DE3318749A1

DE3318749A1 - Aktiver stromwandler

Info

Publication number: DE3318749A1
Application number: DE3318749A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Friedl
Original assignee: Individual
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1983-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1984-11-29
Also published as: JPS60501434A; JPH0426530B2; WO1984004849A1; EP0144347A1; DE3461233D1; DE3318749C2; US4629974A; EP0144347B1

Description

Dr.-Ing. R. l-'riedl °
Tieryarlcn GV
3300 Braunschweig

Aktiver Stromwandler

Die Erfindung betrifft einen aktiven Stromwandler mit einer den zu messenden Strom I- führenden Primärwicklung mit der Windungszahl W₁, einer den Meßstrom I2 führenden Sekundärwicklung mit der Windungszahl W2 sowie einer Detektorwicklung, deren induzierte Spannung mittels eines Regelverstärkers in der Sekundärwicklung einen Strom erzeugt, dessen magnetischer Fluß den die Detektorwicklung durchsetzenden magnetischen Fluß kompensiert.

Besonders beim Messen der Stromstärken großer Wechselströme werden von der Primärwicklung erheblich größere Durchflutungen erzeugt als mit ferromagnetischem Kern ausgerüstete Wandler für eine einwandfreie Funktion des Magnetkerns benötigen. Zur Verringerung des hierdurch bedingten Aufwandes an Magnetkernmaterial sowie des Raum- und Kostenbedarfs ist ein Wandler vorgeschlagen, dessen Magnetkern nur einen Teil des den Meßstrom führenden Leiterquerschnittes umfaßt (US-PS 4 240 059) .

Besondere Probleme ergeben sich dabei hinsichtlich der relativ großen Temperaturabhängigkeit und der Notwendigkeit, prinzipbedingte Phasenfehler zwischen Primär- und Sekundärstrom durch besondere Maßnahmen zu eleminieren. Weiterhin ist ein aktiver Stromwandler bekannt, bei dem der zu messende Strom auf zwei voneinander getrennte Leiter aufgeteilt ist, welche zur Bildung der Primärwicklung einander gegensinnig gewickelt sind und deren Widerstandswerte sich voneinander unterscheiden (DE-OS 31 40 544).

COPY

Außerdem sind aktive Stromwandler bekannt, die auf ferromagnetische Kerne vollständig verzichten (DE-OS 28 12 303) und bei denen die sekundäre Wicklung als Toroid ausgeführt ist, durch den der primäre, den Meßstrom führende Leiter hindurchtritt. Obwohl solche Wandler relativ genau arbeiten, ist deren mechanischer Aufbau für eine Massenproduktion zu aufwendig.

Bei den bekannten Stromwandlern wird zwischen der primären sowie der sekundären Wicklung stets der Kopplungsfaktor K = angestrebt, wobei das übersetzungsverhältnis allein durch das Verhältnis der Windungszahlen dieser Wicklungen bestimmt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromwandler zu schaffen, der gegenüber den bekannten Anorndungen bei wenigstens gleichen meßtechnischen Eigenschaften einfacher aufgebaut und kostengünstiger hergestellt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Stromwandlers mit hoher Stromübersetzung zeichnet sich gegenüber den bekannten Anordnungen in erster Linie durch weitere erhebliche Vereinfachungen, durch Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen und durch geringe Phasenfehler aus. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit des einfachen Zusammenbaues des Primärlciters mit den anderen notwendigen Bauteilen durch Einbringen (Einstecken) dieser Teile in das Magnetfeld des im Primärleiter fließenden Stromes, so daß beispielsweise das Auswechseln dieser Bauteile auch vorgenommen werden kann, ohne den Primärstromkreis öffnen zu müssen, und die uneingeschränkte Funktion beim Vorhandensein von Gleichstromanlcili'n J in Primär- und ilokuncKirkrois. Dairübcrhinaus ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung mit den bekannten

Schaltungen digitaler Flußkompensation im Sekundärkreis sowie die bekannte Austastung des magnetischen 1-'IuIiOS mit Sägezahnsignalcn besonders geeignet, da wegen der geringen Impedanz der Sekundärwicklung die Frequenz der Ausmeßzyklcn relativ hoch gewählt werden kann. Jo nach Λη-wendungsfall kann der neue Stromwandler mit oder ohne Ferromagnetika ausgerüstet sein. Der neue Wandler eignet sich besonders für die Verwendung in Elektrizitätszählern für ein- und mehrphasigen Wechselstrom.

Nachfolgend werden das Prinzip der Erfindung und einige Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 a eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Stromwandlers,

Fig. 1 b das Prinzipschaltbild eines kompensierten Stromwandlers,

Fig. 2 die Anordnung der Erfindung mit einem Flachleiter,

Fig. 3 a eine Stirnansicht des Wandlers gemäß Fig. 2 mit Vorrichtung zur. Einstellung des Kopplungsfaktors (Primärwicklung nicht gezeichnet.)-,.

Fig. 3 b ein Längsschnitt durch den Wandler nach Fig. 3 a, Fig. 4 eine Stirnansicht des Wandlers nach Fig. 2 mit einer gegenüber Fig. 3 a, b veränderten Vorrichtung zur Einstellung des Kopplungsfaktors,

Fig. 5 eine Stirnansicht des Wandlers nach Fig. 2 mit zwei weiteren Vorrichtungen zur Einstellung des Kopplungsfaktors,

Fig. 6 eine Stirnansicht des Wandlers mit einer Einrichtung zur Verminderung des Einflusses von äußeren Fremdfeldern,

Fig. 7 einen Schnitt durch den Wanlder gemäß Fig. 6 längs der Linie VII - VII

Fig. 1 a stellt die Erfindung in allgemeinster Art dar. Es handelt sich um die Anordnung einer Gegeninduktivität, bestehend aus einer den zu messenden Wechselstrom I- führenden Primärwicklung 1 mit der Windungszahl W₁, durch deren

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Windungsi'lächc dor magnetische Fluß 0. tritt,'und einer Detcktorwicklumj 3, die vom Tcilcrfluß 0,-w d.h. von einem Teil des Flusses 0- durchsetzt wird, während der andere Teil 0.... als Streufluß die Wicklung 3 nicht durchsetzt, Kino SokuntL'trw lckluruj 2 ml. U tlor Windungszahl W.. i:;( mi L dor Wicklung 3 relativ fest gekoppelt.

Beim Vorhandensein des Teilflusses 0_l3 wird, wie bei kompensierten Stromwandlern bekannt (Fig. 1 b), die in der Detektorwicklung 3 induzierte Spannung einer Verstärkeranordnung V zugeführt, die in der Sekundärwicklung 2 einen solchen Strom I- aufbaut, daß der Teilfluß 0₁₃f der die Detektorwicklung 3 durchsetzt, praktisch vollständig kompensiert wird. Der sekundäre. Meß strom I₀ ist dann sehr genau dem zu messenden Strom I- in der Wicklung 1 proportional. Die erfindungsgemäße Anordnung des Stromwandlers benutzt zur Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses einen Kopplungsfaktor K, der wesentlich kleiner als 1 ist. Er ergibt sich gemäß Fig. 1 a zu K = 0₁₃/0.. und führt zu einem Übersetzungsverhältnis

1 ^W2
τ /τ - — · —

V 2 "K W₁ *

Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromwandlers mit ferromagne/ltjschem Material dar. Der Wandler weist einen den zu messenden Strom führenden Flachleiter 1 a auf, welcher mit Stromzuführungen 4 und 5 versehen ist und die Primärwicklung 1 mit nur einer Windung W- bildet. Der Flachleiter 1 a umschließt einen aus ferromagnetischem Material bestehenden Rohrabschnitt 6, welcher seinerseits einen ebenfalls aus ferromagnetischem Material bestehenden zylindrischen ferromagnetischen Kernstab 7 konzentrisch umfaßt, auf dem die Wicklungen 3 und 2 aufgebracht sind. Zwischen den beiden Schenkeln des Flachleiters 1 a im Bereich der Stromzuführungen 4 und 5 und zwischen der vom Flachleiter 1 a gebildeten zylindrischen Primärwicklung 1 und dem ferromagnetischen Rohrabschnitt 6 befindet sich eine elektrisch

isolierende Schicht 9. Der ferromagnetische Kernstab 7 mit _r

den Wicklungen 3 und 2 ist gegenüber dem Rohrabschnitt 6 im

Ringraum 8 entweder mit isolationüiudüse ausgefüllt oder durch andere mechanische Mittel fixiert.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende. Das vom zu messenden Strom erzeugte Magnetfeld wird in der zylindrischen Primärspule 1 durch den ferromagnetischen Rohrabschnitt 6 und den ferromagnetischen Kernstab 7 definiert in zwei magnetische Flüsse aufgeteilt, deren Verhältnis zueinander weitgehend von den magnetischen Leitfähigkeiten der beiden ferromagnetischen Teile 6 und 7 bestimmt wird. Folglich wird bei gleichem ferromagnetischen Material (beispielsweise Ferritmaterial) und radialsymmetrischer Anordnung des Kernstabes 7 im Rohrabschnitt 6 bei gleicher Länge der Teile 6 und 7 das Teilungsverhältnis der magnetischen Flüsse und damit der Kopplungsfaktor K- weitgehend vom Verhältnis der senkrecht zur Röhren- bzw. Stablängsachse liegenden radialen Schnittflächen bestimmt. Der Kopplungsfaktor K kann durch Kürzen des Kernstabes 7 bei gleichbleibender Länge des Rohrabschnittes 6 weiter verringert werden. Eine Veränderung des Kopplungsfaktors kann u.a. auch durch Verschieben des Kernstabes 7 in seiner Längsrichtung erfolgen.

Eine Verkleinerung des Kopplungsfaktors ist gemäß Fig. 3 a und 3 b auch dadurch zu erreichen, daß man den Kernstab 7 mit den Wicklungen 3 und 2 gegenüber dem Rohrabschnitt 6 in eine Winkellage dreht, so daß die Wicklung 3 nur einen Teil des maximal erfaßbaren magnetischen Flusses durchsetzt.

In Fig.. 4 ist eine von vielen Möglichkeiten gezeigt, wie der Kopplungsfaktor für eine Anorndung nach Fig. 2 fein justiert werden kann. Auf ein stirnseitiges Ende des Rohrabschnittes

«ferromaqnetisches.

ist ein kreisringförmige"sVßlech 10 mit einer radial nach innen gerichteten Nase 10a aufgesetzt. Auf der entsprechenden Stirnseite des ferromagnetischen Kernstabes 7 ist eine ferromagnetische Blechfahne 11 verschwenkbar aufgesetzt, die bei Annäherung an die Nase 10 a des Bleches 10 den Kopplungsfaktor erhöht und beim Wegdrehen erniedrigt. Die gleiche Wirkung

erreicht man mit einer Ausführung zum Feinabgleich nacfi Fig.

- fr-

indem eine ferromagnetische Blechfahne 12 exzentrisch zum Rohrabschnitt 6 auf oder in der Nähe des Rohrabschnittes 6 drehbar gelagert ist und über das Feld, das aus dem Rohrabschnitt 6 austritt, gedreht wird bis die gewünschte Übersetzung vorhanden ist. Danebon gibt es die Möglichkeit, mit ferromagnetischen Schrauben 13 den Feldverlauf und damit die Flußaufteilung zwischen dem- Rohrabschnitt 6 und dem Kernstab 7, feinfühlig zu beeinflussen (Fig. 5).

Restphasenfehler können durch geeignete Belastung der Teilflüsse mit Metallteilen, in denen Wirbelströme entstehen, ausgeglichen werden.

Zur Konzentration des außerhalb der Primärwicklung 1 (Fig. 2) befindlichen Magnetfeldes kann über diese Wicklung ein Ferritzylinder oder Topf geschoben werden, der für den Durchgang der Stromzuführungen 4 und 5 an der Mantelseite geschlitzt ist.

Für sehr genaue Messungen ist es zweckmäßig, äußere Fremdfelder, insbesondere solche, die in axialer Richtung der Röhrenanordnung das Nutzfeld überlagern, abzuschirmen. Dazu genügt es, gemäß Fig. 6 und 7_* die Längen des Rohrabschnittes 6 und des Kernstabes 7 mit den Wicklungen 3 und kürzer als die axiale Länge der vom Flachleiter 1 a gebildeten zylindrischen Primärspule 1 auszuführen und die stirnseitigen Enden der Primärwicklung 1 mit ferromagnetischen Deckeln 16 und 17 abzuschließen, wobei diese Deckel über die unmagnetischen Scheiben 14 und 15 im Abstand von den ferromagnetischen Teilen 6 und 7 gehalten sind. Hierdurch können alle innerhalb des Ringabschnittes des Flachleiters 1 a befindlichen Teile - ggf. inklusive Elektronikelemente als gemeinsamer Block in das Leiterrohr eingeschoben werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich auch wegen des geringen Anteils an ferromagnetischem Material (Eisenpulver, Ferrit) zur Einspeisung eines Sägezahnsignals relativ hoher Frequenz in die Wicklung 2, wobei bei elektronischen Multiplizieranordnungen nach dem sog. Time-Division-Verfahren die Nulldurchgänge der Spannung an der Detektorwicklung 3 als Tastverhältnis für die Steuerung der zweiten Meßgröße unmittelbar verfügbar sind. I/

sr

- Leerseite -

Claims

Aktiver Stromwandler mit einer den zu messenden Strom

1₁ führenden Primärwicklung mit der Windungszahl W₁, einer den Meß strom 1., führenden Sekundärwicklung mit der Windungszahl W₂/ sowie einer Detektorwicklung, deren induzierte Spannung mitLoIs oinus KoyulvoruLärkers in der Sekundärwicklung einen Strom erzeugt, dessen magnetischer Fluß den die Detektorwicklung durchsetzenden magnetischen Fluß kompensiert, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundärwicklung (2) und die Detektorwicklung (3) praktisch fest gekoppelt sind und gemeinsam zur Erfassung eines Teils des in der Primärwicklung (1) erzeugten magnetischen Flusses 0. in einem definierten Abstand von der Primärwicklung (1) angeordnet sind, und daß der die Detektorwicklung (3) durchsetzende Teilfluß 0₁₃ des in der Primärwicklung (1) erzeugten magnetischen Flusses 0₁ durch den von der geometrischen Lage der Detektorwicklung (3) zur Primärwicklung (1) abhängigen Kopplungsfaktor K bestimmt ist, welcher wesentlich kleiner als eins ist und das Stromübersetzungsverhältnis gemäß der Gleichung Ii - ι Ü2 _{festle t}

1₂ ~ K W₁ ^{est egt}*
2. Stromwandler nach Anspruch 1 mit ferromagnetischem i'Iaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsfaktor K zusätzlich von den magnetischen Leitwerten des von der Detektorwicklung (3) umschlossenen, sowie von dem außerhalb der Detektorwicklung (3) angeordneten ferromagnetischen Materials bestimmt ist.
3. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Primärwicklung (1) als eine von einem Flachleiter (1 a) geformte zylindrische Leiterröhre mit radial nach außen weisenden Stromzuführungen (4, 5) ausgebildet ist, und daß innerhalb der Leiterröhre ein fei romagnetischer Rohrabschnitt (6) angeordnet ist, welcher

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oinon dio zylindrische Sekundärwicklung (2) und Detektorwicklung (3) tragenden ferroraagnetischen Stabkern (7) umschließt.
4. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feineinstellung des Übersetzungsverhältnisses sowohl der ferromagnetische Rohrabschnitt (6) als auch der ferromagnetische Kernstab (7) unmittelbar oder über magnetische Zusatzteile mechanische und damit magnetische Unsymmetrien aufweisen, die .'beispielsweise durch deren Formgebung (10, 11) oder durch Anbringen—von •magnetisch leitende-a Blechfahnen (12) oder d-ttech -ferromagnetische Schrauben (13) gebildet sind.
5. Stromwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Zusatzteile drehbar gelagert sind.
6. Stromwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur. weiteren Verkleinerung des Kopplungsfaktors K(die Wicklungen eine solche Lage zueinander haben, daß 'die Windungsflächen der Detektorwicklung (3) und der Sekundärwicklung (2) gegenüber der Richtung des Magnetfeldes des Stromes I₁ in der Primärwicklung (1) um einen Winkel (α) verdrehbar sind.
7. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Einflusses von äußeren Fremdfeldern der ferromagnetische Rohrabschnitt (6) und der ferromagnetische Kernstab (7) mit den Wicklungen (3, 2) kürzer als die axiale Länge der vom Flachleiter (1 a) gebildeten Primärwicklung (1) ist und W-eisiÖEffiief^ Deckel (16, 17) aus magnetischem Abschirmmaterial lwen--gst.tt-| den Rohrabschnitt (6) jeweils stirnseitig abschließen.