DE69833953T2

DE69833953T2 - Selbstgespeister stromfühler

Info

Publication number: DE69833953T2
Application number: DE69833953T
Authority: DE
Inventors: Ertugrul Schenectady BERKCAN; Kelsey Raymond Plainville SEYMOUR
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: EP0934532A1; CN1242837A; US6417661B1; ES2260847T3; WO1999010750A1; CN1165769C; DE69833953D1; EP0934532B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ganz allgemein das Messen des Versorgungsnetzstroms und insbesondere selbstgespeiste Stromsensoren zum Einsatz in Stromkreisunterbrechern.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Viele elektrische und elektronische Systeme und Vorrichtungen enthalten Stromsensoren zum Messen von Strom in einem Leiter. Beispielsweise enthalten Leistungsverteilungssysteme Bauelemente wie Stromkreisunterbrecher, Transformatoren und Stromleitungen. Ein typischer Stromkreisunterbrecher enthält Stromsensoren zum Identifizieren von Einschwingvorgängen im Leistungsnetzstrom sowie Steuerelemente, um zu bestimmen, wann ein spezieller Zweig des Systems zu schalten, d.h. zu öffnen ist. Insbesondere führt die Speiseleitung einen Eingangsstrom I_in. Ein Stromsensor oder Komparator erfasst den Eingangsstrom und stellt einen skalierten Ausgangsstrom I_out mit einem Betrag zur Verfügung, der proportional zu dem Eingangsstrom ist, jedoch um viele Größenordnungen kleiner ist als dieser. Der skalierte Ausgangsstrom I_out dient dazu, Einschwingvorgänge zu identifizieren und zu ermitteln, wann das System zu schalten ist.
Ein hier auch als Komparator bezeichneter bekannter Stromsensor enthält einen Stromwandler mit einem aus einem magnetischen Material gefertigten Magnetkreis und Sekundärwicklungen. Jede Wicklung weist eine große Anzahl von Windungen aus feinem Messdraht auf, der gleichmäßig um den Magnetkreis verteilt ist. Der Magnetkreis umschließt die Speiseleitung, die den Eingangsstrom I_in führt.
Im Betrieb wird ein magnetischer Wechselfluss aus der Speiseleitung, die den Strom I_in führt, in den Stromkomparatormagnetkreis induziert. Dementsprechend wird eine Spannung in den Sekundärwicklungen des Komparators induziert und beispielsweise an einen Differentialverstärker ausgegeben, der einen hohen Verstärkungsgrad aufweist. Das Verstärkerausgangssignal wird einer Rückkopplungswicklung zugeführt, um in dem Magnetkreis eine Bedingung eines magnetischen Flusses von Null zu erhalten. Der Strom in der Rückkopplungswicklung ist dann der skalierte Ausgangsstrom I_out.
Eine genaue Strommessung ist häufig beispielsweise in Stromkreisunterbrecheranwendungen erforderlich, in denen digitales Anzeigen und Messen verwendet wird. Eine ungenaue Strommessung könnte beispielsweise zu unerwünschten Bedingungen führen, z.B. zu einer unnötigen Leistungsbeschränkung einer Last und zu Strommessabweichungen. Obwohl der oben erwähnte bekannte Sensor brauchbare Ergebnisse ermöglicht, wäre es erwünscht, die Messgenauigkeit des Sensors verbunden mit einer gleichzeitigen Kostenreduzierung zu verbessern.
Neben einer hohen Messgenauigkeit und Wirtschaftlichkeit, ist häufig der physikalische Raumbedarf von Stromsensoren von Bedeutung. Falls beispielsweise Produkte neu zu entwickeln sind, um einen neuen Stromsensor zu einzusetzen, können die durch die Eingliederung des neuen Stromsensors in das neue Produkt entstehenden Kosten sehr hoch sein. Vorzugsweise wird ein neuer Stromsensor geeignet dimensio niert, um sich ohne weiteres in bestehende Einheiten, z.B. Stromkreisunterbrecher, installieren zu lassen.
Da darüber hinaus viele Systemkomponenten einer Stromversorgung vorzugsweise nicht batteriebetrieben sind, ist der Stromsensor ebenfalls vorzugsweise von einer selbstgespeisten Bauart. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass jede durch den Strommessschaltkreis und sonstige elektronische Bauelemente in der Unterbrechereinheit beanspruchte Leistung durch die überwachte Speiseleitung zu liefern ist. Der Einsatz einer Batterie würde nicht nur die Kosten des Sensors erhöhen, sondern es würden auch die Leistungssystemkomponenten auf die Batterieleistung angewiesen sein, um im Falle einer Überstrombedingung, die ein Abschalten durch den Unterbrecher verlangt, Schutz vorzusehen. Durch die Bereitstellung eines selbstgespeisten Stromsensors, ist es möglich, diese zusätzlichen Nachteile zu vermeiden und eine hohe Zuverlässigkeit verwirklichen.
Das US-Patent 5 587 652 offenbart einen Wechselstromsensor, der durch gegenüberliegende Leiterplatten gebildet wird, die eine Nebenschlussplatte und eine Messspule aufweisen, um Magnetflussänderungen der um die Leiterplatten vorhandenen Magnetfelder zu erfassen.
Es besteht Bedarf nach einem Stromsensor, der geeignet dimensioniert ist, um sich in bestehenden Einheiten, z.B. Stromkreisunterbrechern einsetzen zu lassen. Ein derartiger Stromsensor muss außerdem über eine hohe Messgenauigkeit verfügen, um Strom in einer Speiseleitung zu erfassen, und ist vorzugsweise selbstspeisend.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor zum Messen von aus einer Netzstromquelle stammenden Strom geschaffen, wobei zu dem Schienenstromsensor gehören:
ein Speisespulenkern mit einer durch diesen hindurch sich erstreckenden Speisespulenkernöffnung, gekennzeichnet durch:
ein Strommesselement, das im Wesentlichen zwei parallele Messschienen und eine Messspule aufweist, wobei jede der Messschienen ein elektrisch miteinander verbundenes erstes Ende und ein elektrisch miteinander verbundenes zweites Ende besitzt, wobei sich wenigstens eine der Messschienen durch die Speisespulenkernöffnung erstreckt, wobei die Messspule zwischen den Messschienen positioniert ist, wobei das Strommesselement dafür eingerichtet ist, dass es elektrisch mit der Netzstromquelle gekoppelt ist, wobei die Messschienen ferner in Bezug auf die Speisespule so angeordnet sind, dass ein durch die Strommessschienen fließender Strom in der Speisespule eine Spannung induziert, wobei die Speisespule elektrisch so gekoppelt ist, dass sie wenigstens eine Messkreiskomponente mit Energie speist.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau eines Stromsensors zum Messen von Strom in einer Netzquelle, wobei der Sensor einen Speisespulenkern mit einer sich dadurch hindurch erstreckenden Speisespulenöffnung und ein im Wesentlichen zwei parallele Messschienen sowie eine Messspule umfassendes Messelement aufweist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
Positionieren einer der parallelen Messschienen so, dass sie sich durch die Speisespulenöffnung erstreckt;
elektrisches Verbinden eines ersten Endes jeder parallelen Schiene mit der anderen;
elektrisches Verbinden eines zweiten Endes jeder parallelen Messschiene mit der anderen; und
Positionieren der Messspule zwischen den parallelen Messschienen;
elektrisches Koppeln der Speisespule mit wenigstens einer Messkreiskomponente so, dass der durch die Messschienen fließende Strom eine Spannung in der Speisespule induziert, um die wenigstens eine Messkreiskomponente mit Energie zu speisen.
Zu einem selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor zur Erzeugung eines Signals, das eine Strom genau kennzeichnet, der durch eine Speiseleitung fließt, gehören in einem Ausführungsbeispiel eine Speisespule mit einem aus einem magnetischen Material gefertigten Magnetkreis, der eine sich durch diesen hindurch erstreckende Öffnung aufweist, und ein Strommesselement. Eine Speisespule ist auf den Speisespulenkern gewickelt oder um diesen gewunden. Das Strommesselement enthält zwei Messschienen und eine Messspule. Die Messschienen verlaufen weitgehend parallel zueinander, wobei die Messspule dazwischen angeordnet ist.
Die Messschienen und die Messspule erstrecken sich durch die Speisespulenkernöffnung.
Um den Strom in einer Speiseleitung zu überwachen, ist die Speiseleitung elektrisch an die parallelen Messschienen gekoppelt. Das durch einen Strom in den parallelen Schienen erzeugte Magnetfeld induziert dann eine Spannung in der Strommessspule und einen Strom in der Speisespule. Die in der Strommessspule induzierte Spannung, die proportional zu der zeitlichen Änderungsrate des Stroms in dem Leistungsleiter ist, wird an einen Messschaltkreis ausgegeben, der anschließend ein Ausgangssignal erzeugt, das den Leistungsleiterstrom kennzeichnet.
Der in der Speisespule induzierte Strom wird verwendet, um die Messkreiskomponenten sowie beliebige zusätzliche Bauelemente mit Strom zu versorgen. Beispielsweise kann die Speisespule an einen Leistungsgleichrichter und einen Steuerschaltkreis elektrisch angeschlossen sein, die verbunden sind, um sonstige Bauelemente der Einheit mit Strom zu versorgen.
Der Stromsensor der Erfindung liefert ein Signal, das den Strom in einem Leistungsleiter exakt repräsentiert, während die Material- und Montagekosten des Stromsensors gering sind. Die parallelen Messschienen tragen beide zur Entstehung eines magnetischen Flusses in dem Speisespulenkern bei und stellen auf diese Weise eine reichliche Stromerzeugung zur Selbstspeisung bereit. Die Speisespule schirmt die Messspule vor externen Störungen wirkungsvoll ab, während sich das durch die parallelen Schienen erzeugte Feld über eine kurze Distanz um 180 Grad verändert, was einen zusätzlichen Schutz vor externen Störungen bietet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Blockschaltbild eines bekannten Stromsensors und ein stromführendes Element.
2 zeigt eine geschnittene Ansicht eines selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine geschnittene Ansicht des selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensors längs der Schnittlinie 3-3 in 2.
4 zeigt eine geschnittene Ansicht der parallelen Schienen längs der Schnittlinie 3-3 in 2.
5 zeigt in einer seitlichen Ansicht im Querschnitt einen selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor gemäß noch einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Draufsicht auf den in 5 veranschaulichten selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor längs der Schnittlinie 6-6.
7 zeigt in einer seitlichen Ansicht im Querschnitt parallele Messschienen gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt in einer quergeschnittenen seitlichen Teilansicht einen selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt in einer quergeschnittenen Stirnansicht einen selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine geschnittene Ansicht der Strommessspule gemäß den in den 2, 5, 7 und 8 veranschaulichten Stromsensoren.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht der in 8 gezeigten Bezugsspule.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen bekannten Stromsensor 20, der in Verbindung mit einem stromführenden Element 22 arbeitet. Ein aus einem magnetischen Material gefertigter Magnetkreis 24 ist mittels ersten Sekundärwicklungen 26 und zweiten Sekundärwicklungen 28 gewickelt, wobei jede Wicklung auf einer großen Zahl N von Windungen aus dünnem Messdraht basiert, der gleichmäßig um den Magnetkreis verteilt ist. Der Magnetkreis umschließt das stromführende Element 22, das als eine eine einzige Windung aufweisende Primärwicklung für den Stromsensor 20 dient.
Der Stromsensor 20 skaliert einen Eingangsstrom I_in durch Erfassen eines Stroms I_in in dem stromführenden Ele ment 22 und erzeugt einen vollkommen skalierten Ausgangsstrom oder Ausgangssignal I_out mit einem Betrag, der proportional zu dem Eingangsstrom I_in ist, jedoch um viele Größenordnungen kleiner ist als dieser. Insbesondere wird ein magnetischer Wechselfluss aus dem stromführenden Element 22 in den Magnetkreis 24 induziert. Dementsprechend wird eine Spannung in der Wicklung 26 induziert, um ein Eingangssignal zu erzeugen, das an negative (–) und positive (+) Eingangsanschlüsse eines einen hohen Verstärkungsgrad aufweisenden Differentialverstärkers 34 ausgegeben wird.
Ein Ausgangsanschluss 36 des Verstärkers 34 ist mit einem Ende der Sekundärwicklung 28 verbunden, die als Kompensations- oder Rückkopplungswicklung dient. Ein Ausgangsstrom I_out aus dem Verstärker 34 wird über die Wicklung 28 an einen Ausgangsanschluss 40 ausgegeben. Die Stromrichtung in der Wicklung 28 ist dergestalt, dass anhand der Wicklung 28 ein kompensierender Fluss in dem Magnetkreis 24 induziert wird, der den magnetischen Wechselfluss in dem Magnetkreis 24 gegen Null reduziert. Der Stromsensor 20 und der Verstärker 34 arbeiten dynamisch, so dass der magnetische Wechselfluss in dem Magnetkreis 24 bei einem sehr niedrigen Wert nahe Null gehalten wird. Als Folge hiervon werden die magnetisierenden Amperewindungen, die von dem gemessenen oder erfassten Strom I_in herrühren, der in der (durch das stromführende Element 22 gebildeten) eine einzige Windung aufweisenden Primärwicklung des Magnetkreises 24 fließt, durch die magnetisierenden Amperewindungen kompensiert, die auf einen Strom I_out in der N Windungen aufweisenden Sekundärwicklung 28 zurückzuführen sind. Da die Transformatoramperewindungen gleich oder kompensiert sind, gilt: N·Iout = Iin·1 (1a) Iout = I2/N. (1b)
Das Ausgangssignal I_out des Stromsensors 20 ist somit eine skalierte Version des eingespeisten Wechselstroms I_in, wobei der endgültige Skalierungsfaktor das Produkt von zwei unabhängigen Skalierungsfaktoren ist, die durch eine Anzahl N Windungen der Ausgangs- oder Sekundärwicklung 28 bestimmt sind.
2 veranschaulicht einen selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Stromsensor 50 enthält einen aus einem magnetischen Material gefertigten Speisespulenkern 52 mit einer sich durch diesen hindurch erstreckenden Speisespulenkernöffnung 54 und ein Strommesselement 56. Der Speisespulenkern 52 enthält gesonderte C-förmige Magnetkreise 58A und 58B (wobei in 2 lediglich der C-förmige Magnetkreis 58A zu sehen ist), die durch (nicht gezeigte) Bügel aus Aluminium oder aus einem sonstigen nicht magnetischen Werkstoff zusammen gehalten werden. Die C-förmigen Magnetkreise 58A und 58B sind beispielsweise aus einer Anzahl Eisenbleche gebildet und erstrecken sich durch longitudinale Bohrungen 60 in den Speisespulenkörpern 62. Auf den Speisespulenkörpern 62 sind Leistungswicklungen 64 zu sehen, die eine Speisespule bilden. Die Speisespulenkörper 62 sind aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt.
Das Strommesselement 56 enthält zwei Messschienen 66 und 68 und zwei Messspulen 70A und 70B (wobei in 2 lediglich die Messspule 70A gezeigt ist). Die Messschiene 66 weist ein erstes und zweites Ende 72A bzw. 72B und einen sich dazwischen erstreckenden Mittelabschnitt 72C auf. In ähnlicher Weise weist die Messschiene 68 erste und zweite Enden 74A bzw. 74B und einen sich dazwischen erstreckenden Mittelabschnitt 74C auf. Das Strommesselement 56 ist so konfiguriert, dass die Messschienen 66 und 68 weitgehend parallel zueinander verlaufen, wobei die Messspulen 70A und 70B zwischen den Mittelabschnitten 72C und 74C der Schienen 66 bzw. 68 angeordnet sind. Die Messspulen 70A und 70B verlaufen in ähnlicher Weise weitgehend parallel zueinander.
Die Messschienen 66 und 68 und die Messspulen 70A und 70B erstrecken sich durch die Speisespulenkernöffnung 54. Die entsprechenden ersten Enden 72A und 74A der Schienen 66 und 68 sind elektrisch mit einer Leiterschiene 76 verbunden, und die entsprechenden zweiten Enden 72B und 74B der Schienen 66 und 68 sind elektrisch mit einer Leiterschiene 78 verbunden. Jede Leiterschiene 76 und 78 ist ebenfalls beispielsweise mit einem (in 2 nicht gezeigten) entsprechenden Leistungsleiter verbunden, so dass sich die parallele Kombination der Schienen 66 und 68 elektrisch in Reihe mit der Speiseleitung befindet. Folglich liefert die Leiterschiene 78 einen Eingangsstrom I_in aus der Speiseleitung zu dem Stromsensor 50, während die Leiterschiene 76 einen Ausgangsstrom I_out aus dem Stromsensor zurück in die Speiseleitung einspeist. Das Messelement 56 dient auf diese Weise als eine Primärwicklung für den Stromsensor 50.
Wie aus 3 ersichtlich, ist ein Stapel von C-förmigen Stahlblechen gezeigt, der die C-förmigen Magnetkreise 58A und 58B bildet, und gezeigt ist, wie er sich durch Bohrungen 60 in den Speisespulenkörpern 62 erstreckt. Die Bleche der C-förmigen Magnetkreise 58A und 58B sind mittels aus Aluminium oder einem sonstigen antimagnetischen Werkstoff gefertigten Bügeln miteinander befestigt. Die Messspulen 70A und 70B sind zwischen den Schienen 66 und 68 angeordnet. Die Spulen 70A und 70B werden beispielsweise durch ein (nicht gezeigtes) auf einem Kunststoff basierendes Ende getragen, das gegen den Speisespulenkern 52 abgestützt ist.
4 zeigt eine geschnittene Ansicht der parallelen Schienen 66 und 68 und der Messspulen 70A und 70B längs der Schnittlinie 3-3 in 2. Ein Strom in den Schienen 66 und 68 erzeugt Magnetfelder B₁ bzw. B₂. Die Magnetfelder B₁ und B₂ vereinigen sich, um im Wesentlichen entgegengesetzte vertikale Magnetfelder B_vert zu erzeugen, die weitgehend proportional zu dem Eingangsstrom I_in sind. In den Messspulen 70A und 70B entstehen Spannungen entgegengesetzter Polarität, da die Magnetfelder B_vert im Wesentlichen zueinander entgegengesetzt gerichtet sind. Dementsprechend sind die Messspulen 70A und 70B in einer subtrahierenden Reihenschaltung verbunden, so dass die Spannungen entgegengesetzter Polarität eine größere Spannung erzeugen, als sich durch eine einzelne Messspule, d.h. 70A oder 70B, ergeben würde, die in einer der Hälften des Messelements angeordnet ist.
Um den Strom in einer Speiseleitung mit dem Stromsensor 50 zu überwachen, ist die Speiseleitung elektrisch an die Leiterschienen 76 und 78 gekoppelt, sind so an die Speiseleitung gekoppelt, dass der Sensor 50 mit der Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das durch den Leistungsnetzstrom in den parallelen Schienen 66 und 68 erzeugte Magnetfeld induziert in den Leistungswicklungen 64 (2 und 3) und in den Strommessspulen 70A und 70B eine Spannung. Die in den Strommessspulen 70A und 70B induzierte Spannung wird an einen (nicht gezeigten) Messschaltkreis angelegt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das sich zum Steuern des Leistungssystems nutzen lässt. Der Messschaltkreis kann beispielsweise einen Integrator und einen Differentialverstärker mit einem hohen Verstärkungsgrad enthalten, beispielsweise den in 1 gezeigten Verstärker 34.
Der in den Leistungswicklungen 64 induzierte Strom wird verwendet, um die Messkreiskomponenten mit Strom zu versorgen. Die Leistungswicklungen 64 können beispielsweise elektrisch mit einem Leistungsgleichrichter und einem Steuerschaltkreis verbunden sein, dessen Ausgang verschaltet sein kann, um sonstige Bauelemente des Schaltkreises mit Strom zu versorgen.
In dem Stromsensor 50 sind die Mess- und Selbstspeisungsfunktionen getrennt, um eine kostengünstige Strommessung mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen. Der Speisespulenkern 52 ist ein sättigbarer Magnetkreis, der die Entstehung von Überstrom verhindert und für den Stromkreisunterbrecher, in dem er verwendet werden kann, einen reduzierten Energieverbrauch gestattet. Durch ein Anordnen der Messspulen 70A und 70B innerhalb der parallelen Schienen 66 und 68 und innerhalb der C-förmigen Magnetkreise 58A und 58B werden ein magnetisches Übersprechen und eine magnetische Kopplung mit externen Feldern auf ein Minimum reduziert.
Alternative Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer selbstgespeister Stromsensoren, bei denen jeder Sensor zwei parallele Messschienen mit wenigstens einer zwischen den Messschienen angeordneten Messspule aufweist, werden weiter unten beschrieben. Die Messschienen sind dazu eingerichtet, um mit einer Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet zu sein, um, wie oben beschrieben, einen Strom zu überwachen.
In 5 enthält ein Stromsensor 90 einen Speisespulenkern 92 aus einem magnetischen Material mit einer sich durch diesen hindurch erstreckenden Speisespulenkernöffnung 94 und ein Strommesselement 96. Der Speisespulenkern 92 enthält gesonderte C-förmige Magnetkreise 98A und 98B (wobei in 5 lediglich der C-förmige Magnetkreis 98A sichtbar ist), die durch (nicht gezeigte) Bügel aus Aluminium oder aus einem sonstigen nicht magnetischen Werkstoff zusammengehalten werden. Die C-förmigen Magnetkreise 98A und 98B werden beispielsweise durch eine Anzahl Eisenbleche gebildet und erstrecken sich durch in Speisespulenkörpern 102 ausgebildete longitudinale Bohrungen 100. Auf den Speisespulenkörpern 102 sind Leistungswicklungen 104 zu sehen, die eine Speisespule bilden. Die Speisespulenkörper 102 sind aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt.
Das Strommesselement 96 enthält zwei sich durch die Speisespulenkernöffnung 94 erstreckende Messschienen 106 und 108, und eine Messspule 110. Die Messschiene 106 weist ein erstes Ende 112A, ein zweites Ende 112B und einen Mittelabschnitt 112C auf, der sich zwischen den Enden 112A und 112B erstreckt. In ähnlicher Weise weist die Messschiene 108 ein erstes Ende 114A, ein zweites Ende 114B, und einen Mittelabschnitt 114C auf, der sich zwischen den Enden 114A und 114B erstreckt. Das Strommesselement 96 ist so konfiguriert, dass die Messschienen 106 und 108 elektrisch parallel miteinander verbunden sind, wobei die Messspule 110 zwischen den Mittelabschnitten 112C und 114C der Schienen 106 bzw. 108 angeordnet ist. Entsprechende erste Enden 112A und 114A und entsprechende zweite Enden 112B und 114B der Messschienen 106 und 108 sind elektrisch so verbunden, dass die Mittelabschnitte 112C und 114C der Messschienen 106 und 108 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Messschienen 106 und 108 können beispielsweise aus einem flachen Material ausgebildet sein, dem durch Falzen oder Extrusion eine gewünschte Gestalt verliehen wird, und das beispielsweise mit Aluminiumbügeln 116 an den entsprechenden Enden 112A, 114A, 112B und 114B geeignet befestigt ist.
Die Messspule 110 ist beispielsweise durch ein (nicht gezeigtes) isolierendes Element getragen, das an den Leistungsmagnetkreis 92 gekoppelt ist. Die ersten Enden 112A und 114A der Schienen 106 und 108 sind elektrisch mit einer Leiterschiene 118A verbunden, und die zweiten Enden 112B und 114B der Schienen 106 und 108 sind in ähnlicher Weise mit einer (in 5 nicht gezeigten) weiteren Leiterschiene 118B verbunden, die elektrisch mit der Speiseleitung verbunden ist. Die Leiterschienen 118A und 118B sind beispielsweise mit einer (in 5 nicht gezeigten) Speiseleitung so verbunden, dass die parallele Kombination der Schienen 106 und 108 mit der Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das Messelement 96 dient auf diese Weise als eine Primärwicklung für den Stromsensor 90.
6 zeigt eine Draufsicht auf den selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor 90 längs der Schnittlinie 6-6 in 5. Wie gezeigt, sind die weitgehend parallelen Leiterschienen 118A und 118B mit den entsprechenden Enden 112A und 112B der Messschiene 106 verbunden, die sich durch die Speisespulenkernöffnung 94 erstreckt. Die (in 6 nicht gezeigte) Messschiene 108 ist in ähnlicher Weise an den Leiterschienen 118A und 118B befestigt und erstreckt sich durch die Speisespulenkernöffnung 94.
Um Strom in einer Speiseleitung mit dem Stromsensor 90 zu überwachen, ist die Speiseleitung elektrisch an die Leiterschienen 118A und 118B gekoppelt, so dass der Sensor 50 mit der Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das in 5 gezeigte, durch den Strom in den parallelen Schienen 106 und 108 erzeugte Magnetfeld induziert eine Spannung in den Leistungswicklungen 104 und in der Strommessspule 110. Die in der Strommessspule 110 induzierte Spannung liegt an einem (nicht gezeigten) Messschaltkreis an, der ein Ausgangssignal erzeugt, das dafür eingesetzt werden kann, das Leistungssystem zu steuern. Der Messschaltkreis kann beispielsweise einen Integrator und einen Differentialverstärker mit einem hohen Verstärkungsgrad enthalten, beispielsweise den in 1 gezeigten Verstärker 34.
Wie im Falle des Stromsensors 50 sind die Mess- und Selbstspeisungsfunktionen in dem Stromsensor 90 getrennt, um eine kostengünstige Strommessung mit hoher Genauigkeit bei geringen Kosten zu ermöglichen. Der Speisespulenkern 92 ist ein sättigbarer Magnetkreis, der die Entstehung von Überstrom verhindert und eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch den Stromkreisunterbrecher gestattet, in dem er verwendet werden kann. Durch ein Anordnen der Messspule 110 innerhalb der parallelen Schienen 106 und 108 und innerhalb der C-förmigen Magnetkreise 98A und 98B wird ein magnetisches Übersprechen und eine magnetische Kopplung mit externen Feldern auf ein Minimum reduziert.
7 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Messschiene 120 ein erstes Ende 124A, ein zweites Ende 124B und einen sich zwischen den Enden 124A und 124B erstreckenden Mittelabschnitt 124C aufweist, und eine weitere Messschiene 122 ein erstes Ende 126A, ein zweites Ende 126B und einen sich zwischen den Enden 126A und 126B erstreckenden Mittelabschnitt 126C aufweist. Die entsprechenden ersten Enden 124A und 126A und die entsprechenden zweiten Enden 124B und 126B der Messschienen 120 und 122 sind elektrisch so verbunden, dass die Mittelabschnitte 124C und 126C der Messschienen 120 und 122 mit einem dazwischen vorhandenen Spalt 128 weitgehend parallel verlaufen. Antimagnetische Bügel 130, z.B. Aluminiumbügel, verbinden die entsprechenden Enden 124A, 126A, 124B und 126B. Der Spalt 128 ist so dimensioniert, dass eine (in 7 nicht gezeigte) Messspule zwischen den Mittelabschnitten 124C und 126C der Messschienen 120 und 122 angeordnet sein kann.
8 veranschaulicht einen selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensor 140 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Stromsensor 140 enthält einen Speisespulenkern 142 aus einem magnetischen Material mit einer sich durch diesen hindurch erstreckenden Speisespulenkernöffnung 144 und ein Strommesselement 146. Der Speisespulenkern 142 enthält gesonderte C-förmige Magnetkreise 148A und 148B (wobei in 8 lediglich der C-förmige Magnetkreis 148A sichtbar ist), die durch (nicht gezeigte) Bügel aus Aluminium oder aus einem sonstigen nicht magnetischen Werkstoff zusammengehalten werden. Die C-förmigen Magnetkreise 148A und 148B können basierend auf einer Anzahl Eisenbleche ausgebildet sein, und sich durch longitudinale Bohrungen 150 in den Speisespulenkörpern 152 erstrecken. Auf den Speisespulenkörpern 152 angeordnete Leistungswicklungen 154 bilden eine Speisespule. Die Speisespulenkörper 152 werden aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet, z.B. aus Kunststoff.
Das Strommesselement 146 enthält zwei Messschienen 156 und 158 und eine Messspule 160. Die Messschiene 156 weist ein erstes Ende 162A, ein zweites Ende 162B und einen sich zwischen den Enden 162A und 162B erstreckenden Mittelabschnitt 162C auf. In ähnlicher Weise weist die Messschiene 158 ein erstes Ende 164A, ein zweites Ende 164B und einen sich zwischen den Enden 164A und 164B erstreckenden Mittelabschnitt 164C auf. Die Messschienen 156 und 158 verlaufen weitgehend zueinander parallel, wobei die Messspule 160 zwischen den Mittelabschnitten 162C und 164C der Schienen 156 bzw. 158 angeordnet ist und durch ein Kunststoff- oder ein sonstiges elektrisch isolierendes Element getragen wird.
Die Messschiene 158 erstreckt sich durch die Speisespulenkernöffnung 144, während sich die Messschiene 156 nicht durch diese erstreckt. Folglich wirken die Messschienen 156 und 158 als ein Stromteiler, wobei die Messschiene 158 als ein Stromnebenschluss dient. Die ersten Enden 162A und 164A der Messschiene 156 sind elektrisch verbunden, und die zweiten Enden 162B und 164B der Messschiene 158 sind elektrisch verbunden, so dass die Mittelabschnitte 162C und 164C der Messschienen 156 und 158 in Parallelschaltung verbunden sind. Bügel 166 aus Aluminium oder aus einem sonstigen nicht magnetischen Material verbinden die entsprechenden Enden 162A und 164A bzw. 162B und 164B.
Die entsprechenden ersten Enden 162A und 164A der Schienen 156 und 158 sind elektrisch mit einer Leiterschiene 168 verbunden, und die entsprechenden zweiten Enden 162B und 164B der Leiterschienen 156 und 158 sind mit einer weiteren (in 8 nicht gezeigten) Leiterschiene verbunden. Jede Leiterschiene ist mit der Speiseleitung verbunden, so dass die parallele Kombination der Schienen 156 und 158 mit der Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet ist. Der Stromsensor 140 arbeitet auf diese Weise als ein Stromteiler, wobei die Messschiene 156 als eine Primärwicklung für den Stromsensor 140 dient, und er ist kleiner als die zuvor beschriebenen Stromsensoren und verbraucht weniger Energie.
9 zeigt in einer quergeschnittenen Stirnansicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines selbstgespeisten Parallelschienen-Stromsensors 170, das einen aus einem magnetischen Material gefertigten Speisespulenkern 172 mit einer sich durch diesen hindurch erstreckenden Speisespulenkernöffnung 174 und einen Strommesselement 176 enthält. Der Speisespulenkern 172 enthält gesonderte C-förmige Magnetkreise 178A und 178B, die durch (nicht gezeigte) Bügel aus Aluminium oder aus einem sonstigen nicht magnetischen Werkstoff zusammengehalten werden. Die C-förmigen Magnetkreise 178A und 178B sind beispielsweise basierend auf einer Anzahl Eisenbleche gebildet und erstrecken sich durch longitudinale Bohrungen 180 in den Speisespulenkörpern 182. Leistungswicklungen 184 bilden auf den Speisespulenkörpern 182 eine Speisespule. Die Speisespulenkörper 182 sind aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff ausgebildet.
Das Strommesselement 176 enthält zwei Messschienen 186 und 188 und zwei Messspulen 190 und 192. Die Messspule 190 ist hier als eine Bezugsspule bezeichnet. Die Messschiene 186 weist ein erstes Ende 194A, ein zweites Ende 194B und einen sich zwischen den Enden 194A und 194B erstreckenden Mittelabschnitt 194C auf (wobei in 9 lediglich das Ende 194A sichtbar ist). In ähnlicher Weise weist die Messschiene 188 ein erstes Ende 196A, ein zweites Ende 196B und einen sich zwischen den Enden 196A und 196B erstreckenden Mittelabschnitt 196C auf (wobei in 9 lediglich das Ende 196A zu sehen ist). Die Messschienen 186 und 188 verlaufen weitgehend parallel zueinander, wobei die Messspule 190 und die Bezugsspule 192 zwischen den Schienen 186 bzw. 188 angeordnet ist.
Die Messschienen 186 und 188, die Messspule 190 und die Bezugsspule 192 erstrecken sich durch die Speisespulenkernöffnung 174. Die entsprechenden ersten Enden 194A und 196A der Schienen 186 und 188 sind elektrisch mit einer Leiterschiene 198 verbunden, die beispielsweise mit einer (in 9 nicht gezeigten) Speiseleitung elektrisch verbunden ist. Die entsprechenden zweiten Enden der Schienen 186 und 188 sind in ähnlicher Weise mit einer (in 9 nicht gezeigten) weiteren Leiterschiene verbunden, die ebenfalls mit der Speiseleitung elektrisch verbunden ist. Die Messschienen 186 und 188 sind auf diese Weise elektrisch parallel verbunden, und die parallele Kombination der Messschienen ist mit der Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet. Das Strommesselement 176 dient auf diese Weise als eine Primärwicklung für den Stromsensor 170.
Die C-förmigen Magnetkreise 178A und 178B sind durch Bügel aus Aluminium oder aus einem sonstigen antimagnetischen Material aneinander befestigt. Die Messspule 190 ist beispielsweise mittels eines elektrisch isolierenden Mate rials gelagert, z.B. Kunststoff, und die Bezugsspule 192 ist in ähnlicher Weise beispielsweise durch eine (in 9 nicht gezeigte) Kunststoffhalterung gelagert.
10 zeigt eine geschnittene Ansicht der Bezugsspule 190, die in Verbindung mit beliebigen der oben beschriebenen Stromsensoren verwendet werden kann. Die Bezugsspule 190 basiert auf einer Anordnung eines Messspulenabschnitts 202, eines Rückkopplungsspulenabschnitts 204 und eines Messspulenkörpers 206. Der Messspulenabschnitt 202 und der Rückkopplungsspulenabschnitt 204 sind um den Messspulenkörper 206 gewunden, so dass sich der Rückkopplungsspulenabschnitt 204 zwischen dem Messspulenkörper 206 und dem Messspulenabschnitt 202 befindet. Der Messspulenkörper 206 wird aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, beispielsweise aus einem Kunststoff, und weist eine Länge L, eine Breite w und eine Dicke T auf.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht der Messspule 192 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Messspule um einen Spulenkörper 208 mit einer Länge L, einer Breite w und einer Dicke T gewunden ist. Der Spulenkörper 208 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, ausgebildet.
Um Strom in einer Speiseleitung mittels des Stromsensors 170 (9) zu überwachen, wird die Speiseleitung elektrisch an die parallelen Schienen 186 und 188 gekoppelt, so dass der Sensor 170 mit der Speiseleitung elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das durch einen Strom in den parallelen Schienen 186 und 188 erzeugte Magnetfeld induziert eine Spannung in den Leistungswicklungen 184, in der Strommessspule 192 und in der Bezugsspule 190. Die in der Strommess spule 192 und der Bezugsspule 190 induzierten Spannungen werden an einen (nicht gezeigten) aktiven Messschaltkreis angelegt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das dafür eingesetzt werden kann, um das Leistungssystem zu steuern. Der Messschaltkreis kann beispielsweise einen Differentialverstärker mit einem hohen Verstärkungsgrad enthalten, beispielsweise den in 1 gezeigten Verstärker 34.
Der in den Leistungswicklungen 184 induziert Strom wird verwendet, um die Messkreiskomponenten mit Energie zu versorgen. Beispielsweise können die Leistungswicklungen 184 an einen Leistungsgleichrichter und einen Steuerschaltkreis elektrisch gekoppelt sein, dessen Ausgang genutzt werden kann, um sonstige Bauelemente des Schaltkreises mit Strom zu versorgen.
Während lediglich gewisse bevorzugte Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen.

Claims

Selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor zum Messen von Strom aus einer Netzstromquelle, wobei der Schienenstromsensor aufweist: einen Speisespulenkern (52) mit einer sich dadurch hindurch erstreckenden Speisespulenkernöffnung (54), gekennzeichnet durch: ein Strommesselement (56), das im Wesentlichen zwei parallele Messschienen (66, 68) und eine Messspule (70A, 70B) aufweist, wobei jede von den Messschienen (66, 68) ein elektrisch mit dem anderen verbundenes erstes Ende (72A, 74A) und ein elektrisch mit dem anderen verbundenes zweites Ende (72B, 74B) besitzt, wobei sich wenigstens eine von den Messschienen durch die Speisespulenkernöffnung (54) erstreckt, wobei die Messspule (70A, 70B) zwischen den Messschienen positioniert ist, wobei das Strommesselement (56) dafür eingerichtet ist, dass es elektrisch mit der Netzstromquelle gekoppelt ist, wobei die Messschienen ferner in Bezug auf die Speisespule so angeordnet sind, dass ein durch die Strommessschienen fließender Strom in der Speisespule eine Spannung induziert, wobei die Speisespule elektrisch so gekoppelt ist, dass sie wenigstens eine Messkreiskomponente mit Energie speist.
Selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor nach Anspruch 1, wobei sich jede von den Messschienen (66, 68) durch die Speisespulenkernöffnung (54) hindurch erstreckt.
Selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor nach Anspruch 1, wobei der Speisespulenkern (52) ferner mehrere Bleche aufweist.
Selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor nach Anspruch 3, wobei der Speisespulenkern (52) ferner wenigstens einen Speisespulenkörper (62) aufweist, wobei sich eines von den Blechen durch den Spulenkörper (62) hindurch erstreckt.
Selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor nach Anspruch 1, wobei das Messelement ferner eine Bezugsspule (190) aufweist, wobei sich die Bezugsspule durch die an die Messspule (70A, 70B) angrenzende Öffnung erstreckt.
Selbstgespeister Parallelschienen-Stromsensor nach Anspruch 1, wobei die Messspule (70A, 70B) eine einen Messspulenabschnitt, einen Rückkopplungsspulenabschnitt und einen Messspulenkörper (62) umfassende Anordnung enthält, wobei die Anordnung so um den Spulenkörper (62) gewickelt ist, dass sich der Rückkopplungsspulenabschnitt zwischen dem Messspulenkörper (62) und dem Messspulenabschnitt befindet.
Verfahren zum Zusammenbauen eines Stromsensors (50) zum Messen von Strom in einer Netzquelle, wobei der Sensor einen Speisespulenkern (52) mit einer sich dadurch hindurch erstreckenden Speisespulenöffnung (54) und ein im Wesentlichen zwei parallele Messschienen (66, 68) sowie eine Messspule (70A, 70B) umfassendes Messelement (56) aufweist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Positionieren einer der parallelen Messschienen (66, 68) so, dass sie sich durch die Speisespulenöffnung (54) erstreckt; elektrisches Verbinden eines ersten Endes (72A, 74A) von jeder parallelen Schiene mit der anderen; elektrisches Verbinden eines zweiten Endes (72B, 74B) von jeder parallelen Messschiene mit der anderen; und Positionieren der Messspule (70A, 70B) zwischen den parallelen Messschienen; elektrisches Koppeln der Speisespule (52) mit wenigstens einer Messkreiskomponente so, dass der durch die Messschienen fließende Strom eine Spannung in der Speisespule induziert, um die wenigstens eine Messkreiskomponente mit Energie zu speisen.
Verfahren nach Anspruch 7, mit dem zusätzlichen Schritt der Positionierung der anderen parallelen Messschiene (66, 68) so, dass sie sich durch die Speisespulenöffnung (54) erstreckt.