DE3835101A1 - Elektrische stromwandlervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Stromwandlervorrichtung zum Messen eines in einem Primärleiter fließenden Stromes und/oder zum Erzeugen eines Abbildes desselben, welche mindestens einen magnetischen Kreis aufweist, der mit dem genannten Primärleiter koppelbar ausgebildet ist und mindestens einen Luftspalt zwischen zweien seiner Zweige aufweist, wobei mindestens eine Meßspule mit diesem Kreis gekoppelt ist und den genannten Luftspalt umgibt, und ein magnetischer Felddetektor in diesem Luftspalt angeordnet ist, und welche ferner eine Stromquelle und einen dieser zugeordneten Steuerkreis aufweist, der mit dem magnetischen Felddetektor verbundene Eingangsklemmen sowie Ausgangsklemmen besitzt, die mit den Anschlußklemmen der Serienschaltung der Meßspule und einer Meß- und/oder Anzeigevorrichtung für den in der Meßspule fließenden Strom verbunden sind.

Stromwandlervorrichtungen dieser Art dienen zum Messen eines Primärstroms, wobei der Ausdruck "Messen" im weitesten Sinn zu verstehen ist und alle Arten des Erzeugens einer Größe umfaßt, welche ein Maß für den Strom darstellt, wie beispielsweise das Erzeugen einer Spannung oder eines Stromes, die den Augenblickswerten des Primärstroms folgen. Ferner umfaßt das Erzeugen eines Abbilds des Primärstroms alle Formen der Anzeige, der Aufzeichnung und der Speicherung von Werten des Primärstroms. Die Meßgröße kann selbstverständlich je nach der Anwendung der vorliegenden Vorrichtung zur Steuerung oder Betätigung anderer Vorrichtungen dienen, z.B. in Regel- oder Steuerkreisen.

Die Wirkungsweise der elektrischen Stromwandlervorrich­ tungen des obigen Typs beruht auf dem Prinzip der Kompensa­ tion des durch den Primärstrom erzeugten magnetischen Flusses durch einen von der Meßspule erzeugten Fluß, wobei die Steuerung durch den magnetischen Felddetektor erfolgt. Der in der Meßspule zur Erreichung dieser Kompensation notwendige Strom stellt ein Maß für den Primärstrom dar.

Stromwandlervorrichtungen dieses Typs sind empfindlich gegenüber dem Einfluß von äußeren magnetischen Fremdfeldern, die insbesondere auf den Felddetektor im Luftspalt wirken. Es besteht daher die Gefahr einer Störung der Wandlerfunktion, und bei verschiedenen Anwendungen ergibt sich daraus ein beträchtlicher Fehler bei der Messung des Primärstromes.

Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, hat man bereits seit längerem Versuche mit verschiedenen Formen von Abschirmungen vorgenommen, z.B. indem die gesamte Vorrichtung in einem Gehäuse aus magnetisch permeablem Material untergebracht wurde oder indem ein magnetisches Abschirmteil in der Nähe der Spule angebracht wurde. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Anwesenheit einer solchen Abschirmung eine Verzerrung des Feldes, vor allem auf der Ebene des Luftspalts, zur Folge hat und daher die Messung beträchtlich beeinflußt. Andererseits ist die Möglichkeit, die Abschirmung genügend weit entfernt vom Luftspalt anzuordnen, sowohl durch die gegebenen maximalen Außenabmessungen des Wandlers als auch aus Kostengründen beschränkt.

Eine Teillösung besteht in der Verwendung eines magnetischen Kreises mit zwei Luftspalten und zwei Felddetektoren, derart, daß sich die Auswirkungen eines äußeren Magnetfelds auf die beiden Detektoren aufhebt. Infolge der bei bestimmten Anwendungen vorhandenen starken Asymmetrie der äußeren Magnetfelder stellt dies jedoch keine ausreichende Maßnahme dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Stromwandlervorrichtung der oben genannten Art zu schaffen, in der der Einfluß von äußeren Magnetfeldern stark verringert ist und die eine sehr gute Meßgenauigkeit in einem weiten Frequenzbereich, d.h. von Gleichstrom bis zu Frequenzen von mehr als 100 kHz besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Stromwandlervorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Abschirmteil in der Umgebung des Luftspalts im Innern der Meßspule angeordnet ist, derart, daß fast der gesamte Querschnittsumfang der beiden den Luftspalt bildenden Zweige des magnetischen Kreises umschlossen ist.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß eine solche magnetische Abschirmung, die im Innern der Meßspule angeordnet ist, so ausgelegt sein kann, daß sie den magnetischen Felddetektor ausreichend gegen äußere Felder schützt und dabei nicht nur die Funktion des Wandlers nicht stört, sondern sogar zu einer merklichen Verbesserung der Meßgenauigkeit führt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Abschirmteil von mindestens einem der genannten Zweige des magnetischen Kreises durch eine Schicht aus unmagnetischem Material isoliert, welche zwischen dem Abschirmteil und dem betreffenden Teil des magnetischen Kreises angeordnet ist. Das Abschirmteil kann durch mindestens ein Blechteil gebildet werden, dessen Dicke sehr gering ist im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen der Zweige des magnetischen Kreises, die den Luftspalt bilden, und das genannte Blechteil kann um diese Zweige herum gebogen sein. Vorzugsweise erstreckt sich das Abschirmteil über eine Länge, die annähernd gleich der Länge der Meßspule ist, in der es angeordnet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, wobei

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht der erfindungsgemäßen Stromwandlervorrichtung, in der Richtung des Primärleiters gesehen, ist, in der die elektrischen Kreise und das Gehäuse nicht dargestellt sind, und

Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 ist.

Die Stromwandlervorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 weist einen magnetischen Kreis 1 auf, der hier eine rechteckige Form besitzt und zwei Luftspalte 2 und 3 in einander gegenüberliegenden Teilen dieses Kreises enthält. Ein Primärleiter 4, der in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt ist, wird durch das Innere dieses magnetischen Kreises hindurchgeführt, so daß er darin ein magnetisches Feld erzeugt, sobald er von Strom durchflossen ist.

Auf der Höhe jedes der Luftspalte 2 und 3 sind elektrische Meßspulen 5 und 6 auf entsprechenden Zweigen des magnetischen Kreises angeordnet, wobei diese Spulen jeweils in nicht dargestellter Weise über einen Steuerkreis mit einer Stromquelle verbunden sind. In jedem der Luftspalte 2 und 3 ist ein entsprechender magnetischer Felddetektor 7,8 angeordnet. Diese Detektoren können als Hall-Sonden ausgebildet sein und sind mit dem Eingang des der Stromquelle zugeordneten Steuerkreises verbunden. Eine ebenfalls nicht dargestellte Meß- und/oder Anzeigevorrichtung ist in Serie mit den Meßspulen geschaltet und an den Ausgang des genannten Steuerkreises angeschlossen. Die Wandlervorrichtung ist so ausgebildet, daß die Anwesenheit eines Magnetfeldes in den Luftspalten des magnetischen Kreises über die magnetischen Felddetektoren und den Steuerkreis einen Stromfluß in den Meßspulen auslöst, derart, daß durch diese Spulen ein magnetisches Kompensationsfeld aufgebaut wird, welches zu einem Gesamtfeld Null im magnetischen Kreis führt. Der zur Erreichung dieser Kompensation notwendige Strom in der Meßspule stellt ein Maß für den Primärstrom dar.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Anordnung und Form von Abschirmteilen 9 und 10, die in diesem Beispiel aus einem Blech eines Materials sehr guter magnetischer Permeabilität, wie Mumetall, bestehen, welches um Zweige, wie 11, 12, des magnetischen Kreises, die einen Luftspalt bilden, gebogen ist. Dabei wird in Längsrichtung ein Spalt 13, wie er auf Fig. 2 sichtbar ist, zwischen den in Längsrichtung verlaufenden Rändern des gebogenen Blechteils freigelassen, um die Bildung eines geschlossenen elektrischen Kreises in Querrichtung der Zweige 11,12 und die entsprechenden Verluste zu vermeiden. Ferner ist eine magnetische Isolierung zwischen den seitlichen Oberflächen der betreffenden Zweige des magnetischen Kreises und dem Abschirmblech vorgesehen, um den Luftspalt nicht magnetisch kurzzuschließen, aber doch eine bestimmte magnetische Kupplung zwischen dem Kreis 1 und den Abschirmteilen 9 und 10 herzustellen. Diese Isolierung kann beispielsweise durch die aus unmagnetischem Material, wie ein geeignetes Plastikmaterial, hergestellten Spulenkörper der Meßspulen gebildet werden. Eine Schutzfolie 16 zur Isolation und zum mechanischen Schutz ist ferner zwischen jedem Abschirmteil und der Wicklung der entsprechenden Spule angeordnet.

Die Abschirmteile 9 und 10, deren Dicke sehr klein im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen des magnetischen Kreises 1 sein kann, und die sich vorzugsweise über eine Länge erstrecken, die nahezu gleich derjenigen der Spulen ist, in denen sie angeordnet sind, bilden einen wirksamen Schutz der in den Luftspalten angeordneten Magnetfelddetektoren gegenüber äußeren Magnetfeldern. Während aber Abschirmungen, die außerhalb der Meßspulen angebracht sind, eine Verzerrung des Magnetfeldes in den Luftspalten des magnetischen Kreises bewirken und daher zu beträchtlichen Meßfehlern der Vorrichtung führen, wird bei Anordnung der Abschirmung im Innern der Spulen die Wiedergabetreue und Meßgenauigkeit des Wandlers noch verbessert. Dies kommt offenbar dadurch zustande, daß infolge der Kupplung zwischen den Abschirmteilen und den Meßspulen die Abschirmteile am Kompensationsvorgang teilnehmen, wobei ein bestimmter Anteil der magnetischen Flußkomponenten, die einerseits vom Primärstrom und andererseits durch den Meßstrom erzeugt werden, in diesen Abschirmteilen verläuft. Insbesondere zeigt sich, daß der Meßfehler, der durch die Differenz zwischen der Stromstärke des Primärstroms und der mit der Anzahl Windungen multiplizierten Stromstärke des Meßstroms nicht nur bei Gleichstrom und niedrigen technischen Frequenzen äußerst gering ist, sondern auch bei höheren Frequenzen, und zwar bis Frequenzen von über 100 kHz, beträchtlich verringert wird. Dies erlaubt die Schaffung eines Stromwandlers, dessen Durchgangsbereich von 0 bis mehr als 100 kHz reicht. Eine solche Eigenschaft ist von großer Bedeutung in allen Anwendungen, in denen sehr rasche Wechsel im Primärstrom auftreten und daher das Frequenzspektrum des Primärstromes reich an Harmonischen ist. Die Genauigkeit, mit welcher der Meßstrom den Änderungen des Primärstromes bis zu den schnellsten Änderungen folgt, ist, beispielsweise im Fall einer Regelung oder einer Steuerung des Primärstroms in Abhängigkeit vom Meßstrom, von entscheidender Bedeutung.

Claims (4)

1. Elektrische Stromwandlervorrichtung zum Messen eines in einem Primärleiter fließenden Stromes und/oder zum Erzeugen eines Abbildes desselben, welche mindestens einen magnetischen Kreis aufweist, der mit dem genannten Primärleiter koppelbar ausgebildet ist und mindestens einen Luftspalt zwischen zweien seiner Zweige aufweist, wobei mindestens eine Meßspule mit diesem Kreis gekoppelt ist und den genannten Luftspalt umgibt und ein magnetischer Felddetektor in diesem Luftspalt angeordnet ist, und welche ferner eine Stromquelle und einen dieser zugeordneten Steuerkreis aufweist, der mit dem magnetischen Felddetektor verbundene Eingangsklemmen sowie Ausgangsklemmen besitzt, die mit den Anschlußklemmen der Serienschaltung der Meßspule und einer Meß- und/oder Anzeigevorrichtung für den in der Meßspule fließenden Strom verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Abschirmteil (9) in der Umgebung des genannten Luftspaltes (2) im Innern der Meßspule (5) angeordnet ist, derart daß fast der gesamte Querschnittsumfang der beiden den Luftspalt (2) bildenden Zweige des magnetischen Kreises (1) umschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmteil (9) von mindestens einem der genannten Zweige des magnetischen Kreises durch eine Schicht (14) aus unmagnetischem Material isoliert ist, welche zwischen dem Abschirmteil (9) und dem betreffenden Zweig des magnetischen Kreises (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmteil (9) durch mindestens ein Blechteil gebildet wird, dessen Dicke sehr gering ist im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen der Zweige des magnetischen Kreises (1), die den Luftspalt (2) bilden, und das genannte Blechteil um diese Zweige herum gebogen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Abschirmteil (9) über eine Länge erstreckt, die annähernd gleich der Länge der Meßspule (5) ist, in der es angeordnet ist.