DE10237920B3

DE10237920B3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Strommessung

Info

Publication number: DE10237920B3
Application number: DE10237920A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Maier; Jürgen RUPP
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: WO2004021021A3; US7242177B2; EP1529220A2; WO2004021021A2; US20060164069A1

Abstract

Vorbeschrieben ist ein Verfahren mit zugehöriger Schaltungsanordnung, bei denen zur Auswertung eines Messsignals, das auf gegenüber Nullpotential höherem Potential in einer Messeinrichtung, die einen Versorgungsstrom benötigt, als Analogwert anfällt und dessen Messinformation nach einer A/D-Wandlung als Digitalsignal zu einer auf Erdpotential liegenden Auswerteeinheit übertragen wird. Dabei liefert das erzeugte Digitalsignal den Takt für eine Modulation des Versorgungsstromes und erfüllt somit gleichermaßen die Funktion des Trägers für den Informationsgehalt des Messsignals. Gemäß der Erfindung werden gekrümmte Kennlinien zur Kompression/Dekompression der Signale verwendet. Gleichermaßen sind geeignete Mittel zur Temperaturkompensation vorhanden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strommessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Schaltungsanordnung.
Eine bekannte Methode zur Strommessung besteht darin, den Spannungsabfall über einen Shunt-Widerstand zu messen. Dabei werden in modernen Mess- und Schaltgeräten häufig Digital-Analog-Wandler (ADC's) verwendet, die das analoge Messsignal in einen digitalen Messwert wandeln. Dabei können folgende Probleme auftreten:

a) Das Messsignal weist einen hohen Dynamikbereich auf, da kleine Ströme (< 10% Nennstrom) noch mit akzeptabler Auflösung gemessen werden müssen und große Ströme (>=10facher Nennstrom) auch noch erfasst werden müssen.
b) Die Genauigkeit darf durch den Einfluss der Umgebungstemperatur nicht unzulässig beeinträchtigt werden.
c) Die elektronischen Komponenten (ADC, Prozessor, etc.) müssen mit Strom versorgt werden. Häufig sind dabei zwei (galvanisch) getrennte Stromversorgungen nötig, da Komponenten sowohl auf niedrigem Potential (N-Potential oder künstlicher Sternpunkt) als auch auf hohem Außenleiter-Potential vorhanden sind.
d) Außer dem Außenleiterstrom muss häufig auch noch die Außenleiterspannung gegen N-Potential gemessen werden.
e) Bei Überlast oder Kurzschluss muss der Hauptstromkreis abgeschaltet werden.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 101 05 982 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren der eingangs genannten Art vorbeschrieben, bei dem ein Messsignal auf gegenüber Nullpotential höherem Potential liegt und eine Messeinrichtung vorhanden ist, die einen Versorgungsstrom be nötigt, wobei das Messsignal als Analogwert anfällt und dessen Messinformation nach einer A/D-Wandlung als Digitalsignal zu einer auf Erdpotential liegenden Auswerteeinheit übertragen wird und wobei nach der A/D-Wandlung des Messsignals das erzeugte Digitalsignal den Takt für eine Modulation des Versorgungsstromes liefert, der somit gleichermaßen die Funktion des Trägers für den Informationsgehalt des Messsignals erfüllt. Zur Beherrschung vorgenannter Problempunkte werden dabei folgende Maßnahmen ausgeführt:

a) Hohe Dynamik: Es werden Analog-Digitalwandler mit linearer Kennlinie und entsprechend hoher Auflösung (Bitzahl) erwendet.
b) Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Genauigkeit Es werden für den Shunt (teuere) Speziallegierungen gewählt, die einen kleinen Temperaturkoeffizienten aufweisen.
c) Die Spannung wird entweder über Spannungswandler, d.h. transformatorisch, oder über Spannungsteiler direkt einem ADC auf niedrigem Potential zugeführt.

Aus der DE 198 02 831 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Wechselstrom zur Sättigung des Kernes eines Stromtransformators unter Verwendung von Werten von Sekundärstrom vorbekannt. Dabei wird durch Messung des Sekundärstromes bis zum Sättigungspunkt und durch Multiplizieren mit einem Einstellfaktor, der den fehlenden Teil der Wellenform nach der Sättigung auffüllt, wenn der Sekundärstrom im wesentlichen Null ist, der dynamische Bereich des Stromtransformators gesteigert. Der Einstellfaktor wird durch das Verhältnis des Integrals der Funktion des Stroms zum Integral der Funktion bis zum Sättigungspunkt gebildet. Die zu messenden Werte des Stromes liegen dabei auf Erdpotential.

Ausgehend vom Stand der Technik und dem eingangs beschriebenen Sachverhalt ist es dagegen Aufgabe der Erfindung, technische Verbesserungen bei der Übertragung von Messwerten, die auf hohem Potential beispielsweise als Stromwert anfallen und auf Erdpotential ausgewertet werden, zu realisieren und hierzu eine geeignete Anordnung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen der Verfahrensansprüche gelöst. Zugehörige Schaltungsanordnungen sind in den Sachansprüchen angegeben.

Die Erfindung ist im Wesentlichen durch folgende Maßnahmen bzw. Merkmale gekennzeichnet:

a) Dynamik: Der ADC wird nicht mit einer linearen, sondern mit einer gekrümmten Kennlinie realisiert. Dadurch wird das Messsignal komprimiert und für die gleiche Dynamik reicht eine geringere Bitzahl aus. Dieses Verfahren, welches unter dem Begriff Kompression bekannt ist, soll so vorteilhaft auf die Strommessung angewandt werden. Mögliche Kennlinien sind logarithmische Kennlinien (mit beson derer Nullpunktsbehandlung), die den Vorteil einer konstanten, relativen Genauigkeit, d.h. Fehler bezogen auf Messwert, haben, oder eine Wurzelfunktion, die den Vorteil einer einfachen Expansion durch Quadrieren, z.B. in einem Mikrocontroller, bietet.
b) Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Genauigkeit: Für den Shunt wird keine spezielle Widerstandslegierung gewählt, sondern ein Stück ohnehin vorhandener Schiene aus Leitermaterial verwendet. Zur lokalen Widerstandserhöhung (für den Shunt) wird der Querschnitt durch Verengungen vermindert. Der hohe Temperaturkoeffizient von Kupfer wird kompensiert, indem der ADC über eine Referenzspannung verfügt, die einen möglichst gleich großen und gleichlaufenden Temperaturkoeffizienten aufweist. Die Messeinheit, die ohnehin auf hohem Potential liegt, kann in gutem thermischen Kontakt mit der verwendeten Kupferschiene montiert werden, so dass beide auf gleichem Temperaturniveau liegen.
c) Spannungsversorgung: Gegenstand der bereits erwähnten DE 101 05 982 A1 mit der Bezeichnung "Verfahren zur Auswertung eines Messwertes und zugehörige Schaltungsanordnung" ist unter anderm ein Verfahren zur Strommessung auf Potential, bei dem der Versorgungsstrom der auf Potential liegenden Komponenten direkt aus dem Netz zu beziehen und den Messwert durch Modulation des Versorgungsstromes auf niedriges Potential zu übertragen. Diese Grundidee kann nunmehr vorteilhaft dahingehend erweitert werden, dass neben dem Versorgungsstrom der Komponenten auf hohem Potential auch der Versorgungsstrom der auf niedrigem Potential liegenden Komponenten aus dem Netz direkt bezogen wird. Um die Verlustleitung nicht unnötig hoch werden zu lassen, können die Spannungsteiler auch teils mit ohmschen Widerständen, teils mit Kondensatoren realisiert werden.
d) Außenleiterspannungsmessung: Die Außenleiterspannung wird mit Hilfe eins ohnehin vorhandenen Spannungsteilers gemessen. Dazu wird entweder der Spannungsabfall am oberen Widerstand RLx einem zusätzlichen Kanal der Messeinrichtung auf Potential zugeführt oder der Spannungsabfall am unteren Widerstand Rx auf einem ADC der Auswerteeinrichtung auf niedrigem Potential. Hierzu wird im Einzelnen auf die weiter unten beschriebene 6 verwiesen.

Gegenüber dem Stand der Technik werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

a) Hohe Dynamik: Das Verfahren hat den Vorteil, dass preisgünstigere ADCs verwendet werden können, die nicht über den gesamten Messbereich eine hohe Auflösung bereitstellen müssen.
b) Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Genauigkeit: Das Verfahren hat den Vorteil, dass keine teure Speziallegierung verwendet werden muss, sondern ein Stück ohnehin vorhandene Schiene aus Leitermaterial benutzt wird. Außerdem entfällt die Befestigung (Schrauben, Nieten) der Widerstandselementes am Kupfer. Trotzdem wird durch die Temperaturkompensation eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
c) Spannungsversorgung: Das Verfahren hat den Vorteil, dass Kosten, Gewicht und Platzbedarf eingespart wird.
d) Der Spannungsabfall an den Widerständen fällt bei der beschriebenen Strommesseinrichtung ohnehin an und kann somit mit einfachen Mitteln und kostengünstig für die zusätzliche Spannungsmessung benutzt werden.

Die Erfindung wird anhand nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen näher erläutert. Es zeigen
1 die Anordnung einer Messeinrichtung mit einem auf hohen Potential liegendem Shunt und des Shuntwiderstandes,
2 ein logarithmisch komprimierter Code zur Verwendung bei der Messeinrichtung gemäß 1,
3 einen logarithmisch expandierter Messwert zur Verwendung bei der Messeinrichtung gemäß 1,
4 einen entsprechend einer Quadratwurzelkurve komprimierten Code als Alternative zur 2,
5 einen entsprechend einer Quadratfunktion expandierten Messwert als Alternative zu 3
6 eine Anordnung für die Strom- und Spannungsmessung in einem Dreiphasensystem und
7 eine alternative Anordnung mit Mitteln zur Kurzschluss- und/oder Überlastabschaltung.
Nachfolgend wird im wesentlichen von der älteren DE 101 05 982 A1 ausgegangen, deren Offenbarungsgehalt Teil des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes ist. Unabhängig davon ist der Anmeldungsgegenstand aber in verallgemeinerter Form auf eine Strom- und Spannungsmessung anwendbar.
In der 1 ist eine vorteilhafte Anordnung von Shuntwiderstand und Messeinrichtung gezeigt. Entsprechend der 1 der DE 101 05 982 A1 ist ein Shunt 1 in einer auf hohen Potential liegenden Phase L1 vorhanden, von dem die Messspannung U_diff 1 über einen Verstärker 2 auf einen Analog-Digital-Wandler 3 als Teil einer Messeinrichtung 5 gegeben wird. Die Spannungsdifferenz U_diff, die als Maß für den Strom durch den Shunt 1 gilt, wird vom Analog/Digital-Wandler(ADC) 3 in einen binären Messwert gewandelt und als Binärsignal auf Erdpotential übertragen. Dem ADC 3 ist eine Einheit 4 zur Signalkompression vorgeschaltet, mit der in kostengünstiger Weise insbesondere einer großen Signaldynamik Rechnung getragen werden kann, wobei das Binärsignal nach seiner Übertragung einer umgekehrten Expansion unterzogen wird. Letzteres kann softwaremäßig in der diesbezüglichen Auswerteeinheit, insbesondere im üblicherweise vorhandenen Mikrocontoller, auf Erdpotential erfolgen
Bei Strommessungen über einen Shunt ist der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Genauigkeit bekannt und nicht zu vernachlässigen: Der Shuntwiderstand ist temperaturabhängig entsprechend der Funktion R_s = R₀(1 + a⋅T).
Anhand 1 wird weiterhin verdeutlicht, dass mittels thermischer Kopplung von Shunt 1 und Messeinrichtung 5 der Temperaturgang des Shuntwiderstandes durch einen gleichgroßen Temperaturgang einer Referenzspannungsquelle 6 mit dem Widerstand entsprechender Funktion U_ref = U₀(1 + a⋅T) kompensiert werden kann.
In den 2 und 3 sind die Signale für eine logarithmische Kompression/Expansion dargestellt, in den 4 und 5 für eine Wurzel/Quadrat – Kompression/Expansion. Die diesbezüglichen Kennlinien sind mit 21, 31, 41 und 51 bezeichnet.
In 6 ist eine Messeinrichtung für die Strom- und Spannungsmessung in einem 3-Phasensystem mit Phasen L1, L2 und L3 dargestellt. Der Auswertekanal für L1 ist komplett ausgeführt, die identischen Kanäle für L2 und L3 nur teilweise. Wesentlich ist hier, dass drei identische Shuntwiderstände 61, 61', 61'' in den einzelnen Kanälen vorhanden sind, die jeweils mit einer Messeinheit 60 entsprechend der Messeinrichtung 5 gemäß 1 verbunden sind.
Sowohl die Spannungsversorgung auf hohem als auch die Spannungsversorgung auf niedrigem Potential werden über den Spannungsteiler 66, 66' und 67, 67' aus dem Netz gewonnen. Weiterhin sind Widerstände 69, 69' auf hohem Potential und weitere Schaltelemente, wie Kondensatoren und Sperrdioden vorhanden, wobei pauschal die Mittel zur Signalgleichrichtung mit 64, 64' bezeichnet sind.
Die Schaltglieder, mit denen die gewünschte Signalkompression bzw. -Expansion entsprechend den beispielhaft in den 2 bis 5 gezeigten Kennlinien bewirkt wird, ist in 6 in die Messeinheit 60 integriert.
In 6 ist der Neutralleiter N mit den Verbrauchern 70, 70', 70'' verbunden und es ist ein Sternpunkt gebildet. Al ternativ bilden die drei Spannungsteiler einen künstlichen Sternpunkt im Schaltgerät, wenn der Neutral-Leiter nicht angeschlossen wird, was aus Kostengründen dem Normalfall entspricht.
Die Spannungsabfälle an den unteren bzw. oberen Widerständen können alternativ für die Spannungsmessung herangezogen werden. Falls die obere Spannung gemessen wird, werden beide Messwerte, d.h. Strom und Spannung, über den modulierten Versorgungsstrom auf niedriges Potential übertragen.
In 7 ist eine Schaltungsanordnung mit Messeinheit 60 entsprechend 6 aufgebaut. Im Einzelnen sind hier Spannungsteiler aus Widerständen 76, 76' und 77, 77' sowie alternativ 79, 79' aufgebaut, wobei die Stromversorgung alternativ auf hohen oder niedrigen Potential erfolgt. Zusätzlich sind Mittel zur Kurzschluss- bzw. Überlastabschaltung vorhanden.
Für letzteren Zweck enthält die Schaltung über die bereits beschriebenen Elemente eine Vorrichtung aus zwei Komparatoren 85 und 95 mit zwei voneinander unabhängigen, jeweils einstellbaren Schwellwerten. Der erste Komparator 85 vergleicht den momentanen Stromwert mit der Schwelle I und gibt bei Überschreitung ein Signal zur Kurzschlusserkennung aus, mit dem der Hauptstromkreis abgeschaltet werden kann. Der zweite Komparator 95 vergleicht den momentanen Temperaturwert der Last, der mit Hilfe eines thermischen Modells 94 gewonnen wird, mit der Schwelle II und gibt bei Überschreitung ein Signal zur Überlasterkennung aus, mit dem der Hauptstromkreis abgeschaltet werden kann. Es kann auch nur einer der beiden Komparatoren vorgesehen sein.

Claims

Verfahren zur Strommessung auf einem Potential, das auf einem gegenüber Nullpotential höherem Wert liegt, wobei der Stromwert als Analogsignal gemessen wird und dessen Information nach einer A/D-Wandlung als Digitalsignal zu einer auf Erdpotential liegenden Auswerteeinheit übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Analogsignal vor der A/D-Wandlung und Übertragung einer Kompression und dass das Digitalsignal nach der Übertragung auf Erdpotential einer Expansion unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression und die Expansion logarithmisch erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression und die Expansion nach Vorgabe von Wurzelfunktionen erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturkompensation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturkompensation eine thermische Kopplung von Messeinrichtung und Shunt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Auswertung eines Messsignals, das auf gegenüber Nullpotential höherem Potential als Analogwert in einer Messeinrichtung, die einen Versorgungsstrom benötigt, vorliegt, mit folgenden Maßnahmen: – der komprimierte Informationsgehalt des Messsignals wird nach der A/D-Wandlung als Digitalsignal zu der auf Erdpotential liegenden Auswerteeinheit übertragen, – nach der A/D-Wandlung des Messsignals liefert das erzeugte Digitalsignal den Takt für eine Modulation des Versorgungsstromes, so dass der modulierte Versorgungsstrom der Messeinrichtung gleichermaßen die Funktion des Trägers für den Informationsgehalt des Messsignals erfüllt.
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, zwecks Anwendung bei der Strommessung an einem Shunt, bei dem der Spannungsabfall als Maß für den Strom nach Verstärkung ausgewertet wird, mit einem Shunt (1; 61, 61', 61''; 71), einem Verstärker (2) für das am Shunt (1; 61, 61', 61''; 71) abgegriffene Spannungssignal, einem Analog/Digital-Wandler (3) und einer Auswerteeinheit (5, 65, 7) sowie mit Mitteln zur Stromversorgung der Messkomponenten (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel (4, 6) zur Signalkompression und zur Signalexpansion vorhanden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zur Temperaturkompensation vorhanden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem A/D-Wandler (3) eine Einheit zur Signalkompression geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Signalexpansion in die Auswerteeinheit (5, 65, 75), vorzugsweise softwaremäßig im vorhandenen Mikrokontroller, integriert sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Temperaturkompensation eine temperaturabhängige Referenzspannungsquelle (6) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (85, 95) zur Kurzschlussabschaltung und/oder Überlastabschaltung vorhanden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Komparator (85) vorhanden ist, der den Momentanwert des Stromes mit einem ersten Schwellwert vergleicht und bei Überschreiten ein Signal zur Kurzschlussabschaltung erzeugt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Komparator (95) vorhanden ist, der die momentane Temperatur der Last mit einem zweiten Schwellwert vergleicht und bei Überschreiten ein Signal zur Überlastabschaltung ausgibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisches Modell (94) der Last vorhanden ist, mit dem die aktuelle Temperatur der Last (80) aus dem gemessenen Strom ermittelt wird.