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Die Erfindung betrifft einen Stromaufnehmer mit großem Arbeitsbereich und
insbesondere einen Stromaufnehmer für den Schutz und die Steuerung eines Motors.
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Um den von einem Motor aufgenommenen Strom zu kontrollieren, ist es erforderlich,
über einen Aufnehmer zu verfügen, der präzise den relativ geringen Nominalstrom eines
Motors messen, aber ebenso den Anlaufstrom des Motors messen kann, dessen Wert
eine bis zu zehnfache Höhe des Nominalstroms erreichen kann.
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Die im allgemeinen verwendeten Aufnehmer weisen einen ferromagnetischen Ring auf,
in dessen Luftspalt eine Hall-Sonde angeordnet ist. Diese Sonde gibt eine Spannung ab,
die proportional zu der magnetischen Induktion ist, die vom zu messenden Strom, oder
Primärstrom, erzeugt wird.
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Ein erster Typ eines Stromaufnehmers misst den Strom bei offener Schleife und gibt
eine Ausgangsspannung ab, die zum Primärstrom proportional ist.
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Um diese Proportionalität zu erreichen, muss der Magnetkreis sehr genau ausgelegt sein
und die Sonde muss sehr linear sein und hohe Induktionen messen können.
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Ein zweiter Typ eines Stromaufnehmers misst den Strom bei geschlossener Schleife und
gibt einen Sekundärstrom ab, der zu dem zu messenden Primärstrom proportional ist.
Wenn der Primärstrom ansteigt, führt eine Sättigung des Stromkreises dazu, dass die
Messung ihre Linearität verliert.
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In Dokument EP-0 392 439 A wird eine Vorrichtung mit einem
Stromstärkentransformator mit ferromagnetischem Ring mit Luftspalt beschrieben zur Messung eines
variablen elektrischen Stroms, der eine Niedrigfrequenzkomponente und eine überlagerte
Hochfrequenzkomponente aufweist.
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Ein Stromtransformator führt den Widerstandsklemmen eine Spannung zu, die zu der
Hochfrequenzkomponente proportional ist; eine Hall-Sonde und ein
Proportionalverstärker geben eine Spannung ab, die der Niedrigfrequenz entspricht; beide Spannungen
werden addiert.
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Mit einer derartigen Schaltung ist es möglich, die Stärke eines Stroms mit variablen
Frequenzen zu messen; jedoch lässt sich in einem großen
Primärstromstärken-Arbeitsbereich nicht sicherstellen, dass eine gute Linearität gegeben ist.
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Ein Ziel der Erfindung ist, die Nachteile bekannter Aufnehmer zu vermeiden, indem ein
Aufnehmer vorgeschlagen wird, der in einem größeren Primärstromkreis-Arbeitsbereich
eine lineare Messung gewährleisten kann.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Aufnehmer vorzuschlagen, der für den
Schutz und für die Steuerung von Motoren sowohl bei Normalbetrieb als auch während
der Anlaufzeit einsetzbar ist.
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Der Gegenstand der Erfindung ist ein Stromaufnehmer, der mit einem großen
Stromstärken-Arbeitsbereich arbeitet, entsprechend einem Stromstärkeverhältnis nahe 100 zu
1, umfassend:
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- einen ferromagnetischen Ring (1) mit Luftspalt, der einen Leiter (2) umgibt, in
dem der Primärstrom mit der zu messenden Stromstärke Ip fließt,
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- eine Hall-Sonde (3), die im Luftspalt des Rings (1) angeordnet ist und über
einen Verstärker (4) eine Spannung VBO abgibt, die der magnetischen Induktion im
Luftspalt entspricht,
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- eine Wicklung (9), die den Ring (11) umgibt und in Serie mit einem
Widerstand (10) geschaltet ist,
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dadurch gekennzeichnet, dass:
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- eine elektronische Schaltung zwischen der Wicklung (9) und dem Widerstand
(10) angeordnet ist, mit einem Verstärker (6) und einem Rückkoppelungskondensator
(8) zur Bildung einer geschlossenen Regelschleife, die den Klemmen des Widerstands
(10) eine Spannung VBF zuführt, die der Stromstärke Ip des Primärstroms entspricht,
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wobei die Spannungen VBO und VBF in einem Summierglied (11) addiert werden, um
eine Ausgangsspannung Vs proportional zur Stärke Ip des Primärstroms zu bilden, mit
dem gleichen Proportionalitätskoeffizienten sowohl für geringe Werte der Stromstärke
Ip, bei denen die Spannung VBO praktisch Null ist, als auch für die hohen Werte der
Stromstärke Ip.
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Entsprechend der Erfindung ist der Verstärkungsgrad des Verstärkers (4) derart
bestimmt, dass die Ausgangsspannung Vs proportional zur Stärke Ip des Primärstroms ist,
mit dem gleichen Proportionalitätskoeffizienten sowohl für geringe Werte der
Primärstroms, bei denen die vom Verstärker zugeführte Spannung VSO praktisch Null ist, als
auch für die hohen Werte des Primärstroms.
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Weitere Eigenschaften sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, die sich auf
die beigefügten Zeichnungen bezieht, wobei:
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Fig. 1 ein vereinfachtes Schema eines Stromaufnehmers vom Typ offene Schleife
ist;
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Fig. 2 ein vereinfachtes Schema eines Stromaufnehmers vom Typ geschlossene
Schleife ist;
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Fig. 3 ein vereinfachtes Schema eines Ausführungsbeispiels eines Stromaufnehmers
entsprechend der Erfindung ist.
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In Fig. 1 umgibt ein ferromagnetischer Ring 1 einen Leiter, in dem ein Primärstrom Ip
fließt. Im Luftspalt des Rings ist eine Hall-Sonde 3 angeordnet, die an einen Verstärker
4 angeschlossen ist. Der Primärstrom Ip erzeugt eine magnetische Induktion B, die zum
Primärstrom Ip proportional ist. Unter der Wirkung dieser Induktion gibt die Hall-Sonde
eine Spannung VH ab, die proportional zur magnetischen Induktion B ist. Die Spannung
VH wird durch den Verstärker 4 verstärkt, der am Ausgang eine Spannung VBO abgibt,
die zum Primärstrom Ip proportional ist. Bei offener Schleife (BO) stellt der Aufnehmer
der Fig. 1 eine gute Linearität der Abhängigkeit zwischen der Ausgangsspannung Vbo
und der Primärstromstärke Ip sicher, arbeitet gut bei hohen Stromstärken, kann jedoch
höchstens einen Primärstromstärken-Arbeitsbereich entsprechend einem Verhältnis
abdecken, das kleiner ist als 20 : 1.
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In Fig. 2 umgibt ein ferromagnetischer Ring 1 einen Leiter 2, in dem der Primärstrom
Ip fließt. Im Luftspalt des Rings ist eine Hall-Sonde 3 angeordnet, die an eine
elektronische Schaltung 5 angeschlossen ist. Diese elektronische Schaltung 5 umfasst einen
Verstärker 6, einen Stromerzeugerkreis 7 und einen Rückkopplungskondensator 8.
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Der Ausgang der elektronischen Schaltung 5 ist mit der Wicklung (9) verbunden, die
den Ring 1 umgibt und in Serie mit einem mit der Masse verbundenen Widerstand 10
geschaltet ist.
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Die elektronische Schaltung 5 gibt einen Sekundärstrom Is ab. Der die Wicklung 9
durchlaufende Strom Is erzeugt eine magnetische Induktion Bs in entgegengesetzter
Richtung zu der vom Primärstrom Ip erzeugten Induktion B mit gleicher Amplitude wie
die Induktion B.
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Der Sekundärstrom Is ist demnach proportional zum Primärstrom Ip. Bei geschlossener
Regelschleife (BF) stellt der Aufnehmer der Fig. 2 eine gute Linearität der
Abhängigkeit zwischen der Ausgangsstromstärke Is und der Primärstromstärke Ip sicher. Er
arbeitet richtig bei geringen Primärstromstärken.
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Die elektronische Schaltung 5 wird mit Gleichstrom von einigen Volt versorgt. Wenn
die Primärstromstärke Ip ansteigt, kann die elektronische Schaltung 5 daher nicht mehr
genügend Sekundärstromstärke Is abgeben, damit die Amplitude der von der Wicklung
9 erzeugten Induktion Bs gleich der Amplitude der vom Primärstrom Ip erzeugten
Induktion B ist. Daraus ergibt sich eine Sättigung der elektronischen Schaltung und ein
Verlust der Reaktionslinearität. Bei geschlossener Schleife funktioniert der Aufnehmer
der Fig. 2 gut bei geringen Stromstärken, kann jedoch höchstens einen
Primärstromstärken-Arbeitsbereich in einem Verhältnis abdecken, das kleiner ist als 20 : 1.
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In Fig. 3 umgibt der ferromagnetische Ring 1 einen Leiter 2, in dem der Primarstrom
Ip fließt. Im Luftspalt des Rings 1 ist eine Hall-Sonde 3 angeordnet. Diese Hall-Sonde 3
ist in einem Nebenschluss einerseits an einen Verstärker 4 wie der aus Fig. 1,
andererseits an eine elektronische Schaltung 5 wie die aus Fig. 2 angeschlossen. Der Ausgang
der elektronischen Schaltung 5 versorgt eine Wicklung 9, die in Serie mit einem mit der
Masse verbundenen Widerstand 10 geschaltet ist.
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Der Sekundärstrom Is durchläuft den Widerstand 10 und die an den Klemmen des
Widerstandes 10 gemessene Spannung VBF ist proportional zum Sekundärstrom. Diese
Spannung VBP wird in einem Summierglied 11 zu der Spannung VBO am Ausgang des
Verstärkers 4 addiert. Diese Spannung VBO entspricht der Spannung am Ausgang der
Hall-Sonde, die durch den Verstärkungsgrad des Verstärkers 4 verstärkt wurde.
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Die Spannung Vs am Ausgang des Summierglieds 11 ist die Summe der beiden
Spannungen VBO, stellvertretend für die Induktion im Luftspalt, und VBF, stellvertretend für
den Primärstrom.
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Die Funktionsweise des Stromaufnehmers entsprechend der Erfindung lässt sich auf
folgende Weise analysieren:
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Bei geringen Werten des Primärstroms Ip arbeitet die Regelschleife, die die
elektronische Schaltung 5 und die Wicklung 9 umfasst, effizient. Die im Ring 1 resultierende
Induktion ist Null und folglich ist auch die Spannung an den Klemmen der Hall-Sonde
3 Null. Daraus ergibt sich, dass die Ausgangsspannung VBO des Verstärkers 4 Null ist
und die Ausgangsspannung Vs gleich der Spannung VBF an den Klemmen des
Widerstands 10 ist. Der Aufnehmer arbeitet bei geschlossener Schleife.
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Wenn der Primärstrom Ip ansteigt, unterliegt die elektronische Schaltung 5 einer
Sättigung und die Regelschleife schafft es nur zum Teil, die Induktion im Ring 1
auszugleichen. Die Spannung an den Klemmen der Hall-Sonde 3 ist nicht mehr Null, sondern
proportional zur resultierenden magnetischen Induktion.
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Der Verstärker 4 erfüllt dann seine Aufgabe und gibt eine Spannung VBO ab.
Entsprechend der Erfindung ist der Verstärkungsgrad A des Verstärkers 4 derart bestimmt, dass
die Spannung VBO, die im Summierglied 11 zu der Spannung VBP addiert wird, die
Ausgangsspannung Vs proportional zur Starke Ip des Primärstroms wiederherstellt, mit
dem gleichen Proportionalitätskoeffizienten wie für Primärströme mit geringer Stärke.
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Auf diese Weise arbeitet der Aufnehmer bei einem schwachen Primärstrom Ip bei
geschlossener Schleife, wobei für seine Ausgangsspannung gilt: Vs = VBF,
wobei Vs = K Ip (K = Proportionalitätskoeffizient)
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Und bei Ansteigen des Primärstroms wird aus der Ausgangsspannung: Vs = VBF + VBO,
wobei immer noch gilt Vs = K Ip,
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der Proportionalitätskoefizient ist dabei gleich.
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Die Ausgangsspannung Vs, stellvertretend für die Stärke des Primärstroms Ip, wird
demnach aus den beiden Komponenten VBF und VBO gebildet, die zur
Wiederherstellung einer Ausgangsspannung Vs addiert werden, die proportional zum Primärstrom ist.
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Mit dieser Vorrichtung lassen sich Primärstromstärken mit guter Linearität in einem
Verhältnis nahe 100 : 1 messen.