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Beschreibug
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Die Erfindung betrifft ein stroxmleßgerät, insbesondere ein Strommeßgerit
mit Inagneti.scllem Verstärker, das mit einem Nebenschlußstromkreis ausgerüstet
ist, wobei die Anordnung zur Messung von hohen Strömen in isoliertem Zustand geeignet
ist.
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Um einen Gleichstrom in isoliertem Zustand zu messen, hat man ein
Strommeßgerät mit magnetischem Verstärker verwendet, das eine Kombination aus einer
Sättigungsdrossel und einer Halbleiterschaltung aufweist, wie z.B. in der JP-OS
110092/1977 beschrieben ist. Wenn ein Strom bei einigen Tausend Volt oder einigen
Zehntausend Volt mit einem Strommeßgerät dieser Art zu messen ist, werden jedoch
sowohl die Sättigungsdrossel als auch die Halbleiterschaltung unvermeidlicherweise
größere Abmessungen erhalten, so daß nicht nur die Herstellungskosten höher werden,
sondern auch eine große Leistungsaufnahme bei der Strommessung erforderlich ist.
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Andererseits ist ein Strommeßgerät einer anderen Bauart in "Denki
Gakkai Kenkyukai Shiryo (Documents of Research Section, Electroengineering Society),
MAG-80-37-43, Seiten 53 bis 59, 31. Mai 1980 beschrieben. Dieses Gerät sorgt dafür,
daß ein Hauptstromkreis-Strom 1d durch einen Hauptstromkreis-Leiter und einen Nebenschlußstromkreis-Leiter
fließt, die parallel zueinander geschaltet sind, und mißt einen Strom Is' der durch
den Nebenschlußstromkreis-Leiter fließt, Wenn bei diesem Gerät ein Leiter mit einem
niedrigen Widerstand, wie z.B. Kupfer, für den Hauptstromtreis-Leiter verwendet
wird, kann die Wärmeentwicklung begrenzt und das Gerät hinsichtlich seiner Größe
verringert werden, jedoch treten die nachstehenden Probleme auf: (1) Auch wenn der
zu messende Strom 1d ein reiner Gleichstrom ist, enthält die Ausgangswellenform
eine Wechselspannungs-Welligkeit.
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(2) Es tritt ein Überschwingen bei der Ausgangswellenform auf, wenn
der zu messende Strom sich stark oder
abrupt ändert.
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(3) Das Nebenschlußverhältnis ändert sich in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen,
wie z.B. der Umgebungstemperatur, so daß die Genauigkeit der Stromstärkemessung
abnimmt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Strommeßgerät mit magnetischem
Verstärker und einem Nebenschluß-Stromkreis anzugeben, bei dem die Wellenform des
zu messenden Stromes in guter Übereinstimmung mit der des Meßausgangssignales steht.
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Das erfindungsgemäße Strommeßgerät zeichnet sich dadurch aus, daß
die Meßausgangs-Wellenform keine Wechselspannungswelligkeit aufweist, daß kein überschwingen
bei der Ausgangswellenform erfolgt und daß keine Verringerung der Meßgenauigkeit
auftritt, auch wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß man den
zu messenden Strom durch einen Hauptstromkreis-Leiter und einen Nebenschlußstromkreis-Leiter
fließen läßt, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei der Hauptstromkreis-Leiter
und der Nebenschlußstrom-Leiter auf einen Kern gewickelt und über den Kern magnetisch
miteinander gekoppelt sind und wobei die Wicklungsrichtung des Nebenschlußstromkreis-Leiters
so gewählt istr daß die Richtung des Feldes, daß von dem Hauptstromkreis-Leiter
erzeugt wird, entgegengesetzt zu der vom Nebenschlußstromkreis-Leit.er erzeugten
Feldrichtung ist, und daß ein durch den Nebenschlußstromkreis fließender Strom vom
Strommeßgerät mit magnetischem-Verstärker gemessen wird.
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Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung weist das
Strommeßgerät eine erste Strommeßeinrichtung mit magnetischem Verstärker zur Messung
des durch den Nebenschlußstromkreis-Leiters fließenden Stromes -parallel zum Hauptstromkreis-Leiter,
eine zweite Strommeßeinrichtung mit magnetischem Verstärker zur Messung der Differenz
der Amperewindung eines Stromes, der durch den Hauptstromkreis-Leiter fließt, und
der eines Stromes, die
durch den Nebenclußstomkrei-Leiter fließt,
sowie eine Ausgangsschaltung auf, um die Summe der Ausgangsspannungen der ersten
und zweiten Strommeßeinrichtungen mit magnetischem Verstärker aufzunehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt in Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gerätes;
und Fig. 4 ein Blockschaltbild der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gerätes.
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Fig. 1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strommeßgerätes, wobei ein Nebenschlußstromkreis-Leiter 12
parallel zu einem Hauptstromkreis-Leiter 10 dargestellt ist. In diesem Falle, läßt
sich die folgende Gleichung zwischen einem zu messenden gesamten Gleichstrom ld,
einem durch den Hauptstromkreis-Leiter 10 fließenden Strom I und einem durch den
Nebenm schlußstromkreis 12 fließenden Strom Is aufstellen: Id = Im Is ...............
(1).
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Der Nebenschlußstromkreis-Strom Is, , der durch den Nebenschlußstromkreis-Leiter
12 fließt, wird mit einer unipolaren Strommeßeinrichtung 14 mit magnetischem Verstärker
gemessen.
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Die Strommeßeinrichtung 14 weist folgende Baugruppen auf: zwei sättigbare
Kerne 16, 18, durch welche der Nebenschlußstromkreis-Leiter 12 hindurchgeht, durch
welchen der zu messende Strom fließt; Ausgangswicklungen 20, 22, die auf diese sättigbaren
Kerne 16, 18 aufgewickelt sind; vier Dioden 28, 30, 32, 33, die in einer solchen
Anordnung miteinander verbunden sind, daß ein Strom von einer Wechselspannungsquelle
24 abwechselnd den Ausgangswicklungen 20,
22 zugeführt wird, um
einen der sättigbaren Kerne in den nicht-gesättigten Zustand zu-bringen, und daß
eine Gleichspannung an den beiden Enden eines Lastwiderstandes 26 erzeugt wird,
und zwar durch einen Strom Il durch die Ausgangswicklungen 20, 22 in Abhängigkeit
von dem durch den Nebenschlußstromkreis-Leiter 12 fließenden Strom Is; sowie Widerstände
34, 35, die parallel zu den Dioden 28, bzw. 30 geschaltet sind.
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Wenn der Nebenschlußstromkreis-Strom 1 durch diese 5 Strommeßeinrichtung
14 fließt, so fließt der durch die nachstehend angegebene Gleichung ausgedrückte
Strom 1 durch die Ausgangswicklungen 20, 22 einer Sättigungsdrossel 36, die mit
den sättigbaren Kernen 16, 18 und den Ausgangswicklungen 20, 22 ausgerüstet ist.
Die Stromstärke 1 läßt sich folgendermaßen ausdrücken:
wobei Na die Anzahl der Wicklungen der Ausgangswicklungen 20, 22 ist.
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Dementsprechend läßt sich die an den beiden Anschlußklemmen 27, 29
des Lastwiderstandes 26 erzeugte Spannung, also die Ausgangsspannung Edl der Strommeßeinrichtung
14, durch die nachstehende Gleichung ausdrücken: Ed1 = Il#Rl ............. (3),
wobei Rg der Widerstand des Lastwiderstandes 26 ist.
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Der Eingangsstrom Is der Strommeßeinrichtung 14 ist proportional
zu seiner Ausgangs spannung Edl innerhalb des Bereiches Is > 0, wie es in Fig.
2A dargestellt ist. Fig.
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2C zeigt die Ausganyswellenform des Anstiegstromes eines Thyristorzerhackers,
und dies ist die gleiche wie die Wellenform des momentanen Stromstärkenwertes, der
im isolierten Zustand gemessen wird; außerdem ist die letztere Wellenform unter
Verwendung eines nicht-induktiven Nebenschlusses in Fig. 2B dargestellt.
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Eine bipolare Strommeßeinrichtung 40 mit magnetischem Verstärker
ist vorgesehen, um einen Wert (Im - NSIs) als Differenz zwischen der Stromstärke
I des durch den Hauptm stromkreis-Leiter 10 fließenden Stromes und dem Produkt eines
vorgegebenen Vielfachen N und der Stromstärke 5 des durch den Nebenschlußstromkreis-Leiter
12 fließenden Stromes, also NSIs, zu erhalten. Diese Strommeßeinrichtung 40 mißt
die Differenz zwischen der Amperewindung des durch den Hauptstromkreis-Leiter 10
fließenden Hauptstromkreis-Stromes 1 und der Amperewindung des durch den Nebenschlußm
stromkreis-Leiter 12 fließenden Nebenschlußstromkreis-Stromes und erzeugt ein Ausgangssignal,
das proportional zu der Differenz Im - NsIs ist. Die Strommeßeinrichtung 40 weist
folgende Baugruppen auf: zwei sättigbare Kerne 42, 44, durch welche der Hauptstromkreis-Leiter
10 hindurchgeht; Ausgangswicklungen 46, 48, die auf die sättigbaren Kerne 42 bzw.
44 aufgewickelt sind; vier Dioden 54, 56, 58 und 60, die so miteinander verbunden
sind, daß abwechselnd ein Strom von einer Wechselspannungsquelle 50 den Ausgangswicklungen
46, 48 zugeführt wird, um dadurch einen der sättigbaren Kerne in den nicht-gesättigten
Zustand zu bringen, wobei eine Gleichspannung an den beiden Anschlußklemmen 52,
53 eines Lastwiderstandes 51 durch einen durch die Ausgangswicklungen 46, 48 fließenden
Strom 1 erzeugt wird, und zwar im Verhältnis zu der Differenz zwischen der Stromstärke
1 des durch den Hauptstromkreis-Leiter 10 fließenden m Stromes und dem Produkt eines
vorgegebenen Vielfachen N 5 und der Stromstärke 1 des durch den Nebenschlußstromkreis-5
Leiter 12 fließenden Stromes; Vorspannungswicklungen 62, 64, die auf die sättigbaren
Kerne 42 bzw. 44 aufgewickelt sind; eine Wechselspannungsquelle 66 zur Erzeugung
eines Gleichstromes für die Vorspannungswicklungen 62, 64; eine Vollweggleichrichter-Brückenschaltung
68; sowie Widerstände 70, 71, 73, und 74.
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Außerdem ist ein Kern 75 vorgesehen, der ständig im nicht-gesättigten
Zustand gehalten wird, um den Haupt-
stromkreis-Leiter 10 mit dem
Nebensclilußstromkreis-Leiter 12 magnetisch zu koppeln. Der Nebenschlußstromkreis-Leiter
12 ist in einer vorgegebenen Anzahl von Wicklungen N auf 5 die sättigbaren Kerne
42, 44 und den Kern 75 aufgewickelt.
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In Fig. 1 sind die sättigbaren Kerne 42, 44 und der Kern 75 im Abstand
voneinander dargestellt, um das Verständnis des konstruktiven Aufbaus zu erleichtern,
jedoch sind sie vorzugsweise in der Praxis übereinander geschichtet bzw.
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gewickelt.
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Die Wicklungsrichtung des Nebenschlußstromkreis-Leiters 12 auf den
sättigbaren Kernen 42, 44 und dem Kern 75 ist so gewählt, daß dann, wenn ein Strom
fließt, eine Spannung von der Strommeßeinrichtung 40 erhalten wird, die proportional
zur Differenz zwischen der vom Hauptstromkreis-Leiter 10 erzeugten magnetomotorischen
Kraft und der vom Nebenschlußs troinkrei s-Leiter 12 erzeugten magnetoriiotor i
sc'nen Kraft ist. Die Anzahl der Wicklungen N des Nebenschluß-5 stromkreis-Leiters
12 ist so gewählt, daß die folgende Relation erfüllt ist:
Da die Anschlußklemmen 27, 29 und 52, 53 der Strommeßeinrichtungen 14 und 40 miteinander
in Reihe geschaltet sind, tritt eine Ausgangsspannung Ed zwischen den Ausgangsklemmen
76 und 78 auf, wobei die Ausgangsspannung Ed proportional zum Gesamtstrom 1d -ist
und die Summe der Ausgangsspannung Edl der Strommeßeinrichtung 14 und der Ausgangsspannung
Ed2 der Strommeßeinrichtung 40 ausmacht.
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Fig. 4 zeigt den Aufbau der Anordnung gemäß Fig. 1 in Form eines
Blockschaltbildes Die Ausgangsspannungen Ed1 und Ed2 der Strommeßeinrichtungen 14
und 40 lassen sich durch nachstehende Gleichungen ausdrücken:
Ed1
= Is x g1 = ## x Id (V) ........ (5), Rd2 = {Im - N2Is}g2 = {####)Id - ##Id}g2 n
- Ns - 1 = g2Id ........(6), g1 n - Ns - 1 Ed = Ed1 + Ed2 = Id + . g2Id n n = ############Id
.........(7), wobei Id = Gesamtstrom des Hauptstromkreises; no = theoretischer Nebenschlußverhältnis;
n = praktisches Nebensclußverhältnis; Im = Stromstärke des Hauptstromkreis-Leiters
10; = = Stromstärke des Nebenschlußstromkreis-Leiters 12; g1 g2 = Verstärkungen
der Strommeßeinrichtungen 14 bzw. 40; und Ns = Anzahl der Wicklungen des Nebenschlußstromkreis-Leiters
12.
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Die nachstehende Gleichung läßt sich erhalten, indem man die obige
Gleichung nach n differenziert und sie dann gleich Null setzt, um die Bedingung
zu erhalten, bei der das Nebenschlußverhältnis n irrelevant ist: ng2 - {g1 + (n
- N2 - 1)g2] = 0 g1 - (Ns + 1)g2 = 0 #g1 = N2 + 1 ............. (8).
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Wenn die Gesamt.stromstärke des Hauptstromkreises den Wert Id = 10
000 (A) hat und das Nebenschlußverhältnis 1:20 beträgt, so hat die Stromstärke des
durch den Hauptstromkreis-Leiters 10 fließenden Stromes den Wert Im = 9 500 (A),
und die Stromstärke des durch den Nebenschlußstromkreis-
Leiter
12 fließenden Stromes hat den den Wert Is = 500 (A) Wenn die Verstärkungen g1, g2
der Stro:mneßeinrichtungen 14 und 40 in diesem Falle zu 1/50 bzw. 1/1 000 gewählt
sind, so ergibt sich die Anzahl der Wicklungen des Nebenschlußstromkreis-Leiters
zu 19 (Wicklungen) aus Gleichung (8).
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Die Ausgangsspannungen Edl und Ed2 der Strommeßeinrichtungen 14 und
40 ergeben sich wie folgt: Edl = 500 x ## = 10 (V) Ed2 = (9500 - 500 x 19) x ####
= 0 (V) Ed = Ed1 + Ed2 = 10 (V).
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Es wird nun angenommen, daß sich die Umgebungsbedingungen, wie z.B.
die Temperatur, ändern und daß das praktische Nebenschlußverhältni:S größer wird
und sich die Werte Im = 9 475 (A) bzw. Is = 525 (A) ergeben. Die Ausgangsspannungen
der Strommeßeinrichtung 14 und 40 lassen sich aus den Gleichungen (5) bis (7) wie
folgt erhalten: Ed1 = 525 x ## = 10,5 (V) Ed2 = (9475 - 525 x 19) x #### = - 0,5
(V) Ed = Edl + Ed2 = 10 (V) Wenn als n;ichstes die Anzahl der Wicklungen des Nebenschlußstromkreis-Leiters
12 auf 18 (Wicklungen) geandert wird, lassen sich die Ausgangsspannungen der Strommeßeinrichtungen
14 und 40 folgendermaßen angeben, vorausgesetzt daß die Werte g1 = 0,95/50, g2 =
1/1000 und Nebenschlußverhältnis = 1:20 gelten:
Ed1 = 500 x ####
= 9,5 (V) Ed2 = (9500 - 500 x 18) x 1 = 0r5 (V) 1000 Ed - 10 ( V).
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Auch wenn sich das Nebenschlußverhältnis so ändert, daß die Werte
1 = 9.475 (A) und 1 = 525 (A) gelten, 5 erhält man Edl = 9,9/5 (V) und Ed2 = 0,025
(V).
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Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung Ed bleibt unverändert, auch
wenn sich das Nehenschlußverhältnis ändert. Infolgedessen ist eine Strommessung
immer mit einem hohen Maß an Genauigkeit möglich.
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Als nächstes läßt sich die Induktivität L der Nebena schlußstromkreis-Wicklung
80, die auf den Kern 75 aufgewickelt ist, dadurch folgende Gleichung ausdrücken:
wobei p = Permeabilität des Kernes 75; S = Querschnittsfläche des Kernes 75; Q =
durchschnittliche magnetische Weglänge des Kernes 75; und N = Anzahl der Wicklungen
der Nebenschlußstromkreis-5 Wicklung 80.
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Die Impedanz Z des Nebenschlußstromkreises insgesamt, a wenn einer
der Kerne der jeweiligen Strommeßeinrichtungen 14, 40 gesättigt ist, läßt sich durch
folgende Gleichung angeben: Za = j, wLa .............. (10).
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Andererseits läßt sich eine Spannung ea, die von den Strommeßeinrichtungen
14 und 40 im Nebenschlußstromkreis
induziert wird, folgendermaßen
ausdrücken:
wobei Ea eine Wechselspannung, die in den Ausgangswicklungen 20, 22 erzeugt wird,
wenn die Kerne 16, 18 gesättigt sind, und N die Anzahl der Windungen der Ausgangswicklungen
20, 22 bezeichnen.
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Dementsprechend ist ein Welligkeitsstrom ia, der durch den Nebenschlußstromkreis
fließt, durch folgende Gleichung gegeben:
Wenn in die Gleichung (12) die Gleichungen (10) und (11) eingesetzt werden, ergibt
sich folgende Gleichung:
Wenn N so gewählt ist, daß der Wert 10 oder mehr 5 beträgt, so erreicht die Impedanz
Z des Nebenschlußstroma kreises insgesamt einen Wert, der in der Lage ist, den durch
den Nebenschlußstromkreis fließenden Welligkeitsstrom 1a ausreichend zu verringern.
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Wenn außerdem der Hauptstromkreis-Strom 1d fließt, fließt ein Strom
mit der Stromstärke I = 1d - I durch m a s den Hauptstromkreis-Leiter 10; da aber
der Hauptstromkreis-Leiter 10 magnetisch und differentiell mit dem Nebenschlußstromkreis-Leiter
12 gekoppelt ist, fließt ein durch die nachstehende Gleichung gegebener Gleichstrom
durch den Nebenschlußstromkreis-Leiter 12, wenn der Kern 75 nicht gesättigt ist:
Da dementspreched der durch den Nebenschlußstromkreis-Leiter 12
fließende Strom I proportional zum Strom 5 Im wird, kann die Ubergangscharakteristik
verbessert werden und die gemessene Wellenform wird im wesentlichen gleich der Meßwellenform.
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Auch wenn der Widerstand R des Nebenschlußstrom-5 kreis-Leiters 12
sich in gewissem Umfang ändert und damit einen Fehler beim Nebenschlußverhältnis
hervorruft, ist dieser Fehler innerhalb des Bereiches der Erregung der magnetomotorischen
Kraft des Kernes 75 begrenzt, bevor der Kern 75 gesättigt ist.
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Aus diesem Grunde sind besonders genaue Strommessungen in einem solchen
Falle zu erwarten, wenn der Ausgangsstrom eines Thyristor-Choppers oder Thyristor-Zerhackers
große pulsierende Komponenten aufweist, bei denen der Kern 75 die Sättigung nicht
leicht erreicht.
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Da der Hauptstromkreis-Leiter 10 und der Nebenschlußstromkreis-Leiter
12 magnetisch und differentiell miteinander gekoppelt sind, genügen sie der Gleichung
I - N 1 = O. Das bedeutet, daß kein Gleichstrom fließt, m ss wenn man vom Kern 75
ausgeht. Somit wird unter Verwendung des Kernes für den Nebenschlußstromkreis kein
Einfluß auf den Hauptstromkreis ausgeübt.