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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms in einer Leitung, sowie ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer solchen Anordnung.
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In leistungselektronischen Geräten ist eine Strommessung an vielen Stellen erforderlich. Hierzu werden unter anderem Betriebsstromsensoren eingesetzt, die einen ringförmigen magnetischen Kern aufweisen, der um eine stromführende Leitung, die sowohl einen einzelnen Leiter als auch eine Mehrzahl von Leitern umfassen kann, herum angeordnet wird, so dass ein Strom in der Leitung einen magnetischen Fluss im Kern hervorruft. Der magnetische Kern weist eine Feldsonde auf, die den magnetischen Fluss im Kern bestimmt. Um den magnetischen Kern herum ist weiterhin eine Kompensationswicklung angeordnet und mit einer Messelektronik verbunden, die zur Erzeugung eines Kompensationsstroms eingerichtet ist. Die Messelektronik ist ebenfalls mit der Feldsonde verbunden und regelt im Betrieb den Kompensationsstrom derart, dass der durch die Feldsonde bestimmte magnetische Fluss zu Null wird. Der hierzu erforderliche Kompensationsstrom wird in ein Messsignal umgewandelt, das mit dem in der stromführenden Leitung fließenden Gesamtstrom korreliert. Die Messelektronik wird in der Regel als integrierte Schaltung bereitgestellt.
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Als spezielle Form von Betriebsstromsensoren werden Differenzstromsensoren häufig zur Überwachung einer Isolation eines elektronischen Geräts eingesetzt. Hierzu werden die leistungsführenden Leiter des elektronischen Geräts, mit denen das Gerät mit einer weiteren Einrichtung, beispielsweise einer Energiequelle oder einem Verteilnetz, verbunden ist, dahingehend überwacht, dass die gerichtete Summe der Ströme auf den Leitern, also bei zwei Leitern die Differenz der Ströme, Null ist. Bei Vorliegen eines Isolationsfehlers im Gerät fließt ein Anteil des Stroms zum Beispiel über Erde ab, so dass diese Summe von Null abweicht. Die zu überwachenden Leiter werden bei Differenzstromsensoren als Ausführung von Betriebsstromsensoren als eine beide Leiter umfassende Leitung gemeinsam durch den magnetischen Kern geführt, so dass entgegengerichtete Stromkomponenten sich gegenseitig auslöschen und nur gleichgerichtete Stromkomponenten durch den Differenzstromsensor erfasst werden.
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Da die Isolationsüberwachung relevant für die Betriebssicherheit des elektronischen Geräts ist, wird eine Prüfbarkeit der Funktion der Überwachungsvorrichtung gefordert. Eine solche Prüfung kann in bekannter Weise über eine zusätzliche Prüfwicklung auf dem magnetischen Kern erfolgen, über die während eines Prüfschritts mittels eines Prüfstroms eine zusätzliche magnetische Flusskomponente erzeugt wird, die im funktionstüchtigen Zustand des Differenzstromsensors durch den Kompensationsstrom der Messelektronik zusätzlich kompensiert wird. Die Änderung des Kompensationsstroms beziehungsweise des Messsignals wird auf der Basis des Prüfstroms mit einem Erwartungswert verglichen und bei Abweichung von diesem als Fehlfunktion des Differenzstromsensors diagnostiziert.
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Weiterhin ist aus der Schrift
EP 1 956 384 A2 eine Stromsensoranordnung bekannt, bei der eine Teststromquelle in einen Kompensationskreis der Sensoranordnung eingebunden ist. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass zusätzliche Anschlussleitungen zur Ausgabe des Testsignals vorgesehen werden müssen.
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Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms auf einer Leitung hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit überprüfbar zu machen, ohne dass eine Prüfwicklung erforderlich ist. Weiterhin ist es Aufgabe dieser Erfindung, ein Prüfverfahren für eine solche Anordnung aufzuzeigen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms in einer Leitung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms in einer Leitung umfasst einen magnetischen Kern mit einer Feldsonde und einer Kompensationswicklung, und eine mit der Feldsonde verbundene Messelektronik, die dazu eingerichtet ist, einen Kompensationsstrom über einen Kompensationsstromkreis in die Kompensationswicklung einzuspeisen, um einen von der Feldsonde gemessenen magnetischen Fluss im Kern zu Null zu regeln, und die Höhe des Kompensationsstrom als Messsignal für den zu bestimmenden Gesamtstrom in der Leitung bereitzustellen. Die Anordnung weist weiterhin eine Prüfstromquelle auf, die dazu eingerichtet ist, während einer Prüfphase einen zusätzlichen Prüfstrom in den Kompensationsstromkreis einzuspeisen, um die Funktion der Anordnung anhand einer Änderung des Messsignals zu verifizieren. Durch die Einspeisung des zusätzlichen Prüfstroms in den Kompensationsstromkreis wird die Notwendigkeit einer zusätzlichen Prüfwicklung vermieden, so dass eine kostengünstigere Realisierung einer Prüffunktion möglich wird.
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Zur Erweiterung des Prüfumfangs kann die Messelektronik weiterhin dazu eingerichtet sein, zur Entmagnetisierung des magnetischen Kerns einen abklingenden Wechselstrom zu erzeugen, wobei das Messsignal während der Erzeugung des abklingenden Wechselstroms zur Verifikation der Funktion der Anordnung genutzt wird. Hierdurch kann auch ein Drahtbruch in der Kompensationswicklung zuverlässig erfasst werden.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Kompensationsstromkreis weiterhin einen Shuntwiderstand auf, wobei das Messsignal aus einer über den Shuntwiderstand abfallenden Spannung erzeugt wird, und wobei die Prüfstromquelle mit einem Anschluss zwischen dem Shuntwiderstand und der Kompensationswicklung angeschlossen ist, so dass ein von der Prüfstromquelle eingespeister Prüfstrom sich in Stromanteile aufteilen kann, die über die Kompensationswicklung oder den Shuntwiderstand fließen. Da ein über die Kompensationswicklung fließender Prüfstromanteil bei korrekter Funktion der Regelkette von dieser kompensiert wird, so dass lediglich ein Prüfstromanteil über den Shuntwiderstand als Messsignal nachweisbar wäre, kann durch die Prüfstromquelle beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren die korrekte Wirkung der gesamten Regelkette der Messelektronik geprüft werden.
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Die Prüfstromquelle ist in einer Ausführung zur Verifikation der Funktion der Anordnung in einem zusätzlichen oder alleinigen Prüfschritt dazu eingerichtet, einen Prüfstrom als Wechselstrom mit einer Schwingungsdauer oder als Stromimpuls mit einer Impulsdauer zu erzeugen, die kleiner als eine Reaktionszeit der Regelung der Steuerschaltung gewählt ist. In diesem Fall wird der über die Kompensationswicklung fließende Prüfstromanteil zumindest nicht vollständig über die Regelkette kompensiert, was an einem gegenüber einer vollständig kompensierbaren Prüfstromform geänderten Messsignal nachweisbar ist. Hierbei kann auch eine Dynamik der Regelkette geprüft und mit Vorgabewerten verglichen werden.
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Bei einer Ausführung der Prüfstromquelle als bipolare Stromquelle kann der Prüfungsumfang hinsichtlich der Reaktion der Regelkette der Messelektronik auf unterschiedlich gerichtete Flussänderungen im Kern erweitert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die vorstehend beschriebene Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms als Differenzstromsensor in einem Wechselrichter verwendet. Die Leitung, deren Gesamtstrom bestimmt werden soll, umfasst hierbei insbesondere die gemeinsam durch den Kern geführten Leiter, deren Differenzstrom zu überwachen ist. Die Anordnung kann zur Überwachung des Differenzstroms sowohl ACseitig als auch DC-seitig eingesetzt sein.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms in einer Leitung, wobei die Anordnung einen magnetischen Kern, mit einer Feldsonde und einer Kompensationswicklung und eine mit der Feldsonde verbundenen Messelektronik aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Kompensationsstrom in die Kompensationswicklung einzuspeisen, um ein von der Feldsonde gemessenes Feld zu Null zu regeln und die Höhe des Kompensationsstrom als Messsignal bereitzustellen, folgende Schritte: - zeitweises Einspeisen eines zusätzlichen Prüfstroms in den Kompensationsstromkreis und Erfassen einer zur Einspeisung korrespondierenden Änderung des Messsignals,
- - Anzeigen einer Fehlfunktion des Stromsensors, wenn die Änderung nicht einer zum Prüfstrom korrespondierenden Referenzänderung entspricht,
- - Anregen eines abklingenden Wechselstroms in der Kompensationswicklung und Erfassen eines Messsignals während des Anregens des abklingenden Wechselstroms, und
- - Anzeigen einer Fehlfunktion des Stromsensors, wenn das mit dem abklingenden Wechselstrom erfasste Messsignal nicht einem Referenzmesssignal entspricht.
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Die Referenzänderung beziehungsweise das Referenzmesssignal kann beispielsweise an einer ordnungsgemäß funktionierenden Anordnung bestimmt und in einer Auswerteeinheit hinterlegt werden.
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Die Möglichkeit, einen solchen abklingender Wechselstrom zu erzeugen, wird in der Regel von einer Entmagnetisiervorrichtung in der Messelektronik bereitgestellt, um bei Bedarf einen permanenten magnetischen Fluss in dem Kern des Stromsensors zu eliminieren, der andernfalls das Messergebnis des Stromsensors verfälschen würde. Die Entmagnetisierung mittels des abklingenden Wechselstroms beziehungsweise der damit verknüpfte Prüfschritt wird bevorzugt ausgeführt, wenn der Betrag eines durch den Stromsensor zu bestimmenden Gesamtstroms unter einem vorgegebenen Restwert liegt.
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Es ist von Vorteil, dass unterschiedliche Fehlfunktionen, beispielsweise in Form von unterschiedlichen Fehlersignalen, angezeigt werden, wenn die Änderung nicht der zum Prüfstrom korrespondierenden Referenzänderung entspricht, beziehungsweise wenn das mit dem abklingenden Wechselstrom erfasste Messsignal nicht dem zugehörigen Referenzmesssignal entspricht. Der letztere Fall kann auf einen Drahtbruch im Kompensationsstromkreis hinweisen, der erstere Fall kann durch einen Kurzschluss oder Teilkurzschluss in der Kompensationswicklung verursacht sein. Andere Fehlerursachen, insbesondere ähnlich- oder gleichwirkende Ursachen, sollen hierbei aber nicht ausgeschlossen werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen
- 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführung einer Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms;
- 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Anordnung zur Bestimmung eines Gesamtstroms;
- 3 eine erste bevorzugte Ausführung einer Prüfstromquelle; sowie
- 4 eine zweite bevorzugte Ausführung einer Prüfstromquelle zeigen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung einer Anordnung 1 zur Bestimmung eines Gesamtstroms. Der zu bestimmende Gesamtstrom ist durch einen oder mehrere Leiter, die eine gemeinsame Leitung 4 bilden, durch einen magnetischen Kern 5 geführt. Hier sind zwei Leiter als Leitung 4 gemeinsam durch den Kern 5 geführt, so dass der im Kern 5 erzeugte Fluss durch die gerichtete Summe der Ströme der beiden Leiter bestimmt ist. Bei entgegengerichteten Stromanteilen entspricht dies der Differenz der Strombeträge auf den einzelnen Leitern.
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Der Kern 5 weist weiterhin eine Feldsonde 6 und eine Kompensationswicklung 7 auf, die beide mit Eingängen einer Messelektronik 3 verbunden sind, die als integrierter Schaltkreis realisiert sein kann. Die Feldsonde 6 erzeugt ein Signal, das dem magnetischen Fluss im Kern 5 entspricht, und gibt dieses Signal über Anschlussleitungen an eine Schnittstelle 8 der Messelektronik 3 weiter. Das Signal wird dann über einen an der Schnittstelle angeschlossenen Filter 9 weiter verarbeitet und das weiter verarbeitete Signal steuert einen Treiber 10 an. Der Treiber 10 erzeugt in Abhängigkeit des verarbeiteten Signals einen Kompensationsstrom, der an Kompensationsstromausgängen, an denen über einen Shuntwiderstand 12 die Kompensationswicklung anschlossen ist, bereitgestellt wird.
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Eine über den Shuntwiderstand 12 abfallende Spannung wird über Eingangsanschlüsse eines Messverstärkers 13 der Messelektronik 3 verstärkt und als Messsignal für die Höhe des Kompensationsstroms und somit für die Höhe des den magnetischen Fluss im Kern 5 verursachenden Betriebsstroms an einem Signalausgang 14 bereitgestellt. Die aus der Feldsonde 6, der Schnittstelle 8, dem Filter 9 und dem Treiber 10 gebildete Regelkette ist derart ausgebildet, dass ein Kompensationsstrom solcher Höhe auf die Kompensationswicklung 7 gegeben wird, dass der durch die Feldsonde 6 gemessene magnetische Fluss im Kern 5 zu Null geregelt wird.
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Um zu verhindern, dass eine permanente Restmagnetisierung des Kerns 5 eine Verfälschung des Messsignals, insbesondere einen Offset verursacht, ist die Messelektronik mit einer aktivierbaren Entmagnetisiervorrichtung 11 ausgestattet, die bei ihrer Aktivierung mithilfe des Treibers 10 einen Wechselstrom auf die Kompensationswicklung einspeist. Die Frequenz des Wechselstroms wird hierbei sukzessive erhöht, so dass dessen Amplitude wegen der dabei steigenden Impedanz der Kompensationswicklung 7 bis auf nahezu Null abklingt. Die Einwirkung der aus der Feldsonde 6, der Schnittstelle 8 und dem Filter 9 gebildeten Regelkette auf den Treiber 10 wird hierfür vorübergehend deaktiviert.
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Zu Prüfzwecken ist an die Kompensationswicklung parallel zum Treiber 10 eine aktivierbare Prüfstromquelle 15 derart angeschlossen, dass der Strom der Prüfstromquelle 15 sich in einen über die Kompensationswicklung 7 und einen über den Shuntwiderstand 12 fließenden Anteil aufteilt. Die Prüfstromquelle 15 ist hier weiterhin mit einem Referenzpotenzial 16 verbunden, das auch ein Versorgungspotenzial des Treibers 10 darstellt. Die Prüfstromquelle 15 kann bei Aktivierung einen Prüfstrom in Form eines Rechteck-Impulses vorgegebener Dauer und Stromstärke erzeugen, es kann aber auch bei Verwendung einer bipolaren Prüfstromquelle ein Wechselstrom mit wechselndem Vorzeichen als Prüfstrom erzeugt werden. Sofern die Dauer des Anliegens des Prüfstroms ausreichend lang gewählt wird, dass die Regelkette vollständig auf den durch den Prüfstrom erzeugten zusätzlichen magnetischen Fluss reagieren kann, wird der Treiber 10 einen um die Höhe des Prüfstroms geänderten Strombetrag bereitstellen, so dass diese Änderung als geänderter Spannungsabfall am Shuntwiderstand 12 und über den Messverstärker 13 als entsprechend geändertes Messsignal bestimmbar ist. Ein Kurzschluss oder Teilkurzschluss in der Kompensationswicklung 7 als zu bestimmender Fehler bewirkt, dass der Prüfstrom keinen oder einen geringeren magnetischen Fluss im Kern 5 als erwartet verursacht, so dass die Änderung des Signals der Feldsonde geringer als erwartet ausfällt und der Regelkreis einen veränderten, in der Regel erhöhten Kompensationsstrom bereitstellt, der wiederum im Vergleich zum Fall einer nicht kurzgeschlossenen Kompensationswicklung 7 zu einem geänderten Messsignal führt. Ein Vergleich der Änderung des Messsignals mit einer Referenzänderung, die der erwarteten Änderung entspricht, erlaubt es daher, diese Fehlerart zu erkennen.
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Ein Drahtbruch im Kompensationsstromkreis kann so nicht zuverlässig ermittelt werden. Hierzu kann aber die Entmagnetisierungsvorrichtung 11 genutzt werden. Eine Aktivierung der Entmagnetisierungsvorrichtung 11 sollte einen dem Entmagnetisierungsstrom entsprechenden zusätzlichen Spannungsabfall am Shuntwiderstand 12 und damit eine entsprechende Änderung des Messsignals zur Folge haben. Wird die erwartete Änderung des Messsignals bei Aktivierung der Entmagnetisierungsvorrichtung 11 nicht erreicht, kann auf einen Drahtbruch im Kompensationsstromkreis geschlossen werden.
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Die Anordnung 1 gemäß 2 unterscheidet sich von der Anordnung aus 1 dadurch, dass die Prüfstromquelle 15 direkt in den Kompensationsstromkreis eingebunden ist und dadurch, dass der Messverstärker 13 konkret als Operationsverstärker mit vorgeschaltetem resistiven Spannungsteiler ausgeführt ist. Weiterhin speist in der Anordnung 1 gemäß 2 die Entmagnetisiervorrichtung 11 den von ihr erzeugten Wechselstrom unter Umgehung des Treibers 10 direkt in den Kompensationsstromkreis ein. Die einzelnen beschriebenen Unterschiede zwischen den Ausführungsformen der 1 und den Ausführungsformen der 2 können auch beliebig ausgetauscht werden, um weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Anordnung zu bilden.
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3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Prüfstromquelle 15. Durch Anlegen eines PWM-Signals an dem Steueranschluss 21 des Schalters 20 wird bewirkt, dass die Spannungsquelle 22 einen temperaturstabilen Prüfstrom an den Ausgängen 23, 24 der Prüfstromquelle 15 bereitstellt. Die Höhe des Prüfstroms ist über den Tastgrad des PWM-Signals variabel einstellbar und abschaltbar.
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In 4 ist eine weitere, konkretisierte Ausgestaltung einer Prüfstromquelle 15 gezeigt, bei der der Schalter 20 als MOSFET ausgeführt und ein Tiefpass-Filter dem Schalter 20 nachgeschaltet ist.
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Dem Fachmann ist klar, dass auch andere, insbesondere ohnehin im Gerät vorhandene Stromquellen oder Spannungsquellen als Prüfstromquelle 15 eingesetzt werden können, sofern der durch sie eingespeiste Prüfstrom bekannt ist oder anderweitig bestimmt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Betriebsstromsensor
- 3
- Messelektronik
- 4
- Leitung
- 5
- Kern
- 6
- Feldsonde
- 7
- Kompensationswicklung
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Filter
- 10
- Treiber
- 11
- Entmagnetisiervorrichtung
- 12
- Shuntwiderstand
- 13
- Messverstärker
- 14
- Signalausgang
- 15
- Prüfstromquelle
- 16
- Referenzpotenzial
- 20
- Schalter
- 21
- Steueranschluss
- 22
- Spannungsquelle
- 23
- Ausgang
- 24
- Ausgang
