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Die
Erfindung betrifft einen Stromwandler zum Messen von Wechselstrom
gemäß der Definition
im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Hohe
Dynamik (5 mA bis 200 A), gute Störfestigkeit und gute Linearität werden
bei der Strommessung in kWh-Messgeräten verlangt. Außerdem muss
der Stromwandler gegenüber
jeglichem in dem Primärleiter
auftretenden Gleichstrom unempfindlich sein. Die Strommessung beruht
im Allgemeinen auf dem Widerstand, der den Strom in Spannung umwandelt,
auf einem Eisen- oder Ferritkernstromwandler, auf einem Induktionsphänomen, wobei
der Primärstrom
eine Spannung in der Sekundärspule
induziert, auf einem Magnetdetektor (beispielsweise einem Hall-Detektor
oder einem Magnetwiderstandsdetektor) oder in einigen Fällen auf
einem Lichtleiter, der das Magnetfeld erfasst. Bei sämtlichen
Wandlern, mit Ausnahme desjenigen, der auf dem Widerstand beruht,
basiert die Messung auf die eine oder andere Weise auf der Nutzung
des Magnetfelds, das durch den Strom erzeugt wird. Die verschiedenen Verfahren
haben gute und schlechte Merkmale. Der herkömmliche Stromwandler benötigt viel
Raum und toleriert keinen Gleichstrom, somit wird er in modernen
kWH-Messgeräten
immer weniger verwendet.
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Bei
dem Stromwandler nach der Erfindung wird ein Gradiometer für die Messung
des in dem Primärstromleiter
fließenden
Wechselstroms verwendet. Der in dem Primärstromleiter fließende Wechselstrom
verursacht ein Magnetfeld um sich selbst herum, und dieses Magnetfeld
ist mit dem Gradiometer verbunden, das die Sekundärwicklung
bildet. Das Magnetfeld seinerseits, welches mit dem Gradiometer
verbunden ist, bewirkt ein Spannungssignal in dem Gradiometer, und
dieses Signal kann gemessen werden.
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Das
Gradiometer ist ein Element, das ein Magnetfeld erkennt und von
dessen Ausgang ein Sekundärsignal
erhalten wird, das zu dem Magnetfeld proportional ist. Gradiometer
. werden verwendet, wenn schwache Magnetfelder in Störungen enthaltenden
Umgebungen gemessen werden, da das Gradiometer die Wirkung von äußeren magnetischen Störfeldern
abschwächt.
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Die
Ordnung eines Gradiometers bedeutet die Ableitung der niedrigsten
Ordnung, die von dem betreffenden Gradiometer gemessen werden kann. Ein
Gradiometer nullter Ordnung, d. h. das Magnetometer, misst nur ein
Feld, das in Bezug auf den Ort konstant ist. Ein Gradiometer erster
Ordnung gibt die Differenz zwischen den an zwei Punkten gemessenen
Magnetflussdichten an. Gleichzeitig hebt die Konstruktion jegliche äußere Störung auf,
wenn sie in Bezug auf den Ort konstant ist, d. h. wenn die Störung an
sämtlichen
Magnetfeldidentifikatoren die gleiche Größe hat. Ein Gradiometer erster
Ordnung hebt also die Ableitung auf, welche die äußere Störung zu null gemacht hat. Ein
Gradiometer zweiter Ordnung kann zum Messen der zweiten Ableitung
eines Magnetfelds und zum Aufheben eines Störfelds verwendet werden, was
in Bezug auf den Ort oder ein sich linear änderndes Feld Standard ist
(Ableitungen 0 und 1) usw. Ein Gradiometer N-ter Ordnung muss mindestens
N + 1 Magnetfeldidentifikatoren haben.
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Das
FI-Patent 98865 der Anmelderin
stellt ein Verfahren zum Messen von Wechselstrom, einen Messdetektor,
der zum Messen von Wechselstrom vorgesehen ist und seine Verwendung
in einem kWH-Messgerät
bereit. Bei dem Verfahren wird ein Gradiometer von mindestens der
ersten Ordnung in einem Stromleitersystem oder in dessen unmittelbarer
Nähe angebracht,
so dass der in dem Stromsystem fließende Strom eine Spannung in
dem Gradiometer induziert. Die Gestalt des Stromleitersystems und
die Gestalt der Spulenstruktur des Gradiometers sind auf eine solche
Weise aneinander angepasst, dass das Ausgangssignal von geringfügigen Änderungen,
die in den relativen Positionen des Stromleitersystems und des Gradiometers
auftreten, im Wesentlichen unabhängig
ist.
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Das
US-Patent 4 894 610 stellt
einen Stromwandler bereit, der für
einen statischen elektrischen Stromzähler vorgesehen ist. Der Stromwandler
weist einen Primärstromleiter,
der den zu messenden Wechselstrom führt, und eine Sekundärwicklung
auf, die von mindestens zwei in Reihe geschalteten Spulen gebildet
ist. Die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung wird einer elektronischen
Integrationsstufe zugeführt,
um ein Messsignal zu erzeugen, das frequenzunabhängig ist. Der Primärstromleiter
ist zu einer Schleife geformt, um ein maximales Magnetfeld zu erzeugen.
Die Sekundärwicklung
ist astatisch mit elektrisch identischen Spulen ausgebildet, um
eine maximale magnetische Kopplung zu erzeugen. Die Spulen können zylindrisch
oder flach sein, und ihre Achsen sind parallel. Mindestens eine
Spule ist an einem Punkt angeordnet, an dem die Stärke des
von dem Primärstromleiter
erzeugten Magnetfelds am höchsten
ist. Die Spulen der Sekundärwicklung
sind nur lokal an einem Punkt mit dem von dem Primärstromleiter
erzeugten Magnetfeld verbunden, so dass die Summe der in den Spulen
der Sekundärwicklung
induzierten Spannungen gleich dem in dem Primärstromleiter fließenden Strom
ist. Dabei sind die Spulen der Sekundärwicklung Gradiometer erster Ordnung.
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Die
WO-Veröffentlichung Nr. 01/11376 (
EP 1 206 705 ) gehört zu dem
Stand der Technik, der für die
Frage der Neuheit gemäß Artikel
54(3) und (4) EPU relevant is. Diese Veröffentlichung beschreibt einen
Stromwandler zum Messen von Wechselstrom, der einen Primärstromleiter
und eine Sekundärschaltung
aufweist. Der Primärstromleiter
kann zwei Stromschleifen aufweisen, die parallel geschaltet und im
Wesentlichen kreisförmig
sind. Die Sekundärschaltung
weist zwei Wicklungen, nämlich
eine Sensorwicklung und eine Kompensationswicklung, auf. Die Sensorwicklung
und die Kompensationswicklung sind so angeordnet, dass ihre effektiven
Magnetmittelpunkte im Wesentlichen am gleichen Ort liegen. Die Stromschleifen
des Primärstrorleiters
sind kozentrisch aufeinander in im Wesentlichen parallelen Ebenen
angeordnet, die in einem Abstand voneinander liegen. Die Wicklungen
der Sekundärschaltung
sind zwischen den Stromschleifen in einer Ebene angeordnet, die
mit den Ebenen der Stromschleifen im Wesentlichen parallel ist.
Der in den Stromschleifen des Primärstromleiters fließende Primärstrom ist
mit Hilfe eines Magnetfelds mit den Wicklungen der Sekundärschaltung
verbunden und erzeugt in den Wicklungen der Sekundärschaltung
eine Spannung, die zu dem Primärstrom
proportional ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und zuverlässigen Stromwandler
auf der Basis eines Gradiometers zum Messen von Wechselstrom bereitzustellen.
Außerdem
muss der Stromwandler nach der Erfindung für die Massenproduktion geeignet
sein, und seine Strommessung muss hinreichend dynamisch sein, d.
h. sich über
einen Bereich von 5 mA bis 200 mA erstrecken.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden mit einem Stromwandler nach dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 gelöst.
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Der
Stromwandler nach der Erfindung ermöglicht eine kompakte Konstruktion.
Die Stromschleifen des Primärstromleiters
und das Gradiometer haben kleine Durchmesser, so dass die Abschwächung einer
eventuell auftretenden externen nichthomogenen Wechselstromstörung verbessert
wird.
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Außerdem kann
der Primärstromleiter
zur Verwendung in dem Stromwandler nach der Erfindung auf einfache
Weise beispielsweise aus einem Kupferflächenkörper bzw. Kupferblech hergestellt werden,
und die gedruckte Leiterplatte, in der das als eine Sekundärwicklung
dienende Gradiometer gebildet sein kann, kann auf einfache Weise
und fest in dem gabelartigen Raum zwischen den Stromschleifen des
Primärstromleiters
angebracht werden.
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Ein
anderer wesentlicher Aspekt der Primärstromschaltung des Stromwandlers
nach der Erfindung ist das kreissymmetrische und gleichmäßige Magnetfeld,
das sie erzeugt. Aufgrund dieses Merkmals ist der Stromwandler gegenüber kleinen
Bewegungen zwischen dem Gradiometer, das als Sekundärwicklung
in dem Stromwandler wirksam ist, und dem Primärstromleiter nicht sehr empfindlich.
Sollte sich das Gradiometer der Sekundärwicklung in der Ebene zwischen
den Stromschleifen geringfügig
bewegen, dann wird das Magnetfeld an dem einen Rand des Gradiometers
größer und
an dem anderen Rand des Gradiometers entsprechend kleiner, so dass
die Geometrie kleine Bewegungen kompensiert.
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Das
Gradiometer zur Verwendung als Sekundärwicklung in dem Stromwandler
nach der Erfindung kann auf einer Leiterplatte gebildet sein. Wenn es
um hohe Ströme
und Spannungen geht, ist das Gradiometer entweder ein Gradiometer
erster Ordnung oder eines zweiter Ordnung. Wenn auftretende Ströme und Spannungen
niedrig sind, kann das Gradiometer möglicherweise ein Gradiometer
dritter, vierter, fünfter
oder sogar sechster Ordnung sein. Mit ansteigender Ordnung wird
das System natürlich komplizierter.
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Die
Dämpfung
in Bezug auf ein homogenes Magnetfeld des auf der Leiterplatte gebildeten
Gradiometers ist sehr hoch gemacht (über 1000). Das homogene Magnetfeld
verursacht also keinen Fehler im Ausgangssignal des Stromwandlers.
Wenn ein Gradiometer zweiter Ordnung verwendet wird, ist der Stromwandler
auch gegenüber
einem Feld unempfindlich, das sich als eine Funktion des Orts linear ändert. Ein
Stromwandler auf der Basis eines Gradiometers zweiter Ordnung wird
also selbst von einem starken Störfeld
nicht gestört.
Da der Betrieb des Stromwandlers auf einem Induktionsphänomen beruht,
wird der Betrieb des Stromwandlers von einem gleichmäßigen Magnetfeld,
das durch Gleichstrom in dem Stromleiter bewirkt wird, oder einem
externen gleichmäßigen Magnetfeld
nicht beeinflusst. Die Störungsdämpfung des
Stromwandlers kann durch Anbringen einer magnetischen Abschirmung
um den Stromwandler herum weiter verbessert werden.
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Der
Stromwandler nach der Erfindung ist auch gegenüber geringfügigen Änderungen der Gestalt des Primärstromleiters
nicht empfindlich. Solche Änderungen
der Gestalt des Primärstromleiters
werden beispielsweise durch Temperaturen unter null und durch Änderungen
der Temperatur verursacht, die durch Sonnenschein bewirkt werden.
Hohe Ströme,
beispielsweise 80...100 A, die zu messen sind, bewirken ferner eine
Wärmeausdehnung
des Primärstromleiters.
Der Stromwandler nach der Erfindung arbeitet in einem ungefähren Temperaturbereich
von –40°C ... + 80°C innerhalb
seiner Fehlergrenzen.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf einige vorteilhafte
Ausführungsformen der
Erfindung, die in den Figuren der beigefügten Zeichnungen gezeigt sind,
im Einzelnen erläutert,
die Erfindung soll jedoch nicht nur auf diese Ausführungsformen
beschränkt
sein.
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1 ist
eine schematische Ansicht des Aufbaus des Primärstromleiters des Stromwandlers nach
der Erfindung.
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2 zeigt
die Form des Magnetfelds, das durch den in 1 gezeigten
Aufbau des Primärstromleiters
bewirkt wird, in einer Horizontalebene zwischen den Stromschleifen
des Primärstromleiters.
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3 zeigt
die Form des Magnetfelds, das durch den in 1 gezeigten
Aufbau des Primärstromleiters
bewirkt wird, in einer Vertikalebene zwischen den Stromschleifen
des Primärstromleiters.
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4 ist
eine schematische Ansicht eines ersten Gradiometers zum Gebrauch
in dem Stromwandler nach der Erfindung.
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5 ist
eine schematische Ansicht eines zweiten Gradiometers zum Gebrauch
in dem Stromwandler nach der Erfindung.
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6 ist
ein Schema der elektrischen Verbindung der in den 4 und 5 gezeigten
Gradiometer.
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7 ist
eine schematische Explosionsansicht des Stromwandlers nach der Erfindung.
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8 ist
eine schematische Explosionsansicht des Stromwandlers nach der Erfindung,
der zum Messen von Dreiphasenstrom geeignet ist.
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9 ist
ein Schema des Messkreises eines Einphasen-kWh-Messgeräts, wobei
der Stromwandler nach der Erfindung verwendet werden kann.
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10 ist
ein Schema des Messkreises eines Dreihphasen-kWh-Messgeräts, wobei
der Stromwandler nach der Erfindung verwendet werden kann.
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1 zeigt
den Primärstromleiter 10 des Stromwandlers
nach der Erfindung. Der Primärstromleiter 10 ist
von zwei im Wesentlichen langgestreckten und rechteckigen Zwischenteilen 11, 111 gebildet,
die in Vertikalebenen in einem Abstand voneinander angeordnet sind,
so dass sich die Längsrichtung
der Zwischenteile 11, 111 in der Richtung der Horizontalebene
erstreckt. Ein Ende der Zwischenteile 11, 111 ist
durch ein horizontal angeordnetes Verbindungsglied 12 geöffnet, so
dass an dem genannten Ende der Zwischenteile ein Teil 13a, 13b gebildet
ist, das im Wesentlichen die Gestalt eines auf der Seite liegenden
U hat. Die unteren Klauen 13a, 113a des liegenden
U in den Zwischenteilen 11, 111 sind durch eine
horizontal angeordnete, im Wesentlichen kreisförmige erste Schleife 30 miteinander
verbunden, und die oberen Klauen 13b, 113b des
liegenden U in den Zwischenteilen 11, 111 sind
durch eine horizontal angeordnete, im Wesentlichen kreisförmige zweite
Schleife 40 miteinander verbunden. Stromleiterstecker 14, 114 sind
an den Enden angebracht, die den Schleifen 30, 40 der
Zwischenteile 11, 111 gegenüberliegen. Außerdem haben
die Zwischenteile 11, 111 Vorsprünge 11a, 111a,
die dazu dienen, den Primärstromleiter 10 an
dem ihn umgebenden Abstützteil 70 festzulegen
(7).
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Der
Strom fließt
also von dem ersten Stromstecker 14 zu dem ersten Zwischenteil 11,
an dessen anderem Ende der Strom zu den zwei Klauen 13a, 13b des
liegenden U verzweigt wird. Ein erster Teil des Stroms fließt durch
die untere Klaue 13a zu der unteren ersten Schleife 30 und
von dort weiter zu der unteren Klaue 113a des liegenden
U des zweiten Zwischenteils 111. Ein zweiter Teil des Stroms
fließt durch
die obere Klaue 13b des liegenden U des ersten Zwischenteils 11 zu
der oberen zweiten Schleife 40 und von dort weiter zu der
oberen Klaue 113b des liegenden U des zweiten Zwischenteils 111.
Danach vereinigen sich die Teilströme in dem zusammenhängenden
Teil des zweiten Zwischenteils 111, woraufhin der Strom
von dem mit dem zweiten Zwischenteil 111 verbundenen Stromstecker 114 zurückfließt.
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Die
Breite d2 der Leiter der Schleifen 30, 40 des
Primärstromleiters 10 ist
2 mm in der Horizontalebene, und ihre Höhe h2 ist
2 mm in der Vertikalebene. Die freie Distanz h1 zwischen
den Schleifen 30, 40 ist 4 mm in der Vertikalebene,
und der Durchmesser d1 der Löcher in
den Schleifen 30, 40 ist 9 mm. Die Breite d3 der Zwlschenteile 11, 111 des
Primärstromleiters 10 ist
2 mm in der Horizontalebene, und die Höhe h3 ist
10 mm in der Vertikalebene. Die Gesamtlänge des Primärstromleiters 10 einschließlich der
Stecker ist ungefähr
60 mm.
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Der
Primärstromleiter 10 kann
beispielsweise aus einem Kupferblech mit einer Dicke von 2 mm unter
Verwendung eines Kompressionswerkzeugs hergestellt werden. Zunächst wird
das Schneiden des Profilrohlings durchgeführt, woraufhin er in Form gebogen
wird. Dieses Verfahren ist zur Massenproduktion geeignet, wobei
man den Rohling nur zu schneiden und durch Kompression in Form zu
biegen braucht. Die Querschnittsfläche des Primärstromleiters
sollte ausreichend groß sein,
bevorzugt über
7 mm2, so dass der Primärstromleiter bei hohen Strömen nicht überhitzt
wird.
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2 zeigt
die Form des Magnetfelds, das durch den Primärstromleiter 10 in
der Horizontalebene zwischen den Stromschleifen 30, 40 erzeugt
wird. Die Werte des Magnetfelds B auf der Vertikalachse entsprechen
einer Situation, in der ein Wechselstrom fließt, dessen quadratisches Mittel 10A ist.
Das Magnetfeld B ist in Bezug auf den Punkt null auf der X-Achse
symmetrisch. Dieser Punkt null liegt an dem mittleren Punkt des
Liniensegments, das die Mittelpunkte der ersten Schleife 30 und
der zweiten Schleife 40 des Primärstromleiters 10 verbindet,
und die X-Achse verläuft
in Längsrichtung
des Primärstromleiters 10 in
einer Ebene, die zu den Ebenen der Stromschleifen 30, 40 parallel
ist. Die Figur zeigt ferner, dass das Magnetfeld B, das durch den
Primärstromleiter 10 erzeugt
wird, in einer Ebene konstant ist, die von einem Kreis begrenzt
ist, der mit einem ungefähren
Radius von 2,5 mm in dem Mittelpunkt des die Mittelpunkte der Schleifen 30, 40 verbindenden
Liniensegments gezeichnet ist. Außerdem ist das Magnetfeld B
positiv auf einer Ebene, die von einem Kreis begrenzt ist, der mit
einem ungefähren
Radius von 6 mm gezeichnet ist.
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3 zeigt
die Form des Magnetfelds, das durch den Primärstromleiter 10 in
einer Vertikalebene zwischen den Stromschleifen 30, 40 erzeugt
wird. Die hier gezeigten Dichtewerte B des Magnetflusses entsprechen
ebenfalls einer Situation, in der ein Wechselstrom, der ein quadratisches
Mittel von 10 A hat, in dem Primärstromleiter 10 fließt. Der
Punkt null auf der Z-Achse liegt am Mittelpunkt eines Liniensegments,
das die Mittelpunkte der ersten Schleife 30 und der zweite
Schleife 40 des Primärstromleiters 10 verbindet,
und die Z-Achse verläuft
in der Höhenrichtung
des Primärstromleiters 10 in
einer Ebene, die zu den Ebenen der Stromschleifen 30, 40 senkrecht
ist. Aus der Figur ist ersichtlich, dass sich das durch den Primärstromleiter 10 erzeugte
Magnetfeld B beim Übergang
zwischen den Stromschleifen 30, 40 in der Richtung
des die Mittelpunkte der Schleifen 30, 40 verbindenden
Liniensegments relativ wenig ändert.
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Aus
den 2 und 3 kann geschlossen werden, dass
das Magnetfeld, das von dem in 1 gezeigten
Primärstromleiter 10 erzeugt
wird, in einem Zylinder relativ konstant ist, dessen Mittelachse sich
mit dem Liniensegment verbindet, das die Mittelpunkte der Stromschleifen 30, 40 verbindet,
dessen Höhe
sich in den freien Raum zwischen den Schleifen 30, 40 erstreckt
und dessen Durchmesser ungefähr
5,0 mm ist.
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4 zeigt
ein erstes Gradiometer 50 des Stromwandlers nach der Erfindung,
das in der Horizontalebene in dem Raum zwischen den Schleifen 30, 40 des
Primärstromleiters 10 angeordnet
werden kann. Das erste Gradiometer 50 ist von einer Zentralspule 51,
die spiralförmig
in einer Ebene gewickelt ist, und von zwei Seitenspulen 52, 53 gebildet,
die in einer Ebene symmetrisch um den Außenumfang der Zentralspule 51 herum
entlang den äußeren Begrenzungen
eines Halbkreissegments gewickelt sind. Die Zentralspule 51 und
die Seitenspulen 52, 53 sind in der gleichen Ebene
angeordnet.
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5 zeigt
ein zweites Gradiometer 60 des Stromwandlers nach der Erfindung,
das dem in 4 gezeigten Gradiometer 50 entspricht,
und 6 zeigt die elektrische Verbindung der Gradiometer 50, 60.
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Die
Sekundärschaltung
auf der Basis der Gradiometer 50, 60 des Stromwandlers
kann beispielsweise auf einer aus vier Lagen gebildeten gedruckten
Leiterplatte implementiert sein. Die Gradiometer 50, 60 sind
in den zwei Mittellagen der Leiterplatte gebildet, und die äußeren elektrisch
leitfähigen Lagen
der Leiterplatte sind als statischer Schutz zwischen der Primärschaltung
und der Sekundärschaltung 50, 60 des
Stromwandlers wirksam. Die elektrische Verbindung der Sekundärschaltung
des Stromwandlers zwischen zwei Verbindungspunkten der Vorverstärkerelektronik
(in den Figuren nicht gezeigt) ist wie folgt (4 und 5).
- • Der
erste Verbindungspunkt der Vorverstärkerelektronik ist mit Punkt
A verbunden, der sich außerhalb
des Außenumfangs
des ersten Gradiometers 50 befindet, das in der zweiten
Lage der Leiterplatte angeordnet ist.
- • Von
Punkt A erfolgt der Übergang
zu den Seitenspulen 52, 53 des ersten Gradiometers 50,
wobei das Fortschreiten im Uhrzeigersinn in Richtung zur Mitte zu
Punkten B und C erfolgt.
- • Von
den Punkten B und C erfolgt der Übergang zu
der dritte Lage der Leiterplatte zu Punkten D und E, die sich in
der Mitte der Seitenspulen 62, 63 des zweiten
Gradiometers 60 befinden.
- • Von
den Punkten D und E erfolgt das Fortschreiten im Uhrzeigersinn in
den Seitenspulen 62, 63 des zweiten Gradiometers 60,
woraufhin die Seitenspulen 62, 63 sich an dem
inneren Teil der Seitenspulen 62, 63 verbinden
und der Übergang
zu dem Außenumfang
der Zentralspule 61 des zweiten Gradiometers 60 erfolgt.
- • In
der Zentralspule 61 des zweiten Gradiometers 60 erfolgt
das Fortschreiten im Gegenuhrzeigersinn zu Punkt F in der Mitte
der Zentralspule 61.
- • Von
Punkt F erfolgt der Übergang
zu Punkt G, der sich in der Mitte der Zentralspule 51 des
ersten Gradiometers 50 befindet, und von Punkt G erfolgt
das Fortschreiten im Gegenuhrzeigersinn nach außen zu Punkt H an dem Außenumfang
der Zentralspule 51.
- • Von
Punkt H wiederum erfolgt der Übergang
zu Punkt K des zweiten Gradiometers 60 in der dritten Lage
der Leiterplatte und von dort nach außen zu Punkt L, der sich außerhalb
des Außenumfangs
des zweiten Gradiometers 60 befindet und von dem der Übergang
zu dem zweiten Verbindungspunkt der Vorverstärkerelektronik erfolgt.
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6 zeigt,
dass die Seitenspulen 52, 53 des ersten Gradiometers 50 ebenso
wie die Seitenspulen 62, 63 des zweiten Gradiometers 60 parallel zueinander
geschaltet sind. Dagegem sind die Seitenspulenpaare 52, 53; 62, 63 ebenso
wie die Zentralspulen 51, 61 in Reihe geschaltet.
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Der
Außendurchmesser
des Gradiometers 50, 60, das gemäß den 4 und 5 auf
einer Leiterplatte gebildet ist, ist in einem Bereich zwischen 10
und 30 mm, bevorzugt 22 mm, und die Breite des Stromleiters des
Gradiometers ist in einem Bereich von 50 bis 300 μm, bevorzugt
150 μm.
Die Windungszahl der Zentralspule 51, 61 des Gradiometers 50, 60 ist
zwischen 5 und 50, bevorzugt 12, und die Windungszahl der Seitenspulen 52, 53; 62, 63 ist
zwischen 1 und 20, bevorzugt 5. Die wirksame Oberfläche der
Zentralspule 51, 61 ist gleich der wirksamen Oberfläche einer
Seitenspule 52, 53; 62, 63,
so dass der Ausgangswert des Gradiometers in einem homogenen Wechselstrom-Magnetfeld
null ist. Aufgrund der Reihenschaltung haben die Zentralspulen 51, 61 einen
Gewichtswert 1, und aufgrund der Parallelschaltung haben
die Seitenspulen 52, 53; 62, 63 einen
Gewichtswert 0,5. Beispielsweise bedeutet die wirksame Oberfläche der
Zentralspule 51, 61 nicht eine auf der Basis des
Außenradius
der äußersten Spulenwindung
der Zentralspule 51, 61 be rechnete Oberfläche. Stattdessen
wird die wirksame Oberfläche
durch Addition der Oberfläche
jeder separaten Spulenwindung berechnet: Atot = Awinding.1 +
Awinding.2 + Awinding.3 +
... + Awinding.n
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Außerdem müssen die
in den 4 und 5 gezeigten Gradiometer 50, 60 so
dimensioniert sein, dass sich die Zentralspule 51, 61 vollständig innerhalb
eines Bereichs befindet, in dem das Magnetfeld positiv B > 0 ist, d. h. der Außenradius
der Zentralspule 51, 61 muss < 6 mm sein. Die Seitenspulen 52, 53; 62, 63 wiederum
müssen
sich vollständig
innerhalb eines Bereichs befinden, in dem das Magnetfeld negativ
B < 0 ist, d. h.
der Innenradius der Seitenspulen 52, 53; 62, 63 muss > 6 mm sein.
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Die
in den 4 und 5 gezeigten Gradiometer 50, 60 sind
hauptsächlich
Gradiometer zweiter Ordnung.
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7 ist
eine Explosionsansicht eines Sensors nach der Erfindung. Die Figur
zeigt einen Primärstromleiter 10 und
ein Abstützteil 70,
das zum Anbringen des Primärstromleiters 10 an
einer Leiterplatte 80 verwendet wird. Das Abstützteil 70 kann
auf die Leiterplatte 80 geschoben und an der Leiterplatte 80 mit
zwei Stiften 71, 72 befestigt werden, die sich durch
Bohrungen in dem Abstützteil 70 und
durch Bohrungen 81, 82 in der Leiterplatte erstrecken.
In den zwei Innenlagen der Leiterplatte 80 können die
in den 3 und 4 oder 7 und 8 gezeigten
Gradiometer 50, 60 gebildet sein. Wenn der Primärstromleiter 10 in
seine Position in dem Stützteil 70 geschoben
wird, werden die Mittelpunkte der Gradiometer 50, 60 über und
unter dem Mittelpunkt eines Liniensegments angeordnet, das die Mittelpunkte
der zwei Stromschleifen 30, 40 des Primärstromleiters 10 verbindet.
Der Primärstromleiter 10 wird
mit Hilfe der Zwischenteile 11, 111 des Abstützteils 70 und
der darin angeordneten Vorsprünge 11a, 111a fest
angeordnet. Die Figur zeigt ferner eine zylindrische magnetische
Abschirmung 90, die auf das Abstützteil 70 des Stromwandlers
geschoben werden kann. Ein Verbindungsglied 83 ist in der
Leiterplatte 80 erforderlich, damit die Abschirmung 90 auf
das Abstützteil 70 geschoben
werden kann. Die magnetische Abschirmung 90 kann beispielsweise
ein Eisenrohr sein.
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8 ist
eine Explosionsansicht eines Stromwandlers nach der Erfindung, der
zur Messung von Dreiphasenstrom verwendet wird. Die Primärstromleiter 10a, 10b, 10c jeder Phase
R, S, T kann in das Abstützteil 70 geschoben
und darin festgelegt werden. Das Abstützteil 70 wiederum
kann auf die Leiterplatte 80 geschoben und mit Stiften 71, 72 daran
festgelegt werden, die in Bohrungen 81, 82 gedrückt werden,
die sich durch das Abstützteil 70 und die
Leiterplatte 80 erstrecken. Jeder Primärstromleiter 10a, 10b, 10c ist
mit seinem Gradiometer 50a, 60a; 50b, 60b; 50c, 60c,
der in seiner eigenen Leiterplatte 80 gebildet ist, verbunden.
Die Figur zeigt nicht die magnetische Abschirmung, diese kann jedoch beispielsweise
durch einen Eisenflächenkörper bzw. ein
Eisenblech implementiert werden, das an die Außenränder des Abstützteils 70 anpasst
ist.
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9 ist
ein Schema des Messkreises eines Einphasen-kWh-Messgeräts. Der
Messkreis an der Spannungsseite weist eine Schutzschaltung 210 auf, die
dazu dient, das kWh-Messgerät vor jeglichen Überspannungsspitzen
vom Hauptnetz zu schützen. Auf
die Schutzschaltung 210 folgt eine Spannungsschaltung 220,
die mit der Spannung der zu messenden Verbrauchsstelle zwischen
dem Phasenleiter und dem Nullleiter verbunden ist. In der Spannungsschaltung
wird ein Signalpegel einer Höhe
gebildet, die für
einen Vervielfacher 250 geeignet ist. Der Messkreis an
der Stromseite weist einen Stromwandler 230 nach der Erfindung
auf, auf den ein Vorverstärker 240 folgt,
der dazu dient, das von dem Gradiometer der Sekundärschaltung
des Stromwandlers 230 erhaltene Spannungssignal auf einen
Pegel zu verstärken,
der für
den Vervielfacher geeignet ist. In dem Vervielfacher 250 werden
die Signale, die zu der Spannung und dem Strom der zu messenden
Verbrauchsstelle proportional sind, miteinander multipliziert, wodurch
ein Wert für
die aktuelle Leistung der Verbrauchsstelle erhalten wird. Die Leistung
wird in Bezug auf die Zeit integriert, so dass die von der Verbrauchsstelle
verbrauchte elektrische Energie erhalten wird. Ein mechanischer
Trommelzähler
oder ein digitales LCD-Display kann als Zähler 260 in dem Messkreis
verwendet werden. Der Messkreis weist ferner Standardimpulsausgänge 270 auf,
deren Impulszahl zu dem elektrischer Energieverbrauch, Impulse/kWh,
proportional ist.
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10 ist
ein Schema des Messkreises eines Dreiphasen-kWh-Messgeräts. Der
Messkreis an der Spannungsseite ist von drei Schutzschaltungen 210a, 210b, 210c und
von von drei Spannungsschaltungen 220a, 220b, 220c gebildet.
Der Messkreis an der Stromseite ist auf ähnliche Weise von drei Stromwandlern 230a, 230b, 230c und
von drei Vorverstär kern 240a, 240b, 240c gebildet.
Die Addition von phasenspezifischen Größen wird ebenfalls in dem Vervielfachet 250 durchgeführt.
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Die
Stromschleifen 30, 40 des Primärstromleiters 10 müssen aufeinander
im Wesentlichen in parallelen Ebenen angeordnet sein, damit das
Magnetfeld des Primärstromleiters
symmetrisch ist. Wenn das Magnetfeld des Primärstromleiters 10 verzerrt ist,
so dass es einseitig wird, wird der Stromwandler für den Ort
empfindlicher. Wenn die Ebenen der Stromschleifen 30, 40 nicht
parallel sind und beurteilt wird, dass die Abweichung größer als
einige Grad, beispielsweise ungefähr 5°, ist, dann können Verzerrungen
des Primärstromleiters
einen Messfehler verursachen, der größer als zulässig ist.
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Die
Leiterplatte 80, die zwischen den Stromschleifen 30, 40 des
Primärstromleiters 10 anzuordnen
ist, und das oder die Gradiometer 50, 60, die
in der als Sekundärschaltung
zu verwendenden Leiterplatte gebildet sind, müssen im Wesentlichen in einer Ebene
parallel zu den Stromschleifenebenen liegen. Alle Abweichungen davon
verursachen eine erhöhte Ortsempfindlichkeit
in dem Stromwandler.
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Bei
den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen werden zwei Gradiometer 50, 60 in
der Sekundärschaltung
verwendet, dies ist jedoch als solches aus der Sicht der Erfindung
nicht wesentlich. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung von N
(N = 1, 2, 3...) Gradiometern zwischen den Stromschleifen des Primärstromleiters.
Der von zwei Gradiometern gebildete Aufbau gemäß den Figuren resultiert jedoch
in einer relativ einfachen Konstruktion und erzielt bei den Strömen, die
normalerweise zu messen sind, einen ausreichenden Signalpegel in
der Sekundärschaltung.
Ein Gradiometer zweiter Ordnung wird ebenfalls mit dem Aufbau erzielt,
der von zwei Gradiometern gemäß den Figuren
gebildet ist.
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Vorstehend
wurden nur einige vorteilhafte Ausführungen der Erfindung angegeben;
für den Fachmann
auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass innerhalb des Umfangs
des erfinderischen Gedankens gemäß den beigefügten Ansprüchen zahlreiche Modifikationen
daran vorgenommen werden können.