DE2812303C2 - Stromwandleranordnung mit elektronischer Fehlerkompensation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromwandleranordnung mit elektronischer Fehlerkompensation, mit einem Stromwandlertransformator, dessen Primärwicklung von dem zu messenden Strom durchflossen ist. einem Kompensationstransformator und einer Verstärkeranordnung. mittels der in den sekundären Wandlerkreis zur Entlastung des Stromwandlers ein Strom eingespeist wird und einer hochpermeablen Abschirmeinrichtung zur Schirmung des Stromwandlertransformators, des Kompensationstransformators und der Verstärkeranordnung gegen störende, äußere Felder.

Eine Stromwandleranordnung dieser Art ist aus »Meßtechnik« (1968). Heft 10. Seite 241 bis 250 bekannt, jedoch handelt es sich hierbei nicht um eine eisenlose Stromwandleranordnung. Die herkömmlichen Stromwandler mit Kerben aus ferromagnetischen Werkstoffen und mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung erfüllen jedoch nicht ..iie Anforderungen, wie großer Meßbereich, geringe Abmessungen, niedriges Gewicht und kostengünstiges Herstellen.

Andererseits sind Stromwandler ohne ferromagnetischen Kern, die als »eisenlose« Stromwandler bezeichnet werden, für den Aufbau von Wandlern mit den geforderten Eigenschaften grundsätzlich insofern geeignet, als störende Nichtlinearitäten aufgrund der Kennwerte ferromagnetischer Werkstoffe mit dem entsprechenden höheren .Gewicht entfallen. Der bisherigen Verwendung in der Starkstrom-Meßtechnik ständen jedoch bisher die folgenden Nachteile entgegen:

(a) Zur Aufrechterhaltung der linearen Abhängigkeit der Sekundärgröße von der Primärgröße darf ein eisenloser Wandler nicht belastet werden. Da Sirommeßwandler stets eine gewisse Bürdeleistung aufbringen mußten, waren ' sie in eisenloser Ausführung nicht herstellbar.

(b) Eisenlose Meßwandier waren bisher höchstens als Strom-Spannungswandler ausführbar. Dabei wiesen sie jedoch den erheblichen .* achteil auf, daß die Spannung auf der Sekundärseite ur.9Cr gegen den Strom auf der Primärweise verschoben und ferner verzerrt war.

Auci. in der Anwendung im Bereich der Energieversorgung sind bisher die bekannten Stromwandleranordnungen den Anforderungen, insbesondere bei Elektrizitätsmengenzählern oder Kilowattstiindenzählern in der Form einfacher Verrechnungsgeräte nur bedingt gerecht geworden. Einfache Stromwandleranordnungen, die keinen Kompensations- oder Regelkreis aufweisen und bis zu Strömen von maximal 100 A einsetzbar sind, nehmen bei der geforderten Linearität, im Stromvariationsbereich im Verhältnis von 1 :200. bereits derart große Abmessungen an, daß ihr Einsatz in den obigen Kilowattstundenzählern nahezu unmöglich ist. Die bisher bekannten »ciscnloscn« Wandler eignen sich wegen der oben angeführten Gründe nicht air den geforderten linearen Betrieb über den genannten Va^r'aiionsbtrcich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. eine streufeldiinnc. eisenlose Stromwandleranordnung mit stark verringerten Abmessungen und dadurch kompakter Bauform, die kostengünstig herstel'bar ist und die

«5 obigen Anforderungen erfüllt, nämlich eine große Linearität über einen weiten Variationsbercich des zu messenden Stromes, dabei über auch eine geringe Fremdfeldempfindlichkeit aufweist.zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine Stromwandleranordnung mit den im Anspruch 4 angegebenen Merkmalen verbindet den Vorteil der festen Kopplung wie bei Wandlern mit Eisenkernen mit dem linearen Verhalten des eisenlosen Wandlers, wobei sich gleichzeitig ein möglichst hoher Kopplungsgrad und ein möglichst geringer Streugrad ergeben.

Eine weitere "orteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich insbesondere aus dem Anspruch 6.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Mit einer derart ausgebildeten Stromwandleranorcinung werden die eingangs genannten Nachteile beseitigt und die Vortene des eisenlosen Wandlers vollständig zur Geltung gebracht. Aufgrund der erfindungsgemäßen Kompensation ist der Strommeßwandler ohne ferromagnetischen Kern, ohne Schwierigkeiten am Ausgang seiner Verstärkerschaltung bektst-

bar und liefert am Alisgangsanschluß dieser Verstärker schaltung einen Ausgangsstrom, der praktisch frei von Winkelfehlern und Verzerrungen gegenüber dem zu messenden Strom ist; dabei haben Toroid- oder Ringkernübertrager auch beim Fehlen ferromagnetischer Kernwerkstoffe den Vorzug, bei vollständiger Bewicklung und bei übereinanderliegender Primär- und Sekundärwicklung sehr streuungsarm zu sein und damit einen hohen Kopplungsgrad aufzuweisen.

Aufgrund seiner kompakten und leichten Bauweise ist für die Stromwandleranordnung beispielsweise auch ein Elektrizitätszähler-Isoliergehäuse nach DlN 43 857, Bl. 7, hinreichend stabil und geräumig, um neben anderen erforderlichen Baugruppen drei derartige Stromwandleranordnungen aufzunehmen. Ferner eignen sich die Stromwandleranordnungen auch wegen ihrer niedrigen Herstellungskosten zum binsatz in einfachen und preiswerten Elektrizität-Verrcchnungszählern.

In ihrem Betriebsverhalten ähnelt die Stromwandleranordnung einem herkömmlichen Stromwandler. Der abnehmbare Ausgangsstrom der erfindungsgemäßen, geregelten Stromwandleranordnung ist, nach Maßgabe der Wandlerkonstanten k der Gesamtanordnung, dum zu messenden Strom proportional und kann auch an dem außerhalb der Schaltung selbst angeordneten Meßwiderstand einen für die Messung des Stromes in der Primärwicklung des Stromwandlertransformators oder bei Elektrizitätszählern zur Messung der Elektrizitätsmenge verwendbaren, entsprechenden Spannungsabfall erzeugen. Andererseits gestattet die Stromwandleranordnung aber auch, den Ausgangsstrom selbst einem Meßwerk eines Instruments beispielsweise zuzuführen, wobei dieser Strom dann zum Masscpoicntiai hin /urückriicucn muß. Dnbci wird die für Meßzwecke, insbesondere bei elektromechanischen Meßwerken oder Schreibern, erforderliche Leistung durch die zu der Stromwandleranordnung gehörende Verstärkerschaltung aufgebracht.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. I das Schaltbild einer Stromwandleranordnung und

Fig. 2 eine schaubildliche Explosionsdarstellung der die Stromwandleranordnung bildenden, wesentlichen Bestandteile.

In Fig. 1 ist eine allgemein mit 20 bezeichnete Stromwandleranordnung dargestellt. Die wichtigsten Bestandteile dei Anordnung sind ein als toroidförmiger »eisenloser« oder Luftübertrager ausgeführter Stromwandlertransformator Tn und ein zweiter, ebenfalls als toroidförmiger Luftiibertrager ausgeführter Kompensationstransformator Th. Derartige toroidförmig ausgefühne Übertrager, bei denen die Wicklungen gleichförmig und dicht übereinander auf dem nicht ferromagnetischen. toroidförmigen Spulenkörper, beispielsweise aus Kunststoff, aufgebrach! sind, zeichnen sich durch einen besonders geringen Streugrad und damit durch einen verhältnismäßig hohen Kopplungsgrad zwischen Primär- und Sekundärwicklungen aus.

Die Primärwicklung W, des Stromwandlertransformators 7V| besteht entsprechend F i g. 2 aus einer durch die mittige Ausnehmung des Toroids geführte Leiterschleife: sie kann aber auch als eine einzelne Windung ausgeführt sein. Andererseits ist es aber auch möglich, daß die Primärwicklung Wi des Stromwandlertransformators Tn zum Zweck der Messung niedriger Ströme aus einer Vielzahl von Windungen besteht. Durch diese Primärwicklung IV, fließt /wischen den gegenüber der übrigen Schaltung potentialfreien Eingangsanschlüssen 1 und 2 der zu messende Strom I_L-

Der zu messende Strom /_t. am Eingang der Stromwandleranordnung 20 durchfließt die Primärwicklung Wi des Stromwandlertransformators Tn und hat an der Sekundärwicklung W; eine Spannung zur Folge, die mit der komplexen Addition der Spannung W₄ des Kompensationstransformators 7>2 zu einer Differenzspannung gegen 0 Volt führt, die als bleibende Regelabweichung zu bezeichnen ist. An den Anschluß 3 der Sekundärwicklung W; und an das mit Mbezeichnete Massepotential der Anordnung ist ein erster Widerstand /?i angeschlossen. Der zweite Anschluß 4 der Sekundärwicklung W₂ ist mit einem Anschluß 7 der Sekundärwicklung W₄ des Kompensationstransformators Tn verbunden, deren Zweiter Anschluß S auf Massepotential M liegt. So ergibt sich als Reihenschaltung der Sekundärwicklungen W₂ und W, mit dem ersten Widerstand R, ein Kompensationsstromkreis, in dem ein Strom h fließt, der jeweils über die Sekundärwicklungen W₂ und W, in den beiden Transformatoren Tn und Tn einen dem durch die Primärwicklungen Wi und Wj erzeugten magnetischen Fluß entgegenwirkenden Gegenfluß erzeugt.

Ar. dem ersten Widerstand R\ hat der Strom /> den Spannungsabfall hR\ zur Folge, der dem nicht umkehrenden Eingang 9 einer vorzugsweise als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkerschal-

tung Aι zugeführt wird, üer Ausgang Il dieser Verstärkerschaltung A, gibt einen, dem genannten Spannungsabfall an dem ersten Widerstand R\ proportionalen Strom Λ ab. der zu einem Anschluß 6 der Primärwicklung Wj des Kompensationstransformators 7>, geleitet wird, diese Wicklung durchfließt und von einem zweiten Anschluß 5 derselben zu einem Ausgangsanschluß 12 der Stromwandlcranordnung 20 geführt ist und dort als dem zu messenden Strom i proportionaler Ausgangssirom /., zur Verfügung steht.

Hier kann nun eine in der Zeichnung nicht dargestellte Meßvorrichtung, beispielsweise das Meßwerk eines Instruments oder Elektrizitätszählers oder eines Verstärkers, zwischen den Ausgangsanschluß 12 und Massepotential M gelegt werden. wob;i die Impedanz

am Eingang einer solchen Meßvorrichtung oder eines solchen Verstärkers niedrig sein soll, weil sie vom Ausgangsstrom /., durchflossen ist. Weist die nachgeschaltete Meßvorrichtung oder Verstärkerschaltung eine hohe Eingangsimpedanz auf. so ist. wie m F i g. 1 dargestellt, ein Meßwiderstand /?, von vorbestimmter Größe zwischen den Ausgangsanschluß 12 und Massepotential M zu legen. Der am Meßwiderstand /?, durch den Ausgangsstrom /.,verursachte Spannungsabfall A,/?, ist dem zu messenden Strom l_c am Eingang proportional.

Die Primärwicklung Wj und die Sekundärwicklung W₄ des Kompensationsiransformators 7r> sind derart ausgelegt und geschaltet, daß der durch die Primärwicklung Wj fließende Strom I₃, der die Rückführungsgröße zur Bildung eines Regelkreises darstellt, an der Sekundärwicklung W₄ eine Spannung Ut zur Folge hat. die den Strom l· in dem aus den Sekundärwicklungen Wi und W4 und dem ersten Widerstand R, gebadeten Kompensationsstromkreis bis auf eine bleibende Regelabweichung gegen Null zurückgehen läßt. Mit einer der Stromwandleranordnung 20 zugeordneten Wandlerkonstanten Ar ergibt sich für diesen Gleichgewichtsfall, bei dem zwei gegeneinander gerichtete Spannungen im

Kompens.itionsstromkreis wirksam sind und für /j =
ist.

L = kl.

An dem Mittelpunkt M₁, zwischen den beiden Sekirdärwieklungen IV₂ und W₄ steht nun eine Spannung, die aber aufgrund der Ausgewogenheit der beiden Sekundärwicklungen zu keinem StromfhO durch diese führt. Bei günstiger Anordnung und Dimensionierung der Wicklungen, wenn diese insbesondere gleichförmig und dicht übereinander zur Erzielung eines möglichst hohen Kopplungsgrades ausgeführt sind, wird eine verhältnismäßig feste Kopplung bei sehr geringer Streuung erreicht. Dabei werden Übertragungsfehler, wie beispielsweise Klirrfaktoren und Linearitätsabweichungen. wie sie bei herkömmlichen eisenlosen SiiOiTi-Sprirmtirigsivandlcrn auftreten, durch die erf'.ndungsgemäße Kompensationsschaltung mit dem dem Stromwandlertransformator Tn zugeordneten Kompensationstransformator Tr₂ und der Verstärkerschaltung A\ mildem Rückführungskreis kompensiert.

Um stabil zu arbeiten, ist die als Operationsverstärker ausgeführte VeiStärkerschaltung Λ, mit einer Gleichspannungs-Gegenkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang 11 und dem umkehrenden Eingang 10 versehen. Diese Gegenkopplungsschaltung besteht aus einem zweiten, zwischen den umkehrenden Eingang 10 und Massepotential Abgelegten Widerstand R₂ mit dazu parLiielgeschaltetem Kondensator G und aus einem zwischen den Ausgang 11 und den umkehrenden Eingang 10 gelegten dritten Widerstand R₁.

Ganz allgemein ist die Wandlerkonstante k der Stromwandleranordnung 20 durch die Veränderung der Windungszahlen der vier Wicklungen Wi - IV₄ in der gewünschten Weise beeinflußbar. Wird beispielsweise davon ausgegangen, daß die Windungs/ahlen N₂ und /V₄ der Sekundärwicklungen W₂ und W₄ einander gleich sind, wobei die Kopplungsgrade beider Transformatoren Tr, und Tr₁ annähernd einander gleich sind, so gilt die folgende Beziehung:

Es sind darin ΛΊ und N_t die Windungszahlen der Primärwicklungen Wi bzw. Wj und damit wird aus der Beziehung nach Gleichung (1):

Diese Beziehung gilt dann exakt, wenn der Stromwandlertransformator 7h und der Kompensationstransformator Tn gleiche Kopplungsgrade aufweisen. Andererseits wirken sich nun verschiedene Kopplungsgrade bei den Transformatoren Tn und Tr₂ auf den Absolutwert der Wandlerkonstanten k aus, beeinflussen die Linearität jedoch überhaupt nicht. In der nachfolgenden, in der Zeichnung nicht dargestellten Meßvorrichtung oder Meßschaltung ist eine Abgleichmöglichkeit gegeben, wie beispielsweise ein Potentiometerabgleich zur genauen Einstellung eines Verhältnisses von Ic zu einer entsprechenden Spannung in der Meßvorrichtung oder Meßschaltung.

Aus den obigen Ausführungen folgt, daß die Wandlerkonstante k am einfachsten durch Veränderung des Windungszahlverhältnisses N₂IN* der beiden Sekundärwicklungen W₂ und W₄ beeinflußbar ist. Wegen der vernachlässigbar geringen Ströme in dem aus den Sekundärwicklungen W< und W₄ und dem ersten Widerstand R\ gebildeten KompensationsstiOinkreis kann bei diesen beiden Wicklungen der Drahtdurchmesser besonders klein gewählt weiden.

Ganz gleich, ob der Nennhöchstwert der Stromwandleranordnung beispielsweise 10 oder 100 A beträgt, so besteht die Primärwicklung W| des Stromwandlertransformators Tn aus einer einzigen Windung, wie bereits oben erwähnt wurde.

to Die Primärwicklung Wi des Kompensationstransformators Tr₂ sollte derart dimensioniert werden, daß ihre Impedanz niedrig bleibt, um die Verluste der Stiomwandleranordnung 20 möglichst gering zu halten, d. h. der Drahtdurchmesser dieser Wicklung wird verhältnismäßig groß gewählt.

Wenn die Primärwicklung Wi des Stromwandlertransformators Tn aus einer einzigen Windung bestehen soll und eine niedrige Imnpdnnz bei der Primärwicklung Wj des Kompensationstransformators Tr₂ erwünscht ist. so ist es angebracht, die Änderung der Wandlerkonstanten k durch Änderung des Windungszahlverhältnisses Λ/2/Ν4 der beiden Sekundärwicklungen Wj und W₄ zueinander herbeizuführen.

Mit Rücksicht auf den erzielbaren Kopplungsgrad ist der Gesamtkupferquerschnitt der Wicklungen Wi und W₂ bzw. der Wicklungen Wj und W₄ der Transformatoren Tn bzw. Tr₂ klein gegenüber dem Spulenkörperquerschnitt zu wählen. Man wählt vorzugsweise ein Verhältnis des Gesamtkupferquerschnitts zum Spulenkörperquerschnitt von weniger als 1:10. Die toroidförmigen Spulenkörper sind dabei vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt.

Es ist ferner vorteilhaft, zur Unterdrückung von Störeinflüssen, zur Verminderung der störenden Teilkapazität zwischen der Primärwicklung Wj und der Sekundärwicklung W₄ des Kompensationstransformators Tr₁ eine mit einer Metallfolie ausgeführte statische Abschirmung 13 einzubringen, die mit Massepotential verbunden ist.

Gemäß Fig. I und Fig. 2 umfaßt die erfindungsgemäße Stromwandleranordnung 20 einen hoehpernieablen Abschirmbecher 15 mit einem zugeordneten, hochpermeablen Abschirmdeckel 16. der diesen gegen Storfelder von außen dicht abschließt. In dem Abschirmbecher 15 ist die gesamte Schaltungsanordnung untergebracht, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.

Damit die Transformatoren Tn und Tr< nicht aufeinander koppeln, d. h. magnetisch gegeneinander

so völlig entkoppelt sind, ist zwischen den Transformatoren eine hochpermeable Entkopplungsplatte 14 vorgesehen, die genau in der. Abschirmbecher 15 eingepaßt ist.
Bei der Durchleitung und Anordnung des den hohen zu messenden Strom U- von beispielsweise bis zu 100 A führenden, als Primärwicklung Wi ausgeführten Leiters ist zu berücksichtigen, daß durch das mit dem Eingangsstrom I₁- verkettete, starke magnetische Feld die Permeabilität des Abschirmbechers 15. der Entkopplungsplatte 14 und des Abschirmdeckels 16 nicht unzulässig weit herabgesetzt wird und unte^r Umständen den Sättigungswert von μ_Γ= 1 annimmt, weil dadurch die Schirmwirkung der aus dem Abschirmbecher 15. der Entkopplungsplatte 14 und dem Abschirmdeckel 16 gebildeten Anordnung verloren ginge, wenn also die Primärwicklung Wi einen Teil der Abschirmanordnung bei ihrem Ein- und Austritt an verschiedenen Stellen umschließen würde. Da jedoch bei der bevorzugten

Ausführungsform der Leiter der Primärwicklung Wi an ein- und derselben Stelle der Abschirmanordnung ein- und herausgeführt ist, kompensieren sich die Komponenten des magnetischen Feldes im Bereich der Abschirmanordnung. Dieselben Überlegungen gelten auch für starke äußere magnetische Felder, die auf die AbschiriTuinordiiung einwirken könnten.

Gemäß den obigen Ausführungen sind die in Einsatz gebrachten toroidförmig und eisenlos ausgeführten Transformatoren Tn und Tr₂ selbst Streifeldarm nach außen hin, denn der magnetische Fluß ist aufgrund der gewählten Wicklungsanordnung weitgehend im Inneren der Toroide konzentriert, andererseits bewirkt die magnetische Entkopplung mittels der Entkopplungsplatte 14 und des Abschirmbechers 15 und Abschirmdeckels 16, daß keine äußeren Fremdfelder, bei Fcrnhaltung starker magnetischer Felder, wie oben erläutert, auf die Stromwandleranordnung 20 einwirken können.

Nach F i g. 2 befinden sich der toroidförmig ausgeführte Kompensationstransformator Tr₂. die als kreisförmige Scheibe ausgeführte hochpermeable Entkopplungsplatte 14. der toroidförmige Stromwandlertransformator Tn sowie eine als kreisförmige Scheibe ausgeführte, den ersten, zweiten und dritten Widerstand Ri. R₂. Rs. den Kondensator C\ und die genannte Verstärkerschaltung A\ tragende Schaltungsplatine 21 in dem zylinderförmig ausgeführten Abschirmbecher 15. und zwar in einer solchen nebeneinanderstehenden Anordnung, daß die Mittelpunkte aller dieser kreis- oder ringförmigen Bauteile mit der Längsmittelachse des Abschirmbechers 15 zusammenfallen. Alle diese Bauteile werden vorzugsweise nach ihrer Einbringung in den Absehirmbcchcr 15 durch eine Vergußmasse in diesem fixiert, wodurch sich eine besonders einfache und kosic-iigünsiige Montage der Anordnung ergibt.

Die Wicklungen W₁. W>. W₁ und Wi werden vorteilhaft auf einen Kunststoffringkern aufgebracht. Nach einer weiteren Ausführungsform werden Ringkern-Spulenkörpcr mit kreisförmigem Querschnitt, mit einem lichten Innendurchmesser D,= 12 mm und einem Außendurchmesser D., = 32mm verwendet. Ebenso können aber auch Ringkern-Spulenkörper mit quadratischem Querschnitt verwendet werden. Aus den genannten Abmessungen ist ersichtlich, welche kleinen Abmessungen die Stromwandleranordnung aufweist.

Es ist durchaus möglich, daß infolge der Gleichspannungsverschiebung oder Offset-Spannung des Operationsverstärkers in der Verstärkerschaltung A\ der Ausgangsgröße /., ein Gleichstromanteil überlagert ist. Jedoch wird dieser Gleichstromanteil in einer nachgeschalteten, in der . Zeichnung nicht dargestellten Meßvorrichtung oder Meßschaltung, beispielsweise einer Analogspannungs-Multiplikatorschaltung bei elektronisch arbeitenden Elektrizitätszähiern, wieder unterdrückt.

Mit der Stromwandleranordnung kann ein Stromvariationsbereich von 1 : 1000 mit einem unter 0.5% liegenden Fehler durchlaufen werden; denn durch das Einbringen eines Kompensationstransformator Tn. mit einer Rückführung von einer Verstärkerschaltung Ai. die dem eigentlichen Stromwandlertransformator Γη nachgeschaltet ist. werden die sonst bei Strom-Spannungs-Wandlern üblichen, eingangs genannten Übertragungsfehler kompensiert. Dem als Primärwicklung anzusehenden Leiter W₁. der den eisenlosen Stromwandlertransformator Tn als Leiterwindung oder -schleife durchsetzt, wird keine Leistung entnommen, und dieser ist keiner nennenswerten Gegeninduktion ausgesetzt. Die zum Betrieb eines Meßwerkes erforderliche Leistung wird im vorliegenden Fall von der Verstärkerschaltung Ai aufgebracht.

Zur Anpassung der Wandlerkonstanten k an verschiedene mögliche Betriebsfälle bzw. gewünschte Meßbereiche werden vorteilhafterweise die Primärwicklungen W₁ und Wi des Stromwandlertransformators Tn bzw. des Kompensationstransformators Tr₂ mit festgelegten Windungszahlen N, bzw. A/j ausgeführt, während die Windungszahlen N₂ und N_t der beiden zugeordneten Sekundärwicklungen W₂ und W_A veränderbargemacht werden.

Als hochpermeabler Werkstoff wird vorzugsweise Mumetall. unter Beachtung der oben genannten Maßnahmen zur Gewährleistung der Schirmwirkung, verwendet.

Die Stromwandleranordnung ist wie ein herkömmlicher Stromwandler einsetzbar. Der beim Ausgang 12 der Stromwandleranordnung 20 abnehmbare Ausgangsstrom Ij ist im Rahmen der genannten, äußerst geringen Fehlergrenzen dem zu messenden Strom l_c am Eingang proportional. Dieser Strom kann selbst für Meß/wecke in niederohmigen Meßvorrichtungen oder Verstärkern niedriger Eingangsimpedanz oder der an dem Meliwiderstand K, auftretende Spannungsabfall /.,R₁ bei Verwendung von Meßschaltungen mit hoher Eingangsimpedanz genutzt werden.

Durch die kompakte Ausführung der Strcmwandleranordnung nach F i g. 2 ergibt seih ein universell einsetzbarer Stromwandler kleiner Abmessungen und geringen Gewichtes. Damit ist es auch möglich, die Stromwandleranordnung bei preiswerten Elektrizitätszählern, insbesondere auch bei Verrechnungszählern.

einzusetzen. So können beispielsweise drei derartige Stromwandleranordnungen in einem herkömmlichen Elektrizitätszähler-Isoliergehäuse nach DIN 43 957. Bl. 2. für die Strommessung bei einem Dreiphasensystem untergebracht werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, die beiden Transformatoren Tn und Tr₁ und die Schaltungsplatine 21 anders in dem Abschirmbecher anzuordnen: ebenso kann das aus den hochpermeablen Bauteilen 14, 15, 16 aufgebaute Abschirmgehäuse anders als bei der dargestellten Ausführungsform aufgebaut sein: auch kann, wenn erforderlich, eine Meßschaltung ebenfalls auf der Schaltungsplatine 21 neben der Verstärkerschaltung A\ untergebracht sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Stromwandleranordnung mit elektronischer Fehlerkompensation, mit einem Stromwandlertransformaior. dessen Primärwicklung von dem zu messenden Strom durchflossen ist, einem Kompensationstransformator und einer Verstärkeranordnung, mittels der in den sekundären Wandlerkreis zur Entlastung des Stromwandlers ein Strom eingespeist wird und einer hochpermeablen Abschirmeinrichtung zur Schirmung des Stromwandlertransformators, des Kompensationstransformators und der Verstärkeranordnung gegen störende, äußere Felder, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verzicht auf einen ferromagnetischen Kern

a) der Siromwandlertransformator (Tn.) und der Kompensationstransformator (Tr₂) gegeneinander magnetisch entkoppelt und als toroidförmige Luftübertrager ausgebildet sind,

b) der Kompensationsstromkreis durch Reihenschaltung der Sekundärwicklung (Wi), des Stromwandlertransformators (Tn). der Sekundärwicklung (W*) des Kompensationstransformators (Tr₂) und eines ersten Widerstandes (Ri) gebildet ist,

c) der an tem ersten Widerstand (R,) auftretende, durch die Sekundärwicklung (W₂) des Stromwandertransformator (Tr\) erzeugte Spannungsabfall der gege-igekoppelten Verstärkerschaltung (A 1) zuführbar iss, an deren Ausgangsanschluß (11) ein dem zu messenden Strom (V₁-) proportionaler Strom (Ii) abnehmbar und als Rückführungsgröße zur Bildung eines Regelkreises der Primärwicklung (Wi) des Kompensationstransformator (Tn) zuführbar ist,

d) der dem zu messenden Strom (I₁) proportionale Strom (Ii) in der Primärwicklung (W₁) des Kompensationstransformators (Tn) als dem Meßwert proportionale Größe als Ausgsngsstrom (Q an einem Ausgangsanschluß (12) der Stromwandleranordnung (20) abnehmbar ist und

e) die Wandlerkonstante (k)aer Stromwandleranordnung (20) durch Veränderung der Windungszahl aller Wicklungen (Wi-W₄) durch Veränderung des Windungszahlverhältnisses (N₂ZN₄) der beiden Sekundärwicklungen (W₁, W₄) od. dgl. einstellbar ist.

2. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsanschluß (12) der Stromwandleranordnung (20) und einem Massepotential (M) eine vom Ausgangsstrom (I₁,) durchflossene Meßvorrichtung oder Verstärkerschaltung niedriger Eingangsimpedanz angeordnet ist.

3. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsanschluß (12) der Stromwandleranordnung (20) und einem Massepotential (M) ein Meßwiderstand (/?,) mit vorbekanntem Widerstandswert angeordnet ist und daß der an ihm auftretende, dem b5 Ausgangsstroni (7.,) proportionale Spannungsabfall einer nachgeschalteten Meßvorrichtung oiLr Verstärkerschaltung hoher Eingangsimpedanz zufiihr-

barist

4. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (Wi) des Stromwandlertransformators (Tr,) als eine einzelne Windung auf dessen toroidförmigen Spulenkörper ausgeführt ist, während die Sekundärwicklung (W₂) des Stromwandlertransiormators (Tri) gleichförmig auf demselben Spulenkörper aufgebracht ist. und daß zur Erzielung geringer Einspeisungsverluste die Primärwicklung (Wi) des Kompensationstransformators (Tr₂) mit großem Drahtdurchmesser und die Sekundärwicklung (W₄) mit verhältnismäßig hoher Windungszahl, jedoch niedrigem Drahtdurchmesser ausgeführt und übereinanderliegend gleichmäßig auf dem toroidförmigen Spulenkörper verteilt sind.

5. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandlertransformator (Tn) und der Kompensationstransformator (Tn) mittels einer zwischen ihnen eingefügten, hochpermeablen Entkopplungsplatte (14) und eines den Stromwandlertransformator (Tn) und den Kompensationstransformator (Tr₂) umgebenden hochpermeablen, zylinderförmigen Abschirmbechers (15) mit rugehörigem, ebenfalls hochpermeablem Abschirmdeckel (16) gegeneinander entkoppelt und gegen äußere Magnetfelder geschützt sind.

6. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (Ai) als Operationsverstärker ausgeführt ist. dessen nicht umkehrender Eingang (9) mit dem mit der Sekundärwicklung (W₁) des Stromwandlertransformators (Tn) verbundenen Anschluß des ersten Widerstandes (Ri) und dessen umkehrender Eingang (10) der als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkerschaltung (Ai) über eine Parallelschaltung aus einem zweiten Widerstand (R:) und einem Kondensator (G) mit Massepotential (M) und über einen dritten Widerstand (R) zur Erzielung einer Gleichspannungsgegenkopplung mit dem Ausgangsanschluß (11) der als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkerschaltung (Ai) verbunden ist. daß der Ausgangsanschluß (11) mit einem Anschluß (6) der Primärwicklung (W₁) des Kompensationstransformators (Tn) verbunden ist. die von dem dem zu messenden Strom (I₁) proportionalen Strom (Is) durchflossen ist. der an dem zweiten, mit dem Ausgangsanschluß (12) der Stromwandleranordnung (20) verbundenen Anschluß (5) der Primärwicklung (Wi) des Kompensationstransformators (77*;) als Ausgangsstrom (/.,) abnehmbar ist. so daß gilt

wobei (k) die Wandlerkonstante der Stromwandleranordnung (20) darstellt, und daß der erste, zweite und dritte Widerstand (R,. R₂. Ri) und der Kondensator (Ci) ebenso wie die als Operationsverstärker ausgeführte Verstärkerschaltung (A₁) durch den Abschirmbecher (15) und Abschirmdecke! (16) gegen äußere Störfelder geschützt sind.

7. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der gleichförmig über den toroidförmigen Spulenkörper aufgebrachten Primärwicklung (Wi) und der ebenfalls gleichförmig darüber aufgebrachten Sekundärwicklung (W₄) des Kompensationstransformator¹.

(Th.) eine statische Abschirmung (13) aus einer Metallfolie eingelegt ist, die mit Massepotential (M) verbunden ist.

8. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der als toroidförmiger Luftübertrager ausgeführte Kompensationstransformator (7h), die als kreisförmige Scheibe ausgeführte hochnermeable Entkopplungsplatte (14), der als toroidförmiger Luftübertrager ausgeführte Stromwandlertransformator (Tr\), sowie eine als kreisförmige Scheibe ausgeführte, den ersten zweiten und dritten Widerstand (R], Ri, Ri), den Kondensator (Q) und die genannte Verstärkerschaltung (A₁) tragende Schaltungsplatine (21) in dem genannten zylinderförmigen hochpermeablen Abschirmbecher (15) nebeneinanderstehend derart angeordnet, sind, daß ihre Mittelpunkte mit der Längsmittelachse des Abschirmbechers (15) zusammenfallen, und daß der genannte Abschirmbecher

(15) mit dem ebenfalls als kreisförmige Scheibe ausgeführten, hochpermeablen Abschirm.'eckel (16) gegen Felder abschirmbar, und alle in ihm befindlichen Bauteil durch eine Vergußmasse innerhalb des Abschirmbechers (15) fixierbar sind.

9. Stromwandleranordnung nach Anspruch I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Gesamt-Kupferquerschnitts der Primär- und Sekundärwicklungen des Stromwandlertransformators (Tn) bzw. des Kompensationstransformators (Tr^) zum jeweiligen Querschnitt des Spulenkörpers kleiner als 1 :10 ist.

10. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1 bis

9. dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper des Stromwundleriransform;itors (Tn) und des Kompensationstransformators (Tn) mit kreisförmigem Querschnitt einen Innendurchmesser (D) von 12 mm und einen Außendurchmcsser (D.) von 32 mm aufweisen.

11. Sti jmwandleranordnung nach Anspruch 1 bis

10. dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmbecher (15). der diesem zugeordnete Abschirmdeckel

(16) und die Entkopplungsplatte (14) in Mumetall als hochpermeabler Werkstoff ausgeführt sind.