DE2852222C2 - Meßwiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen niederohmigen Meßwiderstand mit zwei Stromanschlüssen und zwei Potentialabgriffen zur phasengenauen Messung starker Wechselströme.

Es ist bekannt, zur Messung starker elektrischer Ströme den Spannungsabfall an einem entsprechend dimensionierten Meßwiderstand (sog. Shunt) zu messen. Da der elektrische Widerstand derartiger Meß-Shunts möglichst gering sein soll, bestehen diese in der Regel aus kurzen, relativ dicken Leiterstücken. Für eine phasengenaue Messung starker Wechselströme, wie sie beispielsweise für die Ermittlung der Wirkleistung von elektrischen Maschinen benötigt wird, ist es erforderlich, daß nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase des Meßwertes mit großer Genauigkeit am Meßwiderstand erfaßt werden kann. Ein kurzes Rechenbeispiel zeigt., daß bei steigender Stromstärke und Frequenz des Wechselstromes die geometrischen Abmessungen des Meßwiderstandes problematisch werden. Bei einem Widerstand von R = 0,5 m Ohm, einer Stromstärke /= 100 A, einer Frequenz /=200 Hz und einem erlaubten Phasenfehler von Αφ = 0,2°, darf die Induktivität des Meßwiderstandes nur etwa 1,4 nH betragen. Nach einer Faustformel beträgt bei kurzen geraden Leiterstücken die Induktivität etwa 10 nH/cm. Der Meßwiderstand dürfte demnach nur ca. 1 mm lang sein. Bei derartig kurzen Meßwiderständen würden jedoch Probleme hinsichtlich der Positionierung und Befestigung der Potentialabgriffe, der Wahl des Widerstandsmaterials und der Wärmeableitung entstehen. Es ist zwar auch bekannt, induktionsarme Widerstände durch bifilare Wicklungen oder koaxiale Anordnung herzustellen, jedoch wird bei großen Leiterquerschnitten die für die Induktivität effektiv wirksame eingeschlossene Räche zwischen zwei parallelen Leitern nicht mehr vernachlässigbar klein, so daß auch diese Maßnahme nicht ausreicht, um die Induktivität des Meßwiderstandes auf das gewünschte Maß zu reduzieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Meßwiderstand zu schaffen, mit dem starke Wechselströme ohne Verfälschung ihrer Amplitude und Phase meßbar sind. Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Meßwiderstand der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßwiderstand wird das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters zur Kompensation des induktiven Spannungsanteils benutzt. Dazu wird nicht wie bisher die Induktivität des Meßwiderstandes verringert, sondern bewußt ausgenutzt, um damit in der mit den Potentialabgriffen verbundenen Meßleitung mittels einer Kompensationsspule eine Gegenspannung zu induzieren. Die Kompensationsspule ist so ausgelegt, daß sie bei maximalem, d. h. kreisförmigem Spulenquerschnitt den induktiven Spannungsanteil überkompensieren würde. Durch Verkleinerung des Spulenquerschnittes, beispielsweise durch Zusammendrücken, wechselt der Phasenfehler von positiven zu negativen Werten und geht dabei durch Null. Dieser Nulldurchgang läßt sich mit herkömmlichen Meßgeräten im Vergleich zu einer Absolutmessung des Phasenfehlers wesentlich genauer festlegen. Durch die einfache Verstellung der Ankopplung der Kompensationsspule an den Meßwiderstand läßt sich somit über einen weiten Frequenzbereich der durch die Induktivität des Meßwiderstandes entstehende Phasenfehler kompensieren. Darüber hinaus ist, falls gewünscht, auch die Einstellung einer bewußten Phasenverschiebung zu positiven oder negativen Werten möglich.

Da sich bei hohen Stromstärken sehr deutlich Stromverdrängungseffekte in den Leitern bemerkbar machen, und somit auch die Induktivität eines Meßwiderstandes mit einem im Querschnitt vollen Leiter relativ stark stromabhängig würde, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Leiter des Meßwiderstandes rohrförmig ist. Außerdem kann dann der Meßwiderstand in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung von einem Kühlmedium durchflossen sein und somit auf konstanter Temperatur gehalten werden. Durch diese Maßnahmen läßt sich der ohmsche Spannungsanteil im Verhältnis zum induktiven Spannungsanteil erhöhen und der Stromverdrängungseffekt wird stärker behindert als bei einem vollen Leiterquerschnitt. Der Erfindungsgegenstand wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild, und

Fig. 2 eine Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Meßwiderstandes.

Der Meßwiderstand 1 ist in dem gezeigten Beispiel als Spule mit zwei Windungen ausgebildet und weist Stromanschlüsse 5 und 6 sowie Potentialabgriffe 2

t/, und 3 auf. An den Potentialabgriff 3 ist eine mit dem Meßwiderstand induktiv gekoppelte Kompensationsspule 4 angeschlossen, deren Ausgangsspannung folglich in Serie mit der Spannung aus den Anschlüs-

sen 2 und 3 liegt. Der Wicklungssinn der Kompensationsspule ist so gewählt, daß die darin durch den Meßwiderstand induzierte Spannung gc-genphasig zu dem induktiven Spannungsanteil der an den Anschlüssen 2 und 3 des Meßwiderstandes anliegenden Spannung ist. An den Meßleitungen 7 und 8 liegt dann ein Spannungssignal an, dessen Amplitude dem durch die Leitungen 5 und 6 fließenden Strom entspricht und phasfjngleich mit diesem ist.

Bei dem in Fig. 2 teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Meßwiderstand 1 aus einem zu zwei Windungen gebogenen Kupferrohr. Die Windungen sind mit einer Kuntstoffmasse 9 vergossen, so daß deren Lage zueinander fest ist. Die damit verbundene Erhöhung der Wicklungskapazität ist vernachlässigbar gering. Auf einem fest mit dem Meßwiderstand 1 bzw. mit der Vergußmasse 9 verbundenen Platte 10 ist die Kompensaticjsspule 4 koaxial zu den Windungen des Meßwiderstandes angeordnet: Die erforderliche Windungszahl der Kompensationsspule hängt einmal von ihrer maximalen (kreisförmigen) Querschnittsfläche sowie von der Zahl der Windungen des Meßwiderstandes und dessen Spulenquerschnittsfläche ab. In der Praxis hat sich gezeigt, daß sich bei einem Flächenverhältnis der Kompensationsspule 4 zur Spule des Meßwiderstandes 1 von 1:3 die Windungszahlen mindestens wie 5:1 ver-

halten sollten. Die Kompensationsspule 4 wird mittels einer Deckplatte 1 und einer nicht ferromagnetischen Schraube 13 bezüglich ihrer Lage fixiert. Die Windungen der Kompensationsspule 4 sind mit einer weichen und biegsamen Vergußmasse verbunden, so daß der Spulenquerschnitt durch radiales Verschieben der Windungen an einer durch einen Pfeil bezeichneten Stelle verändert werden kann. Dazu ist in der Platte 11 ein Schlitz 12 vorgesehen, durch weichen der Zu-

to griff auf die Spule 4 mittels eines Stiftes od. dgl. möglich ist. Die Veränderung der Querschnittsfläche der Kompensationsspule 4 durch Eindrücken der Windungen an einer Stelle, erweist sich gegenüber einer zur Veränderung der Ankopplung prinzipiell ebenfalls möglichen Verdrehung der beiden Spulenachsen als vorteilhaft, weil bei koaxialer Anordnung der Einfluß von Fremdmagnetfeldern auf beide Spulen etwa gleich und somit vernachlässigbar ist.

An den Windungsenden des Meßwiderstandes sind schellenförmige Potentialabgriffe 2 und 3 befestigt, von-denen der Abgriff 2 direkt mit der Meßleitung 7 und der Abgriff 3 mit einem Ende der Kompensationsspule 4 verbunden ist. Das andere Ende der Kompensationsspule wird als Meßleitung 8 herausgeführt. Die Stromleitungen 5 und 6 sind gleichzeitig als Zuleitungen für ein Kühlmittel, z. B. Preßluft oder Wasser ausgebildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Niederohmiger Meßwiderstand mit zwei Stromanschlüssen und zwei Potentialabgriffen zur phasengenauen Messung starker Wechselströme, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Meßwiderstand (1) weist mindestens eine Windung auf;

b) innerhalb der Windung bzw. der Windungen ist eine induktiv gekoppelte Kompensationsspule (4) koaxial angeordnet und mit einem Ende an einem Potentialabgriff (3) des Meßwiderstandes (1) verbunden;

c) der Wicklungssinn der Kompensationsspule (4) ist so ausgeführt, daß die durch den Meßwiderstand (1) darin induzierte Spannung gegenphasig zu dem induktiven Spannungsanteil der an den Potentialabgriffen (2,3) des Meßwiderstandes (1) anliegenden Spannung ist;

d) die Induktivität der Kompensationsspule (4) ist bei maximaler Spulenquerschnittsfläche geringfügig größer als die des Meßwiderstandes (1);

e) die Querschnittsfläche der Kompensationsspule (4) ist veränderbar.

2. Meßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einem rohrförmigen Leiter besteht.

3. Meßwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter von einem Kühlmedium durchflossen ist.