DE2228867A1

DE2228867A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern der Linearität der Sromumwandlung eines Gleichstrommeßwandlers

Info

Publication number: DE2228867A1
Application number: DE19722228867
Authority: DE
Inventors: Maarten Escharen; Antrag auf Nichtnennung; Groenenboom (Niederlande)
Original assignee: Smit Nijmegen Electrotechnische Fabrieken NV
Current assignee: Smit Nijmegen Electrotechnische Fabrieken NV
Priority date: 1971-06-17
Filing date: 1972-06-14
Publication date: 1972-12-28
Also published as: DE2228867B2; GB1381531A; DE2228867C3; FR2141987A1; FR2141987B3; CH544944A; BE784973A; US3818337A; NL7108311A

Description

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Bch/Στ.;

SMIT NIJMEGM ELEOTROTEOHtTISCHE FABRIEKEN N.V. Groenestraat 336, Nijmegen, Niederlande

Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern der Linearität der Stromuiawandlung eines Gl eichstrommes swandl ers.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Linearität der Stromumwandlung eines Gleichstrommesswandlers, dessen Primärwicklung von dem zu messenden Gleichstrom durchflossen wird und dessen über einen Kern aus magnetisierbarer^ Material mit derselben gekoppelts Sekundärwicklung mit einer Wechselspannung gespeist wird.

Derartige Gleichstrommesswandler zur Messung von sehr hohen Gleichströmen sind z.B. aus dem Artikel "Development of the D-G Instrument Transformer for the Precision Measurement of Highest Direct Currents" von W. Krämer in I.E.E.E. Trans. "Power, Apparatus and Systems" von 1964 (Seiten 382-390) bekannt.

Infolge des Magnetisierungsstromes und des auftretenden

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Streufeldes zeigt die Stromumwandlung derartiger Messwandler eine Abweichung von ihrem Idealwert auf, wodurch die Messgenauigkeit ungünstig beeinflusst wird. Um diese Abweichung innerhalb der für eine gewünschte Genauigkeit tragbaren Grenzen zu halten, ist man schon dazu übergegangen, für den Kern Material von einer hohen Permeabilität zu verwenden und ferner eine derartig hohe Wechselspannung anzuwenden, daß der Streuungsfehler vernachlässigbar wird. Bei Anwendung einer hohen Wechselspannung muß jedoch mit einer größeren Leistung gearbeitet werden und müssen verhältnismäßig große Komponenten angewandt werden. Zudem werden bei hohen Wechselspannungen die parasitären Ströme infolge der Wicklungskapazität der Wandlerwicklung einen merkbaren Einfluß auf die Messgenauigkeit haben. Diese parasitären Ströme sind stark spannungs-, frequenz- und temperaturabhängig. Außerdem wird bei Anwendung einer hohen Wechselspannung auch in der Primärwicklung des Wandlers eine hohe Spannung induziert, was man vorzugsweise verhindern will.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine derartige "Verbesserung der Linearität der Stromumwandlung des Messwandlers zu schaffen, daß auch bei Anwendung einer verhältnismäßig niedrigen Wechselspannung eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird.

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Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß der Magnetisierungsstrom von der im Kern auftretenden Induktionsänderung, d. h. von der Anzahl in der Sekundärwicklung induzierter Voltsekungen oder dem Kraftfluß abhängig ist. Dieser nimmt bei einer Zunahme des Stromes durch die Wicklung infolge cfer darin und im Belastungswiderstand auftretenden Spannungsverluste ab. Eine weitere Kraftflussänderung tritt bei Änderungen in der Amplitude und der Frequenz der Wechselspannung auf. Ferner ist der Streuungsfehler dem Belastungsstrom proportional. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der gesamte infolge der Nichtlinearität der Stromumwandlung auftretende Messfehler von dem Belastungsstrom abhängig ist. Falls, wie die Erfindung vorschlägt, dieser Fehler nun von dem Belastungsstrom unabhängig gemacht wid, kann derselbe ausgeglichen werden, wodurch die Stromumwandlung sich dem Idealwert besser annähert«

Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art vor, daß die Wechselspannung derart geregelt wird, daß die Kraftflussänderung des Kernes des Wandlers konstant bleibt. Nach einer ersten Ausführungsform wird zu diesem Zweck ein Signal in Form einer Spannung abgeleitet, die ein Maß

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für die im Kern des Wandlers auftretende Kraftflussänderung bildet, wird diese abgeleitete Spannung mit einer konstanten Bezugs spannung verglichen und wird das Differenzsignal der beiden verglichenen Spannungen als Regelwert beim Regeln der Wechselspannung angewandt· Dabei ist von Wichtigkeit, ob mit einer Wechselspannung von variierender oder von konstanter Frequenz gearbeitet wird. Im letzteren Fall kann die ein Haß für die auftretende Kraftflussänderung bildende Spannung nämlich auf einfachere Weise abgeleitet werden,. Für diesen Fall ist auch eine weitere Ausführungsform von Wichtigkeit, nach der eine Spannung abgeleitet wird, die ein Haß für die infolge des durch die Sekundärwicklung fliessenden Stromes im in dieser Wicklung enthaltenen Stromkreis auftretenden Spannungsverluste bildet, und diese abgeleitete Spannung als Regelwert beim Regeln der Wechselspannung angewandt wird· Zur Anwendung des neuen Verfahrens schafft die Erfindung ferner eine besondere Vorrichung. Wie üblich enthält diese einen Hesswandler mit mindestens einer, durch den zu messenden Gleichstrom durchflossenen Primärwicklung und mindestens einer über' einen Kern aus magnetisierbar em Material mit derselben gekoppelten Sekundärwicklung, welche Sekundärwicklung in einem Hesskreis mit mindestens einer Belastungsimpedanz und einer, vorzugsweise stabilisierten, Wech'sel-

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Spannungsquelle angeordnet ist· Erfindungsgemäß enthält die Vorrichtung ferner ein Aufnahmeorgan zum Erzeugen eines Signales, das ein Haß für die in dem Kern des Wandlers auftretende Xnderung des magnetischen Kraftflusses bildet, und ein mit dem Aufnahmeorgan gekoppeltes Verarbeitungsorgan, von dem ein Ausgang mit einem Regeleingang der regelbaren Wechselspannungsquelle verbunden ist, zwecks einer derartigen Steuerung derselben, daß die Kraftflussänderung im Wandlerkern konstant gehalten wird· Eine einfache Lösung wird dabei erfindungsgemäß erzielt, wenn mindstens ein !Peil des Aufnahmeorgans von mindestens einem Teil der im Messkreis angeordneten Sekundärwicklung oder, zur Erzielung einer noch größeren Genauigkeit, von einer auf dem Kern des Wandlers angeordneten gesondeifen Sekundärwicklung gebildet ist. Bei Anweändung einer Wechselspannung, deren Frequenz nicht konstant ist, schlägt die Erfindung zudem vor, daß das Aufnahmeorgan einen Integrator umfaßt. Am Ausgang eines derartigen durch eine zum Aufnahmeorgan gehörige Sekundärwicklung gespeisten Integrators wird dann eine Spannung erhalten, die ein genaues Haß für die Anzahl Voltsekunden der in den Wandlerwicklungen induzierten Spannung bildet. Bei Anwendung einer WedBelspannung von nähmezu konstanter frequenz kann der Integrator entfallen und win trotzdem durch Messung des Hittelwertes dasselbe Resultat erreicht·

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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung ferner derart ausgeführt, daß ein Ausgang des Aufnahmeorgans, z.B. der Ausgang des Integrators, mit dem einen Eingang eines mit seinem anderen Eingang an eine Quelle von konstanter Bezugsspannung angeschlossenen Comparators verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Regeleingang der Wechselspannungsquelle verbunden ist. Hit Hilfe des so gebildeten geschlossenen Hegelkreises wird erreicht, daß die durch die Be zugs spannung bestimmte Anzahl Voltsekunden oder der Kraft fluss des Hagnetfeldes innerhalb der Wicklungen des Hesswandlers beibehalten wird.

Wie schon dargelegt, kann bei Anwendung einer Wechselspannung von konstanter frequenz auch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angewandt werden; dabei wird lediglich der gesamte im die sekundäre Wandlerwicklung enthaltenden Hesskreis auftretende Spannungsverlust zur Erzeugung einer Hegelgröße zur Regelung der Wechsäspannungsquelle verwendet.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung eine Vorrichtung, bei der das Aufnahmeorgan für das ein HaB für die auftretenden Kraftflussänderungen bildende Signal als ein im Hesskreis angeordneter Widerstand zum Ableiten einer Spannung ausgebildet ist, die ein Haß für den durch den

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Messkreis fliessenden Strom bildet, welche Spannung einem Regeleingang einer regelbaren Bezugsspannungsquelle zugeführt wird, von der ein Ausgang mit dem einen Eingang eines mit seinem anderen Eingang an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Eomparators verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Regeleingang der Wechselspannungsquelle verbunden ist.

Die Erfindung wird in nachstehender Beschreibung an Hand der Zeichnung näher erläutert· In dieser zeigen die Figuren 1,2 und 3 Blockschemen einer Gleichstrommessvorrichtung der herkömmlichen Art und zweier Ausführungeformen der erfindungsgemäßen Torrichtung·

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung der herkömmlichen Art, bestehend aus einem Gleichstrommesswandler 10, einer für Speisung desselben dienenden und vorzugsweise stabilisierten Wechselspannungsquelle 20, einem Belastungswiderstand 30 und einer Gleichstromquelle 40 zum Ausgleich der Magnetisierungsstromkomponente im Widerstand 30·

Die Erfindung besieht sich im Prinzip nicht auf die Einzelheiten der Ausführung und die Schaltung des Wandlers 10· Vom Wandler uned seiner Schaltung sind lediglich ein Ring-

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kern 11 aus magnetisierbarem Materal, eine auf demselben angeordnete und durch den Gleichstrom durchflossene Primärwicklung 12, eine ebenfalls auf dem Kern 11 angeordnete und mib Hilfe der Wechselspannungsquelle 20 gespeiste Sekundärwicklung 15 und ein mit dieser letzteren in Reihe geschalteter Gleichrichter dargestellt. Die Wiedergabe ist symbolisch und bezweckt, die Anwendung einer oder mehrerer der Komponenten 11 bis 14 zu signalisieren. Die wirklich angewandte Anzahl dieser Komponenten und ihereo? Schaltung kann jedoch yon Fall zu Fall wechseln. So kann eine Anzahl Ringkerne, je mit einer oder mehreren Primär- und Sekundärwicklungen angewandt werden, während der symbolisch dargestellte Gleichrichter 14 in Wirklichkeit aus einer oder mehreren Brückenschaltungen von Gleichrichtern bestehen kann. Ferner kann die Wandlerschaltung noch weitere Komponenten, wie Transformatoren, Impedanzen und Brückenschaltungen von Impedanzen enthalten. Die Einzelheiten dieser Schaltung sind für die Erfindung nicht von Wichtigkeit und werden hier nicht näher erläutert. Von Wichtigkeit ist lediglich, daß in dem Belastungswiderstand 30 ein durch Gleichrichtung des Wechselstromes durch die Sekundärwicklung (unabhängig von der Tatsache, ob diese eine Einfach- oder eine Mehrfachwicklung ist) erhaltener Beiastungsstrom fließt. Die Wechselspannungsquelle 20 bildet mit der '

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Sekundärwicklung 13» dem Gleichrichter 14 und dem Belastungswiderstand 30 einen geschlossenen Messkras. Es ist üblich, daß die dem in der Wicklung 13 auftretenden Magnetisierungsstrom entsprechende Stromkomponente durch den Belastungswiderstand 30 ausgeglichen wird. Die Gleichstromquelle 40 liefert den zu diesem Zweck erforderlichen Gleichstrom.

Die beim Blockschema nach Pig. 1 verwendeten Bezugsziffern werden, insoweit sie sich auf identische Teile der Vorrichtung beziehen, auch in den Blockschemen nach den Figuren 2 und 3 verwendet. Wenn diese Teile mit Rücksicht auf die Erfindung prinzipiell geändert oder ergänzt werden, sind die diesbezüglichen Bezugsziffern mit einem Index versehen.

Bei der Ausführungsform nach Pig. 2 ist der Messwandler 10' mit einer zusätzlichen oder gesonderten Sekunoä·- wicklung 15 versehen, die an den Eingang 51 eines Integrators 50 angeschlossen ist. Der Ausgang 52 des Integrators 50 ist mit dem einen Eingang 61 eines Komparators 60 verbunden, der mit seinem anderen Eingang 62 an eine Quelle 70 von konstanter Bezugsspannung angeschlossen ist. Der Ausgang 63 des Komparators ist mit dem Regeleingang der in diesem Pail regelbar ausgebildeten Wechselspannungs-

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quelle 20' verbunden. Über den mit der Sekundärwicklung 13 des Messwandlers 10' verbunden Ausgang 21 der Spannungsquelle 20 ist der Regelkreis 15, 50, 60, 20' geschlossen. Die gesondeife Sekundärwicklung 15 bildet zusammen mit dem Integrator 50 ein Aufnahmeorgan, das ein Signal verschafft, das ein Maß für die im Kern 11 des Wandlers 10' auftretende Kraftflussänderung bildet. Anstelle einer gesonderten Sekundärwicklung 15 kann auch die schon vorhandene Sekundärwicklung 13 oder ein Teil derselben als Teil des Aufnahmeorganes funktionieren.

Naturgemäß kann die dem Eingaqg 51 des Integrators 50 zugeführte Spannung auch auf beliebig geeignete andere Weise dem Messwandler 10' entnommen werden.

Die in den Wandlerwicklungen induzierte Spannung kann unmittelbar der Sekundärwicklung 13 oder der gesonderten Sekundärwicklung 15 entnommen werden. Der Integrator 50 liefert an seinem Ausgang 52 eine Spannung, die ein genaues Maß für den auftretenden Kraftfluß bildet.

Wenn die Spannungsquelle 20' eine Wechselspannung von konstanter Frequenz liefert, gilt, daß der Kraftfluß konstant ist, wenn die Spannung über die Wicklung 13 oder 15 konstant ist. Der Integrator 50 kann dann entfallen. In

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Fig. 2 ist dies durch eine durch den Integrator hindurchgehende, unterbrochende Linie dargestellt.

Die Spannung am Ausgang 52 des Integrators 50, d.h_o die Ausgangsspannung des durch die Wicklung 13 oder 15 und den Integrator 50 gebildeten Aufnahmeorgans, wird in dem Komparator 60 mit der von der Bezugsspannungsquelle 70 herrührenden Bezugsspannung verglichen. Das am Ausgang des Komparators resultierende Differenzsignal wird als Regelwert oder Steuerspannung dem Regeleingang 22 der Wechselspannungsquelle 20^f zugeführt. Mit dem so gebildeten, geschlossenen Regelkreis wird erreicht, daß die durch die von der Bezugsspannungsquelle 70 herrührende Bezugsspannung bestimmte Anzahl Voltsekungen beibehalten wird.

Der Messfehler ist dadurch von der Wechselspannung und von dem Belastungsstrom unabhängig. Auf ähnliche Weise wie bei d?m schon bekannten Ausgleich der Magnetisierungsstromkomponente in dem Belastungswiderstand 30 mit Hilfe der Stromquelle 40 kann nun zugleich die konstant gemachte Fehlerstromkomponente im Widerstand 30 ausgeglichen werden. Hierdurch nähert sich die Stromumwandlung des Messwandlers sehr dicht dem Idealwert.

Die Ausfuhrungsform nach Fig. 3 ist ausschließlich zur 209853/0 7 75

Anwendung in denjenigen Fällen bestimmt, in denen eine Wechselspannung von konstanter Frequenz zur Verfügung steht. Wie schon bemerkt, ist dann der Kraftfluß konstant, wenn die Spannung über die Wicklung 13 konstant ist. Als Maß für die in dem Messkreis auftretenden Spannungsverluste wird nun der durch den Strom im Beiastungswiderstand 30 erzeugte Spannungsunterschied verwendet. Die Spannung über den Widerstand 30 wird nun dem Regeleingang 71 der in diesem Falle regelbaren Bezugsspannungsquelle 70' zugeführt, so daß letztere über ihren Ausgang 72 dem Eingang 64 des Komparators 60 eine Spannung abgibt, die aus einer konstanten Bezugskomponente und einer der Spannung über den Belastungswiderstand 3 proportionalen Komponente zusammengesetzt ist. Letztere ist ein Maß für den Spannungsverlust. An den anderen Eingang 65 des Komparators 60· wird die durch die regelbare Wechselspannungsquelle 20' an ihrem Eingang 21 abgegebene Speisespannung angelegt. Über den Ausgang 66 des Komparators 60' und den Regeleingang 22 der Spannungsquelle 20' wird der Regelkreis wieder geschlossen. Als Regelwert wird in diesem Fall die mit einem festen Bezugswert verglichene Verlustspannung in dem Messkreis verwendet.

Es ist einleuchtend, daß dabei der Belastungsstrom stabilisiert wird, so daß die dadurch ebenfalls konstant ge-

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machte Fehl er Stromkomponente durch die Belastung 30 mit Hilfe eines aus der Stromquelle 40 herrührenden Stromes ausgeglichen werden kann. Hierdurch wird der Idealwert der Stromumwandlung des Messwandlers 10 erzielt.

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Claims

Patentanwalt 2 Hamburg 70, Dipl.-Ing. H. Schaefer ζ—,«^ 9# 6. 1972 1^ ** Fernruf: 6 52 98 56 M Ut StM Sch/Kr· SMIT NIJMBGEIi ELECTH(XDECHNISCHe FABRIEKEN N0V. Groenestraat 356, Nijmegen, Niederlande Patentansprüche:

1., Verfahren zum Verbessern der Linearität der Stromumwandlung eines Gleichstrommesswandlers, dessen Primärwicklung von dem zu messenden Gleichstrom durchflossen wird und dessen über einen Kern aus magnetisierbarem Material mit derselben gekoppelte Sekundärwicklung mit einer Wechselspannung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftflussänderung des Kernes (11) des Wandlers (10; 10') konstant bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal in Form einer Spannung abgeleitet wird, das ein Maß für die im Kern (11) des Wandlers (10;10^f) auftretende Kraftflussänderung bildet, diese abgeleitete Spannung mit einer konstanten Bezugsspannung verglichen und das Bifferenzsignal der beiden verglichenen Spannungen als Regelwert beim Regeln der Wechselspannung angewandt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung abgeleitet wird, die ein Maß für die infolge des durch die Sekundärwicklung (13) fliessenden

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Stromes im in dieser Wicklung enthaltenen Stromkreis auftretenden Spannungsverluste bildet, und diese abgeleitete Spannung als Regelwert beim Hegeln der Wechselspannung angewandt wird.

4-, Vorrichtung zur Anwendung dss Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehednd aus einem Messwandler mit mindestens einer durch den zu messenden Gleichstrom durchflossenen Primärwicklung und mindestens einer über einen Kern aus magnetisierbarer Material mit derseelben gekoppelten Sekundärwicklung, welche Sekundärwicklung in einem Messkreis mit mindestens einer Belastungsimpedanz und einer, vorzugsweise stabilisierten, Wechselspannungsquelle angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein Aufnahmeorgan (15*50; 13»3O) zur Bildung eines Signales, das ein Maß für die in dem Kern (11) des Wandlers (10*; 10) auftretende Änderung des magnetischen Kraftflusses bildet, und durch ein mit dem Aufnahmeorgan (15» 50; 13» 30) gekoppeltes Verarbeitungsorgan (60, 70; 60', 70')» von dem ein Ausgang (63; 66) mit einem Regeleingang (22) der regelbarean Wechselspannungsquelle (20¹) verbunden ist zwecks einer derartigen Steuerung derselben, daß die Kraftflussänderung im Wandlerkern (11) konstant gehalten wird.

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5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Aufnahmeorgans von mindestens einem Teil der im Messkreis angeordneten Sekundärwicklung (13) gebildet ist.

6· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Aufnahmeorganes von einer auf dem Kern (11) des Wandlers (1O¹) angeordneten gesonderten Sekundärwicklung (15) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeorgan einen Integrator (50) umfasst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5» 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (52) des Aufnahmeorgans mit dem einen Eingang (61) eines mit seinem anderen Eingang (62) an einer Quelle (70) von konstanter Bezugsspannung angeschlossenen Komparators (60) verbunden ist, dessen Ausgang (63) mit dem Regeleingang (22) der Vechselspannungsquelle (20') verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen im Messkreis angeordneten Widerstand (30) zum Ableiten

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einer Spannung, die ein Maß für den durch den Messkreis fliessenden Strom bildet, welche Spannung einem Regeleingang (71) einer regelbaren Bezugsspannungsquelle (70') zugeführt wird, von der ein Ausgang (72) mit dem einen Eingang (64) eines mit seinem anderen Einging (65) an die Wechselspannungsquelle (20') angeschlossenen !Comparators (60') verbunden ist, dessen Ausgang (66) mit dem Regeleinang (22) der Wechselspannungsquelle (20¹) verbunden ist.

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