DE10204424C1 - Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip - Google Patents
Stromsensor nach dem KompensationsprinzipInfo
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Abstract
Stromsensor mit einem Primärleiter (1), einer Kompensationswicklung (6), einer Magnetfeldsonde (3) zur Messung eines von Primärleiter (1) und Kompensationswicklung (6) erzeugten resultierenden Magnetfeldes, einem Kern (2) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (1), Kompensationswicklung (6) und Magnetfeldsonde (3), einer zwischen Magnetfeldsonde (3) und Kompensationswicklung (6) geschalteten Kompensationsschaltung (4, 5), einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensationsstromes (i¶2¶) als Maß für den in dem Primärleiter (1) fließenden, zu messenden Strom (i¶1¶) sowie einer Entmagnetisierungsschaltung (10), die für eine begrenzte Zeitdauer einen Wechselstrom mit sich zeitlich ändernder Frequenz in die Kompensationsspule (6) einspeist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Stromsensor nach dem Kompensati
onsprinzip mit einem Primärleiter, durch den ein zu messender
Strom fließt; mit einer Kompensationswicklung, die mit einem
Kompensationsstrom gespeist wird; mit einer Magnetfeldsonde
zur Messung eines von Primärleiter und Kompensationswicklung
erzeugten resultierenden Magnetfeldes; mit einem Kern zur
magnetischen Kopplung von Primärleiter, Kompensationswicklung
und Magnetfeldsonde; mit einer Kompensationsschaltung, die
eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde und ausgangsseitig mit
der Kompensationswicklung den Kompensationsstrom erzeugend
verschaltet ist; und mit einer Strommessschaltung zur Bestim
mung des Kompensationsstromes als Maß für den in den Primär
leiter fließenden, zu messenden Strom.
Ein derartiger Stromsensor ist beispielsweise aus der
DE 42 30 939 C2 bekannt, wobei ein Wechselstrom konstanter
Frequenz zur Entmagnetisierung in eine zusätzliche Spule des
Stromsensors eingespeist wird. Entmagnetisierungsschaltungen
für sich sind beispielsweise aus der DE 198 55 457 C2 be
kannt. Stromsensoren allgemein sind der DE 198 44 726 A1,
DE 295 20 066, JP 60 205 374 AA, JP 62 01 731 AA und
JP 11 083 908 AA.
Aus der EP-A-0742440 ist zudem ein Stromsensor nach dem Kom
pensationsprinzip bekannt, bei dem mittels eines mit einer
Magnetfeldsonde verbundenen Treibers in die Primärwicklung
eines Ringkerns ein zu messender Strom eingespeist wird. Der
Treiber regelt den Kompensationsstrom derart, dass das Mag
netfeld im Ringkern vollständig bis auf einen verschwindend
kleinen Wert ausgeregelt wird. Der Kompensationsstrom ist
dann ein Maß für den in der Primärwicklung fließenden Strom.
Kompensationsstromwandler führen demnach in der Kompensati
onswicklung einen Strom, der zum zu messenden Strom im Pri
märleiter (Primärwicklung) proportional ist. Die Stromstärke
des Sekundärstroms wird üblicherweise mit einem Bürdenwider
stand in ein Spannungssignal umgewandelt und ist proportional
zum zu messenden Strom.
Eine andere Ausführungsform eines Stromsensors ist aus der
DE 196 42 472 A bekannt. Bei dieser Bauart wird die Endstufe
für den Kompensationsstrom über eine getaktete Endstufe ange
steuert. Die Steuergröße für die Endstufe wird über ein fre
quenzmoduliertes Signal mit konstanter Pulslänge angesteuert.
Darüber hinaus ist auch aus der DE 197 05 767 C2 eine puls
weitenmodulierte Ansteuerung der Endstufe bekannt, die sich
wie alle pulsweitenmodulierten Stromsensoren durch einen ge
ringen Leistungsbedarf auszeichnet.
Problematisch ist jedoch bei den bekannten, insbesondere ana
logen Stromsensoren, dass die Kompensationsschaltungen einen
Kompensationsstrom erzeugen, der einen Gleichstromanteil und
einen Wechselstromanteil aufweist. Der Gleichstromanteil wird
dabei hauptsächlich durch die Remanenz des Kerns hervorgeru
fen. Dieser als Offset wirkende Gleichstromanteil schränkt
dabei den Messbereich des Stromsensors deutlich ein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stromsensor der
Eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der
durch die Remanenz des Kerns bewirkte Offset verringert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromsensor gemäß Patent
anspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfin
dungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Im Einzelnen wird die Aufgabe bei einem Stromsensor der ein
gangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Entmagnetisie
rungsschaltung vorgesehen wird, die beispielsweise nach dem
Aktivieren (Einschalten, Starten, Freigeben etc.) des
Stromsensors für eine begrenzte Zeitdauer einen Wechselstrom
mit zeitlich abnehmender Amplitude und ansteigender Frequenz
in die Kompensationsspule eingespeist. Auf diese Weise wird
die Kompensationsspule eingespeist. Auf diese Weise wird vor
zugsweise bei Aufnahme des Betriebs des Stromsensors eine
Entmagnetisierung des Kerns vorgenommen. Vorteil der Erfin
dung ist es dabei, dass dazu ein nur sehr geringer schal
tungstechnischer Aufwand benötigt wird.
Für die Entmagnetisierung ist es von besonderem Vorteil, wenn
die Frequenz des Wechselstromes sich mit fortschreitender
Zeit logarithmisch erhöht.
Ein geringer Schaltungsaufwand kann insbesondere auch dadurch
erreicht werden, dass der Wechselstrom durch eine rechteck
förmige Wechselspannung erzeugt wird ist, so dass die Entmag
netisierungsschaltung im schaltenden Betrieb arbeiten kann
und daher nur unaufwendige und wenig Verlustleistung erzeu
gende Schalterelemente benötigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Stromsensors ist vorgesehen, dass die Entmagnetisierungs
schaltung zwei Zähler aufweist, die mit zwei miteinander syn
chronisierten Takten unterschiedlicher Frequenz betrieben
werden, und dass der mit dem höherfrequenteren Takt betriebe
ne Zähler mit seinem höchstwertigen Bit sich selbst auf einen
Startwert setzt und ein Speicherelement abwechselnd setzt und
zurücksetzt, wobei der mit dem höherfrequenten taktbetriebene
Zähler auf den Zählerstand des mit dem niederfrequenteren
taktbetriebenen Zählers als Startwert gesetzt wird und das
Ausgangssignal der Entmagnetisierungsschaltung am Ausgang des
Speicherelements abgenommen wird.
Bevorzugt werden erfindungsgemäße Entmagnetisierungsschaltun
gen in digitaler Schaltungstechnik und bei in digitaler
Schaltungstechnik ausgeführten Kompensationsschaltungen ein
gesetzt welche mit pulsweitenmodulierten Eingangssignalen an
gesteuert werden und ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal
abgeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Kompensationsstromsen
sors mit einer erfindungsgemäßen Entmagnetisie
rungsschaltung,
Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Entmagneti
sierungsschaltung und
Fig. 3 das Ausgangssignal einer erfindungsgemäßen
Entmagnetisierungsschaltung.
Wie in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt fließt bei einem Strom
sensor nach dem Kompensationsprinzip ein zu messender Strom
durch eine Primärwicklung 1 eines Stromtransformators, der
beispielsweise einen Magnetkern 2 sowie einen den Magnetfluss
im Magnetkern 2 messenden Magnetfeldsensor 3 aufweist. Der
Magnetfeldsensor 3 besteht beispielsweise aus einem mit einer
Indikatorwicklung versehenen weichmagnetischen Kern (oder ei
nem Hall-Element). Zur Auswertung wird die Indikatorwicklung
pulsförmig bipolar magnetisiert und die Unsymmetrien der
Strom- und Spannungsamplituden zur Auswertung genutzt. Das
Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 3 wird in einer nachge
schalteten Auswerteschaltung 4 aufbereitet, der wiederum eine
Treiberschaltung 5 nachgeschaltet ist. Der Ausgang der Trei
berschaltung 5 speist über einen Abschlusswiderstand 7 eine
Sekundärwicklung 6.
Der zu messende Strom i1 erzeugt mittels der Primärwicklung 1
einen magnetischen Fluss im Magnetkern 2, der von dem Magnet
feldsensor 3 erfasst wird. Die den Magnetfeldsensor 3 nachge
schaltete Auswerteschaltung 4 liefert ein von der Größe und
Richtung des Magnetfelds im Magnetkern 2 abhängiges Signal an
die Treiberschaltung 5, die einen Kompensationsstrom i2 durch
die Sekundärwicklung 6 treibt. Der Kompensationsstrom i2 ist
so gerichtet, das sein Magnetfeld den Magnetfluss im Magnet
kern 2 kompensiert. Der Kompensationsstrom i2 in der Sekun
därwicklung 6 wird vom Magnetfeldsensor 3 in Verbindung mit
der Auswerteschaltung 4, der Treiberschaltung 5 sowie der Se
kundärwicklung 6 so lange geändert, bis das Magnetfeld im
Magnetkern 2 zu Null wird. In diesem Fall ist der Kompensati
onsstrom i2 in der Sekundärwicklung 6 ein Maß für den Augen
blickswert des zu messenden Stroms i1 in der Primärwicklung
1, wobei sowohl Gleich- als auch Wechselströme erfasst werden
können. Der Kompensationsstrom i2 fließt zu dem durch den Ab
schlusswiderstand 7, an dem die Ausgangsspannung Ua des
Stromsensors abfällt. Die Ausgangsspannung Ua entspricht da
bei in Größe und Phasenlage dem zu messenden Strom i1 in der
Primärwicklung 1.
Um einen geringen Leistungsverbrauch zu erzielen, ist im vor
liegenden Fall die Treiberschaltung 5 getaktet ausgeführt.
Die getaktete Treiberschaltung 5 erzeugt dabei aus dem von
der Auswerteschaltung 4 bereitgestellten pulsweitenmodulier
ten Signal eine entsprechende pulsweitenmodulierte Spannung
zur Speisung der Sekundärwicklung 2. Darüber hinaus weist die
Treiberschaltung 5 neben einem Pulsweitenmodulationsverstär
ker 9 eine Endstufe 8 auf, die dementsprechend schaltend be
trieben wird, so dass die Endstufentransistoren entweder voll
durchgeschaltet oder voll abgeschaltet sind. Da im durchge
schalteten Zustand die Verlustleistung durch den in diesem
Fall relativ geringen Spannungsabfall und den durch sie flie
ßenden Strom bestimmt wird, ergibt sich insgesamt eine äu
ßerst geringe Verlustleistung und damit eine geringe Wärme
entwicklung, so dass keine aufwendigen Kühlmaßnahmen notwen
dig sind. Der erforderliche Kompensationsstrom i2 wird dabei
durch ein entsprechendes Pulsweitenverhältnis, dass heißt das
Verhältnis von Einschaltdauer zur Ausschaltdauer, einge
stellt. Aufgrund des höheren maximalen Kompensationsstromes
i2 lassen sich vorteilhafterweise Sekundärwicklungen mit ge
ringeren Windungszahlen realisieren, wodurch bei gleichem
Bauvolumen höhere Ströme gemessen werden können.
Erfindungsgemäß ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Stromsensor
eine Entmagnetisierungsschaltung 10 vorgesehen, die für eine
bestimmte Zeitdauer einen Wechselstrom mit sich zeitlich än
dernder Frequenz in die Kompensationsspule einspeist. Die
Zeitdauer wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch
ein Steuersignal CS gestartet und mit einem Steuersignal AE
beendet. Für die bestimmte Zeitdauer wird dabei die Entmag
netisierungsschaltung 10 mit dem Steuersignal CS aktiviert
und gleichzeitig ein Pulweitenmodulationsverstärker 9 über
mit dem Steuersignal AE für diesen Zeitraum deaktiviert.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Entmagnetisie
rungsschaltung 10 aus Fig. 1 detaillierter dargestellt. Die
Entmagnetisierungsschaltung 10 weist dabei zwei Zähler 12 und
13 auf, die synchron aus einer Taktquelle 14 getaktet werden,
wobei des Taktsignal der Taktquelle 14 dem Zähler 13 direkt
und dem Zähler 12 unter Zwischenschaltung eines Frequenztei
lers 15 dem jeweiligen Takteingang C zugeführt wird. Die Ein
gangsleitungen des Zählers 13 sind dabei mit den Ausgangslei
tungen des Zählers 12 verbunden. Der Setzeingang S des Zäh
lers 13 ist dabei an das höchstwertige Bit MSB des Zählers 13
angeschlossen, das zudem das Steuersignal AE bildet. Darüber
hinaus sind die Rücksetzeingänge R der beiden Zähler 12 und
13 den Steuereingang CS bildend verschaltet. Die höherwer
tigste Bitleitung MSB ist zudem auf ein durch ein D-Flip-Flop
gebildetes Speicherelement 16 geführt.
Im Messmodus sind die beiden Zähler 12, 13 zurückgesetzt und
erzeugen somit kein Ausgangssignal Es. Tritt ein den Entmag
netisierungsmodus bestimmendes impulsförmiges Signal CS (zum
Beispiel "low") auf, dann werden beide Zähler 12 und 13 zu
nächst auf Null gesetzt. Beide Zähler zählen dann aufwärts,
wobei beide unterschiedliche Zählgeschwindigkeiten aufgrund
der unterschiedlichen Takte haben. Ändert sich das höchstwer
tige Bit MSB des Zählers 13 von Null auf Eins, so wird der
Zähler 13 mit dieser Flanke auf die an seinem Eingang anlie
genden Werte gesetzt. Im des Zählers 13 ist dies der aktuelle
Zählerstand des Zählers 12. Daraufhin startet der Zähler 13
von dem neuen Zählerstand aus. der Zähler 13 läuft weiter.
Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, wobei der zeitliche
Abstand zwischen den Wiederholungen geringer wird und damit
die Frequenz des rechteckförmigen Stromes am Ausgang der End
stufe 8 logarithmisch zunimmt. Das Speicherelement 16 wird
dabei mittels des höchstwertigen Bits MSB des Zählers 13 ab
wechselnd auf Null und Eins gesetzt, wobei entsprechend die
Periodendauer abnimmt. Wenn der Zähler 12 sein höchstwertiges
Bit auf Eins setzt, wird das Steuersignal AE gesetzt und die
Abmagnetisierung beendet.
Fig. 3 zeigt den Strom i2 durch die Sekundärwicklung 6 wäh
rend der Zeitdauer tE. Wie zu ersehen ist, nimmt die Frequenz
des Rechtecksignals logarithmisch über der Zeit zu, so dass
der Kern 2 abmagnetisiert wird.
Claims (5)
1. Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit
einem Primärleiter (1), durch den ein zu messender Strom (i1) fließt,
einer Kompensationswicklung (6), die mit einem Kompensa tionsstrom (i2) gespeist wird,
einer Magnetfeldsonde (3) zur Messung eines von Primär leiter (1) und Kompensationswicklung (6) erzeugten resultie renden Magnetfeldfeldes,
einem Kern (2) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (1), Kompensationswicklung (6) und Magnetfeldsonde (3),
einer Kompensationsschaltung (4, 5), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (3) und ausgangsseitig mit der Kom pensationswicklung (6) den Kompensationsstrom (i2) erzeugend verschaltet ist, und
einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensa tionsstromes (i2) als Maß für den in dem Primärleiter (1) fließenden, zu messenden Strom (i1) gekennzeichnet, durch
eine Entmagnetisierungsschaltung (10), die für eine be grenzte Zeitdauer einen Wechselstrom mit zeitlich abnehmender Amplitude in die Kompensationsspule (6) einspeist,
wobei die Frequenz des Wechselstromes mit fortschreiten der Zeit sich erhöht.
einem Primärleiter (1), durch den ein zu messender Strom (i1) fließt,
einer Kompensationswicklung (6), die mit einem Kompensa tionsstrom (i2) gespeist wird,
einer Magnetfeldsonde (3) zur Messung eines von Primär leiter (1) und Kompensationswicklung (6) erzeugten resultie renden Magnetfeldfeldes,
einem Kern (2) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (1), Kompensationswicklung (6) und Magnetfeldsonde (3),
einer Kompensationsschaltung (4, 5), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (3) und ausgangsseitig mit der Kom pensationswicklung (6) den Kompensationsstrom (i2) erzeugend verschaltet ist, und
einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensa tionsstromes (i2) als Maß für den in dem Primärleiter (1) fließenden, zu messenden Strom (i1) gekennzeichnet, durch
eine Entmagnetisierungsschaltung (10), die für eine be grenzte Zeitdauer einen Wechselstrom mit zeitlich abnehmender Amplitude in die Kompensationsspule (6) einspeist,
wobei die Frequenz des Wechselstromes mit fortschreiten der Zeit sich erhöht.
2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Wechselstrom durch eine rechteckförmige Wechselspan
nung erzeugt wird.
3. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Frequenz sich über der Zeit
logarithmisch erhöht.
4. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
dass die Entmagnetisierungsschaltung (10) zwei Zähler (12, 13) aufweist, die mit zwei miteinander synchronisierten Takten unterschiedlicher Frequenz betrieben werden,
dass der mit dem höherfrequenteren Takt betriebene Zähler (13) mit seinem höchstwertigen Bit sich selbst zurücksetzt und ein Speicherelement (16) abwechselnd setzt und zurück setzt,
wobei der mit dem höherfrequenteren Takt betriebene Zäh ler (13) auf den Zählerstand des mit dem niederfrequenteren Takt betriebenen Zählers (12) zurückgesetzt wird und das Aus gangssignal (Es) der Entmagnetisierungsschaltung (10) am Aus gang des Speicherelements (16) abgenommen wird.
dass die Entmagnetisierungsschaltung (10) zwei Zähler (12, 13) aufweist, die mit zwei miteinander synchronisierten Takten unterschiedlicher Frequenz betrieben werden,
dass der mit dem höherfrequenteren Takt betriebene Zähler (13) mit seinem höchstwertigen Bit sich selbst zurücksetzt und ein Speicherelement (16) abwechselnd setzt und zurück setzt,
wobei der mit dem höherfrequenteren Takt betriebene Zäh ler (13) auf den Zählerstand des mit dem niederfrequenteren Takt betriebenen Zählers (12) zurückgesetzt wird und das Aus gangssignal (Es) der Entmagnetisierungsschaltung (10) am Aus gang des Speicherelements (16) abgenommen wird.
5. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
dass die Kompensationsschaltung in digitaler Schaltungs
technik ausgeführt ist, mit pulsweitenmodulierten Eingangs
signalen angesteuert wird und pulsweitenmodulierte Ausgangs
signale abgibt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002104424 DE10204424C1 (de) | 2002-02-04 | 2002-02-04 | Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip |
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DE2002104424 DE10204424C1 (de) | 2002-02-04 | 2002-02-04 | Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=27762387
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