DE19731170A1

DE19731170A1 - Stromwandler für Drehstromsysteme

Info

Publication number: DE19731170A1
Application number: DE19731170A
Authority: DE
Inventors: Rupprecht Dr Ing Gabriel
Original assignee: Kloeckner Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-01-28
Also published as: WO1999005690A1; EP1038302A1; US6313727B1; AU8631598A

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromwandler für Drehstromsysteme und dient der Erfassung von Strömen, beispielsweise für Drehstromzähler oder elektronische Auslösevorrichtungen von Niederspannungsschutzschaltern.

Als Stromwandler sind einerseits transformatorische Wandler bekannt, deren Hauptnachteil in den genauigkeits- und strombe reichsbegrenzenden Sättigungseigenschaften des Kernmaterials besteht. Anderseits sind eisenlose Wandler (Rogowski-Wandler) bekannt, die für einen weiten Strombereich geeignet sind und eine integrierende Weiterverarbeitung der Wandlersignale erfordern. Nachteilig bei den eisenlosen Wandlern ist die Verwendung von Toroidspulen, deren Herstellung und Montage um die Drehstromleiter im allgemeinen mit einem hohen Aufwand verbunden sind. Zur Vermeidung aufwendiger Rundwickelmaschinen ist in der Druckschrift DE 42 29 678 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Rogowski-Spule gebildeten Strom wandlers mit einem biegsamen unmagnetischen Wicklungsträger vorgeschlagen worden. Danach wird ein thermisch verformbarer Wicklungsträger als ringförmiger Hohlkörper vorverformt und auf einen geradlinig ausgebildeten Wickeldorn aufgeschoben und mit der Wandlerspule bewickelt. Nach dem Abziehen vom Wickel dorn kehrt der Hohlkörper in seine Ringform zurück. Nachteilig bei Verwendung in einem Drehstromsystem ist auch hier noch die hohe technologische Sorgfalt mit der die Stromwandler herzu stellen und zu montieren sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strom wandler für Drehstromsysteme nach dem Rogowski-Prinzip anzu geben, der einfach sowie preiswert herzustellen und zu montie ren ist und der außerdem die Summenstrommessung zuläßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den Unteransprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Die Halterung der Wandlerspulen durch die weichmagnetischen Joche ermöglicht eine einfache und hinsichtlich der Symmetrie der Wandlerspulen unkomplizierte Herstellung des Stromwand lers. Durch die weichmagnetischen Joche wird einerseits die Meßempfindlichkeit des Stromwandlers infolge der Bündelung der von den Drehstromleitern ausgehenden Magnetfelder erhöht und anderseits infolge der abschirmenden Wirkung die Störempfind lichkeit verringert. Die magnetische Wirkung der Joche gleicht auch Unsymmetrien zwischen den Wandlerspulen in einem erhebli chen Grade aus. Da in einem symmetrischen Drehstromsystem der Summenstrom außerhalb eines Störfalles Null ist, gelangen die Joche auch nicht annähernd in den Bereich ihrer magnetischen Sättigung, weshalb der erfindungsgemäße Stromwandler nach dem Rogowski-Prinzip arbeitend zu betrachten ist. Die zu erfassen den Leiterströme ergeben sich in bekannter Weise jeweils aus der zu integrierenden Differenz bzw. Summe der Meßspannungen zweier den entsprechenden Drehstromleiter umgebenden Wandler spulen - je nachdem, ob diese Wandlerspulen zueinander im gleichen oder entgegengesetzten Wicklungssinn angeordnet sind. Der Stromwandler eignet sich auch zur Erfassung des Summen stromes des Drehstromsystems aus der zu integrierenden Diffe renz der Meßspannungen der beiden äußeren Wandlerspulen.

Die Joche bestehen aus Ferriten oder anderen geeigneten weich magnetischen Materialien. Zweckmäßigerweise sind in den Jochen Vertiefungen zur Halterung der Wandlerspulen vorgesehen.

Da in einem symmetrischen Drehstromsystem der Summenstrom im Normalfall Null ist, kann nach einer vorteilhaften Weiter bildung der magnetische Kreis beidseitig durch Querjoche geschlossen werden, was zu einer weiteren Erhöhung der Ab schirmung gegen magnetische Störfelder und zu einer Verbes serung der Symmetrie des Stromwandlers führt. Die Joche und Querjoche können in zweckmäßiger Weise in zwei L-förmigen oder I- bzw. U-förmigen Teilen, aber auch als Ganzes ausgeführt werden.

Zur vereinfachten Montage gegenüber sogenannten Durchsteck wandlern wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, eines der Joche nachträglich verbind bar mit den übrigen Bestandteilen des Stromwandlers aus zu führen. Dadurch können die Wandlerspulen problemlos zwischen die Drehstromleiter geschoben werden, um danach den Strom wandler durch Verbindung mit den noch fehlenden weichmagneti schen Teilen zu vervollständigen.

Durch seitliche, die Wandlerspulen zum Teil überdeckende weichmagnetische Ausbildungen der Joche ergibt sich eine sehr robuste Weiterbildung der Erfindung, die gegen äußere mechani sche sowie magnetische Einflüsse weitgehend geschützt ist. Die Ausbildungen können - unter Gewährleistung ausreichender Luftspalte - gegenüberstehend oder wechselständig von beiden Jochen oder nur von einem der Joche ausgehen. Eine alternative Weiterbildung dazu besteht in der Anordnung von seitlich die Wandlerspulen umrahmenden weichmagnetischen Stegen, die mit beiden Jochen verbunden sind.

Die Erfindung ist keineswegs beschränkt auf die beschriebenen Weiterbildungen und Ausführungsformen, insbesondere sollen daraus zu bildende sinnvolle Kombinationen mit umfaßt werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel, aus dem weiterer Merkmale und Vorteile zu ersehen sind, näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt in jeweils vereinfachter Darstellung

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromwandlers im Längsschnitt;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromwandlers im Längsschnitt;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromwandlers;

Fig. 4 die Schnittdarstellung IV-IV aus Fig. 3.

Der Stromwandler nach Fig. 1 zur Erfassung der Ströme der Drehstromleiter 1, 2 und 3 eines symmetrischen Drehstrom systems besteht aus vier gleichen Wandlerspulen 4, 5, 6 und 7 sowie aus zwei weichmagnetischen Jochen 8 und 9. Die Wick lungen der Wandlerspulen 4 bis 7 sind auf zylindrischen Wicklungsträgern festgelegt und im gleichen Wicklungssinn parallel nebeneinander angeordnet, so daß sie sich mit ihren Längsachsen 10 in einer Ebene erstrecken, die senkrecht von den Drehstromleitern 1 bis 3 durchstoßen wird. Je zwei Wand lerspulen 4, 5 bzw. 5, 6 bzw. 6, 7 rahmen jeweils einen der Drehstromleiter 1 bzw. 2 bzw. 3 seitlich ein. Die Wandler spulen 4 bis 7 sind kopfseitig jeweils durch zylindrische Vertiefungen 12 in den Jochen 8, 9 festgelegt, die im wesent lichen länglich quaderförmig ausgebildet sind und sich in ihrer Länge ebenfalls in der Ebene der Längsachsen 10 der Wandlerspulen 4 bis 7 erstrecken. Infolge der Symmetrie des Drehstromsystems sind die Joche 8, 9 nur von einem Gesamt magnetfluß unerheblichen Betrages beaufschlagt. Der Strom wandler kann zur Montage als Ganzes senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 über die Drehstromleiter 1 bis 3 geschoben werden. Es können aber auch in einfacher Weise die an dem oberen Joch 8 befestigten Wandlerspulen 4 bis 7 in Richtung des Pfeils 14 seitlich zwischen die Drehstromleiter 1 bis 3 geschoben werden, um anschließend durch Befestigung des unteren Jochs 9 mit den Wandlerspulen 4 bis 7 den Stromwandler zu vervoll ständigen.

Der Stromwandler nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem vorhergehenden durch zusätzlich vorgesehene weichmagnetische Querjoche 15 und 16. Die Querjoche 15, 16 sind ebenfalls länglich quaderförmig ausgelegt und verbinden die gegenüber liegenden Enden der Joche 8 und 9, so daß alle Wandlerspulen 4 bis 7 von weichmagnetischen Teilen umgeben sind. Die Joche 8, 9 und die Querjoche 15, 16 bilden demzufolge einen geschlossenen magnetischen Kreis, der wiederum infolge der Symmetrie des Drehstromsystems nur mit einem unerheblichen Magnetfluß beaufschlagt ist. Dieser magnetische Kreis schirmt die Wandlerspulen 4 bis 7 in hohem Maße gegen magnetische Störfelder ab, verbessert die Symmetrie des Stromwandlers und dessen mechanische Stabilität. Der magnetische Kreis aus Jochen 8, 9 und Querjochen 15, 16 bildet in diesem Beispiel ein durchgehendes weichmagnetischen Teil, in dessen nuten förmige Vertiefungen 13 die Wandlerspulen 4 bis 7 einzu schieben und festzulegen sind. Die einen Spulenanschlüsse 24 bis 27 der im gleichen Wicklungssinn angeordneten Wandler spulen 4 bis 7 sind miteinander verbunden, während die anderen Spulenanschlüsse 34 bis 37 zu einer nicht näher zu beschrei benden Auswerteschaltung zu führen sind.

Der Stromwandler nach Fig. 3 und Fig. 4 weist zwei Joche 8, 9 und diese endseitig verbindende Querjoche 15, 16. Der so gebildete magnetische Kreis wird in diesem Beispiel jedoch aus zwei weichmagnetischen Teilen zusammengesetzt. Der erste Teil ist U-förmig ausgebildet und besteht aus dem oberen Joch 8 sowie den beiden Querjochen 15, 17. Dieser Teil kann wiederum mit den daran befestigten Wandlerspulen 4 bis 7 in Bewegungs richtung des Pfeils 14 seitlich zwischen die Drehstromleiter 1 bis 3 gebracht werden. Der zweite, I-förmige Teil besteht aus dem unteren Joch 9 und kann anschließend mit dem ersten Teil über nut- und federartige Verbindungsmittel 17 sowie mit den verbleibenden Kopfenden der Wandlerspulen 4 bis 7 ver bunden werden. Die Joche 8, 9 weisen außerdem an beiden Längsseiten leistenartige, gegenüberstehende Ausbildungen 19 auf, welche die Wandlerspulen 4 bis 7 seitlich überkragen. Dadurch wird ein zusätzlicher Schutz gegen mechanische Bean spruchungen und magnetische Störeinflüsse geschaffen. Durch einen ausreichend großen Luftspalt 20 zwischen jeweils gegen überstehenden Ausbildungen wird verhindert, daß Teile des weichmagnetischen Materials in den Bereich der Sättigung gelangen.

Claims

1. Stromwandler für Drehstromsysteme mit den Merkmalen:

- vier gleiche, zylinderförmige Wandlerspulen (4 bis 7) sind parallel zueinander beabstandet angeordnet;
- zwischen jeweils zwei benachbarten Wandlerspulen (4, 5; 5, 6; 6, 7) und im wesentlichen quer zu deren Längs achsen (10) verläuft jeweils einer der Drehstromleiter (1; 2; 3);
- die Wandlerspulen (4 bis 7) werden kopfseitig von zwei in der Ebene ihrer Längsachsen (10) sich erstreckenden, weichmagnetischen Jochen (8, 9) gehalten.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche (8, 9) Vertiefungen (12; 13) zur kopfseitigen Aufnahme der Wandlerspulen (4 bis 7) aufweisen.

3. Stromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Joche (8, 9) außerhalb der äußeren Wandlerspulen (4, 7) in gleicher Erstreckungsebene über zwei weichmagnetische Querjoche (15, 16) magnetisch verbunden sind.

4. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Joch (8; 9) mit je einem verbundenen Querjoch (15; 16) L-förmig ausgebildet ist.

5. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Joch (9) I-förmig und das andere Joch (8) mit beiden verbundenen Querjochen (15, 16) U-förmig ausge bildet ist.

6. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Joche (8, 9) und beide Querjoche (15, 16) zu einem einzigen weichmagnetischen Teil ausgebildet sind.

7. Stromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eines der Joche (8, 9) nachträglich mit den Wandlerspulen (4 bis 7) zu verbinden ist.

8. Stromwandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Jochee (8, 9) nachträglich mit den Querjochen (15, 16) und den Wandlerspulen (4 bis 7) zu verbinden ist.

9. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Joche (8, 9) mit seitlichen Ausbildungen (19) die Wandlerspulen (4 bis 7) seitlich in der Weise überkragen, daß unter Belassung ausreichender Luftspalte (20) magnetische Sättigungs erscheinungen ausgeschlossen sind.

10. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerspulen (4 bis 7) von weichmagnetischen und von den Jochen (8, 9) ausgehenden weichmagnetischen Stegen käfigartig umrahmt sind, deren Erstreckungsebenen parallel zu den Längsachsen (10) der Wandlerspulen (4 bis 7) sowie quer zur Erstreckungsebene der Joche (8, 9) verlaufen, wobei unter Belassung eines ausreichenden Abstandes der Joche (8, 9) magnetische Sättigungerscheinungen ausgeschlossen sind.