DE2228867B2

DE2228867B2 - Gleichstrommeßwandler (Prinzip Krämer) mit Kompensation des primären Gleichflusses in einem magnetisierbaren Kern mittels eines sekunderen HaIbweUenwechselstromes

Info

Publication number: DE2228867B2
Application number: DE2228867A
Authority: DE
Inventors: Maarten Escharen Groenenboom; Jacques Nimwegen Lisser
Original assignee: Hazemeijer BV
Current assignee: Hazemeijer BV
Priority date: 1971-06-17
Filing date: 1972-06-14
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB1381531A; CH544944A; DE2228867C3; DE2228867A1; FR2141987A1; US3818337A; FR2141987B3; NL7108311A; BE784973A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommeßwandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Ein solcher Meßwandler ist aus den folgenden Veröffentlichungen bekannt: W. Krämer »Ein einfacher Gleichstrommeßwandler mit echten Stromwandlereigenschaften«, ETZ 1937, Seiten 1309 bis 1313; H. K r a u ß »Neuere Gleichstrommeßwandler«, ETZ 1962, Seiten 457 bis 461; W. K r ä m e r »Development of the D-C Instrument Transformer for the Precision Measurement of Highest Direct Currents«, IEEE-Trans. Communication munication and Electronics 1964, Seiten bis 390; W. Krämer »Gleichstromwandlerschaltung hoher Genauigkeit für wellige Gleichströme«, ETZ 1966, Seiten 674 bis 679.

Dieser bekannte Gleichstrommeßwandler erzeugt mittels eines Wechselstromgenerators und einer Diode in der Sekundärwicklung einen Halbwellenstrom, der einen dem Primärfluß entgegengesetzten Sekundärfluß erzeugt Bei ausreichend hoher Wechselspannung hat dieser Strom annähernd Rechteckform, wobei seine Höhe mulitpliziert mit dem Windungsverhältnis (Sekundärwicklung/Primärwicklung) dem Primärstrom entspricht Im Sekundärstromkreis kann ein Strommeßgerät zur Anzeige des den Primärstrom repräsentierenden Sekundärstromes an beliebiger Stelle eingeschaltet werden. Ein ohmscher Widerstand im Sekundärstromkreis, auch als »Bürde« bezeichnet, kann dieses Meßgerät enthalten. Es ist ferner üblich, mehrere z. B. zwei Meßwandler der eingangs genannten Art in Brückenschaltung derart zu betreiben, daß sich der Sekundärstrom aus zwei Halbwellenströmen zu einem kontinuierlichen Gleichstrom addiert

Bei einem idealen Kern mit rechteckiger Magnetisierungskurve hat der sekundäre Halbwellenstrom eine ideale Rechteckform, so daß sich in Brückenschaltung ein lückenloser Gleichstrom ergibt Durch die diversen, in den eingangs zitierten Vorveröffentlichungen beschriebenen Fehler ergeben sich jedoch Abweichungen an den Rechteckflanken des Sekundärstromes, die auf das Streufeld und insbesondere die nicht idealen Magnetisierungseigenschaften des Kernes zurückzuführen sind. Es ergibt sich eine Fehlerstromkomponente, im folgenden Magnetisierungsstrom genannt, die von diversen Größen abhängt und nach dem Stand der Technik auf verschiedene Weise beseitigt wird. So hat man verbucht, eine höhere Kernpermeabilität und höhere Wechselspannungen anzuwenden, die den Stromfehler vernachlässigbar klein machen sollen. Dies bringt aber aufgrund der verwendeten hohen Wechselspannungen Nachteile mit sich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gleichstrommeßwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch bei niedrigen Wechselspannungen des Sekundärkreises eine hohe Meßgenauigkeit erzielt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß der Fehlerstrom bzw. der Magnetisierungsstrom von der im Kern auftretenden Kraftflußänderung bzw. Induktionsflußänderung abhängt, also von dem Spannungs-Zeit-Produkt der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung. Die Kraftflußänderung hängt vom Sekundärstrom sowie von der Amplitude und Frequenz der Wechselspannung ab. Auch der Streufehler ist vom Sekundärstrom abhängig. Wird nun erfindungsgemäß die Kraftflußänderung konstant gehalten, so ist auch der sich ergebende Fehler- bzw. Magnetisierungsstrom konstant Er kann nun vollständig ausgeglichen werden. Dazu dient eine an sich bekannte Schaltung, die mit einer an die Bürde des Sekundärstromkreises angeschlossenen Stromquelle der Magnetisierungsstromkomponente des Sekundärstromes ausgleicht. Es ergibt sich folglich eine fehlerfreie linieare Abhängigkeit des Sekundärstromes vom Primärstrom.

Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Meßwandler durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet. Mit dieser Regelgröße kann in einfacher Weise die Wechselspannungsamplitude derart gesteuert werden, daß die Kraftflußänderung konstant bleibt.

Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Meßwandler durch die Merkmale des Anspruches 3 gekennzeichnet Hierbei dient die Sekundärwicklung selbst als Meßwicklung, wodurch sich die Schaltung vereinfacht.

Alternativ kann der Meßwandler durch die Merkmale des Anspruches 4 gekennzeichnet sein. Auf diese Weise ergibt sich eine von der Sekundärwicklung unabhängige und somit präziser aufnehmende Meßwicklung,

Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Meßwandler durch die Merkmale des Anspruches 5 gekennzeichnet Auf diese Weise wird die Regelspannung zur Steuerung der Wechselspann.mgsquelle auf einfache Weise sehr präzise erhalten.

Ein Meßwandler mit nichtfrequenzkonstanter Wechselspannungsquelle ist vorteilhaft durch die Merkmale des Anspruches 6 gekennzeichnet Am Ausgang des Integrators wird eine Spannung erhalten, die unabhängig von 4er Frequenz der Wechselspannung dem Spannung-Zeit-Produkt der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung entspricht Naturgemäß kann dieser Integrator bei Wechselspannung konstanter Frequenz entfallen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und 1 schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Blockschaltung des bekannten Gleichstrommeßwandlers und

F i g. 2 und 3 Blockschaltbilder zweier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Meßwandlers.

F i g. 1 zeigt einen Meßwandler 10 der bekannten Art mit einer' zur Speisung dienenden und vorzugsweise stabilisierten Wechselspannungsquelle 20, einem üblicherweise auch als »Bürde« bezeichneten Belastungswiderstand 30 und einer Gleichstromquelle 40 r> zum Ausgleich der Magnetisierungsstromkomponente im Widerstand 30.

Die Erfindung bezieht sich im Prinzip nicht auf die Einzelheiten der Ausführung und die Schaltung des Wandlers 10. Vom Wandler und seiner Schaltung sind jo lediglich ein Ringkern 11 aus magnetisierbarer!! Material, eine auf diesem angeordnete und von dem Gleichstrom durchflossene Primärwicklung 12, eine ebenfalls auf dem Kern 11 angeordnete und mit Hilfe der Wechselspannungsquelle 20 gespeiste Sekundär- si wicklung 13 und ein mit dieser letzteren in Reihe geschalteter Gleichrichter !4 dargestellt. Die Wiedergabe ist symbolisch und soll die Möglichkeit der Anwendung einer oder mehrerer der Komponenten 11 bis 14 offenlassen. Die wirklich angewandte Anzahl dieser Komponenten und ihre Schaltung kann von Fall zu Fall wechseln. So kann eine Anzahl Ringkerne, je mit einer oder mehreren Primär- und Sekundärwicklungen angewandt werden, während der symbolisch dargestellte Gleichrichter 14 in Wirklichkeit aus einer oder mehreren Brückenschaltungen von Gleichrichtern bestehen kann. Ferner kann die Wandlerschaltung noch weitere Komponenten, wie Transformatoren, Impedanzen und Brückenschaltungen von Impedanzen enthalten. Die Einzelheiten dieser Schaltung sind für die so Erfindung nicht von Wichtigkeit und werden hier nicht näher erläutert Von Wichtigkeit ist lediglich, daß in dem Belastungswiderstand 30 ein durch Gleichrichtung des Wechselstromes durch die Sekundärwicklung 13 (unabhängig von der Tatsache, ob diese eine Einfach- oder τ> eine Mehrfachwicklung ist) erhaltener Belastungsstrom fließt Die Wechselspannungsquelle 20 bildet mit der Sekundärwicklung 13, dem Gleichrichter 14 und dem Belastungswiderstand 30 einen geschlossenen Meßkreis. Es ist üblich, daß die dem in der Wicklung 13 t>o auftretenden Magnetisierungsstrom entsprechende Stromkomponente durch den Belastungswiderstand 30 ausgeglichen wird. Die Gleichstromquelle 40 liefert den zu diesem Zweck erforderlichen Gleichstrom.

Die beim Blockschema nach F i g. 1 verwendeten Bezugsziffern werden, insoweit sie sich auf identische Teile der Vorrichtung beziehen, auch in den Blockschemen nach den F i g. 2 und 3 verwendet, Wenn diese Teile mit Rücksicht auf die Erfindung prinzipiell geändert oder ergänzt werden, sind die diesbezüglichen Bezugsziffern mit einem Index versehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig.2 ist der Meßwandler 10' mit einer zusätzlichen oder gesonderten Sekundärwicklung 15 versehen, die an den Eingang

51 eines Integrators 50 angeschlossen ist Der Ausgang

52 des Integrators 50 ist mit dem einen Eingang 61 eines Komparator 60 verbunden, der mit seinem anderen Eingang 62 an eine Quelle 70 von konstanter Bezugsspannung angeschlossen ist Der Ausgang 63 des Komparator ist mit dem Regeleingang 21 der in diesem Fall regelbar ausgebildeten Wechselspannungsquelle 20' verbunden. Über den mit der Sekundärwicklung 13 des Meßwandlers 10' verbundenen Ausgang 21 der Spannungsquelle 20 ist der Regelkreis 15, 50, 60, 20' geschlossen. Die gesonderte Sekundärwicklung 15 bildet zusammen mit dem Integrator 50 ein Aufnahmeorgan, das ein Signal verschafft, das ein Maß für die im Kern Il des Wandlers 10' auftretende Kraftflußänderung bildet Anstelle einer gesonderten Sekundärwicklung 15 kann auch die schon vorhandene Sekundärwicklung 13 oder ein Teil derselben als Teil des Aufnahmeorganes funktionieren.

Naturgemäß kann die dem Eingang 51 des Integrators 50 zugeführte Spannung auch auf beliebig geeignete andere Weise dem Meßwandler 10' entnommen werden.

Die in den Wandlerwicklungen induzierte Spannung kann unmittelbar der Sekundärwicklung 13 oder der gesonderten Sekundärwicklung 15 entnommen werden. Der Integrator 50 liefert an seinem Ausgang 52 eine Spannung, die ein genaues Maß für den auftretenden Kraftfluß bildet.

Wenn die Spannungsquelle 20' eine Wechselspannung von konstanter Frequenz liefert, gilt, daß der Kraftfluß konstant ist, wenn die Spannung über die Wicklung 13 oder 15 konstant ist. Der Integrator 50 kann dann entfallen. In F i g. 2 ist dies durch eine durch den Integrator hindurchgehende, unterbrochene Linie dargestellt

Die Spannung am Ausgang 52 des Integrators 50, d. h. die Ausgangsspannung des durch die Wicklung 13 oder 15 und den Integrator 50 gebildeten Aufnahmeorgans, wird in dem Komparator 60 mit der von der Bezugsspannungsquelle 70 herrührenden Bezugsspannung verglichen. Das am Ausgang 63 des Komparator resultierende Differenzsignal wird als Regelwert oder Steuerspannung dem Regeleingang 22 der Wechselspannungsquelle 20' zugeführt. Mit dem so gebildeten, geschlossenen Kegelkreis wird erreicht, daß die durch die von der Bezugsspannungsquelle 70 herrührende Bezugsspannung bestimmte Anzahl Voltsekunden beibehalten wird.

Der Meßfehler ist dadurch von der Wechselspannung und von dem Belastungsstrom unabhängig. Auf ähnliche Weise wie bei dem schon bekannten Ausgleich der Magnetisierungsstromkomponente in dem Belastungswiderstand 30 mit Hilfe der Stromquelle 40 kann nun zugleich die konstant gemachte Fehlerstromkomponente im Widerstand 30 ausgeglichen werden. Hierdurch nähert sich die Stromumwandlung des Meßwandlers sehr dicht dem Idealwert

Die Ausführungsform nach F i g. 3 ist ausschließlich zur Anwendung in denjenigen Fällen bestimmt, in denen eine Wechselspannung von konstanter Frequenz zur Verfügung steht. Wie schon bemerkt ist dann der Kraftfluß konstant, wenn die Spannung über die

Wicklung 13 konstant ist. Als Maß für die in dem Meßkreis auftretenden Spannungsverluste wird nun der durch den Strom im Belastungswiderstand 30 erzeugte Spannungsunterschied verwendet. Die Spannung über den Widerstand 30 wird nun dem Regeleingang 71 der in diesem Falle regelbaren Bezugsspannungsquelle 70' zugeführt, so daß letztere über ihren Ausgang 72 dem Eingang 64 des !Comparators 60 eine Spannung abgibt, die aus einer konstanten Bezugskomponente und einer der Spannung über den Belastungswiderstand 30 proportionalen Komponente zusammengesetzt ist. Letztere ist ein Maß für den Spannungsverlust. An den anderen Eingang 65 des !Comparators 60' wird die durch die regelbare Wechselspannungsquelie 20' an ihrem

Eingang 21 abgegebene Speisespannung angelegt. Über den Ausgang 66 des !Comparators 60' und den Regeleingang 22 der Spannungsquelle 20' wird der Regelkreis wieder geschlossen. Als Regelwert wird in diesem Fall die mit einem festen Bezugswert verglichene Verlustspannung in dem Meßkreis verwendet.

Es ist einleuchtend, daß dabei der Belastungsstrom stabilisiert wird, so daß die dadurch ebenfalls konstant gemachte Fehlerstromkomponente durch die Belastung 30 mit Hilfe eines aus der Stromquelle 40 herrührenden Stromes ausgeglichen werden kann. Hierdurch wird der Idealwert der Stromumwandlung des Meßwandlers 10 erzielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Gleichstrommeßwandler (Prinzip Krämer) mit einem magnetisierbarer! Kern, auf dem eine von dem zu messenden Gleichstrom durchflossene Primärwicklung und eine mit Wechselspannungshalbwellen beaufschlagte Sekundärwicklung angeordnet sind, wobei ein bei der sich dabei einstellenden automatischen Flußkompensation im Sekundärstromkreis fließender rechteckförmiger Halbwellenstrom, der multipliziert mit dem Windungsverhältnis dem Primärstrom entspricht, zur Anzeige gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Linearität der Stromwandiung die Wechselspannung (20,20') derart geregelt wird, daß ' die periodische Flußänderung des Kernes (11) konstant bleibt

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kraftflußänderung des Kernes (11) abhängige Regelgröße als Induktionsspannung einer Meßwicklung (13, 15) gewonnen wird.

3. Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwicklung aus wenigstens einem Teil der im Meßkreis (20', 13, 30) r> liegenden Sedundärwicklung (13) besteht

4. Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwicklung aus einer zusätzlichen Hilfswicklung (15) auf dem Kern (11) besteht. *>

5. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung (am Eingang 61) mit einer Konstantspannung (am Eingang 62) in einem Vergleicher (60) verglichen wird, dessen Differenzspannungsausgang -i^r> (63) die Wechselspannungsquelle (20') steuert.

6. Meßwandler nach einem acr vorhergehender. Ansprüche mit nichtfrequenükonstanter Wechselspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung (61) über einen Integrator (50) «o geführt wird.