DE2656817A1 - Potential separation current measurement sensor - uses magnetic voltage sensor with single or multiple windings - Google Patents
Potential separation current measurement sensor - uses magnetic voltage sensor with single or multiple windingsInfo
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Abstract
Description
Strommeßgeber für die potentialtrennende Erfassung des Strom-Current sensor for the potential-separating detection of the current
Istwertes in einem Leiter Die Erfindung bezieht sich auf einen Strommeßgeber für potentialtrennende Erfassung des Strom-Istwertes in beiden Stromrichtungen in einem stromführenden Leiter mit einem Meßglied, das eine elektrische Größe am stromführenden Leiter abgreift, und mit einer dem Meßglied nachgeschalteten Auswerteschaltung, an deren Ausgang ein dem Strom-Istwert proportionales Ausgangssignal abgreifbar ist.Actual values in a conductor The invention relates to a current sensor for potential-separating detection of the actual current value in both current directions in a current-carrying conductor with a measuring element that measures an electrical quantity on the current-carrying Conductor taps, and with an evaluation circuit connected downstream of the measuring element, an output signal proportional to the actual current value can be tapped at its output is.
In vielen Anwendungsgebieten der Leitungselektronik ist es erwünscht, einen kontinuierlichen oder getakteten Gleichstrom potentialfrei und möglichst trägheitslos, aufwandsarm und platzsparend zu erfassen. Die Forderung nach Erfassung eines getakteten Gleichstroms besteht beispielsweise bei Stromrichtern, die mit gesteuerten Ventilen wie Thyristoren arbeiten. Insbesondere bei Kleinumrichtern, beispielsweise nach der deutschen Offenlegungsschrift 24 43 025, ist eine einfache und kostengünstige potentialtrennende Erfassung des Strom-Istwertes der einzelnen Ventilströme erforderlich.In many application areas of line electronics it is desirable to a continuous or pulsed direct current potential-free and as inertia-free as possible, to be recorded with little effort and space-saving. The requirement for recording a clocked Direct current exists, for example, in converters with controlled valves how thyristors work. Especially with small converters, for example after the German Offenlegungsschrift 24 43 025, is a simple and inexpensive one Potential-separating detection of the actual current value of the individual valve currents is required.
Der eingangs genannte Strommeßgeber, der zu diesem Zweck in der Praxis bei Stromrichterschaltungen eingesetzt wird, ist aus dem Siemens-Katalog RE1, "Regelsysteme SIMADYN C TRANSICYN B", Juli 1975, Abschnitt "Strommeßgeber (Schuntwandler)", Seiten 7/2 und 7/3 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen Strommeßgeber, mit dem Gleichströme, insbesondere auch Ventilströme, deren Spannungsabfälle an einem Shunt abgegriffen werden, in potentialgetrennte und vorzeichenrichtige Spannungen im Bereich + 10V umgewandelt werden. Diese Ausgangssignale sind für die Weiterverarbeitung in Regelungs-, Rechen-und Überwachungsschaltungen sowie für Anzeigezwecke vorgesehen. Bei dem bekannten Strommeßgeber wird die am Shunt abgegriffene Spannung mit Hilfe von wechselweise gesteuerten Chopper-Transistoren eines Modulators in Rechteckimpulse zerhackt und hinter einem Chopper-Übertrager in einem Demodulator, der ebenfalls mit getakteten Transistoren ausgerüstet ist, wieder phasenrichtig gleichgerichtet. Ein nachfolgender Verstärker hebt das Signal an, wobei maximal der Wert + 10V erreicht wird. Bei dem bekannten Strommeßgeber erfolgt die eigentliche Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis im Chopper-Übertrager.The current sensor mentioned above, which is used for this purpose in practice is used in converter circuits, is from the Siemens catalog RE1, "Control systems SIMADYN C TRANSICYN B ", July 1975, section" Current measuring transducer (Schunt converter) ", pages 7/2 and 7/3 known. It is a current sensor, with the direct currents, in particular valve currents, whose voltage drops at a Shunt are tapped into voltages with the correct polarity and the correct sign can be converted in the + 10V range. These output signals are for further processing provided in control, arithmetic and monitoring circuits and for display purposes. In the case of the known current sensor, the voltage tapped at the shunt is measured with the aid of alternately controlled chopper transistors of a modulator into square-wave pulses chopped up and behind a chopper transformer in a demodulator that is also is equipped with clocked transistors, rectified again in the correct phase. A subsequent amplifier increases the signal, whereby the maximum value reaches + 10V will. In the case of the known current sensor, the actual potential separation takes place between the input and output circuit in the chopper transformer.
Der bekannte Strommeßgeber hat den Nachteil, daß er für viele Anwendungen in der Leistungselektronik zu aufwendig ist. Insbesondere benötigt er fUr die Anwendung in Stromrichterschaltungen eine Menge Platz, ist relativ schwer und verhältnismäßig teuer in der Fertigung. Außerdem ist seine Eigenzeitkonstante für manche Anwendungen zu hoch.The known current sensor has the disadvantage that it is suitable for many applications in power electronics is too expensive. In particular, it is required for the application a lot of space in converter circuits, is relatively heavy and proportionate expensive to manufacture. In addition, its proper time constant is for some applications too high.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Strommeßgeber so auszugestalten, daß der Aufwand geringer ist, daß weniger Platz beansprucht wird und daß er kostengünstiger zu fertigen ist.The invention is based on the object of the above-mentioned current sensor designed so that the effort is less that less space is required and that it is cheaper to manufacture.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Meßglied ein den Leiter ein- oder mehrfach umschließender magnetischer Spannungsmesser nach Rogowsky vorgesehen ist, an dessen Klemmen eine der Stromänderung im Leiter proportionale Klemmenspannung abgreifbar ist, und daß als Auswerteschaltung ein die Klemmenspannung integrierendes Integrationsglied vorgesehen ist.According to the invention, this object is achieved in that as a measuring element a magnetic voltmeter enclosing the conductor one or more times Rogowsky is provided, at the terminals of which a change in current in the conductor is proportional Terminal voltage can be tapped, and that the terminal voltage is used as an evaluation circuit integrating integration member is provided.
Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf der Erkenntnis, daß der Istwert eines in einem stromführenden Leiter fließenden Stromes durch elektronische Integration eines Signals, das der Änderung des Strom-Istwertes im Leiter proportional ist, ermittelt werden kann. Dieses Meßsignal wird dabei einer um den stromführenden Leiter gewickelten, an sich bekannten Rogowsky-Spule entnommen. Diese Rogowsky-Spule ist vorliegend das potentialtrennende Element. Ein magnetischer Spannungsmesser nach Rogowsky ist eine langgestreckte, auf einem biegsamen Träger gewickelte Induktionsspule mit konstantem Querschnitt und konstanter Windungszahl Je Längeneinheit. Die Induktionsspule ist in zwei gleichsinnige Lagen gewickelt; sie trägt Zuleitungen in der Mitte der oberen Lage (W. Westphal, Physikalisches Wörterbuch, Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg (1952), Seiten 404 und 405).The present invention is based on the finding that the Actual value of a flowing in a live conductor Current by electronically integrating a signal that reflects the change in the actual current value is proportional in the conductor, can be determined. This measurement signal becomes one taken from the known Rogowsky coil wound around the current-carrying conductor. In the present case, this Rogowsky coil is the potential-separating element. A magnetic one Rogowsky tension meter is an elongated, on a flexible support wound induction coil with constant cross-section and constant number of turns Per unit of length. The induction coil is wound in two layers in the same direction; it carries supply lines in the middle of the upper layer (W. Westphal, Physikalisches Dictionary, Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg (1952), pages 404 and 405).
Die an den Klemmen der Rogowsky-Spule abgenommene Klemmenspannung ist der zeitlichen Änderung des zirkularen Magnetfeldes des stromführenden Leiters und damit einer Stromänderung im Leiter proportional.The terminal voltage taken from the terminals of the Rogowsky coil is the change in the circular magnetic field of the current-carrying conductor over time and thus proportional to a change in current in the conductor.
Die Integration des mit Hilfe der Rogowsky-Spule gewonnenen Signals geschieht vorliegend durch ein Integrationsglied; an dessen Ausgang kann ein dem Strom-Istwert proportionales Ausgangssignal abgegriffen werden.The integration of the signal obtained with the help of the Rogowsky coil happens in the present case through an integration link; at its output a dem Current actual value proportional output signal can be tapped.
Es ist besonders vorteilhaft, als Integrationsglied einen Operationsverstärker mit RC-Beschaltung vorzusehen. Dann kommt man mit besonders geringem Platzbedarf aus.It is particularly advantageous to use an operational amplifier as the integration element to be provided with RC wiring. Then you come with a particularly small footprint the end.
Der stromführende Leiter und der Strommeßgeber liegen vorliegend auf verschiedenem Potential. Es ist hierbei zweckmäßig, dem Strommeßwandler ein definiertes Bezugspotential zuzuordnen. Das kann insbesondere dadurch geschehen, daß der eine Eingang des Operationsverstärkers an Masse gelegt ist. Bei einer solchen Ausführungsform kann gleichzeitig auch die eine Klemme des magnetischen Spannungsmessers nach Rogowsky an Masse liegen.The current-carrying conductor and the current sensor are present different potential. It is useful here to give the current transducer a defined Assign reference potential. This can happen in particular that one Input of the operational amplifier is connected to ground. In such an embodiment can also use the one terminal of the Rogowsky magnetic voltmeter at the same time to be in mass.
Elektronische Integratoren unterliegen im allgemeinen einer Drift, d.h. ihr Ausgangssignal verändert sich stetig, ohne daß dieser Änderung eine entsprechende Änderung des Eingangssignals entspricht. Um diesem Driftfehler zu begegnen und um das Integra- tionsglied am Anfang einer Messung auf Null setzen zu können, ist nach einer weiteren Ausbildung vorgesehen, daß dem in der Rückführung des Operationsverstärkers liegenden Kondensator ein Schalter parallel geschaltet ist. Als Schalter kann beispielsweise ein Transistor vorgesehen sein. Insbesondere kann auch ein Feldeffekt-Transistor verwendet werden.Electronic integrators are generally subject to drift, i.e. its output signal changes continuously without any corresponding change Change in the input signal. To counter this drift error and around the integra- Set the function element to zero at the beginning of a measurement to be able to, is provided according to a further training that in the return of the operational amplifier lying capacitor a switch connected in parallel is. A transistor, for example, can be provided as a switch. In particular a field effect transistor can also be used.
Weiterhin kann für den Schalter eine Steuerschaltung vorgesehen sein, die den Schalter in regelmäßigen Zeitabständen immer dann schließt, wenn der Strom im Leiter Null geworden ist. Diese Ausführungsform ist für die Strommessung in Stromrichtern nützlich.Furthermore, a control circuit can be provided for the switch, which closes the switch at regular intervals whenever the current has become zero in the ladder. This embodiment is for current measurement in power converters useful.
Eine solche Steuerschaltung arbeitet zweckmäßigerweise mit dem Steuersatz eines Stromrichters zusammen.Such a control circuit expediently works with the tax rate a converter together.
Schließlich kann an den Ausgang des Integrationsgliedes noch ein Spannungsteiler angeschlossen sein. Mit Hilfe dieses Spannungsteilers kann das Ausgangssignal des Integrationsgliedes im Hinblick auf den Strom im Leiter in beliebiger Weise geeicht werden.Finally, a voltage divider can be connected to the output of the integration element be connected. With the help of this voltage divider, the output signal of the Integrating member calibrated in any way with regard to the current in the conductor will.
Der erfindungsgemäße Strommeßgeber hat den Vorteil, daß er relativ einfach und mit relativ billigen Bauelementen herzustellen ist. Er benötigt nur wenig Platz und spricht bei einer Änderung des Strom-istwertes sehr schnell an. Sein Energiebedarf ist nur gering. Er arbeitet auch nach längerer Meßdauer noch einwandfrei.The current sensor according to the invention has the advantage that it is relatively is easy to manufacture with relatively cheap components. He just needs little space and responds very quickly to a change in the actual current value. Its energy requirement is only low. It is still working even after a long period of measurement perfect.
Schließlich ist er auch einfach zu montieren.Finally, it is also easy to assemble.
Ausführingsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Strommeßgeber mit magnetischem Spannungsmesser nach Rogowsky und nachgeschaltetem Integrationsglied, und Figur 2 einen Schnitt durch den magnetischen Spannungsmesser nach Figur 1 entlang der Linie II-II in vergrößerter Darstellung.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to FIG two figures explained in more detail. They show: FIG. 1 a current sensor with a magnetic one Rogowsky voltmeter and downstream integrator, and figure 2 shows a section through the magnetic voltmeter according to FIG. 1 along the Line II-II in an enlarged view.
Nach Figur 1 wird ein im Schnitt gezeichneter elektrischer Leiter 2 von einem Gleichstrom i veränderlicher Stärke durchflossen. Es kann sich bei dem Leiter 2 insbesondere um eine Zuleitung zu einem gesteuerten elektrischen Ventil in einem Stromrichter handeln. Der Gleichstrom i ist hierbei getaktet, d.h. er nimmt abwechselnd einen bestimmten Wert und den Wert Null an; er pulsiert also.According to FIG. 1, an electrical conductor drawn in section is shown 2 flowed through by a direct current i of variable strength. It can in the case of the conductor 2, in particular, a feed line to a controlled electrical Act valve in a converter. The direct current i is clocked, i.e. it alternately assumes a certain value and the value zero; so it pulsates.
Der Leiter 2 ist von einem Meßglied zur Messung einer Änderung des Stromes i umgeben. Es handelt sich dabei um einen sogenannten magnetischen Spannungsmesser nach Rogowsky. Dieser magnetische Spannungsmesser 3, der auch als "Rogowsky-Spule" bezeichnet wird, besteht aus einer langgestreckten Induktionsspule 4 mit konstantem Querschnitt und konstanter Windungszahl je Längeneinheit, die auf einen biegsamen Träger 5 aufgewickelt ist. Sie ist in zwei elektrisch isolierte gleichsinnige Lagen gewickelt. Ihre Klemmen sind mit 6 und 7 bezeichnet. Der Träger 5 samt Induktionsspule 4 ist im vorliegenden Fall einmal um den Leiter 2 herumgebogen. Die kreisförmige gebogene Längsachse der Induktionsspule 4 ist hierbei senkrecht zum Leiter 2 angeordnet. Träger 5 und Induktionsspule 4 können den Leiter 2 auch mehrfach umschließen. Aus Gründen einer besseren uebersicht ist in Figur 1 zwischem dem Leiter 2 einerseits und der Induktionsspule 4 und dem Träger 5 andererseits ein relativ großer potentialtrennender Abstand eingezeichnet. In der Praxis wird der magnetische Spannungsmesser 3 den Leiter 2 wesentlich enger umschließen. Der magnetische Spannungsmesser 3 ist am Leiter 2 fest installiert.The conductor 2 is of a measuring element for measuring a change in the Surrounding Stromes i. It is a so-called magnetic voltmeter according to Rogowsky. This magnetic voltmeter 3, also known as the "Rogowsky coil" is referred to, consists of an elongated induction coil 4 with constant Cross-section and constant number of turns per unit of length on a flexible Carrier 5 is wound. It is in two electrically isolated layers in the same direction wrapped. Their terminals are labeled 6 and 7. The carrier 5 together with the induction coil 4 is bent once around the conductor 2 in the present case. The circular one The curved longitudinal axis of the induction coil 4 is arranged perpendicular to the conductor 2. The carrier 5 and induction coil 4 can also enclose the conductor 2 several times. the end For reasons of a better overview, FIG. 1 shows between the conductor 2 on the one hand and the induction coil 4 and the carrier 5, on the other hand, a relatively large potential separator Distance shown. In practice, the magnetic voltmeter 3 is the Enclose head 2 much more closely. The magnetic voltmeter 3 is on Head 2 permanently installed.
An den Klemmen 6 und 7 des magnetischen Spannungsmessers 3 wird als elektrische Größe eine Klemmenspannung U abgegriffen, die einer Stromänderung im Leiter 2 proportional ist. Diese Klemmenspannung U wird einem Integrationsglied 8 zugeführt.At the terminals 6 and 7 of the magnetic voltmeter 3 is displayed as electrical variable a terminal voltage U tapped, which is a change in current in the Head 2 is proportional. This terminal voltage U becomes an integration element 8 supplied.
Als Integrationsglied 8 ist speziell ein Operationsverstärker 9 vorgesehen. In seiner Rückführung liegt ein Kondensator 10, und dem einen Eingang ist ein Widerstand 11 vorgeschaltet. Es handelt sich also um einen Operationsverstärker mit RC-Beschaltung 10, 11. Der andere Eingang ist an Masse 12 gelegt.An operational amplifier 9 is specifically provided as the integration element 8. In its return is a capacitor 10, and one input is a resistor 11 upstream. So it is an operational amplifier with RC circuitry 10, 11. The other input is connected to ground 12.
Parallel zum Kondensator 10 ist ein Schalter 13 angeordnet. Dieser wird von einer Steuerschaltung 14 betätigt. Als Schalter 13 kann ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekt-Transistor, vorgesehen sein. Mit Hilfe des Schalters 13 läßt sich der Kondensator 10 kurzschließen und damit das Integrationsglied 8 auf ein Ausgangssignal Ua gleich Null zurücksetzen.A switch 13 is arranged parallel to the capacitor 10. This is operated by a control circuit 14. A transistor, in particular a field effect transistor may be provided. With the help of the switch 13, the capacitor 10 and thus the integration element 8 can be short-circuited reset to an output signal Ua equal to zero.
Das Ausgangssignal Ua des Integrationsgliedes 8 ist auf einen Spannungsteiler 15 gegeben. Dieser Spannungsteiler 15 wird nach Fixierung des magnetischen Spannungsmessers 3 am Leiter 2 auf einem festen Wert eingestellt. Somit läßt sich die an ihm abgegriffene Ausgangsspannung Ua' auf den Strom i im Leiter 2 in beliebiger Weise eichen.The output signal Ua of the integration element 8 is applied to a voltage divider 15 given. This voltage divider 15 is after fixing the magnetic voltmeter 3 is set to a fixed value on conductor 2. Thus, the tapped on him can be Calibrate output voltage Ua 'to current i in conductor 2 in any way.
Die Ausgangsspannung Ua' kann einer (nicht gezeigten) Regelungs-, Rechen-, Überwachaungs- oder Anzeigeschaltung zugeführt werden.The output voltage Ua 'can be a (not shown) control, Computing, monitoring or display circuit are supplied.
Es wurde bereits erwähnt, daß die Klemmenspannung U einer Änderung des Stromes i im Leiter 2 proportional ist. Diese Klemmenspannung U wird bei geöffnetem Schalter 13 durch das elektronische Integrationsglied 8 integriert. Bei der Integration ist eine Integrationskonstante wirksam, die von der Spannung des Kondensators 10 zu Beginn der Integration abhängt und die in das Ausgangssignal Ua additiv eingeht. Da diese Integrationskonstante ohne weitere Maßnahmen unbestimmt bleiben würde und da ein elektronisches Integrationsglied 8 einem Driftfehler unterliegt, ist der Schalter 13 vorgesehen. Dieser wird vor Beginn einer Strommessung und danach in regelmäßigen Abständen geschlossen, und zwar immer dann, wenn der zu messende Strom i aus bekannten Gründen gleich Null wird. Dieses ist beispielsweise in einem Stromrichter dann der Fall, wenn ein steuerbares Ventil gelöscht und der zugehörige Ventilstrom zu Null geworden ist. In diesem Fall wird also beim Ventilstrom i gleich Null der Schalter 13 geschlossen und das Integrationsglied 8 während der Ventilstrompause auf Null zurückgesetzt.It has already been mentioned that the terminal voltage U changes of the current i in the conductor 2 is proportional. This terminal voltage U is when the Switch 13 integrated by the electronic integration member 8. In the integration an integration constant is effective that depends on the voltage of the capacitor 10 depends at the beginning of the integration and which is added to the output signal Ua. Since this constant of integration would remain indefinite without further measures and since an electronic integrator 8 is subject to a drift error, the Switch 13 is provided. This is shown before the start of a current measurement and afterwards in closed at regular intervals, and always when the current to be measured i becomes equal to zero for known reasons. This is for example in a power converter then the case when a controllable valve is deleted and the associated valve current has become zero. In this case, the valve current i is equal to zero Switch 13 closed and the integration element 8 during the valve flow break reset to zero.
Ist der zu messende Strom i ein Wechselstrom hinreichender Frequenz, so kann der Schalter 13 entfallen.If the current i to be measured is an alternating current of sufficient frequency, so the switch 13 can be omitted.
Es läßt sich zeigen, daß die Eigenzeitkonstante des dargestellten Strommeßgebers und damit seine Ansprechgeschwindigkeit von der maximalen Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers 9 und der Änderungsgeschwindigkeit dieser Ausgangsspannung abhängig ist.It can be shown that the proper time constant of the shown Current sensor and thus its response speed from the maximum output voltage Ua of the operational amplifier 9 and the rate of change of this output voltage is dependent.
Es läßt sich weiter zeigen, daß die Eigenzeitkonstante eines relativ langsam arbeitenden Operationsverstärkers um den Faktor 2 bis 5 kleiner ist als die Eigenzeitkonstante der besten zur Zeit verfügbaren Strommeßgeber, die nach dem Prinzip der Stromzerhakkung arbeiten.It can also be shown that the proper time constant of a relative slow operating operational amplifier is 2 to 5 times smaller than the operating time constant of the best currently available current sensors, which according to the Working principle of current interlocking.
In Figur 2 ist ein Schnitt durch den magnetischen Spannungsmesser 3 von Figur 1 entlang der Linie II-II dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der biegsame Träger 5 aus einem Kern 20 und einem umgebenden Isolierschlauch 21 besteht. Bei dem Kern 20 kann es sich um einen biegsamen Weicheisendraht handeln. Mit 22 und 23 sind zwei Schnittstellen durch den Leiter der Induktionsspule 4 bezeichnet. Bei der Induktionsspule 4 nach Rogowsky handelt es sich, wie bereits erwähnt, um einen Draht, der beispielsweise - von der in der Mitte gelegenen Klemme 7 (Figur 1) ausgehend - zum oberen rechten Ende des Trägers 5 vorgewickelt, dann bei gleichem Drehsinn zum oberen linken Ende des Trägers 5 zurückgewickelt und schließlich von dort bei weiterhin gleichem Wickelsinn zur in der Mitte gelegenen Klemme 6 vorgewickelt ist. In Figur 2 bezeichnet 24 den hin- und 25 den zurückgewickelten Draht. Zwischen der Spule 5 und dem Leiter 2 kann noch ein Isolationsmaterial angeordnet sein.In Figure 2 is a section through the magnetic voltmeter 3 of Figure 1 along the line II-II. It can be seen that the flexible Carrier 5 consists of a core 20 and a surrounding insulating tube 21. at the core 20 can be a flexible soft iron wire. At 22 and 23, two interfaces are designated by the conductor of the induction coil 4. at the induction coil 4 according to Rogowsky is, as already mentioned, a Wire, for example - starting from the terminal 7 in the middle (Figure 1) - Pre-wound to the upper right end of the carrier 5, then with the same direction of rotation wound back to the upper left end of the carrier 5 and finally from there at continues to be pre-wound with the same winding direction as the terminal 6 in the middle. In FIG. 2, 24 denotes the wire wound back and 25 the wire wound back. Between the Coil 5 and the conductor 2 can also be arranged an insulation material.
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