DE3918100C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler und ein Leistungswandler mit ihren Primärwicklungen in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei der von einer Sekundärwicklung des Leistungswandlers ein Kompen­ sationsstrom einer ersten (Sekundär-)Wicklung des Komparatorwandlers zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Komparatorwandlers zugeführt wird und bei der eine zweite (Indikator-)Wicklung des Komparatorwandlers ein dem verbleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-Signal abgibt, das verstärkt wird und als Differenzstrom einer ersten Wicklung des Komparatorwandlers zugeführt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes und des Differenz-Stromes das Ausgangssignal bildet.

Eine solche Stromwandleranordnung ist aus der Zeitschrift "Meßtechnik" 10/1968, S. 241-250, Aufsatz von R. Friedl bekannt.

In einer solchen bekannten Stromwandleranordnung zeigen sich Sättigungserscheinungen im Kern des Komparatorwandlers und/oder des Leistungswandlers, wenn im Hauptstrom Ih ein Gleichstromanteil enthalten ist. Dieser tritt auf, wenn ein Verbraucher über einen Einweggleichrichter betrieben wird; dann ist auch die Summe der Ströme I1+I2 dem Hauptstrom Ih nicht mehr genau proportional, und es ergeben sich Meßfehler.

Zur Verrechnung der verbrauchten Energie werden üblicherweise u. a. statische Elektrizitätszähler eingesetzt, die gegen Mischströme, d. h. Wechselströme mit einem Gleichstromanteil, unempfindlich sein müssen. Der Gleichstromanteil führt in den dabei verwendeten induktiven Wand­ lern zu Sättigungserscheinungen. Die Wandler müssen aber aus Kostengründen möglichst materialsparend auf­ gebaut sein.

Auch statische Haushalts-Elektrizitätszähler müssen eine bestimmte Gleichstrom-Unabhängigkeit aufweisen.

Zur meßtechnischen Untersuchung und Überprüfung sowohl im Labor wie auch am Einbauort werden sog. Präzisions- Vergleichszähler benutzt, die eine wesentlich höhere Genauigkeit aufweisen müssen als der Prüfling. Der Stromeingangskreis der Prüfzähler darf im Mischstrom- Betrieb keine größeren Meßunsicherheiten aufweisen als im reinen Wechselstrom-Betrieb.

Übliche Stromwandleranordnungen mit erhöhter Genauig­ keit arbeiten mit aufwendigen elektronischen Hilfs­ schaltungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromwandleranordnung der eingangs erwähnten Art eine hohe Genauigkeit sowohl bei Wechselstrom wie auch für Mischstrom mit einer kostengünstigen Ausführung zu er­ reichen, wobei erreicht werden soll, den nachteiligen Einfluß einer Gleichstromkomponente des Hauptstromes Ih auszuschalten oder wenigstens stark zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfüllt mit den Merkmalen des Kenn­ zeichens von Anspruch 1.

Bekannt ist bereits ein Sromwandler, insbesondere zur Messung von Rechteckströmen mit Gleichstromanteil, mit einem Magnetkern, der mit einer Meßwicklung und einer Kompensationswicklung versehen ist, bei dem die Kompensationswicklung an den Ausgang einer Steuerungseinheit angeschlossen ist, deren Eingang mit einem im Magnetfeld des Magnetkerns angeordneten Magnetfelddetektor so verbunden ist, daß der Ausgangsstrom der Steuerungseinheit so verändert wird, daß der Magnetfelddetektor den Magnetflußwert auf Null regelt, bei dem der Kompensationsstrom unabhängig vom Gleichstromanteil auch bei sehr hohen Frequenzen dem zu messenden Strom entsprechen soll. Dazu wird vorgeschlagen, daß als Steuerungseinheit ein Regelverstärker mit niedrigem elektrischen Widerstand im Ausgangskreis dient, daß der Magnetkern in sich geschlossen, aber an einer Umfangsstelle im wirksamen Querschnitt vermindert ist und daß sich der Magnetfelddetektor in der Nähe der mit vermindertem Querschnitt versehenen Stelle des Magnetkerns befindet (DE-OS 37 05 450).

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird durch den Gleichstromanteil des Stromes durch die Wicklung des Komparatorwandlers im Komparatorkern die magnetische Wirkung der Gleichstromkomponente des Hauptstromes wenigstens nahezu ausgeglichen, so daß eine unzulässige Arbeitspunktverschiebung durch den Gleichstrom vermieden ist. Der Komparatorwandler arbeitet dann so wie bei einem Hauptstrom ohne Gleichstromanteil.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Stromwandleranordnung,

Fig. 2 eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der auf den Komparatorwandler eine zusätzliche Wicklung angebracht ist,

Fig. 3 eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der eine Sekundärwicklung des Kompa­ ratorwandlers für beide Korrekturströme ausgenutzt wird,

Fig. 4 eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der auch der Kern des Leistungswandlers weitgehend durchflutungsfrei gehalten wird, und

Fig. 5 eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der auch am Komparatorwandler der Gleichstromanteil der Durchflutungsdifferenz festge­ stellt und so ein Sekundärmischstrom erzeugt wird.

Gemäß Fig. 1 werden die Primärwicklung 10 eines Kompa­ ratorwandlers 11 und die Primärwicklung 12 eines Lei­ stungswandlers 13 in Reihenschaltung von einem Haupt­ strom Ih zwischen den Klemmen 14 und 15 durchflossen. Der Komparatorwandler 11 trägt eine erste Sekundärwick­ lung 16, die mit einer Bürde 18, insbesondere einem Ohmschen Widerstand, gegen Erde belastet ist. Dem anderen Ende der Wicklung 16 wird von einer auf der anderen Seite an Erde angeschlossenen Sekundärwicklung 17 des Leistungswandlers 13 ein Strom I1 zugeführt. Mittels der Übersetzungsverhältnisse der genannten Wick­ lungen der Wandler 11 und 13 ist dieser Strom so be­ messen, daß er über die Sekundärwicklung 16 im Kom­ paratorwandler 11 über seine Amperewindungszahl etwa die gleiche Durchflutung hervorruft, wie die Primärwicklung 10 infolge des Hauptstromes Ih. Soweit sich die Mag­ netflüsse (Amperewindungszahlen) der Wicklung 10 und der Wick­ lung 16 nicht aufheben, bleibt eine Durchflutungsdifferenz; diese erzeugt über eine zweite Sekundärwicklung 19 des Kompara­ torwandlers 11 und einen nachgeschalteten elektronischen Verstärker 20 einen Differenz-Strom I2, der dem Verbin­ dungspunkt der Sekundärwicklungen 16 und 17 zugeführt wird und durch die Wicklung 16 zusammen mit dem Strom I1 zur Bürde 18 gelangt. An einer Ausgangsklemme A kann gegen Erde ein Signal entnommen werden, das dem Haupt­ strom Ih entspricht.

Gemäß Fig. 2 fließt dazu der Hauptstrom Ih zwischen den Klemmen 14 und 15 durch die Primärwicklung 21 eines Komparatorwandlers 22 und durch die Primärwicklung 23 eines Leistungswandlers 24. Mittels eines magnetfeldabhängigen Signalwandlers (Sensor) 25 wird der durch den Hauptstrom Ih im Kern des Leistungswandlers 24 hervorgerufene Magnetfluß erfaßt. Die dabei erhaltene magnetfeldabhängige elektrische Größe wird über einen elektronischen Verstärker 26 und einen Spannungs-/Strom-Wandler 27 in einen Strom I3 übergeführt, der durch eine Sekundärwicklung 28 auf dem Kern des Kompara­ torwandlers 22 zu einem über einen Widerstand 29 gegengekop­ pelten elektronischen Verstärker 30 geführt ist. Vom Ausgang des Verstärkers 30 wird über einen Kondensator 31 die Gleichstromkomponente aus dem verstärkten Mischstrom I3 abgetrennt und die Wechselstromkomponente über eine Impe­ danz 32 dem Ausgang zugeführt, die durch einen über eine Impedanz 33 gegengekoppelten elektronischen Verstärker 34 vor der Ausgangsklemme A gebildet wird.

Durch den Strom I3 wird der durch den Hauptstrom Ih mit seinen Wechselstromkomponenten und seiner Gleich­ stromkomponente hervorgerufene Magnetfluß im Kern des Komparatorwandlers 22 weitgehend ausgeglichen. Durch den noch verbleibenden Rest-Magnetfluß wird in einer Indi­ katorwicklung 36 ein Signal erzeugt, das über einen Verstärker 37 einen Strom I4 für eine Sekundärwicklung 38 liefert. Diese Sekundärwicklung 38 ist derart ange­ bracht und bemessen, daß sie dem Rest-Magnetfluß im Kern des Komparatorwandlers 22 entgegenwirkt und diesen weitgehend, entsprechend dem Verstärkungsgrad des Ver­ stärkers 37, ausgleicht. Da der Kompensationsstrom I3 durch die Sekundärwicklung 28 auch die Gleichstromkom­ ponente enthält, wird auch diese im Kern des Kompa­ ratorwandlers 22 weitgehend mit ausgeglichen. Der Strom I4 von der Wicklung 36 reduziert nur die Wechselanteile im Magnetfluß. Dieser Strom I4 wird auch dem Eingang des Verstärkers 34 zugeführt, so daß, wie in Fig. 1, an der Ausgangsklemme A ein Signal auftritt, das aus der Summe der Wechselstromanteile der Ströme I3 und I4 zusammengesetzt ist und von der primärseitigen Ansteuerung des Komparatorwandlers 22 bis auf einen sehr geringen Fehler unabhängig ist. Der Leistungswandler 24 braucht hier­ bei allerdings nicht im tatsächlichen Sinne Leistung aufzubringen, da die Energie für den kompensierenden Strom I3 vom Verstärker 26 und ggf. dem U/I-Wandler 27 geliefert wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, in der gegenüber Fig. 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wird der kompensierende Strom I3 wie in Fig. 2 vom Leistungs­ wandler 24 mit einem gleichstromunabhängigen Meßwandlerkern über den in einem Luftspalt angebrachten magnetoelektrischen Fühler 25 und den Verstärker 26 sowie den U/I-Wandler 27 er­ zeugt. Dieser Strom I3 wird über eine Wicklung 41 des Kompa­ ratorwandlers 22 der Bürde 42 gegen Erde zugeführt, und das an diesem entstehende Ausgangsignal wird über einen Trennkon­ densator 43 an der Ausgangsklemme A gleichstromfrei abgenom­ men. Durch den gegensinnig fließenden Strom I3 wird im Kom­ paratorwandler eine weitgehende Kompensation des vom Hauptstrom Ih und des vom Kompensationsstrom I3 her­ vorgerufenen Magnetflusses bewirkt, so daß der Kern des Komparatorwandlers 22 weitgehend in einem magnet­ flußfreien Zustand bleibt, und zwar sowohl hinsichtlich der für die Messung erwünschten Wechselstromkomponente wie auch hinsichtlich der in der Regel unerwünschten Gleichstromkomponente. Mittels der Indikatorwicklung 44 wird der im Komparatorwandler 22 noch auftretende restliche Wechselstrom-Magnetfluß (Durchflutungsdiffe­ renz) festgestellt und über einen Verstärker 45 und einen U/I-Wandler 46 in einen Kompensationsstrom I4 übergeführt, der zusammen mit dem Strom I3 der Sekun­ därwicklung 41 zum Ausgang geführt wird. Durch den Kom­ pensationsstrom I4 wird somit, wie auch bei den oben ste­ henden Figuren, die Kompensation des Wechselstrom-Magnet­ flusses im Kern des Komparatorwandlers 22 sehr genau be­ wirkt.

Ein für einen Leistungswandler 24 gemäß Fig. 2 oder 3 ge­ eigneter Kern kann ringförmig und mit einem Luftspalt ausge­ bildet sein, wobei durch den Luftspalt einerseits in ein­ facher Weise die Gefahr der Sättigung verringert wird und darin andererseits ein magneto-elektrisches Element als Sig­ nalwandler (Sensor) zum Messen des Magnetflusses angebracht sein kann. Der magnetfeldabhängige Fühler kann unter Aus­ nutzung des Halleffektes arbeiten oder den magneto­ resistiven Effekt ausnutzen, also eine Veränderung des elektrischen Widerstandes je nach einem anliegenden Magnetfeld. Auch ein magnetooptischer Effekt kann mit entsprechenden zusätzlichen optischen Sensorelementen aus­ genutzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der auch im Leistungs­ wandler 24 der Magnetfluß weitgehend kompensiert ist. Dazu wird das elektrische Signal vom magneto-elektrischen Signal­ wandler (Sensor) 25 einem Verstärker 48 zugeführt, der einen Strom I5 liefert, der zunächst durch eine Sekundärwicklung 49 des Leistungswandlers 24 fließt. Die Windungszahlen der Primärwicklung 23 und dieser Sekundärwicklung 49 sowie der Verstärkungsgrad des Verstärkers 48 sind so bemessen, daß dadurch, bis auf einen kleinen Regelfehler, der Magnetfluß im Kern des Leistungswandlers 24 ausge­ glichen wird. Der Ausgleichstrom I5 durchfließt weiter eine Sekundärwicklung 50 des Komparatorwandlers 22 zur Bürde 42; über den Trennkondensator 43 kann an der Klemme A das Ausgangssignal ohne Gleichstromanteil entnommen werden.

Wie in den vorangehenden Figuren ist weiter am Kom­ paratorkern 22 eine Wicklung 44 angebracht, die über einen Verstärker 45 und einen U/I-Wandler 46 einen dem Rest-Magnetfluß im Kern des Wandlers 22 entsprechen­ des Wechselstromsignal I4 liefert, da es am Verbin­ dungspunkt der Sekundärwicklungen 49 und 50 eingespeist wird und mit zur Bürde 42 fließt, wodurch eine sehr prä­ zise Kompensation des Wechselstrom-Magnetflusses im Komparatorwandler 22 bewirkt wird.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 gleicht weitgehend derjenigen nach Fig. 4 und trägt für entsprechenden Teile auch gleiche Bezugszeichen. Der Unterschied besteht darin, daß auch der Komparatorwandler 22 mit einem magneto-elektrischen Sensor 52 ausgerüstet ist, der das Durchflutungsdifferenzsignal über einen Verstärker 53 und einen U/I-Wandler 54 als einen korrigierenden Kompensationsstrom I6 an den Verbindungs­ punkt der Wicklungen 49 und 50 liefert. Zur Bürde 42 fließt somit ein zusammengesetzter Strom I5+I6, der am Komparatorwandler 22 auch für Gleichstrom kompensiert ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß in der Bürde 42 am Ausgang Am ein Mischstrom zur Verfügung steht, der in einem sehr präzisen Verhältnis zum Primärmischstrom Ih steht, der also einen Gleichstromanteil enthält.

An einem Ausgang Ag kann über ein Wechselstrom sperrendes Filter 56 auch die von Wechselstromanteilen freie Gleichstromkomponente entnommen werden.

In der Schaltung nach Fig. 5 wird für beide Kerne eine opti­ male Gleichstrom-Kompensation erreicht, so daß ein Maximum an Genauigkeit für einen Sekundär-Mischstrom erzielt werden kann.

Durch das Kompensationsprinzip brauchen beide Wandler 22 und 24 nur sehr geringe Leistung zu übertragen, so daß sehr kleine Kerne Verwendung finden können. Die Leistung muß allerdings bei den kompensierten Wandlern durch die Verstärker aufgebracht werden.

Claims (10)

1. Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler und ein Leistungswandler mit ihren Primärwicklungen in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei der von der Sekundärseite des Leistungswandlers ein Kompensationsstrom einer ersten (Sekundär-)Wicklung des Komparatorwandlers zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Komparatorwandlers zugeführt wird und bei der eine zweite (Indikator-)Wicklung des Komparatorwandlers ein dem verbleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-Signal abgibt, das verstärkt wird und als Differenzstrom der ersten Wicklung des Komparatorwandlers zugeführt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes und des Differenz-Stromes das Ausgangssignal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswandler (24) auch einen dem Gleichstromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechenden Stromanteil in den ersten Kompensationsstrom (I3) überträgt, wobei im Magnetfluß des Leistungsstromwandlers (24) ein magnetfeldabhängiger Signalwandler (Sensor) (25) angeordnet und an den Eingang eines Verstärkers (26; 27) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung (28, 41, 50) des Komparatorwandlers (22) verbunden ist, und daß der dem Gleichstromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechende Anteil des Meßstromes vor dem Ausgang (A) wieder entfernt wird.

2. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (I3) zum Ausgang (A) hin eine weitere getrennte Wicklung (28) des Komparatorwandlers (22) durchfließt.

3. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzstrom (I4) eine getrennte Wicklung (38) des Komparatorwandlers (22) durchfließt.

4. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (I3) und der Differenzstrom (I4) die gleiche Wicklung (41) des Komparatorwandlers (22) zum Ausgang (A) hin durchfließen.

5. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (I5) auch eine Sekundär-Wicklung (49) des Leistungswandlers (24) durchfließt.

6. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Komparatorwandler mittels eines weiteren magnetfeldabhängigen Signalwandlers (52) mit einem Verstärker (53) und ggf. einem Strom- Spannungs-Wandler (54) des Differenzstrom-Signal (I6) erzeugt wird.

7. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Wandler (25; 52) ein Hall-Generator (25; 52) ist.

8. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Wandler (25; 52) ein magnetfeldabhängiges Widerstandselement ist.

9. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Wandler (25; 52) ein magnetooptisches Element enthält.

10. Stromwandleranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Gleichstromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechende Stromanteil derart zum Ausgang (Am) übertragen wird, daß dort der Meßstrom als Sekundärmischstrom zur Verfügung steht.