DE102008033957A1

DE102008033957A1 - Hochstromsensor

Info

Publication number: DE102008033957A1
Application number: DE200810033957
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-21
Filing date: 2008-07-21
Publication date: 2010-02-04

Abstract

In einer Parallelanmeldung wird ein Hochstromsensor nach dem Durchflussmessprinzip beschrieben, bei dem eine vorgegebene Anzahl von Magnetfeldsensoren konzentrisch um den stromführenden Leiter und eine Auswerteeinrichtung vorhanden sind. Gemäß der Erfindung erfolgt eine azimutale Verdrehung der Magnetfelsensoren um einen vorgegebenen Winkel. Insbesondere trifft dabei die Ebene der Magnetfeldsensoren nicht den im Abstand verlaufenden Störleiter. Im Einzelnen gilt für den Winkel $I1 wobei N die Anzahl der Magnetfeldsensoren bedeutet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochstromsensor nach dem Durchflutungsgesetz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit AZ 10 2008 030 334.8 und der Bezeichnung „Verfahren zur störarmen berührungslosen Messung hoher Ströme und zugehöriger Hochstromsensor” wird eine Sensoranordnung mit zugehörigem Auswerteverfahren beschrieben, welche eine energieeffiziente Messung von Strömen zwischen 400 A und 10 kA ohne Flusskonzentrator ermöglicht. Prinzipiell ist dabei sowohl ein „open loop”- als auch ein „close loop”-Betrieb möglich.
Hauptfokus ist bei letzterer Patentanmeldung jedoch der „open loop”-Betrieb. Eine solche Anordnung enthält vorteilhafterweise Spinvalve-Magnetfeldsensoren, um eine hohe Genauigkeit und Robustheit zu gewährleisten. Solche Stromsensoren können beispielsweise in Umrichtern für Mittelspannung oder aber zur Batterieüberwachung für Hybridantriebe oder Elektroantriebe in Kraftfahrzeugen Anwendung finden. Auch Umrichter für Schiffs-Bahn-Antriebe oder Windkraftanlagen sind potentielle Anwendungsfelder, da die Ströme im angegebenen Bereich liegen.
Zur galvanisch getrennten DC-Strommessung sind insbesondere zwei Grundprinzipien bekannt. Das eine Messprinzip verwendet einen Flusskonzentrator, der den stromdurchflossenen Leiter umgibt, und einen Hallsensor, der sich in einem Luftspalt des Flusskreises befindet. Derartige Sensoren werden als LEM-Wandler bezeichnet. Das andere Messprinzip beinhaltet einen MR-Sensor für das Magnetfeld eines Stromes, der über ein so genanntes U-Turn fließt und die Signale insbesondere über eine Vollbrücke auswertet.
Das erstgenannte Prinzip erfordert einen großen Materialauf wand für den Flusskreis und ist insbesondere im „open loop”-Betrieb ungenau, da insbesondere ein Hystereseeffekt zu beachten ist. Der „closed loop”-Betrieb ist vor allem bei Strömen über 500 A mit großer Verlustleistung auf der DC-Seite, welche die Signalseite darstellt, von bis zu 50 W bei 10 kA Primärstrom verbunden.
Vom Stand der Technik können MR-Sensoren mit U-Turn zur Felderzeugung, die mit hinreichender Genauigkeit, d. h. ±1% bei Raumtemperatur, Ströme bis maximal 150 A messen. Eine technisch sinnvolle Obergrenze für das U-Turn-Prinzip liegt bei ca. 400 A, was sich durch eine FeN-Simulation belegen lässt. Eine hohe Genauigkeit kann auch hier nur mit den Mitteln der so genannten „closed loop”-Schaltung erreicht werden. Insbesondere bei Sensoren für Ströme > 1 kA ist die Versorgung der Signalseite aufwändig und teuer.
Beim Stand der Technik werden die hohen Kosten für die Erzeugung der DC-Leistung und der Erwärmung hingenommen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Hochstromsensor zu schaffen, der insbesondere tolerant gegen Magnetfelder ist, die durch parallele Störleiter erzeugt werden. Diese Leiter können beispielsweise die weiteren Leiter einer Mehrphasenleitung sein.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die abhängigen Ansprüche.
Gegenstand der Erfindung ist ein solcher Hochstromsensor, bei dem eine Anordnung von rotationssymmetrisch um den stromführenden Leiter verteilten Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren sowie eine zugehörige Auswerteschaltung vorhanden ist und eine azimutale Verdrehung der Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren in einem vorgegebenen Winkel vorliegt. Dadurch ist ein Symmetriebruch in der Sensoranordnung gegeben. Es wurde erkannt, dass insbesondere bei einer Parallelführung von stromführendem Leiter und Leiter durch einen solchen Symmetriebruch für das Störsignal eine solche Drehung das Störfeld in geeigneter Weise bei der Messung ausspart.
Vorteilhafterweise ist die rotationssymmetrische Anordnung der Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren so verdreht, dass die durch den Leiter verlaufende Leiterebene die Längsachse des Störleiters nicht schneidet. Unter der Voraussetzung, dass der Abstand des Störleiters von dem Hochstromsensor gegenüber der Ausbildung des Stromsensors ist, gilt für den Winkel der Verdrehung der rotationssymmetrischen Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren die Beziehung (1)
wobei N die Zahl der Magnetfeldsensoren bzw. der Brücke darstellt.
Beispielsweise ergibt sich für N = 6 eine Verdrehung um 15° Winkelmaß, bei N = 12 eine Verdrehung um 7,5° Winkelmaß und bei N = 16 eine Verdrehung um 5,5° Winkelmaß. Derartige Verdrehungen lassen sich bei einer vollautomatischen Messung durch entsprechende Vorgabe der Lage des erfindungsgemäßen Hochstromsensors leicht einstellen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen in schematischer Darstellung
1 die Ebene einer Anordnung eines Hochstromsensors mit Magnetfeldsensoren um einen konzentrischen Leiter, dem im Abstand ein Störleiter zugeordnet ist und die
2 eine um den Winkel α0 verdrehte Anordnung gemäß 1 zur Ausschaltung des Störfeldes des Störleiters sowie
3 eine seitliche Ansicht der Anordnung gemäß 1.
In der eingangs zitierten Patentanmeldung AZ 10 2008 030 334.8 sind ein Verfahren zur Messung von hohen Strömen nach Durchflutungsprinzip und ein zugehöriger Hochstromsensor beschrieben. Bei dem zugehörigen Sensoraufbau bilden jeweils vier insbesondere Spinvalve-basierte Magnetfeldsensoren eine Vollmessbrücke, wobei beispielsweise speziell zwölf Messbrücken auf dem Umfang des Aufbaus konzentrisch um den stromführenden Leiter angeordnet sind. Zugeordnet sind dem Messaufbau Einheiten zur Auswertung.
Bei paralleler Leiterführung, wie sie an vielen Stellen in Umrichtern mit drei Phasen vorkommt, ist die Ebene, die abgesehen von Toleranzen alle drei Leiter bzw. deren Längsachse beinhaltet, von besonderer Bedeutung. Das Magnetfeld der Einzelleiter, welches bei Stromfluss durch nur diesen einen Leiter hervorgerufen wird, ist zylindersymmetrisch zur Längsachse des Einzelleiters. Die Überlagerung der zu einzelnen Längsachsen zylindersymmetrischen Teilleiter führt zu einer besonderen Abbildungsvorschrift bezüglich der Ebene, die alle Längsachsen beinhaltet. Dabei muss die Spiegelsymmetrie mit Richtungsumkehr des Feldsektors beachtet werden.
Sofern auch die geschlossene Kurve, längs der das Linienintegral nach dem Durchflutungsgesetz gebildet werden soll, der gleichen Abbildungsvorschrift mit Spiegelsymmetrie und Richtungsumkehr des Tangentenvektors folgt, so kann aus der zweiten Hälfte des Linienintegrals keine zusätzliche Information gezogen werden. Bei einer auf einzelnen Stützstellen basierenden Messung für eine diskrete Ermittlung des Linienintegrals – wie es bei der Anordnung nach 1 gezeigt ist – bietet es sich aber an, einen Symmetriebruch bei der Anordnung der Einzelsensoren vorzusehen, um Zusatzinformationen zu gewinnen. Besonders einfach kann ein Symmetriebruch durch ein Verdrehen der Symmetrieachse der Einzelsensoranordnung gegenüber derjenigen Ebene, die die stromführenden Leiter beinhaltet, erreicht werden.
In den Figuren sind dazu die einzelnen Vollbrücken mit 10_i , die jeweils aus vier, nicht im Einzelnen dargestellten Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren bestehen, bezeichnet. Beispielsweise sind gemäß 1 zwölf Vollbrücken 10' bis 10^12' vorhanden, die im Abstand R zylindersymmetrisch um den Primärleiter 1 angeordnet sind. Die feldempfindliche Richtung jedes Spinvalve-basierten Elementes, das Teil der Vollbrücken ist, ist senkrecht zur Radialkomponente des Zylinderkoordinatensystems. Einzelne Auswerteeinheiten zur softwaregestützten Auswertung sind mit 5 bis 7 bzw. 5' bis 7 bezeichnet.
In 2 ist der Primärleiter 1 mit einer Sensoranordnung prinzipiell entsprechend 1 dargestellt, bei der die Ebene der Vollbrücken gegenüber 1 um einen Winkel α₀ verdreht ist. Der Störleiter 3 ist im Abstand a dargestellt und weiterhin die Ebene E der Leiteranordnung, die beide Längsachsen der Leiter vollständig beinhaltet.
Man erkennt, dass die Ebene E der verdrehten Sensoren nicht mehr durch den Störleiter 3 verläuft. Damit kann dessen störender Einfluss auf die Strommessung ausgeschaltet werden.
In der Seitenansicht gemäß 3 ergibt sich im Prinzip der gleiche Sachverhalt mit konzentrisch im Messaufbau verlaufende Primärleiter 1 und dem im Abstand a davon verlaufenden Störleiter 3. Ersichtlich ist hier weiterhin, dass die feldempfindliche Richtung jedes MR-Elementes senkrecht zur Radialkomponente des Zylinderkoordinatensystems verläuft. Unter der Voraussetzung, dass der Abstand a zwischen Primärleiter 1 und Störleiter 3 deutlich größer ist als der Durchmesser R der Sensoranordnung, gilt für den Verdrehwinkel in 1 näherungsweise die Beziehung
wobei N die Anzahl der Sensoren, d. h. Vollbrücken, bedeuten. Daraus ergibt sich, dass beispielsweise für N = 6 ein Verdreh winkel α von 15° Winkelmaß, für N = 12 ein Verdrehwinkel von 7,5°C Winkelmaß und bei N = 16 ein Verdrehwinkel von 5,5° Winkelmaß notwendig ist.
Mit der beschriebenen Anordnung ergeben sich insbesondere folgende Vorteile: Es ist eine hohe Genauigkeit bei hohen Strömen möglich. Der Kostenaufwand ist dabei vergleichsweise gering. Die Anzahl der Einzelsensoren kann entsprechend den Anforderungen vorgegeben werden, wobei gegebenenfalls eine geringere Anzahl von Einzelsensoren als beim Stand der Technik möglich sind.
Durch Variation der Randbedingungen kann auch ein geringerer Abstand zwischen Störleiter und Primärleiter möglich sein.
Insgesamt ergibt sich ein breites Einsatzspektrum des beschriebenen Hochstromsensors.

Claims

Hochstromsensor nach dem Durchflussmessprinzip, bei dem eine vorgegebene Anzahl von Magnetfeldsensoren radialsymmetrisch um den stromführenden Leiter angeordnet ist, welche jeweils die gleiche Empfindlichkeit aufweisen, und eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, gekennzeichnet durch eine azimutale Verdrehung der Ebene der Magnetfeldsensoren um einen vorgegebenen Winkel (α₀) um die Achse (I) des stromführenden Leiters (1), wobei die Verdrehung gegenüber der gemeinsamen Ebene (E) zwischen Stromleiter (1) und Störleiter (3) erfolgt.
Hochstromsensor nach Anspruch 1, wobei stromführende Leiter und der Störleiter parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Magnetfeldsensoren so verdreht ist, dass die Leiterebene die Längsachse (I) des Störleiters (3) nicht trifft.
Hochstromsensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für Abstände a > 2R der Verdrehwinkel (α_o) unabhängig vom Abstand (a) ist.
Hochstromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehwinkel
ist, wobei N die Anzahl der magnetfelderfassenden Elemente ist.
Hochstromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei N = 6 der Verdrehwinkel α₁ = 15° (Winkelmaß), bei N = 12 der Verdrehwinkel α₂ = 7,5° (Winkelmaß) und bei N = 16 der Verdrehwinkel α₃ = 5,5° (Winkelmaß) ist.
Hochstromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren Vollbrücken aus jeweils vier einzelnen Spinvalve-basierten Magnetfeldelementen beinhalten.