DE19802831A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Wechselstrom, der den Kern eines Stromtransformators unter Verwendung von Werten von Sekundärstrom bis zur Sättigung sättigt - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Wechselstrom und insbesondere zur Messung von Wechselstrom unter Verwendung eines Stromtransformators, der mit hohen Strömen unter Verwen­ dung der Werte eines Sekundärstromes bis zum Sättigungs­ punkt sättigt.

Stromtransformatoren (STs) werden im allgemeinen ver­ wendet, um elektrische Wechselströme abzufühlen. Bei­ spielsweise werden sie oft bei Laststeuer- und Schutz­ vorrichtungen verwendet, wie beispielsweise Schütze (Kontaktor); Motorstarter und -steuervorrichtungen; Schaltungsunterbrecher; Monitore bzw. Überwachungs­ vorrichtungen und Analysevorrichtungen; und bei elek­ trischen Verteilungssystemen. Bei vielen solchen Anwen­ dungen kann der Laststrom einen sehr großen dynamischen Bereich haben. Unglücklicherweise schränken die magne­ tischen Materialien, die allgemein für die Kerne der Stromtransformatoren verfügbar sind, den dynamischen Be­ reich der Abfühlvorrichtung ein. Die Spitzenflußdichte ist ein begrenzender Faktor am oberen Ende des dynami­ schen Bereiches, während Kernverlust/abnehmende Permea­ bilität eine Grenze am unteren Ende ist. Für ein gege­ benes Kernmaterial und die erforderliche Genauigkeit schränken diese Parameter den Betriebsbereich des Strom­ transformators ein. Während der dynamische Bereich durch Steigerung des Volumens des Kernmaterials ausgedehnt wer­ den könnte und/oder die Windungen der zweiten Wicklung, steigern diese Lösungen die Größe des STs, was oft kri­ tisch ist und auch die Kosten steigert, die bei einfachen Produkten inakzeptabel sein können. Da viele dieser Pro­ dukte mehrphasig sind, werden die Effekte dieser Faktoren verschlimmert.

Die ebenfalls zu eigene US-Patentanmeldung Serien-Nr. 08/594 977, eingereicht am 31. Januar 1996, offenbart ei­ ne Vorrichtung und ein Verfahren, die den dynamischen Be­ reich eines gegebenen Stromtransformators verdoppelt, und zwar für Ströme bis zu einer Größe, die nicht den Kern sättigen, und zwar bis nach 90° der Stromwellenform. Dies wird durchgeführt durch Anwendung von nur Werten des Stromes zwischen Null-Überschreitungen und dem 90°-Punkt. Zur Erzeugung einer RMS-Strommessung wird das Quadrat des Stroms von Null bis 90° akkumuliert und dann verdoppelt, bevor die Quadratwurzel gezogen wird, um den PMS-Strom zu berechnen. Das Verfahren und die Vorrichtung für diese Anwendung des Standes der Technik trägt auch der Rück­ setz- bzw. Reset-Energie Rechnung und ist daher ziemlich genau zur Messung von verworfenen bzw. verzerrten Wech­ selströmen. Die Technik wird mit einem Mikrocomputer im­ plementiert oder eingerichtet, der digital den Sekundär­ strom aufnimmt (sampelt) und eine Routine verwendet, um die Null-Überschreitung zu bestimmen, die von dem Strom maskiert bzw. verdeckt wird, der von der Rücksetz-Energie im gesättigten Kern erzeugt wird. Diese Technik, die eine Sampling- bzw. Aufnahmerate zur Messung und eine schnel­ lere Aufnahmerate zur Detektion von Null-Überschreitungen verwendet, stellt eine schwere Verarbeitungsbürde für den Mikroprozessor dar und ist auf die Verdoppelung des dyna­ mischen Bereiches des Stromtransformators eingeschränkt.

Es gibt eine Notwendigkeit für ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Wechselstroms unter Verwendung eines Stromtransformators, der am hohen Ende des dynamischen Bereiches des zu messenden Stroms sät­ tigt.

Es gibt eine Notwendigkeit für solch ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung, die den dynamischen Be­ reich des Stromtransformators über einen Faktor von zwei steigern kann.

Es gibt auch eine Notwendigkeit für ein solches verbes­ sertes Verfahren und eine Vorrichtung, die, wenn sie di­ gital ausgeführt wird, keine übermäßige Last auf den Pro­ zessor bringt.

Es gibt weiter eine Notwendigkeit für solch eine verbes­ serte Vorrichtung und ein Verfahren, was nicht die Auf­ nahme (sampling) der Wellenform mit zwei unterschiedli­ chen Aufnahmeraten erfordert.

Diese Notwendigkeiten und andere werden durch die Erfin­ dung erfüllt, die auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Wechselstroms unter Verwendung eines Stromtransformators gerichtet ist, der am hohen Ende des dynamischen Bereiches des zu messenden Wechselstroms sät­ tigt, der die Messung des Sekundärstroms bis zum Sät­ tigungspunkt verwendet. Dies weist die Sättigung des Kerns sogar vor 90° des Wechselstroms auf, wobei in die­ sem Fall der dynamische Bereich bis zu einer Größen­ ordnung gesteigert werden kann. Insbesondere wird eine ausgewählte Funktion der Größe des Sekundärstroms ab­ hängig von der zu machenden Messung bis zum Sättigungs­ punkt akkumuliert. Dieser akkumulierte Wert wird dann durch eine variable Einstellung oder einen Koeffizienten eingestellt, der von dem Punkt in der Wellenform abhängt, bei dem die Sättigung des Kerns auftritt. Allgemein ge­ sagt, ist die variable Einstellung ein Koeffizient, wel­ cher ein Verhältnis ist, und zwar des Integrals der aus­ gewählten Funktion, die für die erforderliche Messung ei­ ner Sinuswelle ohne Sättigung benötigt wird, zum Integral der ausgewählten Funktion einer Sinuswelle bis zum Sätti­ gungspunkt.

Vorzugsweise wird die Erfindung digital durch Abfühl­ mittel implementiert oder eingerichtet, die digital den Sekundärstrom des Stromtransformators aufnehmen. Die aus­ gewählte Funktion der Größe der Digitalaufnahmen wird ak­ kumuliert, um den akkumulierten Wert zu erzeugen. Die va­ riable Einstellung wird durch Einstellmittel aufgebracht bzw. angelegt, die Mittel aufweisen, um eine Zählung von Nicht-Null-Aufnahmen zu erzeugen, anders gesagt eine Zäh­ lung der Sampels bzw. Aufnahmen vor der Sättigung. Die geeigneten Koeffizienten werden in einer Tabelle gespei­ chert, die durch die Zählung bzw. den Zählerstand der Nicht-Null-Aufnahmen indiziert bzw. eingeteilt wird. Der akkumulierte Wert wird mit dem Koeffizienten multipli­ ziert, um einen eingestellten akkumulierten Wert zu er­ zeugen, der dann durch Ausgangsmittel verwendet wird, um die ausgewählte Messung zu erzeugen. Für RMS-Strommes­ sungen wird die Größe der Digitalaufnahmen quadriert und summiert, um den akkumulierten Wert zu erzeugen. Die Koeffizienten, die in der Tabelle im Computer gespeichert werden, werden als das Verhältnis des Integrals des Qua­ drates einer Sinuswelle ohne Sättigung zu dem Integral einer Sinuswelle quadriert bis zum Sättigungspunkt er­ zeugt. Die akkumulierte Summierung der Quadrate wird mit dem Koeffizienten oder der variablen Einstellung multi­ pliziert, um die eingestellte Akkumulation zu erzeugen. Die Ausgangsmittel nehmen die Quadratwurzel des einge­ stellten akkumulierten Wertes, um das RMS-Stromsignal zu erzeugen. Ein Durchschnittsstromsignal kann durch Akku­ mulieren der Summe der Größen der Sekundärstromaufnahmen, die nicht Null sind, erzeugt werden, oder vor der Sätti­ gung. Die Koeffizienten oder variablen Einstellungen wer­ den als das Verhältnis des Integrals einer Sinuswelle oh­ ne Sättigung zu dem Integral einer Sinuswelle bis zum Sättigungspunkt erzeugt. Der eingestellte akkumulierte Wert wird durch die Anzahl der Aufnahmen in einem Zyklus geteilt, um ein durchschnittliches Stromsignal zu erzeu­ gen.

Die Erfindung ist sowohl auf eine Vorrichtung als auch ein Verfahren zur Messung eines Gleichstroms mit einem Stromtransformator gerichtet, und zwar unter Verwendung von Messungen des Sekundärstroms bis zum Sättigungspunkt.

Ein vollständiges Verständnis der Erfindung kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbei­ spiele erhalten werden, wenn sie in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gelesen wird, in denen die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Motorstarter­ aufbaus, der die Erfindung verkörpert;

Fig. 2 eine Darstellung, die das Ansprechen eines Strom­ transformators veranschaulicht, der sättigt;

Fig. 3A und 3B ein Flußdiagramm eines Computerprogramms, welches bei der Einrichtung der Erfindung verwen­ det wird.

Die Erfindung wird beschrieben als angewandt auf einen Motorstarter, der Stromtransformatoren zur Messung des Laststroms aufweist. Die Lastströme, die von diesen Stromtransformatoren gemessen werden müssen, besitzen ei­ nen sehr breiten dynamischen Bereich, der bewirken kann, daß die Kerne der Stromtransformatoren sich sättigen. Die Anwendung der Erfindung auf einen Motorstarter ist nur zur Veranschaulichung, und es wird dem Fachmann verständ­ lich sein, daß die Erfindung eine breite Anwendung auf Stromtransformatoren besitzt, die verwendet werden, um Ströme mit breiten Dynamikbereichen zu messen.

Mit Bezug auf Fig. 1 steuert ein Motorstarter 1, der die Erfindung verkörpert, einen Elektromotor 3, der durch ei­ nen drei-phasigen Wechselstrom erregt wird, der von einer Quelle 5 über dreiphasige Leiter 7A, 7B und 7C geliefert wird. Der Motorstarter 1 weist einen Kontaktor bzw. Schütz 9 auf, der eine Spule 11 aufweist, die, wenn sie erregt ist, die Kontakte 13A, 13B und 13C in den Leitern 7A, 7B und 7C schließt, um den Motor 3 mit der Quelle 5 zu verbinden.

Der Motorstarter 1 weist auch ein Überlastrelais 15 auf, und zwar mit Stromtransformatoren (STs) 17A, 17B und 17C, die Analogsignale liefern, die die Ströme in den jeweili­ gen Phasenleitern 7A, 7B und 7C darstellen. Jeder der Stromtransformatoren weist einen Toruskern bzw. Ringkern 19A bzw. 19B bzw. 19C auf. Der jeweilige Leiter 7A, 7B und 7C läuft durch den Torus- bzw. Ring, um die Pri­ märwindung des Stromtransformators zu bilden. Die Sekun­ därwindungen 21A, 21B und 21C erzeugen Analogsignale, die die Ströme in den assoziierten Leitern darstellen. Diese Analogsignale werden an einen Analog/Digital-(A/D-)-Wand­ ler 23 durch Leitungen 25A, 25B und 25C angelegt. Der A/D-Wandler 23 digitalisiert die analogen ST-Sekundär­ ströme in Intervallen, die von einem Mikrocomputer 25 ge­ steuert werden. Die digitalisierten Stromaufnahmen werden vom Mikrocomputer 25 verwendet, um einen Überlastschutz für den Motor in einer Weise vorzusehen, die in der Tech­ nik wohlbekannt ist. Falls vorbestimmte Strom/Zeit-Cha­ rakteristiken überschritten werden, entregt der Mikro­ prozessor die Spule 11 des Schützes 9, um die Kon­ takte 13A, 13B und 13C zu öffnen, und daher den Motor 3 zu entregen.

Wie erwähnt, besitzen die von den STs 17 gemessenen Strö­ me einen weiten dynamischen Bereich. Ströme am hohen Ende dieses dynamischen Bereiches können die Kerne 19 der Stromtransformatoren (STs) 17 sättigen. Dieser Zustand ist in Fig. 2 veranschaulicht, wo die Spur 27 den Primär­ strom darstellt, der an den STs 17 angelegt wird, und wo­ bei die Spur 29 den Sekundärstrom darstellt. Wie zu sehen ist, sättigt der Kern bei der beispielhaften Wellenform am Punkt 31 gerade nach dem elektrischen 90°-Punkt, und der Ausgang des STs fällt auf Null. Somit sieht der ST, obwohl er sättigt, eine genaue Messung des Stroms bis zum Sättigungspunkt vor.

Gemäß der Erfindung wird der Strom bis zu dem Sättigungs­ punkt mit einem Faktor multipliziert, der den Wert des Stroms für den Rest der Aufnahmeperiode projiziert, falls keine Sättigung aufgetreten ist. Der angelegte bzw. ange­ wandte Faktor hängt vom Sättigungspunkt und der Art der vorzunehmenden Messung des Stroms ab und ist das Verhält­ nis einer Funktion des Stroms, ausgewählt, um die ge­ wünschte Messung integriert über einen vollen Halbzyklus ohne Sättigung vorzusehen zur ausgewählten Funktion des Stroms, integriert bis zu dem Sättigungspunkt in einem Halbzyklus. Wenn beispielsweise der RMS-Wert des Stroms zu messen ist, ist der Faktor gleich dem Integral einer Sinuswelle quadriert zum Verhältnis einer Sinuswelle qua­ driert bis zum Sättigungspunkt. Wenn eine Durchschnitts­ strommessung erwünscht ist, ist der Faktor das Verhältnis des Integrals des Sinuswelle für einen Halbzyklus zum Verhältnis der Sinuswelle bis zu dem Sättigungspunkt in einem Halbzyklus.

In der bevorzugten Einrichtung der Erfindung wird ein Di­ gitalprozessor, wie beispielsweise ein Mikrocomputer ver­ wendet, um das Ausgangssignal zu erzeugen, welches die gewünschte Strommessung darstellt. Somit wird eine Ab­ fühlschaltung, die einen Analog/Digital-Wandler aufweist, verwendet, um Aufnahmen bzw. Sampels des Sekundärstroms des STs zu digitalisieren. Die Größe der Digitalaufnah­ men, wenn der Kern gesättigt ist, wird im wesentlichen Null sein, so daß der Sättigungspunkt durch Zählen der Anzahl der Aufnahmen bestimmt werden kann, und zwar aus der Gesamtzahl der Aufnahmen in einer Aufnahmeperiode, in der die Aufnahmewerte nicht Null sind. Die vorberechneten Werte für die variablen Einstellkoeffizienten zur Sät­ tigung nach jeder Zählung von Impulsen kann in einer Ta­ belle gespeichert werden, die vom Mikrocomputer auf­ gerufen wird. In den beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung wurde ein unipolarer Analog/Digital-Wandler verwendet, so daß die Digitalproben bzw. -aufnahmen (Samples) eine Größe von Null auf entgegengesetzten Halb­ zyklen haben wird. In diesem Fall wird der Zählerstand der Nicht-Null-Digitalaufnahmen in Beziehung gesetzt zur Anzahl der Proben bzw. Aufnahmen in einer Aufnahmeperiode eines Halbzyklus, um den anzuwendenden anwendbaren Ein­ stellfaktor zu bestimmen.

Bei der Erzeugung eines Ausgangssignals, welches den RMS-Wert des Wechselstroms darstellt, werden die Werte der Digitalstromaufnahmen quadriert und summiert, um einen akkumulierten Wert zu erzeugen. Dieser akkumulierte Wert wird mit dem ausgewählten Einstellfaktor, wie oben be­ schrieben, multipliziert, um einen eingestellten akku­ mulierten Wert zu erzeugen, der die eingestellte Summe der Quadrate ist. Die Quadratwurzel der eingestellten Summe der Quadrate wird dann genommen, um den RMS-Wert des Stroms zu bestimmen. In ähnlicher Weise werden bei der Erzeugung eines Ausgangssignals, welches den Mit­ telwert des Stroms darstellt, die Größen der Stromaufnah­ men summiert, um den akkumulierten Wert zu erzeugen, der dann mit dem Einstellfaktor multipliziert wird, damit der Durchschnittsstrom eine eingestellte Summe erzeugt, die dann durch die Anzahl der Aufnahmen in einem Halbzyklus geteilt wird.

Wie zuvor erwähnt, verwirft bzw. verzerrt die Kernrück­ setzenergie den ST-Sekundärstrom, wenn der Kern aus der Sättigung zu Beginn eines neuen Halbzyklus herauskommt. Es ist bei 33 in Fig. 2 zu sehen, daß der Sekundärstrom beginnt, in einer positiven Richtung bei 35 anzusteigen, und zwar vor dem Negativ-Positiv-Null-Übergang bzw. der Nullkreuzung bei 37 des ST-Primärstroms. Um Fehler auf­ grund dieser Rücksetzenergie zu minimieren, nimmt die vorliegende Erfindung nur Aufnahmen mit einer Größe über einer Schwelle, die der Wert des Stroms bei 39 ist, wenn ein echter Nullschnittpunkt des ST-Primärstroms in der Zeit auftritt.

Das folgende ist ein Beispiel der Erfindung, wo ein bipo­ larer Analog/Digital-Wandler verwendet wird, so daß nur Aufnahmen für abwechselnde Halbzyklen gemessen werden, und wo 80 Aufnahmen pro Zyklus oder 40 Aufnahmen pro Halbzyklus erzeugt werden. Somit werden Aufnahmen bei ei­ nem elektrischen Winkel von jeweils 4,5° aufgenommen. Bei der Erzeugung des Einstellfaktors zur Messung des RMS-Wertes des Stroms wird die folgende Integralfunktion ver­ wendet:

∫sin²xdx = x/2 - 1/4sin2x (Gleichung 1)

Der Einstellfaktor ist das Verhältnis dieses Integrals für einen vollen Halbzyklus zu dem Teil des Halbzyklus bis zum Sättigungspunkt oder:

Da der Wert des Zählers der Gleichung (2) π/2 ist, wird die Einstellfaktorgleichung:

Die Werte des Einstellfaktors zur Sättigung des Kerns bei Inkrementen von 4,5° von 45° bis 180° sind wie folgt in Tabelle 1 dargelegt:

Tabelle 1

Fig. 3A und 3B veranschaulichen ein Flußdiagramm einer Interrupt- bzw. Unterbrechungsroutine 41, die auf dem Mi­ kroprozessor 25 zum Einrichten der Erfindung läuft. Die Routine 41 wird bei 43 mit der Aufnahme- bzw. Sample-Rate aufgerufen, die in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel 80mal pro Zyklus ist. Ansprechend auf die Unterbrechung (Interrupt) wird eine Aufnahme bei 45 aufgenommen. Wenn die Größe der Aufnahme größer als der Schwellenwert ist, der eingestellt ist, um über den Punkt 39 in Fig. 2 zu sein, wie bei 47 bestimmt, wird ein Nicht-Null-Zähler bei 49 inkrementiert. In jedem Fall wird eine Überprüfung bei 51 vorgenommen, um zu bestimmen, ob die Größe der Aufnah­ me mehr als ein minimaler Sättigungspegel ist. Der mini­ male Sättigungspegel ist ein Strompegel, über dem ange­ nommen werden kann, daß der Kern sich sättigen wird. Falls dies so ist, wird ein Sättigungs-Flag bzw. ein Sät­ tigungs-Zeichen bei 53 gesetzt. Dies gestattet es, daß die Routine die Einstellung zur Sättigung umgeht, falls es unwahrscheinlich ist, daß eine Sättigung auftreten wird. Die Schwelle wird innerhalb eines Rahmens einge­ stellt, der ausreicht, um sicherzustellen, daß das Flag (Zeichen) für Ströme eingestellt wird, die eine Sättigung zur Folge haben.

Ob oder ob nicht eine Sättigung vorhergesehen wird, wird die Größe der Aufnahme bei 55 quadriert und zur einer An­ sammlung von quadrierten Summen für alle Aufnahmen in ei­ ner Aufnahmeperiode bei 57 addiert, um einen akkumulier­ ten Wert zu erzeugen. Dieser Prozeß wird für alle achtzig pro Zyklus aufgenommenen Aufnahmen wiederholt. Für Auf­ nahmen vor der achtzigsten Aufnahme, wie bei 59 bestimmt, wird der Aufnahmenzähler bei 61 bedient. Wenn die letzte Aufnahme aufgenommen worden ist, wird eine Überprüfung bei 63 vorgenommen, um zu sehen, ob das Sättigungs-Flag gesetzt worden ist. Falls dies so ist, wird ein Indexre­ gister in den Mikrocomputer geladen, und zwar mit der Adresse der Tabelle, die die Einstellfaktoren enthält, wie bei 65 angezeigt. Der Einstellfaktor wird dann bei 67 für den Punkt in dem Halbzyklus wieder aufgerufen bzw. gesucht, bei dem die Sättigung auftrat, und zwar durch Aufrufen des gespeicherten Faktors bei dem Index plus dem Zählerstand des Nicht-Null-Zählers minus einer Tabellen­ versetzung. Die Tabellenversetzung trägt dem Rechnung, daß die Tabelle keine Einträge für eine Sättigung ent­ hält, die früh im Zyklus auftritt, beispielsweise vor 45° in dem Beispiel. Somit ist die Versetzung in der Tabelle 1 zehn (10), da der erste Eintrag in der Tabelle für die zehnte bei 45° aufgenommene Aufnahme ist. Der Einstell­ faktor wird dann mit der Summe oder dem akkumulierten Wert multipliziert, um die eingestellte Summe oder den eingestellten akkumulierten Wert bei 69 zu erzeugen.

Die eingestellte Summierung oder die nicht eingestellte Summierung, als es keine Sättigung gab, wird dann an den Hauptprogrammpuffer bei 71 übertragen. Die Hauptroutine würde dann die Quadratwurzel der akkumulierten Quadrat­ summe ziehen, um das Ausgangssignal zu erzeugen, welches den RMS-Wert darstellt. Wenn der Durchschnittswert des Stroms benötigt wurde, teilt die Hauptroutine die einge­ stellte oder nicht eingestellte akkumulierte Summe der Größen der Aufnahmen durch vierzig (die Anzahl der Auf­ nahmen in einer Halbzyklusmeßperiode), um den Durch­ schnittswert zu erzeugen. Der Nicht-Null-Zähler wird dann gelöscht, der Aufnahmenzähler wird zurückgesetzt, das Sättigungs-Flag wird gelöscht und die Summierung wird bei 73 gelöscht, und zwar in Vorbereitung der Erzeugung eines weiteren Datenzyklus, und zwar vor dem Austritt aus der Unterbrechungs- bzw. Interrupt-Routine bei 75.

Das obige Beispiel veranschaulicht die Einrichtung der Erfindung, wenn digitale Aufnahmen mit einer Rate von achtzig Aufnahmen pro Zyklus erzeugt werden. Bei vielen Anwendungen der Erfindung, wo die Berechnung des Stroms von Zyklus zu Zyklus nicht wichtig ist, kann eine äqui­ valente Aufnahmetechnik verwendet werden, die die Last auf dem Mikroprozessor sogar noch weiter verringert. In der äquivalenten Aufnahmetechnik werden die Aufnahmen mit einer Rate aufgenommen, die keine ganze Zahl pro Zyklus ist, so daß bei aufeinanderfolgenden Zyklen die Aufnahmen zu einer geringfügig anderen Zeit oder einem anderen elektrischen Winkel aufgenommen werden. Während die Auf­ nahmerate keine ganze Zahl von Aufnahmen in einem Zyklus erzeugt, erzeugt sie eine ganze Zahl von Aufnahmen über eine Anzahl von Zyklen. Die Anzahl von Zyklen und die Zeitsteuerung der Aufnahmen wird derart ausgewählt, daß über die Zyklen der Aufnahmeperiode die Aufnahmen gleich über den Zyklus verteilt sind. Somit wird in einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Strom mit einer Rate von siebenundneunzig Aufnahmen pro sechs Zyk­ len aufgenommen. Dies erzeugt eine Aufnahme- bzw. Samp­ ling-Rate von 16,167 Aufnahmen pro Zyklus, so daß eine Aufnahme alle 22,268 elektrische Grad aufgenommen wird. Durch Akkumulieren der in dieser Weise aufgenommenen Auf­ nahmen über sechs Zyklen wird eine äquivalente Aufnah­ merate von siebenundneunzig Aufnahmen pro Zyklus er­ reicht. Eine solche äquivalente Aufnahmerate ist zur An­ wendung bei Strömen geeignet, die sich nicht schnell be­ züglich der Größe verändern, wie beispielsweise die Mes­ sung von thermischen Überlasten durch das Überlastrelais 15.

Die Erfindung dehnt wesentlich den dynamischen Bereich eines Stromtransformators aus, so daß kleinere weniger teure Stromtransformatoren zur Messung von Strömen eines gegebenen dynamischen Bereiches verwendet werden können. Dies wird erreicht, ohne eine übermäßige Last auf den Mi­ kroprozessor aufzubürden. Nur eine relativ langsame Auf­ nahmerate ist erforderlich.

Während spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben worden sind, wird dem Fachmann offen­ sichtlich sein, daß verschiedene Modifikationen und Al­ ternativen an diesen Details im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden könnten. Entsprechend sollen die speziellen offenbarten Anordnungen nur veran­ schaulichend sein und nicht einschränkend, was den Umfang der Erfindung betrifft, dem die volle Breite der beige­ fügten Ansprüche und irgendwelchen und allen äquivalenten Ausführungen davon zu geben ist.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Der dynamische Bereich eines Stromtransformators wird we­ sentlich gesteigert durch Messung des Sekundärstroms bis zum Sättigungspunkt und durch Multiplizieren des Ergeb­ nisses mit einem Einstellfaktor, der den fehlenden Teil der Wellenform nach der Sättigung auffüllt, wenn der Se­ kundärstrom im wesentlichen Null ist. Der Einstellfaktor ist das Verhältnis des Integrals der Funktion des Stroms, und zwar verwendet zur Bestimmung einer gewünschten Mes­ sung des Stroms (wie beispielsweise dem Sinus² für eine RMS-Messung) zum Integral der Funktion bis zum Sätti­ gungspunkt. Der akkumulierte Wert der Funktion wird mit dem Einstellfaktor multipliziert, um einen eingestellten akkumulierten Wert zu erzeugen, der bei der Berechnung des Stroms verwendet wird. Wenn sie digital von einem Mi­ krocomputer eingerichtet wurden, werden die Einstellfak­ toren in einer Tabelle gespeichert, die von einem Zähler­ stand von Nicht-Null-Aufnahmen indiziert werden, oder in anderen Worten der Anzahl der Aufnahmen vor der Sätti­ gung. Ein äquivalentes Aufnahmeschema kann verwendet wer­ den, um die reale Aufnahmerate für Anwendungen zu redu­ zieren, wo die Detektion von sofortigen Veränderungen des Stroms nicht notwendig ist.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Messung eines Wechselstroms mit ei­ nem gegebenen dynamischen Bereich, wobei die Vor­ richtung folgendes aufweist:
einen Stromtransformator mit einer Primärwindung, an die ein Wechselstrom angelegt wird, eine Sekundär­ windung, die einen Sekundärstrom proportional zu dem Wechselstrom erzeugt, und einen Kern, der die Pri­ märwindung und die Sekundärwindung koppelt, wobei der Kern sich am hohen Ende des gegebenen dynami­ schen Bereiches des Wechselstroms sättigt;
Abfühlmittel, die den Sekundärstrom abfühlen; und
Meßmittel, die auf die Abfühlmittel ansprechen, und zwar zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches eine ausgewählte Messung des Wechselstroms dar­ stellt, und zwar von dem Sekundärstrom, abgefühlt bis zu irgendeiner Sättigung des Kerns.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßmittel Mittel aufweisen, die ein RMS-Stromsignal von dem Sekundärstrom erzeugen, und zwar abgefühlt bis zu irgendeiner Sättigung des Kerns.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meß­ mittel Mittel aufweisen, um ein durchschnittliches Stromsignal von dem Sekundärstrom zu erzeugen, und zwar abgefühlt bis zu einer Sättigung des Kerns.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Meßmittel Mittel aufweisen, die einen akkumulierten Wert er­ zeugen, und zwar als eine ausgewählte Funktion der Größe des Sekundärstroms bis zu einem Sättigungs­ punkt des Kerns während eines Zyklus des Sekundär­ stroms, Einstellmittel, die eine variable Einstel­ lung des akkumulierten Wertes anlegen bzw. anwenden, um einen eingestellten akkumulierten Wert zu erzeu­ gen, wobei die variable Einstellung basierend auf dem Sättigungspunkt des Kerns ausgewählt wird, und zwar während eines Zyklus des Sekundärstroms, und Mittel, die das Ausgangssignal erzeugen, welches die ausgewählte Messung des Wechselstroms von dem einge­ stellten akkumulierten Wert darstellt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Einstellmit­ tel Mittel aufweisen, die den akkumulierten Wert mit einem Koeffizienten multiplizieren, der ein Verhält­ nis eines Integrals der ausgewählten Funktion einer Sinuswelle ohne Sättigung zu einem Integral der aus­ gewählten Funktion einer Sinuswelle bis zu dem Sät­ tigungspunkt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Mittel, die den akkumulierten Wert erzeugen, eine Summierung des Quadrates der Sekundärstromgröße erzeugen, wobei die Einstellmittel die Summierung des Quadrates der Se­ kundärstromgröße mit einem Koeffizienten multipli­ zieren, der ein Verhältnis des Integrals der Sinus­ welle quadriert ohne Sättigung zum Integral einer Sinuswelle quadriert bis zum Punkt der Sättigung ist, um den eingestellten akkumulierten Wert zu er­ zeugen, und wobei die Mittel, die das Ausgangssignal erzeugen, Mittel aufweisen, die ein RMS-Stromsignal als die Quadratwurzel des eingestellten akkumulier­ ten Wertes erzeugen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Mittel, die den akkumulierten Wert erzeugen, eine Summierung der Sekundärstromgröße erzeugen, wobei die Einstellmit­ tel Mittel aufweisen, die die Summierung der Sekun­ därstromgröße mit einem Koeffizienten multiplizie­ ren, der das Integral der Sinuswelle für eine Auf­ nahmeperiode ohne Sättigung zum Integral der Sinus­ welle bis zum Sättigungspunkt ist, und wobei die Mittel, die das Ausgangssignal erzeugen, Mittel auf­ weisen, die ein durchschnittliches Stromsignal er­ zeugen, und zwar als der eingestellte akkumulierte Wert geteilt durch die Dauer der Aufnahmeperiode des Sekundärstroms.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Abfühlmittel Digitalaufnahmemittel aufweisen, die digitale Auf­ nahmen des Sekundärstroms erzeugen, wobei die digi­ talen Aufnahmen eine Größe besitzen, die mit der Größe des Sekundärstroms einschließlich einer Größe von im wesentlichen Null, wenn der Kern gesättigt ist, in Beziehung stehen, und wobei die Meßmittel Digitalverarbeitungsmittel aufweisen, wobei die Ak­ kumulierungsmittel Mittel aufweisen, die eine Sum­ mierung der ausgewählten Funktion der Größe der Di­ gitalaufnahmen akkumulieren, um den akkumulierten Wert zu erzeugen, wobei die Einstellmittel Zählmit­ tel aufweisen, die eine Zählung bzw. einen Zähler­ stand von Aufnahmen in einer Aufnahmeperiode erzeu­ gen, und zwar vor der Sättigung, und Mittel, die ei­ nen Wert der variablen Einstellung aufnehmen, und zwar basierend auf dem Zählerstand.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei die Mittel, die einen Wert der variablen Einstellung auswählen, Ta­ bellenmittel aufweisen, in denen Koeffizienten für die Zählerstände der Aufnahmen vor der Sättigung des Kerns gespeichert sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wobei die Tabellenmit­ tel Koeffizienten speichern, die Verhältnisse eines Integrals der ausgewählten Funktion einer Sinuswelle ohne Sättigung zu einem Integral der ausgewählten Funktion einer Sinuswelle für jeden Zählerstand der Aufnahmen bis zu dem Sättigungspunkt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Mittel, die den akkumulierten Wert erzeugen, eine Summierung der Quadrate der digitalen Aufnahmegrößen erzeugen, wo­ bei die Einstellmittel Mittel aufweisen, die die Summierung der Quadrate mit einem Koeffizienten mul­ tiplizieren, der ein Verhältnis des Integrals einer Sinuswelle quadriert ohne Sättigung zu einem Inte­ gral der Sinuswelle quadriert für die Anzahl der Aufnahmen bis zum Sättigungspunkt ist, um den einge­ stellten akkumulierten Wert zu erzeugen, und wobei die Ausgangsmittel Mittel aufweisen, die ein RMS-Strom­ signal als die Quadratwurzel des eingestellten akkumulierten Wertes erzeugen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Mittel, die den akkumulierten Wert erzeugen, eine Summierung der digitalen Aufnahmegrößen bis zum Sättigungspunkt des Kerns erzeugen, wobei die Einstellmittel Mittel auf­ weisen, die die Summierung der digitalen Aufnahme­ größen mit einem Koeffizienten multiplizieren, der ein Verhältnis des Integrals einer Sinuswelle wäh­ rend einer Aufnahmeperiode ohne Sättigung zu einem Integral einer Sinuswelle für den Zählerstand der Aufnahmen bis zur Sättigung ist, um den einge­ stellten akkumulierten Wert zu erzeugen, und wobei die Ausgangsmittel Mittel aufweisen, die ein durch­ schnittliches Stromsignal als den eingestellten ak­ kumulierten Wert geteilt durch die Anzahl der di­ gitalen Aufnahmen in der Aufnahmeperiode des Sekun­ därstroms erzeugen.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Abfühlmittel Digitalaufnahmemittel aufweisen, die digitale Strom­ aufnahmen des Sekundärstroms erzeugen, und wobei die Meßmittel Digitalverarbeitungsmittel aufweisen, die das Signal erzeugen, welches die ausgewählte Messung des Wechselstroms von den digitalen Stromaufnahmen bis zu irgendeiner Sättigung des Kerns darstellt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, wobei die Digitalauf­ nahmemittel Mittel aufweisen, die digitale Aufnahmen erzeugen, und zwar mit einer Größe proportional zum Sekundärstrom, der eine Größe von im wesentlichen Null aufweist, wenn sich der Kern sättigt, und wobei die Digitalverarbeitungsmittel Mittel aufweisen, die eine Summe einer Funktion der Größe jeder Digital­ aufnahme akkumulieren, Mittel, die eine Nicht-Null- Zählung bzw. einen Zählerstand der Nicht-Null-Digi­ talaufnahmen während eines Zyklus erzeugen, Mittel, die einen Koeffizienten basierend auf dem Nicht- Null-Zählerstand auf die Summe anwenden, um eine eingestellte Summe zu erzeugen, und Mittel, die das Ausgangssignal aus der eingestellten Summe erzeugen.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14, wobei die Mittel, die den Koeffizienten anwenden, Speichermittel aufwei­ sen, die eine Tabelle mit einem vorbestimmten Koef­ fizienten für jeden Nicht-Null-Zählerstand enthal­ ten.

16. Verfahren zum Messen eines Wechselstroms mit einem weiten dynamischen Bereich unter Verwendung eines Stromtransformators mit einem Kern, der sich am ho­ hen Ende des dynamischen Bereiches sättigt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Abfühlen eines Sekundärstroms des Stromtransforma­ tors; und
Bestimmung einer ausgewählten Messung des Wechsel­ stroms aus der Größe des Sekundärstroms bis zu einer Sättigung des Sekundärstroms.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt der Bestimmung der ausgewählten Messung das Akkumulieren eines akkumulierten Wertes einer ausgewählten Funk­ tion der Sekundärstromgröße aufweist, und zwar wäh­ rend eines Zyklus bis zu einem Sättigungspunkt des Kerns, das Anlegen einer variablen Einstellung, ba­ sierend auf dem Sättigungspunkt des Kerns auf den akkumulierten Wert, um einen eingestellten akkumu­ lierten Wert zu erzeugen, und die Erzeugung eines Signals, welches die ausgewählte Messung des Wech­ selstroms von dem eingestellten akkumulierten Wert darstellt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, wobei das Abfühlen das digitale Aufnehmen des Sekundärstroms des Strom­ transformators aufweist, um Digitalaufnahmen des Se­ kundärstroms zu erzeugen, wobei das Akkumulieren des akkumulierten Wertes das Akkumulieren einer Summie­ rung der ausgewählten Funktion der Digitalaufnahmen bis zur Sättigung des Kerns aufweist, und wobei das Anwenden einer variablen Einstellung die Erzeugung eines Zählerstandes Nicht-Null-Digitalaufnahmen auf­ weist, und das Multiplizieren der akkumulierten Sum­ mierung mit einem Koeffizienten, der basierend auf dem Zählerstand der Nicht-Null-Aufnahmen ausgewählt ist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Akkumulierens eines akkumulierten Wertes als eine ausgewählte Funktion der Sekundärstromgröße die Er­ zeugung eines akkumulierten Wertes als eine Summe von Quadraten der Digitalaufnahmen aufweist, und wo­ bei die Erzeugung eines Ausgangssignals die Er­ zeugung eines RMS-Stromsignals als die Quadratwurzel des eingestellten akkumulierten Wertes aufweist.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Akkumulierens eine Summierung einer ausgewählten Funktion der Digitalaufnahmen das Akkumulieren einer Summe der Größe der Digitalaufnahmen während einer Aufnahmeperiode aufweist, und wobei die Erzeugung des Ausgangssignals die Erzeugung eines durch­ schnittlichen Stromsignals als die eingestellte ak­ kumulierte Summierung geteilt durch die Anzahl der Aufnahmen in der Aufnahmeperiode aufweist.