DE2927348A1

DE2927348A1 - Wechselstromzaehler

Info

Publication number: DE2927348A1
Application number: DE19792927348
Authority: DE
Inventors: Robert C Miller
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1979-07-06
Publication date: 1980-01-24
Also published as: AU570960B2; AU4859779A; AU2525984A; MX146850A; FR2431132B1; GB2026175B; IT7924181A0; AU536476B2; BR7904366A; FR2431132A1; IT1122061B; GB2026175A; AR225013A1

Description

drying. ERNST STRATMANN

D-4000 DÜSSELDORF I ■ SCHADOWPLATZ 9

6>

Düsseldorf, 4. Juli 1979

47,785-1
7941

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Wechselstromzähler

. Die Erfindung betrifft Meßgeräte für elektrische Wechselstromenergie, die die Spannung und den Strom abfühlende Wandler aufweisen, um Signale zu liefern, die auf die Strom- und Spannungskomponente einer elektrischen Energiegröße reagieren, die durch elektronische Meßschaltungen gemessen werden sollen. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Meßgeräte, die Strommeßwandler mit Gegeninduktanz besitzen, welche in der Lage sind, stark sich ändernde Werte für die Stromkomponente zu messen, wobei beide Wandler Ausgangssignale von niedrigem Pegel erzeugen, die durch elektronische Meßschaltungen verwendet werden können.

Einrichtungen für die Messung von elektrischer Wechselstromenergie werden von den Herstellern elektrischer Energie in weitem Umfange zur Messung des Verbrauchs durch verschiedene Energieverbraucher benutzt. Typischerweise werden Wattstundenzähler zur Anzeige des Verbrauchs in Kilowattstunden verwendet. Die Wattstundenzähler sind üblicherweise von der Induktionsbauart mit einer rotierenden Scheibe, weil sich diese Zähler als sehr zuverlässig und genau erwiesen haben und zu vernünftigen Kosten erhältlich sind und außerdem in der Lage sind, auch im Freien

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Postscheck. Berlin west (BLZ lOOlOOIOi I3273Ö-109 · DiUTSCHEBANKiBLZ 300700 10) 6 16O253

unter stark sich ändernden Temperaturbedingungen sowie anderen Umgebungsbedingungen zu arbeiten.

Es ist auch bereits bekannt, Wechselstromenergiegrößen wie Kilowattstunden, Voltamperestunden, reaktive Voltamperestunden mit elektronischen Meßschaltkreisen zu messen. Typischerweise liefern Strommeßtransformatoren Signale, die proportional zur Spannungsund Stromkomponente einer zu messenden elektrischen Energiegröße sind. In einer Art von Meßschaltkreis sind auch analoge Multiplikatorschaltkreisanordnungen bekannt, die so ausgeführt sind, daß sie ein Signal erzeugen, das proportional zum Zeitintegral des Produktes von Spannungs- und Stromkomponente ist. Ein bekannter elektronischer Meßschaltkreis, bei dem Spannungs— und Stromsignale einer Halbleitereinrichtung zugeführt werden, besitzt eine logarithmische Rechencharakteristik. Es wird von diesem Gerät ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu dem Produkt von Spannungs- und Stromsignal ist und einen gemessenen Wert der elektrischen Energiegröße darstellt.

Ein anderer bekannter analog arbeitender Wechselstromenergiemeßschaltkreis der Multiplikatorbauart wird als ein Meßschaltkreis bezeichnet, der von der Zeitteilungs- und Multiplikationsbauart ist. Ein Spannungssignal wird abgetastet, um ein variables pulsbreitenmoduliertes Signal zu erhalten, das der sich ändernden Spannungskomponente entspricht. Ein Stromkomponentensignal wird mit einer Rate abgetastet, die auf die Signale mit der variablen Pulsbreite reagiert. Es ergibt sich ein Ausgang, der aus einer Serie von Impulsen besteht, die Amplituden aufweisen, die proportional zu den augenblicklichen Stromwerten sind, sowie Impulsbreiten, die proportional zu den augenblicklichen Spannungswerten sind. Die sich ergebenden Impulssignale werden gefiltert, um einen Durchschnittswert oder Gleichstrompegel zu erhalten, der proportional zur gemessenen Wechselstromenergie ist. Das Durchschnittswertsignal steuert einen Spannungs-Frequenz-Umsetzungsschaltkreis , wobei integrierende Kondensatoren verwendet werden. Unterschiedliche Frequenzimpulse des Umsetzungsschaltkreises werden aufsummiert, so daß eine Gesamt-

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impulszählung ein Maß des elektrischen Energieverbrauchs ist.

Bei einem anderen bekannten Meßschaltkreis werden Spannungsund Stromkomponenten einer zu messenden elektrischen Energiegröße einem Hall-Generator zugeführt. Der Ausgang des Hall-Generators liefert ein Signal, das proportional zum Produkt von dem Spannungs- und Stromsignaleingang ist. Der Hall-Generatorausgang wird einem Transformator mit sättigbarem Kern zugeführt, der eine Integrationseinrichtung darstellt, um Impulse zu erzeugen, die proportional zum Zeitintegral des Hall-Generatorausganges oder der zu messenden elektrischen Energie ist. Die Spannungs- und Stromeingänge für den Hall-Generator werden von abnehmbaren Kontaktanschlüssen eines abnehmbaren Wattstundenzählers zugeführt.

Eine noch andere bekannte Wechselstromenergiemeßeinrichtung sowie ein Verfahren sind bekannt, gemäß dem die Spannungskomponente einer zu messenden elektrischen Energiegröße durch elektrische Schaltkreisverfahren zu einem Signal umgesetzt werden, das proportional zum Zeitintegral der Spannungskomponente ist. Das Zeitintegralspannungssignal wird mit stufenförmig sich erhöhenden Bezugspegeln verglichen. Jedesmal dann, wenn ein Bezugspegel erreicht wird, wird die Augenblicksgröße der Stromkomponente abgetastet und zu Digitalsignalen umgesetzt. Diese Digitalsignale werden summiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das der Messung der Wechselstromenergiegröße in Wattstunden entspricht. Durch den vorgenannten Schaltkreis werden einige der durch Komponentendrift entstehenden Nachteile bekannter analoger Multiplikatorschaltkreise vermieden.

Ein weiteres Beispiel für einen elektrischen Energiemeßschaltkreis führt die Analog-Digital-Abtastung der Spannungs- und Stromkomponenten für die nachfolgende Verarbeitung und Kalkulation durch. Eine Anzahl von unterschiedlichen elektrischen Energieparametern werden durch digitale Rechenschaltkreisverfahren berechnet.

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Bei allen vorgenannten Schaltkreisverfahren für die Messung der elektrischen Energie werden die Spannungs- und Stromeingänge für den Wechselstromenergiemeßschaltkreis direkt von der Leitungsspannung und dem Leitungsstrom geliefert, oder durch Instrumententransformatoren, die Signale erzeugen, die proportional zur LeitungsSpannungskomponente und LeitungsStromkomponente der zu messenden elektrischen Energiegröße sind. Obwohl elektrische Schaltkreise in kleinen Signalbereichen betriebsfähig sind, sind die elektrischen Leitungsspannungen und -ströme und mehrere Größenordnungen höher. Die Meßwandler, die die auf den Strom und die Spannung reagierenden Eingänge für die Meßschaltkreise liefern, müssen daher große Transformationsverhältnisse besitzen. Auch muß die Meßcharakteristik des Wandlers linear sein, wobei die Proportionalitätsverhältnisse zwischen Eingang und Ausgang konstant sind. Im Falle eines Stromwandlers muß über einen weiten Bereich von zu messenden Stromwerten die Meßantwort linerar sein.

In der US-Patentschrift 32 26 641 wird ein elektronischer Watt-Meßschaltkreis beschrieben, der einen einzigen Luftkernstromtransformator aufweist, welcher eine aus vielen Windungen bestehende Primärwicklung besitzt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das proportional zu einem Laststrom ist. Das Ausgangssignal wird einem Integrationsschaltkreis zugeführt, der einen Operationsverstärker umfaßt, so daß das Stromtransformatornetzwerk ein Spannungssignal liefert, das proportional zu und in Phase mit dem gemessenen Laststrom ist, welches Signal einem elektronischen Quadrantenquadriermultiplikationsschaltkreis zugeführt wird.

Bei typischen elektrischen Energiemessungen am Ort des Energieverbrauchers wird elektrische Energie mit beispielsweise 50 oder 60 Hz von im wesentlichen konstanter Leitungsspannung von entweder 12O oder 240 (Vereinigte Staaten von Amerika) oder 220 V (Deutschland) geliefert, wodurch die Spannungskomponente der zu messenden elektrische Energiegröße definiert wird. Andererseits verändern sich die Ströme, die die Stromkomponente der

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zu messenden elektrischen Energiegröße bilden, aufgrund unterschiedlicher Lasten erheblich. Soll die Messung zur Abrechnung vorgenommen werden, wird eine im wesentlichen linerare Abhängigkeit in einem allgemeinen Bereich gewünscht, der von 0,5 A bis 200 A reicht, d. h., ein Stromänderungsverhältnis von ungefähr 400:1. Mit Leitungsstromwerten von mehr als 200 A und weniger als 1/2 A treten bei manchem System Verschlechterungen der linearen Abhängigkeit auf. Entsprechend können übliche Potentialtransformatoranordnungen praktische Spannungsmeßwandler darstellen. Bei Stromwandlern, die die vorgenannten erheblichen Eingangsänderungen empfangen, wobei das Verhältnis in der Größenordnung von 400:1 liegt, und bei denen niedrige Signalausgangspegel erforderlich sind, sind Anordnungen notwendig, die oftmals erhebliche Größe und erhebliche Kosten bedingen. Wenn es gewünscht wird, elektronische Wechselstromenergiemeßschaltkreise und -einrichtungen herzustellen, die verhältnismäßig kompakt und bezüglich der Kosten vergleichbar mit den vorgenannten herkömmlichen Wattstundenzählern vom Induktionstyp sind, stellen die Spannungs- und Strommeßwandler erhebliche Beiträge bezüglich der Gesamtgröße und der Gesamtkosten derartiger Einrichtungen. Es ist bei genauen Stromtransformatorenwandlern bekannt, daß die Amperewindungen der Primärseite und die der Sekundärseite gleich sein müssen, und da die Strompegel in der Primärwicklung 4OO Amperewindungen erzeugen können, wird die Größe der Sekundärwicklung ganz erheblich, damit ein linearer niedrigpegeliger Signalausgang für die Stromtransformatoren sich ergibt, so daß diese Transformatoren umfänglich und ziemlich kostspielig werden.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von elektronischen Wechselenergiemeßschaltkreisen, die außerordentlich zuverlässig und genau sind und so ausgeführt sind, daß sie mit einer Standardverbindung mit Leitern in Verbindung gebracht werden, die die zu messende elektrische Energie liefern, wobei insbesondere an den Ort des Verbrauchers für die elektrische Energie gedacht ist, wobei der Strommeßwandler dieser Einrichtungen kompakt sein sollte, als Massenprodukt mittels ökonomischer Herstellungsverfahren herstellbar sein sollte und

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außerdem so arbeiten sollte, daß er niedrigpegelige Signalausgänge liefert, die genau auf große Änderungen des zu messenden Laststromes reagieren.

Die Erfindung wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs ge-' löst.

Die Erfindung besteht somit in einem Wechselstromenergiemeßgerät, das eine elektronische Meßschaltung besitzt, die Analogsignale verarbeitet, welche der Leitungsstrom- und Leitungsspannungskomponente einer elektrischen Wechselstromenergiegröße entspricht, die zur Erzeugung von elektronischen Signalen gemessen werden, welche quantisierte Größen der elektrischen Energie repräsentieren. Erfindungsgemäß besteht das Meßgerät aus einem Spannungsmeßwandler für parallelen Anschluß an die Leitungsspannungskomponente, um eine Spannung zu erzeugen, die auf das analoge Spannungssignal reagiert, das proportional zu der Leitungsspannungskomponente ist. Des weiteren aus einem Strommeßwandler mit großen ersten und zweiten Strommeßwandlerleitungseinrichtungen zum Serienanschluß mit der Leitungsstromkomponente, wobei diese erste und zweite Leitungseinrichtüng einen Primärwicklungsteil zur Erzeugung von magnetischen Flußänderungen umfaßt, die auf Größe und Rate der Änderungen des elektrischen Stromflusses in der Primärwicklung reagieren. Der Strommeßwandler umfaßt ferner sekundäre Wicklungseinrichtungen, die mit dem von dem Primärwicklungsteil erzeugten magnetischen Flußänderungen magnetisch verkoppelt ist, wobei der Fluß durch einen Luftspalt hindurchtreten muß, wobei in den sekundären Wicklungseinrichtungen durch die Magnetflußänderungen eiie auf diese reagierende elektromotorische Kraft erzeugt wird, so daß die Sekundärwicklungseinrichtung einen Strom erzeugt, der auf das analoge Spannungssignal reagiert, welches proportional zu den Summen der Zeitableitungen des Stromflusses von sowohl dem ersten als auch dem zweiten großen Leiter ist, und zwar über das gesamte Verhältnis der Stromänderungen bis zu etwa dem Verhältnis von 400:1, wobei sowohl die spannungs- als auch die stromabhängigen analogen Spannungssignale so ausgeführt sind,

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daß sie an Eingänge der elektronischen Meßschaltung angeschlossen werden können, die eine hohe Impedanz aufweisen und einen niedrigen Signalpegel benötigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 in einer Diagrammansicht, die ein elektrisches Schaltungsbild einschließt, einen elektrischen Wechselstromenergiemesser mit einem Gegeninduktanzstrommeßwandler gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 in einer Seitenansicht mit weggebrochenen Teilen das in Fig. 1 dargestellte Wechselstromenergiemeßgerät;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht von vorne bezüglich Fig. 2 längs der Achse III-III bei Blickrichtung in Richtung der Pfeile;

Fig. 4 eine Frontansicht einer anderen Ausführungsform des in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Strommeßwandlers, einschließlich einem elektrischen Schaltkreisdiagramm zum Anschluß an eine darin enthaltene Kompensationsanordnung ;

Fig. 5 eine Vorderansicht eines weiteren alternativen Gegeninduktanzstrommeßwandlers der Luftkernbauart, um den in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Wandler zu ersetzen;

Fig. 6 eine Vorderansicht mit teilweise weggebrochenen Teilen einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Wechselstromenergiemeßgerätes mit einem gegenüber der Fig. 1 abgewandelten Gegeninduktanzstrommeßwandler;

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Fig. 7 eine perspektivische Ansicht — wobei Teile entfernt wurden - von zwei getrennten Einheiten von Gegeninduktanzstrommeßwandlern/ die in Fig. 6 dargestellt sind und die außerdem eine Abschirmanordnung umfassen; und

Fig. 8 ein elektrisches Schemadiagramm des in Fig. 6 dargestellten Meßgerätes.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung umfaßt ein elektronischer Wattstundenmeßschaltkreis einen Gegeninduktanzstrommeßwandler, der sekundäre Wicklungseinrichtungen aufweist, die mit primären Wicklungseinrichtungen induktiv verkoppelt sind, welche eine Stromkomponente der zu messenden elektrischen Energie führen. Der Wandler reagiert auf weite Verhältnisse von Stromveränderungen und erzeugt am Sekundärausgang Analogsignale für die Wechselstromenergiemessung, die proportional zu den Zeitableitungen des Stromes sind. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform wird der Wandler von einem geschichteten magnetisch permeablen Kern gebildet, wobei in dem Weg des Magnetflusses, der die Primärwicklung mit der Sekundärwicklung verbindet, ein Luftspalt vorgesehen ist. Leiter, die hohe Ströme führen, bilden jeweils eine Primärwicklung mit einer Windung, die in enger induktiver Kopplung mit dem Kern angeordnet ist. Durch den in den großen Leitern fließenden und zu messenden Stromfluß wird ein Magnetfluß im Kern und durch den Luftspalt hindurch erzeugt. Eine Sekundärwicklung ist in enger induktiver Beziehung zu dem Kern angeordnet, um eine induzierte Spannung e^ = M · di/dt zu erzeugen, wobei-M die Gegeninduktanz zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis und di/dt die Zeitableitung des Primärstroms ist. Gemäß der obigen Gleichung stellt das Sekundärsignal e^ die Zeitableitung des Primärstromes dar, wenn Primär- und Sekundärwicklung mit oder ohne Magnetkern miteinander verkoppelt sind. Es ist eine wichtige Eigenschaft, daß ein im wesentlichen sehr niedriger Strom in der Sekundärwicklung fließt, wenn diese an die elektronische Schaltung mit hoher Impedanz angeschlossen ist. Somit repräsentiert das induzierte Spannungssignal e_i die

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Zeitableitung der Leitungss troitikomponente der zu messenden elektrischen Energiegröße und liefert wirksam das stromabhängige analoge Eingangssignal für einen elektronischen Wechselenergiemeßschaltkreis, der auch ein spannungsabhängiges analoges Eingangssignal e aufnimmt. Das Signal e. wird in dem Wechselstromenergiemeßschaltkreis zusammen mit dem Signal e , das die Leitungsspannungskomponente der zu messenden Energie repräsentiert, verarbeitet, um ein für den Verbrauch an Wechselstromenergie repräsentatives Signal zu erzeugen. Der Schaltkreis leitet das Zeitintegral des Produktes aus Spannungs- und Stromkomponente einer elektrischen Energiegröße über ein vorbestimmtes Zeitintervall her, um eine Energiemessung in Wattstunden zu liefern.

Die Benutzung eines Magnetkerns erhöht die induktive Kopplung zwischen der primären und sekundären Wicklung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, jedoch kann die nichtlineare magnetische Eigenschaft des Kernes zu einer gegebenen Änderung im Strom führen, wodurch eine präzise proportionale Änderung des Flusses in dem magnetischen Material der Spule nicht erzeugt wird. Eine Kompensationsanordnung ist gemäß einer Ausführungsform dadurch vorgesehen, daß geschichtete Nebenschlußstege den Luftspaltraum des Kernes überbrücken. Die Kompensationsnebenschlußstege sättigen sich bei hohen Flußdichten, um Nichtlinearitäten bei niedrigen Flußdichten innerhalb des Kernes zu kompensieren, die zumindest teilweise durch die nichtlineare Änderung der Permeabilität mit der magnetischen Induktion in dem magnetischen Material, das den Kern bildet, entstehen. Auf diese Weise wird eine stärker lineare Antwort des Ausgangssignals e. bei niedrigeren gemessenen Stromwerten erzeugt. Die Effekte der nichtlinearen Antwort des Magnetkernmaterials wird weiter dadurch verkleinert, daß große Luftspaltabstände benutzt und Materialien mit hoher Anfangspermeabilität verwendet werden.

Eine weitere Kompensationsanordnung umfaßt eine kompensierende Flußaufnahmespule, die angrenzend zum Luftspalt angeordnet ist. Rand- oder Streuflußdichten an dem Luftspalt erzeugen proportional größere Flußdichten bei niedrigeren Flußwerten, als es

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bei höheren Flußwerten der Fall ist. Die Ausgänge der Kompensationsaufnahmespule und der Sekundärwicklung werden beide einem Summierverstärker zugeführt. Der Summierverstärkerausgang liefert eine induzierte Spannung e., die proportional zur Zeitableitung des Primärstromes (di/dt) ist, welcher mehr linear auf niedrige Flußdichten im Kern reagiert. Die Kompensationsanordnungen mögen nicht vollständig eine konstante lineare Magnetantwort erreichen, jedoch ist eine weitere Kompensation in den elektrischen Energiemeßschaltkreisen durch deren Modifikation möglich, so daß in den Meßschaltkreisen zu den nichtlinearen Wandlerausgangscharakteristika entgegengesetzte Antwortcharakteristika entstehen, so daß sich insgesamt ein linearer Ausgang bezüglich des Wandlereingangsstromes ergibt.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Anordnung sind Teile des Induktionswattstundenmeßgerätes mit einer modifizierten Form sowohl für den Spannungselektromagnetabsehnitt als auch für den Stromelektrömagnetabschnitt versehen, wobei die gleiche Spannungs- und Stromwicklung und die zugehörigen Magnetkerne verwendet werden, wie bei einem elektromechanisch arbeitenden Zähler mit magnetisch angetriebener Scheibe. Eine sekundäre Wicklung ist in dem Spannungsabschnitt vorgesehen, um ein auf die Leitungsspannung reagierendes Analogsignal e zu erzeugen, das proportional zur Spannungskomponente einer elektrischen Energiegröße ist. Eine Sekundärwicklung ist auf dem Stromkern des Wattstundenzählers vorgesehen, um ein auf den Leitungsstrom reagierendes analoges Signal e. zu erzeugen. Die Elektromagnetabschnitte des Induktionsmeßgerätes sind in herkömmlicher Weise auf eine Wattstundenzählerbasis montiert, die Blattanschlüsse zur Montage von dazu passenden Sockelanschlüssen in einer Zählermontagebox trägt. Eine Primärwicklung des Spannungsabschnittes ist über zwei Netzleitungen angeschlossen und zwei Primärwicklungen mit schwerem Leiter für den Stromabschnitt sind mit den Netzleitungen in Serie geschaltet, indem diese an die Blattanschlüsse angeschlossen sind. Die Sekundärwicklungen des Spannungsund Stromabschnittes erzeugen zur Spannung und zum Strom analoge Signale aufgrund der in den Netzleitungen fließenden elektrischen

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Energiegröße. Die Spannungs- und Stromanalogsignale werden einem zugehörigen Wechselstromenergiemeßschaltkreis zugeführt, der auf dem Zählerrahmen montiert ist. Der Rahmen trägt auch die Elektromagnetabschnitte des Meßgerätes, so daß die vollständige Wattstundenmeßeinrichtung ein herkömmliches Meßgehäuse einschließlich einer becherförmigen Abdeckung umfaßt, die auf die Meßgerätbasis montiert sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des mit Magnetkern versehenen Strommeßwandlers wird dieser Kern in Schichtkonfiguration gebildet, wobei die Schichten aus Streifen von magnetisch permeablem Material gebildet sind, die an im Abstand zueinander liegenden Stellen um die Longitudinalachse herum gebogen sind, so daß die Enden davon im Abstand zueinander liegen, um einen vorbestimmten magnetischen Luftspalt zu bilden. Das Kernmaterial ist aus orientiertem Magnetstahl mit höherer Anfangspermeabilität hergestellt. Zwei Primärwicklungen des Kerns sind für Serienanschluß mit zwei Leitungsstromleitungen gebildet. Eine Sekundärwicklung ist darauf angeordnet, um niedrigpegelige Signalausgänge zu liefern, die auf die Laststromänderungen linear reagieren, wobei typischerweise ein Verhältnis von 1:400 verwirklicht ist. Die geschichtete Kernkonstruktion ist vorzugsweise durch Blechstreifen gebildet, die von Blech geschnitten werden, das aus orientiertem Magnetstahlmaterial mit hoher Anfangspermeabilität besteht.

Eine weitere Ausführungsform umfaßt einen Strommeßwandler des Luftspalttyps mit Gegeninduktanz, der eine Sekundärwicklung aufweist, die von einer nichtmagnetischen Spulenform getragen wird, sowie ein Paar von Primärwicklungen, die im wesentlichen symmetrisch zueinander und zu der Sekundärwicklung angeordnet sind. Die Primärwicklungen sind in Serie mit den zwei Leitungsleitern schaltbar, die einen weiten Bereich von Leituugsstromänderungen besitzen. Die Sekundärwicklung ist über einen Luftspalt mit dem Magnetfluß der Primärwicklungen induktiv verkoppelt, um einen auf den Strom reagierenden Analogsignalausgang zu erzeugen, der proportional zur Summe der Zeitableitung der Lei-

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tungsströme ist.

Gemäß einer noch anderen Ausführungsform sind schwere Stromleiter des Meßgerätes jeweils in Serie mit getrennten Leitungsleitern verbindbar. Gerade Teile der Leiter bilden eine wirksame Einzelwindung für den Primärwicklungsteil, welche von einer toroidalen Sekundärwicklung umgeben ist, die auf einem nichtmagnetischen Kern getragen wird, der auf einen zugehörigen Stromleiter montiert ist. Die Sekundärwicklungen sind in Serie geschaltet, um ein stromabhängiges Signal zu erzeugen, das proportional zur Summe der Zeitableitungen der Leitungsströme ist.

Entsprechend erzeugt der erfindungsgemäße Strommeßwandler mit Gegeninduktanz ein Ausgangssignal, das auf die Zeitableitung einer Stromkomponente einer zu messenden elektrischen Energiegröße reagiert, welches Ausgangssignal auf Stromänderungen über einen weiten Bereich reagiert, wie sie z. B. durch Änderungen des Stroms entstehen, der einem Verbraucher von einem Kraftwerk geliefert wird. Derartige Stromänderungen liegen typischerweise im Bereich von 400:1. Der Strommeßwandler ist in bequemer Weise gemäß einer Ausführungsform als modifizierte Form eines elektromagnetischen Stromabschnittes eines Induktionswattstundenmeßgerätes ausgeführt, um so auf einen Wattstundenmeßrahmen und -meßgehäuse montierbar zu sein. Der Strommeßwandler ist günstigerweise gemäß einer anderen Ausführungsform mit einer toroidför— migen Sekundärwicklung versehen, die induktiv über einen Luftspalt mit separaten oder kombinierten schweren Leitern verkoppelt ist, die effektiv Primärwicklungen mit nur einer Windung bilden. Die toroidförmigen Sekundärwicklungen sind in Serie geschaltet, um ein auf den Strom reagierendes analoges Spannungssignal zu erzeugen, wenn die Leitungsströme getrennt gemessen werden. Ein Spannungsmeßwandler ist ebenfalls auf dem Meßgeräterahmen montiert, so daß beide Wandler mit den Blattanschlüssen für herkömmliche Anbringung an passende Sockel von vorhandenen Meßgeräten angeschlossen sind. Der Strommeßwandler liefert ein Ausgangssignal, das dem stromempfindlichen Eingang eines Niedrigsignalpegelelektronikmeßschaltkreises zugeführt werden kann,

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und der Wandler ist so angeordnet, daß er von Hause aus im wesentlichen unempfindlich gegenüber magnetischen Streuflüssen ist, oder es ist eine zusätzliche Abschirmung vorgesehen, um den Wandler von Magnetflüssen zu isolieren, die die Genauigkeit der auf den Strom reagierenden Signale negativ beeinflussen oder verändern, welche dem zugehörigen Wechselstromenergiemeßschaltkreis zugeführt werden.

In den Figuren, insbesondere in der Fig. 1, ist ein Wechselstromenergiemeßgerät oder Wattstundenzähler 10 dargestellt, der einen Gegeninduktanzstrommeßwandler 12 gemäß der Erfindung aufweist. Das dargestellte Meßgerät 10 stellt ein Ausführungsbeispiel dar und ist an eine Quelle 14 für elektrische Wechselstromenergie und an eine elektrische Wechselstromlast 16 angeordnet, wobei die Frequenz des Wechselstromes z. B. 50 oder 60 Hz betragen kann. Die Messung des Verbrauchs an elektrischer Energie durch die Last 16 erfolgt durch das Meßgerät 10. In bekannter Weise wird die elektrische Energiegröße, die in Kilowattstunden gemessen wird, aus einem Zeitintegral des Produktes der beiden Komponenten der elektrischen Energiegröße, Leitungsspannung V und Leitungsstrom I, berechnet. Das Meßgerät 10 soll einen Induktionswattstundenzähler ersetzen, der typischerweise von den Versorgungsunternehmen am Verbrauchsort aufgestellt wird. Netzseitige heiße Drahtleiter 20 und 21 eines dreidrähtigen Spannungsversorungsnetzes von z. B. 240/120 V oder auch entsprechender anderer Spannung verbindet die Spannung und den Strom der Quelle 14, die beispielsweise durch einen Polkopfverteilungstransformator dargestellt wird, mit den Meßgerätesockelanschlüssen 23 und 24 einer Meßgerätemontagebox, die nicht dargestellt ist. Die Lastseite der heißen Drahtleiter 26 und 27 verbinden die anderen Sockelanschlüsse 29 bzw. 30 mit der Wechselstromlast 16, die typischerweise Gebrauchseinrichtungen für elektrische Energie mit Spannungen von ebenfalls beispielsweise 120 und 240 V sind. Ein geerdeter neutraler Leiter wird üblicherweise mit den Leitern 20 und 21 bzw. 26 und 27 verknüpft, wenn die Leiter und 21 Betriebsleiter umfassen, die mit einem Vertexlungstransformator verbunden sind, der einen dreidrähtigen 240/120 V Sekun-

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därausgang besitzt. Die vier Sockelanschlüsse sind von herkömmlicher Klemmbauart, die auf der Meßgerätemontagebox vorgesehen sind, um einen Induktionswattstundenzähler aufzunehmen und zwischen Quelle 14 und Last 16 anzuschließen.

Das Meßgerät 10 umfaßt ein Gehäuse 31, das in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Dieses Gehäuse wird üblicherweise für Wattstundenmeßgeräte verwendet. Zumindest vier Blattanschlüsse 32, 33, 34 und 35 werden von dem Gehäuse 31 getragen, um mit Sockelanschlüssen 23, 24, 29 bzw. 30 in Passung zu treten. Große stromführende Leiter 36 und 37 des Meßgerätes 10 liefern Serienanschlüsse zwischen den separaten Paaren von Anschlüssen 32 und bzw, 33 und 35, wie in Fig. 1 dargestellt, um die Quelle 14 mit der Last 16 zu verbinden. Diese Anschlüsse werden für eine herkömmliche dreidrähtige einphasige Belieferung von einem typischen Energxeverteilungsnetz geliefert, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Leitungs- und Lastschart-kreise begrenzt, wie sie hier als Beispiel beschrieben werden, sondern in gleicher Weise verwendbar für zweidrähtige Belieferung, wo nur ein heißer Leitungsdraht statt deren zwei gemessen wird. Die Spannung V kann, auch hier nur als Beispiel genannt, die herkömmlichh Höhe von 120 V (für die USA) für die zweidrähtige Messung oder auch 240 V (für USA) für die dreidrähtige Messung besitzen. Da bei einem dreidrähtigen System 120 V-Lasten der Last 16 zwischen einer heißen Leitung und einer geerdeten neutralen Leitung sowie 240 V-Lasten der Last 16 über zwei Leitungen und 21 angeschlossen sind, läuft der Strom der 120 V-Last einmal durch eine der zwei Meßleitungen 36 oder 37 und der Strom der 240 V-Last durch beide Leiter 36 und 37. Die Wattstundenenergieberechnung in dem Meßkreis ist durchweg proportional, da ein Spannungswandler, der weiter unten beschrieben wird, die Spannung von 240 V über den Leitern 20 und 21 mißt. Die Strom I durch jeden der Meßleiter 36 und 37 besitzt typische Variationsbreiten, die linear gemessen werden und zwischen 1/2 A und 200 A liegen, wenn Lasten 16 mit unterschiedlichen Lastimpedanzwerten angelegt werden, um Stromvariationen zu erzeugen. Das Meßgerät 10 liefert eine Energiemessung ohne Änderung der Meßgerätemontagebox, um

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so mit den Netz- und Lastleitern in einer Weise verbunden zu werden, die dem Anschluß eines einphasigen, zwei/dreidrähtigen Induktionswattstundenzählers entspricht.

Der Strommeßwandler 12, der weiter unten noch beschrieben wird, umfaßt einschleifige oder Spulenleiterteile 38 und 39 der Leiter 36 bzw. 37, welche teilweise einen magnetisch permeablen Kern umringen. Die Leiterteile 38 und 39 wirken effektiv als Primärwicklung des Wandlers 12 mit einer Windung, die mit dem Kern 40 induktiv verkoppelt sind, so daß sich ändernde Magnetflüsse durch den Kern fließen, wenn Ströme durch die Leiter 3 6 und 37 fließen. Der Magnetkern 40 ist offen und besitzt einen wesentlichen Luftraum oder Luftspalt, der in dem Magnetflußweg, der durch den Kern und dessen Enden hindurchfließt, eingeschlossen ist. Eine sekundäre Ausgangswicklung 41 wird durch eine Einzelspule gebildet, die in enger induktiver Kopplung zum Kern 40 gewickelt ist, um ein auf den gemessenen Strom reagierendes Analogsignal e. zu erzeugen. Die induzierte elektromotorische Kraft liefert ein Signal e. , das proportional zur Änderungsrate des Leitungsstromes oder proportional zur Ableitung bezüglich der Zeit des Leitungsstromes I (d. h. di/dt) durch beide Leiter 36 und 37 ist. Somit wird in dem Wandler 12 das Signal e. durch die elektromotorischen Kräfte erzeugt, die in der Wicklung 41 durch die Magnetflüsse induziert werden, die von den zwei Leitungsströmen erzeugt werden, welche an die Primärwicklungsteile 38 und 39 angelegt sind.

Ein elektronischer Wechselstromenergiemeßschaltkreis 43 empfängt das Signal ej_ wie auch ein auf die Spannung reagierendes Analogsignal e_v von einem spannungsmessenden Wandler 45, Ein Potentialtransformator bildet den Wandler 45, bei dem eine Primärwicklung 46 um einen laminierten Magnetkern 48 gewickelt und über den Blattanschlüssen 32 und 33 angeschlossen ist, um auf die Leitungsspannung V über diesen Anschlüssen zu reagieren. Der laminierte Kern 48 umfaßt auch eine Sekundärwicklung 49, die mit der Primärwicklung 46 induktiv verkoppelt ist, um ein auf die Spannung reagierendes analoges Signal e an den Meßschalt-

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kreis 43 zu liefern. Das analoge Signal e. ist bekannterweise von gleicher Frequenz wie der Leitungsstrom I und besitzt eine zu diesem Leitungsstrom I proportionale Amplitude, jedoch besteht eine Phasenverschiebung von 90 elektrischen Graden aufgrund der mathematischen Ableitungsfunktion/ die in der Gegeninduktanzeigenschaft des Gegeninduktanzwandlers- 12 enthalten ist. Der Ausgang e des Spannungswandlers 45 ist bezüglich der Amplitude proportional und bezüglich der Frequenz und der Phasenbeziehung gleich der Leitungsspannung V. Somit stellen die Signale e_v und e. Repräsentationen der Spannungs- bzw. Stromkomponente der von dem Meßgerät 10 zu messenden Wechselstromenergie dar.

Die Wechselstromenergiemeßschaltung 43 liefert wirksam ein auf die elektrische Energie reagierendes Impulsratensignal, wie es in der US-Patentanmeldung 923,530 offenbart wird. Pulssignale 44 des Schaltkreises 43 sind jeweils repräsentativ für eine quantisierte Größe der von der Wechselstromlast 16 verbrauchten Wechselstromenergie. Die Impulswerte werden aufsummiert, um eine kumulative Ablesung für den elektrischen Energieverbrauch in Wattstunden zu liefern.

Das auf den Strom reagierende analoge Signal e., das auf di/dt reagiert, liefert ein Signal, das besonders nützlich für den in der vorgenannten US-Patentanmeldung 923,530 offenbarten Wechselstromenergiemeßschaltkreis ist. Beim Betrieb leitet ein gemeinsamer Integrationsschaltkreis in dem Kreis 43 das vom Strom abhängige analoge Signal e/, das proportional zur Stromkomponente ist, und ein Modulationssignal ab, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal zu erzeugen, dessen Arbeitszyklus proportional zum gemessenen Strom ist. Das impulsbreitenmodulierte Signal wird einem Zeitteilungsmultiplikatorschaltkreis zugeführt, welcher auch das auf die Spannungskomponente reagierende analoge Signal e aufnimmt, um Impulse zu erzeugen, die quantisierte Werte der gemessenen elektrischen Energie in Wattstunden besitzen. Das analoge Signal e. kann auch einem elektronischen Integrationsschaltkreis zugeführt werden, um ein analoges Signal direkt

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proportional zu und in Phase mit dem Strom zu erhalten, statt daß eine Zeitableitung davon direkt verwendet wird, um dieses Signal in anderen bekannten Zeitteilungsmultiplikatoreinrichtungen, Quadrantenquadriereinrichtungen, Digitalverarbeitungseinrichtungen mit Analog-Digitalumsetzung oder noch anderen Arten bekannter elektrischer Energiemeßeinrichtungen zu verwenden. Auch können die Impulssignale des Kreises 43 einem programmierbaren Tageszeitmeßschaltkreis 51 von elektronischer Bauart zugeführt werden, wie er in den britischen Patentschriften 79 08 9 und 79 08 574 offenbart wird. Wie in den vorgenannten Anmeldungen liefert eine elektronische, digitale Auslesedarstellung 53 numerische Darstellungen der zeitbezogenen Parameter einer zu messenden elektrischen Energiegröße.

Fig. 2 und 3 erläutern ein Wattstundenmeßgerätgehäuse 31 der Bauart, die für Induktionswattstundenzähler verwendet wird, mit einer Basis 56, in Fig. 2 dargestellt, die Blattanschlüsse 32, 33, 34 und 35 trägt, so daß diese sich vom Hinterende weg erstrecken. Eine becherförmige Wattstundenmeßgeräteabdeckung 58 wird von der äußeren Peripherie der Basis 56 getragen und liefert einen geschützten umschlossenen Raum 60 vor dem Vorderteil der Basis 56. Ein Meßgeräterahmen 61, der auf dem Vorderteil der Basis 56 getragen wird, ist vorgesehen, um die Meßteile des Meßgerätes 10 zu tragen. Der Strommeßwandler 12 und der Spannungsmeßwandler 45 werden von dem Rahmen im wesentlichen in der gleichen Weise gehalten, wie die entsprechenden Induktionswatts tundenmeßelektromagnets tr omabschnitte und -spannungsabschnitte. Die Strom- und Spannungsmeßwandler 12 und 45 sind mit den Blattanschlüssen 32, 33, 34 und 35 verbunden, wie in Fig. 1 dargestellt und beschrieben und auch in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Eine Mehrzahl von Schaltkreistafeln 63, 64, 65 und 66, dargestellt in Fig. 2, tragen die elektronischen Bauteile der Schaltkreise 43 und 51 und tragen auch die digitale Auslesedarstellung 53 und eine optische Abschirmung 68, die Teil einer optischen Verbindung bildet, die mit dem Schaltkreis 51 verbunden ist, wie in der vorgenannten britischen Patentschrift 79 08 beschrieben. Drei sekundäre Ausgangsleitungen 70, 71 und 72

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von der Sekundärwicklung 48 des Spannungstransformators 45 liefern das auf die Spannung reagierende analoge Signal e für den Wechselstromenergiemeßschaltkreis 43. Zwei Leiter können das Ausgangssignal e_v liefern, abhängig von den Anforderungen des Eingangskreises. Die sekundären Ausgangsleiter 74 und 75 von der sekundären Wicklung 41 des Stromwandlers 12 liefern das auf den Strom reagierende Analogsignal e. an den Meßschaltkreis 43.

Es sei nun auf den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Gegeninduktanzstrommeßwandler 12 gemäß der vorliegenden Erfindung in größeren Einzelheiten eingegangen. Der geschichtete magnetisch permeable Kern 40 ist im wesentlichen U-förmig und ähnlich dem, der bei der elektromagnetischen Stromanordnung eines Induktionswattstundenzählers vom Typ D4S verwendet wird, der bei der Firma Westinghouse Electric Corp. sowie bei der Firma "Meter and Low Voltage Instrument Transformer Division", Raleigh, NC, USA, erhältlich ist. Die großen Leiter 36 und 37 und die Primärwicklungsteile 3& und 39 davon sind ebenfalls gleich dem des vorgenannten elektromagnetischen Meßabschnittes. Die massiven Kupferleiter 36 besitzen einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,58 cm und haben bekanntlich eine nur sehr geringe Impejidanz in der Größenordnung von wenigen 100 Mikroohm oder weniger.

Magnetische NebenschlußStege 76 sind über einem Luftspaltraum zwischen den Enden des Kerns 40 montiert, wobei die Stege sich längs beider Seiten des Kerns 40 erstrecken. Die Nebenschlußstege werden von mehreren magnetischen Streifen gebildet die durch nichtmagnetische Abstandsstreifen getrennt werden, um eine Kompensationsanordnung zu liefern, die die lineare Antwort des Wandlers 12 bei niedrigen Werten des Leitungsstromes verbessert. Die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Nebenschlußstege 76 sind derartig, daß sie sich bei höheren magnetischen Flußwerten, die bei höheren Leitungsströmen vorkommen, sättigen, während sie Flußwege mit niedriger Reluktanz über dem Luftspalt 78 bei niedrigen Werten für den von den niedrigen Werten der Leitungsströme erzeugten niedrigen Werten des magne-

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tischen Flusses liefern. Die Nebenschlußstege 76 besitzen bezüglich Luft eine hohe Permeabilität bei niedrigen Magnetflußwerten, haben jedoch noch erheblich geringere Permeablität als der Kern 40. Die im wesentlichen konstanten hohen Reluktanzeffekte des Luftspaltes 78 werden bei niedrigen Flußdichten reduziert, die bei niedrigen Leitungsstromwerten auftreten, und zwar durch die Nebenschlüsse 76. Die Nebenschlüsse verändern effektiv die Reluktanz des Luftspaltes umgekehrt proportional zu der nichtlinearen Permeabilitätscharakteristik des Kernes 40. Der Luftspalteffekt bleibt über dem gesamten gemessenen Leitungsstrombereich erhalten, so daß der Kern 40 sich magnetisch nicht sättigt. Es wird angenommen, daß die Anfangspermeabilitätscharakteristik und die nichtlineare Charakteristik der Permeabilität bei niedrigem Magnetflußpegel in den Magnetisierungs- oder Sättigungskurven des Magnetmaterials des Kerns 40 im wesentlichen für die Nichtlinearität verantwortlich sind, die bei ansteigend induziertem Fluß entsteht, welcher von erhöhtem Leitungsstrom erzeugt wird. Die Nebenschlußstege 76 kompensieren diese Nichtlinearität, indem sie bei niedrigem Magnetfluß und niedrigen Stromwerten im nichtgesättigten Bereich arbeiten, während sie bei höheren Flußwerten sich sättigen, wenn die Kernpermeabilitätseigenschaften stärker linear sind. Somit bewirken die Nebenschlüsse 76 bei niedrigen Stromwerten eine Erhöhung der magnetischen Verkopplung im Luftspalt zwischen den Kernenden, indem die Reluktanz des Luftspaltes 78 magnetisch verringert wird oder indem die effektive Länge des Luftspaltes verringert wird.

Die Sekundärwicklung 41 des Wandlers 12 umfaßt größenordnungsmäßig 300 Windungen eines Drahtes mit kleinem Durchmesser, der gemäß einer Ausführungsform ein Draht mit der Nummer 36 ist, welcher Draht um das Zentralbein des Kerns 40 gegenüberliegend zum Luftspalt 78 gewickelt ist, um so eine niedrige Spannung zu erzeugen, nämlich das spannungsabhängige Analogsignal e , das so beschaffen ist, daß es Festkörperelektronikkomponenten des Meßschaltkreises 43 zugeführt werden kann. Der Gegeninduktanzstromwandler gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Sekundärwicklung, die sehr niedrige Strompegel schafft, wenn sie

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in Serie mit der Sekundärwicklung 41 an einen Schaltkreiseingang mit sehr hoher Impedanz angeschlossen wird. Im Gegensatz dazu besitzen herkömmliche Instrumentenstromtransformatoren geschlossene oder ununterbrochene Magnetkerne mit einem minimalen oder vernachlässigbaren Luftspalt darin. An die Instrumentenstromtransformatoren müssen Sekundärlasten mit sehr niedriger Impedanz angeschlossen werden und die Sekundärausgänge sind Stromsignale, die proportional und in Phase mit einem Primärstrom sind. Das stromabhängige Analogsignal e. besitzt einen typischen Maximalwert in der Größenordnung von 5 V, während die minimale Spannung in der Größenordnung von 0,010 V liegt, entsprechend Lextungsstromvarxatxonen, die gleichzeitig in den Meßgeräteleitern 36 und 37 auftreten und die zwischen 200 A und 0,5 A liegen. Das Ausgangssignal e. von den Anschlußleitern 74 und 75 der Sekundärwicklung ist mit einer verhältnismäßig hohen Impedanz verbindbar, die von dem Eingang eines Meßschaltkreises geliefert wird, wobei als Impedanzwerte nur beispielsweise 50.000 bis 100.000 0hm oder höher genannt seien, da der Stromwandler 12 von der Gegeninduktanzbauart ist.

Zum Zwecke der Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, daß das Analogsignal e. gleich der Konstanten der Gegeninduktanz M zwischen dem Schaltkreis der leitenden Teile 38 und 39 der Primärwicklung und der Sekundärwicklung 41 ist, multipliziert mit der Ableitung nach der Zeit des Leitungsstromes durch die Primärwicklungen. Somit ist e. = M • di/dt oder porportional zu di/dt. Es sei angemerkt, daß der hier benutzte Ausdruck di/dt gleich der Summe der Ableitungen nach der Zeit für die zwei Leitungsstromkomponenten ist, oder di/dt ist gleich di^dt plus di₂/dt oder d(i₁ + i₂)/dt, wobei i- und i₂ die zwei Stromwerte der Stromkomponente I der elektrischen Energie sind, die berechnet wird und in den Meßgeräteleitungen 36 bzw. 37 fließt. Es ist bekannt, daß eine elektromotorische Kraft e in einem Schaltkreis (sekundär) durch die Stromänderung in dem anderen Schaltkreis (primär) induziert wird, wenn die zwei Schaltkreise nahe beieinander liegen. Der Koeffizient oder die Konstante der Gegeninduktanz M zwischen

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den Schaltkreisen ist abhängig von der magnetischen Kopplung zwischen dem primären Windungskreis und dem sekundären Windungskreis und diese Eigenschaften werden von Erich Hausmann und E. P. Slack in dem Buch "Physics" beschrieben, das von D. Van Nostrand Co., Inc., New York, N. Y., beschrieben wird, zweite Ausgabe 1939, Seiten 435 bis 439. Wie auf Seite 438 beschrieben wird, beträgt die Gegeninduktanz M von zwei benachbarten Spulen, die Einzelinduktanzen L- und L~ besitzen, M = k . L.. χ L„, wobei K ein Maß für die Engheit der Kopplung ist und k gleich ist, wenn eine vollständige Flußkopplung und keine Leckage vorhanden ist. Die Gegeninduktanz wird stark erhöht, wenn die Spulen auf einem gemeinsamen magnetisch permeablen Kern gesetzt werden, wie beispielsweise den Magnetkern 40. Jedoch ist die Gegeninduktanz nicht stets ein konstanter Wert, aus Gründen, die noch erläutert werden, wodurch sich leicht Änderungen in der Proportionalität des magnetischen Flusses in dem Kern für eine gegebene Stromänderung ergeben.

Allgemein kann gesagt werden, daß dann, wenn zwei Spulenwicklungen eines Gegeninduktanzwandlers über einen Luftspalt miteinander verkoppelt werden, der die Wicklungen gegenseitig umgibt/ so daß sie einen sogenannten Luftkerntyp ergeben, wie im folgenden noch näher bezüglich der Fig. 5 bis 8 beschrieben wird, der Koeffizient der Gegeninduktanz M abhängig von der Anzahl der Windungen in der Primärwicklung und der Sekundärwicklung wird, außerdem von der Fläche und der Form der Wicklungen und der relativen Stellung der Wicklungen. In dem hier beschriebenen Wandler gibt es entweder eine Primärwicklung oder zwei primäre Wicklungen, die gleiche oder unterschiedliche Sekundärwicklungen miteinander verbinden, so daß die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung entweder proportional zu dem einen Fluß oder zu der Summe der Flüsse der zwei Primärströme ist, oder di^/dt + di₂/dt, wie oben bereits angeführt. Die Einzelsekundärwicklung oder die zwei sekundären Wicklungen eines jeden hier beschriebenen Wandlers erzeugen ein Signal e., das proportional zu entweder dem einen dem Wandler zugeführten Leitungsstrom ist oder zu der Summe der zugeführten Leitungsströme.

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Die Verwendung eines weichen Magneteisenkerns,wie beispielsweise des Kerns 40, liefert einen eingegrenzten und verbesserten Flußkopplungsweg für die Flußverbindungskopplung der Wicklungen, so daß die relative Anordnung der Wicklungen weniger kritisch ist, jedoch ist die Gegeninduktanz von den Eigenschaften des Magnetkerns abhängig.

Eine magnetische oder elektrostatische Abschirmung ist oft wünschenswert für Luftkerngegeninduktanzwandler, wie sie im folgenden noch näher beschrieben werden. Magnetische und elektrostatische Abschirmung ist notwendig, um die Effekte von störenden Magnetfeldern und 60 Hz oder höherfrequenten Signalen zu vermeiden. Eine derartige Abschirmung ist im allgemeinen nicht erforderlich für Wandler mit Magnetkern, wie beispielsweise den Wandler 12, jedoch ist diese Art von Wandler abhängig von der Permeabilität des herkömmlicherweise zur Verfügung stehenden Magnetmaterials und von den Effekten des Luftspaltraumes, insbesondere dann, wenn die Magnetflüsse des Leitungsstromes sich über weite Bereiche ändern, wie beispielsweise bei einem Verhältnis von 1:400. Die Benutzung der vorgenannten Nebenschlußstege 76 helfen bei der Kompensation von Nichtlineäritäten bei niedrigen Stromwerten, wie es weiter oben bereits erwähnt wurde. Eine andere Verbesserung bezüglich der Kompensation von nichtlinearen Eigenschaften von Gegeninduktanzwandlern mit Magnetkern wird weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 4 gegeben. Die oben erwähnte US-Patentanmeldung 923,530 beschreibt ein Schaltkreisverfahren zur weiteren Kompensation von Nichtlinearitäten in dem Ausgangs signal e.^ unter Verwendung von elektronischen Schaltverfahren.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform eines Gegeninduktanzstrommeßwandlers 80 dargestellt, welcher die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Wandler 12 ersetzen soll. Der Wandler 80 wird von einem geschichteten Kern 82 gebildet, der Streifen aus permeablern magnetischen Material verwendet, vorzugsweise orientiertes magnetisches Stahlmaterial mit einem hohen Anfangspermeabilitätskoeffizienten, um die lineare Antwort eines der-

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artigen Strommeßwandlers bei durch niedrigen Strom erzeugten Magnetflüssen zu verbessern. Das laminierte Magnetmaterial von Induktionswattstundenzählerstromkernen/ wie beispielsweise in Fig. 2 und 3 dargestellt, ist ein weniger aufwendiges Material, da es ein nichtorientiertes Magnetmaterial ist. Die Schichten des Kerns 82 sind über die Längsachse oder Longitudinalachse des Kerns herumgebogen, um die allgemeine C-förmige Konfiguration zu bilden, die in Fig. 4 dargestellt ist und einen Luftspalt 84 bildet. Stromleiter 86 und 87 besitzen einstückige Teile, die vorzugsweise eine Einwindungsschleifenkonfiguration bilden, um Primärwicklungen 89 und 90 entsprechend der Art zu bilden, in der die Leiter 36 und 37 mit den zugehörigen, eine Windung aufweisenden Primärwicklungsteilen gebildet sind, die weiter oben bezüglich des Wandlers 12 beschrieben wurden. Die Sekundärwicklung 92 entspricht der Wicklung 41 in der Form, daß sie Sekundärausgangsanschlußleiter 94 und 95 zur Erzeugung eines auf Strom reagierenden Analogsignals e„ besitzt.

Der Wandler 80 umfaßt weiterhin eine andere Kompensationsanordnung, die auch bei dem Wandler 12 anwendbar wäre, um die lineare Antwort bei durch niedrigen Strom erzeugten Flußpegeln zu verbessern. Eine Aufnahmemagnetspule 97, vorzugsweise in Form einer Induktionsspule, ist angrenzend zum Luftspaltraum 84 angeordnet, um so auf mit dem Luftspalt verbundene Streuflüsse zu reagieren. Ein derartiger Luftspaltstreumagnetfluß ist oftmals in nichtlinearer Weise abhängig von den Pegeln des durch den Kern 82 und den Luftspalt 84 hindurchtretenden Hauptflusses und daher auch nicht linear proportional zum Strom in der Primärwicklung. Der Streu- oder Leckfluß ist proportional höher bezüglich des Hauptkernflusses bei niedrigen Stromwerten verglichen mit höheren Stromwerten. Dies liefert eine induzierte elektromotorische Kraft und eine Ausgangsspannung von der Aufnahmespule 97, die stärker proportional abhängig ist bei niedrigen Magnetflußpegeln des Stroms, als es bei höheren Pegeln der Fall ist. Da die in der Sekundärwicklung 92 erzeugte Spannung bei niedrigen Strömen oder Flußpegeln geringer abhängig ist und die in der Spule 97 erzeugte Spannung proportional stärker abhängig ist, werden

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der Ausgang e der Spule 97 und der Ausgang e der Wicklung 92 beide einem Summierverstärkerschaltkreis 99 in Kompensatiönsbeziehung zueinander zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 99 erzeugt ein kompensiertes und stärker linear proportionales vom Strom abhängiges Analogsignal e., das proportional zur Zeitableitung der Summe der Leitungsströme ist, oder proportional zu di/dt. Der Ausgang des Verstärkers 99 kann einem elektrischen Energiemeßschaltkreis zugeführt werden, wie beispielsweise dem Kreis 43, um das vom Strom abhängige Signal e. zu erzeugen und dieses bei der Berechnung der zu messenden elektrischen Energiegröße zu verwenden, wie bereits bezüglich dem Ausgang der Wicklung 41 weiter oben beschrieben wurde.

Bezüglich der weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung illustrieren die Fig. 5, 6, 7 und 8 Gegeninduktanzstrommeßwandler, bei denen die induktive Kopplung zwischen den Wandlern ausschließlich durch einen Luftspalt oder Luftraum geliefert wird, der die äquivalente Permeabilität von Luft besitzt und als Luftkernbauart bezeichnet wird. Fig. 5 erläutert einen Luftkerngegeninduktanzstrommeßwandler 106, der nicht maßstäblich dargestellt ist und die vorliegende Erfindung verkörpert. Fig. 6, 7 und 8 erläutern weitere Luftkerngegeninduktanzstrommeßwandler 107, die ebenfalls erfindungsgemäß ausgeführt sind.

In Fig. 5 sind zwei Erimärstromleiter 108 und 110 in dem Wandler 106 eingeschlossen, entsprechend den Stromleitern 36 und 37 des Wandlers 12, der in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Symmetrische flußaddierende Einzelwindüngsprimärwicklungsleiterteile 112 und 114 sind in den Leitern 108 bzw. 110 enthalten. Eine Sekundärwicklung 116 besitzt Ausgangsanschlußleitungen 118 und 119, die den Anschlußleitungen 74 und 75 der Wicklung 41 entsprechen. Die Sekundärwicklung ist um eine nichtmagnetische Kernform 120 herumgewickelt, der eine Permeabilität aufweist, die im wesentlichen der von Luft entspricht. Das analoge Signal e^, proportional zur Zeitableitung der Summe der Leitungsströme, wie weiter oben beschrieben, wird an den Leitern 118 und 119 erzeugt. Es ist besonders wünschenswert, daß die Primärwicklung

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oder die Spulenleiterteile 112 und 114 spiegelbildliche Symmetriebeziehungen zueinander und zu der Sekundärwicklung 116 besitzen. Die primären Wicklungen 112 und 114 erstrecken sich vorzugsweise bis zum Zentrum des Ringes, der von der Sekundärwicklung 116 gebildet wird, so daß die Wicklung 116 sich durch das Zentrum der Wicklungen 112 und 114 erstreckt. Die Sekundärwicklung 116 ist symmetrisch und gleichmäßig um die Spulenform 120 herum angeordnet. Die vorgenannte symmetrische Ausrichtung der Wicklungen ist wesentlich unempfindlicher gegenüber äußeren oder störenden magnetischen Feldern, deren Einflüsse durch die symmetrische Anordnung beseitigt werden.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform des Wandlers 106 besitzt die Sekundärwicklung 92 1950 Windungen oder fast 2000 Windungen, einen Durchmesser von ungefähr 5,1 cm, wobei jede äußere Wicklung eine Abmessung von ungefähr 0,64 χ 1,27 cm besitzt und und ein Signal e. von 403 Millivolt für einen Leitungsstrom I von 200 A und 1,05 Millivolt für einen Leitungsstrom I von 0,5 A liefert.

Es sei nun auf den in Fig. 7 dargestellten Gegeninduktanzstromwandler 107 eingegangen, der aus zwei im wesentlichen identischen Wandlereinheiten 126 und 128 besteht, die in einem Meßgerät 10a im wesentlichen identisch zum Meßgerät 10 montiert sind, mit der Ausnahme, daß der Wandler 107 den Wandler 12 ersetzt. Die Wandler 126 und 128 sind in Fig. 7 ohne Abschirmanordnungen dargestellt, die vorgesehen sein können, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt und weiter unten beschrieben. Ein Paar gerader schwerer Leiter 130 und 132 ersetzen die Leiter 36 bzw. 37 und sind in ähnlicher Weise in Serie zwischen Meßgeräteblattanschlussen 32 und 34 bzw. 33 und 35 angeordnet. Die Leiter 130 und 132 sind aus dem gleichen schweren Leitermaterial mit hoher Stromführungskapazität hergestellt und besitzen Abmessungen von etwa einem Durchmesser von 0,64 cm, wie die Leiter 36 und 37. Jede der Wandlereinheiten 126 und 128 umfaßt identische zylindrische toroidspulenförmige Sekundärwicklungen 134 und 136 und arbeiten als unabhängige Wandlerelemente, um separat die Ströme der Leiter

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130 und 132 zu messen. Eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Wandlereinheit 126 mit der toroidförmigen Wicklung 134 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei Teile weggebrochen sind. Die Wicklungen 134 und 136 sind auf einer nichtmagnetischen, aus Plastikmaterial bestehenden hohlen Zylinderspulenform aufgewickelt, teilweise in Fig. 7 bei 140 gezeigt, welche Spulen wirksam die gleiche Permeabilität wie Luft aufweisen. Die Wicklungen 134 und 136 umfassen jeweils ungefähr 1500 Windungen Draht mit einem Durchmesser von größenordnungsmäßig 0,01 cm. Die Durchschnittsgröße einer jeden Spulenwindung, da sie parallel zu den Leitern 130 und 132 in den Wicklungen 134 und 136 gewickelt ist, beträgt etwa 2,54 cm χ 0,64 cm.

Die Anschlußleitungen 142 und 143 von Wicklung 134 und der Leiter 144 und 145 der Wicklung 136 sind in Serie geschaltet, wie in Fig. 6 dargestellt, um die Spannung zu summieren. Die Anschlußleiter 142 und 144 erzeugen das vom Strom abhängige Analogsignal e., das dem Ausgang der Anschlußleiter 74 und von Wicklung 41 entspricht. Der innere Durchmesser der Wicklungen 134 und 136 wird von KunststoffZylinderbuchsen 148 und 150 getragen, die auf den Leiter 130 bzw. 132 montiert sind. Somit umringen die Wicklungen 134 und 136 die Leiter 130 und 132_r von welchen Leitungen Teile effektiv Primärwicklungen mit einer Einzelwindung bilden. Die von in den Leitern 130 und 132 fließenden Ströme erzeugten Magnetflüsse laufen durch die wirksamen Luftkernräume hindurch, die gegenseitig den Leiter 130 und die Wicklung 134 sowie den Leiter 132 und die Wicklung 136 umfassen und hindurchlaufende elektromagnetische Flüsse erzeugen Spannungen, die proportional zur Änderungsrate der Ströme in den Leitern 130 und 132 sind.

Elektrostatische und magnetische Abschirmungen werden vorzugsweise für jeden der Wandlerabschnitte 126 und 128 vorgesehen, wie in Fig. 7 für die Wicklung 134 sowie in der schematischen Schaltung der Fig. 8 dargestellt. Andere magnetische und elektrostatische Abschirmanordnungen 151 und 152 sowie innere elektrostatische Abschirmungen 153 und 154, die auch als Faraday-Käfige

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bezeichnet werden, sind schematisch in Fig. 8 dargestellt. Die Abschirmungen 153 und 154 können durch ein leitfähiges Schichtmaterial gebildet werden, das den inneren Durchmesser der Wicklung 132 umgibt, um einen geerdeten Weg für störende Hochfrequenz oder andere Signale zu liefern, um so zu verhindern, daß sie mit den Sekundärwicklungen 132 und 134 verkoppelt werden, ohne daß die Abschirmung die magnetische Flußkopplung zwischen dem zugehörigen Leiter und der Sekundärwicklung beeinflußt. Die kombinierte magnetische und elektrostatische Abschirmungsanordnung 151 wird gemäß Fig. 7 durch zwei becherförmige laminierte oder zweiteilige Glieder 158 und 160 gebildet, die Zentralbohrungen besitzen, die über den zugehörigen Leiter wie den Leiter 130 geschoben sind und die außerdem passende offene Enden besitzen, die aneinander anliegen und sich magnetisch und elektrisch berühren, so daß die Glieder 158 und 160 im wesentlichen vollständig die Wicklung 134 umschließen. Die äußere Schale oder der Becherteil, wie der Becherteil 160-1, eines jeden der Glieder 158 und 160, ist aus Weichmagnetmaterial hergestellt. Eine innere Schale oder Becherteil, wie das Teil 160-2, ist aus einem leitfähigen Material ähnlich dem Material 153 hergestellt, um den Rest der vollständigen elektrostatischen Abschirmung zu bilden. Die Teile 158 und 160 und die Schicht 153 bilden die vollständige Abschirmungsanordnung für die Wicklung 134. Somit können externe Signale oder störende Magnetflußfelder, wie sie beispielsweise von dem Spannungswandler 45 oder anderen Magnetflußquellen herrühren, nicht mit der Wicklung 134 verkoppelt werden und so keine fehlerhaften auf Strom empfindliche Analogsignale erzeugen. Wenn die Glieder 158 und 160 für die Anordnung 152 vorgesehen werden und die leitende Abschirmung 154 wie bei 153 geformt ist, ist die Wicklung 136 in ähnlicher Weise geschützt.

Das in Fig. 8 dargestellte elektrische Schemadiagramm erläutert die elektrischen Verbindungen des Spannungsmeßwandlers 45 und des Strommeßwandlers 107 des Meßgerätes 10a der Fig. 6. Die magnetischen und elektrostatischen Abschirmungen 151, 152, 153 und 154 liefern die Abschirmung für die Wicklungen 134 und 136,

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wie weiter oben beschrieben, Der Ausgang e_v des Wandlers 45 und der Ausgang e. der zwei Wandlerabschnitte 126 und 128 werden dem elektronischen Wechselstromenergiemeßschaltkreis 53 zugeführt, wie für das Meßgerät 10 bereit.beschrieben, das in Fig. 1 dargestellt ist.

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Claims

drying. Ernst Stratmann - PATENTANWALT ^ Q 7 7 *i A ft D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9 "'" Düsseldorf, 4. Juli 1979 47,785-1 7941 Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A. Patentansprüche ;

1.\ Meßgerät für elektrische Wechselstromenergie mit einem elektronischen Meßschaltkreis zur Verarbeitung von Analogsignalen, die auf die Leitungsstrom- und Leitungsspannungskomponente einer zu messenden elektrischen Wechselstromenergiegröße reagieren, um elektronische Signale zu erzeugen, die quantisierte Größen der elektrischen Energie darstellen, wobei das Meßgerät einen Spannungsmeßwandler zum parallelen Anschluß an die Leitungsspannungskomponente zur Erzeugung eines zu der Leitungsspannungskomponente proportionalen analogen Spannungssignals (e_v) sowie einen Strommeßwandler umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßwandler erste und zweite große Leitereinrichtungen (36, 37 in Fig. 1, 3; 86, 87 in Fig. 4; 108, 110 in Fig. 5; 130, 132 in Fig. 6 bis 8) für Serienschaltung mit der Leitungsstromkomponente, wobei jede der ersten und zweiten Leitungseinrichtungen einen Primärwicklungsteil zur Erzeugung von Magnetflußvariationen aufgrund von Änderungen von Größe und Rate des darin fließenden Stromes besitzt, daß der Strommeßwandler außerdem eine Sekundärwicklungseinrichtung (41 in Fig. 1 bis 3; 92 in Fig. 4; 116 in Fig. 5; 134, 136 in Fig. 6 bis 8) aufweist, die mit den Magnetflußveränderungen magnetisch verkoppelt ist, die von den Primärwicklungsteilen erzeugt wird, um so durch einen Luftspalt

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hindurchzutreten, wobei die Sekundärwicklungseinrichtungen eine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung erzeugen, die auf die Magnetflußveränderungen so reagiert, daß die Sekundärwicklungseinrichtung ein auf den Strom reagierendes Analogspannungssignal erzeugt, das proportional zu den Summen der Zeitableitungen des Stromflusses in dem ersten und dem zweiten großen Leiter über einen Bereich von Stromänderungen ist, der bis zu 400:1 reicht, wobei sowohl das auf die Spannung wie auch das auf den Strom reagierende analoge Spannungssignal geeignet ist, an die hochimpedanten und niedrigen Signalpegel erfordernden Eingänge der elektronischen Meßeinrichtung angeschlossen zu werden.

2. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zumindest vier Blattanschlüsse (32 bis 35) zur abnehmbaren Montage des Meßgerätes aufweist, wobei die Stromkomponente in Serie mit getrennten Paaren der vier Blattanschlüsse verbunden ist und die Spannungskomponente über einem Blattanschluß eines jeden der getrennten Paare von Blattanschlüssen angeschlossen ist.

3. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen magnetisch permeablen Kern (40 in Fig. 1 bis 3; 82 in Fig. 4; 120 in Fig. 5; 140 in Fig. 7), welcher sowohl die Primärwicklungsteile der ersten und zweiten Leitungseinrichtungen als auch die Sekundärwicklung aufweist, die mit der Primärwicklung verkoppelt ist, und daß der magnetisch permeable Kern einen vorbestimmten Luftspalt umfaßt.

4. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßwandler einen C-förmigen magnetisch permeablen Kern (40 in Fig. 1 bis 3; 82 in Fig. 4) und zwei große Leiterspulen (39, 38 in Fig. 1 bis 3; 82, 90 in Fig. 4) eines Induktionswattstundenmeßgerätestromelektromagneteabschnittes aufweist, die einen primären, eine Win-

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dung umfassenden Windungsteil für den Strommeßwandler bilden.

5. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß magnetisch sättigbare Nebenschlußstegglieder (76 in Fig. 3) sich von sich gegenüberliegenden Enden des magnetisch permeablen Kerns erstrecken, um Magnetfluß in dem Kern nur bei niedrigen Kernflußpegeln zu leiten.

6. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Aufnahmespule (97 in Fig. 4), die angrenzend zu dem Luftspaltraum angeordnet ist, um so mit dessen Leckmagnetfluß induktiv verkoppelt zu sein, und daß des weiteren eine Signalsummierschaltkreiseinrichtung (43 in Fig. 1,8 und 99 in Fig. 4) vorgesehen ist, die sowohl auf den Ausgang und auf die Sekundärwicklung reagieren, so daß die Summierschaltkreiseinrichtung ein kompensiertes stromempfindliches analoges Spannungssignal (e.) erzeugt, das proportional zur Zeitableitung der Leitungsstromkomponente der zu messenden elektrischen Energiegröße ist.

7. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sekundärwicklungseinrichtungen erste und zweite zylindrische Toroidwindungen (134, 136 in Fig. 6 bis 8) besitzen, die um nichtmagnetische Kerne (148, 150) gewickelt sind und effektive Primärwicklungsteile der ersten und zweiten großen Leitereinrichtung umrunden, und daß die Ausgangsleitereinrichtungen serienangeschlossene Teile der Ausgangsanschlußleitungen (142 bis 145) von jeder der ersten und zweiten Toroidwicklungen umfassen, um das vom Strom abhängige analoge Spannungssignal zu erzeugen.

8. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite große Leitungseinrichtung jeweils im wesentlichen gerade sind und daß die erste und zweite Toroidwicklung jeweils einen nichtmagnetischen

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Büchsenteil (148, 150) umfassen, der auf den primären Wicklungsteilen montiert ist, um die nichtmagnetischen Kerne zu tragen, mit einer elektrostatischen Abschirmeinrichtung (153, 154), die zwischen den Toroidwicklungen und der zugehörigen Leitereinrichtung angeordnet ist.

9. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Toroidwicklungen viele Windungen umfassen, die in eine Richtung gewickelt sind, die im wesentlichen parallel zu der zugehörigen ersten und zweiten großen Leitungseinrichtung sind.

10. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch magnetische Abschirmeinrichtungen (158, 160) für die im wesentlichen vollständige Umschließung sowohl der ersten wie auch der zweiten Toroidwicklung.

11. Energiemeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Wicklungseinrichtungen eine einstückige Toroidwicklung (116 in Fig. 5) umfassen, die um einen nichtmagnetischen Kern (120) gewickelt ist, und daß die erste und zweite große Leitereinrichtung jeweils einschleifige primäre Wicklungsteile (112, 114) umfaßt, die sich jeweils durch die einzelne toroidale Wi ck-

. lung erstrecken und die toroidale Wicklung in im wesentlichen symmetrischer identischer und spiegelbildlicher Beziehung umschließen.

12. Energiemeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmeßwandler einen E-förmigen Kern (45) und eine Potentialmeßwicklung (48) des Spannungselektromagnetabschnittes eines Induktionswattstundenzählers umfaßt.

13. Energiemeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsstromkomponente eine veränderliche Größe aufweist, die zwischen etwa 0,5

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und 200 A variiert, und daß diese Stromkomponente durch jeweils die erste und zweite große Leitungseinrichtung und die zugehörigen primären Wicklungsteile fließt.

Beschreibung t