DE3880280T2

DE3880280T2 - Strommessgeraet mit magnetischer kopplung.

Info

Publication number: DE3880280T2
Application number: DE8888403032T
Authority: DE
Inventors: Luca Ghislanzoni
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2008-12-02
Also published as: US4961049A; JP2598496B2; DE3880280D1; JPH01265168A; EP0320341B1; FR2624617B1; FR2624617A1; CA1293538C; EP0320341A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrfft ein Strommeßgerät mit magnetischer Kopplung für Wechselstrom und/oder Gleichstrom.
Die Messung von elektrischen Strömen benutzt sogenannte "galvanomagnetische" Vorrichtungen als Meßelemente. (Genauere Erläuterungen hinsichtlich dieser Vorrichtungen sind in der technischen Literatur zu finden und es kann zum Beispiel die Veröffentlichung von Siemens "Galvano-magnetic Devices" Data Book 1976/77 zu Rate gezogen werden.) Diese oben genannte Messung wird nach zwei verschiedenen Verfahren durchgeführt.
Das erste Verfahren ist ein Verfahren, bei dem zumindest in der Theorie keine Kompensation der magnetischen Flußänderungen durchgeführt werden mußte. Das zur Durchführung des Verfahrens geeignete Gerät umfaßt im wesentlichen einen magnetischen Kreis mit einem Lufrspat, in dem die "galvano-magnetische" Vorrichtung eingeführt ist. Dieser magnetische Kreis wird durch den Strom angeregt, der in einer Wicklung fließt. Die Feldänderungen entsprechen den Veränderungen des Eingangsstromes gemäß folgender Gieichung:
- B* bezeichnet den Wert der magnetischen Induktion,
- i den Eingangsstrom der Frequenz f = ω/27π, wobei ω die Kreisfrequenz ist,
- N die Anzahl der Windungen der Wicklung,
- As die Oberfläche des magnetischen Kreises, die von der Wicklung umgeben ist, und
- L die Induktivität, die auf der Wirkung des magnetischen Kreises beruht.
Da die verwendeten elektrischen Verbindungskabel für die "galvano- magnetische" Vorrichtung einen geschlossenen Kreis bilden, dessen Oberfläche nicht vollständig aufgehoben werden kann, und weil daher diese Oberfläche des Kreises, auch wenn sie klein ist, einen endlichen Wert A aufweist, der ungleich Null ist, ergibt sich die elektrische Spannung v*i, die zwischen den Ausgangsanschlüssen induziert wird, aus dem folgenden Ausdruck, der unter der Annahme gültig ist, das magnetische Verluste (und daher die Streuinduktivität) sowie die Vergrößerung der Oberfläche des effektiven Luftspaltes vernachlässigbar sind:
(2) v = - A dB*/dt
Unter denselben Voraussetzungen kann die Spannung v*i als ein Anteil der Spannung vs angesehen werden, die in der obengenannten Wicklung induziert wird, nämlich:
(3) v = vs/N A/As
Darüberhinaus wird die Induktivität L üblicherweise als das Produkt der Anzahl der Windungen zum Quadrat N² mit einer Konstanten K angegeben, L = K N², und man kann ebenfalls die Spannung v*i, die in der Gleichung (2) auftritt, in der folgenden Weise ausdrücken, indem die Gleichung (1) herangezogen wird:
(4) O = i ω K A/As N .
Die Gleichung (4) zeigt, daß die induzierte elektrische Spannung direkt proportional zur Anzahl der Windungen N und der Kreisfrequenz ω ist.
Dies bedeutet, daß der Wert von v*i, dergestalt ist, daß in der größten Anzahl der Fälle in der Praxis eine Kompensation (gemäß den den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannten Verfahren) vorzusehen ist, die die Konzeption und den Aufbau der Meßschaltung noch mehr verkompliziert.
Die Vorrichtungen dieser Kategorie von Meßgeräten weisen daher den Nachteil auf, daß Sie einen großen Wert bei der Indukivität benötigen (nämlich eine große Anzahl von Windungen), der notwendig ist, um die gewünschte Empfindlichkeit der Meßvorrichtung zu erhalten: diese Bedingung drückt sich in einem relatv hohen Wert der induzierten Spannung zwischen den Anschlüssen der Vorrichtung aus und entspricht einem fern von der idealen Funktion liegenden Verhalten.
Das zweite Verfahren zur Messung von elektrischen Strömen mit Hilfe von "galvano-magnetischen" Vorrichtungen ist ein Verfahren, bei dem eine aktive Kompensation der Veränderung des magnetischen Flusses durchgeführt wird.
Das Gerät zur Durchführung des Verfahrens unterscheidet sich im Bezug auf dasjenige, welches bei der zuerst genannten Technik eingesetzt wird, dadurch, daß der magnetische Kreis über die Haupterregerwieklung hinaus eine Hilfswicklung aufweist. Ein Gegenkopplungsschaltkreis liefert Strom in einer solchen Weise in diese Hilfswicklung, um damit eine vollständige Kompensation der Veränderungen des magnetischen Flusses zu erhalten, das heißt einen konstanten Wert oder einen Wert Null für die magnetische Induktion B.
Der Gegenkopplungsschaltkreis muß mit einer solchen Bandbreite ausgestaltet sein, die sich von der Frequenz Null (die einem Gleichstrombetrieb entspricht) bis zu der gewünschten Frequenz erstreckt (für einen Wechselstrombetrieb).
Auf jeden Fall tritt eine sehr schwache Veränderung des Flusses (in der Theorie gleich Null) auf, so daß die Kompensation der induzierten Spannung in der Praxis recht wirkungsvoll ist.
Darüberhinaus ist die sich ergebende Impedanz der Vorrichtung auch sehr klein (in der Theorie auch gleich Null).
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses zweiten Verfahrens zeigt ein Verhalten, welches sich dem idealen Verhalten sehr annähert Dabei ist allerdings die Ausgestaltung des oben genannten Gegenkopplungsschaltkreises relativ komplex (aufgrund der großen Bandbreite, die gewährleistet sein muß); darüberhinaus erfordert ein starker Strom eine solche Hilfswieklung zur Kompensation, die eine große Anzahl von Windungen aufweist, um den Ausgleichsstrom und daher auch die notwendige Leistung zu verkleinern.
Die Anwendungsfelder dieser zweiten Art von Vorrichtungen ist daher durch die obengenannten Zwänge und Nachteile begrenzt.
Die vorliegende Erfindung hat ausgehend von diesem Stand der Technik daher die Aufgabe, ein Strommeßgerät mit magnetischer Kopplung zu schaffen, welches besser auf die Notwendigkeiten des prakischen Einsatzes eingeht als die Vorrichtungen der bekannten Bauart, insbesondere darin,
- daß keine Kompensation der Veränderung des magnetischen Flusses mehr notwendig ist, ohne jedoch die auf einer Gegenkopplung beruhenden Kompensationsschaltkreise der relativ komplexen Art des Standes der Technik zu benutzen,
- daß die Eigenschaften dieses Gerätes sich den Eigenschaften eines idealen Strommeßgerätes annähern (von dem eine Eigenschaft insbesondere darin liegt, daß seine Impedanz gleich Null ist), weil seine Impedanz sehr gering ist, so daß dieser Nachteil aufgehoben wird, der beim Stand der Technik die Benutzung dieser Strommeßgeräte mit magnetischer Kopplung begrenzte und der auf dem hohem Wert ihrer Impedanz beruhte, und
- daß die Verluste im Eisen stark verringert sind, welches den Nachteil beseitigt, daß die Auswahl der Materialien für den magnetischen Kreis begrenzt waren.
Das Gerät der vorliegenden Erfindung schafft ein drittes Meßverfahren, welches man als "passive" Kompensation der Variation des magnetischen Flusses bezeichnen kann, und das, wobei alle Vorteile der Geräte der genannten zweiten Kategorie erhalten bleiben, die Herstellung von (dann zu einer dritten Kategorie gehörenden) Geräten gestatst, deren Gestaltung und Ausführung sehr viel einfacher ist.
Darüberhinaus muß unterstrichen werden, daß die Gegenkopplung, die automatischerweise eingeführt wird (das heißt, sie ist in der Struktur der Schaltung selbst enthalten), sehr viel wirkungsvoller (insbesondere bei hohen Frequenzen) als die Gegenkopplung ist, die durch irgendeine andere Art der aktiven Gegenkopplung erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein Strommeßgerät mit magnetischer Kopplung zu schaffen:
- mit einem Transformator mit einem magnetischen Kreis, der von einem Kern aus ferromagnetischen Material mit einem Luftspalt gebildet wird, mit einer primären Wicklung, die um den Kern herum angeordnet ist und von dem zu messenden Strom durchflossen wird, und mit einer sekundären Wicklung, die um den Kern herum angeordnet ist,
- mit Mitteln, mit denen aufgrund des magnetischen Flusses, der durch den Strom in dem Kern erzeugt wird, ein erstes elektrisches Signal erzeugbar ist, das zur Summe der Wechselstromanteile hoher Frequenz des zu messenden Stromes proportional ist,
- mit einer Vorrichtung, die in dem Luftspalt des Kerns angeordnet und dazu vorgesehen ist, aufgrund des durch den Strom in dem Kern induzierten und durch den Luftspalt hindurchtretenden magnetischen Flusses ein zweites elektrisches Signal zu liefern, das proportional zur Summe der Gleichstromanteile und der Wechselromantelle niedriger Frequenz des zu messenden Strom ist, und
- mit einem Summationsmittel für die besagten ersten und zweiten Signale, um ein drittes Signal zu erzeugen, welches proportional zu dem zu messenden Strom ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die besagten Mittel zum Erzeugen des besagten ersten Signals aus einer sekundären Wicklung, die durch eine Impedanz eines sehr geringen Wertes im wesentlichen kurzgeschlossen ist, wobei das erste Signal an den Anschlüssen der Impedanz abgenommen wird, wobei vorzugsweise die Impedanz aus einem reinen Widerstand besteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die besagten Mieel zur Erzeugung des ersten Signals aus einem Verstärker, der von der sekundären Wicklung gespeist wird und dessen Eingang und Ausgang einen gemeinsamen Anschluß aufweisen, wobei das erste Signal durch die Spannung definiert wird, die zwischen den Anschlüssen eines Eingangswiderstandes zum Ausgang des Verstarkers besteht, die zu der Admittanz der Verbindung zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers äquivalent ist
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die besagten Mittel zur Erzeugung des ersten Signals aus einer dritten Wicklung, die um den besagten magnetischen Kreis herum angeordnet ist, wobei das erste Signal durch die Spannung defiert wird, die zwischen den Anschlüssen der dritten Wicklung besteht, und wobei diese dritte Wicklung eine sehr hohe Windungsanzahl aufweist.
Gemäß einem vortellhaften Ausführungsbeispiel des Gerätes gemäß der Erfindung besteht das Summations- und Additionsmittel der ersten und zweiten Signale aus einem Operationsverstarker hoher Bandbreite, der an seinen Eingängen mit einem Ausgang der besagten Mittel verbunden ist, die die ersten und zweiten Signale erzeugen, wobei die anderen Anschlüsse mit diesen letzteren gemeinsam sind.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiei der Erfindung verstärkt ein Verstärker mit großer Bandbreite das besagte erste Signal, wohingegen ein Verstärker mit mittlerer Bandbreite das zweite Signal verstärkt.
Über die vorgenannten Vorrichtungen hinaus umfaßt die Erfindung noch weitere Vorrichtungen, die der nun folgenden Beschreibung zu entnehmen sind.
Die Erfindung wird mit Hilfe der nun folgenden Beschreibung beispielliaft erläutert, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Lösungsprinzips, nach dem das Strommeßgerät gemäß der Erfindung ausgestalet ist,
Fig. 2 und 3 zwei mögliche Ausführungen des Schaltkreises der Fig. 1, wenn eine Hallsonde im Luftspalt des Transformators angeordnet ist,
Fig. 2a eine Möglichkeit der Ausgestaltung eines Schaltkreises nach der Fig. 2 im Detail,
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Transformators, der in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist,
Fig. 5 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels des in der Fig. 1 dargestellten Gerätes,
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild der Ausgestaltung des in der Fig. 1 dargestellten Gerätes, und
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Bezug auf das in der Fig. 1 dargestellte Gerät.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Strommeßgeräts gemäß der Erfindung.
Mit Tr ist ein Transformator bezeichnet, dessen magnetischer Kreis F einen Luftspalt E aufweist.
Mit R ist ein Widerstand mit einem sehr kleinen Wert bezeichnet, insbesondere in der Größenordnung von 10 Milliohm.
Met G ist die "galvano-magnetische" Vorrichtung bezeichnet (wie z.B. eine Hall-Sonde oder irgendeine andere Vorrichtung, die an ihren Ausgängen ein Signal liefert, welches eine Funktion des magnetischen Flusses ist), die im Luftspalt angeordnet ist.
Mit Σ ist ein (passiver oder aktiver) Addierschaltkreis bezeichnet, dessen Ausgangssignal eine Funktion des zu messenden Eingangsstromes I ist, der in der primären Wicklung P fließt, welche aus einer Anzahl von Windungen Np besteht, wobei mit Ns die Anzahl der Windungen des sekundären Schaltkreises S bezeichnet.
In den Fig. 2 und 3 sind mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Fig. 1 dargestellt, die zum Beispiel eine Hall-Sonde verwenden, deren Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Transformators in schematlscher Weise durch eine strichfifllerte Linie dargestellt ist. Ih ist die Stromquelle, die Gh beliefert
In der Fig. 3 ist mit A ein Verstärker hoher Bandbreite bezeichnet.
In der Fig. 2 ist mit AdC ein Verstärker mit mittlerer Bandbreite und hoher Verstärkung dargestellt, dessen Eingang durch die Spannung festgelegt ist, die aufgrund des Hall-Effektes entsteht und an seinen Ausgängen zur Verfügung steht, wohingegen mit A ein Verstärker mit sehr hoher Bandbreite und mittlerer Verstärkung bezeichnet ist, der für eine Wechselspannung hoher Frequenz empfindlich ist, die zwischen den Anschlüssen des Widerstandes R anliegt.
Die Fig. 2a zeigt im Detail eine mögliche Ausgestaltung des Schaltkreises nach Fig. 2, bei der der Transformator Tr, die Vorrichtung Gh, die Verstärker Adc und Aac (des Typs LM 308) sowie der Widerstand R wiederzufinden sind, der zwischen den Anschlüssen der sekundären Wicklung eingefügt ist. Es wird angenommen, daß beim Schaltkreis der Fig. 2a der Widerstand R den Wert 50 Milliohm hat und daß die anderen Elemente des Schaltkreises, die nachstehend genannte Werte aufweisen:
r'&sub1; = r'&sub2; = r'&sub3; = 10 Kiloohm.
r"&sub1; = r"&sub2; = r&sub5; = r&sub7; = 1 Kiloohm.
r"&sub3; = 200 Kiloohm.
r&sub4; = r&sub8; = r&sub9; = 8 Kiloohm
r&sub6; = r&sub1;&sub0; = 100 Kiloohm
r&sub1;&sub1; = 470 Ohm
C&sub1; = C&sub2; = 3,3 Picofarad
Bei dem Schaltkreis nach Fig. 2a ist auch ein pnp-Transistor des Typs 2N 2907 A und zwei Zener-Dioden Z&sub1; und Z&sub2; vorhanden.
Mit CD die Kapazität eines Entkopplungskondensatörs bezeichnet, der die zwischen den primären und sekundären Windungen bestehende Kapazität entkoppelt.
Die Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild der Meßvorrichtung nach den Fig. 1 bis 3.
Bei diesem Ersatzschaltbild ist mit Ll die Streuinduktivität, mit Lm die Induktivität, die aufgrund des magnetischen Kreises auftritt, und mit n²R der äquivalente Widerstand bezeichnet, der zu dem Widerstand R gehört, der in den sekundären Schaltkreis des Transformators eingefügt ist und sich auf den primären Schaltkreis bezieht, wobei n = Np/Ns.
Der Eingangsstrom I umfaßt im allgemeinen einen Gielchstromanteil Idc und einen Wechselstromanteil i(ω), wobei ω = 2 π f ist Wenn der Gleichstromanteil Idc vorhanden ist, fließt dieser notwendigerweise durch Lm in dem genannten äquivalenten Schaltkreis des Ersatzschaltbildes, wobei der Arm n²R dieses Schaltkreises im wesentlichen die Wirkung eines "Transformators" beschreibt.
Wenn man mit im(ω) und ir(ω) die Wechselströme des Stroms i(ω) bezeichnet, die durch Lm bzw. n²R fließen, ist klar, daß i(ω) = im(ω) + ir(ω) und das im allgemein der Strom Im, der durch Lm hindurchfließt, sich aus Im = Idc + Im ergibt, wohingegen n²R im wesentlichen von durchflossen ist Der Strom I ergibt sich daher zu:
(5) I = Im + ir
Der Strom Im ist eine Funktion des magnetischen Flusses und wird durch die Vorrichtung G in Form eines Spannungssignal vi gemessen, wohingegen der Strom durch die Spannung vr erfaßt werden kann, die in der sekundären Wicklung S induziert wird, wobei diese mit ir durch die folgende Gleichung verbunden ist:
(6) vr = ir n²R
Daher ist es einfach, die Ströme ir(ω) und im(ω) als Funktion des Stromes i(ω) entsprechend den folgenden Gleichungen auszudrücken:
Diese Gleichungen zeigen klar, daß, wenn ω » n²R/Lm ist, sich ergibt:
ir(ω) = i(ω)
wohingegen sich ergibt, wenn ω « n²R/Lm,
im(ω) = i(ω)
was bedeutet, daß der Verstärker Adc keine große Bandbreite aufweisen muß (bis zirka ein Kilohertz ist in der Praxis ausreichend), da sich die vollständige Bandbreite durch die Bandbreite des Verstarkers Aac ergibt
Aus dem Obenstehenden ergibt sich in klarer Weise als Ergebnis, daß die sekundäre Wicklung praktisch kurzgeschlossen ist und das der Wechselstrom ir, der durch diese hihdurchfließt, Anteile hoher Frequenz aufweist
Im Gegenteil dazu enthät der Wechselstrom im, der den Einfluß des magnetischen Kreises umfaßt, daher Anteile mit geringer Frequenz sowie einen eventuellen Gleichstromanteil, was sich darin ausdrückt, daß nur sehr schwache Flußveränderungen im magnetischen Kreis auftreten und die Tatsache rechtfertigen, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung keinerlei Kompensation der Flußänderung benötigt
Die Gleichung 5 zeigt daher, das durch das praktisch vollständige Kurzschließen der sekundären Wicklung (im Hinblick auf den sehr kleinen Widerstand R) eine Trennung der Gleichstrom- und Wechselstromanteile niedriger Frequenz, dargestellt durch Im, von den Wechselstromanteilen hoher Frequenz, dargestellt durch ir, erhalten wird.
Da das Spannungssignal vi, welches durch die Vorrichtung G geliefert wird, proportional zur magnetischen Induktion ist, folgt daraus, das dieses Signal und diese Induktion dem Gleichstromanteil und dem Anteil des Stromes niedriger Frequenzen entspricht, wohingegen das Spannungssignal vr, welches an den Anschlüssen des Widerstandes R anliegt, proportional zu den Anteilen hoher Frequenz ist.
Daher erlaubt die Bildung der Summe dieser beiden Signale vi und vr genaue Wiedergabe des Eingangsstromes I, der durch die Messung erfaßt werden soll.
Unter denselben oben bereits genannten Bedingungen ist es ebenfalls möglich, die Impedanz des Meßgerätes zu bestätigen, welche zwischen den Anschlüssen und liegt, die gegeben ist durch: wenn
wobei der Ausdruck (9) auch den maximalen Wert der Impedanz Zab max angibt, der, wenn die streuinduktivität Ll vernachlässigbar ist, gleich zu n²R wird.
Unter der Annahme, daß der Eingangsstrom ein sinusförmiger Strom i ist, und das L 0 ist, kann die Spannung vi, die an den Anschlüssen der Vorrichtung Gh induziert wird, als Funktion der Spannung vab zwischen den Eingangsanschlüssen dargestellt werden:
Wenn vab als Produkt von ir n²R ausgedrückt wird, ist es auch möglich, folgendes zu schreiben:
Ausgehend von dieser Gleichung (12) ist es einfach, den maximalen Wert Vi,max von Oi festzustellen, den diese Spannung bei hohen Frequenzen annimmt:
(12a) Vi,max 1/Np A/As i n²R ≥ Oi
Die Gleichung (12a) zeigt, das dieser maximale Wert unabhängig von der Frequenz ist und daß er umgekehrt proportional zur Anzahl der Windungen Np der primären Wicklung ist und das dies im Gegensatz zu der in der Gleichung (4) genannten Abhängigkeit steht, die zu dem ersten Verfahren beim Stand der Technik genannt worden ist.
Wenn das Verhältnis zwischen diesen Gleichungen (4) und (12a) hergestelt wird, erhält man bei gleichen Bedingungen für die homologen Größen:
wobei mit Lm = KN² die Induktivität, die auf dem magnetischen Kreis beruht, bezeichnet ist, wobei angenommen wird, daß diese auch in den beiden Fällen gleich ist.
Unter der Annahme, daß
Lm = 100 uH
R = 10 mΩ
n = 1
f = 100 kHz
sind, ergibt die Gleichung (13) ein Verhältnis von
Daraus ergibt sich, das man mit Hille des Gerätes gemäß der Erfindung eine Spannung messen kann, die wesentlich kleiner ist als die, die bei dem gemäß dem ersten Verfahren nach dem Stand der Technik arbeitenden Gerät erfaßbar ist, und das dieses Ergebnis unter Hinzufügung einer sekundären Wicklung erreichbar ist, die über eine Last geschlossen ist, die aus einem Widerstand (im allgemeinen aus einer Impedanz) mit einem sehr kleinen Wert besteht.
Darüberhinaus, wenn die Veränderung der magnetischen Induktion in Analogie zu der Gleichung (1) betrachtet wird, kann diese Veränderung im Falle des Gerätes gemäß der Erfindung wie folgt beschrieben werden:
Auch in diesem Falle kann der maximale Wert der Änderung der magnetischen Induktion ausgerechnet werden, den diese bei hohen Frequenzen annimmt:
Das Verhältnis zwischen den Gleichungen (1) und (14a), wobei wiederum alle möglichen homologen Größen als gleich vorausgesetzt werden, ergibt:
Wobei diese Gleichung natürlich in Übereinstimmung mit der Gleichung (13) steht
Da die magnetischen Verluste ungefähr proportional zu dB/dt ² sind (genauer: Sie sind proportional zu ωαBβ, wobei α und β geeignete Koeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz sind), ist es daher klar, das es das Gerät gemäß der Erfindung gestattet, die magnetischen Verluste um einen Faktor von ungefähr 10&sup7; in Bezug auf die Verluste zu verringern, die bei einem Gerät gemäß dem ersten Verfahren des Standes der Technik auftreten.
Daraus ergibt sich als unerwartete Konsequenz, das es nicht mehr notwendig ist, einen magnetischen Kreis aus Ferrit zu bilden, bei dem es sich um ein sehr zerbrechliches Material handelt und dessen Formherstellung sehr schwierig ist, noch das es notwendig ist, dieses zu laminieren oder zu blättern.
Bei einem Prototyp aus nicht-laminiertem Weicheisen mit R = 50 Milliohm, Lm = 80 Mikrohenry, einem sinusförmigen Eingangsstrom mit einer Amplitude von einem Ampere zwischen den maximalen positiven und negativen Werten und einer Frequenz f = 100 Kilohertz, ist ein Gesamtverlust von 40 Milliwatt im Eisen und im Kupfer festgestellt worden, wobei 6,5 Milliwatt in dem Widerstand R freigesetzt worden sind.
Die aus den Gleichungen (12) - (12a) sowie (14) - (14a) errechneten Werte, können mit der Hilfe eines Verstärkers AI/V (siehe Fig. 5) noch weiter verringert werden. Der Verstärker wird von der sekundären Wicklung S gespeist und sein Eingang und Ausgang weisen einen gemeinsamen Anschluß auf. Wenn man mit Yu die Admittanz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers AI/V bezeichnet, die sehr hoch (theoretisch unendlich) ist, gestatet es die Anwendung des Satzes von Miller, festzustellen, daß in den Fällen, bei denen die Verstärkung des Verstärkers wesentlich höher als Eins ist, sich die genannte Admittanz in derselben Weise am Ausgang wiederfndet und daß sie mit der Verstärkung (mit Zeichenwechsel) am Eingang multipliziert wird. Dies bedeutet in der Praxis, daß der Verstärker eine Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz Zu = 1/Yu besitzt, die sehr klein ist (in der Theorie gleich Null) wie es für die Arbeitsweise des Meßgerätes gemäß der Erfindung zu verlangen ist.
Die Wirkungsweise des Meßgerätes kann noch verbessert werden, indem die Ausgestaltung gemäß Fig. 7 verwendet wird, das heißt, indem eine dritte Wicklung Rad benutzt wird, die eine sehr große Anzahl von Windungen Nad umfaßt, und indem die Spannung vad zwischen den Anschlüssen der Wicklung Rad benutzt wird, die zu der Summe der Wechselstromanteile hoher Frequenz (mit der oben verwendeten Bezeichnung ir versehen) des zu messenden Stromes I proportional ist.
Unter der Annahme, die bereits oben ausgesprochen worden ist, daß die Streuinduktivität Ll vernachlässigbar ist, kann die Spannung vab zwischen den Eingangsanschlüssen des Meßgerätes als n²Rir dargestellt werden. Der Wert vad kann daher von dem folgenden Verhältnis ausgehend berechnet werden: woraus sich ergibt, daß:
Die Anzahl der Windungen N kann daher sehr groß gewählt werden. Ihre einzige Grenze liegt in der praktischen Durchführbarkeit der Wicklung und ist insbesondere ein Kostenproblem und ein Raumproblem, da diese zusätzliche Wicklung nicht von Strom durchflossen wird und daher keine elektrische Leistung aufnimmt.
Die Lösung nach Fig. 7 gestattet es, den Wert des in die sekundäre Wicklung eingeführten Widerstandes R zu verkleinern, diesen sogar zu Null zu machen, um nur den Widerstand der sekundären Wicklung S vorliegen zu haben.
Dadurch, daß zwischen den Anschlüssen der zusätzlichen Wicklung Rad eine Spannung mit einem relativ großen Wert auftritt, ist es möglich, die Bandbreite zu vergrößern (in der Praxis heißt dies, bis ins Unendliche, wenn keine Verstärkung notwendig ist).
Die Ausgestaltung des Schaltkreises nach Fig. 1 kann verallgemeinert werden, was in der Fig. 6 dargestellt ist, die eine elektrisch äquivalente Lösung des Gerätes nach Fig. 1 in einem Ersatzschaltbild darstellt.
Die beiden Figuren unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, daß der zu messende Strom I nicht nur die primäre Wicklung eines Transformators Tr des genannten Types hindurchfließt, sondern auch durch die primäre Wicklung des Transformators Trl hindurchtritt, wobei die primäre Wicklungen in Serie angeordnet sind, was ebenfalls für die entsprechenden sekundären Wicklungen gilt.

Claims

1. Strommeßgerät mit magnetischer Kopplung,

- mit einem Transformator (T) mit einem magnetischen Kreis, der von einem Kern (F) aus ferromagnetischen Material mit einem Luftspalt (E) gebildet wird, mit einer primären Wicklung (P) mit (Np)-Windungen die um den Kern (F) herum angeordnet ist und von dem zu messenden Strom (I) durchflossen wird, und mit einer sekundären Wicklung (S) mit Windungen, die um den Kern (F) herum angeordnet ist,

- mit Mitteln, mit denen aufgrund des magnetischen Flusses, der durch den Strom (I) in dem Kern (F) erzeugt wird, ein erstes elektrisches Signal (Vr,Vad) erzeugbar ist, das zur Summe (ir) der Wechselstromanteile hoher Frequenz des zu messenden Stromes (I) proportional ist,

- mit einer Vorrichtung (G), die in dem Luftspalt (E) des Kerns (F) angeordnet und dazu vorgesehen ist, aufgrund des durch den Strom (I) in dem Kern (F) induzierten und durch den Luftspalt (E) hindurchtretenden magnetischen Flusses ein zweites elektrisches Signal (vi) zu liefern, das proportional zur Summe (Im) der Gleichstromanteile und der Wechselstromanteile niedriger Frequenz des zu messenden Strom (I) ist, und

- mit einem Summationsmittel (Σ) für die besagten ersten und zweiten Signale, um ein drittes Signal zu erzeugen, welches proportional zu dem zu messenden Strom (I) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Miftel zum Erzeugen des besagten ersten Signals aus einer sekundären Wicklung (S) bestehen, die durch eine Impedanz eines sehr geringen Wertes im wesentlichen kurzgeschlossen ist, wobei das erste Signal (vr) an den Anschlüssen der Impedanz abgenommen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz aus einem reinen Widerstand besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Mittel zur Erzeugung des ersten Signals aus einem Verstärker (AI/V) bestehen, der von der sekundären Wicklung (S) gespeist wird und dessen Eingang und Ausgang einen gemeinsamen Anschinß aufweisen, wobei das erste Signal durch die Spannung definiert wird, die zwischen den Anschlüssen eines Eingangswiderstandes zum Ausgang des Verstärkers besteht, die zu der Admittanz der (Yu) Verbindung zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers äquivalent ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Mittel zur Erzeugung des ersten Signals aus einer dritten Wicklung (Rad) bestehen, die um den besagten magnetischen Kreis (F) herum angeordnet ist, wobei das erste Signal durch die Spannung definiert wird, die zwischen den Anschlüssen der dritten Wicklung besteht, und daß diese dritte Wicklung eine sehr hohe Windungsanzahl (Nad) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese sekundäre Wicklung (S) eine Impedanz aufweist, die durch den Eigenwiderstand dieser Wicklung vorgegeben ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Wicklung (P) des Transformators (Tr) in Serie mit einer ersten Wicklung eines zweiten Transformators (Trl) angeordnet ist, dessen sekundäre Wicklung in Serie mit der sekundären Wicklung (S) des ersten Transformatörs (Tr) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (F) des inagnetischen Kreises aus nicht-laminierten Weicheisen besteht.