DE60026952T2

DE60026952T2 - Stromsensor

Info

Publication number: DE60026952T2
Application number: DE2000626952
Authority: DE
Inventors: Franck Baudoin
Original assignee: ABB Control SA
Current assignee: ABB Control SA
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: EP1030183A1; FR2789763A1; FR2789763B1; ES2261162T3; EP1030183B1; DE60026952D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Mittel zum Messen der Stromstärke, allgemein Stromsensor genannt. Ein derartiges Mittel wird eingesetzt, um den in einem Leiter fließenden Strom an einem beliebigen Punkt des Leiters zu messen.
Üblicherweise beruht das Funktionsprinzip von Stromsensoren auf der Verwendung eines Magnetkerns, der mit einer Sekundärverwicklung versehen sein kann, aber nicht muss, über den man ein Signal misst, das die Stromstärke des Stroms widerspiegelt, der den Leiter durchfließt, um den der Stromsensor herum angeordnet ist. Die häufig in der Industrie und im Schienenverkehr eingesetzten Stromsensoren gehören zu der so genannten offenen Eisenkreis-Technik und geschlossenen Eisenkreis-Technik.
Derartige Magnetkreis-Stromsensoren weisen zumeist die Form eines geschlossenen Kranzes auf, was dazu führt, dass der Leiter, an dem der Strom überwacht werden soll, durchtrennt werden muss, um den Sensor um den Leiter herum zu positionieren. Damit der Magnetkreis-Stromsensor leistungsfähig ist, muss nämlich der Luftspalt klein, in der Größenordnung von einigen Millimetern, sein, der Magnetkreis einen großen Querschnitt haben und das Material für den Magnetkreis eine gute Qualität aufweisen. Somit kann der Stromsensor nur dann leistungsfähig sein, wenn der Luftspalt einen sehr geringen Wert aufweist, womit eine Ausführung der Sensoren mit C-förmig offener Geometrie nicht möglich ist.
Die Tatsache, dass die Magnetkreis-Stromsensoren einen Magnetkreis aufweisen müssen, der gleichzeitig einen großen Querschnitt hat und aus einem Material mit guter Qualität besteht, führt dazu, dass sie recht teuer sind, was ihre Verwendung einschränkt.
Ferner müssen bei Magnetkreis-Stromsensoren, bei denen die geschlossene Eisenkreis-Technologie zum Einsatz kommt, im Bereich ihrer Elektronik Wärmeableiter vorgesehen sein.
Magnetfeld-Stromsensoren, bei denen die offene Eisenkreis-Technologie zum Einsatz kommt, weisen ihrerseits den Nachteil auf, dass bedingt durch die Sättigung des Magnetkreises die mit ihnen maximal messbare Stromstärke begrenzt ist.
Aus dem amerikanischen Patent Nr. 4 625 166 ist eine Vorrichtung bekannt für das Messen der Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten eines Werkstoffes, der einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Diese Vorrichtung weist Hall-Sensoren auf, die entlang einer Kurve angeordnet sind, die die beiden Punkte miteinander verbindet. Diese Sensoren sind derart angeordnet, dass sie regelmäßig entlang der die beiden Punkte verbindenden Kurve verteilt und zueinander nahe benachbart angeordnet sind. Entsprechend einer in diesem Patent beschriebenen Ausführungsvariante bildet die Kurve, entlang der die Sensoren angeordnet sind, eine geschlossene kreisförmige Linie, die um einen von einem elektrischen Strom durchflossenen Leiter herum angeordnet ist.
Mit dieser Vorrichtung kann die Stärke des in dem Leiter fließenden Stroms unabhängig von seiner Position in der Mitte des Kreises, der von den Sensoren gebildet wird, gemessen werden.
Eine derartige Montage ist insofern kompliziert und kostspielig, als der Einsatz einer großen Anzahl von Sensoren, in der dargestellten Variante 24, notwendig ist, da diese jeweils nahe zueinander angeordnet sein müssen.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher einen Stromsensor vor, der wesentlich kostengünstiger und einsatzfreundlicher als die Magnetkreis-Stromsensoren ist. Diese Sensoren haben außerdem ein großes Einsatzgebiet.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Stromsensor zum Messen der Stromstärke eines in einem Leiter fließenden Stroms, bestehend aus auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten, die dazu bestimmt sind, in der Nähe des Leiters und geometrisch um diesen herum verteilt angeordnet zu werden, und aus einer Datenverarbeitungsschaltung, die das Ausgangssignal jeder der auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten verarbeitet, um ein den in dem Leiter fließenden Strom repräsentierendes Signal abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten an einem Träger angeordnet sind, der dazu bestimmt ist, um den Leiter herum angeordnet zu werden, und dass die Datenverarbeitungsschaltung einerseits Elemente umfasst, die die von den Komponenten abgegebenen Signale verarbeiten, wobei die Elemente einen Verstärkungsfaktor haben, der in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponenten bezüglich des Leiters bestimmt ist derart, dass die Signale in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponenten relativ zum Leiter gewichtet werden, und andererseits ein Element aufweist, welches die Summe der gewichteten Signale bildet und ein den in dem Leiter fließenden Strom repräsentierendes Signal abgibt.
Der Stromsensor entsprechend der Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass:

– der Träger C-förmig offen ist oder eine geschlossene Struktur hat,
– er geeignet ist, die Stromstärke des Stroms zu messen, der in jedem von mehreren Leitern fließt, die in geringem Abstand voneinander angeordnet sind,
– die Position und Orientierung jeder auf das Magnetfeld ansprechenden Komponente derart festgelegt ist, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten beeinflusst werden von dem Strom, der nur einen der vorhandenen Leiter durchfließt, während die durch die anderen Leiter fließenden Ströme sie nicht beeinflussen,
– die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten Hall-Effekt-Sensoren sind,
– die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten Magnetowiderstände sind.

Die vorliegende Erfindung ist besser nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung zu verstehen, die sich als nicht einschränkendes Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, wobei:
1 eine schematische Ansicht eines ersten Stromsensors entsprechend der Erfindung ist,
2a und 2b schematische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele eines Stromsensors entsprechend 1 sind, bei dem der Träger offen ist,
3a und 2b schematische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele eines Stromsensors entsprechend 1 sind, bei dem der Träger eine geschlossene Struktur hat,
4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Stromsensors entsprechend der Erfindung in Form eines Mehrphasen-Stromsensors ist,
5 und 6 schematische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele eines Stromsensors entsprechend 4 sind,
7 eine schematische Ansicht der Datenverarbeitungsschaltung ist,
8 eine geometrische Ansicht eines Stromsensors entsprechend der Erfindung ist, umfassend zwei auf das Magnetfeld ansprechende Komponenten, die in der Nähe von zwei von einem elektrischen Strom durchflossenen Leitern angeordnet sind,
9a und 9b Ansichten zweier Ausführungsbeispiele eines Stromsensors sind, der zur Messung des Stroms dient, der in einem Leiter mit rechteckigem Querschnitt fließt.
Wie in 1 schematisch dargestellt, schlägt die Erfindung eine Ausgestaltung eines Stromsensors mit auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten 2 vor, die in der Nähe des Leiters 1 angeordnet sind. Der Leiter 1 ist auf den Zeichnungen im Querschnitt dargestellt, wobei er vom Strom I in einer zu diesem Querschnitt senkrechten Richtung durchflossen ist.
In an sich bekannte Weise wird ein Magnetfeld um einen Leiter 1 herum gebildet, wenn dieser von einem elektrischen Strom I durchflossen wird. An einem in der Nähe des Leiters angeordneten Punkt ist der Wert dieses Magnetfelds eine Funktion der Stromstärke I und der geometrischen Position des relativ zum Leiter untersuchten Punkts.
Bei dem Stromsensor entsprechend der Erfindung sind die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten, wie z. B. Hall-Effekt-Sensoren oder Magnetowiderstände, in der Nähe des untersuchten Leiters 1 angeordnet. Diese Komponenten geben ein das Magnetfeld, das sie an ihrem Einbaupunkt beobachten, repräsentierendes Signal ab.
Eine in 7 schematisch dargestellte Datenverarbeitungsschaltung verarbeitet die von den Komponenten 2 abgegebenen Signale. Während diese Signale die Elemente 20 durchlaufen, werden sie gewichtet, dann wird in 21 ihre Summe gebildet, um in 22 ein Signal abzugeben, das die Stromstärke des in dem Leiter 1 fließenden Stroms I repräsentiert.
Das Magnetfeld, das sich bildet, während der Strom I in dem Leiter 1 fließt, ist nicht gleichförmig, sein Wert verändert sich in Abhängigkeit der geometrischen Position des Messpunktes. Die Komponenten 2, die geometrisch um den Leiter herum verteilt angeordnet sind, sind demnach nicht dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt. Das Ausgangssignal jeder Komponente wird folglich von der Datenverarbeitungsschaltung verarbeitet, indem es in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponente relativ zum Leiter 1 gewichtet wird. Diese Gewichtung findet im Bereich der Elemente 20 statt, deren Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponente 2 bezüglich des Leiters 1 bestimmt ist.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Komponenten 2 auf einem Kreis angeordnet, der den Leiter 1 konzentrisch umgibt; sie könnten natürlich auch auf andere Weise angeordnet sein.
Der Stromsensor entsprechend der Erfindung hat in erster Linie den Vorteil, dass er sehr preisgünstig ist, da er keinen Magnetkern aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass er sich nicht erwärmt.
Ein weiterer Vorteil des Sensors entsprechend der Erfindung beruht darauf, dass unter normalen Anwendungsbedingungen das Magnetfeld, das von den auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten ohne Magnetkreis gemessen wird, schwach ist und der Sensor somit in der Lage ist, momentane Überströme in dem Leiter zu messen, ohne zerstört zu werden. Dies wird durch die Tatsache bedingt, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten in der Lage sind, größere Magnetfelder zu messen, die von einem in dem Leiter fließenden Strom mit hoher Stromstärke erzeugt werden, und dass die elektrische Schaltung, die am Ausgang der Komponenten angeordnet ist, gesättigt werden kann, ohne dabei zerstört zu werden.
Wie in den 2a, 2b und 3a, 3b zu sehen ist, sind die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten 2 an einem Träger 3, 3', 30, 30' angeordnet, der um den zu untersuchenden Leiter 1 herum angeordnet werden kann, und bilden einen in seiner Anwendung praktischen Stromsensor.
In den 2a und 2b sind C-förmig offene Träger 3 und 3' dargestellt; ein derartiger Träger ist sehr einfach zu verwenden, da er sich einfach um den Leiter 1 herum anordnen lässt, indem die Ausnehmung 33 auf den Leiter 1 aufgeschoben wird. In den beiliegenden Zeichnungen sind zwei Ausführungsformen des C-förmig offenen Trägers 3, 3' dargestellt, und zwar abgerundet im Fall von Träger 3 bzw. eher viereckig im Fall von Träger 3'. Der Träger kann selbstverständlich jede andere geometrische Form aufweisen, die eine Ausnehmbung 33 für das Aufschieben auf den Leiter 1 belässt.
In den 3a und 3b sind Träger 30 und 30' mit allgemein geschlossener Struktur dargestellt, wobei das Kabel im Innern einer Öffnung 34 in dem Träger angeordnet ist, wenn der Träger 30, 30' positioniert ist. Ein derartiger Träger kann aus zwei Teilen, die einander angenähert werden, oder in Form eines Streifens ausgeführt sein, dessen Enden bei der Montage verbunden werden. Wie bereits oben erwähnt, können die Träger eine beliebige geometrische Form aufweisen, beispielsweise abgerundet, wie in 3a, oder viereckig, wie in 3b, sein.
Ein weiterer Vorteil des Stromsensors mit auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten entsprechend der Erfindung beruht darauf, dass er ferner geeignet ist, die Stromstärke jedes von mehreren Leitern zu messen, die in geringem Abstand von einander angeordnet sind, was sich mit den bekannten Magnetkreis-Stromsensoren nur schwer realisieren lässt.
In diesem Fall sind die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten 2, wie in 4 dargestellt, in der Nähe von Leitern, beispielsweise der drei Leiter 10, 11, 12, angeordnet. Jede Komponente 2 misst ein Magnetfeld, das an ihrem Einbaupunkt von dem von den einzelnen Leitern erzeugten Magnetfeld abhängt.
Ebenso ist es, wie in Bezug auf die 2 und 3 beschrieben, möglich, die Komponenten 2 an einem offenen Träger 31 mit Ausnehmungen 35 oder an einem Träger mit geschlossener Struktur 32 anzuordnen, bei dem die Leiter 10, 11, 12 in Öffnungen 36 angeordnet sind.
Die Datenverarbeitungsschaltung kennt die geometrische Position jeder einzelnen Komponente 2 relativ zu jedem Leiter 10, 11, 12 und kann ein Gleichungssystem lösen, um die Stromstärke des jeweils in einem Leiter fließenden Stroms zu bestimmen.
Wenn man beispielsweise einen erfindungsgemäßen Stromsensor, der j Komponenten 2 aufweist, und i (i > 1) Leiter, die jeweils von dem Strom I₁, I₂, ... I_i, durchflossen werden, zugrundelegt und U_sj der Wert des Ausgangssignals der Komponente j ist, dann lautet das zur Bestimmung der Stromstärken I_i zu lösende Gleichungssystem folgendermaßen:
wobei a_ji; eine Konstante ist, die abhängig ist von der geometrischen Position der Komponente j relativ zu dem von dem Strom I_j, durchflossenen Leiter i, von der Verstärkung des Ausgangssignals der Komponente, vom Winkel zwischen dem Vektor, der die Messrichtung der Komponente darstellt, und dem Vektor, der das Magnetfeld darstellt, das von dem in dem Leiter fließenden Strom an dem Punkt, den die auf das Magnetfeld ansprechende Komponente einnimmt, erzeugt wird.
Mit einer Matrizenrechnung, die hier nicht im Detail beschrieben werden soll, lassen sich die Stromstärken I_i der in den Leitern fließenden Ströme in Abhängigkeit von den Messungen U_sj in folgender Form ausdrücken:
Verständlicherweise steigt mit steigender Anzahl von Leitern und steigender Anzahl von auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten die Anzahl von Operationen, die von der Datenverarbeitungsschaltung durchgeführt werden müssen, wodurch sich die Kosten für die Vorrichtung erhöhen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung betrifft die Wahl der jeweiligen geometrischen Position der verschiedenen auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten relativ zu den von den zu messenden Strömen durchflossenen Leitern.
Entsprechend der Erfindung sind die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten derart angeordnet, dass sie nur von dem Strom, der einen der vorhandenen Leiter durchfließt, beeinflusst werden, während die durch die anderen Leiter fließenden Ströme sie nicht beeinflussen. Aufgrund dieser Anordnung sind verschiedene, bei der oben genannten Matrizenrechnung verwendete Koeffizienten gleich Null, was die Anzahl an durchzuführenden Berechnungen und folglich die Kosten für die Vorrichtung verringert.
Im Hinblick auf 8, in der die beiden Leiter C und C', die von dem Strom I bzw. I' durchflossen sind, und die beiden Komponenten S1 und S2 dargestellt sind, die derart angeordnet sind, dass sie dem Leiter C diametral gegenüberliegen, gelten folgende Bezeichnungen:

– B1 → und B2 →: die Vektoren, die das Magnetfeld darstellen, das von I' an den von den Komponenten s1 und s2 eingenommenen Punkten erzeugt wird,
– U1 → und U2 →: die Vektoren, die die Messrichtung der Komponenten S1 und S2 darstellen, auch Messeinheitsvektoren genannt,
– R1 und R2: die Abstände zwischen den Komponenten S1 bzw. S2 und dem Leiter C',
– U_s1, und U_s2: die Ausgangssignale der Komponenten S1 und S2, die das Magnetfeld darstellen, das von dem den Leiter C durchfließenden Strom I erzeugt wird,
– U'_s1, und U'_s2: die Ausgangssignale der Komponenten S1 und S2, die das Magnetfeld darstellen, das von dem den Leiter C' durchfließenden Strom I' erzeugt wird,

Die Stromstärke des den Leiter C durchfließenden Stroms I beträgt: I = k11 (Us1 + U's1) + k12 (Us2 + U's2)
Damit der den Leiter C' durchfließende Strom I' nicht durch die Berechnung von I beeinflusst wird, muss folgende Bedingung erfüllt sein: k12 U's2 + + k11 U's1 = 0 (1)
Diese Gleichung wird durch Berechnung von U'_s1, und U'_s2 gelöst.
Zu diesem Zweck werden die kartesischen Koordinaten (x1, y1) der Komponente S1, (x2, y2) der Komponente S2 und (x3, y3) des Leiters C' und die Winkel θ1 und θ2 zwischen U1 → und U2 → und der Horizontalen verwendet.
Es gilt:
Unter Anwendung der Theorie von Biot und Savard auf S1 wird das von I' erzeugte Magnetfeld berechnet.
wodurch:
Der Sensor misst die Projektion von B → auf U1 →, der Wert U'_s1 ist dann gleich dem Skalarprodukt aus B → auf U1 → , womit sich ergibt:
Ebenso ergibt sich:
Durch Einfügen dieser Werte U'_s1 und U'_s2 in die Gleichung 1 lässt sich durch eine mathematische Berechnung per Computer die Orientierung der auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten und ihre Position relativ zum Leiter C' bestimmen.
Für den, rein beispielhaften und nicht ausschließlichen, Fall, dass der Leiter C die Koordinaten (0; 0) hat, sind nachfolgend drei Konfigurationen angegeben, die verwendet werden können:
Auf gleiche Weise ließen sich die Koordinaten und der Winkel der Sensoren berechnen, die einzusetzen sind, um die Stromstärke des Stroms I' zu messen, der C' durchfließt, ohne durch den Strom I, der C durchfließt, beeinflusst zu werden.
Ferner lassen sich mit den Berechnungen die geometrischen Lagen bestimmen, die von den Sonden eines Stromsensors eingenommen werden müssen, der dazu dient, den in den n Leitern fließenden Strom zu messen, wenn n größer als 2 ist.
Der Stromsensor entsprechend der Erfindung kann bei jeder Art von Leiter eingesetzt werden, unabhängig von dessen Querschnitt.
In den 9a und 9b sind zwei Beispiele für die Anordnung der auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten 2 um einen Leiter 13 mit rechteckigem Querschnitt herum dargestellt. Wie weiter oben beschrieben, sind die Komponenten 2 an einem geschlossenen Träger 130 oder offenen Träger 131 angeordnet, wobei der offene Träger mehr oder weniger lange Schenkel aufweist.
Laut Darstellung in der Zeichnung können die Komponenten 2 an einem beliebigen Punkt der Umgebung des Leiters 13 angeordnet werden, unabhängig davon, ob dies in einem mittleren Bereich, wie in 9a, oder in einem seitlichen Bereich, wie in 9b, erfolgt. Auf diese Weise können offene Träger wie der Träger 131 gebildet werden, die mit Leitern 13 mit unterschiedlichen Abmessungen eingesetzt werden können, indem sie seitlich an den Leitern angeordnet werden.

Claims

Stromsensor zum Messen der Stromstärke eines in einem Leiter (1, 10, 11, 12) fließenden Stroms (I), bestehend aus auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten (2), die dazu bestimmt sind, in der Nähe des Leiters und geometrisch um diesen herum verteilt angeordnet zu werden, und aus einer Datenverarbeitungsschaltung, die das Ausgangssignal jeder der auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten (2) verarbeitet, um ein den in dem Leiter (1, 10, 11, 12) fließenden Strom repräsentierendes Signal abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten (2) an einem Träger (3, 3', 30, 30', 31, 32) angeordnet sind, der dazu bestimmt ist, um den Leiter (1, 10, 11, 12) herum angeordnet zu werden, und dass die Datenverarbeitungsschaltung einerseits Elemente (20) umfasst, die die von den Komponenten (2) abgegebenen Signale verarbeitet, wobei die Elemente (20) einen Verstärkungsfaktor haben, der in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponenten (2) bezüglich des Leiters (1, 10, 11, 12) bestimmt ist derart, dass die Signale in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponenten relativ zum Leiter gewichtet werden, und andererseits ein Element (21) aufweist, welches die Summe der gewichteten Signale bildet und ein den in dem Leiter fließenden Strom repräsentierendes Signal abgibt.
Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3, 3', 31) C-förmig offen ist.
Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (30, 30', 32) eine geschlossene Struktur hat.
Stromsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er geeignet ist, die Stromstärke des Stroms zu messen, der in jedem von mehreren Leitern (10, 11, 12) fließt, die in geringem Abstand voneinander angeordnet sind.
Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und Orientierung jeder auf das Magnetfeld ansprechenden Komponente (2) derart festgelegt ist, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten beeinflusst werden von dem Strom, der nur einen der vorhandenen Leiter durchfließt, während die durch die anderen Leiter fließenden Ströme sie nicht beeinflussen.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten (2) Hall-Effekt-Sensoren sind.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Magnetfeld ansprechenden Komponenten (2) Magnetowiderstände sind.