DE3918100A1 - Stromwandleranordnung mit erhoehter genauigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler und ein Leistungswandler mit ihren Primärwicklungen in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei dem von einer Sekundärwicklung des Leistungswandlers ein Kompen­ sationsstrom einer Wicklung des Komparatorwandlers zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Kom­ paratorwandlers zugeführt wird und bei der eine In­ dikator-Wicklung des Komparatorwandlers ein dem ver­ bleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-Signal abgibt, das verstärkt wird und als Differenzstrom einer anderen Wicklung des Komparatorwandlers zuge­ führt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes und des Differenz-Stromes das Ausgangssignal bilden.

Zur Verrechnung der verbrauchten Energie werden u. a. statische Elektrizitätszähler eingesetzt, die gegen Mischströme, d. h. Wechselströme mit einem Gleichstrom­ anteil, unempfindlich sein müssen. Der Gleichstrom­ anteil führt in den dabei verwendeten induktiven Wand­ lern zu Sättigungserscheinungen. Die Wandler müssen aber aus Kostengründen möglichst materialsparend auf­ gebaut sein.

Statische Haushalts-Elektrizitätszähler müssen daher eine bestimmte Gleichstrom-Unabhängigkeit aufweisen. Zur meßtechnischen Untersuchung und Überprüfung sowohl im Labor wie auch am Einbauort werden sog. Präzisions- Vergleichszähler benutzt, die eine wesentlich höhere Genauigkeit aufweisen müssen als der Prüfling. Der Stromeingangskreis der Prüfzähler darf im Mischstrom- Betrieb keine größeren Meßunsicherheiten aufweisen als im reinen Wechselstrom-Betrieb.

Bekannte Stromwandleranordnungen mit erhöhter Genauig­ keit arbeiteten mit aufwendigen elektronischen Hilfs­ schaltungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromwandleranordnung der eingangs erwähnten Art eine hohe Genauigkeit sowohl bei Wechselstrom wie auch für Mischstrom mit einer kostengünstigen Ausführung zu er­ reichen.

Diese Aufgabe wird erfüllt mit den Merkmalen des Kenn­ zeichens von Anspruch 1.

Durch den Gleichstromanteil des Stromes durch die Wicklung des Komparatorwandlers wird im Komparatorkern die magnetische Wirkung der Gleichstromkomponente des Hauptstromes wenigstens nahezu ausgeglichen, so daß eine unzulässige Arbeitspunktverschiebung durch den Gleichstrom vermieden ist. Der Komparatorwandler arbei­ tet dann so wie bei einem gleichstromfreien Hauptstrom.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Stromwandleranordnung.

Fig. 2 zeigt eine Stromwandleranordnung nach der Er­ findung, bei der auf den Komparatorwandler eine zusätz­ liche Wicklung angebracht ist.

Fig. 3 zeigt eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der eine Sekundärwicklung des Kompa­ ratorwandlers für beide Korrekturströme ausgenutzt wird.

Fig. 4 zeigt eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der auch der Kern des Leistungswand­ lers weitgehend durchflutungsfrei gehalten wird.

Fig. 5 zeigt eine Stromwandleranordnung nach der Erfindung, bei der auch am Komparatorwandler der Gleichstromanteil der Durchflutungsdifferenz festge­ stellt und so ein Sekundärmischstrom erzeugt wird.

Gemäß Fig. 1 wird die Primärwicklung 10 eines Kompa­ ratorwandlers 11 und die Primärwicklung 12 eines Lei­ stungswandlers 13 in Reihenschaltung von einem Haupt­ strom Ih zwischen den Klemmen 14 und 15 durchflossen. Der Komparatorwandler 11 trägt eine erste Sekundärwick­ lung 16, die mit einer Bürde 18, insbesondere einem Ohm′schen Widerstand, gegen Erde belastet ist. Dem anderen Ende der Wicklung 16 wird von einer auf der anderen Seite an Erde angeschlossenen Sekundärwicklung 17 des Leistungswandlers 13 ein Strom I 1 zugeführt. Mittels der Übersetzungsverhältnisse der genannten Wick­ lungen der Wandler 11 und 13 ist dieser Strom so be­ messen, daß er über die Sekundärwicklung 16 im Kom­ paratorwandler 11 über seine Amperewindungszahl etwa die gleiche Durchflutung hervorruft, wie die Primär­ wicklung 10 infolge des Hauptstromes Ih. Soweit sich die Mag­ netflüsse (Amperewindungszahlen) der Wicklung 10 und der Wick­ lung 16 nicht aufheben, bleibt eine Durchflutungsdifferenz; diese erzeugt über eine zweite Sekundärwicklung 19 des Kompara­ torwandlers 11 und einen nachgeschalteten elektronischen Verstärker 20 einen Differenz-Strom I 2, der dem Verbin­ dungspunkt der Sekundärwicklungen 16 und 17 zugeführt wird und durch die Wicklung 16 zusammen mit dem Strom I 1 zur Bürde 18 gelangt. An einer Ausgangsklemme A kann gegen Erde ein Signal entnommen werden, das dem Haupt­ strom Ih entspricht.

In einer solchen bekannten Stromwandleranordnung, wie sie z. B. aus Meßtechnik 10/68, Seite 242 ff., bekannt ist, zeigen sich Sättigungserscheinungen im Kern des Wandlers 11 und/oder des Wandlers 13, wenn im Haupt­ strom Ih ein Gleichstromanteil enthalten ist. Dieser tritt auf, wenn ein Verbraucher über einen Einweggleich­ richter betrieben wird, dann ist auch die Summe der Ströme I 1+I2 dem Hauptstrom Ih nicht mehr genau pro­ portional, und es ergeben sich Meßfehler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen nach­ teiligen Einfluß einer Gleichstromkomponente des Haupt­ stromes Ih auszuschalten oder wenigstens stark zu ver­ mindern.

Gemäß Fig. 2 fließt dazu der Hauptstrom Ih zwischen den Klemmen 14 und 15 durch die Primärwicklung 21 eines Kompa­ ratorwandlers 22 und durch die Primärwicklung 23 eines Lei­ stungswandlers 24. Mittels eines magnetfeldabhängigen Sig­ nalwandlers (Sensor) 25 wird der durch den Hauptstrom Ih im Kern des Leistungswandlers 24 hervorgerufene Magnetfluß erfaßt. Die dabei erhaltene magnetfeldabhängige elektrische Größe wird über einen elektronischen Verstärker 26 und einen Spannungs-/Strom-Wandler 27 in einen Strom I 3 übergeführt, der durch eine Sekundärwicklung 28 auf dem Kern des Kompara­ torwandlers 22 zu einem über einen Widerstand 29 gegengekop­ pelten elektronischen Verstärker 30 führt. Vom Ausgang des Verstärkers 30 wird über einen Kondensator 31 die Gleichstromkomponente aus dem verstärkten Mischstrom I 3 abgetrennt und die Wechselstromkomponente über eine Impe­ danz 32 dem Ausgang zugeführt, die durch einen über eine Impedanz 33 gegengekoppelten elektronischen Verstärker 34 vor der Ausgangsklemme A gebildet wird.

Durch den Strom I 3 wird der durch den Hauptstrom Ih mit seinen Wechselstromkomponenten und seiner Gleich­ stromkomponente hervorgerufene Magnetfluß im Kern des Komparatorwandlers 22 weitgehend ausgeglichen. Durch den noch verbleibenden Rest-Magnetfluß wird in einer Indi­ katorwicklung 36 ein Signal erzeugt, das über einen Verstärker 37 einen Strom I 4 für eine Sekundärwicklung 38 liefert. Diese Sekundärwicklung 38 ist derart ange­ bracht und bemessen, daß sie dem Rest-Magnetfluß im Kern des Komparatorwandlers 22 entgegenwirkt und diesen weitgehend, entsprechend dem Verstärkungsgrad des Ver­ stärkers 37, ausgleicht. Da der Kompensationsstrom I 3 durch die Sekundärwicklung 28 auch die Gleichstromkom­ ponente enthält, wird auch diese im Kern des Kompa­ ratorwandlers 22 weitgehend mit ausgeglichen. Der Strom I 4 von der Wicklung 36 reduziert nur die Wechselanteile im Magnetfluß. Dieser Strom I 4 wird auch dem Eingang des Verstärkers 34 zugeführt, so daß, wie in Fig. 1, an der Ausgangsklemme A ein Signal auftritt, das aus der Summe der Wechselstromanteile der Ströme I 3 und I 4 zusammengesetzt ist und von der primärseitigen Ansteuerung des Komparatorwandlers 22 bis auf einen sehr geringen Fehler unabhängig ist. Der Leistungswandler 24 braucht hier­ bei allerdings nicht im tatsächlichen Sinne Leistung aufzubringen, da die Energie für den kompensierenden Strom I 3 vom Verstärker 26 und ggf. dem U/I-Wandler 27 geliefert wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, in der gegenüber Fig. 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wird der kompensierende Strom I 3 wie in Fig. 2 vom Leistungs­ wandler 23 mit einem gleichstromunabhängigen Meßwandlerkern über den in einem Luftspalt angebrachten magnetoelektrischen Fühler 25 und den Verstärker 26 sowie den U/I-Wandler 27 er­ zeugt. Dieser Strom I 3 wird über eine Wicklung 41 des Kompa­ ratorwandlers 22 der Bürde 42 gegen Erde zugeführt, und das an diesem entstehende Ausgangsignal wird über einen Trennkon­ densator 43 an der Ausgangsklemme A gleichstromfrei abgenom­ men. Durch den gegensinnig fließenden Strom I 3 wird im Kom­ paratorwandler eine weitgehende Kompensation des vom Hauptstrom Ih und des vom Kompensationsstrom I 3 her­ vorgerufenen Magnetflusses bewirkt, so daß der Kern des Komparatorwandlers 22 weitgehend in einem magnet­ flußfreien Zustand bleibt, und zwar sowohl hinsichtlich der für die Messung erwünschten Wechselstromkomponente wie auch hinsichtlich der in der Regel unerwünschten Gleichstromkomponente. Mittels der Indikatorwicklung 44 wird der im Komparatorwandler 22 noch auftretende restliche Wechselstrom-Magnetfluß (Durchflutungsdiffe­ renz) festgestellt und über einen Verstärker 45 und einen U/I-Wandler 46 in einen Kompensationsstrom I 4 übergeführt, der zusammen mit dem Strom I 3 der Sekun­ därwicklung 41 zum Ausgang geführt wird. Durch den Kom­ pensationsstrom I 4 wird somit, wie auch bei den oben ste­ henden Figuren, die Kompensation des Wechselstrom-Magnet­ flusses im Kern des Komparatorwandlers 22 sehr genau be­ wirkt.

Ein für einen Leistungswandler 24 gemäß Fig. 2 oder 3 ge­ eigneter Wandler kann ringförmig mit einem Luftspalt ausge­ bildet sein, wobei durch den Luftspalt einerseits in ein­ facher Weise die Gefahr der Sättigung verringert wird und darin andererseits ein magneto-elektrisches Element als Sig­ nalwandler (Sensor) zum Messen des Magnetflusses angebracht sein kann. Der magnetfeldabhängige Fühler kann unter Aus­ nutzung des Halleffektes arbeiten oder den magneto­ resistiven Effekt ausnutzen, also eine Veränderung des elektrischen Widerstandes je nach einem anliegenden Magnetfeld. Auch ein magnetooptischer Effekt kann mit entsprechenden zusätzlichen optischen Sensorelementen aus­ genutzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der auch im Leistungs­ wandler 24 der Magnetfluß weitgehend kompensiert ist. Dazu wird das elektrische Signal vom magneto-elektrischen Signal­ wandler (Sensor) 25 einem Verstärker 48 zugeführt, der einen Strom I 5 liefert, der zunächst durch eine Sekundärwicklung 49 des Leistungswandlers 24 fließt. Die Windungszahlen der Primärwicklung 23 und dieser Sekundärwicklung 49 sowie der Verstärkungsgrad des Verstärkers 48 sind so bemessen, daß dadurch, bis auf einen kleinen Regelfehler, der Magnetfluß im Kern des Leistungswandlers 24 ausge­ glichen wird. Der Ausgleichstrom I 5 durchfließt weiter eine Sekundärwicklung 50 des Komparatorwandlers 22 zur Bürde 42; über den Trennkondensator 43 kann an der Klemme A das gleichstromfreie Ausgangssignal entnommen werden.

Wie in den vorangehenden Figuren ist weiter am Kom­ paratorkern 22 eine Wicklung 44 angebracht, die über einen Verstärker 45 und einen U/I-Wandler 46 einen dem Rest-Magnetfluß im Kern des Wandlers 22 entsprechen­ des Wechselstromsignal I 4 liefert, da es am Verbin­ dungspunkt der Sekundärwicklungen 49 und 50 eingespeist wird und mit zur Bürde 42 fließt, wodurch eine sehr prä­ zise Kompensation des Wechselstrom-Magnetflusses im Komparatorwandler 22 bewirkt wird.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 gleicht weitgehend derjenigen nach Fig. 4 und trägt für entsprechenden Teile auch gleiche Bezugszeichen. Der Unterschied besteht darin, daß auch der Komparatorwandler 22 mit einem magneto-elektrischen Sensor 52 ausgerüstet ist, der das Durchflutungsdifferenzsignal über einen Verstärker 53 und einen U/I-Wandler 54 als einen korrigierenden Kompensationsstrom I 6 an den Verbindungs­ punkt der Wicklungen 49 und 50 liefert. Zur Bürde 42 fließt somit ein zusammengesetzter Strom I 5+I6, der am Komparatorwandler 22 auch für Gleichstrom kompensiert ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß in der Bürde 42 am Ausgang Am ein Mischstrom zur Verfügung steht, der in einem sehr präzisen Verhältnis zum Primärmischstrom Ih steht, der also einen Gleichstromanteil enthält.

An einem Ausgang Ag kann über ein Wechselstrom sperrendes Filter 56 auch die wechselstromfreie Gleichstromkomponente entnommen werden.

In der Schaltung nach Fig. 5 wird für beide Kerne eine opti­ male Gleichstrom-Kompensation erreicht, so daß ein Maximum an Genauigkeit für einen Sekundär-Mischstrom erzielt werden kann.

Durch das Kompensationsprinzip brauchen beide Wandler 22 und 24 nur sehr geringe Leistung zu übertragen, so daß sehr kleine Kerne Verwendung finden können. Die Leistung muß allerdings bei kompensierten Wandlern durch die Verstärker aufgebracht werden.

Claims (12)

1. Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler und ein Leistungswandler mit ihren Primärwicklungen in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei dem von einer Sekundärwicklung des Leistungswandlers ein Kompensationsstrom einer Wicklung des Komparatorwandlers zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Komparatorwandlers zu­ geführt wird und bei der eine Indikator-Wicklung des Komparatorwandlers ein dem verbleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-Signal abgibt, das ver­ stärkt wird und als Differenzstrom einer ande­ ren Wicklung des Komparatorwandlers zugeführt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes und des Differenz-Stromes das Ausgangssignal bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswandler (24) auch einen dem Gleich­ stromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechenden Anteil in den ersten Kompensationsstrom (I 3) überträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Gleichstromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechende Anteil des Meßstromes vor dem Ausgang (A) wieder entfernt wird.

3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Magnetfluß des Lei­ stungsstromwandlers (24) ein magnetfeldabhängiger Signalwandler (Sensor) (25) angeordnet und an dem Ein­ gang eines Verstärkers (26; 27) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (I 3) zum Ausgang (A) hin eine getrennte Wicklung (28) des Komparatorwandlers (22) durchfließt.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzstrom (I 4) eine getrennte Wicklung (38) des Komparatorwandlers (22) durchfließt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (I 3) und der Differenzstrom (I 4) die gleiche Wicklung (41) des Komparatorwandlers (22) zum Ausgang (A) hin durchfließen.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensa­ tionsstrom (I 5) auch eine Wicklung (49) des Leistungs­ wandlers (24) durchfließt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Komparator­ wandler mittels eines magnetfeldabhängigen Signalwandlers (52) mit Verstärker (53) und ggf. Strom-Spannungs-Wandler (54) ein Differenzstrom-Signal (I 6) erzeugt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Wandler (25; 52) ein Hall-Generator (25; 52) ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (25; 52) ein magnetfeldabhängiges Widerstandselement ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Wandler (25; 52) ein magnetooptisches Element enthält.

12. Anordnung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der dem Gleichstromanteil entsprechende An­ teil des Hauptstromes (Ih) zum Ausgang (Am) übertra­ gen wird, so daß dort ein Sekundärmischstrom zur Verfügung steht.