DE3711818A1

DE3711818A1 - Verfahren und vorrichtung zur potentialfreien messung von gleich- und wechselstrom

Info

Publication number: DE3711818A1
Application number: DE19873711818
Authority: DE
Inventors: Arnim Fiebig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-04-08
Filing date: 1987-04-08
Publication date: 1988-10-27

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselstrom nach der Gattung des Hauptanspruchs und von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 6. Ein solches Verfahren bzw. eine Vorrichtung der genannten Art, insbesondere ein Stromwandler ist bekannt, bei dem der zu messende Strom durch einen geschlitzten Ringkern geführt wird. In dem Schlitz befindet sich ein Hall-Element. Bei einem ersten Meßverfahren wird mit diesem Element der zu messende Strom unmittelbar dadurch bestimmt, daß die dem Strom proportionale Feldstärke im Schlitz des Ringkerns gemessen wird. Nachteil dieses Meßverfahrens bzw. der Meßvorrichtung ist es, daß Nichtlinealitäten sowohl des Ringmaterials als auch des verwendeten Hall-Elements das Meßergebnis beeinträchtigen und so zu Meßfehlern führen. Bei einem zweiten Meßverfahren weist der Ringkern eine Kompensationswicklung auf, der ein Kompensationsstrom eingeprägt wird, dessen Stärke so lange verändert wird, bis die auf dem Kompensationsstrom beruhende Feldstärke die auf dem zu messenden Strom beruhende Feldstärke aufhebt. Mit Hilfe des im Schlitz des Ringkerns angeordneten Hall-Elements wird festgestellt, wann die resultierende Feldstärke etwa den Wert Null angenommen hat. Der dabei fließende Kompensationsstrom dient als Maß für den zu messenden Strom. Nachteil dieses Verfahrens bzw. dieser Vorrichtung ist der aufwendige und dadurch kostenintensive Aufbau.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung haben demgegenüber den Vorteil, daß der zu messende Strom mit hoher Genauigkeit bei einfachem Aufbau gemessen werden kann. Dies wird dadurch ermöglicht, daß bei einem mindestens zwei Wicklungen aufweisenden Ringkern, von denen eine erste Wicklung von dem zu messenden Strom durchflossen wird, eine sich um einen Nullpunkt periodisch ändernde Spannung an eine zweite Wicklung gelegt wird, so daß dort ein sich um einen Nullpunkt ändernder Magnetisierungsstrom fließt. Die angelegte Spannung bzw. der Magnetisierungsstrom werden so gewählt, daß der Ringkern sowohl bei positivem als auch bei negativem Magnetisierungsstrom in den Bereich der Sättigung gelangt. Der Magnetisierungsstrom wird dabei zur Bestimmung des zu messenden Stroms herangezogen. Hierbei findet ein geschlossener Ringkern Verwendung; auf ein Hall-Element kann ganz verzichtet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß Anspruch 6 angegeben. Bei einem besonders vorteilhaften Verfahren wird der Magnetisierungsstrom mit Hilfe eines an der zweiten Wicklung liegenden Rechteckgenerators erzeugt. Der Magnetisierungsstrom wird vorzugsweise unmittelbar nach jeder Umschaltung der Generatorspannung abgetastet, also zu einem Zeitpunkt, in dem sich der Ringkern wie ein gerade eingeschalteter Überträger verhält und der zu messende Strom einfach aus dem Magnetisierungsstrom zu bestimmen ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Gleich- und Wechselstrommeßvorrichtung und

Fig. 2a bis d verschiedene Strom- und Spannungsverläufe bei dem Gleich- und Wechselstrommeßverfahren.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Gleich- und Wechselstrommeßvorrichtung mit einem Ringkern K, der zwei Wicklungen n₁ und n₂ aufweist. Die erste Wicklung n₁ wird von dem zu messenden Strom i₁ durchflossen. Die zweite Wicklung n₂ ist Teil einer aus einem Rechteckgenerator RG und einem Widerstand R bestehenden Reihenschaltung, wobei eine Seite der Wicklung n₂ mit einem ersten Anschluß des Rechteckgenerators RG verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an Masse liegt, und die andere Seite der Wicklung n₂ mit dem Widerstand R verbunden ist, der ebenfalls an Masse liegt. An der Verbindungsstelle 1 zwischen der zweiten Wicklung n₂ und dem Widerstand R liegt eine Spannung U _i. In

Fig. 2 sind verschiedene Strom- und Spannungsverläufe dargestellt, die bei dem Gleich- und Wechselstrommeßverfahren auftreten.

Fig. 2a gibt den Verlauf des zu messenden Stromes i₁ über der Zeit t wieder.

Fig. 2b zeigt die von dem Rechteckgenerator RG abgegebene Spannung U _G, die an der zweiten Wicklung n₂ und an dem Widerstand R anliegt. Der aufgrund dieser Spannung durch die zweite Wicklung n₂ fließende Magnetisierungsstrom i₂ ist ebenfalls in Fig. 2b wiedergegeben.

Fig. 2c gibt den Verlauf einer im Samplingverfahren gewonnenen Spannung U _i über der Zeit t wieder, die an der Verbindungsstelle 1 abgegriffen wird.

Fig. 2d zeigt den zeitlichen Verlauf einer Spannung, die am Ausgang eines hier nicht dargestellten, üblichen Fensterkomparators abgegriffen wird, der an der Verbindungsstelle 1 angeschlossen wird.

Verfahren und Vorrichtung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert:

Ziel der Erfindung ist es, den in Fig. 2a dargestellten zeitlichen Verlauf des durch die erste Wicklung n₁ fließenden Stromes i₁ zu erfassen. Vorzugsweise gilt für die Windungszahl der ersten Wicklung n₁ die Beziehung n₁ = 1, d. h. es wird ein von dem zu messenden Strom i₁ durchflossener Leiter durch den Ringkern K gesteckt.

Durch die zweite Wicklung n₂ fließt ein Strom i₂, der durch die Höhe der vom Rechteckgenerator RG erzeugten Spannung U _G sowie vom Innenwiderstand der zweiten Wicklung n₂ und dem in Reihe liegenden Widerstand R bestimmt wird. Die von dem Rechteckgenerator RG abgegebene Spannung U _G wechselt periodisch von einem ersten Wert -U _Gmax auf einen betragsmäßig gleichen Wert +U _Gmax, wobei die Maximalwerte einstellbar sein können. Die Frequenz der Generatorspannung U _G, die Windungszahlen der Wicklungen n₁ und n₂ sowie der Ringkern K müssen so gewählt werden, daß bei jeder positiven und negativen Halbwelle der Generatorspannung die Sättigung des Ringkerns K erreicht wird.

Der durch die zweite Wicklung n₂ fließende Strom i₂ wird durch den Widerstand R begrenzt. Dessen Wert ist hier so zu wählen, daß der Sättigungsstrom +i₂_S bzw. -i₂_S deutlich über dem zu messenden Strom i₁ liegt.

Der auf der Generatorspannung U _G und dem zu messenden Strom i₁ beruhende zeitliche Verlauf des durch die zweite Wicklung n₂ fließenden Stroms i₂ ist ebenso wie die Generatorspannung U _G aus Fig. 2b ersichtlich. Es wird anhand dieser Darstellung deutlich, daß die Sättigung des Ringkerns K eher erreicht wird, wenn sich der zu messende Strom i₁ und der Magnetisierungsstrom i₂ addieren. Umgekehrt wird die Sättigung später erreicht, wenn sich die beiden Ströme subtrahieren.

Unmittelbar nach dem Umschalten der Generatorspannung U _G wird in einem Samplingverfahren die an der Verbindungsstelle 1 anliegende Spannung U _i abgegriffen bzw. abgetastet. In Fig. 2c ist der zwischen Umschaltung der Generatorspannung und Abtastung liegende Zeitabstand mit Δ t bezeichnet.

Nach der Umschaltung der Generatorspannung verhält sich der Ringkern K wie ein gerade eingeschalteter Übertrager, so daß sich für die an der Verbindungsstelle 1 abgegriffene Spannung U _i folgende Gleichung ergibt:

Diese Gleichung gilt für den Fall, daß die Abtastung der Spannung U _i erfolgt, bevor der Ringkern K nach Umschaltung der Generatorspannung U _G in den Bereich der Sättigung gelangt, bevor also der Strom i₂ den Wert ±i₂_S erreicht. Der Magnetisierungsstrom i₂ beeinflußt das Meßergebnis deshalb nicht, weil er pro Periode einmal mit positivem und einmal mit negativem Vorzeichen auftritt und sich deshalb im zeitlichen Mittel aufhebt.

Eine andere Möglichkeit, den zu messenden Strom i₁ anhand des Magnetisierungsstroms i₂ zu ermitteln, wird anhand von Fig. 2d erläutert.

Bei diesem Verfahren wird an der Verbindungsstelle 1 ein in Fig. 1 nicht dargestellter, üblicher Fensterkomparator angeschlossen, der jeweils dann ein Signal abgibt, wenn der Magnetisierungsstrom i₂ den Bereich der Sättigung erreicht, also wenn die an der Verbindungsstelle 1 anliegende Spannung U _i einen Wert erreicht, der außerhalb des vorgegebenen bzw. vorwählbaren Spannungsbereichs des Fensterkomparators liegt. Aus den Fig. 2b und 2d ist ersichtlich, daß der Fensterkomparator ein negatives Signal abgibt, wenn der Magnetisierungsstrom i₂ den Wert -i₂_S erreicht, und ein positives Signal, wenn nach Umschaltung der Generatorspannung U _G für den Magnetisierungsstrom i₂ der Wert +i₂_S erreicht wird. Aus Fig. 2d wird deutlich, daß der Fensterkomparator das zuletzt abgegebene positive bzw. negative Signal beibehält, bis ein Sättigungsstrom entgegengesetzter Polarität erreicht wird. Es liegt also ein Fensterkompaator mit großer Hysterese vor.

Aus Fig. 2d ist ersichtlich, daß man als Ausgangssignal des Fensterkomparators ein in Abhängigkeit von dem zu messenden Strom i₁ pulsweitenmoduliertes Signal erhält. Dies beruht auf der oben erwähnten Tatsache, daß die Sättigung des Ringkerns K eher erreicht wird, wenn sich der Magnetisierungsstrom i₂ und der zu messende Strom i₁ addieren, bzw. später erreicht wird, wenn sich die genannten Ströme subtrahieren.

Das Ausgangssignal des Fensterkomparators wird mittels eines herkömmlichen Tiefpasses oder mit Hilfe einer bekannten Siebkette geglättet.

Die Beiträge des Magnetisierungsstroms i₂, der pro Periode einmal mit negativem und einmal mit positivem Vorzeichen auftritt, heben sich auch hier insgesamt auf, so daß man nach der Glättung des Ausgangssignals des Fensterkomparators den zu messenden Strom i₁ erhält.

Insgesamt läßt sich der zu messende Strom i₁ mit geringem Aufwand ermitteln.

Claims

1. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselstrom mit Hilfe eines zumindest zwei Wicklungen aufweisenden Ringkerns, von denen eine erste Wicklung von dem zu messenden Strom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zweite Wicklung ein sich um einen Nullpunkt ändernder Magnetisierungsstrom geleitet wird, wobei der Ringkern sowohl bei positivem als auch bei negativem Magnetisierungsstrom in den Bereich der Sättigung gelangt und daß der Wert des Magnetisierungsstroms zur Bestimmung des zu messenden Stroms erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetisierungsstrom durch Anlegen einer Rechteckspannung an die zweite Wicklung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Magnetisierungsstroms jeweils umittelbar nach Umschaltung der Rechteckspannung abgetastet und aus dem erhaltenen Wert der zu messende Strom bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals in Abhängigkeit von dem zu messenden Strom der Zeitpunkt erfaßt wird, in dem der Ringkern in die Sättigung kommt und der Magnetisierungsstrom nicht weiter ansteigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsweitenmodulierte Signal geglättet und aus dem entstehenden Signal der zu messende Strom bestimmt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Ringkern (K) mit mindestens zwei Wicklungen (n₁, n₂) und einen Rechteckgenerator (RG) zur Erzeugung eines durch eine zweite Wicklung (n₂) des Ringkerns (K) fließenden Magnetisierungsstroms (i₂).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Zeitpunkts der Sättigung des Rechteckkerns (K) ein Fensterkomparator mit großer Hysterese vorgesehen ist, der ein pulsweitenmoduliertes Signal als Funktion des zu messenden Stroms (i₁) erzeugt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fensterkomparator ein Tiefpaß oder eine Siebkette zur Glättung des Ausgangssignals des Fensterkomparators nachgeschaltet ist.