DE69807881T2 - Stromsensor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strommessfühler zur Messung des in einem Primärleiter fliessenden elektrischen Stroms, der einen mit einer Sekundärspule gekoppelten magnetischen Kreis umfasst und so eingerichtet ist, dass er mit dem benannten Primärleiter gekoppelt werden kann, und der ausserdem Mittel umfasst, um den magnetischen Kraftfluss in diesem magnetischen Kreis zu messen, wobei Steuerorgane so eingerichtet sind, dass sie in der Sekundärspule einen Kompensationsstrom fliessen lassen, der den benannten magnetischen Kraftfluss aufzuheben sucht, sowie Mittel, um diesen Kompensationsstrom zu messen.
• Ein Messfühler dieses Typs wird in EP-A-738 894 beschrieben. Derartige Messfühler werden oft in Hochstromkreisen eingesetzt, bei denen der zu messende Strom hochfrequent kommutiert wird. Ein typisches Beispiel ist die Speisung eines Asynchronmotors von einer Dreiphasen-Wechselrichterbrücke aus, wobei die Messfühler auf den drei Leitungen angeordnet sind, die die Phasen des Motors an die Wechselrichterbrücke anschliessen.
• Die Kommutierungsgeschwindigkeiten können sehr hohe Werte annehmen, was zum Beispiel zu Spannungsänderungen von der Grössenordnung von 10 kV/us oder sogar noch mehr führt.
• Da diese Spannungsänderungen an die Primärleiter der Messfühler angelegt werden, können die Streukapazitäten zwischen diesen Leitern und den entsprechenden Sekundärspulen zu sehr bedeutenden Streuströmen führen. Diese Streukapazitäten sind tatsächlich besonders hoch in den klein bemessenen Messfühlern, die aus den Bemühungen um eine Miniaturisierung auf diesem Gebiet herrühren. Andererseits werden die Isolierung und Abdichtung oft durch die Einbringung eines Giessharzes in das Innere des Messfühlers gewährleistet. Streukapazitäten in der Grössenordnung von 5 bis 10 pF können daher zwischen dem Primärleiter und der Sekundärspule existieren, was bei einem einer Spannungsänderung von 10 kV/us entsprechenden Übergang Streuströme hervorruft, die Werte von 50 bis 100 mA erreichen. Solche Werte führen zu äusserst hohen Messfehlern.
• Eine bereits angewandte Lösung besteht darin, um den Primärleiter herum eine Abschirmung in Gestalt eines an ein festes Potenzial angelegten Kupferbandes anzuordnen. Diese Lösung hat den Nachteil, dass sie keinen genügend wirksamen Schutz bietet, weil eine solche Abschirmung weder den Primärleiter noch die Sekundärspule völlig umschliesst und somit nicht zu vernachlässigende restliche Streukapazitäten fortbestehen lässt. Andererseits ist die Realisierung dieser Abschirmung und insbesondere ihr Anschluss an ein festes Potenzial weder einfach noch billig.
• Eine weitere Lösung besteht darin, um die Sekundärspule herum ein Kupferband zu legen, das beidseitig isoliert und so eingefasst ist, dass keine Kurzschlusswindungen erzeugt werden. Diese Herangehensweise ist indessen sehr teuer, insbesondere im Falle einer Sekundär-Ringspule und besonders dann, wenn der Magnetkerndurchmesser gering ist.
• Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung zielt diese darauf ab, diesen Nachteilen abzuhelfen und einen Strommessfühler zu liefern, in dem die Streukapazitätseffekte zwischen dem Primärleiter und der Sekundärspule praktisch gänzlich durch sehr einfache und wirtschaftliche Mittel eliminiert sind.
• Deshalb ist der erfindungsgemässe Strommessfühler dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule auf der Oberfläche einer vom Kompensationsstrom durchflossenen Wicklung zumindest eine Lage von Windungen aus isoliertem Draht umfasst, die eine offene Schutzwicklung bilden, die als Ganzes an einen Punkt mit festem elektrischem Potenzial angeschlossen ist.
• Die Windungen der Schutzwicklung sind bevorzugt englagig.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Messfühler des anfangs erwähnten Typs einerseits eine Öffnung, die so durch das Innere des magnetischen Kreises hindurchführt, dass zumindest ein erster Primärleiter eingeführt werden kann, und andererseits zwei oder mehr getrennte Abschnitte des Primärleiters, die teilweise um entsprechende Abschnitte des magnetischen Kreises herumführen, wobei diese Leiterabschnitte so angeordnet sind, dass sie ausserhalb des Messfühlers individuell, in Reihe, in parallel oder in Reihenparallelschaltung an zumindest einen zweiten Primärleiter angeschlossen werden können.
• Die getrennten Abschnitte des Primärleiters sind bevorzugt U-förmige Abschnitte, deren Enden so angeordnet sind, dass sie es gestatten, dass diese Abschnitte für ihren elektrischen Anschluss und/oder die Abstützung des Messfühlers auf eine Leiterplatte ausserhalb des Messfühlers montiert werden können.
• Eine solche Anordnung zielt insbesondere darauf ab, einen Messfühler zu liefern, der zur differentiellen Messung zweier entgegengesetzter Primärströme verwendet werden kann, die in einem durch die benannte Öffnung führenden Leiter und in zumindest einem der benannten getrennten Abschnitte des Primärleiters fliessen.
• Dieser Aspekt der Erfindung erlaubt es insbesondere, durch das Hindruchführen durch die benannte Öffnung des Messfühlers bzw. vermittels der benannten getrennten Abschnitte des Primärleiters eine sehr gute Isolierung zwischen Primärleitern zu realisieren, die mit dem Messfühler gekoppelt sind.
• Die oben beschriebenen Anordnungen bezüglich des Schutzes der Sekundärwicklung und der Isolierung der getrennten Primärleiter können vorteilhaft in ein und demselben Messfühler kombiniert werden.
• Weitere Besonderheiten, Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der hiernach beispielhaft gegebenen und in den beigefügten Zeichnungen veranschaulichten Beschreibung einer Ausführungsform hervorgehen, wobei
• Fig. 1 schematisch und teilweise einen erfindungsgemässen Strommessfühler im Schnitt zeigt,
• Fig. 2 eine seitliche Ansicht der Sekundärwicklung und des Primärleiters der Fig. I,
• Fig. 3 eine Vorderansicht einer besonderen Ausführungsform eines erfindungsgemässen Strommessfühlers und
• Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der Fig. 1 ist.
• Der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Messfühler umfasst einen geschlossenen magnetischen Kreis 1 in Gestalt eines Ringkerns aus einem Material mit guter magnetischer Durchlässigkeit, wobei dieser Ringkern einen Luftspalt 2 aufweist, in dem ein Magnetfelddetektor 3 angeordnet ist.
• Ein Primärleiter 4 durchquert den magnetischen Kreis 1 ungefähr im Zentrum des Ringkerns. Letzterer hat darüber hinaus eine Sekundärspule 5, die mehrere Schichten einer Sekundärwicklung 6 umfasst. Ein Ende 7 der Wicklung 6 ist mit dem Ausgang eines Steuerkreises 8 verbunden, von dem ein Eingang an den Detektor 3 angeschlossen ist, der ihm ein Messsignal für den magnetischen Kraftfluss im Kreis 1 liefert.
• Der Ausgang des Steuerleises 8 legt an die Sekundärwicklung 6 einen Kompensationsstrom an, der den im Kreis 1 erzeugten magnetischen Kraftfluss aufzuheben sucht. Dieser Kompensationsstrom wird am Ende 9 der Wicklung 6 durch den Spannungsabfall über einen Messwiderstand 10 gemessen, wobei eine Abbildung des Primärstromes an der Anschlussklemme 11 erscheint.
• Gemäss vorliegender Erfindung ist die Sekundärwicklung 6 auf ihrer Aussenseite von zumindest einer Schicht von Windungen, vorzugsweise englagig, umgeben, die eine Schutzwicklung 12 bilden, die dazu bestimmt ist, eine elektrische Abschirmung insbesondere gegenüber dem Leiter 4 darzustellen. Zu diesem Zweck ist die Wicklung 12 offen und als Ganzes an ein festes elektrisches Potenzial wie das der Masse 13 gelegt.
• Die Wicklung 12, die zum Beispiel aus emailliertem Draht besteht, der ihre Isolierung gewährleistet und der gleiche Draht wie der der Sekundärwicklung 6 sein kann, überdeckt die ganze Wicklung 6 derart, dass praktisch keinerlei Störstrom durch die Potenzialänderungen des Primärleiters in der Sekundärspule erzeugt wird.
• Die erfindungsgemässe Anordnung schafft somit eine ideale Abschirmung und weist darüber hinaus den Vorteil einer sehr wirtschaftlichen Lösung auf, da die Schutzwicklung in analoger Art und Weise wie die Sekundärwicklung realisiert werden kann.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform eines Messfühlers, der insbesondere die differentielle Messung zweier entgegengesetzter Ströme gestattet, die in gegeneinander hochisolierten Primärleitern fliessen.
• Ein magnetischer Kreis in Gestalt eines Ringkerns 14, der einen Luftspalt 15 aufweist, ist in einem Gehäuse 16 des Messfühlers angeordnet. Dieser magnetische Kreis hat eine Sekundärspule 17, die zumindest eine Sekundärwicklung umfasst, die an Stifte wie 18 angeschlossen ist, die dazu bestimmt sind, mit einem äusseren Kreis verbunden zu werden, zum Beispiel auf einer (nicht dargestellten) Leiterplatte. Die Stifte 18 können auch als Anschluss für eine im Luftspalt 15 angeordnete Hall-Sonde sowie eine Schutzwicklung, wie sie oben beschrieben wurde, dienen.
• Gemäss Fig. 3 und 4 umfasst der Messfühler drei U-förmige Leiterabschnitte wie 19, die ins Innere des magnetischen Kreises 14 führen. Diese Leiterabschnitte können entweder individuell, in parallel, in Reihe oder in auch Reihenparallelschaltung an einen Primärleiter angeschlossen werden. Dieser Leiter kann so mit dem magnetischen Kreis gekoppelt werden, indem er zwei Windungen um den Ringkern 14 bildet, der mit der Sekundärspule 17 ausgerüstet ist.
• Übrigens umfasst das Gehäuse 16 eine Öffnung 20, in der ein Primärleiter 21 verläuft, der den magnetischen Kreis 14 quert. Dieser Leiter 21 kann mit einer eigenen Isolierung versehen sein, so dass ein Halten bei erhöhter Spannung gegen die drei Primärleiterabschnitte 19 gewährleistet ist.
• Die Anordnung gemäss Fig. 3 und 4 gestattet es somit, dass ein solcher Messfühler entweder zur Messung eines Primärstromes, der im Leiter 21 oder in einem oder mehreren der Leiterabschnitte 19 fliesst, oder zur differentiellen Messung der Ströme, die im Leiter 21 und in einem oder mehreren der Leiterabschnitte 19 fliessen, Verwendet werden kann. Die Enden dieser Abschnitte 19 dienen dazu, diese Abschnitte mit dem entsprechenden Primärleiter zu verbinden sowie den Messfühler auf einer äusseren Leiterplatte zu halten.

Claims (5)

1. Elektrischer Strommessfühler zur Messung des durch einen Primärleiter fliessenden Stromes, mit einem magnetischen Kreis (1), der an eine Sekundärspule (6) angekoppelt und so eingerichtet ist, dass er mit dem benannten Primärleiter (4) gekoppelt werden kann, mit Organen (3) zur Messung des magnetischen Kraftflusses in diesem magnetischen Kreis, mit Steuerorganen (8), die so eingerichtet sind, dass sie in der Sekundärspule einen Kompensationsstrom fliessen lassen, der den benannten magnetischen Kraftfluss aufzuheben sucht, mit Organen zur Messung (10, 11) dieses Kompensationsstromes und mit einer Durchlassöffnung, die das Innere des magnetischen Kreises so quert, dass zumindest ein Primärleiter (4) eingeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere getrennte Primärleiterabschnitte (19) entsprechende Segmente des magnetischen Kreises teilweise umschliessen, wobei diese Leiterabschnitte so eingerichtet sind, dass sie ausserhalb des Messfühlers individuell, in Reihe, in parallel oder in Reihenparallelschaltung an zumindest einen zweiten Primärleiter angeschlossen werden können.

2. Strommessfühler gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die benannten getrennten Primärleiterabschnitte (19) U-förmige Abschnitte sind, deren Enden so eingerichtet sind, dass diese Abschnitte für ihre elektrische Verbindung und/oder zum Halten des Messfühlers auf eine Leiterplatte ausserhalb des Messfühlers montiert werden können.

3. Elektrischer Strommessfühler gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule (5) auf der Oberfläche einer vom Kompensationsstrom durchflossenen Wicklung (6) zumindest eine Schicht von Windungen aus isoliertem Draht umfasst, die eine offene Schutzwicklung (12) bilden, die als Ganzes an einen Punkt, mit festem elektrischem Potenzial (13) gelegt ist.

4. Strommessfühler gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Schutzwicklung (12) englagig sind.

5. Verwendung des Messfühlers gemäss einem der vorangehenden Ansprüche zur differentiellen Messung von zwei entgegengesetzten Primärströmen, die in einem durch die benannte Öffnung führenden Leiter und in zumindest einem der benannten getrennten Primärleiterabschnitte fliessen.