ringkerns geführt wird. Es ist aber auch denkbar, daß der Primärleiter mit einigen wenigen Windungen durch den Ringkern geschleift wird. Die Sekundärwicklung bei den Stromwandlern bei der eingangs genannten Art besteht typischerweise aus ca. 1000 bis 5000 Windungen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschau­ licht und im Nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine perspekti­ vische Ansicht eines Stromwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung und die

Fig. 3 bis 6 die Gegenüberstellung verschiedener Primär­ ströme gegenüber verschiedenen Sekundärströ­ men.

Nach der Zeichnung besteht der Stromwandler 1 gemäß der vor­ liegenden Erfindung aus einem Primärleiter 17 der durch die Öffnung 6 eines ersten Ringbandkerns 5 geführt ist. Dieser Primärleiter 4 kann als Primärwicklung 2 mit der Windung N_prim = 1 aufgefaßt werden. Der Primärleiter 17 ist ferner durch die Öffnung 12 eines zweiten Ringbandkerns 11 geführt. Der erste Ringbandkern 5 und der zweite Ringbandkern 11 weisen eine Sekundärwicklung 7 beziehungsweise eine Sekundärwicklung 13 auf. Zu der ersten Sekundärwicklung 7 ist eine erster Bür­ denwiderstand 8 parallel geschaltet, so daß dieser erste Se­ kundärstromkreis niederohmig abgeschlossen ist. Zu der zwei­ ten Sekundärwicklung 13 ist ebenfalls ein Bürdenwiderstand 14 parallel geschaltet, so daß auch dieser zweite Sekundärstrom­ kreis niederohmig abgeschlossen ist.

Im ersten Sekundärstromkreis befindet sich eine Diode 10. Die Diode 10 öffnet den Sekundärkreis für eine komplette Halbwelle.

Im zweiten Sekundärstromkreis befindet sich ebenfalls eine Diode 16, die in entgegengesetzter Richtung, d. h. also anti­ parallel, zur ersten Diode 10 im ersten Sekundärstromkreis geschaltet ist. Diese Diode 16 öffnet den zweiten Sekundär­ kreis ebenfalls für eine komplette Halbwelle. Da die Diode 16 aber in entgegengesetzter Richtung geschaltet ist wie die Di­ ode 10, erfaßt die eine Diode die positiven Halbwellen, wäh­ rend die andere Diode die negativen Halbwellen erfaßt. Da­ durch sind die beiden Sekundärstromkreise um 180° phasenver­ schoben im Leerlauf, so daß sich die beiden Ringbandkerne 5 und 11 in den jeweiligen Leerlaufphasen entmagnetisieren kön­ nen.

Maßgeblich für den Abbau der Kernmagnetisierung ist dabei die innere Zeitkonstante der Ringbandkerne. Diese wird hauptsäch­ lich durch Wirbelstromeffekte in den Ringbandkernen bestimmt. Die Ringbandkerne 5 und 11 bestehen hier aus dünnen Bändern, die aus einer hochpermeablen, amorphen, weichmagnetischen Le­ gierung bestehen, was gewährleistet, daß die Wirbelstromef­ fekte extrem gering sind. Die Kernmagnetisierung kann also während der Leerlaufphasen abgebaut werden und in den Phasen, in denen die Dioden 10 und 16 den Sekundärstrom leiten, kann der Magnetisierungszyklus im ursprünglichen Ausgangswert neu beginnen.

Die Fig. 3 zeigt einen symmetrischen Primärstrom i_Prim und das im ersten Sekundärkreis übersetzte Stromsignal. Wie zu ersehen ist, werden lediglich die negativen Halbwellen auf­ grund der gleichrichtenden Funktion der Diode übersetzt. Im zweiten Sekundärstromkreis ist das Signal völlig analog zum Signal im ersten Sekundärstromkreis, lediglich werden hier anstatt der negativen Halbwellen die positiven Halbwellen übersetzt.

Fig. 4 zeigt das Stromsignal im Sekundärkreis bei einem halbwellengleichgerichteten Primärstrom, Fig. 5 zeigt das Stromsignal im Sekundärkreis bei einem Primärstrom, der einen mittleren Gleichstromanteil trägt, sowie die Fig. 6 das Stromsignal im Sekundärkreis zeigt, wobei der Primärstrom ei­ nen hohen Gleichstromanteil trägt. Durch die gleichrichtende Funktion der Diode im ersten Sekundärstromkreis und die ent­ gegengesetzt gleichrichtende Funktion der Diode im zweiten Sekundärstromkreis werden die Asymmetrien vollkommen übertra­ gen, ohne daß dabei die asymmetrischen Anteile den Kern in die Sättigung treiben, da die Ringbandkerne in den Leerlauf­ phasen genügend Zeit haben, ihre aufgebaute Magnetisierung wieder abzubauen.

Claims (11)

1. Stromwandler (1) für Wechselstrom mit Gleichstromanteilen, bestehend aus zumindest einem Wandlerkern (5) mit einer Pri­ märwicklung (17) und zumindest einer Sekundärwicklung (7), zu der ein Bürdenwiderstand (8) parallel geschaltet ist und den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt, wobei zwischen einer Anschlußklemme der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand zumindest ein Halbleiterbauelement derart vorgesehen ist, daß der Sekundärstromkreis periodisch für ein kurzes Zeitintervall in den Leerlauf versetzbar ist.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler (1) zwei Wandlerkerne (5, 11) aufweist mit je­ weils einem Sekundärstromkreis, und daß die in den Sekundär­ stromkreisen befindlichen Halbleiterbauelemente Dioden (10, 16) sind, die antiparallel geschaltet sind.

3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler einen Wandlerkern aufweist mit zwei Sekundär­ stromkreisen, und daß die in den Sekundärstromkreisen befind­ lichen Halbleiterbauelemente Dioden sind, die antiparallel geschaltet sind und verschiedenes Abkommutierverhalten auf­ weisen.

4. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler einen Wandlerkern aufweist mit einem Sekundär­ stromkreis und daß in den Sekundärstromkreis zwei antiparal­ lel geschaltete Dioden angeordnet sind, die verschiedenes Ab­ kommutierverhalten aufweisen.

5. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halb­ leiterbauelement ein Halbleiterschalter vorgesehen ist, des­ sen Laststrecke zwischen der Anschlußklemme der Sekundärwick­ lung und dem Bürdenwiderstand geschaltet ist, wobei der Halb­ leiterschalter mit einer Steuerschaltung versehen ist, welche den Halbleiterschalter derart ansteuert, daß der Sekundär­ stromkreis periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leer­ lauf ist.

6. Stromwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb­ leiterschalter derart angesteuert wird, daß der Sekundär­ stromkreis nahe der Nulldurchgänge des Sekundärstroms peri­ odisch für ein kurzes Zeitintervall im Leerlauf ist.

7. Stromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb­ leiterschalter derart angesteuert wird, daß der Sekundär­ stromkreis periodisch kurz vor dem Nulldurchgang des Sekun­ därstroms geöffnet und im Nulldurchgang des Sekundärstroms geschlossen wird.

8. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Wand­ lerkern ein aus einem weichmagnetischen hochpermeablen Werk­ stoff bestehender Bandkern mit hoher Sättigungsinduktion vor­ gesehen ist.

9. Stromwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Werk­ stoff eine amorphe oder nanokristalline Legierung vorgesehen ist.

10. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wand­ lerkern die Gestalt eines Ringkerns aufweist.

11. Stromwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler als Durchsteckwandler ausgeführt ist.