DE3401587A1

DE3401587A1 - Messwandler zum messen eines stromes

Info

Publication number: DE3401587A1
Application number: DE19843401587
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Friedl
Original assignee: Landis and Gyr AG; LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG; Landis and Gyr AG
Priority date: 1983-03-02
Filing date: 1984-01-18
Publication date: 1984-09-13
Also published as: GB2135831B; ES8501163A1; CH660537A5; GB8404392D0; AT389396B; DE3401587C2; SE455353B; GB2135831A; AU2480484A; ATA53184A; SE8401119L; US4513273A; AU560902B2; JPS59159517A; ES530177A0; FR2542130B1; FR2542130A1; SE8401119D0

Description

Messwandler zum Messen eines Stromes

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler zum Messen eines Stromes der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

In der PCT/EP - Patentanmeldung Nr. 82/00225 wurde ein Messwandler dieser Art vorgeschlagen, bei dem die Flachleiteranordnung eine sogenannte Reduzierwicklung mit zwei Einzelleitern bildet, die einen relativ wenig voneinander abweichenden Leitungswiderstand haben und somit verschieden grosse Teilströme führen, welche eine gegensinnige Durchflutung eines Magnetkerns bilden. Die beiden Einzelleiter bestehen aus je einem Flachleiter und stehen miteinander in engem mechanischem und damit thermischem Kontakt, so dass die beiden Einzelleiter selbst bei höheren Leitertemperaturen ihr Widerstandsverhältnis zueinander beibehalten.

Bei einem aus der US-PS 2 831 164 bekannten Messwandler ähnlieher Art besteht die Primärwicklung aus einem einzigen Flachleiter, der in Längsrichtung geschlitzt ist. Zwei durch den Schlitz voneinander getrennte Leiterbahnen sind in jeweils entgegengesetzten Richtungen abgewinkelt und umschlingen den Magnetkern gegensinnig. Da die beiden Leiterbahnen nicht in thermischem Kontakt stehen, ist eine temperaturunabhängige Stromverteilung nicht gewährleistet, so dass insbesondere bei höheren Messströmen grosse Messfehler auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Flachleiteranordnung unter Beibehaltung eines thermischen Kontaktes zwischen den beiden Leiterbahnen aus einem einzigen Flachleiter besteht, so dass sich eine problematische elektrische Verbindung zwischen zwei Einzelleitern erübrigt.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 einen Messwandler in auseinandergezo-

gener perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Flachleiter in der Seitenansicht

und

Fig. 3 und 4 verschiedene Varianten eines Messwandlers, dessen Flachleiter ohne Biegevorga"9 aus einem Stück Metall ausgearbei

tet ist.

In der Zeichnung bedeutet 1 einen aus einem einzigen Blechstreifen bestehenden elektrischen Flachleiter, der an einer Umkehrkante (Biegekante) 2 gefaltet, d.h. um 180 umgeklappt ist und die Form eines U darstellt. Der in der Zeichnung obere Schenkel ist mit 3 und der untere Schenkel mit 4 bezeichnet. Die beiden Schenkel 3, 4 sind mittels einer dünnen Isolationsschicht 5 voneinander elektrisch isoliert und stehen miteinander in engem thermischem Kontakt. Jeder der Schenkel 3, 4 weist an seinem freien Ende einen elektrischen Anschluss 6 bzw. 7 auf. Zwischen den Anschlüssen 6, 7 ist der Querschnitt des Flachleiters 1 auf dessen ganzen Länge annähernd konstant. Der zu messende Strom I fliesst über den Anschluss 6 durch den Flachleiter 1 und verlasst diesen über den Anschluss 7. Der Schenkel 3 weist zwei Löcher 8, 9 und der Schenkel 4 zwei Löcher 10, 11 auf. Diese Löcher sind so angeordnet, dass nach dem Falten des Flachleiters 1 jeweils die Löcher 8, 10 und die Löcher 9, 11 deckungsgleich übereinanderliegen. Ein in der Zeichnung nur schematisch dargestellter geschlossener Magnetkern 12 ist durch die Löcher 8 bis hindurchgeführt. Dabei durchdringt ein erster Schenkel 13 des Magnetkerns 12 die Löcher 8, 10 und ein zweiter Schenkel 14 die Löcher 9, 11.

Im dargestellten Beispiel arbeitet der beschriebene Messwandler als sogenannter aktiver Stromwandler. Dazu ist eine auf dem Magnetkern 12 angeordnete Detektorwicklung 15 mit dem Eingang

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eines Verstärkers 16 verbunden, dessen Ausgang an eine aus einer Sekundärwicklung 17 und einer Bürde 18 bestehende Reihenschaltung angeschlossen ist.

Der Flachleiter 1 stellt die Primärwicklung des Messwandlers dar. Es ist leich ersichtlich, dass für die primäre Durchflutung des Magnetkerns 12 die Differenz I. - I₀ zweier Teilströme I₁ und

1₀ massgebend ist, wobei der Teilstrom I₁ in einer den Magnetkern 12 durchsetzenden Leiterbahn 19 des Schenkels 3 und der Teilstrom I₀ in einer den Magnetkern 12 durchsetzenden Leiterbahn 20 des Schenkels 4 fliesst.

Die beiden Schenkel 3, 4 des Flachleiters 1 sind im wesentlichen gleich und unterscheiden sich nur durch eine geringfügige Formabweichung voneinander, die erforderlich ist, um zu bewirken, dass die Teilströme I₁ und I verschieden gross sind. Zu diesem Zweck ist im dargestellten Beispiel der Schenkel 3 des Flachleiters 1 in der Nähe zwischen den Löchern 8, 9 mit einem weiteren Loch 21 versehen. Dieses Loch 21 bewirkt, dass der Bahnwiderstand der zwischen den Löchern 8, 9 liegenden Leiterbahn 19 gegenüber dem Bahnwiderstand der zwischen den Löchern 10,

11 liegenden Leiterbahn 20 erhöht und dadurch die Stromverteilung im Schenkel 3 von der Stromverteilung im Schenkel 4 verschieden ist. Die Differenz I. - I ist unter der Annahme konstant bleibender Stromverteilung dem zu messenden Strom I proportional. Somit ist auch die primäre Durchflutung im Magnetkern 12 dem Strom I proportional.

Dadurch, dass die beiden Schenkel 3, 4 des Flachleiters 1 annähernd gleich geformt sind und in innigem Wärmekontakt zueinander stehen, ist eine von der Stärke des zu messenden Stromes I unabhängige Stromverteilung im Flachleiter 1 gewährleistet, so dass eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielt wird.

Die Kompensation der primären Durchflutung erfolgt in bekannter Weise durch einen in der Sekundärwicklung 17 fliessenden Strom i, der in einem Regelkreis vom Verstärker 16 so gesteuert wird,

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dass die in der Detektorwicklung 15 induzierte Spannung gegen Null geht.

Die Grosse der Asymmetrie der Stromverteilung in den Schenkeln 3, 4 des Flachleiters 1 bestimmt den Proportionalitätsfaktor zwischen dem zu messenden Strom I und dem Sekundärstrom i. Die erforderliche Asymmetrie kann auch durch andere Massnahmen als durch das Loch 21 erreicht werden, beispielsweise durch Materialabtragung an den Rändern eines der Schenkel 3, 4 des Flachleiters 1 oder durch eine abweichende Grosse des Loches 8 vom Loch 9.

Vorteilhaft liegen die Löcher 8, 9 bzw. 10, 11 jedes Schenkels 3, 4 - in Längsrichtung des Flachleiters 1 betrachtet - nebeneinander, so dass diese Löcher den betreffenden Schenkel in drei geometrisch und elektrisch parallele Leiterbahnen 19, 22, 23 bzw. 20, 24, 25 unterteilen, von denen die mittlere Leiterbahn 19 bzw. 20 den Magnetkern 12 durchsetzt. Dadurch ergibt sich eine weitestgehend symmetrische Anordnung, was eine besonders hohe Messgenauigkeit und Unempfindlichkeit gegen äussere Störfeldeinflüsse zur Folge hat.

Die Löcher 8 bis 11 bestehen vorzugsweise aus einem vom Magnetkern 12 durchdrungenen, z.B. kreisförmigen Teil und vorteilhaft einem schmalen Längsschlitz 26. Diese Längsschlitze 26 bewirken eine Stabilisierung der Stromverteilung bei Erwärmung des Flachleiters 1 sowie eine Erhöhung des Widerstandes der auf den Magnetkern 12 wirkenden Kurzschtussringe, die von den Löchern bis 11 gebildet werden, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht wird.

Zur Winkelfehlerkompensation ist z.B. die Leiterbahn 23 des Schenkels 3 vorteilhaft durch ein elektrisch von dieser isoliertes ferromagnetisches Element 27 mit der benachbarten Leiterbahn 25 des Schenkels 4 magnetisch verbunden. Das Element 27 gestattet einen Phasenfeinabgleich und ist vorzugsweise als aufsteckbarer Bügel ausgebildet.

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Die Form des gefalteten primären Flachleiters kann auch unmittelbar aus einem Gussteil oder Strangpressteil herausgearbeitet sein. Dies ist insbesondere für die Herstellung von genauen Hochstrom-Wandlern mittels Werkzeugautomaten zweckmässig.

Die Fig. 3 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines so hergestellten Flachleiters 28. Gleiche bzw. gleich wirkende Teile wie in den Fig. 1 und 2 sind in der Fig. 3 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Der Flachleiter 28 ist aus einem gut leitenden Metallquader gebildet, der durch einen Schlitz 29 in die beiden Schenkel 3 und 4 geteilt ist und dessen Form und Wirkungsweise denen des gefalteten Flachleiters 1 nach der Fig. 1 entspricht. Die beiden Schenkel 3 und 4 sind mittels der thermisch gut leitenden elektrischen Isolationsschicht 5 miteinander verbunden. Die beiden Schenkel 3 und 4 sind hier jedoch zum besseren Wärmeausgleich auch zwischen den beiden Anschlüssen 6 und 7 spiegelsymmetrisch zur Umkehrkante 2 übereinander liegend angeordnet. Der Anschluss erfolgt entweder durch Einstecken der Anschlüsse 6, 7 in ein entsprechend ausgebildetes Anschlussstück oder durch Anschrauben der Anschlussleiter 30 am besten mi^t nur einer Schraube 31, wodurch die beiden Anschlussleiter 30 an die Anschlüsse 6 und 7 jeweils mit gleichem Anpressdruck geklemmt sind. Die Schraube 31 ist durch entsprechende Isolationshülsen 32 von den stromführenden Teilen elektrisch isoliert.

Als Material für die im Schlitz 29 einzubringende Isolationsschicht 5 eignet sich vorteilhaft ein beidseitig eloxiertes Aluminiumblech. Hierduch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Schenkeln 3 und 4 gewährleistet.
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Die Funktion des Flachleiters 28 nach der Fig. 3 entspricht der des mechanisch gefalteten Flachleiters 1 gemäss der Fig. 1. Bei dieser Anordnung des primären Flachleiters 28 umfassen die Detektorwicklung 15 und die Sekundärwicklung 17 jeweils mit der hal- ^ ben Windungszahl die beiden Schenkel 13 und 14 des geschlossenen Magnetkernes 12. Die Wicklungen 15 und 17 befinden sich dabei in den übereinander angeordneten Löcherpaaren 8, 9

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und 10, 11 der Schenkel 3 und 4 (Loch 10 unter Loch 8 ist in der Fig. 3 verdeckt). Für die Durchflutung des Magnetkernes gelten hier die gleichen Zusammenhänge, wie sie oben für den gefalteten Flachleiter 1 nach der Fig. 1 genannt sind.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines aus einem Guss- oder Pressteil herausgearbeiteten Flachleiters 33, bei dem die auf dem Magnetkern 12 aufgebrachten Wicklungen 15 und 17 von den Schenkeln 3 und 4 umfasst werden und für die Aufnahme der Wicklungen eine Aussparung 34 parallel zur Umkehrkante 2 vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass das Magnetfeld zwischen den Schenkeln 3 und 4 an den Stellen des Durchtrittes des oder der Schenkel 13, 14 des Magnetkernes 12 merklich herabgesetzt ist, wodurch eine örtliche Sättigung des Magnetkernes 12 weitgehend vermieden wird. Der Wärmeausgleich zwischen den Schenkeln 3, kann durch Vergiessen der Aussparung 34 mit einer gut wärmeleitenden Isoliermasse wieder vervollständigt werden. Gegenüber den Flachleitern 1 bzw. 28 (Fig. 1 bzw. Fig. 3) sind hier die Löcher 8 bis 11 für die Aufnahme des Magnetkernes 12 rechteckig ausgeführt. Zusätzlich sind bei dieser Anordnung Leiterverengungen 37 und 38 in den beiden Schenkeln 3 und 4 vorgesehen, um die Verteilung des zu messenden Stromes I im Flachleiter 33 von Veränderungen der Uebergangswiderstände der Anschlussleiter zu den Anschlüssen 6, 7 und damit von unterschiedlichen Stromverteilungen und unterschiedlichen Temperaturen zwischen den Anschlüssen 6 und 7 unabhängig zu machen.

Weiter ist zum Phasenwinkelabgleich eine ferromagnetische Schraube 35 vorgesehen, die durch mehr oder weniger tiefes Einbringen in eine Bohrung (nicht gezeichnet) zwischen den Schenkeln 3 und 4 bzw. in eine Bohrung 36 ein einem der Schenkel des Ftachleiters 33 die induktive Komponente des Widerstandes einer der Leiterbahnen, die Schenkel des Magnetkernes 12 passieren, so beeinflusst, dass zwischen der den Magnetkern 12 durchsetzenden Gesamtdurchflutung und dem zu messenden Strom I praktisch kein Phasenunterschied besteht.

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Bei den beschriebenen Messwandlern können allenfalls die magnetischen Verhältnisse noch günstiger sein, wenn die Detektorwicklung 15 und die Sekundärwicklung 17 nicht auf den Schenkeln 13 und 14, sondern je zur Hälfte oben und unten auf dem Querzweig des Magnetkerns 12 angeordnet sind.

Die Detektorwicklung 15 kann entfallen, wenn an ihrer Stelle ein Magnetfeldsensor, der z.B. das Magnetfeld in einem Luftspalt des Magnetkerns 12 erfasst, an den Eingang des Verstärkers 16 angeschlossen wird.

Der beschriebene Messwandler kann auch als sogenannter zeitverschlüsselter Wandler gemäss der Lehre der CH-PS 618 043 betrieben werden. Dabei entfallen die Teile 15 bis 18, der primären Durchflutung des Magnetkerns 12 wird mittels einer Vormagnetisierungswicklung eine alternierende Referenzdurchf lutung überlagert und mit Hilfe eines in einem Luftspalt des Magnetkerns 12 angeordneten Magnetfeldsensors werden die Zeitpunkte der Nulldurchgänge des resultierenden Magnetfeldes erfasst.

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Claims

PATENTANSPRUECHE

1. ' Messwandler zum Messen eines Stromes, mit einer Flachleiteranordnung, die mindestens zwei miteinander in thermischem Kontakt stehende Leiterbahnen aufweist, und mit einem Magnetkern, wobei zwei der Leiterbahnen der Flachleiteranordnung den Magnetkern durchsetzen und verschieden grosse Teilströme des zu messenden Stromes führen, die eine gegensinnige Durchflutung des Magnetkerns bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachleiteranordnung aus einem einzigen Flachleiter (1;28;33) besteht, der in seiner Querrichtung eine Umkehrkante bzw. Biegekante (2) besitzt, und dass jeder der beiden von der Umkehrkante bzw. Biegekante (2) ausgehenden Schenkel (3;4) des Flachleiters (1;28;33) zwei Löcher (8;9 bzw. 10; 11 ) aufweist, durch lire der Magnetkern (12) hindurchgeführt ist.

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel (3; 4) des Flachleiters (1) elektrisch voneinander isoliert sind und miteinander in engem thermischem Kontakt stehen.

3. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Schenkel (3; 4) im wesentlichen nur durch eine zur Erzielung verschieden grosser Teilströme (I.; I„) erforderliche Formabweichung (21) voneinander unterscheiden.

4. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Löcher (8; 9 bzw. 10; 11) jedes Schenkels (3; 4) - in Längsrichtung des Flachleiters (1) betrachtet - nebeneinander liegen und den Schenkel (3; 4) in drei geometrisch und elektrisch parallele Leiterbahnen (19; 22; 23 bzw. 20; 24; 25) unterteilen, von denen die mittlere Leiterbahn (19 bzw. 20) den Magnetkern (1) durchsetzt.

5, Messwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (8 bis 11) aus einem vom Magnetkern (12) durchdrungenen Teil und einem Längsschlitz (26) zur Stab i Ii -

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sierung der Stromverteilung und zur Erhöhung des Kreiswiderstandes um die Löcher (8 bis 11) bestehen.

6. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Winkelfehlerkompensation eine der

Leiterbahnen (23) des einen Schenkels (3) durch ein ferromagnetisches Element (27;35) mit einer benachbarten Leiterbahn (19 bzw. 25) des gleichen Schenkels (3) oder des anderen Schenkels (4) verbunden ist.
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7. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (1) in seiner Querrichtung gefaltet ist.

8. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (28;33) aus einem Gussteil oder Pressteil besteht.

9. Messwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Flachleiter (33) eine Aussparung (34) parallel zur Umkehrkante (2) zur Aufnahme mindestens einer elektrischen Wicklung (15;17) vorgesehen ist.