NO173903B - Stroemomformeranordning for en statisk elektrisitetsmaaler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en strømomformeranordning i henhold til innledningen i krav 1.

Målingen av store strømmer for å bestemme energiforbruket ved hjelp av statiske elektrisitetsmålere krever bruk av strømomformere hvis utgangssignaler må være egnet for videre bearbeiding i elektroniske måleverk. Strømmen som skal måles, viser størrelser på mer enn 100 ampere, som må kunne måles i måleområdet for milliampere med lave 1inearitetsawik. Overfor 1ikestrømdelene i målestrømmen må slike anordninger

i stor utstrekning være ufølsomme. I tillegg skal forbruket av nødvendig hjelpeenergi for å drive anordningen være minst mu1 i g.

Dessuten må de i IEC-publikasjon 521 angitte krav, spesielt den galvaniske separasjon ved høy i solasjonsfasthet, kort-slutningsfastheten, ufølsomhet mot ytre magnetiske støyfelt samt hindring av frekvenspåvirkninger være oppfylt.

Den som magnetisk spenningsmåler utførte anordning etter

DE-AS 1 079 192 består av to i serie koblede sekundærspoler som omfatter en strømskinne. De sekundære delviklinger er ved sine ender kortsluttet med magnetisk materiale. Med dette danner det seg en lukket magnetisk krets (Rogowski-spole) som forholder seg astatisk overfor fremmede felt, i den utstrekning vindingstettheten til delviklingene er tilstrekkelig stor og vindingsfordelingen er jevn. Ved store strømtettheter i primær lederen må sekundærspolene ha en viss avstand fra denne for å muliggjøre en problemfri integrasjon av del spenningene i den ujevnt fordelte vikling.

Den kjente strømomformeranordning er utstyrt med et elektronisk integrasjonstrinn som med hensyn på den omvendt proporsjonale frekvensgang mellom sitt inngangssignal og utgangssignalet kompenserer den proporsjonale frekvensav-hengighet av den i sekundærviklingen av målestrømmen induserte spenning og som dreier inngangssignalet til motsatt stilling av sitt utgangssignal med en fasevinkel på 90° i forhold til den strøm som skal måles. Målesignalet ved utgangen av integrasjonstrinnet er ved dettes virkning uavhengig av målefre-kvensen og befinner seg i motfase til målestrømmen ved direkte proporsjonalitet mellom amplitudene.

Ved den kjente strømomformeranordning er det en ulempe at kravet om en vidtgående ufølsomhet overfor ytre magnetiske støyfelter ved bruk av magnetisk materiale ikke helt oppfylles. Videre leverer den kjente anordning meget små utgangssignaler, da det bare foreligger en svak kobling mellom feltene til primærlederen og sekundærspolene. Således er denne fremgangsmåte ikke egnet til måling av strømstyrker under ca. 1 kiloampere.

Fra WO-83/01535 er det kjent en aktiv strømsensor med primær reduksjonsvikling ved hvilken feilkompensasjonen skjer med en

indikatorvikling av den art at det ved hjelp av en forsterker i sekundærviklingen genereres en strøm som eliminerer induksjonen i magnetkjernen. En vesentlig ulempe ved denne anordning ligger i bruken av magnetisk kjernemateriale til dannelse av en

tilstrekkelig magnetisk kobling, da det magnetiske materiale fører til betydelige feil ved likestrømskomponenter i måle-strømmen. En reduksjon av flukstettheten på primærsiden blir oppnådd ved en av to ledere motsatt viklet primærvikling for å forhindre en metning av kjernen ved gjennomløp av likestrøm.

Hensikten med oppfinnelsen er å utvikle en strømomformer-anordning av den innledningsvis nevnte art videre, slik at det muliggjøres en høy ufølsomhet overfor ytre magnetiske støyfelt samt et høyt utgangssignal på sekundærsiden ved romlig liten konstruksjon og samtidig anvendelse av billige komponenter.

Denne oppgaves løsning i henhold til oppfinnelsen er kjennetegnet ved trekkene i krav 1. Ved denne anordning har spole-holderen en av primærlederens magnetfelt i det vesentlige uavhengig permeabilitet. Sekundærviklingen består av to spoler koblet i serie, hvis spoleakser strekker seg parallelt til hverandre. Spolenes viklingsretning tilsvarer den for en på midten romlig med 180° knekkede solenoider. Denne astatiske anordning av spolene fører til en sekundærvikling som er uavhengig med hensyn på ytre homogene magnetiske støyveksel-felt, da de av støyfeltet i de to spoler induserte delspen-ninger opphever hverandre gjensidig. Mens de kjente av delviklinger bestående spoler alltid har delviklingene sammensatt til en lukket integrasjonsvei, svarende til en Rogowski-spole, strekker sekundærspolene ved oppfinnelsen seg på grunn av små dimensjoner hver bare over en dellengde på mindre enn 50% av de av strømmen i primær lederen genererte magnet 1 injer, slik at det ikke dannes noen lukket integrasjonsvei. Den annen sekundærspole tjener dermed i første rekke til kompensasjon av virkningen av ytre felt. Med henblikk på en mest mulig optimal kompensasjon har begge sekundærspolene små romlige dimensjoner og er anordnet tettest mulig inntil hverandre.

Sekundærspolene kan som sylinder- eller flatspoler forløpe med innbyrdes parallelle spoleakser, idet minst én av de to spoler befinner seg romlig på et sted hvor primærstrømmen frembringer en høyest mulig feltstyrke. Den nødvendige høye feltstyrke for et høyt sekundærsidig utgangssignal fra anordningen oppnås ved å gi primærlederen form av en strømsløyfe. Således registrerer de sekundære delspoler primærlederens magnetfelt bare punktvis lokalt, mens summen av de i de to sekundærspoler induserte spenninger er proporsjonal med den primærstrøm som skal registreres.

Et særlig trekk ved den nye strømomformeranordning er dennes høye magnetiske kobling mellom primærlederen og sekundærspolen, slik at den gir store sekundærsidige utgangssignaler, hvilket muliggjør anvendelsen av anordningen for lineær regi-strering av strømmer med strømstyrker ned til noen få milliampere. Dette oppnås uten bruk av ferromagnetisk materiale. Derved fås det en romlig liten konstruksjon, hvilket muliggjør en kostnadsvennlig fremstilling.

I en foretrukket utførelsesform omfatter den som sløyfe dannede primærleder sekundærspolen fullstendig i dens omkretsretning. Da sekundærspolen herved er anordnet innenfor en primær leder dannet som et øye, fås en optimal magnetisk kobling med tilsvarende høye utgangssignal er .

I en fordelaktig utførelsesform er to strømsløyfer koblet i serie, slik at hver strømsløyfe omfatter en sekundærspole. Det er imidlertid også mulig at to strømsløyfer er koblet innbyrdes parallelt, og at hver strømsløyfe omfatter en sekundærsløyfe. Derved deles den primærstrøm som skal måles, i to vindinger, slik at det ved en fortrinnsvis av kobber utstanset primærleder med firkanttverrsnitt, kan unngås foldinger ved kryssing av lederdelene.

En meget hensiktsmessig utførelsesform er kjennetegnet ved trekkene i krav 5. Her er den som flatleder utførte primærleder foldet om en tverrakse med en vinkel på 180°, slik at frem- og tilbakelederen ligger i liten avstand over hverandre. Denne avstand kan i det minste avsnittsvis være slik utført

at det derved oppstående rom er egnet for anbringelse av den sekundære vikling. Ved denne utførelsesform blir virkningen av det magnetiske støyfelt på måleresultatet praktisk talt utkoblet også uten magnetiske materialer. Ved hjelp av utformingen og de små dimensjoner av anordningen blir en helautomatisk fremstilling mulig på enkel måte.

Det er fordelaktig når utsparingene strekker seg innbyrdes rettet omtrent fra midtaksen til kanten av primærlederen. Derved blir den i lengderetningen av den primære flatleder gående elektriske strøm ført til midten av primærlederen, slik at strømveien formes til en sløyfe.

I en ytterligere utførelsesform er det forutsatt at de overfor hverandre liggende lederavsnitt av flatlederen hver har to mot hverandre rettede og parallelt forskjøvet anordnede utsparinger og derved danner to ved siden av hverandre i lengderetningen av flatlederen liggende avsnitt av strømsløyfen. Herved befinner sekundærviklingens spoler seg hensiktsmessig mellom primærlederens lederavsnitt. Da utformingen av flatlederen som to ved siden av hverandre liggende avsnitt av strømsløyfen fører til at deres akser hver dannes ved de til hverandre vendte ender av

■ • w v v/ utsparingene, kan hver spole i sekundærviklingen være tilordnet en primærvikling, slik at det fås en optimal fluksforbindelse.

En ytterligere fordelaktig utførelsesform fås når sekundærspolene er utført i planarteknikk som spiraler i ett eller flere sjikt, muligens også på begge sider, på et substrat. Dette plateformede substrat kan være skjøvet inn mellom de på avstand anordnede lederavsnitt. Substratet med sekundærspolene kan også være anordnet utenfor rommet mellom lederavsnittene over de virksomme vindingsflater av primærlederen.

Dessuten er det mulig å la substratet inneholder ytterligere elektroniske komponenter av elektrisitetsmåleren. Disse kan f.eks. være elektroniske komponenter av integrasjonstrinnet og multiplikatortrinnet.

En ytterligere utførelsesform fås ved at et lederavsnitt har to til hverandre motsatt rettede utsparinger som strekker seg til kanten av primærlederen på en felles lengdeakse, idet det parallelt til disse på det andre lederavsnitt er anordnet en midtutsparing som ikke strekker seg til kanten. Ved denne anordning av uttakene blir strømveiene ført slik at det dannes to parallelt koblede vindinger, som hver er forbundet med den magnetiske fluks av en spole av sekundærviklingen.

Oppfinnelsen blir i tilknytning til de på tegningen viste utførelseseksempler nærmere forklart nedenfor. Det gis avkall på å vise den kjente integrasjonskrets. Fig. 1 viser sett forfra to astatisk utførte sekundærspoler, hvorav den ene er omgitt av en primærleder. Fig. 2 viser sett forfra to astatisk utførte spoler, som er omgitt av seriekoblede vindinger av primærledere. Fig. 3 viser en anordning av de sekundære spoler i henhold til fig. 2, men med paralleilkoblede vindinger i primær-1ederen. Fig. 4 viser sett i perspektiv en som flatleder utformet primærleder, hvor en av de astatisk utførte sekundære spoler ligger mellom overfor1iggende lederavsnitt i flatlederen, og den andre sekundære spole er anordnet utenfor flatlederen. Fig. 5 viser sett i perspektiv en primærleder i en i forhold til fig. 4 forandret utførelsesform. Fig. 6 viser i perspektiv de astatisk utførte spoler av sekundærviklingen med en grunnplate som kan skyves inn i primærlederen vist på fig. 5. Fig. 7 viser i tverrsnitt anordningen på fig. 5 og 6 i driftsmessig tilstand og forminsket. Fig. 8 viser i perspektiv en i forhold til fig. 4 og 5 forandret utførelsesform av primærlederen. Fig. 9 viser i perspektiv astatisk utførte flatspoler som sekundærvikling på en grunnplate som kan skyves inn i primærlederen på fig. 8. Fig. 10 viser i perspektiv en i forhold til fig. 8 sammenlignbar primærleder med deri anordnede spoler av sekundærvikl ingen. Fig.11 viser sett ovenfra en utslått, som flatleder utført primærleder. Fig. 12 viser sett ovenfra primærlederen på fig. 11 i sammenfoldet tilstand. Fig. 13 viser sett ovenfra en med fig. 9 sammenlignbar konstruksjon på en grunnplate og med astatisk utførte flatspoler. Fig. 14 viser sett ovenfra den foldede primærleder på fig. 11 fra den i forhold til fig.12 motsatt vendte side. Fig. 15 viser et tverrsnitt av anordningen i henhold til fig. 14.

På fig. 1 ses to på avstand anordnede astatisk utførte sylindriske spoler 1 og 2 av en sekundærvikl ing 3. De over en avstandsholder 4 festede spoler 1 og 2 er geometrisk og elektrisk identiske og strekker seg med sine sylinderakser parallelt til hverandre. Spolene 1 og 2 er anordnet i en i solasjonssylinder 5 og 6. Spolen 1 omfattes av en vinding 7a av primærlederen 7, gjennom hvilken målestrømmen I går i retning av den angitte pil. De i spolene 1 og 2 av magnet-feltet til den i primærlederen 7 gående vekselstrøm: induserte spenninger adderer seg til et signal proporsjonalt med den vekselstrøm 1^som skal måles. Spenninger som er indusert av homogene ytre støyvekselfelt, har på grunn av den astatiske anordning av spolene 1 og 2 forskjellige fortegn og opphever seg i sum. Ved disse forholdsregler blir virkningen av ytre magnetiske vekselfelt på den korrekte funksjon av strømomformeranordningen i stor utstrekning undertrykt. Ved at spolene omgis av magnetisk avskjermingsmateriale, kan virkningen av ytre felt ytterligere reduseres.

På fig. 2 tilsvarer spolene 8 og 9 de på fig. 1 viste

spoler. De sekundære spoler 8 og 9 omfattes etter hverandre av den felles primærleder 10. Denne seriekobling av de primære vindinger 10a og 10b fører til et forstørret målesignal i forhold til anordningen på fig. 1.

På fig. 3 svarer spolene 11 og 12 til spolene 8 og 9 på

fig. 2. Primærlederen 13 grener seg i to delledere som hver er formet til en vikling 13a resp. 13b som omslutter spolene 11 resp. 12. Strømmen I blir forgrenet fra dellederen med vindingene 13a og 13b, idet summen av de i spolene 11 og 12 induserte spenninger er proporsjonal med den strøm I som skal måles. Fordelen ved anordningen i henhold til fig. 3 fremfor utførelsen på fig. 2, består i at den fortrinnsvis av kobber utstansede primærleder 13 med firkanttverrsnitt (flatleder) kan unngå foldinger ved kryssing av lederdelene.

I utførelsesformen på fig. 4 er en primærleder 14 dannet

som en flatleder med firkantet tverrsnitt, idet den er foldet slik at de overfor1iggende lederavsnitt 14a og 14b danner et firkantet hulrom 15. Utenfor hulrommet 15 er overfor hverandre liggende avsnitt av primærlederen 14 skilt fra hverandre ved et isolasjonssjikt 16. Lederavsnittet 14a er utført med en omtrent fra midten til randen forløpende sliss-formet utsparing 17. En i motsatt retning forløpende utsparing som strekker seg til kanten, er anordnet på det overfor-liggende lederavsnitt 14b. Utsparingene 17 og 18 påvirker den geometriske stilling av strømveiene til den strøm som skal måles og som er vist ved pilene 19 og 20, slik at det dannes en vinding for primærstrømmen. I det magnetiske felt til denne vinding er det anordnet den strekpunktert viste sekundærspole 21. En annen sekundærspole 22 er anordnet utenfor primærlederen for å kompensere magnetiske fremmedfelt.

Den på fig. 5 fremstilte primærleder 23 skiller seg fra utførelsesformen på fig. 4 ved at de motsatt liggende led-ningsavsnitt 23a og 23b hver har to overfor hverandre motsatt rettede slissformede utsparinger 24 og 25 resp. 26 og 27.

De til siden åpne utsparinger 24-27 strekker seg hver omtrent til midten av lederavsnittene 23a og 23b. Utsparingene 24

og 26 befinner seg i det samme plan loddrett på primærlederen 23 når denne i driftstilstand er foldet 180 ° . Følgelig strekker lederavsnittene 23a og 23b seg parallelt til hverandre. På samme måte er utsparingene 25 og 27 anordnet i et felles plan loddrett på primærlederen 23.

Ved den ovenstående utførelse av utsparingene 24-27 går primærstrømmen på strømveier som er betegnet med pilene 29a-29g. Herved blir det i planet for lederavsnittene 23a og 23b dannet primærvindinger som er koblet i serie, og i hvis magnetiske felt det kan anordnes sekundære spoler.

På den på fig. 6 viste grunnplate 30 befinner det seg to astatisk anordnede sekundære spoler 31 og 32. I driftsmessig tilstand befinner grunnplaten 30 seg med spolene 31 og 32 mellom lederavsnittene 23a og 23b av primærlederen på fig. 5. Stillingen av spolen 31 på fig. 6 er angitt på lednings-avsnittet 23 på fig. 5 ved den stiplede sirkel 33. Tilsvarende befinner seg spolen 32 på fig. 6 seg i et ved den på fig. 5 stiplede sirkel 60 vist område.

Fig. 7 viser strømomformeranordningen med den primærsidige del i henhold til fig. 5 og den sekundærsidige del i henhold til fig. 6 i driftsmessig tilstand. Herved er de øvre og nedre avsnitt av primærlederen 23 skilt fra hverandre med et isolasjonssjikt 61.

Primærlederen 34 på fig. 8 er sammenlignbar med primærlederen 23 på fig. 5. Bare avstanden mellom det øvre lederavsnitt 34a og det nedre lederavsnitt 34b er mindre og svarer til tykkelsen av isolasjonssjiktet 35.

Den på fig. 9 fremstilte grunnplate 36 med de derpå anordnede sekundære spoler 38 og 39 befinner seg ved driftstilstand av strømomformeranordningen mellom lederavsnittene 34a og 34b på primærlederen 34 i henhold til fig. 8. Spolene 38 og 38

på fig. 9 er utført spiralformet og fremstilt i planarteknikk, slik at det lille rom mellom lederavsnittene 34a og 34b på fig. 8 er tilstrekkelig. I driftstilstand befinner midtpunktet av spolen 38 seg omtrent ved midtenden av den sliss-

formede utsparing 40 på fig. 8. Tilsvarende er midtpunktet

av spolen 39 og midtenden av utsparingen 41 anordnet med samme dekning.

På fig. 10 er det vist en primærleder 42 som hovedsakelig svarer til primærlederen 34 på fig. 8. Riktignok er utsparingene 44 og 45 ved sin til midten av primærlederen 42 rettede ende dannet som hull, i hvilke astatisk utførte sekundærspoler 46 og 47 er anbragt.

Ved utførelsesformen i henhold til fig. 11 er det vist en åpen primærleder 48, dvs. før foldingen om en linje 49. I foldet tilstand befinner et lederavsnitt 48a seg over et lederavsnitt 48b. Lederavsnittet 48b har utsparinger 50 og 51, som er rettet motsatt til hverandre og strekker seg langs en felles lengdeakse parallell med foldings 1 injen 49. På lederavsnittet 48a er det anordnet en utsparing 52, som bare strekker seg i midtområdet av lederavsnittet 48 og har samme avstand til foldings 1 injen 49 som utsparingene 50 og 51. Stedet for de sekundære spoler er gjengitt ved de stiplede sirkler 53 og 54. De tilsvarende grunnflater 55 og 56 for sekundærspolene befinner sg speilsymmetrisk til foldingslinjen 49.

Fig. 12 viser primærlederen 48 på fig. 11 i sammenfoldet tilstand, slik at lederavsnittene 48a og 48b ligger over hverandre. Tilsvarende er bare utsparingene 50 og 51 med stedene for de sekundære spoler som er antydet ved sirkler 53 og 54.

På fig. 13 er det vist de på en grunnplate 55 festede sekundærspoler 56 og 57 i astatisk konstruksjon. Denne, som prinsipielt svarer til anordningen på fig. 9, skiller seg fra den i det vesentlige bare ved at spolene 56 og 57 på

fig. 13 har lik avstand fra foldings 1 injen 49. Spolene 56

og 57 kan likeledes være fremstilt i planarteknikk. For å utsette de to spoler for den tilsvarende primære magnetiske fluks, kan de være anordnet utenfor rommet mellom

de foldede lederavsnitt 48a og 48b på fig. 11, så-

fremt den magnetiske kobling er tilstrekkelig for et høyt utgangssignal. Også for dette tilfelle er de på fig. 11 og 12 fremstilte sirkler de tilsvarende steder for de sekundære spoler.

Fig. 14 viser primærlederen 48 i henhold til fig. 11 i sammenfoldet stilling fra den motsatte side sammenlignet med fig. 12. Tilsvarende er bare den midtre utsparing 52 synlig.

Også på fig. 15 er primærlederen 48 vist i sammenfoldet tilstand, idet avstanden mellom det øvre lederavsnitt 48a og det nedre lederavsnitt 48b er bestemt av et isolasjonssjikt 57. Retningen av den primærstrøm som skal måles, er betegnet med pilene 58 og 59. I rommet 70 blir grunnplaten 55 på

fig. 13 skjøvet inn.

Claims (10)

1. Strømomformeranordning, særlig for en statisk elektrisi-tetsmåler, med en primærleder (7,10,13,14,23,34,42,48) som fører den vekselstrøm som skal måles, samt en sekundærvikling bestående av minst to i serie koblede identiske og astatiske anordnede spoler, hvor sekundærviklingens utgangsspenning føres til et etterkoblet elektronisk integrasjonstrinn for generering av et frekvensuavhengig målesignal,karakterisert vedat for å generere en maksimal magnetisk feltstyrke er primærlederen (7,10,13,14,23, 34,42,48) formet til minst en strømsløyfe (7a,10a,10b,13a,13b, 29c,29e), at vindingene til minst en av sekundærspolene (1,8,11,12,21,22,31,32,38,39,46,47,56,57) for maksimal magnetisk kobling er anordnet med minst mulig avstand til den tilsvarende strømsløyfe og omgir mest mulig fullstendig den av strømsløyfen genererte magnetiske fluks, at den magnetiske kobling skjer uten bruk av magnetiske materialer, at sekundærspolene (1,8,11,12,21,22,31,32,38,39,46,47*,56,57) i sin aksialretning strekker seg over en minst mulig del av lengden av de av strømmen i primærlederen frembragte magnetfeltlinjer, og at sekundærspolene (1,8,11,12,21,22,31,32,38,39,46,47,56,57) for optimal kompensasjon av ytre felt er anordnet mest mulig nær hverandre.

2. Strømomformeranordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat strømsløyfen (7a) tett omslutter den ene sekundærspole (1) i dennes omkretsretning.

3. Strømomformeranordning i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat primærlederen er formet som to strømsløyfer (10a,10b) koblet i serie, og at hver strømsløyfe (10a,10b) omfatter en sekundærspole (8,9).

4. Strømomformeranordning i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat primærlederen er formet som to strømsløyfer (13a,13b) koblet i parallell med hverandre, og at hver strømsløyfe (13a,13b) omslutter en sekundærspole (11,12) .

5. Strømomformeranordning i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat primærlederen (14,23,34,42,48) er utført som en foldet flatleder med innbyrdes motsatte lederavsnitt (14a,14b,23a,23b,34a,34b,48a, 48b), som hver ved minst en utsparing (17,18,25-28,50-52), danner minst et parti (29c,29e) av strømsløyfen i flatelede-rens plan.

6. Strømomformeranordning i henhold til krav 5,karakterisert vedat utsparingene (17,18, 22-28) strekker seg i motsatt retning av hverandre fra omtrent midtaksen til kanten av primærlederen.

7. Strømomformeranordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat de innbyrdes motsatt liggende lederavsnitt av flatlederen hver har to til hverandre motsatt rettede og parallelt forskjøvede utsparinger (25,28), og at to i lengderetningen av flatlederen (23) ved siden av hverandre liggende partier av strømsløyfen (29c,29e) derved dannes.

8. Strømomformeranordning i henhold til et av kravene 5-7,karakterisert vedat sekundærspolene (38,39) er anordnet mellom lederavsnittene på flatlederen.

9. Strømomformeranordning i henhold til krav 7 eller 8,karakterisert vedat sekundærspolene (38,39), utført i planarteknikk, er anbragt i ett eller flere lag som spiraler på et substrat.

10. Strømomformeranordning i henhold til krav 5,8 eller 9,karakterisert vedat det ene lederavsnitt (48b) har to innbyrdes motsatt rettede utsparinger (50,51), som strekker seg fra kanten av flatlederen (48) på en felles akse, hvortil det på det annet lederavsnitt (48a) og parallelt til disse utsparinger (50,51) er anordnet en utsparing (52) som ikke strekker seg til kanten.