DE4128989A1 - Stromsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einem elektro­ magnetisch mit dem zu messenden Strom gekoppelten Magnetkern, der mit einer Sekundärwicklung gekoppelt ist, und mit einer Regelein­ richtung, durch die mit der Sekundärwicklung ein dem von dem zu messenden Strom in dem Magnetkern erzeugten Magnetfeld propor­ tionales entgegengerichtetes Magnetfeld erzeugt wird und die wenigstens eine Abfragewicklung aufweist, durch die das Magnet­ feld im Magnetkern mit Abfrageimpulsen überlagert wird, wobei aus dem detektierten resultierenden Magnetfeld ein Steuersignal für den durch die Sekundärwicklung fließenden Strom gewonnen wird und dieser Strom als Meßgröße dient.

Ein derartiger Stromsensor, der nach dem Kompensationsprinzip arbeitet, ist durch EP 02 94 590 A2 bekannt. Der vom zu messenden Strom durchflossene Leiter ist durch einen ringförmigen Magnet­ kern hindurchgeführt, der in seiner Gesamtheit mit der Sekundär­ wicklung umwickelt ist. Innerhalb des Magnetkerns sind zwei diametral gegenüberliegende streifenförmige Elemente vorgesehen, die mit jeweils einer Abfragewicklung umwickelt sind. Die Abfra­ gewicklungen werden von rechteckigen Abfrageimpulsen durch­ flossen, die in Serie hintereinander geschaltet sind und an die sich eine Doppelweg-Gleichrichtung anschließt. Ist in dem Magnet­ kern kein resultierendes Magnetfeld vorhanden, sind die beiden bei der Gleichrichtung erzeugten Signale gleich groß, so daß bei deren Addition ein Nullsignal entsteht. Liegt ein Magnetfeld in dem Magnetkern vor, fallen in den beiden Gleichrichtern ungleiche Spannungsabfälle an, so daß an den Ausgangsklemmen eine ent­ sprechende summierte Ausgangsspannung abgenommen werden kann, die den Strom durch die Sekundärwicklungen so steuert, daß der kompensierte Zustand wieder erreicht wird.

Es ist ferner bekannt, in einem Spalt des Ringkerns einen Magnetfeldsensor in Form einer Hall-Sonde einzusetzen und durch das Meßsignal des Magnetfeldsensors den Kompensationsstrom durch die Sekundärspule zu steuern.

Es ist häufig erwünscht, die Auswertung des Meßwertes in digitaler Form vorzunehmen. Hierzu ist eine möglichst hoch­ frequente Abfrage des Stromsensors erforderlich, die aufgrund der damit verbundenen Ummagnetisierungen des Magnetkerns problematisch ist.

Ausgehend von der Problemstellung, eine möglichst schnelle Abfrage des Stromsensors der eingangs erwähnten Art zu ermög­ lichen, wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Magnetkern in einem Bereich der Kennlinie außerhalb des magnetischen Nullpunkts konstant vormagnetisiert ist und daß die Abfrageimpulse das resultierende Feld des zu messenden Stroms und des Kompensationsstroms hochfrequent überlagern.

In Abkehr von dem bisherigen Kompensationsprinzip, bei dem das von dem zu messenden Stromfluß erzeugte Magnetfeld auf Null kompensiert wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Stromsensor nicht das Magnetfeld Null sondern ein außerhalb des magnetischen Nullpunkts, vorzugsweise im Sättigungsbereich des Magnetkerns liegendes Magnetfeld als Ruhefeld bzw. als Endzustand der Kompensation eingestellt. Unter Sättigungsbereich wird dabei der Bereich der Hysterese-Kurve bezeichnet, in dem die Änderung des Magnetfeldes (H) nur noch zu einer geringen Änderung der Induktion (B) führt. Aufgrund dieser Wahl des Arbeitspunktes des Sensors werden größere Ummagnetisierungen des Magnetkerns vermieden, so daß eine hochfrequente Abfrage möglich ist. Die Abfragefrequenz liegt vorzugsweise in einem Bereich über 5 MHz, insbesondere ist die Abfrage bei einer Frequenz von etwa 10 MHz vorteilhaft, weil die Abfragefrequenz dann sowohl oberhalb des Nutzfrequenzbereichs als auch des Bereichs üblicher Träger­ frequenzen für eine digitale Pulsweitenmodulation und oberhalb üblicher Umschaltstörfrequenzen liegt, so daß eine hohe Störsicherheit der Funktion des Stromsensors gewährleistet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromsensor ist es möglich, die Sekun­ därwicklung und die Abfragewicklung nebeneinander auf dem Magnet­ kern anzuordnen, so daß auf die Anbringung zusätzlicher streifen­ förmiger Elemente für die Durchführung der Abfrage verzichtet werden kann. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Abfragewicklung in Form von zwei wenigstens gleich großen, gegensinnigen Teilwicklungen ausgebildet ist, die elektrisch hintereinander geschaltet sind. Die Abfragewicklung ist dann im wesentlichen zur Primär- und Sekundärwicklung kopplungsfrei. Eine Kopplung erfolgt über die im Magnetkern parallel verlaufenden Feldanteile von Abfrage-, Sekundär- und Primärwicklung.

Zur Feststellung der Richtung des Stromflusses - und damit der Richtung des Kompensationsstromes durch die Sekundärwicklung - ist es vorteilhaft, wenn zwei Magnetkerne mit demselben zu messenden Strom in gleicher Weise gekoppelt, die beiden Magnetkerne in ent­ gegengesetztem Sinn vormagnetisiert und mit beiden Magnetkernen zwei separate magnetische Kreise gebildet sind. In diesem Fall kann zweckmäßigerweise ein Vergleichssignal der beiden magnetischen Kreise als Steuersignal für die Ströme durch die Sekundärwicklungen dienen. Das Vergleichssignal kann dabei zweck­ mäßig in einer Phasenvergleichsstufe gewonnen werden.

Die Vormagnetisierung des Magnetkerns kann mittels eines durch die Sekundärwicklung fließenden Offsetstroms hergestellt werden. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, die Vormagnetisierung durch Einsetzen von Permanentmagneten in den magnetischen Kreis zu bewirken. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärspule um einen geschlossenen Kern gewickelt ist, der einen Teilkern enthält, um den vier Abfragewicklungen gewickelt sind und wenn in dem Teilkern wenigstens ein Permanentmagnet angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der Haupt-Magnetfluß geschlossen. Die Abfragewicklungen bilden ein Teilsystem.

Wenn in diesem Fall die Abfragewicklungen auf zwei Schenkeln eines Teilkerns angeordnet sind und auf jedem Schenkel einer Abfragewicklung eine weitere gegensinnig gewickelte Abfrage­ wicklung folgt, wird der Sättigungszustand in den Teilkernen durch das resultierende magnetische Feld des zu messenden Stromes, des Kompensationsstromes und den Feldanteilen der Permanentmagnete detektiert. Mit der beschriebenen Anordnung ist eine gute Entkopplung gewährleistet. Die Teilwicklungen, deren durch die Permanentmagnete erzeugten Felder in gleicher Richtung zeigen, sind jeweils gegensinnig zu einer Abfragewicklung verschaltet.

Die Permanentmagnete sind in diesen Anordnungen durch ferro­ magnetische Zylinder mit Wicklungen zur Erzeugung der Vormagnetisierung ersetzbar. Die Vormagnetisierung der Teil­ systeme geschieht über das resultierende Feld dieser Wicklungen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ringkerns, durch den ein stromführender Leiter hindurch­ geführt ist und der eine Sekundärwicklung und eine Abfragewicklung aufweist,

Fig. 2 eine Anordnung mit zwei, den Strom führenden Leiter umgebenden Magnetkernen,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Auswertungs­ schaltung für die Anordnung gemäß Fig. 2 mit einer digitalen Ausgangsgröße,

Fig. 4 eine Prinzipschaltung analog Fig. 3 mit einer analogen Ausgangsgröße,

Fig. 5 eine Phasen-Primärstrom-Kennlinie zur Erläuterung des Auswertungsprinzips,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für eine digitalarbeitende Pulsweitenmodulations­ schaltung,

Fig. 7 eine prinzipielle Darstellung für die Ausbildung einer Vormagnetisierung mit wenigstens einem Permanentmagneten,

Fig. 8 einen vertikalen Schnitt durch eine Ringkern­ anordnung mit einer Vormagnetisierung durch Permanentmagneten,

Fig. 9 einen vertikalen, zu dem schnittgemäß Fig. 8 senkrecht stehenden Schnitt.

Fig. 1 zeigt einen vom zu messenden Strom (Primärstrom) durchflossenen Leiter 1, der durch einen als Ringkern ausge­ bildeten Magnetkern 2 hindurchgeführt ist. Um eine untere Hälfte des Kerns ist eine Sekundärwicklung 3 gewickelt, durch die ein solcher Strom fließt, daß Änderungen des Stromflusses in dem Leiter 1 kompensiert werden. Dabei erfolgt die Kompensation nicht auf das Magnetfeld Null sondern auf ein Magnetfeld im Bereich der Sättigung des Magnetkerns 2. Die Detektion einer Abweichung der Magnetisierung des Magnetkerns 2 von dem im Sättigungsbereich liegenden Sollwert erfolgt mit einer Abfragewicklung 4, die in zwei hintereinander geschaltete, gegensinnig gewickelte Teil­ wicklungen 5, 6 unterteilt ist.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit zwei Magnetkernen 2, 2′, durch die der Leiter 1 in gleicher Weise hindurchgeführt ist. Die Sekundärwicklungen 3, 3′ werden von dem durch die Abfragewicklungen 4, 4′ verursachten Kompensationsstrom I_Komp durchflossen, wobei dem Kompensationsstrom I_Komp ein Offsetstrom ΔI überlagert ist. Der Offsetstrom ΔI sorgt dafür, daß die Magnetkerne 2, 2′ auf einen Arbeitspunkt im Bereich ihrer Sättigung eingestellt sind, wobei die beiden Sekundärwicklungen 3, 3′ von entgegengesetzt gerichteten Offsetströmen ΔI durchflossen werden, so daß die Magnetkerne 2, 2′ entgegengesetzt vormagnetisiert sind.

Fig. 3 zeigt schematisch die elektrische Anordnung gemäß Fig. 2 mit einer nachgeschalteten, vorwiegend digital arbeitenden Regel­ schaltung. Elektrisch stellt der Leiter 1 die Primärseite eines Transformators dar, der mit den beiden Kernen 2, 2′ aufgebaut ist. Auf der Sekundärseite befinden sich die Sekundärwicklungen 3, 3′ sowie die Abfragewicklungen 4, 4′, die aus den gegenein­ andergewickelten Teilwicklungen 5, 6 bzw. 5′, 6′ aufgebaut sind.

Die Abfragewicklungen 4, 4′ werden von einem hochfrequenten Oszillator 7 über jeweils einen Tiefpaß 8, 8′ und einen Treiber 9, 9′ mit den hochfrequenten Abfrageimpulsen beschickt. Die Abfragewicklungen 4, 4′ bilden einen Schwingkreis, so daß die Magnetisierung der Kerne 2, 2′ zu einer Phasenverschiebung führt. Durch eine Phasenauswertung 10 wird eine digitale Regelung 11 ge­ steuert, die ein Regelsignal auf einen Digital-Analog-Wandler 12 leitet. Dessen Ausgangssignal gelangt über einen Tiefpaß 13 auf regelbare Stromquellen 14, 14′, die die Ströme für die Sekundär­ wicklungen 3, 3′ bereitstellen. In einer Offset-Stromquelle 15 wird ein konstanter Offsetstrom ΔI erzeugt, der dem Ausgangs­ strom der Stromquelle 14 in einem Additionspunkt 16 und dem Aus­ gangsstrom der Stromquelle 14′ an einem Subtraktionspunkt 17 hin­ zugefügt wird. Demzufolge wird die Sekundärwicklung 3 von dem Strom I_Komp+ΔI und die Sekundärwicklung 3′ von dem Strom I_Komp-ΔI durchflossen. Die Meßgröße steht als digitale Ausgangsgröße unmittelbar am Ausgang der Regelung 11 zur Verfügung und wird dort abgegriffen.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung, die in weiten Teilen mit der Schaltung gemäß Fig. 3 identisch ist. Im Anschluß an die Phasen­ auswertung ist lediglich ein analoger Regler 11′ vorgesehen, an dessen Ausgang die Meßgröße als analoge Ausgangsgröße zur Verfü­ gung steht. Da die analoge Ausgangsgröße nicht digital- analog gewandelt werden muß, entfällt der Digital-Analog-Wandler 12 und der nachgeschaltete Tiefpaß 13 aus Fig. 3. Das analoge Ausgangssignal wird daher unmittelbar auf die regelbaren Strom­ quellen 14, 14′ geleitet.

Fig. 5 verdeutlicht die Zusammenhänge, die für die Phasen­ auswertung 10 und die Regelung 11 gemäß Fig. 3 und 4 ausge­ nutzt werden. Die in den durch die Abfragewicklungen 4, 4′ gebildeten Schwingkreise entstehende Phase ist von dem Primärstrom I_P und dem Offsetstrom ΔI abhängig. Bei einem Primärstrom I_P = 0 entstehen durch die entgegengerichteten Offsetströme ΔI Phasenlagen, die durch die Arbeitspunkte A und B in Fig. 4 gekennzeichnet sind. Beide Schwingkreise weisen eine Phase O₀ auf. Wächst der Primärstrom in positive Richtung, wie dies durch den Pfeil X in Fig. 4 angedeutet ist, wandert der Arbeitspunkt B in Richtung des Pfeiles Y in Fig. 4 und der Arbeitspunkt A in Richtung des Pfeiles Z in Fig. 4, so daß sich die Phase für den Schwingkreis 3 vergrößert und gleichzeitig die Phase für den Schwingkreis 4 verkleinert. Die Phasenänderung läßt sich in der Phasenauswertung 10 unschwer detektieren.

Die Phasenauswertung 10 erzeugt vorzugsweise ein Up-/Down-Signal, das in einer digitalen Regelung 11, wie sie in Fig. 6 darge­ stellt ist, zu einem pulsweitenmodulierten Signal umgewandelt werden kann.

In einer an sich bekannten Anordnung werden zwei Zähler 18, 19 hochfrequent getaktet, im vorliegenden Beispiel durch den Oszillator 7, so daß eine zyklische Ausgabe von Zählerwerten erfolgt. Die Zählerwerte des ersten Zählers 18 gelangen auf einen Eingang A und die Zählerwerte des zweiten Zählers 19 auf einen Eingang B des Komparators 20. Die Ausgangswerte des Zählers 19 sind mit dem Eingang B des Komparators 20 jedoch so verbunden, daß das niedrigstwertige Bit des Zählers 19 auf den höchst­ wertigen Eingang B des Komparators 20 und das höchstwertige Bit des Zählers 19 auf den niedrigstwertigen Eingang des Komparators 20 gelangt, so daß die Anordnung eines bekannten "Bitreverse- Komparators" realisiert ist. Der Komparator erzeugt ein positives Ausgangssignal, wenn der Wert am Eingang A größer als am Eingang B ist, ansonsten ein Nullsignal. Auf diese Weise wird ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt, das über den Tiefpaß 13 den Stromquellen 14, 14′ als Steuersignal zugeführt wird.

Wie Fig. 5 erkennen läßt, erlaubt die Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit zwei Magnetkernen eine Stromrichtungserkennung, da bei einem in der entgegengesetzten Richtung fließenden Primär­ strom I_P die Änderung der Arbeitspunkte entgegen den Pfeil­ richtungen Y und Z erfolgen würde. Kommt es auf die Strom­ richtungserkennung nicht an, ist ein Magnetkern 2 gemäß Fig. 1 ausreichend.

Während bei den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 3 und 4 die Vormagnetisierung durch die Offset-Stromquelle 15 besorgt wird, die einen Offsetstrom durch die Sekundärwicklungen 3, 3′ leitet, ist es gemäß Fig. 7 auch möglich, die erfindungsgemäß vorge­ sehene magnetische Vorspannung durch Permanentmagnete 21 zu erzeugen. In der in Fig. 7 dargestellten Prinzipzeichnung ist der um den vom Primärstrom durchflossenen Leiter 1 geschlossene Magnetkern 2 auf einem Schenkel mit der Sekundärwicklung 3 bewickelt und weist auf seiner gegenüberliegenden Seite zwei Teilschenkel 31, 32 auf. Die Teilschenkel sind mit jeweils zwei nebeneinander angeordneten Abfragewicklungen 4′′ zueinander gegensinnig bewickelt. Eine gleichsinnige Bewicklung liegt bei diagonal gegenüberliegenden Wicklungen vor und diese gleich­ sinnigen Wicklungen sind elektrisch hintereinander geschaltet. Über den zentral angeordneten Permanentmagneten werden die ent­ sprechenden Vormagnetisierungsflüsse durch die Teilkerne 31, 32 im Bereich der Abfragewicklungen 4′′ erzeugt, wie dies durch die Pfeile ⌀_M dargestellt ist. Es zeigt sich, daß die Vormagneti­ sierungsfelder sich resultierend gegeneinander aufheben, so daß praktisch eine Rückkopplungsfreiheit bezüglich des Haupt-Magnet­ flusses ⌀_H durch den Magnetkern 2 gegeben ist.

Die Fig. 8 und 9 illustrieren ein realisiertes Ausführungs­ beispiel mit einem ringförmigen Magnetkern 2, der aus zwei ring­ förmigen, geschlossenen Hauptkernen 22, 23 und einem dazwischen angeordneten Teilkern 24 besteht, der seinerseits aus zwei Ring­ kernen 25, 26 gebildet ist. Um die gesamte Kernanordnung, durch die der Leiter 1 mit dem Primärstrom hindurchgeführt ist, ist eine Sekundärwicklung 3 gewickelt. Um jeden Ringkern 25, 26 des Teilkerns 24 sind vier Abfragewicklungen 4′′ gewickelt, die jeweils knapp einen Quadranten ausfüllen. Jeweils zwischen den Abfragewicklungen 4′′ und zwischen den beiden Ringkernen 25, 26 befinden sich vier Permanentmagneten 21, die in der oben erwähn­ ten Weise für die Vormagnetisierung der Kerne 25, 26 bezüglich der Abfragewicklungen 4′′ sorgen. Aufgrund der Anwendung derselben Wicklungstechnik für die Abfragewicklungen 4′′ erfolgt keine Kopplung zum Haupt-Magnetfluß, da sich die parallel verlaufenden Flußanteile in den Abfragewicklungen 4′′ gegenseitig aufheben.

Claims (16)

1. Stromsensor mit einem elektromagnetisch mit dem zu messenden Strom (I_P) gekoppelten Magnetkern (2, 2′ ), der mit einer Sekundärwicklung (3, 3′) gekoppelt ist, und mit einer Regeleinrichtung, durch die mit der Sekundärwicklung (3, 3′) ein dem von dem zu messenden Strom in dem Magnet­ kern (2, 2′) erzeugten Magnetfeld proportionales entgegen­ gerichtetes Magnetfeld erzeugt wird und die wenigstens eine Abfragewicklung (4, 4′) aufweist, durch die das Magnetfeld im Magnetkern (2, 2′) mit Abfrageimpulsen überlagert wird, wobei aus dem detektierten resultierenden Magnetfeld ein Steuersignal für den durch die Sekundär­ wicklung (3, 3′) fließenden Strom (I_Komp) gewonnen wird und dieser Strom (I_Komp) als Meßgröße dient, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Magnetkern (2, 2′) in einem Bereich der Kennlinie außerhalb des magnetischen Nullpunkts konstant vormagnetisiert ist und daß die Abfrageimpulse das resultierende Feld des zu messenden Stroms (I_P) und des Kompensationsstroms (I_Komp) hochfrequent überlagern.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (3, 3′) und die Abfragewicklung (4, 4′) auf dem Magnetkern (2, 2′) nebeneinander angeordnet sind.

3. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abfragewicklung (4, 4′) in Form von wenigstens zwei gleichgroßen gegensinnigen Teilwicklungen (5, 6; 5′, 6′) ausgebildet ist.

4. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetkerne (2, 2′) mit dem­ selben zu messenden Strom (I_P) in gleicher Weise gekoppelt, die beiden Magnetkerne (2, 2′) im entgegengesetzten Sinn vormagnetisiert und mit den beiden Magnetkernen (2, 2′) zwei separate magnetische Kreise gebildet sind.

5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleichssignal der beiden magnetischen Kreise als Steuersignal für die Ströme (I_Komp) durch die Sekundär­ wicklungen (3, 3′) dient.

6. Stromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichssignal in einer Phasenvergleichsstufe (10) gewonnen wird.

7. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Abfrageimpulse größer als 5 MHz ist.

8. Stromsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Abfrageimpulse bei etwa 10 MHz liegt.

9. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierung mittels eines durch die Sekundärwicklung (3, 3′) fließenden Offsetstroms (ΔI) hergestellt ist.

10. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierung durch Einsetzen von Permanentmagneten (21) in den Magnetkern (2, 2′) hergestellt ist.

11. Stromsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (3, 3′) um einen geschlossenen Kern (2) gewickelt ist, der einen Teilkern (31, 32; 24) enthält, um den vier Abfragewicklungen (4′′) um einen Teilkern (31, 32; 24) gewickelt sind und daß in dem Teilkern (31, 32; 24) die Permanentmagnete (21) angeordnet sind.

12. Stromsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfragewicklungen (4′′) auf zwei Schenkeln (31, 32; 25, 26) eines Teilkerns (31, 32; 24) angeordnet sind und daß auf jedem Schenkel (31, 32; 25, 26) einer Abfragewicklung (4′′) eine gegensinnig gewickelte Abfragewicklung (4′′) folgt.

13. Stromsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Schenkeln (31, 32; 25, 26) des Teilkerns (31, 32; 24) jeweils gegensinnig gewickelte Abfragewicklun­ gen (4′′) nebeneinander angeordnet sind.

14. Stromsensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Schenkeln (31, 32; 25, 26) des Teilkerns (31, 32; 24) wenigstens zwei Permanentmagnete (21) angeordnet sind.

15. Stromsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schenkeln (25, 26) des Teilkerns (24) vier Permanentmagnete (21) angeordnet sind.

16. Stromsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagnete (21) durch ferro­ magnetische Zylinder mit Wicklungen zur Erzeugung der Vormagnetisierung ersetzt sind.