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Dokumentenidentifikation DE19706127C2 09.09.1999
Titel Stromwandler
Anmelder Vacuumschmelze GmbH, 63450 Hanau, DE
Erfinder Preusse, Norbert, Dr., 63755 Alzenau, DE
Vertreter Epping, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 82131 Gauting
DE-Anmeldedatum 17.02.1997
DE-Aktenzeichen 19706127
Offenlegungstag 20.08.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse H01F 38/32
IPC-Nebenklasse H02M 5/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stromwandler für Wechselstrom, insbesondere Netz-Wechselstrom, mit Gleichstromanteilen, bestehend aus zumindest einem Wandlerkern mit einer Primärwicklung und zumindest einer Sekundärwicklung, zu der ein Bürdenwiderstand parallel geschaltet ist und den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt.

Solche Stromwandler sind seit langem aus Siemens, Elektrotechnik, 5. Auflage, Karlsruhe 1968, S. 167 ff. bekannt. Diese Stromwandler übersetzen einen Primärstrom im Verhältnis der Windungszahlen zwischen Primär- und Sekundärwicklung auf einen Sekundärstrom, der dann als Spannungsabfall am Bürdenwiderstand potentialfrei von einem Meßgerät oder einer digitalen Auswerteschaltung erfaßt wird. Der Strombereich kann zum Beispiel 100 A primär auf 50 mA sekundär sein und der Sekundärstrombereich kann von genormter Größe sein. Die prinzipielle Schaltung eines solchen Stromwandlers wird nachfolgend beschrieben. Auf einem Wandlerkern, der ähnlich wie bei Leistungstransformatoren aus Bandkernen aufgebaut sein kann, befindet sich die Primärwicklung, die den zu messenden Strom iprim führt, und eine Sekundärwicklung, die den Meßstrom isec führt. Der Sekundärstrom isec stellt sich automatisch so ein, daß die Amperewindungen primär und sekundär im Idealfall gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, zum Beispiel primär iprim = 600 A und Windungen nprim = 2, sekundär isec = 5 A und Windungen nsec = 240. Mit einer Phasenverschiebung zwischen Primärstrom und Sekundärstrom von 180°. Dies ergibt sich aus der Lenzschen Regel, nach der sich der Induktionsstrom immer so einstellt, daß er die treibende Ursache zu hindern versucht.

Die Sekundärwicklung ist niederohmig über einen Bürdenwiderstend RB abgeschlossen, das heißt der Bürdenwiderstand RB ist sehr viel kleiner als die Impedanz der Sekundärwicklung, das heißt RB << ωL. Die magnetischen Felder, die durch die beiden Wicklungen im Kern erzeugt werden, sind - und das ist das besondere Merkmal des Stromwandlers - in jedem Augenblick fast gleich groß und einander entgegengesetzt gerichtet. Im Wandlerkern wird also nur ein sehr kleiner magnetischer Fluß erzeugt, der eine Sekundärspannung induziert, die gerade den Meßstrom durch den Bürdenwiderstand RB aufrecht erhält. Der Wandlerkern wird also im Verhältnis zur Stärke des vom Primärstrom ausgehenden Magnetfeldes nur sehr gering ausgesteuert.

Das Problem der Sättigung des Kerns, welches allerdings bei vergleichsweise hohem Bürdenwiderstand im Sekundärkreis und hoher Last auftritt, ist in der älteren Anmeldung DE 195 32 197 A1 beschrieben. Der in dieser Schrift vorgeschlagene Stromwandler weist im Sekundärstromkreis zur Lösung dieses Problems zwei Bürdenwiderstände mit unterschiedlichem Widerstand auf, welche je nach Betriebszustand von einer Steuerungselektronik in den Sekundärschaltung mit einem Transistor geschaltet werden können.

Der Idealfall wird wegen der Wirbelstromverluste und der Ummagnetisierungsverluste im Wandlerkern, Verlusten in den Wicklungen und dem Bürdenwiderstand nicht vollständig erreicht. Unter dem Gütefaktor des Stromwandlers versteht man das Verhältnis aus dem Verlustwiderstand RV und der Impedanz der Sekundärspule ωL. Für den Gütefaktor des Stromwandlers, der möglichst klein sein soll, gelten folgende Beziehungen:





wobei tan δ die Phasenverschiebung zwischen iprim und isec, H^ Amplitude der magnetischen Feldstärke, B^ Amplitude der magnetischen Felddichte B, RV der Verlustwiderstand des Stromwandlers bedeutet, in dem alle Verlustmechanismen zusammengefaßt sind, und unter dem Term auf der rechten Seite der Gleichung (2) das Verhältnis zwischen der magnetischen Aussteuerung des Wandlerkerns zum Ansteuerfeld bedeutet.

Der Sekundärstrom isec weist demnach eine kleine Phasenverschiebung gegenüber dem ansteuernden Strom iprim auf und die Amplitude der magnetischen Flußdichte im Wandlerkern ist wesentlich geringer als bei einer reinen Aussteuerung nur durch den Primärstrom. Typische Werte für den Faktor Rv/ωL liegen zwischen 1/100 und 1/500.

Die magnetische Flußdichte B im Wandlerkern weist eine Phasenverschiebung von nahezu -90° relativ zum Ansteuern zum Magnetfeld bzw. zum Primärstrom auf. Sie hat Maximalwerte also jeweils nahe der Nulldurchgänge von Primärstrom und Sekundärstrom. Diese Maximalwerte dürfen die Sättigungsflußdichte Bsat des Kernmaterials nicht erreichen. Durch die Gleichung (2) und die Materialkonstante Bsat wird der von einem Stromwandler erfaßbare Strombereich festgelegt. Die oben gegebenen Erläuterungen werden durch die Fig. 1 veranschaulicht.

Die Stromwandler der eingangs genannten Art funktionieren demnach nur bei nahezu rein symmetrischem Wechselstrom. Ein Gleichstromanteil, der durch gleichrichtende Bauelemente im Primärstromkreis auftreten kann, bringt den Wandlerkern sehr schnell in die magnetische Sättigung. Der Stromwandler ist dann nicht mehr funktionsfähig.

Dies soll im folgenden anhand eines Beispiels erläutert werden:

Befindet sich im Primärstromkreis eine Diode, so findet dort eine reine Halbwellengleichrichtung statt. Der Gleichstromanteil dieser Stromform beträgt i= = 1/πî. Ein Stromwandler, der für eine Wechselstromamplitude von 100 A ausgelegt ist, kann demnach bei einem Halbwellenstrom mit einer Amplitude von 1 A schon nicht mehr sauber arbeiten.

Von Stromwandlern, die in Energiezählern eingesetzt werden sollen, wird aber gerade eine hohe Gleichstromtoleranz gefordert. Dieser Forderung wurde bisher dadurch Rechnung getragen, daß die verwendeten Wandlerkerne sehr stark überdimensioniert und eventuell darüber hinaus noch mit einem Primärshunt verbunden wurden, der dafür sorgt, daß nur ein Teil des Primärstroms durch den Wandlerkern geleitet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Stromwandler der eingangs genannten Art bereitzustellen, der gleichstromtolerant ist und ohne überdimensionierte Wandlerkerne präzise funktionstüchtig ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Stromwandler der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen einer Anschlußklemme der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand zumindest ein Halbleiterbauelement vorgesehen ist, welches den Sekundärstromkreis periodisch für ein Zeitintervall in den Leerlauf versetzt.

Durch diese Maßnahme wird der Sekundärstromkreis innerhalb jeder Periode für einen bestimmten Zeitraum geöffnet, so daß innerhalb dieses Zeitintervalls ein Abbau der Kernmagnetisierung stattfinden kann. Für den Abbau der Kernmagnetisierung ist dann die innere Zeitkonstante des Wandlerkerns maßgebend. Diese innere Zeitkonstante des Wandlerkerns wird hauptsächlich durch Wirbelstromeffekte im Wandlerkern bestimmt und ist insbesondere bei Bandkernen, die aus einer weichmagnetischen, hochpermeablen, amorphen oder nanokristallinen Legierung mit hoher Sättigungsinduktion bestehen, sehr gering. Die Kernmagnetisierung kann bei solchen Kernen während eines sehr kurzen Zeitraumes wieder abgebaut werden und nach dem Schließen des Sekundärstromkreises kann dann der Magnetisierungszyklus im ursprünglichen Ausgangswert neu starten.

Das Öffnen des Sekundärstromkreises für einen kurzen Zeitraum hat also die Funktion eines magnetischen "Reset" für den Kern. Wird dieses "Reset" an geeigneter Stelle während jeder Periode durchgeführt, so hat eine Asymmetrie im ansteuernden Wechselstrom, d. h. die Gleichstromanteile, keinen negativen Einfluß auf das Stromwandlerverhalten.

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Stromwandler zwei Wandlerkerne mit jeweils einem Sekundärstromkreis auf. In diesen Sekundärstromkreisen befinden sich Dioden, die antiparallel geschaltet sind. Dadurch wird im einen Sekundärstromkreis der positive Halbwellenzug und im anderen Sekundärstromkreis der negative Halbwellenzug erfaßt.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Stromwandler einen einzelnen Wandlerkern auf, der mit zwei Sekundärstromkreisen versehen ist. In diesen Sekundärstromkreisen befinden sich wiederum Dioden, die antiparallel geschaltet sind und verschiedenes Abkommutierverhalten aufweisen. Wesentlich dabei ist das verschiedene Abkommutierverhalten, d. h., daß die Dioden ein unterschiedliches Sperr- und Durchlaßverhalten aufweisen. Dadurch befinden sich beide Sekundärstromkreise für ein kurzes Zeitintervall gleichzeitig im Leerlauf, was wiederum zum Abbau der Kernmagnetisierung führt.

In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung weist der Stromwandler einen Wandlerkern auf, der mit einem Sekundärstromkreis versehen ist, wobei in diesem einen Sekundärstromkreis zwei antiparallel geschaltete Dioden vorgesehen sind, die verschiedenes Abkommutierverhalten aufweisen. Diese Ausführungsform arbeitet wie die zuletzt genannte Ausführungsform, hat aber den Vorteil, daß nur ein einzelner Sekundärstromkreis, d. h. eine einzelne Sekundärwicklung und ein einzelner Bürdenwiderstand benötigt werden.

In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung ist als Halbleiterbauelement ein Halbleiterschalter vorgesehen, dessen Laststrecke zwischen der Anschlußklemme der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand geschaltet ist, wobei der Halbleiterschalter mit einer Steuerschaltung versehen ist, welche den Halbleiterschalter derart ansteuert, daß der Sekundärstromkreis periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leerlauf ist. Diese Lösung, die schaltungstechnisch etwas aufwendiger ist als die eingangs genannten Lösungen mit den nichtlinearen passiven Halbleiterbauelementen, d. h. den Dioden, hat wiederum den Vorteil, daß die Zeitintervalle exakt eingestellt werden können und auch auf verschiedene Anforderungen, d. h. also auf verschiedenartige Primärstromkreise umgestellt werden können. Als Halbleiterschalter stehen verschiedene aktive Halbleiterbauelemente zur Verfügung, die jeweils in verschiedenen Spannungs-, Strom- und Frequenzbereichen ihre Einsatzschwerpunkte finden. Im untersten Leistungsbereich werden vorzugsweise MOSFETs eingesetzt, die für Sperrspannungen bis zu 1000 V erhältlich sind. Üblicherweise werden alle aktiven Halbleiterbaulelemente bis zu Gleichspannungen eingesetzt, die etwa der halben Sperrspannung entsprechen, im Falle der MOSFETs, also bis zu Gleichspannungen von 500 V. Der Strom ist bei diesen Bauelementen maximal auf ca. 30 A beschränkt. Sofern diese Grenzwerte für die vorgesehene Anwendung ausreichen, können mit MOSFETs Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz realisiert werden, was für die meisten vorliegenden Anwendungen sicherlich ausreichend ist. Es ist jedoch auch denkbar, Bipolartransistoren und Thyristoren, insbesondere IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristors) sowie GTOs (Gate Turn Off Thyristors), zu verwenden.

In einer Weiterentwicklung dieser Ausführungsform wird der Halbleiterschalter derart angesteuert, daß der Sekundärstromkreis nahe der Nulldurchgänge des Sekundärstroms periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leerlauf ist. Optimal ist eine Ansteuerung derart, daß der Sekundärstromkreis periodisch kurz vor dem Nulldurchgang des Sekundärstroms geöffnet und exakt im Nulldurchgang des Sekundärstroms geschlossen wird.

Bei kleinen Primärströmen, d. h. bei Primärströmen, die den Wandlerkern nicht sättigen, ist es auch denkbar, den Halbleiterschalter während des gesamten Stromdurchgangs zu öffnen und an der offenen Sekundärspule die Spannung abzugreifen und für die Leistungsberechnung heranzuziehen. Durch diese Maßnahme wird eine wesentlich höhere Genauigkeit im Bereich kleiner Primärströme bei einer über etwaig angeschlossene Meßgeräte erfolgenden Leistungsberechnung erzielt.

Um ein sehr kleines Bauvolumen zu erzielen, weist der oder die Wandlerkerne die Gestalt eines Ringbandkerns auf, so daß der Stromwandler typischerweise als Durchsteckwandler ausgeführt ist. Durchsteckwandler heißt, daß der Primärleiter, dessen Strom erfaßt werden soll, einfach durch die Öffnung des Ringkerns geführt wird. Es ist aber auch denkbar, daß der Primärleiter mit einigen wenigen Windungen durch den Ringkern geschleift wird. Die Sekundärwicklung bei den Stromwandlern bei der eingangs genannten Art besteht typischerweise aus ca. 1000 bis 5000 Windungen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im Nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Stromwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung und die

Fig. 3 bis 6 die Gegenüberstellung verschiedener Primärströme gegenüber verschiedenen Sekundärströmen.

Nach der Zeichnung besteht der Stromwandler 1 gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Primärleiter 17 der durch die Öffnung 6 eines ersten Ringbandkerns 5 geführt ist. Dieser Primärleiter 4 kann als Primärwicklung 2 mit der Windung Nprim = 1 aufgefaßt werden. Der Primärleiter 17 ist ferner durch die Öffnung 12 eines zweiten Ringbandkerns 11 geführt. Der erste Ringbandkern 5 und der zweite Ringbandkern 11 weisen eine Sekundärwicklung 7 beziehungsweise eine Sekundärwicklung 13 auf. Zu der ersten Sekundärwicklung 7 ist eine erster Bürdenwiderstand 8 parallel geschaltet, so daß dieser erste Sekundärstromkreis niederohmig abgeschlossen ist. Zu der zweiten Sekundärwicklung 13 ist ebenfalls ein Bürdenwiderstand 14 parallel geschaltet, so daß auch dieser zweite Sekundärstromkreis niederohmig abgeschlossen ist.

Im ersten Sekundärstromkreis befindet sich eine Diode 10. Die Diode 10 öffnet den Sekundärkreis für eine komplette Halbwelle.

Im zweiten Sekundärstromkreis befindet sich ebenfalls eine Diode 16, die in entgegengesetzter Richtung, d. h. also antiparallel, zur ersten Diode 10 im ersten Sekundärstromkreis geschaltet ist. Diese Diode 16 öffnet den zweiten Sekundärkreis ebenfalls für eine komplette Halbwelle. Da die Diode 16 aber in entgegengesetzter Richtung geschaltet ist wie die Diode 10, erfaßt die eine Diode die positiven Halbwellen, während die andere Diode die negativen Halbwellen erfaßt. Dadurch sind die beiden Sekundärstromkreise um 180° phasenverschoben im Leerlauf, so daß sich die beiden Ringbandkerne 5 und 11 in den jeweiligen Leerlaufphasen entmagnetisieren können.

Maßgeblich für den Abbau der Kernmagnetisierung ist dabei die innere Zeitkonstante der Ringbandkerne. Diese wird hauptsächlich durch Wirbelstromeffekte in den Ringbandkernen bestimmt. Die Ringbandkerne 5 und 11 bestehen hier aus dünnen Bändern, die aus einer hochpermeablen, amorphen, weichmagnetischen Legierung bestehen, was gewährleistet, daß die Wirbelstromeffekte extrem gering sind. Die Kernmagnetisierung kann also während der Leerlaufphasen abgebaut werden und in den Phasen, in denen die Dioden 10 und 16 den Sekundärstrom leiten, kann der Magnetisierungszyklus im ursprünglichen Ausgangswert neu beginnen.

Die Fig. 3 zeigt einen symmetrischen Primärstrom iPrim und das im ersten Sekundärkreis übersetzte Stromsignal. Wie zu ersehen ist, werden lediglich die negativen Halbwellen aufgrund der gleichrichtenden Funktion der Diode übersetzt. Im zweiten Sekundärstromkreis ist das Signal völlig analog zum Signal im ersten Sekundärstromkreis, lediglich werden hier anstatt der negativen Halbwellen die positiven Halbwellen übersetzt.

Fig. 4 zeigt das Stromsignal im Sekundärkreis bei einem halbwellengleichgerichteten Primärstrom, Fig. 5 zeigt das Stromsignal im Sekundärkreis bei einem Primärstrom, der einen mittleren Gleichstromanteil trägt, sowie die Fig. 6 das Stromsignal im Sekundärkreis zeigt, wobei der Primärstrom einen hohen Gleichstromanteil trägt. Durch die gleichrichtende Funktion der Diode im ersten Sekundärstromkreis und die entgegengesetzt gleichrichtende Funktion der Diode im zweiten Sekundärstromkreis werden die Asymmetrien vollkommen übertragen, ohne daß dabei die asymmetrischen Anteile den Kern in die Sättigung treiben, da die Ringbandkerne in den Leerlaufphasen genügend Zeit haben, ihre aufgebaute Magnetisierung wieder abzubauen.


Anspruch[de]
  1. 1. Stromwandler (1) für Wechselstrom mit Gleichstromanteilen, bestehend aus zumindest einem Wandlerkern (5) mit einer Primärwicklung (17) und zumindest einer Sekundärwicklung (7), zu der ein Bürdenwiderstand (8) parallel geschaltet ist und den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt, wobei zwischen einer Anschlußklemme der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand zumindest ein Halbleiterbauelement derart vorgesehen ist, daß der Sekundärstromkreis periodisch für ein kurzes Zeitintervall in den Leerlauf versetzbar ist.
  2. 2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler (1) zwei Wandlerkerne (5, 11) aufweist mit jeweils einem Sekundärstromkreis, und daß die in den Sekundärstromkreisen befindlichen Halbleiterbauelemente Dioden (10, 16) sind, die antiparallel geschaltet sind.
  3. 3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler einen Wandlerkern aufweist mit zwei Sekundärstromkreisen, und daß die in den Sekundärstromkreisen befindlichen Halbleiterbauelemente Dioden sind, die antiparallel geschaltet sind und verschiedenes Abkommutierverhalten aufweisen.
  4. 4. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler einen Wandlerkern aufweist mit einem Sekundärstromkreis und daß in den Sekundärstromkreis zwei antiparallel geschaltete Dioden angeordnet sind, die verschiedenes Abkommutierverhalten aufweisen.
  5. 5. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelement ein Halbleiterschalter vorgesehen ist, dessen Laststrecke zwischen der Anschlußklemme der Sekundärwicklung und dem Bürdenwiderstand geschaltet ist, wobei der Halbleiterschalter mit einer Steuerschaltung versehen ist, welche den Halbleiterschalter derart ansteuert, daß der Sekundärstromkreis periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leerlauf ist.
  6. 6. Stromwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter derart angesteuert wird, daß der Sekundärstromkreis nahe der Nulldurchgänge des Sekundärstroms periodisch für ein kurzes Zeitintervall im Leerlauf ist.
  7. 7. Stromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter derart angesteuert wird, daß der Sekundärstromkreis periodisch kurz vor dem Nulldurchgang des Sekundärstroms geöffnet und im Nulldurchgang des Sekundärstroms geschlossen wird.
  8. 8. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandlerkern ein aus einem weichmagnetischen hochpermeablen Werkstoff bestehender Bandkern mit hoher Sättigungsinduktion vorgesehen ist.
  9. 9. Stromwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff eine amorphe oder nanokristalline Legierung vorgesehen ist.
  10. 10. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkern die Gestalt eines Ringkerns aufweist.
  11. 11. Stromwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler als Durchsteckwandler ausgeführt ist.






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