Sensor für Wechselströme
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die gängigen Sensoren für die Messung von Wechselströmen bestehen im allgemeinen aus einem ringförmigen Kern aus magnetisch gut leitendem Material, auf dem eine Ringspule sitzt, die ihrerseits über eine Messeinrichtung kurzgeschlossen ist. Wechselströme in Leitern, die vom ringförmigen Kern umschlossen werden, erzeugen in der Ringspule Kurzschluss-Wechselströme - wie in einem Transformator. Durch geeignete Wahl der Windungszahl der Ringspule wird der zu messende Strom so verkleinert, dass er mit üblichen Messeinrichtungen gemessen werden kann.
Der beschriebene Sensor wird „Stromwandler" oder "Durchsteck-Stromwandler" genannt. Einer seiner Eigenschaften ist, dass das Kernmaterial durch starke Magnetfelder gesättigt werden kann, entweder weil der zu messende Strom zu gross ist oder weil aussen vorbei fliessende Ströme, zum Beispiel Kurzschlussströme in benachbarten Stromschienen, zu gross sind. Dabei geht der proportionale Zusammenhang zwischen primärem und sekundärem Strom verloren.
Die Erfindung bezieht sich auf Stromsensoren auf der Basis von Spulen ohne magnetisches Kernmaterial, auch Luftspulen genannt. Wegen des Fehlens des Kernmaterials können sie nicht in Sättigung gehen. Die Sensoren bestehen im allgemeinen aus einer Luftspule oder mehreren in Reihe geschalteten Luftspulen, die symmetrisch um den Strom führenden Leiter angeordnet ist oder sind. Man misst den Wechselstrom in diesem Leiter, indem man die Gegeninduktivität zwischen der Spule oder den Spulen und dem Strom führenden Leiter nutzt. Der zu messende Strom induziert in der Spule oder in den Spulen eine Spannung. Die Spannung entspricht dem Produkt aus der zeitlichen Ableitung des Stromes und der Gegeninduktivität und muss nach der Zeit integriert werden, damit man ein Abbild der Messgrösse erhält.
Stand der Technik
Verschiedene Strommesser mit Luftspulen sind unter dem Namen des Erfinders Walter Rogowski bekannt - obwohl Rogowski-Spulen im engeren Sinne nicht für die Messung von Wechselströmen, sondern für die Messung von magnetischen Spannungen vorgesehen sind. Diese spiralförmig auf einen ringförmigen Träger gewickelten Spulen umschliessen den Leiter mit dem zu messenden Strom vollständig. Mit zwei Massnahmen kann man dafür sorgen, dass die erwähnte Gegeninduktivität möglichst wenig von der Lage des Strom führenden Leiters abhängt und die störende Gegeninduktivität zu aussen vorbei führenden Leitern so klein wie möglich ist: Erstens sollte die Spule eine Wicklung haben, bei der das Produkt aus Wicklungsquerschnitt und Dichte der Windungen überall gleich gross ist. Meistens ist der Wicklungsquerschnitt über den ganzen Umfang konstant; folglich sollte dann die Dichte der Windungen überall gleich sein. Zweitens sollte die Krümmung des Wicklungskörpers überall gleich sein, das heisst, er muss einen Ringtorus darstellen.
Die Rogowski-Spule ist seit 1912 bekannt, und im Verlaufe der Jahre sind viele Anwendungen, Herstellungsmethoden und Ausführungsformen patentiert worden. Im folgenden wird kurz auf einige dieser Patente eingegangen.
Walter Rogowski selbst hat 1913 zwei Patente für die Messung von magnetischen Spannungen angemeldet (CH 66158 und GB 191318103). In EP 0933639 A2 wird eine Rogowski-Spule als Bestandteil eines Isolierstücks einer Strommesseinrichtung erwähnt. In der US-Offenlegungsschrift 2004/0201373 A1 wird vorgeschlagen, eine Rogowski-Spule zu verwenden, um in einer Strommesseinrichtung für Gleich- und Wechselströme die Wechselströme ab einer bestimmten Frequenz zu messen. In DE 4229678 wird ein Verfahren zur Herstellung von Rogowski-Spulen für Stromwandler geschildert; ein elastischer, ringförmiger Hohlkörper kann auf einen geraden Dorn aufgebracht und nach dem Wickeln wieder zu einem Ringtorus zusammengefügt werden. Um grosse Rogowski-Spulen zu bauen, kann der Ringtorus aufgeteilt werden - zum Beispiel in 4 Teile gemäss JP 10282154. Um. die Forderung nach einer homogenen
Windungsdichte zu erfüllen, wird in US 5852395 vorgeschlagen, den ringförmigen Wicklungskörper mit Hilfe von Nocken in mehrere gleiche Segmente aufzuteilen;
auf diese Art und Weise wird eine symmetrische Verteilung der Wicklung über den ganzen Umfang erzwungen. In DE 4424368 wird ein Herstellverfahren für Rogowski-Spulen beschrieben; dabei wird auf Teilstücke eines ringförmigen Wicklungsträgers eine elektrisch leitende Schicht aufgebraucht, die anschliessend wendeiförmig unterbrochen wird. Die Teilstücke können durch Verbindungsstücke elektrisch und mechanisch verbunden werden. Zylindrische Spulen, die auf einem regelmässigen Polygon um den Strom führenden Leiter angeordnet sind, werden in US 4709205 beschrieben. Träger der Spulen ist eine gedruckte Schaltung, mit deren Hilfe die Reihenschaltung der einzelnen Spulen bewerkstelligt wird. Eine ähnliche Konstruktion ist auch aus den US-Patentschriften 6,717,397 und 6,825,650 bekannt. Die einzelnen Spulen sind auch hier symmetrisch um den Strom führenden Leiter angeordnet. Im besonderen können die Spulen Flachspulen sein, und es können zwei konzentrische Spulensätze verwendet werden. Im letzteren Fall wird dank einer geeigneten Linearkombination der Signale der beiden Spulensätze die Gegeninduktivität zu aussen vorbei führenden Leitern verringert.
Die Herstellung eines gleichmässig bewickelten Ringtorus ist aufwendig. Die letzten der oben erwähnten Veröffentlichungen zeigen auf, wie durch die Aufteilung des Spulenkörpers in Teilstücke die Herstellung vereinfacht werden kann. Zum Teil werden sogar gerade, zylindrische Teilspulen vorgeschlagen.
Allerdings bleiben dann die idealen Eigenschaften des Sensors nur erhalten, wenn der Spulenquerschnitt sehr klein gewählt wird; dies haben schon W. Rogowski und W. Steinhaus 1912 in ihrer Veröffentlichung im Archiv für Elektrotechnik, 1. Band, Heft 4, beschrieben. Eine der Voraussetzungen für einen idealen Sensor bei technisch nutzbaren, grossen Spulenquerschnitten ist, dass der Spulenkörper eine konstante Krümmung hat. Dies hat zum Beispiel K. Heumann 1961 in seiner Dissertation an der Fakultät für Elektrotechnik der TU Berlin-Charlottenburg mit dem Titel „Magnetischer Spannungsmesser zur Präzisionsmessung hoher Ströme" bewiesen. In den Patenten US 5442280, JP 6186255 und GB 2342783, der
Gebrauchsmusterschrift DE 20101454 U1 sowie der Offenlegungsschrift US 2003/090356 werden Rogowski-Spulen vorgeschlagen, deren
Wicklungskörper eine konstante Krümmung haben. Alle Herstellverfahren basieren auf gedruckten Schaltungen. Die Wicklung besteht aus Leiterbahnen auf mindestens zwei verschiedenen Ebenen und aus Durchkontaktierungen, die die Leiterbahnen auf den verschiedenen Ebenen verbinden. Diese Ausführungsformen kommen idealen Rogowski-Spulen schon ziemlich nahe. Mit ihnen könnte man -wie es der Erfinder W. Rogowski 1912 vorgeschlagen hat - magnetische Spannungen messen. Für die Messung von Wechselströmen eignen sie sich aber nur bedingt, denn die spiralförmige Wicklung hat eine nicht vernachlässigbare Gegeninduktivität zu aussen vorbei führenden Leitern. Unter anderen schlägt deshalb der oben erwähnte K. Heumann in seiner Dissertation vor, einen Rückleiter in Reihe mit der Rogowski-Spule zu schalten. Der Rückleiter führt vom Ende der Rogowski-Spule zum Anfang der Rogowski-Spule, entweder als eine einzige Windung im Inneren des Ringtorus, als eine einzige Windung auf seiner Oberfläche oder als Rückwicklung mit geringerer Windungsdichte als die primäre Wicklung auf der Oberfläche des Ringtorus. Mit dieser Massnahme kann die Gegeninduktivität des Sensors gegenüber aussen vorbei führenden Leitern verringert werden. Sie bleibt aber immer noch ziemlich gross, denn die spiralförmig gewickelte Spule und der Rückleiter haben unterschiedliche Geometrien. Auch im Fall des aus US 6717397 bekannten Sensors ist trotz der Verwendung von Flachspulen diese Gegeninduktivität nicht vernachlässigbar.
Um den Rückleiter zu vermeiden, verwenden deshalb Sensoren gemäss US 6313623 B1 und US 6680608 B2 zwei oder mehr dicht beieinander liegende Spulenkörper mit identischen Abmessungen. Die Wicklungen haben unterschiedliche Wicklungssinne und sind in Serie geschaltet; damit erübrigt sich der Rückleiter. Die Geometrien der verschiedenen Wicklungen sind zwar ähnlich, aber die beiden Spulenkörper sind räumlich getrennt; die Summe der Gegeninduktivitäten gegenüber aussen vorbei führenden Leitern ist deshalb nicht vernachlässigbar. Gemäss JP 580056668 werden ebenfalls zwei in Reihe geschaltete, spiralförmige Wicklungen mit unterschiedlichem Wicklungssinn verwendet. Zusätzlich werden die spiralförmigen Wicklungen in gleichmässigen Abständen durch Wicklungen mit einer einzigen Windung unterbrochen, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Strommessung zu verbessern. Die beiden spiralförmigen Wicklungen durchdringen sich, so dass hier die Gegeninduktivität
gegenüber aussen vorbei führenden Leitern vernachlässigbar klein ist.
Bestimmte oben erwähnte Sensoren mit Rogowski-Spulen sind einfach herzustellen, aber wegen spiralförmig gewickelten Spulen, wegen fehlendem Rückleiter oder wegen Spulenkörpern mit variabler Krümmung als genaue Strommesser weniger geeignet. Andere sind aufwendig in der Herstellung, weil mehrere nebeneinander liegende oder sich durchdringende spiralförmige Spulen oder Spulensätze benötigt werden, oder die Verbindungsleiter zwischen den Spulen oder Flachspulen haben gegenüber aussen vorbei führenden Leitern eine nicht vernachlässigbare Gegeninduktivität. Die Erfindung hat einen Sensor mit Luftspulen zum Ziel, der einfach herstellbar und trotzdem als genauer Strommesser geeignet ist.
Darstellung der Erfindung
Im folgenden wird der ideale Aufbau des erfindungsgemässen Stromsensors beschrieben. In der Praxis können die Anforderungen natürlich nur annähernd erfüllt werden, und zwar umso besser, je mehr Aufwand betrieben wird.
Die Erfindung geht von einer Anzahl identischer Spulen aus, die jeweils nur eine Windung haben und die symmetrisch um einen Kreis angeordnet sind. Die Windung kann eine beliebige Form haben, hat aber vorzugsweise eine Kreis- oder Rechteckform. Jede einzelne Windung muss in einer Ebene liegen, die senkrecht zum erwähnten Kreis steht. Die Windung muss praktisch geschlossen sein, das heisst, Anfang und Ende müssen so nahe wie möglich beieinander liegen. Die einzelnen Flachspulen sind durch Verbindungsleiter in Reihe geschaltet. Damit diese Verbindungsleiter gegenüber aussen am Sensor vorbei führenden Leitern keine Gegeninduktivität haben, werden sie mit einem Verbindungsleiter, der vom Ende der letzten Spule zum Anfang der ersten Spule führt, eng gekoppelt. Wegen Flachspulen anstelle einer spiralförmigen Wicklung, wegen der engen Kopplung der Verbindungsleiter und wegen der praktisch geschlossenen Windungen wird erreicht, dass ausschliesslich in den Flachspulen elektrische Spannungen induziert werden können.
Die einzelne Flachspule kann auch mehr als eine Windung haben; alle Windungen liegen dann in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zum erwähnten Kreis steht. Im Idealfall ist hier nicht nur die Spule, sondern auch jede einzelne Windung praktisch geschlossen, das heisst, Anfang und Ende liegen nahe beieinander. Innerhalb der Spule werden die einzelnen Windungen über Verbindungsleiter in Reihe geschaltet, und der Verbindungsleiter, der von der letzten Wicklung zur ersten führt, wird mit den andern Verbindungsleitern so eng gekoppelt, dass ihre Summe gegenüber aussen am Sensor vorbei führenden Leitern keine Gegeninduktivität hat. Weniger ideal - aber unter Umständen auch brauchbar - sind Flachspulen, deren Wicklung spiralförmig ist.
Weil die Windungen einer Spule jeweils in einer Ebene liegen, können die Spulen statt durch Wickeln durch andere Methoden wie Ätzen oder Bedrucken eines ebenen Substrates hergestellt werden. Damit sind die Spulen der Massenherstellung zugänglich. Aus der oben erwähnten Dissertation von K. Heumann ist bekannt, dass die natürlicherweise immer beschränkte Windungsdichte eines sonst idealen Sensors zur Folge hat, dass Leiter, die aussen nahe vorbei führen, eine merkbare Gegeninduktivität zum Sensor haben. Diese störende Gegeninduktivität nimmt mit zunehmender Distanz zwischen Aussenleiter und Sensor schnell ab. Die Dichte der über den erwähnten Kreis verteilten Flachspulen ist im Einzelfall deshalb so zu wählen, dass diese Einflüsse tolerierbar bleiben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen: Figur 1 : Eine erfind ungsgemässe Spulenanordnung mit Einzelspulen, die jeweils nur eine Windung haben.
Figur 2: Eine Einzelspule mit mehreren, kreisförmigen Windungen.
Figur 3: Eine Einzelspule mit zwei spiegelsymmetrischen, spiralförmigen Wicklungen. Figur 4: Eine Einzelspule mit mehreren, rechteckförmigen Windungen.
Figur 5: Eine vorteilhafte Spulenanordnung mit Flachspulen, die jeweils mehrere, rechteckförmige Windungen haben.
In Figur 1 ist eine Spulenanordnung dargestellt, die der Übersichtlichkeit halber aus nur 8 baugleichen Einzelspulen (1) mit je einer Windung besteht. Sie sind symmetrisch um einen Kreis angeordnet; jede einzelne Windung liegt in einer Ebene, die senkrecht auf dem Kreis steht, und ist praktisch geschlossen. Die Spulen (1) sind über Verbindungsleitungen (2) in Reihe geschaltet. Das Ende der letzten Spule ist über einen kurzen Verbindungsleiter (4) mit dem Verbindungsleiter (3) verbunden. Der Verbindungsleiter (3) ist so eng wie möglich an die Verbindungsleiter (2) gekoppelt, damit die Gegeninduktivität der
Verbindungsleiter zu aussen vorbei führenden Leitern vernachlässigbar ist. Für diesen Zweck kann man die Verbindungsleiter (2) und (3) zum Beispiel dicht beieinander führen, miteinander verdrillen oder sie als koaxiale Leitungen ausführen. Der Sensor ist über die Anschlussleiter (5) und (6) anschliessbar; auch diese müssen natürlich eng gekoppelt sein.
Figur 2 zeigt eine Einzelspule mit einer praktisch geschlossenen Wicklung. Sie kann über die dicht beieinander liegenden Anschlusspunkte (11) und (12) angeschlossen werden. Die Wicklung besteht aus mehreren kreisförmigen, praktisch geschlossenen Windungen (10). Die Verbindungsleitungen (13) zwischen den Windungen und der Verbindungsleiter (14), der vom Ende der Spule zum Anfang der Spule führt, sind so eng gekoppelt, dass die Gegeninduktivität der Verbindungsleiter zu aussen vorbei führenden Leitern vernachlässigbar ist.
Auch Figur 3 zeigt eine Einzelspule mit mehreren Windungen. Allerdings ist die Hinwicklung (20) eine Spirale; die einzelnen Windungen sind also nicht geschlossen. Um diesen Fehler teilweise zu kompensieren, ist die Rückwicklung (21) axialsymmetrisch zur Hinwicklung ausgeführt. Die beiden Wicklungen befinden sich in zwei verschiedenen, parallelen Ebenen; ihr Abstand ist so gering wie möglich zu halten. Die beiden Wicklungen sind über einen kurzen Verbindungsleiter (24) in Reihe geschaltet; er verbindet das Ende der Hinwicklung (20) mit dem Anfang der Rückwicklung (21). Die Einzelspule als Reihenschaltung der beiden Wicklungen (20) und (21) ist über die Anschlusspunkte (22) und (23) anschliessbar.
Figur 4 zeigt eine Flachspule auf einem Spulenträger (48) mit mehreren, rechteckförmigen Windungen (37), die praktisch geschlossen sind. Die Verbindungsleiter (33) schalten die einzelnen Windungen in Reihe. Der Verbindungsleiter (34) verbindet dicht hinter den Windungen (37) das Ende der innersten mit der äussersten Windung der Spule. Die Verbindungsleiter (33, 34) sind so eng gekoppelt, dass ihre Gegeninduktivität gegenüber Leitern, die aussen am Sensor vorbei führen, klein ist. Die Spule kann über die Anschlusspunkte (31) und (32) angeschlossen werden.
Vorteilhafteste Ausführungsform
In Figur 5 ist ein Sensor aus baugleichen Flachspulen (41, 49, 50) dargestellt. Die Flachspulen bestehen aus rechteckförmigen Wicklungen, wie sie in Figur 4 dargestellt sind. Für die Figur 5 wurden 8 Flachspulen gewählt; die Anzahl kann aber eine beliebige sein. Je grösser die Anzahl ist, desto kleiner wird die Gegeninduktivität des Sensors zu aussen nahe vorbei führenden Leitern. Die Flachspulen sind symmetrisch um einen Kreis angeordnet. Die Wicklung jeder Spule liegt jeweils in einer Ebene, die senkrecht zum Kreis ist und daher auch dessen Mittelpunkt enthält. Die Flachspulen sind auf ebenen Spulenträgern (48) untergebracht. Der Anschlussleiter (45) des Sensors ist mit dem Anfang der Wicklung der ersten Spule (41) verbunden. Jeweils das Ende der Wicklung jeder Spule ist mit einem Verbindungsleiter (42) mit dem Anfang der Wicklung der nächsten Spule verbunden; die Spulen sind derart in Reihe geschaltet. Das Ende der Wicklung der letzten Spule (50) ist über den kurzen Verbindungsleiter (44) mit dem Anfang des Verbindungsleiters (43) verbunden. Dieser führt zur ersten Spule (41) zurück und ist von hier aus mit dem zweiten Anschlussleiter (46) des Sensors verbunden. Die Anschlussleiter (45, 46) und die Verbindungsleiter (42, 43) sind eng gekoppelt, zum Beispiel koaxial oder verdrillt, damit die Summe der Gegeninduktivitäten zu aussen vorbei führenden Leitern minimal ist.