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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Stromfühleranordnung
für Niederspannungs-Leistungsschalter.
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Viele
Beispiele von Stromfühleranordnungen zum Überwachen
und Schützen
von Niederspannungs-Leistungsschaltern (und daher für Spannungswerte
unter etwa einem kV) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese
Stromvorrichtungen basieren auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien.
Ein erstes Beispiel wird von Strommessvorrichtungen dargestellt,
die auf dem thermoelektrischen Effekt basieren. Diese Strommessvorrichtungen
verwenden im Allgemeinen einen Bimetallstreifen, der durch den Fluss
des zu messenden Stroms erhitzt wird und den Strom unterbricht,
sobald eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten wird. Diese Arten
von Strommessvorrichtungen erzeugen einen Grenzwert-artigen Betrieb
des Fühlsystems, der
kein durchgehendes Überwachen
des Stroms bereitstellt. Dieses Verhalten wird beträchtlich
von der Umgebungstemperatur beeinflusst: Diese Tatsache führt zu einer
maximalen Genauigkeit, die bei ungefähr 20% des nominalen Werts
des zu messenden Stroms liegt. Ein anderes Beispiel von Strommessvorrichtungen
wird von Vorrichtungen dargestellt, die darauf abzielen, die Zirkulation
des magnetischen Feldes zu fühlen.
Im Wesentlichen basieren zwei Haupttypen von Strommessvorrichtungen
auf diesem Prinzip. Ein erster Typ wird von Stromfühltransformatoren
dargestellt, die aufgrund ihrer einfachen konstruktiven Eigenschaften
und ihren moderaten Kosten breite Anwendung finden. Jedoch sind
Stromfühltransformatoren
nur in der Lage, Wechselströme zu
messen. Weiter verhalten sich Stromfühltransformatoren besonders
für hohe
Ströme
auf eine stark nichtlineare Weise und erlauben keine genauen Messungen
zusätzlich
dazu, dass sie nicht in der Lage sind, mit Gleichstrom betrieben
zu werden. Ein zweiter Typ wird von Stromfühlanordnungen dargestellt, die
irgendein den Fluss messendes Mittel (typischerweise Hall-Effekt-Vorrichtungen)
und einen Magnetfeldverdichter umfassen. Diese Strommessvorrichtungen
sind durch zwei Hauptgestaltungen gekennzeichnet, nämlich der „Gestaltung
mit geschlossenem Regelkreis" und „der Gestaltung
mit offenem Regelkreis".
Bei den genannten Gestaltungen mit geschlossenem Regelkreis besteht
der Verdichter aus einem ferromagnetischen Material, das mit einem
engen Spalt versehen ist. Die Fluss messenden Mittel befinden sich
in diesem Spalt. Die Signale, die von den Fühlmitteln kommen, werden dazu
verwendet, einen Verstärker
anzutreiben, der einen sekundären Schaltkreis
versorgt, welcher auf den Verdichter gewickelt ist, um einen Fluss
zu erzeugen, der den Fluss des primären Stromes aufhebt. Auf diese
Weise ist der sekundäre
Strom ein Abbild des primären Stroms.
Diese Art von Anordnung arbeitet auch für Gleichströme, erfordert jedoch eine Stromversorgung,
die gewöhnlich
nicht verfügbar
ist. Weiter sind die Kosten dieses Fühlverfahrens sehr hoch. Entsprechend
den genannten Gestaltungen mit offenem Regelkreis wird der Fluss
im Spalt des Verdichters gemessen und die gemessenen Werte werden
mit den Werten des verknüpften
Stromes mittels einer geeigneten Konstante in Beziehung gesetzt.
Die Gestaltung mit offenem Regelkreis wie auch die Gestaltung mit
geschlossenem Regelkreis weist Probleme hinsichtlich der Nichtlinearität beim Fühlen von
Strömen
hoher Intensität
auf.
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Ein
weiteres Beispiel von Strommessvorrichtungen wird von Vorrichtungen
dargestellt, die darauf abzielen, eine Punktmessung des magnetischen
Feldes durchzuführen.
Verschiedene Arten von Strommessvorrichtungen können zu diesem Zweck verwendet
werden. Hallsensoren, sogenannte Erdmagnetfeldsensoren, Magnetowiderstände und Ähnliches
sind die am weitesten verbreiteten. Beispielsweise offenbart das
US-Patent 4,625,166 eine Strommessvorrichtung, in der eine Vielzahl
von Hallsonden, eine Punktmessung des Magnetfeldes durchführen. Die
Anwendung von Punktmessungen des magnetischen Feldes bringt eine
schwache Zurückweisung
des Einflusses von magnetischen Störfeldern mit sich, d.h. Feldern,
die von anderen Strömen
als dem zu messenden erzeugt werden.
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Weiter
wenden Strommessvorrichtungen eine andere Art von Anordnungen an,
die darauf abzielen, den Spannungsabfall an einem Nebenwiderstand
zu messen. Diese Art von Messung erfordert einen galvanischen Kontakt
mit den Leitern, in welchen der zu messende Strom vorhanden ist,
und daher erfüllt
sie nicht das Erfordernis, im Wesentlichen „berührungslose" Messungen zu erhalten. Nebenwiderstände, die
auch für
Gleichstrom verwendet werden können,
erzeugen zuviel Wärme
und erfordern die Verwendung von stark isolierenden Messwandlern.
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In
der Praxis kann man allgemein feststellen, dass die bekannten Strommessvorrichtungen
für Niederspannungs-Leistungsschalter
von verschiedenen und beachtlichen Nachteilen betroffen sind, die ihre
Anwendung ziemlich erschweren und teuer machen. Daher ist das Ziel
der vorliegenden Erfindung, eine Strommessvorrichtung für Niederspannungs-Leistungsschalter
bereitzustellen, die es erlaubt, die genannten Nachteile zu überwinden.
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Hierbei
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung jene, eine Strommessvorrichtung für Niederspannungs-Leistungsschalter
bereitzustellen, die von einem hohen Niveau an Zurückweisung von
Störungen
gekennzeichnet ist, welche von Strömen erzeugt werden, die nicht
gemessen werden sollen, mit einer entsprechend höheren Messgenauigkeit als bei
herkömmlichen
Lösungen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strommessvorrichtung
bereitzustellen, die sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom
betrieben werden kann.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strommessvorrichtung
bereitzustellen, die durch hohe Linearitätsniveaus gekennzeichnet ist.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strommessvorrichtung
bereitzustellen, die von einem weiten dynamischen Messbereich gekennzeichnet
ist.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strommessvorrichtung
bereitzustellen, die durch ein breites Frequenzansprechverhalten
gekennzeichnet ist.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strommessvorrichtung
bereitzustellen, die sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet und relativ
einfach und mit wettbewerbsfähigen
Kosten herzustellen ist.
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Daher
stellt die vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, eine
Strommessvorrichtung zum Fühlen
des Stromes von einem oder mehreren Stromleiterelementen in einem
Niederspannungs-Leistungsschalter bereit.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Strommessvorrichtung entsprechend
der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung der bevorzugten,
aber nicht ausschließlichen
Ausführungsformen
offensichtlich, die lediglich im Zuge von nicht beschränkenden
Beispielen in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind:
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1 ist
eine schematische Ansicht eines allgemeinen Stromsystems, das mittels
der Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung
gemessen werden soll;
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2 ist
ein Blockdiagramm der Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Strommessvorrichtung
zum Messen von Strom durch Messen des Magnetfeldes, welches von
den zu messenden Strömen
erzeugt wird;
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4 ist
eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezug auf die oben genannten Figuren ist die Strommessvorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Messung von Gleich-
und Wechselströmen
geeignet. Die Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung zielt darauf ab, den Strom von einem oder mehreren Stromleiterelementen 10 bis 12 zu
messen.
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Die
Anzahl der Leiterelemente ist natürlich nicht auf die in 1 gezeigte
Anzahl beschränkt. Weiter
umfassen die Stromleiterelemente 10 bis 12 bevorzugt
die Phasenleiter des Niederspannungs-Leistungsschalters.
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Die
Figuren zeigen auch zwei Leiter 13 und 14, die
Leiter darstellen, welche nicht zum ausgewählten Stromsystem gehören und
deren Strommessung als irrelevant erachtet wird. Die Position und
Anzahl dieser Leiter ist nicht beschränkt und ist lediglich im Zuge
eines Beispiels dargestellt.
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Die
Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst
eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren, die um eines der Leiterelemente 10 bis 12 angeordnet
sind. Die Magnetfeldsensoren sind in der 2 allgemein
mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet und sind im Zuge eines
Beispiels in der 1 einzeln mit den Bezugsziffern 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 bezeichnet.
Die Magnetfeldsensoren 1 führen eine Punktmessung des
magnetischen Feldes durch und erzeugen daher Messsignale, die den
Wert des durch eines der Stromleiterelemente fließenden Stromes
(z.B. des Leiterelements 10) anzeigen. Die Magnetfeldsensoren 1 sind
um das Leiterelement 10 entsprechend einer vorbestimmten
Anordnung herum orientiert und positioniert, welche darauf abzielt, die
Genauigkeit der von den Magnetfeldsensoren 1 durchgeführten Messungen
zu optimieren.
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Die
von den Magnetfeldsensoren 1 erzeugten Messsignale werden
von einer Bearbeitungsvorrichtung 16 (siehe 2)
verarbeitet, welche Operationen zum Kompensieren der Magnituden
und der Eigenschaften der als Magnetfeldsensoren verwendeten Vorrichtungen
(z.B. Offset, Nichtlinearität
usw.) oder in Bezug auf externe Magnituden wie z.B. die Betriebstemperatur
durchführen.
Die Bearbeitungsvorrichtung 16 kann die Messungen der genannten externen
Magnituden verwenden, die in der Nähe der Magnetfeldsensoren durchgeführt werden
und die allgemein mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet sind. Die
Ausgangssignale der Signalbearbeitungsvorrichtung 16 werden
an die Signalverarbeitungsvorrichtung 17 gesandt. Wenn
die Bearbeitungsvorrichtung 16 nicht vorhanden ist, kann
alternativ die Verarbeitungsvorrichtung 17 direkt die gemessenen
Signale der Sensoren 1 verarbeiten. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 17 führt die
Operationen durch, die mit den vordefinierten Matrixbeziehungen
zusammenhängen.
Eine Kontrollvorrichtung 18 ist vorgesehen, um die korrekte
Ausführung
der Messung seitens der zur Messung verwendeten Magnetfeldsensoren 1 zu
handhaben. Schließlich
versorgt die Stromversorgungsvorrichtung 19 die Vielzahl
der magnetischen Feldsensoren 1 und die Kontrollvorrichtung 18.
Die Kontrollvorrichtung 18 steht mit der Signalbearbeitungsvorrichtung 16 und
mit der Signalverarbeitungsvorrichtung 17 in Verbindung.
Die Signalbearbeitungsvorrichtung 16, die Signalverarbeitungsvorrichtung 17 und
die Steuervorrichtung 18 können physikalisch mittels analoger
oder digitaler elektronischer Schaltkreise und Vorrichtungen bereitgestellt werden,
die im Stand der Technik bekannt sind.
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Wie
erwähnt,
führt die
Signalverarbeitungsvorrichtung 17 die mit den vordefinierten
Matrixverhältnissen
zusammenhängenden
Operationen durch. Insbesondere ist die Signalverarbeitungsvorrichtung 17 geeignet,
ein vordefiniertes Matrixsystem zu lösen, in welchem die Werte des
Stroms auf folgender Grundlage erhalten werden:
- – einem
vordefinierten Vektor, der das von den Magnetfeldsensoren 1 gemessene
Magnetfeld umfasst; und
- – eine
Funktionsmatrix, die von einer vordefinierten Wechselwirkungsmatrix
abhängt,
welche die mit der Position und der Orientierung der Magnetfeldsensoren
zusammenhängende
Werte und/oder andere Stromkalibrationswerte umfasst.
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In
der Tat sei S der Vektor der von den Magnetfeldsensoren 1 gelieferten
Messsignale, und I sei der Vektor der Ströme, welche gemessen werden sollen.
Es ist möglich,
die Gleichung zu schreiben: S = A × 1 (1),wobei A
die Wechselwirkungsmatrix ist, die auf Grundlage der Position und
der Orientierung der Magnetfeldsensoren und/oder abhängig von
den geometrischen Abmessungen und physikalischen Eigenschaften des
Systems berechnet werden kann oder gemessen werden kann (z.B. wenn
ein System bekannter Ströme
festgelegt wird).
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Wenn
die Wechselwirkungsmatrix A bekannt ist, können die unbekannten Ströme I durch
die folgende Gleichung erhalten werden: I = Q × S (2)wobei Q eine
Funktionsmatrix ist, die von der Wechselwirkungsmatrix A abhängt und
die mithilfe bekannter algebraischer und/oder statistischer Methoden
der linearen oder nichtlinearen Art erhalten werden können (z.B.
der Methode der kleinsten Quadrate, der beschränkten kleinsten Quadrate und ähnlichem).
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Das
vorbestimmte Matrixsystem, das durch die Gleichung (2) ausgedrückt ist,
kann vorteilhafterweise in der Frequenzebene gelöst werden.
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In
der Tat kann die Funktionsmatrix Q leicht berechnet werden, indem
z.B. eine diskrete Fouriertransformation der Vektoren I und S verwendet
wird und einige bekannte Verfahren miteinbezogen werden, die in
der Schätzungstheorie
vorgeschlagen werden und die sich auf die statistischen Eigenschaften
von harmonischen Signalkomponenten beziehen.
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Wie
erwähnt,
werden dann die Magnetfeldsensoren 1 verwendet, um das
von den zu messenden Strömen
erzeugte Magnetfeld zu messen. Die Strommessvorrichtung entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen für ihren Betrieb unabhängig von
der Art der Magnetfeldsensoren 1, die verwendet werden
können.
Die Art der Magnetfeldsensoren kann nur die Definition der Funktionen
beeinflussen, die von der Signalbearbeitungsvorrichtung 16 und/oder
von der Steuervorrichtung 15 durchgeführt werden. Der vorgesehene
Magnetfeldsensor kann ein Sensor jeder geeigneten Art sein, wie
z.B. ein Halleffektsensor. Diese Art von Sensor ist besonders vorteilhaft
aufgrund seiner niedrigen Kosten und seines breiten Frequenzbandes,
was das Durchführen
von sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrommessungen erlaubt.
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3 ist
eine Ansicht einer ersten Ausführungsform
der Anordnung der Magnetfeldsensoren 1. Die Magnetfeldsensoren 1 können um
die Leiterelemente 10 bis 12 mit rechteckigem
Querschnitt angeordnet werden, welche den Leiterelementen der 1 ähnlich sind,
und werden an der Mittelachse der Leiterelemente 10 bis 12 angeordnet.
Die magnetischen Feldsensoren 1 können auf einem geeigneten Stützelement 30 angeordnet
werden, welches bevorzugt aus Isoliermaterial hergestellt ist und
eine Form aufweist, die entsprechend den Erfordernissen variieren
kann. Wenn nötig,
kann das Stützelement 30 verwendet
werden, um Magnetfeldsensoren aufzunehmen, z.B. einen Sensor 31,
der externe Magnituden misst, wie z.B. die Temperatur. Weiter kann das
Stützelement 30 verwendet
werden, um darauf einen Teil der Steuerelektronik des Systems unterzubringen,
z.B. die Signalbearbeitungsvorrichtung 16 und die Signalverarbeitungsvorrichtung 17.
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In 3 sind
zwei Magnetfeldsensoren entlang einer Mittelachse des rechteckigen
Querschnitts des Schalters angeordnet. Allgemein können zwei Magnetfeldsensoren
im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung in Bezug auf eine der
längeren
Seiten des rechteckigen Querschnitts angeordnet werden.
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Die
Anordnung der Magnetfeldsensoren 1, die in 3 gezeigt
ist, ist besonders vorteilhaft, da sie das Durchführen von
Messungen ermöglicht,
in dem Magnetfeldsensoren 1 verwendet werden, welche nur
um die Leiterelemente 10 bis 12 angeordnet sind.
Die Lösung,
d.h. die erfasste Messung, ist genau, wenn die Störströme, die
durch die Leiter 13 und 14 fließen, gleich
Null sind. Ansonsten wird die Lösung
eine Annäherung,
die zunehmend genau ist, abhängig
davon, wie geeignet die Magnetfeldsensoren 1 um die Leiterelemente 10 bis 12 angeordnet sind.
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Wenn
man die Position der Leiter 13 und 14 als mit
der Zeit unveränderlich
annehmen kann, ist es in diesem extremen Fall möglich, ein für allemal
experimentell ihre Wechselwirkung wie den anderen Strömen experimentell
zu bestimmen. Z.B. kann die Kalibrierung nach der Installation der
Strommessvorrichtung durchgeführt
werden, wodurch eine exakte Lösung
für alle
Ströme
bereitgestellt wird.
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Mit
Bezug nun auf 4 ist eine zweite Ausführungsform
der Anordnung der Magnetfeldsensoren 1 um die Leiterelemente 10 bis 12 dargestellt.
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Bei
dieser zweiten Ausführungsform
sind die Magnetfeldsensoren 1, die zu jedem der Leiterelemente 10 bis 12 gehören, entlang
einer geschlossenen Linie angeordnet, die jedes der Leiterelemente 10 bis 12 umgibt.
Geeigneterweise kann die geschlossene Linie ein Kreis oder eine Ellipse
sein, die in Bezug auf die Leiterelemente 10 bis 12 konzentrisch
ist.
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Dies
erlaubt es, die Zurückweisung
von externem Rauschen beträchtlich
zu erhöhen.
Tatsächlich
ist aufgrund geeigneter Anordnungen der Magnetfeldsensoren 1 entlang
der geschlossenen Linie, bezeichnet mit der Bezugsziffer 33,
und einer von der Verarbeitungsvorrichtung 17 durchgeführten geeigneten
Signalverarbeitung das Resultat größtenteils unabhängig und
in einigen Fällen
vollständig
unabhängig
von allen anderen in der Nähe
der Magnetfeldsensoren 1 vorhandenen Ströme. Z.B.
ist es möglich,
eine Anordnung der Magnetfeldsensoren 1 zu bestimmen, die
das Ergebnis der Messung der Magnetfeldsensoren absolut unempfindlich
auf den Strom machen, der in benachbarten Leiterelementen (einem
der Leiterelemente 10 bis 12) neben einem der
genannten Leiterelemente 10 bis 12) fließt, und relativ
unempfindlich auf die Ströme
in den Leitern 13 und 14 macht. Es ist weiterhin
möglich,
zu demonstrieren, dass eine einfache arithmetische Mittelung der
Messsignale der Magnetfeldsensoren 1 (durchgeführt in der
Signalverarbeitungsvorrichtung 17) eine genaue Messung
des Stromes bereitstellt, der durch das von den Magnetfeldsensoren 1 umgebene Leiterelement 10 bis 12 fließt.
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Um
diese Konzepte besser zu veranschaulichen, zeigt 4 eine
kreisförmige
Anordnung der Magnetfeldsensoren 1, die alle unter einem
Winkel 35 in Bezug auf eine Längsachse geneigt sind, die durch
die Mitte der Leiterelement führt,
welche einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Der Winkel 35 hängt von
den Abmessungen des Querschnitts der Leiterelemente 10 bis 12 ab.
Um daher die Zurückweisung
von Rauschen zu optimieren, das von in benachbarten Leiterelementen
fließenden
Strömen
erzeugt wird, ist es wichtig, eine geeignete Anordnung entsprechend
der Form und den Abmessungen der Leiterelemente 10 bis 12 zu
bestimmen, die durch die Anordnung um das Leiterelement und durch
die Orientierung und Anzahl der Magnetfeldsensoren gekennzeichnet
ist. Diese Anordnung wird mithilfe gemischter algebraischer und
numerischer Verfahren bestimmt.
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Z.B.
kann für
eine kreisförmige
Anordnung der Sensoren 1, wie in 4 gezeigt,
demonstriert werden, dass der relative Fehler, der von den (in den Leitern 13 und 14 fließenden)
Strömen
verursacht wird, die außerhalb
des Kreislinies 33 liegen, auf welchen die Magnetfeldsensoren
angeordnet sind, eine Funktion des Winkels ist, der von einer den Kreislinie enthaltenden
Ebene mit der Längsachse
eines Leiterelements (Fließrichtung
des Stroms) 101 gebildet ist.
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Wenn α der genannte
Winkel ist, dann wird der Fehler von der folgenden Gleichung angegeben: E = I·(d/D)N·cos(N·(α)) wobei
I die Stärke
des nicht zu messenden Stroms ist, d der Radius der Kreislinie 33 ist,
auf welchem die Magnetfeldsensoren 1 angeordnet sind, N
die Anzahl der Magnetfeldsensoren 1 ist und D der Abstand
des Stroms I (der nicht zu messen ist) von der Mitte der Kreislinie 33 ist,
während α der oben
genannte Winkel ist.
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Die
Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung weist
des Weiteren die Besonderheit auf, dass sie keine ferromagnetichen
Kerne aufweist, und dies bringt Vorteile im Hinblick auf die Linearität der Messung,
geringe Herstellungskosten, Gewichtsverringerung und bessere elektrische Isolierung
mit sich.
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In
der Praxis ist herausgefunden worden, dass die Strommessvorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung die beabsichtigten Ziele
und Aufgaben vollständig
erreicht. In der Tat erlaubt sie das Fühlen der Intensität des Stroms,
der in einem Stromleiterelement fließt, und zwar mit hoher Zurückweisung
von Rauschen, das z.B. von den in benachbarten Leiterelementen fließenden Strömen herrührt.
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Die
Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist
besonders für
die Messung von Strom in industriellen Niederspannungsschaltern
geeignet.
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Wenn
der Schalter mit einem elektronischen Relais versehen wird, würde die
Verwendung der Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung keine zusätzlichen
Kosten hinsichtlich der Bearbeitungs- und Signalverarbeitungselektronik haben,
da diese Elektronik bereits in dem genannten elektronischen Relais
vorhanden ist.
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Die
so gestaltete Strommessvorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung ist für
verschiedene Abwandlungen und Änderungen
empfänglich,
von denen alle innerhalb des Schutzbereichs des von den Ansprüchen definierten
erfinderischen Konzepts liegen.