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Dokumentenidentifikation DE602004005491T2 29.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001687645
Titel DETEKTORSCHALTUNG ZUR VERWENDUNG BEI EINER STROMMESSUNG
Anmelder Danfysik A/S, Jyllinge, DK
Erfinder JORGENSEN, Hans EriK, DK-4040 Jyllinge, DK
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 602004005491
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.11.2004
EP-Aktenzeichen 047974811
WO-Anmeldetag 26.11.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/DK2004/000820
WO-Veröffentlichungsnummer 2005052605
WO-Veröffentlichungsdatum 09.06.2005
EP-Offenlegungsdatum 09.08.2006
EP date of grant 21.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse G01R 15/18(2006.01)A, F, I, 20060711, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Detektorschaltung zur Verwendung für Strommessungen mittels im wesentlichen identisch gewickelten Ringkern-Transformatoren, in denen magnetomotorische Kräfte durch einen Hauptstrom induziert werden, wobei diesen magnetomotorischen Kräften magnetomotorische Kräfte entgegenwirken, die durch einen Kompensationsstrom induziert werden, und wo eine gegenphasige Magnetisierung mittels eines Modulationsstroms erfolgt, wobei die Detektorschaltung als Wahlmöglichkeit auch einen Synchrongleichrichter zur Erzeugung eines Stellsignals für den Kompensationsstrom aufweist, und wo eine Einrichtung zur Kompensation möglicher Differenzen zwischen den beiden Ringkern-Transformatoren vorgesehen ist.

Hintergrund der Erfindung

Das dänische Patent 149238 offenbart einen Nullfluß-Stromtransformator zur Messung des Stroms für einen Elektromagneten in einem Teilchenbeschleuniger. Da es sich um sehr große Stromstärken handelt, nämlich um mehrere hundert Ampere, wird der Hauptstrom vorteilhafterweise in einen vergleichsweise schwächeren Meßstrom umgewandelt, mit dem leicht umzugehen ist und der über einen Meßwiderstand geführt wird. Infolgedessen kann der Spannungsabfall am Meßwiderstand als ein Meßergebnis verwendet werden, das dem Wert des Hauptstroms entspricht.

Die bekannten Nullfluß-Stromtransformatoren bestehen aus einer Kombination aus einem magnetischen Integrator und einem Modulator der zweiten Harmonischen. Im Prinzip weist ein magnetischer Integrator einen Ringkern aus einem ferromagnetischen Material auf, wobei dieser Ringkern mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer Sensorwicklung versehen ist. Die Sensorwicklung steht mit den Eingangsanschlüssen eines Verstärkers in Verbindung, der den Sekundärstrom über einen Meßwiderstand fließen läßt. Somit induziert eine Magnetflußänderung im Ringkern eine Spannung in der Sensorwicklung, und diese Spannung beeinflußt den Verstärker derartig, daß dieser Magnetfluß einen Kompensationsstrom erzeugt, der der Änderung des durch den Primärstrom verursachten Flusses entgegenwirkt. Infolgedessen werden die vom Stromfluß in der Primärwicklung erzeugten magnetomotorischen Kräfte durch die vom Stromfluß in der Sekundärwicklung erzeugten magnetomotorischen Kräfte so ausgeglichen, daß eine spezifische Beziehung zwischen dem Stromwert in der Primärwicklung und dem Stromwert in der Sekundärwicklung besteht.

Der magnetische Integrator kann jedoch nicht mit Gleichstrom und sehr niedrigen Frequenzen arbeiten, und folglich ist für diese Funktion eine getrennte Schaltung erforderlich. Eine solche Schaltung besteht aus einem magnetischen Modulator mit zwei identisch gewickelten Ringkernen und einer Treiberschaltung. Die Ringkerne werden zur Sättigung gebracht, und im Symmetrie/"Nullfluß"-Zustand sind die Stromkurven in bezug auf den Nullwert symmetrisch, was dazu führt, daß die Inhalte von gleichen Harmonischen gleich null sind. Deshalb ist es möglich, entweder eine direkte symmetrische Detektion mittels eines Fensterkomparator/Schmitt-Triggers oder einen Detektor der zweiten Harmonischen bei Verwendung von Synchrongleichrichtung des Stromsignals, das die doppelte Frequenz des Modulationssignals darstellt, zu verwenden. In beiden Fällen wird ein Ausgangssignal gewonnen, das bei einer Symmetrie zwischen der primären und der sekundären Amperewindungszahl gleich null ist. Eine Unsymmetrie führt zu einer Spannung mit einer Amplitude und einer Polarität, die vom Grad und der Polarität dieser Unsymmetrie abhängt. Ein Ringkern genügt, um die letztgenannte Detektorfunktion auszuführen, aber es müssen zwei Kerne in Gegenphase vorhanden sein, um zu verhindern, daß die Kompensationsschaltung die Detektion unterdrückt, und um zu verhindern, daß das Modulationssignal den magnetischen Integrator durch eine magnetische Kopplung stört. Die beiden Kerne können jedoch nicht völlig identisch sein.

US-Patent 4 536 706 offenbart einen Sensor für magnetische Ströme zur Messung der Ströme in einer Telefonschaltung, d. h. relativ schwacher Ströme. Dieser Stromsensor weist eine Offsetkorrekturschaltung auf, und diese Offsetkorrekturschaltung kann eine Offsetkorrektur nur ausführen, wenn die Messung des Stroms unterbrochen worden ist.

EP 314 234 beschreibt eine Schaltung zur Detektion einer Asymmetrie im Magnetisierungsstrom, die durch eine Referenzwechselspannung in einem magnetischen Modulator verursacht wird, insbesondere einem magnetischen Modulator zur Nullflußdetektion mit zwei praktisch identisch gewickelten Magnetkernen, die beide mindestens versehen sind mit einer Primärwicklung, die mit einem Modulationsstrom gespeist werden kann, und einer Reihenschaltung einer Hilfswicklung und einer Impedanz, an der während des Betriebs eine Spannung erzeugt wird, die dem Magnetisierungsstrom proportional ist.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist somit, zu zeigen, wie es auf einfache Weise möglich ist, eine Korrektur auszuführen, während die Strommessung ausgeführt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, das die Einrichtung zur Kompensation möglicher Differenzen zwischen den Ringkern-Transformatoren aus einer gemeinsamen Wicklung besteht, die die beiden Ringkerne umgibt, wobei diese gemeinsame Wicklung ein mögliches Fehlersignal detektiert, das in einer Gegenkopplungsschleife verwendet wird, die automatisch ein Gleichgewicht herzustellen versucht.

Eine aktive Kompensation kann erfindungsgemäß ausgeführt werden, indem ein Kern als Detektor verwendet wird, nämlich als Master-Kern, während der zweite Kern als Slave-Kern verwendet wird. Dann fängt eine Wicklung, die beide Kerne umgibt, ein Differenzsignal/Fehlersignal auf, das verstärkt und zum Steuersignal für den Slave-Kern addiert wird, was dazu führt, daß das an die Kompensationsschaltung gekoppelte Signal ungefähr 50fach reduziert wird.

Außerdem kann erfindungsgemäß eine Gegenkopplungsschleife bereitgestellt werden, um die Kompensation durchzuführen, wobei diese Gegenkopplungsschleife dadurch bereitgestellt wird, daß das Fehlersignal zum Modulationssignal so addiert wird, daß dieses Fehlersignal reduziert wird. Das Modulationssignal kann entweder von außen oder mittels eines eingebauten Multivibrators, als Wahlmöglichkeit ein Multivibrator mit einem Schmitt-Trigger, erzeugt werden.

Zwei Kerne werden mit Modulationssignalen versorgt, und um die beiden Kerne zu kompensieren, damit sie zur Sättigung gelangen können, kann ein zusätzlicher Kern hinzugefügt werden, wobei der zusätzliche Kern keine Sättigung erreicht, da er nicht mit einem Modulationssignal versorgt wird. Als Ergebnis wird eine annähernd 500 bis 1000fache Reduzierung erreicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert, die folgendes zeigen:

1 stellt eine astabile Detektorschaltung mit einer Nulldetektor-Rauschunterdrückung und mit drei Ringkernen dar,

2 stellt eine astabile Detektorschaltung mit einer Nulldetektor-Rauschunterdrückung und mit vier Ringkernen dar,

3 stellt eine Detektorschaltung mit drei Ringkernen dar, wobei ein Modulationssignal von außen zugeführt wird, und

4 stellt eine Detektorschaltung mit vier Ringkernen dar, wobei ein Modulationssignal von außen zugeführt wird.

Die beste Ausführungsform der Erfindung

Die in 1 gezeigte Detektorschaltung ist zur Messung starker Ströme zu verwenden, und sie weist drei im wesentlichen identische Ringkerne 1, 2, 3 auf. Ein Hauptstrom I5 fließt durch die drei im wesentlichen identischen Ringkerne und induziert magnetomotorische Kräfte, denen ein Kompensationsstrom i4 entgegengewirken soll. Ein Modulationssignal in Form eines Rechteckwellensignals mit einer Frequenz von einigen hundert Hertz wird zwei von diesen Ringkernen 2, 3 zugeführt, wobei das dem ersten Ringkern 2 zugeführte Rechteckwellensignal in bezug auf das dem zweiten Ringkern 3 zugeführte Rechteckwellensignal invertiert ist. Infolgedessen werden die beiden Ringkerne 2, 3 so gegenphasig magnetisiert, daß sowohl die ungleichen als auch die gleichen Harmonischen durch eine Kopplung über die Wicklungen L1, L4 und L5 im wesentlichen kompensiert werden.

Die Erfindung beruht jedoch auf der Tatsache, daß der durchschnittliche Fluß in den Ringkernen gleich null ist, wenn ein Gleichgewicht oder eine Symmetrie zwischen den Feldern besteht, die durch den Hauptstrom und den Kompensationsstrom induziert werden. Wenn der durchschnittliche Fluß aufgrund einer Unsymmetrie zwischen den induzierten Feldern, nämlich einer Unsymmetrie zwischen den Amperewindungszahlen des Hauptstroms I5 und des Kompensationsstroms i4, von null abweicht, dann weist der magnetisierende Strom in den Modulationswicklungen gleiche Harmonische auf, wobei die zweite Harmonische die wichtigste Harmonische ist. Eine Detektion dieser zweiten Harmonischen führt zu einem Gleichstromsignal, das der abgeleiteten Unsymmetrie entspricht, wobei das Gleichstromsignal so zur Steuerung eines Verstärkers verwendet wird, daß die Symmetrie zwischen den magnetomotorischen Kräften, die durch den Primärstrom und den Sekundärstrom verursacht werden, wiederhergestellt wird.

Eine spezifische Ausführungsform einer solchen Detektorschaltung ist in 1 dargestellt. Das Modulationssignal wird mittels eines Schmitt-Triggers A4 erzeugt, dessen Ausgang mit einem ersten Anschluß der Wicklung L2 in Verbindung steht und dessen Eingang mit dem zweiten Anschluß der Wicklung L2 in Verbindung steht. Diese Schaltung ist astabil. Der Spannungsabfall über der Wicklung L2 verringert sich bis auf nahe null, und der Spannungsabfall über dem Widerstand R1 (50 &OHgr;) erhöht sich genau in dem Augenblick, in dem eine positive Spannung an die Wicklung L2 angelegt wird, so daß eine positive Spannung am Eingang des Schmitt-Triggers A4 anliegt. Diese positive Spannung hat zur Folge, daß ein Strom durch die Wicklung L2 fließt und bewirkt, daß der Ringkern 2 gesättigt wird, woraufhin der Schmitt-Trigger A4 seinen Zustand so ändert, daß eine astabile Schaltung entsteht.

Das Rechteckwellensignal am Ausgang des Schmitt-Triggers A4 wird auch zum Eingang eines Verstärkers A5 übertragen, dessen Ausgangssignal die Wicklung L3 versogt. Infolgedessen wird die Wicklung L3 mit einem Rechteckwellensignal versorgt, das sich in Gegenphase zu dem Rechteckwellensignal befindet, das der Wicklung L2 zugeführt wird.

Der Signalwert am Widerstand R1 entspricht dem Signalwert am Eingang des Schmitt-Triggers A4. Über einen Tiefpaßverstärker A3 wird der Signalwert am Widerstand R1 auch zu einer Addiereinheit übertragen, in der er zu einem von der Wicklung L1 detektierten Signal addiert wird, um den Kompensationsstrom i4 bereitzustellen. Infolgedessen ist dieser Kompensationsstrom fähig, sowohl langsame als auch schnelle Änderungen des Hauptstroms I5 zu kompensieren.

Ferner ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Kompensation der beiden nicht völlig identischen Ringkerne 2, 3 vorgesehen. Diese Einrichtung weist eine gemeinsame Wicklung L6 auf, die die beiden Ringkerne 2, 3 umgibt. Die gemeinsame Wicklung L6 detektiert ein mögliches Fehlersignal i6, das zu dem zum Ringkern 3 übertragenen Modulationssignal addiert wird. Das Fehlersignal wird so übertragen, daß eine Gegenkopplungsschleife entsteht, wobei diese Gegenkopplungsschleife automatisch ein Gleichgewicht herzustellen versucht. Das heißt, das Modulationssignal zum Ringkern 3 wird verändert, bis das Fehlersignal im wesentlichen gleich null ist.

Das Fehlersignal kann jedoch nicht genau null sein.

Das letztere ist unter anderem auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Einstellung vorwiegend nur solange effizient ist, wie der Ringkern 3 nicht gesättigt ist, was bei Bedarf kompensiert werden kann durch Einbeziehen eines weiteren Ringkerns 4, der nicht gesättigt wird, da er nicht mit einem Modulationssignal versorgt wird.

Im letzteren Fall weist die Kompensationseinrichtung eine gemeinsame Wicklung L6 auf, die die drei Ringkerne 2, 3, 4 umgibt. Diese gemeinsame Wicklung L6 detektiert ein mögliches Fehlersignal, das von den Ringkernen 2 und 3 ausgeht, und dieses Fehlersignal dient zur Beeinflussung der Magnetisierung im Ringkern 4. Infolgedessen wird eine zusätzliche Reduzierung des Fehlersignals erreicht, und folglich wird eine sehr genaue Messung des Hauptstroms I5 erreicht.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform, vgl. 3, ist die astabile Schaltung durch eine Schaltung ersetzt worden, die zuverlässig von außen betrieben wird, und zwar durch ein Modulationssignal in Form eines Wechselstromsignals, das zur Wicklung L2 übertragen wird, wobei dieses Wechselstromsignal vorzugsweise ein Rechteckwellensignal mit einer Frequenz von einigen hundert Hertz ist, und durch ein Wechselstromsignal, das vorzugsweise in Form eines Rechteckwellensignals zur Wicklung L3 übertragen wird und in bezug auf das oben beschriebene Signal invertiert ist. Infolgedessen werden die beiden Wicklungen L2 und L3 gegenphasig magnetisiert.

Die Signalspannung am Widerstand R1 wird zu einem Verstärker A3 übertragen und verstärkt, woraufhin die verstärkte Signalspannung mit einem Signal der Frequenz 2f multipliziert wird, nämlich Synchrongleichrichtung. Das gemischte Signal wird dann zu dem von der Wicklung L1 detektierten Signal addiert.

In diesem Fall kann auch erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Kompensation der beiden nicht völlig identischen Ringkerne 2, 3 bereitgestellt werden, vgl. 3. Wie in 1 besteht diese Einrichtung aus einer gemeinsamen Wicklung L6, die die beiden Ringkerne 2, 3 umgibt, wobei diese gemeinsame Wicklung L6 ein mögliches Fehlersignal detektiert, das zu dem zum Ringkern 3 übertragenen Modulationssignal addiert wird. Das Fehlersignal wird so übertragen, daß eine Gegenkopplungsschleife hergestellt wird, wobei diese Gegenkopplungsschleife automatisch ein Gleichgewicht herzustellen versucht. Das heißt, das Modulationssignal zum Ringkern 3 wird verändert, bis das Fehlersignal im wesentlichen gleich null ist.

Wie bei der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung ist die Einstellung nur solange effizient, wie der Ringkern 3 nicht gesättigt ist. Ein zusätzlicher Ringkern 4 kann hinzugefügt werden, vgl. 4, um die oben beschriebene Situation zu kompensieren, wobei dieser zusätzliche Ringkern keine Sättigung erreicht, da kein Modulationssignal zu diesem Kern 4 übertragen wird.

In der in 4 gezeigten Schaltungsanordnung 4 besteht die oben beschriebene Kompensationseinrichtung aus einer gemeinsamen Wicklung L6 um die drei Ringkerne 2, 3, 4, wobei diese gemeinsame Wicklung L6 ein mögliches Fehlersignal detektiert, das von den Ringkernen 2 und 3 ausgeht und das verwendet wird, die Magnetisierung im Ringkern 4 zu beeinflussen.

Die beschriebenen Detektorschaltungen können beispielsweise zur Messung starker Ströme, nämlich Magnetisierungsströme für Teilchenbeschleuniger verwendet werden.


Anspruch[de]
Detektorschaltung zur Verwendung bei einer Strommessung mittels im wesentlichen identisch gewickelten Ringkerntransformatoren, in denen magnetomotorische Kräfte durch einen Hauptstrom (I5) induziert werden, wobei diesen magnetomotorischen Kräften magnetomotorische Kräfte entgegenwirken, die durch einen Kompensationsstrom (i4) induziert werden, und wo zwei Ringkerntransformatoren (2, 3) gegenphasig mittels eines Modulationsstroms magnetisiert werden, wobei die Detektorschaltung als Wahlmöglichkeit auch einen Synchrongleichrichter zur Erzeugung eines Stellsignals für den Kompensationsstrom aufweist, und wo eine Einrichtung zur Kompensation möglicher Differenzen zwischen den beiden Ringkerntransformatoren (2, 3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kompensation möglicher Differenzen zwischen den Ringkerntransformatoren (2, 3) aus einer gemeinsamen Wicklung (L6) besteht, die die beiden Ringkerne (2, 3) umgibt, wobei diese gemeinsame Wicklung (L6) ein mögliches Fehlersignal detektiert, das in einer Gegenkopplungsschleife verwendet wird, die automatisch anstrebt, ein Gleichgewicht herzustellen. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschleife dadurch hergestellt wird, daß das Fehlersignal zu dem Modulationssignal derartig addiert wird, daß dieses Fehlersignal reduziert wird und automatisch anstrebt, null zu erreichen. Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal von außen zugeführt wird. Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie astabil ist, wobei das Modulationssignal mittels eines eingebauten Multivibrators bereitgestellt wird. Detektorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator einen Schmitt-Trigger (A4) aufweist. Detektorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Kern (4) hinzugefügt ist, wobei dieser zusätzliche Kern keine Sättigung erreicht, da er nicht mit einem Modulationssignal versorgt wird, wobei dieser zusätzliche Ringkern (4) dafür angepaßt ist, zu kompensieren, damit die Ringkerne (2, 3), die diese Modulationssignale empfangen, Sättigung erreichen.






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