DE2632377C2

DE2632377C2 -

Info

Publication number: DE2632377C2
Application number: DE19762632377
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.-Ing. Friedl; Peter Dipl.-Phys. 3300 Braunschweig De Seyfried
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1976-07-19
Publication date: 1987-10-01
Also published as: DE2632377A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem selbstabgleichenden Stromkomparator mit einem magnetischen Kreis und wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Kern angeordneten Wicklungen, von denen die Primär wicklung den zu messenden Strom und die Sekundärwicklung einen Kompensationsstrom führt, sowie mit einem auf das Magnetfeld des magnetischen Kreises ansprechenden Detektorelement, dessen elek trisches Ausgangssignal mittels eines Verstärkers in einem Regel kreis den Kompensationsstrom erzeugt, dessen magnetischer Fluß den vom zu messenden Strom hervorgerufenen magnetischen Fluß im Kern kompensiert.

Mit dem Aufkommen preiswerter Rechner (Mikroprozessoren) wird im Bereich der Energiemessung die Entstehung einer neuen Generation von Elektrizitätszählern ermöglicht. Es sind Zähler, die die Meßwerte dadurch bilden, daß von den Augenblickswerten für Strom und Spannung abgeleitete Signale digitalisiert und mittels digi taler Rechenelemente multipliziert und aufsummiert werden. Hier bei werden die in analogen Multiplizierern auftretenden Fehler ausgeschaltet. Die bei der Umwandlung der analogen Meßsignale in digitale Signale entstehenden Fehler bleiben jedoch bestehen. Abgesehen von systematischen Fehlern, die beispielsweise von der Häufigkeit der Messungen je Periode des Wechselstromes bzw. der Wechselspannung abhängen, bleiben Fehler bestehen, die Strom- und Spannungswandler sowie Bürdenwiderstände verursachen und solche, die durch die endliche Eingangsempfindlichkeit der die analogen Signale abtastenden Fühler bedingt sind.

Während die messende Wechselspannung sich im allgemeinen nur relativ wenig ändert und somit gut dem Fühler angepaßt werden kann, darf sich bei Elektrizitätszählern das Signal des Meß stromes in einem Verhältnis von mindestens 1 : 200 ändern. Damit muß dieses Signal vom Eingangsverstärker des Fühlers auch beim 0,005fachen der maximalen Bürdenspannung aufgenommen werden können. Diesem Problem begegnet man bei statischen Zählern dadurch, daß aktive fehlerkompensierte Stromwandler und bei spielsweise eine automatische Erhöhung der Stromwandlerbürde bei kleiner werdenden Meßströmen vorgesehen werden.

Aus der DE-OS 22 24 618 ist ein Komparator bekannt, bei welchem eine Kompensation des magnetischen Flusses dadurch herbeigeführt wird, daß die von der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jeweils erzeugten magnetischen Durchflutungen einander gleich sind. Hierzu dient ein Regelkreis mit einem Verstärker, der den für den Durchflutungsausgleich erforderlichen Kompensationsstrom der Sekundärwicklung erzeugt. Die Ansteuerung des Verstärkers geschieht mittels des im Luftspalt des magnetischen Kreises an geordneten Detektorelements. Der vom analogen Strommesser ange zeigte Wert ist im stationären Zustand ein Maß für den durch die Primärwicklung fließenden Strom.

Der obige Stromkomparator ist analog aufgebaut und ermöglicht keinen Anschluß an Meßverarbeitungssysteme mit digitalen Eingängen. Ein weiterer Nachteil dieses Systems besteht im Vor handensein von Driftströmen am Ausgang des Verstärkers, was ins besondere bei kleinen Meßströmen zu Fehlern führt, die den Meßbe reich einschränken. Dieser Einfluß wird dadurch verstärkt, daß der Verstärker nicht nur die sekundäre Innenbürde des Wandlers, sondern auch eine Außenbürde speisen muß.

Weiterhin ist eine Abgleichschaltung aus der DE-OS 23 19 195 bekannt. Hierbei werden zwei etwa gleich große Spannungen U _X und U _R einem analogen Differenzverstärker zugeführt. Das Ausgangssig nal des Differenzverstärkers wird mittels eines Spannungs-Fre quenz-Umformers digitalisiert. Eine Veränderung der Spannung U _X hat ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers zur Folge, so daß in der digitalen Schaltung ein Meßwert erzeugt wird, welcher nach Umwandlung mittels eines Dialog-Analog-Umwandlers eine der Meß spannung U _X entsprechende Kompensationsspannung U _R erzeugt, bis ein Abgleich zwischen diesen beiden Spannungen erreicht ist.

Eine selbstabgleichende digitale Kompensations-Meßschaltung zum numerischen digitalen Vergleich von zwei Wechselspannungen in Bezug auf die reelle und die imaginäre Komponente ist in der DE-AS 24 03 591 beschrieben. Hierbei werden von einem Normalmeßwandler und einem zu prüfenden Wandler Spannungen abgeleitet und mit einer Bezugswechselspannung derart verglichen, daß die reelle und die imaginäre Komponente der Meßspannung digital ermittelt wer den.

Die DE-AS 24 11 533 bezieht sich auf eine selbstabgleichende Meßschaltung für Wechselstromgrößen mit getrennter Anzeige der reellen und der imaginären Komponente der Meßgrößen. Auch diese Anordnung wird insbesondere für die Prüfung von Spannungs- und Stromwandlern eingesetzt. Bei dieser Schaltung wird ebenfalls eine Meßspannung im Verhältnis zu einer von einem Normalwandler abgegriffenen Bezugsspannung mittels Phasengleichrichter so wei terverarbeitet, daß die Multiplikatoren zugeführten Gleichspan nungen dem Übersetzungsfehler bzw. dem Phasenfehler des zu prü fenden Wandlers proportional sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromkomparator für einen weiten Anwendungsbereich zu entwickeln, bei welchem eine Strommessung über einen großen Bereich der Stromstärke mit verringertem Meßfehler und eine Weiterverarbeitung der Meßwerte in digitalen Rechnern möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet. Bei dem neuen Stromwandler mit digitaler Stromre gelung tritt kein Bürdenfehler auf, da ein Bürdenwiderstand nicht benötigt wird. Wegen des direkten Stromvergleichs zwischen dem Primärstrom und dem Kompensationsstrom (Sekundärstrom) können Fehler verursachende Offset-Spannungen nicht auftreten. Abwei chend von der bekannten Abgleichschaltung wird bei dem erfin dungsgemäßen Stromkomparator kein Abgleich zwischen zwei im ein geschwungenen Zustand gleich großen Spannungen erzeugt. Das in der Detektorspule erzeugte Meßsignal ist vielmehr eine Nullspannung, die digitalisiert wird, während am Ausgang des digitalen Regelkreises ein endlicher Kompensationsstrom erzeugt wird.

Der neue Stromkomparator erlaubt eine digitale Erfassung des Meßstromes bei gleichzeitiger digitaler Regelung. Hierdurch kann ein elektrischer Strom über einen großen Dynamikbereich mit hoher Genauigkeit gemessen werden, so daß der Komparator vorzugsweise für statische Elektrizitätszähler eingesetzt werden kann.

Außerdem eignet sich der Komparator vorteilhaft zur Bestimmung der Fehler von Stromwandlern. In dieser Ausführungsform erzeugt der die Primärwicklung des Komparators und die Primärwicklung des zu prüfenden Stromwandlers durchfließende Strom sowie der die Sekundärwicklung des Komparators und die Sekundärwicklung des zu prüfenden Stromwandlers durchfließende Strom ein Durchflutungsgleichgewicht, indem der Kompensationsstrom in die Sekundärwicklung des Komparators oder in eine zusätzliche Wicklung auf dem Kern eingespeist wird, wobei der der Stärke des Kompensationsstromes entsprechende Zahlenwert im Register dem Übersetzungsfehler des zu prüfenden Stromwandlers proportional ist.

Diese Anordnung für Meßwandlerprüfeinrichtungen unterscheidet sich von den bekannten Ausführungen insbesondere dadurch, daß eine Detektorwicklung vorgesehen ist, aus der ein Kompensations strom abgeleitet wird, und ein Durchflutungsausgleich im gesamten magnetischen Kreis stattfindet.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die im Register gespeicherten Zahlenwerte zur Bestimmung des Stromfehlers mit dem Cosinus und zur Bestimmung des Fehlwinkels mit dem Sinus des Phasenwinkels zwischen dem Kompensationsstrom und dem Meßstrom mittels digitaler Rechenelemente multipliziert werden.

Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Komparators und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Meßwandlerprüfschaltung.

Die aus Wicklungen 1, 2 und 3 sowie einem Kern 5 bestehende Komperatoranordnung 1 wird in der Wicklung 1 von dem zu messenden Strom I ₁ durchflossen, dessen magnetische Durchflutung im Kern 5 durch die vom Strom I ₂ in der Wicklung 2 verursachte Durchflutung praktisch aufgehoben wird. Solange eine Restdurchflutung vorhan den ist, wird in einer Detektorspule 3 eine Spannung induziert, die einem Verstärker 6 zugeführt wird. In dem als Komparator ausgebildeten Verstärker 6 wird festgestellt, ob die vom Strom I ₂ verursachte Durchflutung größer oder kleiner als die vom Strom I ₁ verursachte Durchflutung ist. Der Verstärker 6 steuert dabei entsprechend dieser Feststellung über einen Analog-Digital- Umwandler 7 ein digitales Register 8 derart, daß der im Register 8 gespeicherte Zahlenwert beim Vorhandensein einer magnetischen Durchflutung dahingehend verändert wird, daß der Zahlenwert über einen nachgeschalteten Digital-Analog-Umwandler 10 und einen Leistungsverstärker 11 in der Wicklung 2 einen solchen Strom I ₂ erzeugt, und daß zwischen dem Strom I ₁ und dem Strom I ₂ nahezu Durchflutungsgleichheit (Amperewindungsgleichgewicht) vor liegt.

Die Anordnung bildet also einen Regelkreis, in welchem sich der Momentanwert des Stromes I ₂ ständig so einstellt, daß in der Detektorspule 3 nur eine Abweichung auftreten kann, die kleiner als der kleinste Schritt des Digital-Analog-Umwandlers 10 ist. Der im Register 8 jeweils stehende Zahlenwert 9 ist dabei ein Maß für den Augenblickswert des Stromes I ₁.

Bei der elektrischen Leistungs- und Energiemessung können die Zahlenwerte 9 beim Vorhandensein der von der anderen Meßgröße (Spannung) abgeleiteten simultanen Zahlenwerte unmittelbar für die Berechnung der Leistung, der Energie, des Leistungsmaximums oder des Überverbrauchs über eine Registriergrenze in entspre chenden Rechnern verwendet werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Stromkom parators für die digitale Fehlerbestimmung der Fehler von Strom wandlern ist der Komparator mit 4 Wicklungen ausgeführt. Die Primärwicklung 1 des Komparators liegt in Reihe mit einer Wicklung 21 des Prüflings, die Sekundärwicklung 2 des Komparators in Reihe mit einer Wicklung 22 des Prüflings und der Bürde B. Sofern der Prüfling einen Übersetzungsfehler hat, besteht zwi schen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 2 kein Amperewindungsgleichgewicht. Infolgedessen wird in der Detektor spule 3 eine Spannung induziert, die entsprechend der Wir kungsweise der Schaltung nach Fig. 1 einen Kompensationsstrom zur Folge hat, der bei der Anordnung nach Fig. 2 in die Wicklung 4 eingespeist wird, und dessen Größe sich so ausbildet, daß im Kern 5 praktisch Amperewindungsgleichgewicht besteht. Der Kompen sationsstrom entspricht dann dem Fehler des Prüflings. Die Augen blickswerte dieses Fehlers stehen als Zahlenwerte 9 des Regi sters 8 für Rechenzwecke zur Verfügung.

Es ist Stand der Technik, den Phasenwinkel aus der Zeitdifferenz der Nulldurchgänge des Kompensationsstromes und des primären oder sekundären Meßstromes als Zahlenwert zu erzeugen und die Fehler werte im Register zur Erlangung des Stromfehlers mit dem Cosinus und zur Erlangung des Fehlwinkels mit dem Sinus des Phasenwinkels zu multiplizieren. Die Fehlerbestimmung kann dabei für jeden Augenblickswert der Stromkurve als auch aus der Summe der Einzel werte über eine ganzzahlige Anzahl von Halbperioden des Meß stromes vorgenommen werden.

Claims

1. Selbstabgleichender Stromkomparator mit einem magnetischen Kreis und wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Kern angeord neten Wicklungen, von denen die Primärwicklung den zu messenden Strom und die Sekundärwicklung einen Kompensations strom führt, sowie mit einem auf das Magnetfeld des magne tischen Kreises ansprechenden Detektorelement, dessen elektrisches Ausgangssignal mittels eines Verstärkers in einem Regelkreis den Kompensationsstrom erzeugt, dessen magnetischer Fluß den vom zu messenden Strom hervorgerufenen magnetischen Fluß im Kern kompensiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement als auf dem Kern (5) angeordnete Detektorspule (3) ausgebildet ist, deren vom magnetischen Fluß induzierte Spannung dem Verstärker (6) zugeführt wird, daß der Regelkreis im wesentlichen einem dem Verstärker (6) nachgeschalteten Analog-Digital-Umwandler (7) zur Ansteuerung eines Registers (8) sowie einen dem Register (8) nachgeordneten Digital- Analog-Umwandler (10) zur Ansteuerung eines Leistungsverstär kers (11) umfaßt, welcher den Kompensationsstrom (I ₂) erzeugt, und daß durch jeden Augenblickswert der in der Detektorspule (3) induzierten Spannung ein Zahlenwert (9) im Register (8) gespeichert wird, welcher dem Kompensationsstrom (I ₂) und damit dem zu messenden Strom (I ₁) proportional ist.

2. Stromkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Fehler von Stromwandlern der die Primär wicklung (1) des Komparators und die Primärwicklung (21) des zu prüfenden Stromwandlers durchfließende Strom sowie der die Sekundärwicklung (2) des Komparators und die Sekundärwicklung (22) des zur prüfenden Stromwandlers durchfließende Strom ein Durchflutungsgleichgewicht erzeugen, indem der Kompensations strom in die Sekundärwicklung (2) des Komparators oder in eine zusätzliche Wicklung (4) auf dem Kern (5) eingespeist wird, und daß der der Stärke des Kompensationsstromes entsprechende Zahlenwert (9) im Register (8) dem Übersetzungsfehler des zu prüfenden Stromwandlers proportional ist.

3. Stromkomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Register (8) gespeicherten Zahlenwerte zur Bestimmung des Stromfehlers mit dem Cosinus und zur Bestimmung des Fehl winkels mit den Sinus des Phasenwinkels zwischen dem Kompen sationsstrom (I ₂) und dem Meßstrom mittels digitaler Rechen elemente multipliziert werden.