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Die
Erfindung bezieht sich auf Stromsensoren zum Duplizieren der Funktion
von einem Stromwandler und insbesondere auf einen modularen Stromsensor
und Stromversorgung bzw. Energiequelle.
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Stromwandler
werden verwendet, um verschiedene Funktionen in elektrischen Stromkreisen auszuführen. Stromwandler
können
in einem primären
elektrischen Stromkreis angeordnet sein, um variable elektrische
Energie an einen sekundären
elektrischen Stromkreis zu liefern. Stromwandler können auch
als ein Sensor verwendet werden, um elektrischen Strom in einem
primären
elektrischen Stromkreis abzutasten und ein Signal zu liefern, das
die Größe des Stroms
in einem sekundären
elektrischen Stromkreis anzeigt. In einigen Anwendungen wird ein einziger
Stromwandler verwendet, um diese beiden Funktionen auszuführen. Es
gibt jedoch fundamentale Einschränkungen
für die
Leistungsfähigkeit
von üblichen
Eisenkern-Stromtransformatoren. Eisenkern-Stromtransformatoren,
die für
einen breiten dynamischen Bereich ausgestaltet sind, erfordern große, schwere
und teure Eisenkerne und Kupferleiter. Weiterhin ist die Genauigkeit
und Linearität
von Eisenkern-Stromwandlern von Natur aus begrenzt durch Sättigung
und magnetische Verluste. Als eine Folge haben übliche Eisenkern-Stromtransformatoren
die Tendenz, teuer zu sein und eine etwas eingeschränkte Genauigkeit
zu haben.
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Eine
Stromsensor- und Energiequellenschaltung mit einer Energiequelle,
einer Stromversorgungsschaltung und einer Stromsensorschaltung ist aus
US-5726846 bekannt geworden.
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Eine
Anwendung, wo ein einzelner Stromwandler verwendet werden kann,
um sowohl Betriebsleistung als auch ein Stromsignal an einen sekundären Stromkreis
zu liefern, befindet sich in einem elektrischen Schalter, der eine
elektronische Auslöseeinheit
aufweist. Elektronische Auslöseeinheiten
werden in Industrieschaltern für
eine breite Vielfalt von Schutz- und anderen Zubehörfunktionen verwendet.
Eine derartige elektronische Auslöseeinheit ist in dem US-Patent
4,672,501 mit der Bezeichnung "Circuit
Breaker and Protective Relay Unit" beschrieben.
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Ein
Vorteil der Verwendung eines einzelnen Stromwandlers, um sowohl
Leistungs- als auch Abtastfunktionen auszuführen, ist die Einfachheit von einer
Zweidraht-Verbindung zwischen den Stromwandlern und der Abtastschaltung
(z. B. der Auslöseeinheit).
Ein Beispiel von einem effizienten Stromwandler, der sowohl für Abtast-
als auch Leistungsfunktionen verwendet wird, ist in dem US-Patent 4,591,942
mit der Bezeichnung Current Sensing Transformer Assembly beschrieben.
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Verschiedene
Patente beschreiben die Verwendung von zwei Vorrichtungen, eine
für Leistung und
eine zum Abtasten, um die vorgenannten Konstruktionseinschränkungen
zu überwinden,
die der Verwendung eines einzelnen Wandlers innewohnen. Beispielsweise
ist die Verwendung von der Kombination von einem Luftkernwandler
zum Abtasten von Strom und einem Eisenkernwandler zum Liefern von Betriebsleistung
in dem US-Patent 5,583,732 mit der Bezeichnung Modular Current Transformer
for Electronic Circuit Interrupters zu finden. Us-Patent 5,615,075
mit der Bezeichnung AC/DC Current Sensor for a Circuit Breaker beschreibt
die Verwendung von einer Hall-Effekt-Vorrichtung zum Abtasten von Strom
in Kombination mit einer Hilfsleistungsquelle zur Lieferung von
Betriebsleistung an den Prozessor der Auslöseeinheit. Es gilt jedoch wie
zuvor, wenn Abtastvorrichtungen, wie beispielsweise ein Luftkern-Stromwandler,
Hall-Effekt-Vorrichtung und ähnliches,
für die
Stromabtastfunktion verwendet werden, sind vier Drähte erforderlich
gewesen, zwei zur Lieferung von Energie von dem Stromwandler zur Stromversorgungsschaltung
und zwei zur Lieferung von Signalen von der Abtastvorrichtung zur
Abtastschaltung. Die zusätzlichen
Drähte
können
die Kosten zur Fertigung neuer Vorrichtungen erhöhen. Darüber hinaus verhindert das Erfordernis
für zusätzliche
Drähte
die Verwendung solcher Stromsensoren mit bestehenden Anwendungen,
die einen Zweileiter-Eingang haben.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind eine modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit
in einer Konfi guration kombiniert, die die Funktion eines Stromwandlers
dupliziert. Die Erfindung besteht aus einer Abtastschaltung, einer
Energiequelle, einer Stromversorgung und einer Stromquelle, die
kombiniert und mit einer elektrischen Verteilungsschaltung und einer
elektrischen Vorrichtung verbunden sind. In diesem Fall ist ein
Stromwandler als die Energiequelle verwendet. Eine Energieversorgungsschaltung
ist mit dem Stromwandler verbunden zum Regeln des Betriebseingangsstroms.
Eine Stromsensorschaltung ist für
eine Verbindung mit der elektrischen Verteilungsschaltung angeordnet
zum Liefern eines Signals, das den Stromfluss durch die elektrische
Verteilungsschaltung angibt. Eine Stromquellenschaltung ist mit
der Stromsensorschaltung verbunden zum Empfangen des Stromsignals
und mit der Energieversorgungsschaltung zum Empfangen des Betriebsstroms
von der Energieversorgungsschaltung. Die Stromquellenschaltung ist
mit einer elektrischen Vorrichtung verbunden zum Liefern des Betriebsstroms
und des Stromsignals an die elektrische Vorrichtung.
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Die
Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein Blockdiagramm von
einer modularen Stromsensor- und Energiequelleneinheit gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine schematische Darstellung
von den Schaltungskomponenten ist, die in der Stromversorgungsschaltung
der modularen Stromsensor- und Energiequelleneinheit gemäß 1 verwendet sind;
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3 eine schematische Darstellung
von den Schaltungskomponenten ist, die in der Stromquellenschaltung
gemäß 1 verwendet sind, und
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4 eine schematische Darstellung
von einer elektronischen Auslöseeinheit
ist, die die modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit gemäß der Erfindung
verwendet.
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In 1 ist eine modulare Stromsensor-
und Energiequelleneinheit gemäß der Erfindung
bei 10 gezeigt. Die modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 ist
auf einem elektrischen Leiter angeordnet, wie beispielsweise einer
Phase 11 von einem elektrischen Stromkreis, um variable
elektrische Leistung an einen Lastkreis (elektrische Vorrichtung) über Leitungen 34 und 36 zu
liefern. Die modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 tastet auch
den elektrischen Strom in der Phase 11 ab und liefert ein
Signal, das die Größe des Stroms
in der Phase 11 an den Lastkreis über die Leitungen 34 und 36 angibt.
Die modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 kann
somit verwendet werden, um einen üblichen Stromwandler (nicht
gezeigt) zu ersetzen, um sowohl Betriebsleistung als auch ein Stromsignal
an den Lastkreis über
zwei Leitungen 34 und 36 zu liefern.
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Die
modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 enthält einen
Stromwandler 12, eine Energieversorgungsschaltung 14,
einen Stromsensor 16 und eine Stromquellenschaltung 18.
In der modularen Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 ist
ein Stromwandler 12 an einer Phase 11 von einer
elektrischen Verteilungsschaltung angeordnet. Der Stromwandler 12 ist
elektrisch mit der Energieversorgungsschaltung 14 über Leitungen 22, 24 verbunden,
und die Energieversorgungsschaltung 14 ist elektrisch mit
dem Stromsensor 16 und der Stromquellenschaltung 18 über Leitungen 26–29 verbunden.
Der Stromsensor 16 ist an der Phase 11 angeordnet.
Der Stromsensor 16 ist elektrisch mit der Stromquellenschaltung 18 über Leitungen 30, 32 verbunden.
Die Stromquellenschaltung 18 ist elektrisch mit der Lastschaltung über Leitungen 34, 36 verbunden.
Der Stromsensor 16 kann beispielsweise einen Luftkernwandler,
eine Hall-Effekt-Vorrichtung oder eine große magnetoresistive (GMR) Vorrichtung
enthalten. Zwar zeigt das hier beschriebene Ausführungsbeispiel, dass der Stromsensor 16 elektrisch mit
der Energieversorgungsschaltung 14 verbunden ist, aber
diese Verbindung kann entfernt oder modifiziert werden in Abhängigkeit
davon, welcher Typ von Stromsensor 16 (z. B. Luftkernwandler,
Hall-Effekt-Vorrichtung oder GMR Vorrichtung) verwendet wird. Weiterhin
verwendet das gezeigte Ausführungsbeispiel
zwar einen Stromwandler 12, aber es können genauso gut andere Energiequellen
verwendet werden.
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Während des
Betriebs liefert der Stromwandler 12 Betriebsleistung an
die Leistungsversorgungsschaltung 14 über Leitungen 22 und 24.
Die Leistungsversorgungsschaltung 14 regelt diese Betriebsleistung
und liefert die geregelte Betriebsleistung an den Sensor 16 und
die Stromquelle 18 über Leitungen 26–29.
Der Sensor 16 tastet Strom in der Phase 11 ab
und liefert ein Stromsensor-Ausgangssignal, das den Strom in der
Phase 11 an die Stromquelle 18 über Leitungen 30 und 32 anzeigt.
Die Stromquelle 18 empfängt
das Stromsensor-Ausgangssignal und treibt ein Ausgangssignal der Stromquellenschaltung,
das ein Ausgangsstrom ist, der das Stromsensor-Ausgangssignal anzeigt,
zur Lastschaltung über
Leitungen 34 und 36. Das Stromquellen-Ausgangssignal hat
die Attribute des Kleinleistungssensors und die Fähigkeit,
der Lastschaltung Leistung zuzuführen.
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Da
es nicht erforderlich ist, dass der Sensor 16 Betriebsleistung
an die Stromquelle 18 oder die Lastschaltung liefert, kann
der Sensor 16 irgendeine aus einer Anzahl von Stromabtastvorrichtungen
mit einer höheren
Leistungsfähigkeit
sein, wie beispielsweise ein Luftkernwandler, Hall-Effekt-Vorrichtung oder
GMR Vorrichtung. Da zusätzlich
der Wandler 12 kein abgetastetes Signal an die Lastschaltung
liefern muss, kann der Wandler 12 zur Lieferung von Energie
optimiert sein.
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2 ist ein Schaltbild der
Leistungsversorgungsschaltung 14. Die Leistungsversorgungsschaltung 14 ist
ein spannungsstabilisierter Vollwellen-Brückengleichrichter mit einem
einfachen Kondensatorfilter. Der Strom aus dem Stromwandler 12 bildet
die Eingangsgröße in einen
Vollwellen-Brückengleichrichter 50,
der Brücken-Dioden 52 mit
Dioden D1, D2, D3 und D4 aufweist. Der Vollwellen-Brückengleichrichter 50 bildet
eine negative Leistungsversorgungs-Leistungsschiene auf einer Leitung 54 und
eine ungefilterte und unstabilisierte positive Ausgangsspannung
auf einer Leitung 56. Eine Diode D5, die zwischen der ungefilterten
Ausgangsspannung auf der Leitung 56 und der stabilisierten
Ausgangsspannung auf der Leitung 60 in Reihe geschaltet
ist, verhindert ein Stromfluss vom Kondensator C1 58 zurück zum Regler-Transistor 72.
Ein Filterabschnitt 58 zum Verringern der Welligkeit der
ungefilterten Ausgangsspannung auf der Leitung 56 ist durch
den Kondensator C1 dargestellt, der zwischen der positiven Leistungsschiene 60 und
der negati ven Leistungsschiene 54 verbunden ist und eine
gefilterte Ausgangsspannung auf der positiven Leistungsschiene 60 erzeugt.
Ein Reglerabschnitt 62 stellt sicher, dass die gefilterte
Ausgangsspannung für
einen konstanten Spannungspegel für den Sensor 16 und die
Stromquelle 18 auf der positiven Leistungsschienenleitung 60 sorgt.
Ein Widerstand R2 und eine Zener-Diode
D6 sind zwischen den positiven Spannungsschienen 60 bzw. 54 in
Reihe geschaltet. Diese liefern eine Referenzspannung auf einer
Leitung 66, die mit einem negativen Eingangsanschluss von
einem Komparator 68 verbunden sind. Ein Spannungsteiler,
der in Reihe geschaltete Widerstände
R3 und R4 aufweist, ist zwischen den positiven und negativen Spannungsschienen 60 bzw. 54 verbunden.
Der Spannungsteiler liefert eine Abtastausgangsspannung auf einer
Leitung 64, die mit dem Spannungspegel auf der positiven
Ausgangsschiene 60 schwankt. Die Abtastausgangsspannung
auf der Leitung 64 ist mit einem positiven Eingangsanschluss des
Komparators 68 verbunden. Der Komparator 68 generiert
ein logisches Signal 70, das anzeigt, ob die positive Ausgangsschiene 60 oberhalb
oder unterhalb der gewünschten
stabilisierten Spannung ist. Eine Source und Drain von einem Feldeffekt-Transistor (FET) 72 sind
mit einer ungefilterten Spannung auf der Leitung 56 bzw.
einer negativen Spannungsschiene 54 verbunden. Das logische
Signal 70 treibt das Gate von dem FET 72 und shunted
dadurch Strom durch den FET 72, wenn die positive Ausgangsschiene
oberhalb der gewünschten
Spannung ist und regelt bzw. stabilisiert somit die Ausgangsspannung
auf der Schiene 60.
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In 3 ist ein Schaltbild von
der Stromquellenschaltung 18 gezeigt. Die meisten Typen
von Stromsensoren 16 mit höherer Leistungsfähigkeit
liefern ein kleines Spannungsausgangssignal proportional zum Eingangsstrom.
Die Stromquellenschaltung enthält
eine Spannungsverstärkerschaltung 100 und eine
Brücken-Stromquelle,
die aus Operationsverstärkern 102 und 104 gebildet
ist. Der Spannungsverstärker 100 ist
von einer Eingangsgröße aus dem Stromsensor 16 auf
der Leitung 30 gebildet, der mit einem Widerstand R7 verbunden
ist, der von dort mit dem invertierenden Eingang von einem Operationsverstärker 100 verbunden
ist. Ein Rückführungs-Widerstand
R8 verbindet ei nen Ausgang des Operationsverstärkers 100 auf einer
Leitung 106 mit dem invertierenden Eingang von dem Operationsverstärker 100.
Ein Spannungsteiler 110, der aus in Reihe geschalteten
Widerständen
R5 und R6 gebildet ist, die zwischen den positiven und negativen
Schienen 60, 54 der Spannungsversorgungsschaltung 14 angeordnet
sind, liefert eine DC Spannung an der Verbindungsstelle von R5 mit
R6 auf einer Leitung 74, die an den nicht-invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 100 angelegt
wird. Die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers 100 auf
der Leitung 106 wird an den Operationsverstärker 102 über einen
Widerstand R9 geliefert, der mit dem invertierenden Eingang von
einem Operationsverstärker 102 verbunden
ist, der als eine Stromquelle konfiguriert ist. Ein Rückführungs-Widerstand
R10 verbindet einen Ausgang des Operationsverstärkers 102 auf einer Leitung 114 mit
dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 102. Der Ausgang
des Operationsverstärkers 102 auf
der Leitung 114 ist mit einem Widerstand R13 verbunden,
der mit einer Leitung 36 verbunden ist. Ein Widerstand
R12 ist mit der Leitung 36 und dem nicht-invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 102 verbunden.
Ein zweiter Widerstand R11 verbindet den nicht-invertierenden Anschluss
des Operationsverstärkers 102 mit
der negativen Leistungsversorgungsschiene 108. Ein dritter Operationsverstärker 104 ist
mit einem eine Einheitsverstärkung
aufweisenden Invertierer verbunden und liefert ein Signal mit entgegengesetzter
Polarität
gegenüber
derjenigen, die von dem zweiten Operationsverstärker 102 geliefert
wird. Widerstände
R14, der zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des
dritten Operationsverstärkers 104 geschaltet
ist, und R15, der zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 102 und
den invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 104 geschaltet
ist, stellen die Verstärkung
des invertierenden Operationsverstärkers 104 ein. Widerstände R16
und R17, die zwischen den positiven Anschluss von der Leistungsversorgung 60 und
den negativen Anschluss von der Leistungsversorgung 54 und
den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 104 geschaltet
sind, stellen den Vorspannungspunkt des Operationsverstärkers 104 ein. Die
Leitungen 34 und 36 liefern einen Ausgangsstrom
an die Lastschaltung, wobei der Ausgangsstrom die Attribute des
Sensors 16, die auf den Leitungen 30, 32 eingegeben
sind, und eine ausreichende Leistung hat, um die Lastschaltung zu
treiben.
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4 ist eine schematische
Darstellung von einer Schalter-Auslöseeinheit 150, die
mehrere modulare Stromsensor- und
Energiequelleneinheiten 10 gemäß der Erfindung verwendet.
Die Schalter-Auslöseeinheit 150 ist ähnlich derjenigen,
die in dem vorgenannten US-Patent 4,672,501 beschrieben ist, das durch
diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird.
Wie in 4 zu sehen ist, ist
jede modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 an
einer Phase 152, 154, 156 von einer mehrphasigen
Energieverteilungsschaltung angeordnet. Jede modulare Stromsensor-Energiequelleneinheit 10 ist
unabhängig
mit der Schalter-Auslöseeinheit 150 über zwei
Leiter 34 und 36 verbunden. Jede modulare Stromsensor-
und Energiequelleneinheit 10 liefert Betriebsleistung an
die Schalter-Auslöseeinheit 150 über die
Leitungen 34 und 36. Die Betriebsleistungen für jede modulare
Stromsensor- und Leistungsquelle sind auf wirksame Weise innen in der
Schalter-Auslöseeinheit 50 kombiniert,
so dass jede den Schalter unabhängig
versorgen kann. Jede modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 liefert
auch ein Stromsignal, das den Strom in seiner zugeordneten Phase 152, 154 oder 156 über die Leitungen 34 und 36 angibt.
Die Stromsignale aus jeder modularen Stromsensor- und Energiequelle
werden getrennt für
jede Phase intern in der Schalter-Auslöseeinheit 150 gehalten.
Beim Betrieb mit Leistung, die von den Einheiten 10 empfangen
wird, und prozessierenden Stromsignalen, die von den Einheiten 10 empfangen
werden, detektiert die Auslöseeinheit 150 Überstromzustände in den
Phasen 152, 154 und 156 in einer Art
und Weise, die in dem vorgenannten US-Patent 4,672,501 beschrieben
ist. Da jede modulare Stromsensor- und Energiequelleneinheit 10 nur
zwei Leitungen 34 und 36 für eine Verbindung mit der elektronischen
Auslöseeinheit 150 benötigt, können die
modularen Stromsensor- und Energiequelleneinheiten 10 verwendet
werden, Stromwandler zu ersetzen, die in Verbindung mit derartigen
Auslöseeinheiten
verwendet werden.
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Die
modulare Abtast- und Energiequelleneinheit 10 liefert die
Attribute eines höchst
genauen Stromsensors, während sie
Betriebsleistung an eine Lastschaltung liefert, ohne dass zusätzliche
Drähte zwischen
der Einheit und der Lastquelle hinzugefügt werden müssen. Somit kann die modulare
Abtast- und Energiequelleneinheit 10 als ein Austausch
für bestehende
Stromwandler verwendet werden, ohne dass die zugeordnete Lastschaltung
geändert
werden muss.