DE69916603T2

DE69916603T2 - Elektrischer stromsensor mit hoher bandbreite

Info

Publication number: DE69916603T2
Application number: DE69916603T
Authority: DE
Inventors: Claude Gudel
Original assignee: Liaisons Electroniques Mecaniques LEM SA
Current assignee: Lem Heme Ltd
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: JP2002517760A; EP1084417A1; DE69916603D1; JP3399522B2; AU4028299A; CN1142439C; EP1084417B1; WO1999064874A1; CN1304491A; US6548998B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor zur Messung eines durch einen Primärleiter fließenden Stroms, wobei dieser Sensor einen Magnetkreis, der angeordnet ist, um mit dem Primärleiter gekoppelt zu werden, eine mit diesem Magnetkreis gekoppelte Sekundärwicklung, einen Dämpfungswiderstand dieser Wicklung, einen Magnetfelddetektor, der in einem Magnetspalt des Magnetkreises angeordnet ist, eine Stromzufuhrvorrichtung für die Sekundärwicklung, wobei diese Stromzufuhrvorrichtung vom Magnetfelddetektor gesteuert wird, um an die Sekundärwicklung einen Kompensationsstrom zu liefern, der die Tendenz hat, das im Magnetspalt vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld zu kompensieren, und einen Messwiderstand aufweist, der mit der Sekundärwicklung in Reihe geschaltet ist, wobei der Spannungsabfall an diesem Widerstand das Messsignal des Sensors bildet.
Bei Sensoren dieser Art beeinflusst der der Sekundärwicklung zugeordnete Dämpfungswiderstand das Ergebnis der Messung je nach dem Frequenzbereich, in dem sich der zu messende Strom und seine Obertonschwingungen befinden. Auf dem Gebiet der niedrigen Frequenzen, d. h. bei Gleichstrom bis zu einer Übergangsfrequenz, arbeitet der Sensor in einem Kompensationsmodus, bei dem ein Kompensationsstrom in die Sekundärwicklung eingespeist wird, um durch das von diesem Kompensationsstrom erzeugte Magnetfeld das vom Primärstrom im Magnetspalt des Magnetkreises erzeugte Magnetfeld zu kompensieren. Der durch den Messwiderstand fließende Strom weist so aufgrund des Dämpfungswiderstands der Sekundärwicklung eine Komponente auf, die sich zum Kompensationsstrom im strikten Sinn addiert, d. h. zu der Komponente, die in Abwesenheit des inneren Widerstands der Wicklung ausreichen würde, um das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld zu kompensieren. Die Messung weist also im Bereich der niederen Frequenzen einen positiven Fehler auf.
Auf dem Gebiet der Frequenzen, die höher sind als die oben erwähnte Übergangsfrequenz, und bis zu einer hohen Grenzfrequenz, arbeitet der Sensor dagegen als Stromwandler. Die Stärke des durch den Messwiderstand fließenden Stroms ist in diesem Fall geringer als der genaue Messwert des Primärstroms aufgrund des Vorhandenseins des Dämpfungswiderstands der Sekundärwicklung, so dass die Messung einen negativen Fehler aufweist.
In der Veröffentlichung EP-A-0607502 weist eine Strommessvorrichtung ein Element mit Halleffekt, um ein Magnetfeld zu erfassen, das vom elektrischen Strom eines Primärleiters erzeugt wird, und eine Kompensationsschaltung auf, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das die Tendenz hat, das vom Primärleiter erzeugte Magnetfeld zu annullieren. Das Element mit Halleffekt ist mit vier Widerständen versehen, die eine Wheatstone-Brücke bilden, welche die Überprüfung des Kompensationsstroms und die Messung des elektrischen Stroms im Primärleiter erlaubt.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Ziel, in den beiden oben genannten Fällen, d. h. im ganzen Durchlassbereich des Stromsensors, den Messfehler zu korrigieren, der auf dem ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung und dem Dämpfungswiderstand dieser Wicklung beruht.
Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemäße Sensor dadurch gekennzeichnet, dass er einen Hilfswiderstand gleichen Werts wie der Dämpfungswiderstand der Sekundärwicklung, der mit dem der Sekundärwicklung und dem Messwiderstand gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist, und eine Differenzverstärkungseinheit aufweist, die so gestaltet ist, dass sie die an den Klemmen der Sekundärwicklung auftretende Spannung misst und an den Hilfswiderstand eine Spannung anlegt, die gleich der und von umgekehrtem Vorzei chen wie diejenige ist, die an den Klemmen der Sekundärwicklung auftritt.
Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, in der:
1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromsensors ist.
1 zeigt schematisch einen Magnetkreis 1, in dessen Inneren ein im Schnitt gezeigter Primärleiter 2 verläuft, wobei dieser Leiter von einem zu messenden Primärstrom I_P durchflossen wird. Der Magnetkreis 1 weist einen Magnetspalt 3 auf, in dem ein Magnetfelddetektor angeordnet ist, zum Beispiel ein Hall-Element 4. Das Ausgangssignal des Detektors 4 wird an einen Verstärker 5 angelegt, dessen Ausgang eine Leistungsstufe 6 steuert. Die Ausgangsklemme E dieser Stufe 6 ist mit einer ersten Klemme einer Sekundärwicklung 7 verbunden, die durch den ihr entsprechenden Schaltkreis dargestellt ist, wobei die zweite Klemme S dieser Wicklung mit einem an Masse liegenden Messwiderstand R_M verbunden ist.
Die von auf dem Magnetkreis 1 angeordneten, n Windungen gebildete Sekundärwicklung 7 wird durch eine Reihe von k Windungspaketen wie 8 dargestellt, die je n/k Windungen eines inneren Widerstands r/k und einen Dämpfungswiderstand aufweisen, der durch einen Widerstand R/k dargestellt ist, der parallel zu jedem Paket von n/k Windungen geschaltet ist. Der Dämpfungswiderstand der gesamten Sekundärwicklung ist somit gleich R.
Der Messstrom I_M, der den Messwiderstand R_M durchfließt und es ermöglicht, an dessen Klemmen die Messspannung U_M abzugreifen, müsste in Abwesenheit der Dämpfungswiderstände gleich I_P/n sein.
Aufgrund des Vorhandenseins des Dämpfungswiderstands R an den Klemmen der Sekundärwicklung weist der durch diese Sekundärwicklung fließende Strom in Wirklichkeit zwei Komponenten auf, d. h. den eigentlichen Kompensationsstrom I_b und einen Dämpfungsstrom I_R. Folglich ist in Abwesenheit der erfindungsgemäßen Gestaltung die Stärke des Messstroms I_M:
auf dem Gebiet der niederen Frequenzen I_M = I_b + I_R, und
auf dem Gebiet der hohen Frequenzen I_M = I_b – I_R.
Erfindungsgemäß ist ein Hilfswiderstand 9 mit dem Wert R' = R mit der Klemme S verbunden, und eine Differenzverstärkungseinheit 10 ist gemäß dem Schaltbild der 1 über eine gemeinsame Verbindung von zwei positiven Eingängen ebenfalls mit der Klemme S und, über entsprechende negative Eingänge, mit der zweiten Klemme E der Wicklung 7 bzw. mit der zweiten Klemme des Hilfswiderstand 9 verbunden. Die Einheit 10 ist so gestaltet, dass sie die an den Klemmen der Sekundärwicklung auftretende Spannung U₁ misst und an den Klemmen des Widerstands 9 eine Spannung U₂ gleich U₁ erzeugt. Unter diesen Bedingungen fließt ein Strom I_R' = I_R durch den Widerstand 9, und unabhängig vom Betriebsmodus gilt I_M = I_b. So beeinflusst der durch den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung und ihre Dämpfungswiderstände verursachte Dämpfungsstrom nicht mehr die Messung im ganzen Durchlassbereich des Stromsensors.

Claims

Stromsensor zur Messung eines durch einen Primärleiter (2) fließenden Stroms, wobei dieser Sensor einen Magnetkreis (1), der angeordnet ist, um mit dem Primärleiter gekoppelt zu werden, eine mit diesem Magnetkreis gekoppelte Sekundärwicklung (7), einen Dämpfungswiderstand dieser Wicklung, einen Magnetfelddetektor (4), der in einem Magnetspalt (3) des Magnetkreises angeordnet ist, eine Stromzufuhrvorrichtung für die Sekundärwicklung, wobei diese Stromzufuhrvorrichtung vom Magnetfelddetektor gesteuert wird, um an die Sekundärwicklung einen Kompensationsstrom (I_b) zu liefern, der die Tendenz hat, das im Magnetspalt vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld zu kompensieren, und einen Messwiderstand (R_m) aufweist, der mit der Sekundärwicklung in Reihe geschaltet ist, wobei der Spannungsabfall in diesem Widerstand das Messsignal des Sensors bildet, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Hilfswiderstand (9) gleichen Werts wie der Dämpfungswiderstand der Sekundärwicklung, der mit dem der Sekundärwicklung und dem Messwiderstand gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist, und eine Differenzverstärkungseinheit (10) aufweist, die so gestaltet ist, dass sie die an den Klemmen der Sekundärwicklung auftretende Spannung (U₁) misst und an den Hilfswiderstand eine Spannung (U₂) anlegt, die gleich der und von umgekehrtem Vorzeichen wie diejenige ist, die an den Klemmen (E, S) der Sekundärwicklung auftritt.