DE4310361A1

DE4310361A1 - Nach der Kompensationsmethode arbeitender Stromwandler

Info

Publication number: DE4310361A1
Application number: DE4310361A
Authority: DE
Inventors: Kai Johansson; Matti Lounila; Juha Kokkonen
Original assignee: ABB Stromberg Drives Oy
Current assignee: ABB Stromberg Drives Oy
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1993-10-07
Also published as: GB2265722B; FR2689643B1; ITTO930221A1; FI90142B; ITTO930221A0; FI90142C; FI921460A0; FR2689643A1; US5309086A; GB9306504D0; GB2265722A; JPH0627151A; IT1261539B

Description

Die Erfindung betrifft einen nach der Kompensa tionsmethode arbeitenden Stromwandler mit
einem ersten mit einem Fenster versehenen Mag netkern, der von einer ersten Wicklung für einen zu messenden Strom und einer zweiten Wicklung für einen Kompensationsstrom umschlossen ist,
einem zweiten mit einem Fenster versehenen Mag netkern, der ebenfalls von der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung umschlossen ist,
Mitteln zum Erzeugen des Kompensationsstromes und zum Einstellen der Größe desselben, so daß der von ihm im ersten Magnetkern erzeugte magnetische Fluß den von dem zu messenden Strom in diesem Kern erzeugten magnetischen Fluß kompensiert, wobei diese Mittel zum Erzeugen und Einstellen des Kompensations stromes eine dritte Wicklung aufweisen, die den ersten Kern mit einem Magnetisierungsstrom magneti sieren soll,
einer vierten Wicklung, die den ersten Magnet kern umschließt und
einer fünften Wicklung, die den zweiten Magnet kern umschließt, wobei die vierte und die fünfte Wicklung die gleiche Drehzahl haben und zu einer ge schlossenen Schleife in Reihe geschaltet sind über eine Impedanz, die bei der Frequenz des Magnetisie rungsstromes so klein ist, daß der von der fünften Wicklung im zweiter Magnetkern erzeugte magnetische Fluß wenigstens annähernd gleich groß wie der im ersten Magnetkern wirkende magnetische Fluß, aber entgegengesetzt zu diesem ist.

Meßwandler zum Messen von Gleich- und Wechsel strom arbeiten oft nach der Kompensationsmethode, wo bei der von einem in der Primärwicklung fließenden Strom in einem Magnetkern erzeugte Fluß durch einen der Sekundärwicklung zugeführten Strom kompensiert wird. Zur Steuerung des Sekundärstromes ist im magne tischen Kreis ein Anker oder ein ähnlicher Detektor vorgesehen, der den Nullpunkt des Flusses im Kern erfaßt. Im Kern herrscht Nullfluß, wenn der der Se kundärwicklung zugeführte Strom den durch den Strom der Primärwicklung hervorgerufenen Fluß kompensiert. Bei höheren Frequenzen kann der Stromwandler als pas siver Transformator dienen, so daß der in der Sekun därwicklung fließende Strom in einem breiten Fre quenzbereich dem zu messenden, in der Primärwicklung fließenden Strom direkt proportional ist.

Ein gattungsgemäßer Stromwandler ist zum Bei spiel in der US-Patentschrift 4 482 862 beschrieben. Dort dient als Detektor ein bei hoher Frequenz magne tisierbarer, mit einem Fenster versehener Magnetkern, durch den der Nullfluß durch Beobachtung der Kurven form des Magnetisierungsstromes erfaßt wird. Der von dem hochfrequenten Magnetisierungsstrom im Kern er zeugte magnetische Fluß neigt jedoch dazu, Störspan nungen sowohl in der für den zu messenden Strom be stimmten Wicklung als auch in der für den Kompensa tionsstrom bestimmten Wicklung zu induzieren. Zur Kompensation dieser Störspannungen weist der Strom wandler einen zweiten mit einem Fenster versehenen Magnetkern auf, und sowohl auf diesem zweiten als auch auf dem ersten Magnetkern ist jeweils eine Wick lung gleicher Drehzahl aufgewickelt, die zu einer ge schlossenen Schleife in Reihe geschaltet sind. Auch dieser zweite Magnetkern ist von der für den zu mes senden Strom bestimmten Wicklung und der für den Kom pensationsstrom bestimmten Wicklung umschlossen. Da bei ist der durch diese den zweiten Magnetkern um schließende Wicklung in diesem Kern hervorgerufene magnetische Fluß gleich groß wie der im ersten Mag netkern wirkende magnetische Fluß, aber entgegenge setzt zu diesem, wobei durch den Magnetisierungsstrom keine Störspannungen entstehen. Bei hohen Frequenzen fließt in den zu einer geschlossenen Schleife ge schalteten Wicklungen ein Strom, der größer wird, wenn die Frequenz des zu messenden Stromes höher wird, woraus folgt, daß der von dem ersten und dem zweiten Magnetkern und von den diese umschließenden, sowohl für den zu messenden Strom als auch für den Kompensationsstrom bestimmten Wicklungen gebildete magnetische Kreis nicht als passiver Transformator dienen kann. Damit dieser Stromwandler auch bei hohen Frequenzen arbeiten kann, weist er noch einen dritten mit einem Fenster versehenen Magnetkern auf, der ein mittelfrequentes Fehlersignal abgibt, das mit einem niedrige Frequenzen darstellenden Fehlersignal sum miert wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Kom pensationsstrom auch dann richtig einzustellen, wenn der zu messende Strom mittelfrequente Komponenten enthält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach der Kompensationsmethode arbei tenden Stromwandler vorzuschlagen, bei dem die oben beschriebenen Probleme vermieden sind, und somit einen Stromwandler zu schaffen, der trotz seines ein fachen Aufbaus präzis ist und eine große Bandbreite besitzt.

Diese Aufgabe wird mit einem erfindungsgemäßen Stromwandler gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Impedanz in der von der vierten und der fünften Wicklung gebildeten Schleife frequenzabhängig und bei der Frequenz der Wechselstromkomponente des zu messenden Stromes so groß ist, daß sie ein Durch fließen eines zu großen Stromes mit dieser Frequenz durch die vierte und die fünfte Wicklung verhindert. Dann kann der die vierte und die fünfte Wicklung durchfließende Strom also nicht so groß werden, daß die Leistung, die er dem von dem ersten und dem zwei ten Magnetkern und den für den zu messenden Strom und für den Kompensationsstrom bestimmten Wicklungen ge bildeten magnetischen Kreis entnimmt, die Funktion dieses magnetischen Kreises als passiver Stromwandler verhindern würde. Somit besitzt der erfindungsgemäße Stromwandler eine große Bandbreite ohne einen dritten Magnetkern mit dem zugehörigen Kreis, wie er in der US-Patentschrift 4 482 862 vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in den Zeichnungsfiguren dargestellten beispielhaften Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Schaltplan eines Stromwandlers und

Fig. 2 die Wellenform einer der Magnetisie rungswicklung zuzuführenden Spannung Um und eines von ihr in der Magnetisierungswicklung erzeugten Magneti sierungsstromes Im.

Der Stromwandler gemäß Fig. 1 besteht aus zwei Magnetkernen C1 und C2 und aus auf diesen für ver schiedene Zwecke aufgewickelten fünf Wicklungen sowie aus zugehöriger Elektronik, wie nachstehend näher be schrieben wird. Von den Magnetkernen wird der Kern C1 gesättigt, während der Kern C2 in seinem linearen Be reich arbeitet.

De Magnetkern C1 wird bis zur Sättigung magne tisiert, indem eine diesen Kern 1 umschließende Mag netisierungswicklung Nm aus einer Wechselspannungs quelle AC mit einer Wechselspannung Um gespeist wird, in der die Zeitintegrale der positiven und der nega tiven Halbperiode gleich groß sind. Weist die Span nung Um eine Rechteckform auf, so sind die Kurven formen dieser Spannung und eines von ihr in der Mag netisierungswicklung Nm erzeugten Magnetisierungs stromes Im so wie in Fig. 2 gezeigt. Der Magnetisie rungsstrom Im wird durch einen an seinem einen Pol am Erdpotential liegenden Widerstand R1 gemessen, wobei die über diesen entstehende Spannung einem Detektor D zugeführt wird. Die Ausgangsspannung Ue des Detektors D ist der Asymmetrie der Spitzenwerte der über den Widerstand R1 entstehenden Spannung proportional. Die Spannung Ue wiederum steuert einen integrierenden Re gelverstärker IA, der eine Kompensationswicklung Ns, die die beiden Magnetkerne 1 und 2 umschließt, mit einem Strom Is speist. Der zu messende Strom Ip wie derum fließt in einer die beiden Magnetkerne C1 und C2 umschließenden Wicklung Np.

Wenn die den Magnetkern C1 magnetisierenden Am perewindungen NpIp und NsIs (wobei also die Bezeich nungen Np und Ns auch den Drehzahlen dieser Wick lungen entsprechen) gleich groß sind, entspricht die über einen Widerstand R2, den der Kompensationsstrom Is durchfließt, wirkende Spannung U_out der Gleichung U_out = R2 × I_p × Np/Ns. Aus dieser Gleichung läßt sich Ip einfach berechnen.

Sind die Amperewindungen NpIp und NsIs ver schieden groß, so weicht die Magnetisierung des Mag netkernes C1 bei der Frequenz des zu messenden Stromes von Null ab, wobei im Magnetkern C1 ein mag netischer Restfluß fließt, der die Kurvenform des Magnetisierungsstromes Im verzerrt und asymmetrisch macht. Da der Detektor D dazu dient, die Asymmetrie der Spitzenwerte der vom Strom Im über den Widerstand R1 erzeugten Spannung zu beobachten, bekommt der Aus gang Ue des Detektors in einem solchen Asymmetriezu stand einen Wert, der sowohl der Größe als auch der Richtung der Asymmetrie proportional ist. Der Wert Ue zeigt also auch, welche von den Amperewindungen NpIp und NsIs größer ist. Mit Hilfe dieses Steuereingangs Ue kann der integrierende Regelverstärker IA nun den Strom Is so ändern, daß der Magnetisierungsstrom Im wieder symmetrisch wird.

Der von dem hochfrequenten Magnetisierungsstrom Im im Magnetkern C1 erzeugte magnetische Fluß neigt dazu, eine Störspannung in den Wicklungen Np und Ns zu induzieren. Zur Kompensation dieser Störspannung sind die Magnetkerne C1 und C2 von Wicklungen Nc1 und Nc2 umschlossen, von denen Nc1 den Magnetkern C1 und Nc2 den Magnetkern C2 umschließt. Die Drehlzahlen dieser Wicklungen Nc1 und Nc2 sind gleich groß. Da der Magnetkern C2 bemessen ist, um in seinem linearen Bereich zu arbeiten, hat er keinen wesentlichen Ein fluß auf die Magnetisierung des Magnetkernes C1. Die Wicklungen Nc1 und Nc2 sind an ihren einen ungleich namigen Polen über eine Impedanz Z miteinander ver bunden, während ihre anderen ungleichnamigen Pole di rekt miteinander verbunden sind. Somit sind die Wick lungen Nc1 und Nc2 in Reihe geschaltet zu einer ge schlossenen Schleife, in der die Impedanz Z enthalten ist. Die Impedanz Z ist so verwirklicht, daß sie bei der Frequenz des Magnetisierungsstromes Im so klein ist, daß der von der Wicklung Nc2 im Magnetkern C2 erzeugte magnetische Fluß beinahe gleich groß wie der magnetische Fluß, den der Magnetisierungsstrom Im über die Wicklung Nm im Magnetkern C1 hervorruft, aber entgegengesetzt zu diesem ist. Dabei liegt der die Wicklungen Np und Ns durchfließende Gesamtfluß nahe bei Null, und es entstehen keine zu großen Stör spannungen.

Die Wechselstromkomponente des zu messenden, in der Wicklung Np fließenden Stromes Ip neigt aber auch dazu, in den Wicklungen Nc1 und Nc2 einen Strom zu induzieren. Wird dieser Strom nicht begrenzt, so kann der von den Kernen C1 und C2 und von den Wicklungen Np und Ns gebildete magnetische Kreis bei zunehmender Frequenz nicht als passiver Transformator dienen, wo bei die obere Grenzfrequenz des Stromwandlers niedrig bleibt. Diese obere Grenzfrequenz läßt sich jedoch dadurch erhöhen, daß die mit den Wicklungen Nc1 und Nc2 in Reihe liegende Impedanz Z bei der Frequenz der Wechselstromkomponente des zu messenden Stromes Ip so groß bemessen wird, daß kein zu großer, mit der Wech selstromkomponente gleichfrequenter Strom die Wick lungen Nc1 und Nc2 durchfließen kann. In der Praxis läßt sich eine gewünschte frequenzabhängige Impedanz Z am einfachsten durch einen geeignet bemessenen Kon densator verwirklichen.

Der erfindungsgemäße Stromwandler ist vorste hend anhand nur einer beispielhaften Ausführungsform erläutert. Es ist klar, daß ein Fachmann viele der beschriebenen Bauelemente im Rahmen des Patentan spruchs auch anders realisieren kann. So lassen sich insbesondere die Mittel zum Einstellen der Größe des Kompensationsstromes, d. h. die Spannungsquelle Um, der Detektor D und der Regelverstärker IA, auch an ders als oben beschrieben realisieren.

Claims

Nach der Kompensationsmethode arbeitender Stromwandler mit
einem ersten mit einem Fenster versehenen Mag netkern (C1), der von einer ersten Wicklung (Np) für einen zu messenden Strom (Ip) und einer zweiten Wick lung (Ns) für einen Kompensationsstrom (Is) umschlos sen ist,
einem zweiten mit einem Fenster versehenen Mag netkern (C2), der ebenfalls von der ersten Wicklung (Np) und der zweiten Wicklung (Ns) umschlossen ist,
Mitteln (AC, Nm, D, IA) zum Erzeugen des Kom pensationsstromes und zum Einstellen der Größe des selben, so daß der von ihm im ersten Magnetkern (C1) erzeugte magnetische Fluß den von dem zu messenden Strom (Ip) in diesem Kern erzeugten magnetischen Fluß kompensiert, wobei diese Mittel zum Erzeugen und Ein stellen des Kompensationsstromes (Is) eine dritte Wicklung (Nm) aufweisen, die den ersten Kern mit ei nem Magnetisierungsstrom (Im) magnetisieren soll,
einer vierten Wicklung (Nc1), die den ersten Magnetkern (C1) umschließt und
einer fünften Wicklung (Nc2), die den zweiten Magnetkern (C2) umschließt, wobei die vierte und die fünfte Wicklung (Nc1, Nc2) die gleiche Drehzahl haben und zu einer geschlossenen Schleife in Reihe geschal tet sind über eine Impedanz (Z), die bei der Frequenz des Magnetisierungsstromes (Im) so klein ist, daß der von der fünften Wicklung (Nc2) im zweiten Magnetkern (C2) erzeugte magnetische Fluß wenigstens annähernd gleich groß wie der im ersten Magnetkern (C1) wir kende magnetische Fluß, aber entgegengesetzt zu die sem ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (Z) frequenzabhängig und bei der Frequenz der Wechsel stromkomponente des zu messenden Stromes (Ip) so groß ist, daß sie ein Durchfließen eines zu großen Stromes mit dieser Frequenz durch die vierte und die fünfte Wicklung (Nc1, Nc2) verhindert.