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GEGENSTAND
DER ERFINDUNG
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Diese
Beschreibung betrifft eine patentierte Erfindung für elektrische
Strom-Messwandler, die auf mechanischen Wellen basieren oder in
anderen Worten auf der Erzeugung von elastischen Wellen, deren Zweck
es ist, die Magnitude des Stroms des elektrischen Kreislaufs von
Stromkreisen mittels verschiedener Vorrichtungen so anzupassen,
dass er gemessen werden kann, auch wenn es sich um einen sehr hohen
Wert handeln sollte, oder wenn der Strom in Hochspannungs-Stromkreisen fließen sollte.
Diese Vorrichtungen bestehen aus mehreren Magnet-/Kraftfeldumformern,
die aus den elektromagnetischen Feldern mechanische Wellen erzeugen,
die sich über
verschiedene Übertragungsstrukturen
zu Empfängern
ausbreiten, wo sie in elektrische Signale umgewandelt werden.
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Umwandler werden benutzt, um Wechselstrom in elektrischen Kreisläufen zu
messen, deren Strom oder deren erforderliche Isolierstärke so hoch
sind, dass sie nicht unmittelbar in das Messgerät eintreten können.
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Obwohl
sie in einem großen
Frequenzbereich benutzt werden kann, liegt das wichtigste Anwendungsgebiet
bei Einrichtungen zur Erzeugung, zum Transport und zur Verteilung
von elektrischer Energie, die mit hohen elektrischen Spannungen
und Strom mit Frequenzen von 50 bis 60 Hz arbeiten.
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Ebenso
ist sie für
die Benutzung auf allen Systemen geeignet, die die Messung von hohen Stromstufen
erfordern oder die die galvanische Trennung zwischen dem ersten
Kreislauf und dem zweiten oder dem Messkreislauf erfordern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Strom-Messwandler
sind Vorrichtung zur Modifizierung der Amplitude von elektrischem
Strom.
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Herkömmlicherweise
wird dies durch die Erzeugung eines magnetischen Flusses auf dem
ersten Kreislauf erreicht, der den zweiten Kreislauf erreicht und
Variationen in dem elektrischen Strom induziert, die zu den Variationen
des magnetischen Flusses entgegengesetzt sind. Dieses Phänomen wird
im Allgemeinen mit der Maxwellschen Gleichung gut erklärt.
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Das
Verhältnis
der Anzahl der Ringe des ersten und des zweiten Kreislaufs bestimmen
das Verhältnis
der Amplituden des ersten und des zweiten Kreislaufes. Aus der Perspektive
der Benutzung als Zwischenvorrichtung zur Messung von Strom ist
die Möglichkeit
der Modifizierung der Amplituden und deren Anpassung an das Messgerät nützlich,
und die galvanische Isolierung, die sie liefern, wenn der erste Kreislauf
und der zweite Kreislauf mit den Magnetfeldern ohne elektrischen
Kontakt untereinander verbunden werden, noch viel mehr.
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Die
letztgenannte Eigenschaft macht sie besonders für große Netzwerke zur Verteilung
von elektrischer Energie nützlich,
bei denen die elektrischen Spannungen der ersten Kreisläufe sehr
hoch sind. Da sich jedoch der Verteilungs-Output mit einer leichten
Erhöhung
der elektrischen Spannungen und des Stroms erhöht, erhöhen sich aufgrund des höheren Stroms
nicht nur die Ausmaße
des ersten Kreislaufes, sondern es erhöht sich auch die galvanische
Isolierung. Dies lässt
die Ausmaße
der Umwandler, die das Produkt beider Faktoren wiedergeben, auf
einen außergewöhnlichen
Grad anwachsen, wobei sie zu Vorrichtungen werden, die sehr groß und unverhältnismäßig teuer
werden für
die Stärke
der Signale, die sie zu verarbeiten haben. Dies erklärt das Interesse an
der Entwicklung von neuen Alternativen in diesem Bereich in den
letzten Jahren.
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Im
Laufe der letzten Dekaden wurden verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen.
Die wichtigste Forschungslinie ist jedoch gegenwärtig auf die Entwicklung von
neuen Systemen konzentriert, die auf Glasfasern basieren, sowohl
aktive als auch passive.
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Davon
ausgehend, dass Glasfasern aus Materialien hergestellt sind, die
in der Lage sind, Energie in Form von Licht zu übertragen, aber nicht in der Lage
sind, Elektronen zu übertragen,
erreichen diese Systeme eine hoch wirksame galvanische Trennung zwischen
dem ersten und dem zweiten Kreislauf.
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Eine
andere im Hinblick auf die galvanische Trennung zwischen dem ersten
und dem zweiten Kreislauf ebenso wirksame Alternative basiert auf
der Ausbreitung von mechanischen Wellen in dielektrischen Medien;
der Anmelder ist Inhaber eines Erfindungspatentes, das unter der
Nummer 8401142/7 in Spanien angemeldet wurde hinsichtlich von elektrischen
Spannungs-Messwandler. Diese Anmeldung beinhaltet einen elektrischen
Strom-Messwandler.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
den elektrischen auf mechanischen Wellen basierenden Strom-Messwandlern,
die die Erfindung vorschlägt,
besitzt die durch das dielektrische Material zwischen dem ersten
und dem zweiten Kreislauf ausgebreitete Energie die Form von mechanischer
Energie: elastische Wellen.
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Diese
Umwandler bestehen aus den folgenden Hauptbestandteilen:
- – Stromleiter
des ersten Kreislaufes. Der Strom, der gemessen werden soll, zirkuliert
in diesem Stromleiter.
- – Magnet-/Kraftfeldumformer.
Erzeugt aus dem Wechselstrom, der durch den ersten Kreislauf zirkuliert,
elastische Wellen. Der Strom, der durch die Stromleiter zirkuliert,
induziert magnetische Felder um sie herum. Diese magnetischen Felder sind
in der Lage, Kraft auf einen Magneten, einen Kern aus ferromagnetischem
Material oder auf eine Spule mit induziertem Strom auszuüben. Sie können ebenso
die Dimensionen von magnetostriktivem Material verändern. Wenn
das Magnet, das ferromagnetische Material, die Spulen oder das magnetostriktive
Material mechanisch mit einem Medium mit einem gewissen Grad an
Steifheit verbunden sind, breiten sich die Wechselkräfte als
elastische wellen über
das Material aus.
- – Übertragungsstruktur.
Die Übertragungsstruktur verbindet
den Magnet-/Kraftfeldumformer mechanisch mit dem Empfänger. Daher
breiten sich die von dem Magnet-/Kraftfeldumformer erzeugten Wellen über eine Übertragungsstruktur
aus, die aus dielektrischem Material hergestellt ist, um die Kreisläufe galvanisch
zu isolieren, und erreichen den Empfänger.
- – Empfänger. Basierend
auf piezoelektrischen Materialien gebaut, er wandelt elastische
Wellen in elektrische Signale um. Die Magnitude dieser elektrischen
Signale steht im Verhältnis
zu der Magnitude des Stroms, der durch den ersten Kreislauf zirkuliert.
Für magnetische
Magnet-/Kraftfeldumformer,
die auf Permanentmagneten oder magnetostriktiven Materialien basieren,
ist die Magnitude der Ausgangssignale des Empfängers ungefähr proportional zu dem Strom, der
durch den ersten Kreislauf zirkuliert, während sie für magnetische Magnet-/Kraftfeldumformer, die
auf ferromagnetischen Materialien oder auf Spulen basieren, ungefähr proportional
zu dem Quadrat der Magnitude des Stroms des ersten Kreislaufes ist.
Optionsweise wird eine elektrische Einheit
eingeschlossen,
um die elektrischen Signale, die von dem Empfänger kommen, zu verstärken. Diese
elektrische Einheit macht es ebenso möglich, das System zu kalibrieren,
thermische Drifts, Nicht-Linearität, Phasendifferenzen zwischen
dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal und das Altern der Eigenschaften
der Materialien zu kompensieren und mit externen Erfassungssystemen
zu kommunizieren.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zur
Vervollständigung
der Beschränkung und
zum besseren Verständnis
der Eigenschaften dieser Erfindung ist dieser Beschreibung als deren
integraler Bestandteil ein Satz von Diagrammen hinzugefügt, die
beispielhaft und nicht beschränkend
sind, die das Folgende zeigen:
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1 zeigt
ein Blockdiagramm des auf mechanischen Wellen basierenden Messwandlers,
der Gegenstand dieser Erfindung ist mit dem ersten Kreislauf, dem
magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformer, der Übertragungsstruktur, dem Empfänger und
dem Verstärker.
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2 zeigt
die Außenseitenansicht
des ersten Verfahrens zur Konstruktion eines auf mechanischen Wellen
basierenden Messwandlers.
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3 zeigt
eine Seitenansicht, in Abschnitten des ersten Verfahrens zur Konstruktion
eines auf mechanischen Wellen basierenden Messwandlers.
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4 zeigt
eine Anordnung des ersten Kreislaufes und des magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformer
des dritten Verfahrens zur Konstruktion eines auf mechanischen Wellen
basierenden Messwandlers.
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5 zeigt
eine Anordnung, von oben gesehen, in Abschnitten des ersten Kreislaufes
und des magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformer des dritten Verfahrens
zur Konstruktion eines auf mechanischen Wellen basierenden Messwandlers.
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6 zeigt
eine Seitenansicht, in Abschnitten des fünften Verfahrens zur Konstruktion
eines auf mechanischen Wellen basierenden Messwandlers.
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7 zeigt
eine Seitenansicht, in Abschnitten des Empfängers des siebten Verfahrens
zur Konstruktion eines auf mechanischen Wellen basierenden Messwandlers.
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8 zeigt
eine Seitenansicht, in Abschnitten des siebten Verfahrens zur Konstruktion
eines auf mechanischen Wellen basierenden Messwandlers.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Alle
Ausführungsformen
besitzen die Blockstruktur, die in 1 gezeigt
ist. Bei dieser Figur induziert der elektrische Strom, der durch
den ersten Kreislauf (1) zirkuliert ein magnetisches Wechselfeld, das
der magnetische Magnet-/Kraftfeldumformer (2) in elastische
Wellen (10) umformt, die sich über die Übertragungsstruktur (3)
zu dem Empfänger
(4) ausbreiten. Der Empfänger (4) wandelt diese
elastischen Wellen (11) in elektrische Signale (12)
um, die von der elektronischen Einheit (5) verstärkt werden
können.
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2 zeigt
die Außenseitenansicht
der ersten Ausführungsform
des elektrischen Strom-Messwandlers. Der Stromleiter des ersten
Kreislaufes ist ein starrer Zylinder (1), der das äußere Gehäuse der Übertragungsstruktur
(3') passiert.
Durch das Loch im unteren Bereich verlaufen zwei Stromleiter, die
die elektrischen Signale (12) übertragen, die von dem Empfänger kommen.
Diese Ausführungsform
basiert auf einem magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformer, der auf
einem Permanentmagneten und der Übertragung
von Axialkräften
(Traktion/Kompression) basiert.
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3 zeigt
das Innere der vorhergehenden Ausführungsform des elektrischen
Strom-Messwandlers. Der Umwandler des ersten Kreislaufes (1) erzeugt
ein magnetisches Feld, das den Magneten (2) anzieht und
abstößt. Dieser
Magnet (2) ist mit der inneren Übertragungsstruktur (3'), die aus einem starren
dielektrischen Material hergestellt ist, fest verbunden. Die zylinderförmige Struktur
(3') ist
ebenso mit dem Empfänger
(4), der aus piezoelektrischem Material hergestellt ist,
fest verbunden, was es ihr erlaubt, die mechanischen Spannungen
zwischen dem magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformer
(2) und dem Empfänger
(4) zu übertragen.
All diese Bestandteile sind im Innern eines äußeren Gehäuses (3'')
installiert. Damit der Empfänger
die Traktions- und die Kompressionskräfte absorbieren kann, muss
dessen unteres Ende mit dem unteren Teil des Gehäuses, das eine Schraube (3''')
ist, fest verbunden sein, das macht es möglich, die Baugruppe des magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformers
(2), die innere Struktur (3') und den Empfänger näher, in einem größeren oder
geringeren Grad, an den Stromleiter des ersten Kreislaufes (1)
heranzubringen. Die zwei Stromleiter (12) mit den elektrischen
Ausgangssignalen sind mit den Elektroden des Empfängers verbunden.
Die Magnituden dieser elektrischen Signale sind proportional zu
den Magnituden des Stroms, der durch den ersten Kreislauf (1)
zirkuliert.
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Die
Veränderung
der Art des magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformers
bringt neue Ausführungsformen
hervor. Eine zweite Ausführungsform, die
vorgeschlagen wird, besteht in der Ersetzung des Permanentmagneten
(2) durch einen Kern, der aus einem ferromagnetischen Material
hergestellt ist. Bei diesem zweiten Verfahren sind die in dem magnetischen
Magnet-/Kraftfeldumformer erzeugten Kräfte ungefähr proportional zu dem Quadrat
des Stroms, der durch den ersten Kreislauf zirkuliert.
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Eine
dritte Ausführungsform
wird in 4 gezeigt und besteht in der
Ersetzung des Magneten mit einem Kern (2') mit Spulen (2'') oder mit kurzgeschlossenen Wicklungen,
in der Weise, dass Strom in ihnen induziert wird, aufgrund der Variationen
in dem magnetischen Feld, das durch den Strom im ersten Kreislauf
(1) erzeugt wird.
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Andere
Ausführungsformen
ergeben sich aus der Art der übertragenen
Kraft. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei der der magnetische
Magnet-/Kraftfeldumformer
(2) Rotationskräfte überträgt. 5 zeigt
eine Draufsicht und ein schematisches Diagramm des Strom-Messwandlers
in der vierten Ausführungsform.
Das magnetische Feld, das durch den Strom des ersten Kreislaufes
(1) erzeugt wird, neigt dazu den magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformer
(2) umzukehren.
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6 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform,
bei der die übertragenen
Kräfte
Biegungen sind. Der magnetische Magnet-/Kraftfeldumformer (2)
bewegt sich zu dem Stromleiter (1) des ersten Kreislaufes
hin oder von diesem weg, wobei er die interne Übertragungsstruktur (3') und folglich
den Empfänger
(4) dazu bringt, sich zu biegen.
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Verschiedene
Arten von Empfängern
bringen andere Ausführungsformen
hervor. Eine sechste Ausführungsform
wird vorgeschlagen, bei der der Empfänger aus verschiedenen Scheiben
hergestellt ist, die parallel geschaltet sind. Die Parallelschaltung der
Scheiben, die aus einem piezoelektrischem Material hergestellt sind,
reduziert die Ausgangsimpedanz und verbessert das Verhältnis zwischen
dem Signal und dem Geräusch
des elektrischen Strom-Messwandlers. 7 zeigt
einen Empfänger, der
aus zwei Scheiben (4' und 4'') hergestellt ist, die parallel
geschaltet sind, aber in umgekehrter räumlicher Position, wie man
an den Pfeilen sehen kann, die die Polarisation anzeigen.
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8 zeigt
eine siebte Ausführungsform,
bei der der magnetische Magnet-/Kraftfeldumformer (2) aus
einem oder zwei Teilen aus einem magnetostriktiven Material hergestellt
ist. Der Stromleiter des ersten Kreislaufes, der bei diesem Verfahren
eine quadratische oder rechteckige Form (1) besitzt, ist
zwischen den zwei Teilen aus magnetostriktivem Material (2''')
positioniert. Die Kontraktionen und Expansionen der magnetostriktiven
Teile breiten sich über
die innere Übertragungsstruktur
(3') aus,
wobei sie den Empfänger
(4) erreichen, der aus piezoelektrischem Material hergestellt
ist und der sie in elektrische Signale (12) umwandelt.
Alle Bestandteile sind in dem äußeren Gehäuse der Übertragungsstruktur
(3'') eingebaut.
Eine Schraube (3''') im unteren Teil der Übertragungsstruktur
dient dazu, alle internen Bestandteile (1), (2),
(3) und (4) zu komprimieren, in der Weise, dass
die Expansion und die Kompression des magnetischen Magnet-/Kraftfeldumformers
(2) durch den Empfänger
(4) absorbiert werden. Die innere Übertragungsstruktur (3') trennt den
ersten Kreislauf (1) galvanisch von dem Empfänger (4).
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Es
wird nicht für
erforderlich erachtet, diese Beschreibung ausführlicher zu gestalten, damit
ein Fachmann die Reichweite der Erfindung und die Vorteile, die
sie darstellt, verstehen kann.
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Die
Materialien, die Form und die Anordnung der Elemente sind für Variationen
offen, vorausgesetzt, dass dies nicht eine Veränderung des Wesens der Erfindung
mit sich bringt.
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Die
Begriffe dieser Beschreibung müssen stets
im weiteren Sinne verstanden werden und nicht im engeren Sinne.