DE69207223T2 - Vorrichtung zum Messen von Strömen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Strömen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der unter Nr. 0 356 248 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung bekannt. Die in dieser Anmeldung beschriebene Vorrichtung hat insbesondere zum Ziel, den Magnetisierungsstrom und die zur Messung dienenden Ströme zu trennen mit Hilfe von Mitteln, die sich in der Praxis als unzureichend und schwer beherrschbar erweisen. Desgleichen zeigt sich, dass die vorgeschlagenen Lösungen zur Kompensation von anderen Einflüssen, wie dem Spannungsabfall in der Sekundärwicklung des zweiten Wandlers oder der Veränderung der Offset-Spannungen der Verstärker, nicht zufriedenstellend sind und heikle Abstimmungen erfordern, die mit einer Serienherstellung und einer Verwendung dieser Vorrichtungen in einem weiten Temperaturbereich unvereinbar sind.
• Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beheben und eine Messvorrichtung zu liefern, die es erlaubt, ein Meßsignal zu erhalten, das frei von Wirkungen oder Spuren des Magnetisierungsstroms ist, und die sekundären Einwirkungen auf dieses Meßsignal automatisch und durch ein Minimum an Einstellungen zu kompensieren.
• Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemässe Vorrichtung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Merkmale auf. Der Patentanspruch 2 beschreibt eine Ausführungsform für eine besondere Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die Beschreibung einer besonderen Ausführungsform, die als Beispiel angegeben und in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist, in der
• Fig. 1 ein vereinfachtes elektrisches Schaltschema einer solchen Meßvorrichtung zeigt.
• Im Schema der Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 zwei Stromwandler, welche entsprechende magnetische Kerne 3 und 4 besitzen, beispielsweise in der Form von Toren aus einem magnetischen Material hoher Permeabilität. Diese Wandler weisen eine Primärwicklung auf, vorzugsweise eine gemeinsame Wicklung 26, oder einen gemeinsamen Primärleiter, welche mit den beiden Toren gekoppelt und von dem zu messenden Strom Ip durchflossen sind. Die Sekundärwicklungen der Wandler sind jeweils mit 5 bzw. 6 bezeichnet, wobei diese Wicklungen einen gemeinsamen Verbindungspunkt 7 besitzen und so gewickelt sind, dass der Primärstrom in ihnen Ströme induziert, welche diese Wicklungen im gleichen Sinn durchfliessen.
• Eine abwechselnd positive und negative Spannung wird an die Wicklung 5 durch einen Generator 8 angelegt, derart, dass in dieser Wicklung das Fliessen eines Magnetisierungsstroms bewirkt wird, welcher den Kern 3 periodisch in positiver und negativer Richtung in den Sättigungszustand bringt. Ein Meßstrom zur Messung des Primärstroms wird ebenfalls durch den Generator 8 geliefert und dem Magnetisierungsstrom überlagert.
• Die Klemme der Wicklung 6, die nicht mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt 7 verbunden ist, ist an einen negativen Eingang eines Verstärkers 10 angeschlossen, dessen Ausgang 11 über einen Widerstand 12, der den Wert R hat, mit diesem gleichen Eingang 9 gekoppelt ist. Der positive Eingang des Verstärkers 10 ist mit der Masse des Kreises verbunden.
• Die Sekundärwicklungen 5 und 6 weisen jeweils die gleiche Windungszahl Ns auf, während die Windungszahl der Primärwicklung mit Np bezeichnet ist. Unter den in der vorliegenden Vorrichtung zu verwirklichenden Bedingungen, insbesondere dass kein Bruchteil des in der Wicklung 5 fliessenden Magnetisierungsstromes in der Wicklung 6 fliesst, hat die Spannung U, die am Ausgang 11 des Verstärkers auftritt und das Meßsignal des Primärstroms darstellt, den Wert
• U = Ip. R . Np/Ns.
• Gemäss einer ersten Besonderheit der Vorrichtung ist der gemeinsame Verbindungspunkt der Sekundärwicklungen 5 und 6 mit der negativen Eingangsklemme 13 eines Verstärkers 14 verbunden, und der Ausgang 15 dieses Verstärkers über einen Kondensator 16 sowie einen Widerstand 17, der in Serie mit dem Kondensator 16 geschaltet ist, mit der Eingangsklemme 13 gekoppelt. Ein Vorspannungspotential, das in der nachstehend beschriebenen Weise erhalten wird, ist an einen zweiten, positiven Eingang 18 des Verstärkers 14 angelegt.
• Die kapazitive Kopplung zwischen dem Ausgang 15 und dem Eingang 13 des Verstärkers 14 hält das Potential des Punktes 7 praktisch auf einem von den Schwankungen des Magnetisierungsstromes unabhängigen Wert. Somit fliesst der Magnetisierungsstrom zur Gänze in dem Zweig 7, 13, 17 und wird nicht in die Wicklung 6 abgezweigt. An den Klemmen des Widerstandes 17 tritt ein Spannungsabfall auf, der über eine Verbindung 19 und eine Steuervorrichtung 20 zur Steuerung des Generators 8 verwendet wird, d.h. zum Auslösen des Umkehrens der Ausgangsspannung dieses Generators, jeweils dann, wenn ein Sättigungszustand im Kern 3 erreicht ist, d.h. jedesmal, wenn der Spannungsabfall im Widerstand 17 einen vorgegebenen positiven bzw. negativen Schwellwert erreicht.
• Das Vorspannungspotential des Eingangs 18 des Verstärkers 14 wird einerseits aus dem Ausgangssignal dieses Verstärkers abgeleitet, welches zuerst in einem Tiefpassfilter 21 gefiltert und dann durch einen Widerstandskreis 27, 28 an den Eingang 18 angelegt wird und andererseits aus dem Meßsignal, welches an der Ausgangsklemme 11 des Verstärkers 10 auftritt und über einen Widerstand 22 dem aus dem Verstärker 14 stammenden Signal hinzugefügt wird. Die verschiedenen Widerstände sind insbesondere so berechnet, dass der Spannungsabfall in der Sekundärwicklung 6 des Wandlers 4 kompensiert wird, wobei jede Schwankung dieses Spannungsabfalls sofort eine entsprechende Veränderung des Vorspannungspotentials am Eingang 18 hervorruft. Die Gegenkopplungsschleife des Verstärkers 14, die an den Eingang 18 führt, ist so ausgelegt, dass ein Erreichen der Sättigungsschwelle dieses Verstärkers durch die Ausgangsspannung des Verstärkers verhindert wird. Das Vorspannungspotential, das sich am Eingang 28 ergibt, kompensiert somit auch die Offset-Spannungen der Verstärker 10 und 14.
• Im Fall einer Vorrichtung, die zur getrennten Messung von Spannungen bestimmt ist, ist ein Widerstand 23 im Primärkreis in Serie mit der Primärwicklung 26 der Wandler 1 und 2 geschaltet, die dabei eine relativ hohe Windungszahl im Vergleich zum Fall der eigentlichen Strommessung aufweist. Ferner wird ein Signal aus dem Ausgang des Generators 8 abgeleitet, und über einen Inverter 24 und einen Kalibrierungswiderstand 25 an den Eingang 9 des Verstärkers 10 angelegt. Die verschiedenen Widerstände sind so bemessen, dass die Wirkung des in der Primärwicklung 26 durch die Änderungen der an die Wicklung 5 angelegten Spannung des Generators 8 induzierten Stromes durch den vom Kreis 24, 25 gelieferten Strom entgegengesetzten Vorzeichens kompensiert wird. Dies erlaubt es, den Einfluss der Welligkeit des Primärstromes, die durch die Magnetisierung des Wandlers 1 entsteht, auf das Meßsignal am Ausgang 11 des Verstärkers 10 zu beseitigen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Messen von Strömen, die einen ersten Stromwandler (1) aufweist mit einem Primärleiter oder einer Primärwicklung (26), die dazu ausgebildet sind, von dem zu messenden Strom durchflossen zu werden, mit einer Sekundärwicklung (5) und einem magnetischen Kern (3), der von einem der genannten Sekundärwicklung zugeführten Magnetisierungsstrom zur Sättigung gebracht werden kann, einen zweiten, einen magnetischen Kern (4) aufweisenden Stromwandler (2), welcher einen Primärleiter oder eine Primärwicklung (26) besitzt, die dazu ausgebildet sind, von dem zu messenden Strom durchflossen zu werden, eine Sekundärwicklung (6), welche die gleiche Anzahl Windungen aufweist wie die Sekundärwicklung des genannten ersten Wandlers (1), einen gemeinsamen Verbindungspunkt (7) mit dieser Sekundärwicklung (5) des genannten ersten Wandlers (1) hat und so ausgebildet ist, dass die in diesen beiden Wicklungen durch den zu messenden Strom induzierten Ströme diese Wicklungen in der gleichen Richtung durchfliessen, einen Stromgenerator (8), der so ausgebildet ist und so mit der genannten Sekundärwicklung (5) des ersten Wandlers (1) verbunden ist, dass er in diesem das Fliessen eines Stromes hervorruft, der eine als Magnetisierungsstrom bezeichnete Komponente aufweist, die geeignet ist, den Kern (3) abwechselnd in den positiven und den negativen Sättigungszustand zu bringen, eine Vorrichtung (17, 19, 20), um diesen Generator von dem Magnetisierungsstrom aus zu steuern, und eine Vorrichtung (10, 12), um den in der Sekundärwicklung (6) des zweiten Wandlers (2) fliessenden Strom zu messen, welcher proportional dem zu messenden Strom ist, und um ein Meßsignal zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Kompensierung der infolge des Magnetisierungsstromes im gemeinsamen Verbindungspunkt (7) der beiden Sekundärwicklungen auftretenden Potentialschwankungen aufweist, wobei diese Mittel einen Operationenverstärker (14) enthalten, dessen erster, negativer Eingang (13) mit dem genannten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist und dessen Ausgang über einen Kondensator (16) und einen Widerstand (17) zur Messung des Magnetisierungsstromes mit dem genannten ersten Eingang (13) verbunden ist, wobei ein Polarisierungspotential an einen zweiten, positiven Eingang (18) des genannten Operationenverstärkers (14) angelegt wird, und dass er eine Schaltung (21, 22, 27, 28) aufweist, um das genannte Polarisierungspotential, ausgehend vom Meßsignal und vom Ausgangssignal des genannten Verstärkers (14) zu erzeugen, so dass dieses Polarisierungspotential von einem dem umgekehrten Meßsignal im wesentlichen proportionalen Signal und von einem aus dem Ausgangssignal des genannten Verstärkers gewonnenen Signal bestimmt wird, in solcher Weise, dass die genannten Mittel auch die Spannungsabfälle automatisch kompensieren, die durch den in der Sekundärwicklung (6) des zweiten Wandlers (2) durch den von dem zu messenden Strom induzierten Strom erzeugt werden, und die Offset- Spannungen von Verstärkern (10, 14) der Vorrichtung, welche das Meßsignal beeinflussen können.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, die zur Messung von Spannungen abgeändert ist, in der die Primärwicklung oder -wicklungen (26) eine relativ hohe Windungszahl im Vergleich zum Fall der Messung eines Stromes als solchen aufweisen und in Serie mit einem Widerstand (23) in einen Primärkreis geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaltung (24, 25) zur Kompensation der Wirkung der Welligkeiten aufweist, die durch Induktion im Strom des Primärkreises infolge der Schwankungen des Magnetisierungsstroms in der Sekundärwicklung (5) des ersten Wandlers (1) auftreten, wobei diese Kompensationsschaltung Mittel aufweist, um aus den Schwankungen des Ausgangsstroms des Generators (8) ein Kompensationssignal für diese Welligkeiten im Meßsignal zu gewinnen.