DE3715789C2

DE3715789C2 -

Info

Publication number: DE3715789C2
Application number: DE19873715789
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer; Dieter Dipl.-Ing. 8500 Nuernberg De Eckardt; Gerhard 8501 Dietenhofen De Hettich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1987-05-12
Publication date: 1989-08-10
Also published as: DE3715789A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem potentialgetrennten Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechselströmen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der Zeitschrift ELEKTRIE 1986/1, Seiten 14 bis 16 sind potentialgetrennte Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechselströmen erläutert. Dort ist es gemäß Bild 4 bekannt, bei einem Gleichstromwandler mit magnetischem Modulator einen hochpermeablen Kern um einen stromführenden Leiter anzuordnen und in Querschnittsschwächungen des Kerns Modulatoren anzubringen. Diese bestehen aus einem wenige µm-starken Blechstreifen mit sehr geringer Koerzitivfeldstärke, die jeweils eine Modulations- und Indikatorwicklung tragen. Dabei sind die Modulationswicklungen an einen hochfrequenten Dreieckgenerator zur wechselweisen Vormagnetisierung angeschlossen und die Indikatorwicklungen sind mit einer Auswerteschaltung verbunden, in deren Ausgang eine auf dem Kern angeordnete Ausgangswicklung sowie ein Strommeßgerät liegt. Das vom stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld im Kern verändert das Tastverhältnis zwischen den positiven und negativen Spannungsimpulsen in den Indikatorwicklungen. Ein davon abgeleiteter Strom erzeugt in der Ausgangswicklung eine entsprechende Gegendurchflutung nach Art eines Nullflußwandlers und er führt zu einem entsprechenden Ausschlag am Meßgerät.

Derartige Lösungen sind sehr aufwendig, da sie mehrere Spulen benötigen. Außerdem müssen die Modulatoren in einem Fenster des Kerns eingesetzt werden.

Darüber hinaus ist es aus der DE-OS 36 13 991 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, auf den Ringkern des Strommeßwandlers nur eine einzige Toroidspule aufzubringen, an der sowohl eine Stromversorgung mittels Dreieckgenerator und spannungsgesteuerter Stromquelle angeschlossen ist, als auch eine Meßspannung abgegriffen wird, die über eine Differenzierstufe und einen Komparator ein impulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal erzeugt, dessen Tastverhältnis durch den zu messenden Strom verändert wird. Dabei wird vorgeschlagen, zur Vermeidung von Meßfehlern durch zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen die Stromspitzen des dreieckförmigen Versorgungsstromes der Meßwicklung abzurunden und den durch den ohmschen Widerstand der Meßspule verursachten Spannungsabfall zu eliminieren. Nachteilig hierbei ist, daß für den scheibenförmig ausgebildeten Ringkern relativ große Blechschnitte mit entsprechend großem Abfall benötigt werden und daß sich die Toroidspule auf einen solchen scheibenförmigen Ringkern nur relativ umständlich und aufwendig aufbringen läßt. Ferner ist die Verwendung einer Differenzierstufe in der Auswerteschaltung ohne zusätzliche Maßnahmen zur Abrundung der Stromspitzen zur Versorgung der Toroidspule ungeeignet, da durch die Stromspitzen verursachte Spannungsimpulse über die Differenzierstufe auf den nachgeschalteten Komparator gelangen und das Meßergebnis verfälschen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Aufbau des Stromwandlers mitsamt seiner Auswerteschaltung bei hoher Meßgenauigkeit wesentlich zu vereinfachen.

Der erfindungsgemäße Stromwandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß der aus einem bandförmigen schmalen Streifen gebogene Ringkern aus dem hochpermeablen Material eine wesentliche Vereinfachung des Stromwandleraufbaus bewirkt, da die Toroidspule in einfachster Weise auf einen gestreckten bandförmigen Streifen aufgewickelt werden kann, der anschließend zum Ringkern gebogen wird. Am Material des Ringkernes fällt somit praktisch kein Verschnitt ab. Außerdem werden durch Verwendung eines Subtrahierverstärkers die Nachteile einer Differenzierstufe bei der bekannten Auswerteschaltung bzw. zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen vermieden. Durch einen dem Subtrahierverstärker nachgeschalteten Schmitt-Trigger läßt sich vielmehr auf einfachste Weise in der Auswerteschaltung eine Rechteck-Wechselspannung bilden, deren Tastverhältnis als Meßgröße mit großer Genauigkeit die Stärke und Richtung des im Leiter fließenden Stromes darstellt. Ein solcher Stromwandler kann folglich zur Messung von Gleichströmen und Wechselströmen verwendet werden. Bei der Messung von Gleichströmen wird der Meßbereich durch das Hilfswechselfeld bestimmt, da die durch den Gleichstrom im stromdurchflossenen Leiter erzeugte Vormagnetisierung des Kerns kleiner sein muß als die Maximalwerte des Hilfswechselfeldes.

Außerdem muß durch den Abstand des Ringkernes vom stromdurchflossenen Leiter sichergestellt werden, daß die Feldstärke des zu messenden Stromes im Ringkern größer ist als die Koerzitivfeldstärke des Ringkernes. Bei der Messung von Wechselströmen ist darauf zu achten, daß die Frequenz des Hilfswechselfeldes wesentlich höher ist als die Frequenz des zu messenden Wechselstromes.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Dabei ist es zur Vermeidung von Störgrößen durch Fremdfelder besonders vorteilhaft, den Ringkern mit der Toroidspule außen mit einem hochpermeablen Material abzuschirmen oder die Störgröße von Fremdfeldern bei abgeschaltetem Strom im Leiter in der Auswerteschaltung zu ermitteln, zu speichern und bei eingeschaltetem Strom das Meßergebnis entsprechend zu korrigieren. Um den Stromwandler auf einen stromführenden Leiter aufzusetzen, ist es besonders zweckmäßig, wenn der Ringkern offen ist oder in einem Umfangbereich aufklappbar ausgebildet ist. Die Meßgenauigkeit des Stromes läßt sich dadurch verbessern, daß die Toroidspule nicht nur auf einem Teil des Ringkernumfangs aufgebracht ist, sondern den Ringkern vollständig umgibt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemäßen Stromwandler in seinem Aufbau, Fig. 2 die Magnetisierungskennlinie des Ringkerns für den Stromwandler und Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannungen an verschiedenen Schaltungspunkten des Stromwandlers nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines potentialgetrennten Stromwandlers 10 dargestellt. Er besteht aus einem geschnitten dargestellten Ringkern 11 aus einem bandförmigen, schmalen, hochpermeablen Streifen der einen stromführenden Leiter 12 in einem bestimmten Abstand a umschließt. Der Ringkern 11 trägt eine Toroidspule 13, deren Enden 13 a, 13 b mit einer Eingangs- und Ausgangsschaltung 14 verbunden sind.

Der Schaltungsaufbau dieser Eingangs- und Ausgangsschaltung 14 und deren Wirkungsweise ist bereits aus der DE-OS 33 45 712 an sich vorbekannt. Sie dient zur Erzeugung eines Hilfswechselfeldes im Ringkern 11 und einer Meßspannung.

Zur Erzeugung des Hilfswechselfeldes ist ein Dreiecksgenerator 15 vorgesehen, an dem eine Hilfswechselspannung Uh mit einer Amplitude von 500 mV und einer Frequenz von f = 1 kHz auftritt. Der Ausgang des Dreieckgenerators 15 ist mit dem Eingang eines Spannungs-Strom-Wandlers 16 verbunden, wobei ein Anschluß auf Massepotential liegt. Der Ausgang des Wandlers 16 ist an die Toroidspule 13 angeschlossen, die ebenfalls mit einem Ende auf das Bezugspotential der Masse liegt. Das andere Ende der Toroidspule 13 liegt sowohl am Wandler 16 als auch am Plus-Eingang eines Subtrahierverstärkers 17, dessen Minus-Eingang mit dem nicht auf Masse liegenden Ausgang des Dreieckgenerators 15 verbunden ist. Der Ausgang des Subtrahierverstärkers 17 ist mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 18 verbunden, der zwei zueinander symmetrische Schaltschwellen hat. Am Ausgang 19 des Schmitt-Triggers tritt eine Rechteck-Wechselspannung Uy auf, deren Tastverhältnis als Meßgröße dient, die sich proportional zur Stärke und Richtung des im Leiter 12 fließenden Stromes i ändert.

Die am Ausgang des Dreieckgenerators 15 auftretende Hilfswechselspannung Uh wird im Wandler 16 in einen entsprechenden Hilfswechselstrom Ih umgesetzt. Dieser Strom Ih fließt durch die Toroidspule 13. Der Ringkern 11 besteht aus einem hochpermeablen ferromagnetischen Material, dessen Magnetisierungskurve in Fig. 2 dargestellt ist. Das Material hat eine sehr geringe Koerzitivfeldstärke und eine nicht wesentlich größere Sättigungsfeldstärke Hs. Durch den Hilfswechselstrom Ih wird im Ringkern 11 ein Hilfswechselfeld Hh erzeugt, durch das der Ringkern wechselweise bis weit in die Sättigung magnetisiert wird. Sobald nun ein Strom i durch den Leiter 12 fließt, tritt dadurch im Ringkern 11 eine Feldstärke Hi auf, durch die der Ringkern 11 vormagnetisiert wird und die sich dem Hilfswechsel feld Hh überlagert.

Mit Hilfe der Fig. 3 soll die Wirkungsweise des Stromwandlers weiter erläutert werden, wobei der zeitliche Verlauf von Spannung und Strom an verschiedenen Stellen der Schaltung 14 abgebildet ist. Dabei ist auf der rechten Seite der Diagramme der Verlauf bei abgeschaltetem Strom im Leiter 12 und auf der rechten Seite der Verlauf bei einer bestimmten Stärke eines Gleichstroms i dargestellt. Auf der Zeitachse t 1 ist die Hilfsspannung Uh am Ausgang des Dreieckgenerators 15 bzw. der proportionale Strom Ih in der Toroidwicklung 13 abgebildet. Auf der Zeitachse t 2 ist der im Leiter 12 fließende Strom i abgebildet, auf der Zeitachse t 3 ist die Meßspannung Um dargestellt, die an den Enden 13 a und 13 b der Toroidspule 13 auftritt. Auf der Zeitachse t 4 ist die Meßspannung Um 1 am Ausgang des Subtrahierverstärkers 17 dargestellt und die Rechteck-Wechselspannung Uy mit dem Tastverhältnis als Meßgröße am Ausgang 19 ist auf der Zeitachse t 5 abgebildet.

Fließt kein Strom im Leiter 12, so wird durch die Ummagnetisierung des Ringkerns 12 beim Nulldurchgang des Hilfswechselstromes Ih in der Toroidspule 13 ein Spannungsimpuls induziert, der sich mit der angelegten Spannung überlagert und auf der Zeitachse t 3 die Meßspannung Um bildet. Am Subtrahierverstärker 17 wird nun die Spannung Uh des Dreieckgenerators 15 von der Meßspannung Um subtrahiert, so daß am Ausgang nur noch die in der Toroidspule 13 bei der Ummagnetisierung des Ringkerns 12 induzierten Spannungsimpulse Um 1 abwechselnder Polarität auf der Zeitachse t 3 auftreten. Durch den Schmitt-Trigger 18 werden diese Spannungsimpulse Um 1 in die Rechteck- Wechselspannung Uy auf der Zeitachse t 4 umgewandelt, deren Impulsbreiten T 1 und T 2 ein Tastverhältnis T 1/T 2 bilden, das sich proportional zur Stärke und Richtung des Stromes i im Leiter 12 ändert. Da auf der linken Seite der in Fig. 3 dargestellten Verläufe ist der Strom im Leiter 12 abgeschaltet ist, werden die Spannungsimpulse Um 1 jeweils im Nulldurchgang des Hilfswechselstromes Ih erzeugt. Das Tastverhältnis beträgt hier T 1/T 2 = 1. Tritt dagegen im Leiter 12 ein Strom i auf, so wird dadurch im Ringkern 11 mit dem Abstand a zur Leiterachse eine Vormagnetisierung Hi erzeugt nach der Gleichung:

Für das Hilfswechselfeld ergibt sich bei einer Toroidspule 13 auf dem Ringkern 11 im Abstand a vom Leiter 12 mit der Windungszahl n und dem Spitzenwert Îh die Feldstärke h nach der Gleichung:

Um eine Ummagnetisierung des Ringkernes 12 durch das Hilfswechselfeld h sicherzustellen, muß Hi < h sein. Dann gilt für das Tastverhältnis T die Gleichung:

Setzt man die Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) ein, so er hält man:

Das Tastverhältnis ist folglich direkt dem Strom i im Leiter 12 pro portional. Außerdem ist das Tastverhältnis T von den Materialpara metern des Ringkernes 11 und von Temperaturschwankungen unabhängig. Es ist nur erforderlich, daß das Hilfswechselfeld Hh groß genug ist, damit auch bei einer von einem großen Strom i im Leiter 12 erzeugten großen Vormagnetisierung Hi der Ringkern 11 noch wechselseitig bis in die Sättigung magnetisiert wird.

Claims

1. Potentialgetrennter Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechselströmen mit einem einen stromführenden Leiter in einem Abstand umgebenden dünnen ferromagnetischen, hochpermeablen Ringkern, der zumindest in einem Bereich eine Toroidspule trägt, die zur wechselweisen Sättigung des Kernes durch ein Hilfswechselfeld sowie zur Erzeugung einer Meßspannung über eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem Dreieckgenerator und mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, welche eine Rechteck-Wechselspannung mit entsprechender Frequenz abgibt, deren Tastverhältnis abhängig von der Stärke und Richtung des zu messenden Stromes in dem Leiter ist, wobei ein Anteil der von dem Dreieckgenerator verursachten Spannung von der Meßspannung subtrahiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (11) aus einem bandförmigen, schmalen Streifen aus dem hochpermeablen Material gebogen ist, und daß die Toroidspule (13) mit ihrem einen Ende (13 b) gemeinsam mit einem Ausgang des Dreieckgenerators (15) auf Bezugspotential liegt, wobei der andere Ausgang des Dreieckgenerators (15) an einem ersten Eingang eines Subtrahierverstärkers (17) der Auswerteschaltung liegt und das andere Ende (13 a) der Toroidspule (13) mit dem zweiten Eingang des Subtrahierverstärkers (17) verbunden ist, dessen Ausgang auf einen Schmitt-Trigger (18) zur Erzeugung der Rechteck-Wechselspannung (Uy) geschaltet ist.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (11) mit der Toroidspule (13) außen von hochpermeablem Material abgeschirmt ist.

3. Stromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (11) offen ist.

4. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (11) aufklappbar ist.

5. Stromwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Toroidspule (13) den Ringkern (11) vollständig einfaßt.

6. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschaltetem Strom im Leiter (2) die Auswerteschaltung eine von Fremdfeldern verursachte Störgröße ermittelt, speichert und das Meßergebnis bei eingeschaltetem Strom um diese Störgröße korrigiert.