DE102010012834A1

DE102010012834A1 - Messanordnung zur Erfassung von Wechselströmen

Info

Publication number: DE102010012834A1
Application number: DE102010012834A
Authority: DE
Inventors: Dpl.-Ing. Hakemeyer Frank; Dipl.-Ing. Jürgenhake Christian; Dipl.-Ing. Thörner Carsten
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-09-29
Also published as: EP2550537A1; RU2012143506A; US20130082690A1; CN102822684A; WO2011117299A1; DE202010018290U1; BR112012023900A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich eine auf Messanordnung zum Anschluss an ein Energie-Leistungsmessgerät und zum Anschluss an eine Rogowski-Spule zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters. Die Messanordnung weist eine Integratorschaltung zur Erzeugung eines dem erfassten Wechselstromes proportionalen Spannungssignals und einen Spannung/Strom-Wandler zur Erzeugung eines Ausgangsstromes welcher proportional zum von der Integratorschaltung erzeugten Spannungssignals ist, auf. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein Messsystem, welches eine der zuvor bezeichneten Messanordnung und eine Rogowski-Spule zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung von Wechselströmen im Allgemeinen und im Besonderen eine Messanordnung zur Erfassung von Wechselströmen für die Messung mit einem Energie- und Leistungsmessgerät.
Bisherige Messsysteme finden z. B. Anwendung in Industrieanlagen. Dort werden häufig Wechselströme mit sogenannten Stromwandlern gemessen. Diese Stromwandler – siehe 1 – beruhen auf dem transformatorischen Prinzip. Gemäß diese Prinzips wird ein Ausgangssignal zur Verfügung gestellt, welches zu dem gemessenen Strom proportional ist.
Proportional heißt im Zusammenhang mit der Erfindung phasentreu und Amplitudenproportional.
Es ist jedoch zu erwarten, dass zunehmend auch im Haushaltsbereich die Messung mit Energie- und Leistungsgeräten zunimmt, da zunehmend Stromtarife mit Wirk- und Blindleistungsmessung eingeführt werden.
Das erhaltene Ausgangssignal ist üblicherweise eine 0 A...1 A oder ein 0 A...5 A Stromsignal. Dieser Signalbereich resultiert daraus, dass zur Messung selbst häufig Dreheiseninstrumente verwendet wurden und werden, welche einen gewissen relativ hohen Leistungsbedarf haben, der in entsprechender Weise auch dem zu messenden Leiter mittels des magnetischen Wechselfeldes entnommen wird.
Stromwandler sind in vielerlei Bauformen erhältlich. Häufig sind sie als Durchsteckwandler ausgeführt, bei dem der zu messende stromführende Leiter durch einen gekapselten Ringkern hindurch geführt wird. Diese Ausführungsform erfordert, dass bereits bei der Installation die Aufbringung berücksichtigt wird, da eine spätere Aufbringung, das Lösen eines Leiters, das Aufschieben des Stromwandlers und das Wiederanschließen erfordern würden. Eine solche Tätigkeit ist nur bei Abschaltung des Leiters möglich, so dass es zu einem Stillstand des entsprechend versorgten Gerätes kommt. Daher werden solche Durchsteckwandler für eine nachträgliche Montage als nachteilig empfunden.
Um diesem Nachteil zu begegnen wurden sogenannte Klappwandler entwickelt, bei denen der Ringkern zweiteilig ausgeführt ist, so dass der Ring des Wandlers durch Klappen geöffnet und wieder geschlossen werden kann, so dass auch eine nachträgliche Einbringung in eine bestehende Installation ermöglicht wird.
Alternativ werden auch Shuntmessungen durchgeführt, bei der die Spannung an einem eingebrachten bekannten aber geringen Widerstand abfällt gemessen wird.
Darüber hinaus wird auch mit Systemen mit einer Rogowski-Spule gemessen. Das Wirkprinzip dieser Systeme soll im Folgenden kurz anhand 2 erläutert werden.
In eine besonders gewickelte Luftspule 100 ist ein Leiter 110 eingebracht. Fließt durch diesen Leiter ein eingeprägter Strom I gemäß einem zeitlichen Verlauf wie unten links dargestellt, so wird in die Spule 100 bei Stromänderung eine impulsförmige Spannung V_IN induziert. Der Verlauf der Impulsförmigen Spannung ist unten in der Mitte in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt. Um aus dieser induzierten Spannung V_IN wieder ein verwertbares dem Strom proportionales Signal zu erzeugen muss das induzierte Spannungssignal einer zeitlichen Integration in einer Integrierschaltung 120 unterzogen werden, die vereinfacht als entsprechend beschalteter Operationsverstärker dargestellt ist. Das entsprechende Ausganssignal des Integrators V_OUT ist dann – wie unten rechts dargestellt wieder zu dem eingeprägten Strom im Leiter 110 proportional.
Systeme mit einer Rogowski-Spule weisen zahlreiche Vorteile auf, denn das Messprinzip erlaubte eine hohe Genauigkeit bei einem großen Messbereich. Weiterhin ist die Rogowski-Spule durch ihren halboffenen Charakter einfach auch nachträglich in eine bestehende Installation einbringbar ohne dass es einer Abschaltung und einer Deinstallation eines Leiters und anschließender erneuter Installation des Leiters bedarf.
Nachteilig ist, dass System mit einer Rogowski-Spule nicht mit herkömmlichen Leistungs- und Energie-Messsystemen zusammenarbeiten kann, da die zur Verfügung gestellten Ströme zu gering sind, um entsprechende Leistungen abzugeben bzw. um die notwendigen Ausgangssignale, die von dem Messgeräten erwartet werden (0...1 A bzw. 0...5 A) bereitzustellen.
Alternative Systeme mit Rogowski-Spule liefern zwar ein quasi normiertes Standard-Gleichspannungssignal (0...10 V oder 4...20 mA), jedoch ist diese Signal nur der RMS-Wert (Root Mean Square), d. h. hier ist durch Effektivwertbildung jegliche Phaseninformation verloren gegangen, so dass mit diesem Signal keine Wirk- und Blindleistung ermittelt werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Rogowski-Prinzip auch für herkömmliche Energie- und Leistungsmesssystem verfügbar zu machen, welche ein ausreichendes Stromsignal als Eingangsgröße erwarten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung zum Anschluss an ein Energie- & Leistungsmessgerät und zum Anschluss an eine Rogowski-Spule zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters. Die Messanordnung weist eine Integratorschaltung zur Erzeugung eines dem erfassten Wechselstromes proportionalen Spannungssignals und einen Spannung/Strom-Wandler zur Erzeugung eines Ausgangsstromes welcher proportional zum von der Integratorschaltung erzeugten Spannungssignals ist, auf.
In einer weiteren Ausführungsform stellt der Spannung/Strom-Wandler der Messanordnung Ströme an das Energie- & Leistungsmessgerät von bis zu 5 A oder bis zu 1 A zur Verfügung.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Ausgangsleistung des Spannung/Strom-Wandler bis zu 5 VA.
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Ausgang eine passive Stromprägestufe.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Rogowski-Spule und die Integratorschaltung eine Baugruppe.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Rogowski-Spule, die Integratorschaltung und der Spannung/Strom-Wandler eine Baugruppe.
Darüber hinaus wird die Aufgabe auch durch ein Messsystem gelöst, welches eine der zuvor bezeichneten Messanordnung und eine Rogowski-Spule zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Messsystem auch ein Energie & Leistungsmessgerät auf.
Mit Hilfe der nachfolgend aufgeführten Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:
1, eine Stromwandler, der nach dem transformatorischen Prinzip arbeitet,
2, eine Messanordnung basierend auf einer Rogowski-Spule, welche ein Spannungssignal zur Verfügung stellt,
3, eine Ausführungsform einer Messanordnung bzw. eines Messsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
4, eine weitere Ausführungsform einer Messanordnung bzw. eines Messsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
5, eine schematische Beschaltungsvariante zu den Ausführungsformen, welche eine passive Stromprägestufe enthält.
In 3 ist schematisch eine Ausführungsform einer Messanordnung bzw. eines Messsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Die Messanordnung ist geeignet, um an ein Energie- & Leistungsmessgerät 140 angeschlossen zu werden. Bei dem Energie- & Leistungsmessgerät 140 kann es sich um eine herkömmliches Energie- & Leistungsmessgerät handeln, welches einen Stromeingang aufweist, welcher z. B. für den Bereich 0...1 A oder 0...5 A ausgelegt ist.
Weiterhin ist die Messanordnung auch geeignet, um an eine Rogowski-Spule 100 zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters 110 angeschlossen zu werden.
Die Messanordnung selbst weist eine Integratorschaltung 120 zur Erzeugung eines dem erfassten Wechselstromes proportionalen Spannungssignals und einen Spannung/Strom-Wandler 130 zur Erzeugung eines Ausgangsstromes welcher proportional zum von der Integratorschaltung erzeugten Spannungssignals ist, auf.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Rogowski-Spule 100 und die Integratorschaltung 120 eine Baugruppe, d. h. sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Hier kann der Spannung/Strom-Wandler 130 entweder nah an der gemeinsamen Baugruppe aus die Rogowski-Spule 100 und die Integratorschaltung 120 angebracht oder aber nah am Energie- & Leistungsmessgerät 140 angebracht sein, wobei die Entscheidung im wesentlichen davon abhängen wird, welche Strecken zwischen der Baugruppe und dem Energie- & Leistungsmessgerät 140 zu überbrücken sind und welcher Widerstand durch die Messleitungen, welche die Baugruppe mit dem Spannung/Strom-Wandler 130 und welche den Spannung/Strom-Wandler 130 mit dem Energie- & Leistungsmessgerät 140 verbindet, zu erwarten ist.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Rogowski-Spule 100, die Integratorschaltung 120 und der Spannung/Strom-Wandler 130 eine Baugruppe.
In einer weiteren Ausgestaltung der Ausführungsformen stellt der Spannung/Strom-Wandler 130 der Messanordnung Ströme von bis zu 5 A oder bis zu 1 A an das Energie- & Leistungsmessgerät 140 zur Verfügung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Ausführungsformen beträgt die Ausgangsleistung des Spannung/Strom-Wandler 130 bis zu 5 VA. Diese Leistung ist ausreichend um eine leistungsarme Messung durchzuführen und entspricht den verringerten Eingangsbürden heutiger Energie- & Leistungsmessgerät 140. Desweiteren wird durch diese Beschränkung auch sichergestellt, dass die Bauform des Spannung/Strom-Wandler 130 insgesamt kompakt gehalten werden kann und so eine einfache Integration in bestehende Anlagen ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Ausführungsformen enthält der Ausgang eine passive Stromprägestufe, welche als schematische Beschaltungsvariante in der rechten Hälfte der 5 dargestellt ist und nachfolgend erläutert werden wird.
In 5 wird das von einer Rogowski-Spule 100 erhaltenen Signal gekennzeichnet durch „in” auf der linken Seite der Abbildung einer Integratorschaltung 120 zugeführt.
Die Integratorschaltung weist einen ersten Operationsverstärker OP1 auf, welcher mit einem Kondensator C5 und einem Widerstand, hier dargestellt als Widerstandserienschaltung aus R18 und R17, in Rückkopplung des Ausgangssignales beschaltet ist.
Das Ausgangssignal des Integrators wird nun über ein Anpassungsnetzwerk bestehend aus R16 C3 und R22 einem Spannung/Strom-Wandler 130 zugeführt, welcher nun auf der rechten Seite der Abbildung gezeigt ist. Das Anpassungsnetzwerk ist nicht notwendiger Bestandteil und ist nur exemplarisch aufgeführt.
Der Spannung/Strom-Wandler 130 weist einen zweiten Operationsverstärker OP2 auf, welcher das über ein eventuell vorhandenes Anpassungsnetzwerk zugeführte Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers, also des Spannungssignales dann in ein Signal zum Treiben einer passiven Stromprägestufe beispielhaft gebildet durch zwei Transistoren T1 und T2 auf der rechten Seite. Auch wenn diese Beschaltung eine externe Stromversorgung der Transistoren T1 und T2 erfordert, kann diese Schaltungsvariante von Vorteil sein, z. B. bei großen Messleitungslängen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein gesamtes Messsystem zur Verfügung gestellt, welches eine der zuvor bezeichneten Messanordnung aus Integrator 120 und Spannung/Strom-Wandler 130 aufweist sowie eine Rogowski-Spule 100 zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters beinhaltet, um an ein herkömmliches Energie- & Leistungsmessgerät 140 angeschlossen zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Messsystem auch dieses Energie & Leistungsmessgerät 140 auf.

Claims

Messanordnung zum Anschluss an ein Energie- & Leistungsmessgerät und zum Anschluss an eine Rogowski-Spule zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters, aufweisend • eine Integratorschaltung zur Erzeugung eines dem erfassten Wechselstromes proportionalen Spannungssignals • einen Spannung/Strom-Wandler zur Erzeugung eines Ausgangsstromes welcher proportional zum von der Integratorschaltung erzeugten Spannungssignal ist.
Messanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Spannung/Strom-Wandler Ströme von bis zu 5 A zur Verfügung stellt.
Messanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Spannung/Strom-Wandler Ströme von bis zu 1 A zur Verfügung stellt.
Messanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung des Spannung/Strom-Wandler bis zu 5 VA beträgt.
Messanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eine passive Stromprägestufe enthält.
Messanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rogowski-Spule und die Integratorschaltung eine Baugruppe bilden.
Messanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rogowski-Spule, die Integratorschaltung und der Spannung/Strom-Wandler eine Baugruppe bilden.
Messsystem aufweisend: • eine Messanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, und • eine Rogowski-Spule zur Erfassung von Wechselströmen eines zu messenden Leiters.
Messsystem gemäß Anspruch 8 weiterhin aufweisend ein Energie & Leistungsmessgerät.