DE3401594A1

DE3401594A1 - Messwandler zum messen eines stromes

Info

Publication number: DE3401594A1
Application number: DE19843401594
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: AU560901B2; GB2135830A; ATA53284A; JPS59159518A; GB2135830B; ES530178A0; US4794326A; GB8404391D0; FR2542131A1; AU2480384A; CH660538A5; FR2542131B1; SE8401120D0; ES8501164A1; AT389186B; DE3401594C2; SE455354B; SE8401120L

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. Ein solcher Messwandler ist aus der US-PS 4 240 059 bekan/it.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messwandler der genannten Art zu schaffen, der sich durch eine höhere Messgenauigkeit, eine geringere Temperaturabhängigkeit, eine geringere Streufelderzeugung und einen kleineren Phasenfehler auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. 15

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

Es zeigen: Fig. 1 einen Flachleiter,

Fig. 2 einen Messwandler in auseinandergezoge

ner perspektivischer Darstellung, Fig. 3 den Flachleiter gemäss der Fig. 1 nach

dem Falten,

Fig. 4 bis 6 verschiedene Varianten eines Flachleiters und

Fig. 7 und 8 verschiedene Varianten eines Messwandler, dessen Flachleiter ohne Biegevorgang aus einem Stück Metall ausgearbeitet ist.

In den Fig. 1 bis 3 bedeutet 1 einen aus einem einzigen Blechstreifen bestehenden Flachleiter konstanter Dicke, der an seinen längsseitigen Enden je einen Anschluss 2 bzw. 3 aufweist. Der zu messende Strom I fliesst über den Anschluss 2 durch den Flachleiter 1 und verlässt diesen über den Anschluss 3. Zwischen den Anschlüssen 2,3 des Flachleiters 1 sind zwei - in Längsrichtung des Flachleiters betrachtet - hintereinander liegende Löcher 4,5 angeordnet, die den Flachleiter 1 in zwei Hauptstrompfade 6, 7

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und einen Querzweigstrompfad 8 unterteilen. Der Querzweigstrompfad 8 verbindet in der Art einer nicht abgeglichenen elektrischen Brückenschaltung zwei Stellen unterschiedlichen Potentials der Hauptstrompfade 6,7 miteinander, so dass in ihm ein Teilstrom I. des zu messenden Stromes I fliesst, der unter der Annahme konstant bleibender Stromverteilung im Flachleiter 1 dem zu messenden Strom I proportional ist.

Die Längssymmetrielinie des Querzweigstrompfades 8 fällt mit einer Umkehrkante (Biegekante) 9 zusammen, die den Flachleiter in zwei Schenkel 10,11 unterteilt. Die beiden Schenkel 10,11 sind vorteilhaft wenigstens annähernd gleich geformt. Sie unterscheiden sich allenfalls durch eine geringfügige Formabweichung voneinander, die zur Erzeugung eines Stromflusses im Querzweigstrompfad 8 erforderlich ist. Im dargestellten Beispiel ergibt sich der Teilstrom I₁ im Querzweigstrompfad 8 durch eine seitliche Versetzung der Anschlüsse 2,3. Der erforderliche Potentialunterschied zwischen den beiden Enden des Querzweigstrompfades 8 kann auch durch andere Massnahmen erreicht bzw. erhöht werden, beispielsweise durch Materialabtragung an einem Rand eines der Schenkel 10,11, durch leichtes gegenseitiges seitliches Versetzen der Löcher 4,5 oder durch Anbringen eines weiteren, in der Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Loches 49 beispielsweise im Schenkel 10. Im Beispiel der Fig. 1 und 2 sind die Schenkel und 11, abgesehen von den seitlich versetzten Anschlüssen 2 und 3, spiegelsymmetrisch.

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Gemäss den Fig. 2 und 3 wird der Flachleiter 1 in seiner Querrichtung an der Biegekante 9 gefaltet, d.h. um 180 umgeklappt, so dass er die Form eines U darstellt. Nach dem Falten liegt die dem Schenkel 10 zugehörige erste Hälfte des Hauptstrompfades 6 bzw. 7 deckungsgleich über derf dem Schenkel 11 zugehörigen zweiten Hälfte des gleichen Hauptstrompfades 6 bzw. 7, wobei die Stromflussrichtung übereinanderliegender Hauptstrompfadhälften entgegengesetzt ist. Die Löcher 4,5 liegen nach dem Falten ebenfalls deckungsgleich übereinander, während die Anschlüsse 2,3 seitlich versetzt sind. Die beiden Schenkel 10,11 sind mittels

einer dünnen Isolationsschicht 12 (Fig. 3) voneinander elektrisch isoliert und stehen miteinander in engem thermischem Kontakt. Der eine Schenkel 13 eines geschlossenen Magnetkerns 14 (Fig. 2) durchdringt die Löcher 4,5, während der andere Schenkel 15 des Magnetkerns 14 den Magnetkreis ausserhalb des Flachleiters 1 schliesst.

Im dargestellten Beispiel arbeitet der beschriebene Messwandler als sogenannter aktiver Stromwandler. Dazu ist eine auf dem Magnetkern 14 angeordnete Detektorwicklung 16 mit dem Eingang eines Verstärkers 17 verbunden, dessen Ausgang an eine aus einer Sekundärwicklung 18 und einer Bürde 19 bestehende Reihenschaltung angeschlossen ist.

Der Flachleiter 1 stellt die Primärwicklung des Messwandlers dar. Für die primäre Durchflutung ist der Teilstrom I massgebend, der in dem den Magnetkern 14 durchsetzenden Querzweigstrompfad 8 fliesst. Die Kompensation der primären Durchflutung erfolgt in bekannter Weise durch einen in der Sekundärwicklung 18 fliessenden Strom i, der in einem Regelkreis vom Verstärker 17 so gesteuert wird, dass die in der Detektorwicklung 16 induzierte Spannung gegen Null geht.

Durch die beschriebene Faltung des Flachleiters 1 ergibt sich ein inniger Wärmekontakt zwischen den beiden Schenkeln 10,11, wodurch ein nahezu idealer Temperaturausgleich und damit eine von der Stärke des zu messenden Stromes I unabhängige Stromverteilung im Flachleiter 1 gewährleistet ist und eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielt wird. Da sich sowohl der Hauptstrompfad 6 als auch der Hauptstrompfad 7 in entgegengesetzter Stromflussrichtung über die beiden Schenkel 10,11 erstrecken, ergibt sich eine weitgehend induktionsfreie Anordnung, eine nur geringe Streufelderzeugung und damit auch ein nur sehr kleiner Phasenfehler.
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In der Fig. 4 ist ein Flachleiter 20 dargestellt, bei dem gleiche bzw. gleich wirkende Teile wie in der Fig. 1 mit den gleichen

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Bezugszahlen bezeichnet sind. Die Löcher 4 und 5, die Hauptstrompfade 6 und 7 sowie der Querzweigstrompfad 8 sind im Schenkel 10 angeordnet. Der Schenkel 11 weist ein Loch 21 auf, das diesen Schenkel in zwei weitere Hauptstr'ompfade 22,23 unterteilt. Die Abmessungen des Loches 21 entsprechen der Umhüllenden der Löcher 4,5, so dass nach dem Falten des Flachleiters 20 um die Biegekante 9 die Löcher 4,5 und der zwischen ihnen angeordnete Querzweigstrompfad 8 deckungsgleich über dem Loch 21 liegen. Ferner befindet sich nach dem Falten der Hauptstrompfad 6 deckungsgleich über dem Hauptstrompfad 22 und der Hauptstrompfad 7 deckungsgleich über dem Hauptstrompfad 23, wobei die Stromflussrichtung übereinanderliegenden Hauptstrompfade 6,22 bzw. 7,23 entgegengesetzt ist. Das Loch 4 ist für den Schenkel (Fig. 2) des Magnetkerns 14 und das Loch 5 für den Schenkel des Magnetkerns bestimmt, während das Loch 21 von beiden Schenkeln 13,15 durchsetzt wird, so dass wiederum der Teilstrom I. im Querzweigstrompfad 8 für die primäre Durchflutung des Magnetkerns 14 massgebend ist.

Es ist leicht einzusehen, dass beim Flachleiter 20 die gleichen vorteilhaften Wirkungen eintreten wie beim Flachleiter 1. Da beide Schenkel 13,15 des Magnetkerns 14 den Flachleiter 20 durchdringen, ergibt sich zudem eine weitestgehend symmetrische Anordnung und damit eine hohe Unempfindlichkeit gegen äussere Störfeldeinflüsse.

Der in der Fig. 5 dargestellte Flachleiter 24 unterscheidet sich vom Flachleiter 20 nur durch eine andere Form des Loches 21, das in der Fig. 5 mit 21' bezeichnet und derart geformt ist, dass im Schenkel 11 eine durch einen schmalen Luftspalt 25 unterbrochene Leiterbahn '26 entsteht. Nach dem Falten des Flachleiters liegt die unterbrochene Leiterbahn 26 deckungsgleich unter dem Querzweigstrompfad 8 und fördert dessen optimalen Wärmekontakt mit den übrigen Teilen des Flachleiters 24.

Wird die Leiterbahn 26 nicht durch einen Luftspalt unterbrochen, so bildet sie einen zweiten Querzweigstrompfad, in dem ein

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zweiter, den Magnetkern 14 durchflutender Teilstrom fliesst. Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen derartigen Flachleiter.

Der Flachleiter 27 gemäss der Fig. 6 weist vier in dessen Längsrichtung hintereinanderliegende, kreisförmige Löcher 28 bis 31 auf. Die Löcher 28 und 29 unterteilen den Schenkel 10 in die beiden Hauptstrompfade 6,7 und den Querzweigstrompfad 8; und die Löcher 30 und 31 unterteilen den Schenkel 11 in die beiden Hauptstrompfade 22,23 und einen zweiten Querzweigstrompfad 32. Ein weiteres, kleineres Loch 33 bzw. 34 im Schenkel 10 bzw. 11 bewirkt den erforderlichen Potentialunterschied zwischen den beiden Stellen der Hauptstrompfade 6,7 bzw. 22,23, die der Querzweigstrompfad 8 bzw. 32 miteinander verbindet. Nach dem Falten des Flachleiters 27 liegen die Locher 28,29 deckungsgleich über den Löchern 31,30. Im Querzweigstrompfad 32 fliesst ein Teilstrom I₀, der dem zu messenden Strom I ebenfalls propor-

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tional ist. Durchdringt der eine Schenkel des Magnetkerns 14 die Löcherpaare 28,31 und der andere Schenkel die Löcherpaare 29,30, so ist die Summe I₁ + I_n der beiden Teilströme I und I für die primäre Durchflutung massgebend.

Zur Winkelfehlerkompensation kann ein in der Zeichnung nicht dargestellter, elektrisch isolierter ferromagnetischer Bügel so auf den gefalteten Flach leiter aufgesteckt werden, dass er zum Beispiel die Hauptstrompfade 6 und 22 an geeignet gewählten Punkten magnetisch miteinander verbindet. Durch Verschieben eines solchen Bügels lässt sich auf einfache Weise ein Phasenfeinabgleich erzielen.

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. 7 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines so hergestellten Flachleiters 35. Er ist aus einem elektrisch gut leitenden Metallquader gebildet, der durch einen Schlitz 36 in die zwei

Leiterschenkel 10 und 11 geteilt ist und dessen Form und Wirkungsweise denen des gefalteten Flachleiters nach der Fig. 6 entspricht. Die beiden Schenkel 10 und 11 sind mittels der thermisch gut leitenden elektrischen Isolationsschicht 12 miteinander verbunden. Die beiden Schenkel 10 und 11 sind hier jedoch zum besseren Wärmeausgleich auch zwischen den beiden Anschlüssen 2 und 3 spiegelsymmetrisch zur Umkehrkante 9 übereinander liegend angeordnet. Der Anschluss erfolgt entweder durch Einstecken der Anschlüsse 2 und 3 in ein entsprechend ausgebildetes Anschlussstück oder durch Anschrauben der Anschlussleiter 38, 39 am besten mit nur einer Verbindungsschraube 37, wodurch die beiden Anschlussleiter 38 und 39 an die Anschlüsse 2 und 3 jeweils mit gleichem Anpressdruck angepresst sind. Die Schraube 37 ist durch entsprechende Isolationshülsen 40, 41 von den stromführenden Teilen elektrisch isoliert.

Als Material für die im Schlitz 36 einzubringende Isolationsschicht 12 eignet sich vorteilhaft ein beidseitig eloxiertes Aluminiumblech. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Schenkeln 10 und 11 gewährleistet.

Die Funktion des Flachleiters 35 nach der Fig. 7 entspricht der des mechanisch gefalteten Flachleiters gemäss der Fig. 6. Bei dieser Anordnung des primären Flachleiters 35 umfassen die Detektorwicklung 16 und die Sekundärwicklung 18 jeweils mit der halben Windungszahl die beiden Schenkel 13 und 15 des geschlossenen Magnetkernes 14. Die Wicklungen 16 und 18 befinden sich dabei in den übereinander angeordneten Löcherpaareh 28, 29 und 30, 31 der Schenkel 10 und 11. Für die Durchflutung des Magnetkernes 14 gelten hier die gleichen Zusammenhänge, wie sie oben für den gefalteten Flachleiter 27 nach der Fig. 6 genannt sind.

Die Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines aus einem Guss- oder Pressteil herausgearbeiteten Flachleiters 42, bei dem die auf den Schenkeln 13, 15 des Magnetkernes 14 jeweÜs zur Hälfte aufgebrachten Wicklungen 16 und 18 von den Schenkeln 10 und 11 umfasst werden und für die Aufnahme der Wicklungen 16 und 18 eine

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Aussparung 43 parallel zur Umkehrkante 9 vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass das Magnetfeld zwischen den Schenkeln 10 und 11 an den Stellen des Durchtrittes des oder der Schenkel 13, 15 des Magnetkernes 14 merklich herabgesetzt ist, wodurch eine örtliche Sättigung des Magnetkernes 14 weitgehend vermieden wird. Der Wärmeausgleich zwischen den Schenkeln 10 und 11 kann durch Vergiessen der Aussparung 43 mit einer gut wärmeleitenden I so Ii er masse wieder vervollständigt werden. Gegenüber dem Beispiel nach der Fig. 7 sind hier die Löcher 28 bis 31 für die Aufnähme des Magnetkernes 14 rechteckig ausgeführt. Zusätzlich sind bei dieser Anordnung Leiterverengungen 44 und 45 in den beiden Schenkeln 10 und 11 vorgesehen, um die Verteilung des zu messenden Stromes I im Flachleiter 42 von Veränderungen der Uebergangswiderstände der Anschlussleiter zu den Anschlüssen 2, 3 und damit von unterschiedlichen Stromverteilungen und unterschiedlichen Temperaturen zwischen den Anschlüssen 2 und 3 unabhängig zu machen.

Weiter ist zum Phasenwinkelabgleich eine ferromagnetische Schraube 48 vorgesehen, die durch mehr oder weniger tiefes Einbringen in eine Bohrung 46 zwischen den Schenkeln 10 und 11 bzw. in eine Bohrung 47 in einem der Schenkel des Flachleiters 42 die induktive Komponente des Widerstandes einer der Leiterbahnen, die Schenkel des Magnetkernes 14 passieren, so beeinflusst, dass zwisehen der den Magnetkern 14 durchsetzenden Gesamtdurchf lutung und dem zu messenden Strom I praktisch kein Phasenunterschied besteht.

Bei den beschriebenen Messwandlern können allenfalls die magnetisehen Verhältnisse noch günstiger sein, wenn die Detektorwicklung 16 und die Sekundärwicklung 18 nicht auf den Schenkeln 13 und 15, sondern je zur Hälfte oben und unten auf dem Querzweig des Magnetkerns 14 angeordnet sind.

pie Detektorwicklung 16 kann entfallen, wenn an ihrer Stelle ein Magnetfeldsensor, der z.B. das Magnetfeld in einem Luftspalt des Magnetkerns 14 erfasst, an den Eingang des Verstärkers 17 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 16 bis 19, der primären Durchflutung des Magnetkerns 14 wird mittels einer Vormagnetisierungswicklung eine alternierende Referenzdurchf lutung überlagert und mit Hilfe eines in einem Luftspalt des Magnetkerns 14 angeordneten Magnetfeldsensors werden die Zeitpunkte der Nulldurchgänge des resultierenden Magnetfeldes erfasst.

Claims

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PATENTANSPRUECHE

C 1.) Messwandler zum Messen eines Stromes, mit einem Flachleiter, der mindestens zwei Hauptstrompfade für den zu messenden Strom und mindestens einen zwei Stellen unterschiedlichen Potentials zweier Hauptstrompfade miteinander verbindenden Querzweigstrompfad aufweist, und mit einem vom Querzweigstrompfad durchdrungenen Magnetkern, wobei der Querzweigstrompfad einen den Magnetkern durchflutenden, vom Potentialunterschied der beiden Stellen abhängigen Teilstrom des zu messenden Stromes führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (1;20;24;27; 35;42) derart geformt ist und in seiner Querrichtung eine Umkehrkante bzw. Biegekante (9) besitzt, dass jeder Hauptstrompfad (6;7) bzw. Teil eines Hauptstrompfades (6;7) des einen Schenkels

(10) des Flachleiters (1 ;20;24;27;35;42) mindestens annähernd deckungsgleich und mit entgegengesetzter Stromflussrichtung über einem naxiptstrompfad (22;23) bzw. Teil eines Hauptstrompfades (6;7) des anderen Schenkels (11) liegt.
2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel (10; 11 } des Flachleiters (1 ;20;24;27;35;42) elektrisch voneinander isoliert sind und miteinander in engem thermischem Kontakt stehen.
3. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (1) entlang der Längssymmetrielinie des Querzweigstrompfades (8) eine Umkehrkante bzw. Biegekante (9) besitzt.
4, Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (10) des Flachleiters (20;24;27;35;42) zwei Hauptstrompfade (6;7) und einen Querzweigstrompfad (8) und der zweite Schenkel (11) zwei weitere Hauptstrompfade (22;23) aufweist.
5. Messwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schenkel (11) des Flachleiters (24) eine durch

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einen Luftspalt (25)· unterbrochene Leiterbahn (26) aufweist, die deckungsgleich unter dem Querzweigstrompfad (8) liegt.
6. Messwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

'dass der zweite Schenkel (11) des Flachleiters (27;35;42) einen Querzweigstrompfad (32) aufweist, der deckungsgleich unter dem Quersteigstrompfad (8) des ersten Schenkels (10) liegt.
7. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel (Ί0; 11 ) des Flachleiters (1;20;24;27;35;42)) wenigstens annähernd gleich geformt sind.
8. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (1;20;24;27) in seiner Querrichtung gefaltet ist.
9. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (35;42) aus einem Gussteil oder Pressteil besteht.
10. Messwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Flachleiter (42) eine Aussparung (43) parallel zur Umkehrkante (9) zur Aufnahme mindestens einer elektrischen Wicklung (16; 18) vorgesehen ist.