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BEZEICHNUNG: Eisenlose Stromwandleranordnung
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Die Erfindung betrifft eine eisenlose Stromwandleranordnung.
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Der zunehmende Einsatz elektronischer Meßeinrichtungen in der Starkstromtechnik
und der Energieversorgung, sowie auch der Einsatz von Regeleinrichtungen, bei denen
große Ströme zu messen sind, hat zu einem großen Bedarf an hochgenauen Stromwandlern
geführt, die einen großen Meßbereich aufweisen, ebenso wie geringe Abmessungen und
niedriges Gewicht, und die kostengünstig gefertigt werden können.
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Herkömmliche Stromwandler, mit Kernen aus ferromagnetischen Werkstoffen
und mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, gestatten nicht die oben ausgeführten
Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
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Andererseits sind Stromwandler ohne ferromagnetischen Kern, die als
11eisenlose" Stromwandler bezeichnet werden, für den Aufbau von Wandlern mit den
geforderten Eigenschaften grundsätzlich insofern geeignet, als störende Nichtlinearitäten
aufgrund der Kennwerte ferromagnetischer Werkstoffe, mit dem entsprechenden höheren
Gewicht, entfallen, Der bisherigen Verwendung in der Starkstrom-Meßtechnik standen
jedoch bisher die folgenden Nachteile entgegen: (a) Zur Aufrechterhaltung der linearen
Abhängigkeit der Sekundärgröße von der Primärgröße darf ein eisenloser Wandler nicht
belastet werden. Da Strommeßwandler stets eine gewisse Bürdeleistung aufbringen
mußten, waren sie in eisenloser Ausführung nicht herstellbar.
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(b) Eisenlose Meßwandler waren bisher höchstens als Strom-Spannungswandler
ausführbar. Dabei wiesen sie jedoch den erheblichen Nachteil auf, daß die Spannung
auf der Sekundärseite um 900 gegen den Strom auf der Primärseite verschoben und
ferner verzerrt war.
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Auch in der Anwendung im Bereich der Energieversorgung sind bisher
die bekannten Stromwandleranordnungen den Anforderungen, insbesondere bei Elektrizitätsmengenzählern
oder Kilowattstundenzählern in der Form einfacher Verrechnungsgeräte nur bedingt
gerecht geworden. Einfache Stromwandleranordnungen, die keinen Kompensations- oder
Regelkreis aufweisen und bis zu Strömen von maximal 100 A einsetzbar sind, nehmen
bei der geforderten Linearität, im Stromvariationsbereich im Verhältnis von 1:200,
bereits derart große Abmessungen an, daß ihr Einsatz in den obigen Kilowattstundenzählern
nahezu unmöglich ist. Die bisher bekannten eisenlosen Wandler eignen sich wegen
der oben angeführten Gründe nicht für den geforderten linearen Betrieb über den
genannten Variationsbereich.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine streufeldarme, eisenlose
Stromwandleranordnung mit stark verringerten hbmessullgen und dadurch kompakter
Bauform, die kostengünstig herstellbar ist und die obigen Anforderungen erfüllt,
nämlich eine große Linearität über einen weiten Variationsbereich des zu messenden
Stromes, dabei aber auch eine geringe Fremdfeldempfindlichkeit aufweist, zu schaffen.
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Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäße
eisenlose Stromwandleranordnung ist dadurch gekennzeichnet,
daß
sie einen als toroidförmigen Luftübertra6er ausgeführten Stromwandlertransformator
umfaßt, dessen Prirnarwicklung von dem zu messenden Strom durchflossen ist, sowie
einen ebenfalls als toroidförmigen tuftübertrager ausgeführten Kompensationstransformator,
daß der Stromwandlertransformator und der Kompensationstransformator gegeneinander
magnetisch entkoppelt sind, und die Sekundärwicklung des Stromwandlertransformators,
die Sekundärwicklung des Kompensationstransformators und ein erster Widerstand zur
Bildung eines Kompensationsstromkreises in Reihe geschaltet sind, daß der an dem
ersten Widerstand erscheinende, durch die Sekundärwicklung des Stromwandlertransformators
erzeugte Spannungsabfall einer gegengekoppelten Verstärkerschaltung zuführbar ist,
an deren Ausgangsanschluß ein dem zu messenden Strom proportionaler Strom abnehmbar
und als Rückführungsgröße zur Bildung eines Regelkreises der Primärwicklung des
Kompensationstransformators zuführbar ist, derart, daß in der Sekundärwicklung dieses
letzteren eine dem Strom durch die Sekundärwicklung des Stromwandlertransformators
entgegenwirkende Spannung erzeugt, und damit der Stromfluß durch die Sekundärwicklung
des Stromwandlertransformators und durch die Sekundärwicklung des Kompensationstransformators
bis auf die bleibende Regelabweichung aufgehoben wird, daß die Wandlerkonstante
der Stromwandleranordnung durch Veranderung der Windungszahl aller Wicklungen beeinflußbar
ist, insbesondere durch Ändern des Windungszahlverhältnisses der beiden Sekundärwicklungen,
daß der dem zu messenden Strom proportionale Strom nach Durchfließen der Primärwicklung
des Kompensationstransformators als dem Meßwert proportionale Größe und als Ausgangsstrom
an einem Ausgangsanschluß der Stromwandleranord
nung abnehmbar
ist, und daß der StromwandlertransfoI^rnator, der Kompensationstransformator, der
erste Widerstand und die gegengekoppelte Verstärkerschaltung in einem hochpermeablen
Abschirmgehäuse zur Schirmung gegen störende äußere Felder angeordnet sind. Sollte
die Primärwicklung des Stromwandlertransformators aus einer einzigen Windung bestehen,
und eine niedrige Impedanz bei der Primärwicklung des }compensationstransforinators
erwünscht sein, so ist es sinnvoll, die Änderung der Wandlerkonstante durch Änderung
des Windungszahlverhältnisses der beiden Sekundärwicklungen zueinander herbeizuführen.
Andererseits ist es aber auch möglich, daß die Primärwicklung des Stromwandlertransformators
für die Messung niedriger Ströme aus einer Vielzahl von Windungen besteht.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann eine Meßvorrichtung oder Verstärkerschaltung
niedriger Eingangsimpedanz zwischen den Ausgangsanschluß der Stromwandleranordnung
und Massepotential geschaltet werden, derart, daß sie vom Ausgangsstrom durchflossenwird,
oder aber es kann ein Meßwiderstand mit vorbekanntem Widerstandswert zwischen den
Ausgangsanschluß der Stromwandleranordnung und Massepotential geschaltet werden,
derart, daß an ihm ein dem Ausgangsstrom proportionaler Spannungsabfall auftritt,
der einer nachgeschalteten Meßvorrichtung oder Verstärkerschaltung hoher Eingangsimpedanz
zugeführt wird.
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Damit wird die erfindungsgemäße Wandleranordnung vielseitig einsetzbar.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die eisenlose Wandleranordnung,
die den Vorteil der festen Kopplung wie bei Wandlern mit Eisenkernen mit dem linearen
Verhalten des eisenlosen Wandlers verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß
die
Primärwicklung des Stromwandlertransformators als eine einzelne Windung auf dem
toroidförmigen Spulenkörper dieses letzteren Transformators ausgeführt ist, während
die Sekundärwicklung dieses Transformators gleichförmig auf demselben Spuenkörper
derart aufgebracht ist, daß sich ein möglichst hoher Kopplungsgrad und gleichzeitxg
damit ein möglichst geringer Streugrad ergeben, daß zur Erzielung geringer Einspeisungsverluste
die Primärwicklung des Kompensationstransformators mit großem Drahtdurchmesser,
und die Sekundärwicklung mit verhältnismäßig hoher Windungszahl, jedoch niedrig
Drahtdurchmesser, ausgeführt und, übereinanderliegend, gleichmäßig auf dem toroidförmigen
Spulenkörper derart verteilt sind, daß sich ein möglichst hoher Kopplungsgrad und
gleichzeitig damit ein möglichst geringer Streugrad ergibt, daß der Stromwandlertransformator
und der Komp ensationstransformator der Stromwandleranordnung mittels einer zwischen
ihnen eingefügten, hochpermeablen Entkopplungsplatte und eines beide Transformatoren
umgebenden, hochpermeablen, zylinderförmigen Abschirmbechers mit zugehörigem, ebenfalls
hochpermeablem Abschirmdeckel gegeneinander entkoppelt und gegen äußere Magnetfelder
geschützt sind, daß die genannte Verstärkerschaltung als Operationsverstärker ausgeführt
ist, dessen nicht umkehrender Eingang mit dem mit der Sekundärwicklung des Stromwandlertrans-.
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formators verbundenen Anschluß des ersten Widerstandes verbunden ist,
daß der umkehrende Eingang der als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkerschaltung
über eine Parallelschaltung aus einem zweiten Widerstand und einem Kondensator mit
Massepotential und über einen dritten Widerstand zur Erzielung einer Gleichspannungsgegenkopplung
mit dem Ausgangsanschluß der als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkerschaltung
verbunden
ist, daß der Ausgangsanschluß mit einem Anschluß der Primärwicklung des Kompensationstransformators
verbunden ist, die von dem dem zu messenden Strom proportionalen Strom durchflossen
ist,-der an dem zweiten, mit dem Ausgangsanschluß der Stromwandleranordnung verbundenen
Anschluß der Primärwicklung des Kompensationstransformators als der genannte Ausgangsstrom
abnehmbar ist, wobei an der Sekundarwicklung des Kompensationstransformators die
Spannung erzeugbar ist, die zur Kompensation des durch die Sekundärwicklung des
Stromwandlertransformators fließenden Stromes führt, derart, daß gilt: 1a kH C kle>
Ci) wobei Ie der zu messende Strom, 1a der Ausgangsstrom und k die Wandlerkonstante
der Stromwandleranordnung darstellt, und daß der erste, zweite und dritte Widerstand
und der genannte Kondensator, ebenso wie die als Operationsverstärker ausgeführte
Verstärkerschaltung durch den genannten Abschirmbecher und Abschirmdeckel gegen
äußere Störfelder geschützt sind.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist zwischen der gleichförmig
über den toroidförmigen Spulenkörper aufgebrachtgn Primärwicklung und der ebenfalls
gleichförmig darüber aufgebrachten Sekundärwicklung des Kompensationstransformators
eine statische Abschirmung aus einer Metallfolie eingelegt, die mit Massepotential
verbunden ist.
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Somit werden beim Erfindungsgegenstand die eingangs genannten Nachteile
beseitigt, dabei werden die Vorteile des eisenlosen Wandlers vollständig zur Geltung
gebracht. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Kompensation ist der
Strommeßwandler gemaß der Erfindung, ohne ferromagnetischen Kern, ohne Schwierigkeiten
am Ausgang seiner Verstärkerschaltung belastbar und liefert am Ausgangsanschluß
dieser Verstärkerschaltung einen Ausgangsstrom, der praktisch frei von Winkelfehlern
und Verzerrungen gegenüber dem zu messenden Strom ist, dabei haben Toroid- oder
Ringkernübertrager, wie sie beim Erfindungsgegenstand eingesetzt werden, selbst
beim Fehlen ferromagnetischer Kernwerkstoffe den Vorzug, bei vollständiger Bewicklung
und bei übereinanderliegender Primär- und Sekundärwicklung sehr streuungsarm zu
sein und damit einen hohen Kopplungsgrad aufzuweisen.
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Aufgrund seiner kompakten und leichten Bauweise ist für die erfindungsgemäße
Wandleranordnung beispielsweise auch ein Elektrizitätszähler-Isoliergehäuse nach
DIN 43 857, sl. 2, hinreichend stabil und geräumig, um neben anderen erforderlichen
Baugruppen drei derartige Stromwandleranordnungen aufzunehmen. Ferner eignen sich
erfindungsgemäße Stromwandleranordnungen auch wegen ihrer niedrigen Herstellungskosten
zum einsatz in einfachen und preiswerten Elektrizitäts-Verrechnungszählern.
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In ihren Betriebsverhalten ähnelt die erfindungsgemäße Stromwandleranordnung
einem herkömmlichen Stromwandler. Der abnehmbare Ausgangsstrom der erfindungsgemäßen,
geregelten Stromwandleranordnung ist, nach Maßgabe der Wandlerkonstanten k der Gesamtanordnung,
dem zu messenden Strom proportional und kann auch an dem außerhalb der Schaltung
selbst angeordneten Meßwiderstand einen für die Messung des Stromes in der
Primärwicklung
des Stromwandlertransformators oder bei Elektrizitätszählern zur Messung der Elektrizitätsmenge
verwendbaren, entsprechenden Spannungsabfall erzeugen. Andererseits gestattet die
Wandleranordnung aber auch, den Ausgangsstrom selbst einem Meßwerk eines Instrumentes
beispielsweise zuzuführen, wobei dieser Strom dann zum Massepotential hin zurückfließen
muß. Dabei wird die für Meßzwecke, insbesondere bei elektromechanischen Meßwerken
oder Schreibern erforderliche Leistung durch die zu der erfindungsgemäßen Wandleranordnung
gehörende Verstärkerschaltung aufgebracht.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung folgen aus
der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung eines Au führungsbeispiels und anhand
der beigefügten Zeichnungen.
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Es zeigen: Fig. 1: das Schaltbild der erfindungsgemäßen Stromwandleranordnung,
und Fig. 2: eine schaubildliche Explosionsdarstellung der die erfindungsgemäße Stromwandleranordnung
bildenden, wesentlichen Bestandteile.
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In Fig. 1 ist eine allgemein mit 20 bezeichnete Stromwandleranordnung
nach der Erfindung dargestellt. Die wichtigsten Bestandteile der Anordnung sind
dabei ein als toroidförmiger "eisenloser" oder Luftübertrager ausgeführter Stromwandlertransformator
Tr1 und ein zweiter, ebenfalls als toroidförmiger Luftüb ertrag er ausgeführter
Kompensationstransformator
Tr2; denn derartige toroidförmig ausgeführte
tJbertiaer, bei denen die Wicklungen gleichförmig und dicht übereinander auf dem
nicht ferromagnetischen, toroidförmigen Spulenkörper, beispielsweise aus Kunststoff,
aufgebracht sind, zeichnen sich durch einen besonders geringen Streugrad, und damit
einen verhältnismäßig hohen Kopplungsgrad zwischen Primär- und Sekundärwicklungen
aus.
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Die Primärwicklung W1 des Stromwandlertransformators Tr1 besteht,
wie es insbesondere in Fig. 2 zu erkennen ist, aus einer durch die mittige Ausnehmung
des Toroids geführte Leiterschleife, sie kann aber auch als eine einzelne Windung
ausgeführt sein. Andererseits ist es aber auch möglich, daß die Primärwicklung W1
des Stromwandlertransformators Tr1 zum Zweck der Messung niedriger Ströme aus einer
Vielzahl von Windungen besteht. Durch diese Primärwicklung W1 fließt, zwischen den
gegenüber der übrigen Schaltung potentialfreien Eingangsanschlüssen 1 und 2, der
zu messende Strom Ie.
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Der zu messende Strom Ie am Eingang der Stromwandleranordnun20 durchfließt
die Primärwicklung W1 des Stromwandlertransformators Trl und hat an der Sekundärwicklung
W2 eine Spannung zur lrlolLte, die mit der komplexen Addition der Spannung W4 des
Kompensationstransformators Tr2 zu einer Differenzspannung gegen 0 Volt führt, die
als bleibende Regelabweichung zu bezeichnen ist. An den Anschluß 3 der Sekundärwicklung
W2 und an das mit M bezeichnete Massepotential der Anordnung ist ein erster Widerstand
R1 angeschlossen. Der zweite Anschluß 4 der Sekundärwicklung W2 ist mit einem Anschluß
7 der Sekundärwicklung W4 des Kompensationstransformators Tr2 verbunden, deren zweiter
Anschluß 8 auf Massepotential M liegt. So ergibt sich
als Reihenschaltung
der Sekundärwicklungen W2 und W4 mit dem ersten Widerstand R1 ein Kompensationsstromkreis,
in dem ein Strom I2 fließt, der jeweils über die Sekundärwicklungen W2 und W4 in
den beiden Transformatoren Tr1 und r2 einen dem durch die Primärwicklungen W1 und
W erzeugten magnetischen Fluß entgegenwirkenden Gegenfluß erzeugt.
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An dem ersten Widerstand R1 hat der Strom 12 den Spannungsabfall I2R1
zur Folge, der dem nicht umkehrenden Eingang 9 einer vorzugsweise als Operationsverstärker
ausgeführten Verstärkerschaltung A1 zugeführt wird. Der Ausgang ii dieser Verstärkerschaltung
A1 gibt einen, dem genannten Spannungsabfall an dem ersten Widerstand R1 proportionalen
Strom 13 ab, der zu einem Anschluß 6 der Primärwicklung W3 des Kompensationstransformators
Ur2 geleitet wird, diese Wicklung durchfließt und von einem zweiten Anschluß 5 derselben
zu einem Ausgangsanschluß 12 der Stromwandleranordnung 20 geführt ist und dort als
dem zu messenden Strom 1e proportionaler Ausgangsstrom 1a zur Verfügung steht. Hier
kann nun eine (nicht dargestellte) Meßvorrichtung, beispielsweise das Meßwerk eines
Instrumentes oder Elektrizitätszählers, oder eines Verstärkers, zwischen den Ausgangsanschluß
12 und Massepotential M gelegt werden, wobei die Impedanz am Eingang einer solchen
Meßvorrichtung oder eines solchen Verstärkers niedrig sein soll, weil sie vom Ausgangsstrom
1a durchflossen iste Weist die nachgeschaltete Meßvorrichtung oder Verstärkerschaltung
eine hohe Eingangsimpedanz auf, so ist, wie in Fig, 1 dargestellt, ein Meßwiderstand
Rx von vorbestimmter Größe zwischen den Ausgangsanschluß 12 und Massepotential M
zu
legen. Der am Meßwiderstand Rx durch den Ausgangsstrom 1a verursachte Spannungsabfall
IaRx ist dem zu messenden Strom 1e am Eingang proportional.
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Die Primärwicklung W3 und die Sekundärwicklung W4 des Kompensationstransformators
Ur2 sind derart ausgelegt und geschaltat, daß der durch die Primärwicklung W3 Llielsende
Strom I3, der die Rückführungsgröße zur Bildung eines Regelkreises darstellt, an
der Sekundärwicklung W4 eine Spannung U4 zur Folge hat, die den Strom I2 in dem
aus den Sekundärwicklungen W3 und W4 und dem ersten Widerstand R1 gebildeten Kompensationsstromkreis
bis auf eine bleibende Regelabweichung gegen null zurückgehen läßt. Mit einer der
Stromwandleranordnung 20 zugeordneten Wandlerkonstanten k ergibt sich für diesen
Gleichgewichtsfall, wo zwei gegeneinander gerichtete Spannungen im Kompensationsstromkreis
wirksam sind, und für I2 = O : 1a = kIe Ci) An dem Mittelpunkt M zwischen den beiden
Sekundärwicklungen p W2 und W4 steht nun eine Spannung, die aber aufgrund der Ausgewogenheit
der beiden Sekundärwicklungen zu keinem Stromfluß durch diese führt. Bei günstiger
Anordnung und Dimensionierung der Wicklungen, wenn diese insbesondere gleichförmig
und dicht übereinander zur Erzielung eines möglichst hohen Kopplungsgrades ausgeführt
sind, wird eine verhältnismäßig feste Kopplung bei sehr geringer Streuung erreicht.
Dabei werden ubertragungsfehler,
wie beispielsweise Klirrfaktoren
und Linearitatsabweichungen, wie sie bei herkömmlichen eisenlosen Strom-Spannurlgswandlern
auftreten, durch die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung mit dem dem Stromwandlertransformator
Tr1 zugeordneten Kompensationstransformator Tr2 und der Verstärkerschaltung A1 mit
dem Rückführungskreis kompensiert.
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Um stabil zu arbeiten, ist die als Operationsverstärker ausgeführte
Verstärkerschaltung A1 mit einer Gleichspannungs-Gegenkopplungsschaltung zwischen
dem Ausgang Ii und dem umkehrenden Eingang 10 ver5ehen Diese Gegenkopplungsschaltung
besteht aus einem zweiten, zwischen den umkehrenden Eingang 10 und Massepotential
M gelegten Widerstand R2, mit dazu parallelgeschaltetem Kondensator C1, und aus
einem zwischen den Ausgang 11 und den umkehrenden Eingang 10 gelegtan dritten Widerstand
R3.
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Ganz allgemein ist die Wandlerkonstante k der Stromwandleranordnung
20 durch die Veränderung der Windungszahlen der vier Wicklungen W1-W4 in der gewünschten
Weise beeinflußbar.
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Geht man nun beispielsweise davon aus, daß die Windungszahlen N2 und
N4 der Sekundärwicklungen W2 und W4 einander gleich sind, wobei die Kopplungsgrade
beider Transformatoren Tr1 und Tr2 annähernd einander gleich sind, so gilt die folgende
Beziehung: Ie/I3 = Ie/Ia = N3/N1 . (2) Es sind darin N1 und N3 die Windungszahlen
der Primärwicklungen W1 bzw. W3, und damit wird aus der Beziehung nach Gleichung
(1):
1a = 18(N1/N3). (3) Diese Beziehung gilt dann exakt, wenn
der Stromwandlertransformator Tr1 und der Kompensationstransformator Ur2 gleiche
Kopplungsgrade 'aufweisen, Andererseits wirken sich nun verschiedene Kopplungsgrade
bei den Transformatoren Tr1 und Ur2 auf den Absolutwert der Wandlerkonstanten k
aus, beeinflussen die Linearität Jedoch überhaupt nicht. Man hat die Möglichkeit,
in der nachfolgenden (nicht dargestellten) Meßvorrichtung oder Mefischaltung eine
Abgleichmöglichkeit, wie beispielsweise einen Potentiometerabgleich zur genauen
Einstellung eines Verhältnisses von Ie zu einer entsprechenden Spannung in der Meßvorrichtung
oder Meßschaltung.
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Aus den obigen Ausführungen folgt nun, daß die Wandlerkonstante k
am einfachsten durch Veränderung des Windung zahlverhältnisses NvN4 der beiden Sekundärwicklungen
W2 und W4 beeinflußbar ist. Wegen der vernachlässigbar geringen Ströme in dem aus
den Sekundärwicklungen W2 und W4 und dem ersten Widerstand R1 gebildeten Kompensationsstromkreis
kann bei diesen beiden Wicklungen der Drahtdurchmesser besonders klein gewählt werden.
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Ganz gleich, ob der Nennhöchstwert einer erfindungsgemäßen Stromwandleranordnung
beispielsweise 10 oder 100 A beträgt, so besteht die Primärwicklung W1 des Stromwandlertransformators
Tr1 aus einer einzigen Windung, wie bereits oben erwähnt wurde.
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Die Primärwicklung W3 des Kompensationstransformators Tr2 sollte derart
dimensioniert werden, daß ihre Impedanz niedrig bleibt, um die Verluste der Stromwandleranordnung
20 ölichst gering zu halten, d.h. der Drahtdurchmesser dieser Wicklung wird verhältnismäßig
groß gewählt.
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Wenn die Primärwicklung W1 des Stromwandlertranstorraators rir aus
einer einzigen Windung bestehen soll, und eine niedrige Impedanz bei der Primärwicklung
W3 des Komp ensationstransformators Tr2 erwünscht ist, so ist es angebracht, die
Änderung der Wandlerkonstanten k durch Änderung des Windungszahlverhaltnisses NN4
der beiden Sekundärwicklungen, W2 und W4, zueinander herbeizuführene Mit Rücksicht
auf den erzielbaren Kopplungsgrad ist der Gesamtkupferquerschnitt der Wicklungen
Wi und W2, bzw. der Wicklungen W und W der Transformatoren Tr1 bzw. Tr2 klein gegenüber
3 4 dem Spulenkörperquerschnitt zu wählen. Man wählt vorzugsweise ein Verhältnis
des Gesamtkupferquerschnitts zum Spulenkörperquerschnitt von weniger als 1:10. Die
toroidförmigen Spulenkörper sind dabei vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt.
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Es ist ferner vorteilhaft, zur Unterdrückung von Störeinflüssen, zur
Verminderung der störenden Teilkapazität zwischen der Primärwicklung W3 und der
Sekundärwicklung W4 des Kompensationstransformators Tr2 eine mit einer Metallfolie
ausgeführte statische Abschirmung 13 einzubringen, die mit Massepotential verbunden
ist.
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Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 umfaßt die erfindungsgemäße Stromwandleranordnung
20 einen hochpermeablen Abschirmbecher 15 mit einem zugeordneten, hochpermeablen
Abschirmdeckel 16, der diesen gegen Störfelder von außen dicht abschließt.
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In dem Abschirmbecher 15 befindet sich die gesamte Schaltungsanordnung,
wie noch weiter unten beschrieben wird.
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Damit die Transformatoren Ur1 und Tr2 nicht aufeinander koppeln, d.h0
magnetisch gegeneinander völlig entkoppelt sind, ist zwischen ihnen eine hochpermeable
Entkopplungsplatte 14 vorgesehen, die genau in den Abschirrnbecher 15 eingepaßt
ist.
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Bei der Durchleitung und Anordnung des den hohen zu messenden Strom
1e von beispielsweise bis zu 100 A führenden, als Primärwicklung W1 ausgeführten
Leiters ist darauf zu achten, daß durch das mit dem Eingangsstrom 1e verkettete,
starke magnetische Feld die Permeabilität des Abschirmbechers 15, der aintkopplungsplatte
14 und des Abschirmdeckels 16 nicht unzulässig weit herabgesetzt wird und unter
Umständen den Sättigungswert von /uhr=1 annimmt, weil dadurch die Schirmwirkung
der aus dem ALschirmbecher 15, der Entkopplungsplatte 14 und dem Abschirmdeckel
16 gebildeten Anordnung verloren ginge, wenn also die Primärwicklung W1 einen Teil
der. Abschirmanordnung, bei ihrern Ein- und Austritt an verschiedenen Stellen umschließen
würde. Da jedoch bei der bevorzugten Ausführungsform der Leiter der Primärwicklung
W1 an ein- und derselben Stelle der Åbschirmanordnung ein- und herausgeführt ist,
kompensieren sich die Komponenten des magnetischen Feldes im Bereich der Abschirmanordnung.
Dieselben
Uberlegungen ten auch für starke äußere magnetische Felder, die auf die Abschirmanordnung
einwirken könnten.
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Gemäß den obigen Ausführungen sind die in Einsatz gebrachten toroidförmig
und eisenlos ausgeführten Transformatoren Tri und Tr2 selbst streufeldarm nach außen
hin, denn der magnetische Fluß ist aufgrund der gewählten Wicklungsanordnung weitgehend
im Inneren der Toroide konzentriert, andererseits bewirkt die magnetische Entkopplung
mittels der Entkopplungsplatte 14 und des .Abschirmbechers 15 und Abschirmdeckels
16, daß keine äußeren Fremdfelder, bei Fernhaltung starker magnetischer Felder,
wie oben erläutert, auf die Stromwandleranodrnung 20 einwirken können.
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Nach Fig. 2 befinden sich der toroidförmig ausgeführte Kompensationstransformator
Tr2, die als kreisförmige Scheibe ausgeführte hochpermeable Entkopplungsplatte 14,
der toroidförmige Btromwandlertransformator Tr1, sowie eine als kreisförmige Scheibe
ausgeführte, den ersten, zweiten und dritten Widerstand R1,R2'R3, den Kondensator
C7 und die genannte Verstärkerschaltung A1 tragende Schaltungsplatine 21 in dem
zylinderförmig ausgeführten Abschirmbecher 5, und zwar in einer solchen nebeneinanderstehenden
Anordnung, daß die Mittelpunkte aller dieser kreis- oder ringförmigen Bauteile mit
der Längsmittelachse des Abschirmbechers 15 zusammenfallen.
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Alle diese Bauteile werden vorzugsweise nach ihrer Einbringung in
den Abschirmbecher 15 durch eine Vergußmasse in diesem fixiert, wodurch sich eine
besonders einfache und kostengünstige Montage der Anordnung ergibt.
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Die Wicklungen W1,W2,W3 und W4werden vorteilhaft auf einen Kunstoffringkern
aufgebracht. Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden Ringkern-Spulenkörper
mit kreisförmigem Querschnitt, mit einem lichten Innendurchmesser Di = 72mm und
einem Außendurchmesser Da = 32mm, verwendet. Ebenso können aber auch Ringkern-Spulenkörper
mit quadratischem Querschnitt verwendet werden. Aus den genannten Abmessungen erkennt
man bereits die besonders kleinen Abmessungen eines nach der Erfindung aufgebauten
Stromwandlers.
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Es ist durchaus möglich, daß infolge der Gleichspannungsverschiebung
oder Offset-Spannung des Operationsverstärkers in der verstärkerschaltung A1 der
AusgangsgröIbe 1a ein Gleichstromanteil überlagert ist. Jedoch wird dieser Gleichstromanteil
in einer nachgeschalteten (nicht dargestellten) Meßvorrichtung oder Meßschaltung,
beispielsweise einer Analogspannungs-Multiplikatorschaltung bei elektronisch arbeitenden
Elektrizitätszählern, wieder unterdrückt.
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Mit einer gemäß der Erfindung aufgebauten Stromwandleranordnung kann
ein Stromvariationsbereich von 1:1000, mit einem unter 0,5 % liegenden Fehler durchlaufen
werden denn durch das Einbringen eines Kompensationstransformators Dr2 mit einer
Rückführung von einer Verstärkerschaltung A1, die dem eigentlichen Stromwandlertransformator
Tor1 nachgeschaltet ist, werden die sonst bei Strom-Spannungs-Wandlern üblichen,
eingangs genannten Ubertragungsfehler kompensiert. Dem als Primärwicklung anzusehenden
Leiter W1 der den eisenlosen Stromwandlertransformator
Tr1 als
Leiterwindung oder -schleife durchsetzt, wird keine Leistung entnommen, und dieser
ist keiner nennenswerten Gegeninduktion ausgesetzt; die zum Betrieb eines Meßwerkes
erforderliche Leistung wird im vorliegenden Fall von der Verstärkerschaltung A1
aufgebracht.
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Zur Anpassung der Wandlerkonstanten k an verschiedene mögliche Betriebsfälle,
bzw. gewünschte Meßbereiche, führt man vorteilhafterweise die Primärwicklungen W1
und W3 des Stromwandlertransformators Tor1, bzw, des Kompensationstransformators
Tr2 mit festgelegten Windungszahlen N1 bzw. N3 aus, während die Windungszahlen N2
und N4 der beiden zugeordneten Sekundärwicklungen W2 und W4 veränderbar gemacht
werden.
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Als hochpermeablen Werkstoff wählt man vorzugsweise Mumetall, unter
Beachtung der oben genannten Maßnahmen zur Gewährleistung der Schirmwirkung.
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Die erfindungsgemäße Stromwandleranordnung ist wie ein herkömmlicher
Stromwandler einsetzbar. Der beim Ausgang 12 der Stromwandleranordnung 20 abnehmbare
Ausgangsstrom 1a ist im Rahmen der genannten, äußerst geringen Fehlergrenzen dem
zu messenden Strom 1e am Eingang proportional. Man kann diesen Strom selbst für
Meßzwecke in niederohmigen Meßvorrichtungen oder Verstärkern niedriger Eingangsimpedanz
nutzen, oder den an dem Meßwiderstand Rx auftretenden Spannungsabfall IaRx bei Verwendung
von Meßschaltungen mit hoher Eingangsimpedanz0
Durch die kompakte
Ausführung der Stromwandleranordnung nach Fig. 2 ergibt sich ein universell einsetzbarer
Stromwandler kleiner Abmessungen und geringen Gewichtes. Damit ist es auch möglich,
die erfindungsgemäße Stromwandleranordnung bei preiswerten Elektrizitätszählern,
insbesondere auch bei Verrechnungszählern, einzusetzen. So kann man beispielsweise
drei derartige Stromwandleranordnungen in einem herkömmlichen Elektrizitätszähler-Isoliergehäuse
nach DIN 43 957 957, Bl. 2, für die Strommessung bei einem Dreiphasensystem unterbringen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Abwandlungen der
Ausführungsform denkbar, so können die beiden Transformatoren r1 und Tr2 und die
Schaltungsplatine 21 anders in dem Abschirmbecher angeordnet sein, ebenso kann das
aus den hochpermeablen Bauteilen 14,15,16 aufgebaute Abschirmgehäuse anders als
bei der dargestellten Ausführungsform aufgebaut sein, ebenso kann, wenn gewünscht,
eine Meßschaltung ebenfalls auf der Schaltungsplatine 21, neben der Verstärkerschaltung
A1, untergebracht sein.
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L e e r s e i t e