DE4229948A1

DE4229948A1 - Hysteresefreier Stromsensor

Info

Publication number: DE4229948A1
Application number: DE19924229948
Authority: DE
Inventors: Detlef Prof Dipl Ing Knuth
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1994-03-10

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zur Messung von Gleich- und Wechselströmen mit einem Kern aus weich magnetischem Material, einer Primärwicklung, die vom Meßstrom durchflossen wird, sowie einer Sekundärwicklung, die mit der Primärwicklung über den Magnetkern magnetisch gekoppelt ist.

Es sind Stromsensoren dieser Art bekannt, bei denen der Kern einen Luftspalt aufweist. Das Magnetfeld im Spalt dient als Maß für die Stromstärke. Die Messung des Magnetfeldes erfolgt in der Regel durch Hallelemente. Bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Messung werden häufig Stromsensoren eingesetzt, die nach dem sogenannten Kompensationsverfahren arbeiten. Hierbei wird der zu messende Strom durch einen in die Sekundärwicklung eingespeisten Strom kompensiert und der Magnetfeldsensor arbeitet als Nullfelddetektor.

Trotz der bereits erreichten Genauigkeit weisen diese Stromsensoren doch noch einige Nachteile auf. Hinsicht lich der Meßgenauigkeit ist der wesentliche Nachteil in dem Meßfehler zu sehen, der durch die magnetische Hysterese des Magnetkerns bedingt ist. Durch die Not wendigkeit der Magnetfeldmessung in einem Spalt des Magnetkerns muß auch der Kernquerschnitt vergleichsweise groß gewählt werden, wodurch eine weitere Miniaturi sierung des Stromsensors erschwert wird. Ferner müssen die Kerne in einem separaten Arbeitsschritt erst mit dem erforderlichen Luftspalt versehen werden. Da der be wickelte Magnetkern und die Meß- und Auswerteelektronik in der Regel räumlich getrennt sind, werden mehrere Verbindungsleitungen zwischen diesen Komponenten erforderlich. Beim nach dem Kompensationsverfahren arbeitenden Stromsensor mit Hallelement werden beispiels weise sechs Verbindungsleitungen benötigt.

Aus der DE-A 37 28 912 ist ein nach einem anderen Prinzip arbeitender Stromsensor bekannt, der einen weichmagneti schen Doppelringkern aufweist. Die beiden Teilkerne mit rechteckiger Hystereseschleife werden mit einem Hilfs strom gegensinnig und stets bis in die Sättigung magneti siert. Der Meßstrom bewirkt eine ihm proportionale gegen sinnige Verschiebung der Hystereseschleifen der Kerne, die mit einem Abtast- und Haltekreis bei jedem positivem Nulldurchgang der mittleren magnetischen Induktion der Kerne gemessen wird. Der Stromsensor soll ein gutes line ares Verhalten und geringe Beeinflussung durch Tempera turschwankungen aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung des Stromsensors werden zur Vermeidung des Hysteresefehlers in der Stromstärkemessung jedoch zwei bewickelte Kerne benötigt. Dies wirkt sich negativ auf die Abmessungen und die Kosten des Stromsensors aus. Bei Messungen wurde zudem ein hoher Leistungsbedarf der Anordnung festge stellt.

Aus der EP-A 0 356 248 ist ein weiterer Stromsensor bekannt, bei dem der Magnetkern periodisch bis in die Sättigung magnetisiert wird. Zur Bestimmung der Strom stärke wird dort die Zeitspanne gemessen, die jeweils bis zum Erreichen der Sättigung benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromsensor anzu geben, bei dem der Meßfehler durch die magnetische Hysterese des Magnetkerns eliminiert wird und der gleich zeitig eine kleinvolumige Dimensionierung erlaubt.

Die Aufgabe wird durch einen Stromsensor gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Ein Verfahren zur Stromstärkemessung mit einem solchen Stromsensor ist in Anspruch 8 angegeben.

Der erfindungsgemäße Stromsensor kommt zur Vermeidung des Hysteresefehlers mit einem einzigen Magnetkern aus. Ein Luftspalt ist ebenfalls nicht erforderlich. Neben Mitteln zur periodischen Ummagnetisierung des Magnetkerns bis in die Sättigung weist der Stromsensor weiterhin Mittel zur Abtastung und Speicherung eines der Sekundärstromstärke proportionalen Spannungsabfalls und zur Bildung des Mittelwertes aus zwei Abtastungen auf.

Im Betrieb wird der Magnetkern, unabhängig von der zu messenden Spannung, periodisch von der positiven zur negativen Sättigung und zurück ummagnetisiert. Außerhalb der magnetischen Sättigung wird ein der Sekundärstrom stärke proportionaler Spannungsabfall abgetastet und der Wert gespeichert. Aus dem aktuellen und einem vorher gehenden Meßwert des Spannungsabfalls wird der Mittelwert gebildet. Stammen die beiden Meßwerte aus Messungen, die nach dem Durchlaufen der positiven bzw. negativen Sättigung gemessen wurden, so heben sich die Beträge des zusätzlichen Magnetisierungsstroms (zur Sättigung des Kerns) gegenseitig auf. Der Mittelwert enthält somit nur noch einen der zu messenden Stromstärke proportionalen Beitrag. Durch die periodische Ummagnetisierung des Magnetkerns bis in die Sättigung, unabhängig vom zu messenden Primärstrom, sind die magnetischen Verhältnisse bei der Abtastung unabhängig von der Vorgeschichte des Kerns und es tritt keine Hysterese auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Stromsensors,

Fig. 2 die Zeitverläufe der wichtigsten Sensorgrößen und

Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Brückenschaltung.

In Fig. 1 ist mit 1 die Primärwicklung mit der Windungs zahl N1 und mit 2 die Sekundärwicklung mit der Windungs zahl N2 bezeichnet. Nicht eingezeichnet ist der gemein same Magnetkern. Vorzugsweise ist der Stromsensor mit einer einfachen Bewicklung als Sekundärwicklung versehen, wobei die Primärwindungszahl 1 beträgt (Durchsteckwand ler). Die zu messende Stromstärke ist mit i1 bezeichnet. Durch den Ansteuergenerator G wird eine zusätzliche Spannung an die Sekundärwicklung 2 angelegt, die eine Flußänderung d(phi)/dt = u2/N2 - R _* i2 bewirkt, wobei R die Summe aller Gleichstromwiderstände im Sekundär stromkreis ist. Bei Erreichen der Kernsättigung steigt die Stromstärke i2 stark an. Ein Schwellenwert i2(max) wird zum Umschalten des Generators G benutzt, so daß der Magnetkern anschließend in Gegenrichtung magnetisiert wird (Selbststeuerung). Das Umschalten des Generators G erfolgt durch den Differenzverstärker 3, der die Differenz zwischen dem Spannungsabfall i2 _* R und dem maximal auftretenden Spannungsabfall i2(max) R bildet.

Im ungesättigten Bereich ist die Stromstärke i2 gegeben durch i2 = i1/N2 ± iM, wobei iM der zusätzliche Magne tisierungsstrom durch den Generator G ist. Mit einer Abtast- und Halteschaltung (einschließlich Mittelwert bildung) 4 wird der Spannungsabfall i2 _* R abgetastet und gespeichert. Die Abtastung erfolgt vorzugsweise bei verschwindender magnetischer Induktion (B = 0). Der abgespeicherte Wert ist ein Maß für die Summe aus Primär strom und Magnetisierungsstrom. Zudem wird der Mittelwert aus der aktuellen und der vorhergehenden Messung gebil det. Die Abtastzeiten werden so gewählt, daß der Magnet kern beispielsweise vor der aktuellen Messung in der positiven Sättigung und vor der vorhergehenden Messung in der negativen Sättigung (oder umgekehrt) war, da dann der durch die Hysterese des Magnetkerns bedingte Meßfehler bzw. der Fehler durch den Magnetisierungsstrom bei der Mittelwertbildung aufgrund unterschiedlicher Vorzeichen herausfällt.

In Fig. 2 sind die prinzipiellen zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe einer Schaltung entsprechend Fig. 1 dargestellt. Kurve A zeigt den zeitlichen Verlauf der Primär- und Sekundärstromstärke (i2), zunächst ohne Primärstrom (i1 = 0) und dann mit eingeschaltetem Primär strom. In den Kurven B und C sind die Abtastzeiten für die positive (SP) bzw. für die negative (SN) Generator spannung dargestellt. Die Kurven D und E zeigen das Ergebnis der Abtastung bei negativer bzw. positiver Generatorspannung. Für i1 = 0 sind aus dem Vergleich der Kurven D und E die entgegengesetzt gepolten Magnetisie rungsströme zu ersehen. In Kurve F ist der Mittelwert beider Abtastungen dargestellt. Kurve G zeigt schließlich die Sekundärspannung.

Als Ansteuergenerator G wird vorzugsweise eine Brücken schaltung eingesetzt. Ein Ausführungsbeispiel mit bipola ren Transistoren zeigt die Prinzipschaltung in Fig. 3. Sind die Transistoren T2 und T3 leitend, so wird der Kern entgegengesetzt zum äußeren Feld ummagnetisiert. Der benötigte Strom wird der äußeren Spannungsquelle U ent nommen. Wird beim Erreichen der Sättigung auf T1 und T4 umgeschaltet, so fließt der Sekundärstrom vor Erreichen der Kernsättigung in gleicher Richtung weiter über die Dioden D1 und D4 zurück in die Spannungsquelle. Auf diese Weise kann ein Teil der zum Ummagnetisieren gegen das äußere Feld aufgewandten Energie zurückgewonnen werden.

Bei einer Fremdsteuerung kann bei niedriger Primär frequenz der Energieverbrauch dadurch gesenkt werden, daß der Primärstrom mit Lücken eingeschaltet wird. Zur Rich tungserkennung des Primärstromes kann ferner der Strom anstieg des ersten (Sekundär-)Pulses herangezogen werden. Bei bekannter und konstanter Richtung des Primärstroms läßt sich der Energieverbrauch weiter senken, indem kurze, unipolare Stromimpulse mit Lücken in die Wicklung eingespeist werden.

Um bei Selbststeuerung die notwendige hohe Taktfrequenz zu erreichen, wird bei nicht zu niedriger Sekundärwin dungszahl ein kleiner Kernquerschnitt erforderlich. Aufgrund der hohen dynamischen Beanspruchung wird als Magnetmaterial für den Kern amorphes Material mit Recht eckschleife in draht- oder bandförmiger Ausführung bevorzugt. Der Kern kann somit sehr klein gebaut und getrennt von der Elektronik direkt auf den Primärleiter aufgesetzt werden.

Der geringe erforderliche Kernquerschnitt in Verbindung mit der mechanischen Unempfindlichkeit magnetostriktions armer amorpher Legierungen bietet auch die Möglichkeit zunächst eine oder mehrere Spulen zu wickeln, durch die das band- oder drahtförmige Magnetkernmaterial nachträg lich gefädelt wird.

Daneben sind jedoch auch andere Magnetkernmaterialien wie beispielsweise weichmagnetische Ferrite grundsätzlich geeignet.

Die Abtastfrequenz liegt vorteilhafterweise höher als die 3-fache Frequenz der relevanten Anteile der zu bestimmen den Stromstärke. Ferner sollte der Primärstromkreis eine ausreichende Induktivität bzw. Innenwiderstand aufweisen, um ein Kurzschließen der Sekundärspannung zu vermeiden.

Dies ist bei den üblichen Anwendungen wie beispielsweise in Stromrichterschaltungen oder Motorantrieben in der Regel gewährleistet.

Zur wirtschaftlichen Realisierung weist der erfindungs gemäße Stromsensor vorzugsweise einen kundenspezifischen Schaltkreis auf, der den größten Teil der Schaltung in einem Gehäuse enthält.

Claims

1. Stromsensor mit

- einem vorzugsweise ungeschlitzten Kern aus weichmagne tischem Material,
- einer Primärwicklung (1), die vom Meßstrom durchflossen wird,
- einer Sekundärwicklung (2), die mit der Primärwicklung über den Magnetkern magnetisch gekoppelt ist,
- Mitteln zur periodischen Ummagnetisierung des Magnet kerns bis in die Sättigung sowie
- Mitteln (4) zur Abtastung und Speicherung eines der Sekundärstromstärke proportionalen Spannungsabfalls und
- Mitteln zur Bildung des Mittelwertes aus zwei Abtastungen des Spannungsabfalls.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz mindestens das 3-fache der Fre quenz des zu messenden Stroms beträgt.

3. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zur Ummagnetisierung einen Ansteuergenerator in Form einer Brückenschaltung aufweisen.

4. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zur Ummagnetisierung einen fremdgetakteten Ansteuergenerator enthalten.

5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuergenerator Stromimpulse mit Lücken abgibt.

6. Stromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um unipolare Stromimpulse handelt.

7. Stromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus amorphem Material besteht.

8. Verfahren zur hysteresefreien Messung eines Gleich- oder Wechselstroms mit einem Stromsensor, der einen vorzugsweise ungeschlitzten Kern aus weichmagnetischem Material, eine Primärwicklung, die vom Meßstrom durch flossen wird und eine Sekundärwicklung, die mit der Primärwicklung über den Magnetkern magnetisch gekoppelt ist, enthält, wobei der Magnetkern mittels eines zusätz lichen Magnetisierungsstroms periodisch von der positiven zur negativen Sättigung und zurück ummagnetisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Sekundärstromstärke proportionaler Spannungsabfall außerhalb der magnetischen Sättigung abgetastet und gespeichert wird und daß aus dem aktuellen und dem vorhergehenden Meßwert des Spannungs abfalls der Mittelwert gebildet wird, wobei sich die Beiträge des zusätzlichen Magnetisierungsstroms gegen seitig aufheben.