DE3401587C2

DE3401587C2 - Meßwandler zum Messen eines Stromes

Info

Publication number: DE3401587C2
Application number: DE3401587A
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Friedl
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1983-03-02
Filing date: 1984-01-18
Publication date: 1985-07-18
Also published as: JPS59159517A; ATA53184A; AT389396B; DE3401587A1; GB2135831A; FR2542130A1; AU2480484A; FR2542130B1; GB8404392D0; ES530177A0; SE455353B; ES8501163A1; SE8401119L; SE8401119D0; US4513273A; AU560902B2; CH660537A5; GB2135831B

Abstract

Ein in seiner Querrichtung gefalteter, den zu messenden Strom (1) führender Flachleiter (1) weist Löcher (8 bis 11) auf, durch die ein Magnetkern (12) hindurchgeführt ist. Zwei Leiterbahnen (19; 20) durchsetzen den Magnetkern (12) und führen verschieden große Teilströme (I1; I2), die eine gegensinnige Durchflutung des Magnetkerns (12) bewirken. Durch die einteilige Ausbildung des Flachleiters (1) entfallen besondere elektrische Verbindungen zwischen den beiden Leiterbahnen (19; 20). Der thermische Kontakt zwischen den Schenkeln (3; 4) des Flachleiters (1) gewährleistet eine konstante Stromverteilung im Flachleiter (1).

Description

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14dieLöcher9,ll.

Im dargestellten Beispiel arbeitet der beschriebene Meßwandler als sogenannter aktiver Stromwandler. Dazu ist eine auf dem Magnetkern 12 angeordnete Detektorwicklung 15 mit dem Eingang eines Verstärkers 16 verbunden, dessen Ausgang an eine aus einer Sekundärwicklung 17 und einer Bürde 18 bestehende Reihenschaltung angeschlossen ist.

Der Flachlc'ter 1 stellt die Primärwicklung des Meßwandlers dar. Es ist leicht ersichtlich, daß für die primäre Durchflulung des Magnetkerns 12 die Differenz Λ — h zweier Tcilströme Λ und h maßgebend ist, wobei der Teilstrom /ι in einer den Magnetkern 12 durchsetzenden Leiterbahn 19 des Schenkels 3 und der Teilstrom h in einer den Magnetkern 12 durchsetzenden Leiterbahn 20 des Schenkels 4 fließt.

Die beiden Schenkel 3, 4 des Rachleiters 1 sind im wesentlichen gleich und unterscheiden sich nur durch eine geringfügige Formabweichung voneinander, die erforderlich ist, um zu bewirken, daß die Teilströme U und h verschieden groß sind. Zu diesem Zweck ist im dargestellten Beispiel der Schenkel 3 des Flachleitr^s 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 Λ — Ii ist unter der Annahme konstant bleibender Stromverteilung dem zu messenden Strom / proportional. Somit ist auch die primäre Durchflutung im Magnetkern 12dem Strom /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 / 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 /,der in einem Regelkreis vom Verstärker 16 so gesteuert wird, daß die in der Detektorwicklung 15 induzierte Spannung gegen Null geht.

Die Grüße der Asymmetrie der Stromverteilung in den Schenkeln 3,4 des Flachleitcrs I bestimmt den Proporlionalitälsfaklor zwischen dem zu messenden Strom / und dem Sckundiirstrom i. Die erforderliche Asymmetrie kann auch durch andere Maßnahmen als durch das Loch 2i erreicht werden, beispielsweise durch Materialabtragung an den Rändern eines der Schenkel 3, 4 des Flachleiters 1 oder durch eine abweichende Größe 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 haben vorzugsweise einen vom Magnetkern 12 durchdrungenen, z. B. kreisförmigen Teil und vorteilhaft eifern schmalen Längsschlitz 26. Diese LünKSSch'^;Uc 26 bewirken eine Stabilisierung der Stromverteilung bei Erwärmung des Flachleiters 1 sowie eine Erhöhung des Widerstandes der auf den Magnetkern 12 wirkenden Kurzschlußringe, die von den Löchern 8 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 aufsteclcbarer Bügel ausgebildet.

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.! und 2 sind in der Fig. 3 mit den gleichen Bezugszahrcr* bezeichnet. Der Flachleiter 28 ist aus einem gut leitendetf 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 F i g. 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 An schrauben der Anschlußleiter 30 am besten mit 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. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Schenkeln 3 und 4 gewährleistet.

Die Funktion des Flachleitcrs 28 nach der F i g. 3 entspricht der des mechanisch gefalteten Flachlcilers 1 gemäß der Fig. 1. Bei dieser Anordnung des primären Flachlciters 28 umfassen die Dctcktorwicklung 15 und die Sekundärwicklung 17 jeweils mit der halben Windungszahl die beiden Schenkel 13 und 14 des geschlossenen Magnetkernes 12. Die Wicklungen 15 und 17 befinden sich dabei in den übereinander angeordneten Löcnerpaaren 8,9 und 10,11 der Schenkel 3 und 4 (Loch JO unter Loch 8 ist in der F i g. 3 verdeckt). FCr die Duchflutung des Magnetkernes 12 gelten hier die gleichen Zusammenhänge, wie sie oben für den gefalteten Flachleiter 1 nach der F i g. 1 genannt sind.

Die F i g. 4 zeig, 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 Schenkel'! 3 und 4 umfaßt werden und für die Aufnahme der Wicklungen eine Aussparung 34 parallel zur Umkehrkante 2 vorgesehen

b5 ist. Dies hat den Vorteil, dcß 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 Sätti-

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gung des Magnetkernes 12 weitgehend vermieden wird. Der Wärmeausgleich zwischen den Schenkeln 3,4 kann durch Vergießen der Aussparung 34 mit einer gut wärmeleitenden Isoliermasse wieder vervollständigt werden. Gegenüber den Flachleitern 1 bzw. 28 (F i g. 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 / im Flachleiter 33 von Veränderungen der Übergangswiderstände der Anschlußleiter zu den Anschlüssen 6, 7 und damit von unterschiedlichen Stromverteilungen und unterschiedlichen Temperaturen zwischen den Anschlüssen 6 und 7 unabhängig zu machen. r>

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 Flachleiters 33 die induktive Komponente des Widerstandes einer der Leiterbahnen, die Schenkel des Magnetkernes 12 passieren, so beeinflußt, daß /wischen der den Magnetkern 12 durchsetzenden Gcsamtdurchflutung und dem zu messenden Strom / praktisch kein Phasenunterschied besteht.

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 jo zur Hälfte oben unJ 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 zeiiverscniüsseiter Wandler gemäß der Lehre der CH-PS 6 18 043 betrieben werden. Dabei entfallen die Teile 15 bis 18, der primären Durchflutung des Magnetkerns 12 wird mittels einer Vormagnetisierungswicklung eine alternierende Refcrenzdurchflutung überlagert und mit Hilfe eines in einem Luftspalt des Magnetkerns 12 angeordneten Magnctfcldsensors werden die Zeitpunkte der Nulldurchgänge des resultierenden Magnetfeldes erfaßt.

Hierzu 3 blatt Zeichnungen

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Claims

34 Ol 587 Patentansprüche:

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

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrstelle (2) abgekantet ist und daß die beiden Schenkel {3, 4) des Flachleiters (1) mitteis einer dünnen Isolationsschicht (5) elektrisch voneinander isoliert sind und im wesentlichen auf ihrer gesamten Länge miteinander in engem thermischem Kontakt stehen.

3. Meßwandler nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (5) ein beidseitig eloxiertes Aluminiumblech ist.

4. Meßwandlcr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Schenkel (3, 4) im wesentlichen nur durch eine /ur Fr/.ielung vjrschie-."en großer Teilströme (l\\ h)erforderliche Fonnabweicbung(21) voneinander unterscheiden.

5. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 (?) durchsetzt.

6. Mcßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (8 bis II) einen Längsschlil/ (26) zur Stabilisierung der Stromverteilung und zur Erhöhung des Kreiswiderstandes aufweisen.

7. Mcßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.

8. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachleiter (28; 33) aus einem Gußteil oder Preßteil besteht, welches durch einen Schlitz (29) in die beiden Schenkel (3,4) geteilt ist.

9. Meßwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet. cliiL! im Flachlciicr (3.3) eine Aussparung (14) parallel /ur Umkchrslcllc (2) /ur Aufnahme mindestens einer elektrischen Wicklung (15, 17) vorgesehen isl.

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. 82/00 225 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 Teilströrr.; führen.

ίο 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 28 31 164 bekannten Meßwandler ähnlicher 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 temperaturabhängige Stromverteilung nicht gewährleistet, so daß insbesondere bei höheren Meßströmen große Meßfehler auftreten können.

Der Erfindung „'Jegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Flachleiteranordnung unter Beibehaltung eines

jo thermischen Kontaktes zwischen den beiden Leiterbahnen aus einem einzigen Flachlcitcr besteht, so daß sich eine problematische elektrische Verbindung zwischen zwei Einzelleitern erübrigt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Meßwandler in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung,
F i g. 2 einen Flachleiter in der Seitenansicht und
F i g. 3 und 4 verschiedene Varianten eines Meßwandlers, dessen Flachlciter ohne Biegevorgang aus einem Stück Metall ausgearbeitet ist

In der Zeichnung bedeutet 1 einen aus einem einzigen Blechstreifen bestehenden elektrischen Dachleiter, der an einer Umkehrkante (Biegekante) 2 gefallet d. h. um 180° umgeklappt hi und die Form eines U darstellt. 13er

;o 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 /fließt über den Anschluß 6 durch den Flachleiter 1 und verläßt 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 !"allen des Flachleilers 1 jeweils die Löcher 8, 10 und die Löcher 9, Il deckungsgleich Obcreinauderliegen. l-lin in tier /eich·

h". nung nur schemalisch dargesicllier geschlossener Magnetkern 12 isl durch die Löcher 8 bis 10 hindurchgeführt. Dabei durchdringt ein erster Schenkel 13 des Magnetkerns 12 die Löcher 8, 10 und ein zweiler Schenkel