FI83998C - Maettransformator foer maetning av stroem i en elledare. - Google Patents

Description

83998

MITTAMUUNNIN SÄHKÖJOHTIMESSA KULKEVAN VIRRAN MITTAAMISEKSI - MÄTTRANSFORMATOR FÖR MÄTNING AV STRÖM I EN ELLEDARE

|

Keksintö kohdistuu mi ttamuuntimeen sähköjohdossa kulkevan virran mittaamista varten patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaisesti.

Tällaisia mittamuuntimia käytetään esim. sähkölaskijoissa kuluttajan ottaman hetkellisen tehon määrittämiseksi. Tässä tapauksessa mitataan laitteella sähkövirran hetkellinen arvo ja kerrotaan se välittömästi verkkojännitteen hetkellisellä arvolla. Kertominen tapahtuu tällöin suositulla tavalla Hall-elementin avulla, joka virtamittausta varten on laitteessa joka tapauksessa olemassa.

Patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen laite on tunnettu kirjasta Hallgeneratoren, Eigenschaften und Anwendungen, F. Kuhrt ja H.J. Lippmann, Springer Verlag, 1968, sivut 10-11 ja sivut 267-275, sekä julkaisuista W0 83/01535, DE 1 133 817 ja artikkelista IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Voi. PAS-99, No. 3, May/June 1980, sivut 1032-1037 ;G.L. Johnson: "Hall-effect measurement of real and reactive power in a Faraday machines laboratory".

Keksinnön pohjana on tehtävä aikaansaada alussa mainitunlainen mittamuunnin, jonka asentaminen on huonontamatta linea-; riteettia ja vaihevirhettäja parantamalla ilmavälitolerans- ”V siä erikoisen tarkka, yksinkertainen ja luotettava.

* Mainittu tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa annettujen tunnusten mukaisesti.

; Keksinnön toteutusesimerkkejä on esitetty piirustuksessa ja niitä selostetaan seuraavassa lähemmin.

Kuvat esittävät:

Kuva 1 mittamuuntimen ensimmäisen vaihtoehdon rakenteen ensimmäinen poikkileikkaus A-B, a 83998

Kuva 2 ensimmäisen vaihtoehdon rakenteen toinen poikkileikkaus C-D,

Kuva 3 mittamuuntimen toisen vaihtoehdon rakenne, ja

Kuva 4 mittamuuntimen kolmannen vaihtoehdon rakenne.

Samat viitenumerot merkitsevät piirustuksen kaikissa kuvissa samoja osia.

Kuvissa 1 ja 2 esitetty mittamuunnin sähköjohdossa 1 kulkevan virran mittaamista varten sisältää kolmihaaraisen ferromagneettisen sydämen 2; 6 ja magneettikenttäanturin 3, joka mieluiten on Hall-elementti. Ferromagneettisen sydämen 2; 6 muodostaa mieluiten rengas 2 ja keskihaara 6. Piirustuksen esityksessä renkaan 2 ylempi ja alempi pinta muodostavat molemmat ulkohaarat ja renkaan 2 molemmat sivupinnat kolmihaaraisen ferromagneettisen sydämen 2; 6 ikeen, jolloin ies yhdistää kulloinkin kolme haaraa niiden molemmissa päissä. Ferromagneettisen sydämen 2; 6 materiaaliksi sopii korkean permeabiliteetin vuoksi mieluiten rauta-nikkeli-seos, kuten esim. permenorm, varoperm, trafoperm, permax, ultraperm tai mumetalli. Keskihaarassa 6 on ainakin kolme ilmaväliä 7, 8 ja 9, joista keskimmäisessä ilmavälissä 7 on magneettikent-täanturi 3 ja molemmat ulommat ilmavälit 8 ja 9 on kukin -· sijoitettu keskihaaran 6 molempiin päihin. Keskimmäisen il-mavälin 7 pituus mitattuna keskihaaran 6 pituussuunnassa on lähes yhtä suuri kuin samassa suunnassa mitattu magneettikenttäanturin 3 leveys niin, että se on tarkkaan määritetty magneettikenttäanturin 3 tällä leveydellä. Kumpikin ulompi -.·* ilmaväli 8 ja 9 on mieluiten keskihaaran 6 pituussuunnassa ;y mitattuna pitempi kuin keskimmäinen ilmaväli 7. Keskihaaran .·‘ 6 muodostaa mieluiten kaksi litteää peltiliuskaa 6a ja 6b, - jotka on yhdessä magnettikenttäanturin 3 kanssa sijoitettu '· · ei-ferromagneettista materiaalia olevaan koteloon 10, joka on mieluiten keramiikkaa. Kotelossa on pohja 10a ja kotelon kansi 10b. Keskihaara 6 ja magneettikenttäanturi 3 on mieluiten sijoitettu eristemateriaalia olevalle kannattimelle, jolla esim. on olemassa vielä muita elektronisia rakenne- 3 83998 elementtejä, jolloin mieluiten kotelon 10 pohja 10a on tämä kannatin. Tämä sallii magnettikenttäanturin 3 ja keskihaaran 6 yksinkertaisen, tarkan ja luotettavan asentamisen, jotka molemmat yhdessä muodostavat rakenneyksikön, jolloin nämä molemmat komponentit siten voidaan valmistaa toisessa teknologiassa kuten esim. ferromagneettisen sydämen 2; 6 jäljellä oleva osa. Molemmat uloimmat ilmavälit Θ ja 9 on kumpikin täytetty kotelon 10 seinällä niin, että niiden ilmavälipi-tuudet voidaan tarkoin määrittää kotelon 10 seinävahvuudella. Renkaan 2 muodostaa ainakin yksi renkaanmuotoiseksi taivutettu pelti, mikä suuresti helpottaa sen valmistusta. Renkaan 2 leveys L on suurempi kuin sen suurin sisälaajuus niin, että se suojaa sangen hyvin magneettikenttäanturia 3 ulompien vierasmagneettikenttien H vaikutusta vastaan. Säh- 9 köjohdolla 1 on mieluiten suorakulmainen poikkipinta ja rengas 2 on silloin myös mieluiten suorakulmainen. Keskihaara 6 on ainakin osittain sähköjohdon 1 ympäröimä ja sijoitettu mieluiten lähelle kulloinkin sähköjohdon 1 rinnan toistensa kanssa olevien meno- ja paluujohtimien la ja Ib väliin. Sähköjohdon 1 muodostaa esim. U-muotoinen silmukka 11, jonka meno- ja paluujohto muodostaa sähköjohdon 1 rinnan toistensa .. kanssa olevan meno- ja paluujohdon la ja Ib. Sähköjohdon 1 suorakulmainen poikkipinta on esim. 2 mm'10 mm virran ollessa 100 A. Jos magneettikenttäanturina 3 käytetään esim. Hall-elementtiä, joka mittaa magneettikenttiä, jotka toimi-vat kohtisuorassa sen pintaa vastaan, silloin täyttää mag-neettikenttäanturi 3 esim. ilmavälin 7 kokonaan. Jos sitävastoin käytetään Hall-elementtiä, joka mittaa magneettikenttiä, jotka toimivat sen pinnan suuntaisesti, silloin täyttää magneettikenttäanturi 3 esim. vain alemman puolik-- - kaan (katso kuvaa 1) ilmavälistä 7. Ilmavälin 7 pituus on esim. 0,6 mm ja toisten ilmavälien 8 ja 9 vastaava esim.

- kumpikin 1,7 mm. Kannattimelle voidaan kotelon 10a; 10b sisä- tai ulkopuolelle sijoittaa vielä lisää elektronisia, ei ... esitettyjä rakenne-elementtejä, jotka esim. ovat osa mag-neettikenttäanturin 3 kytkentäelektroniikkaa.

Kuvassa 1 oletettiin, että kotelon 10 leveys on suurempi kuin sähköjohdon 1 leveys. Tässä tapauksessa täyttää poikki- 4 83998 leikkauksessa A-B kotelo 10 esim. silmukan 11 meno- ja pa-luujohdon la ja Ib välisen tilan täysin. Kotelon 10 leveys voi myös olla sama tai pienempi kuin sähköjohdon 1 leveys. Jälkimmäisessä tapauksessa täyttää kotelo 10 poikkileikkauksessa A-B silmukan 11 meno- ja paluujohdon la ja Ib välisen tilan vain osittain. Kaikissa tapauksissa ympäröi L levyinen rengas 2 silmukan 11 meno- ja paluujohdon la ja Ib sekä kotelon 10 siten, että keskihaara 6, mitattuna samansuuntaisesti sen poikkisuunnan kanssa, on sijoitettu lähes keskelle puolen etäisyyden L/2 päähän renkaan 2 reunasta (katso kuvaa 2). Silmukan 11 meno- ja paluujohto la ja Ib kulkevat kotelon 10 ja renkaan 2 välisen onton tilan läpi esim. siten, että niillä on mahdollisuuksien mukaan sekä kolmiulotteinen kosketus kotelon 10a; 10b kanssa että myös sähköisesti eristetty kolmiulotteinen kosketus renkaan 2 kanssa. Renkaan 2 yhtäältä ja silmukan 11 meno- ja paluujohdon la ja Ib toisaalta välillä on siten olemassa eristyskerros 13a (katso kuvaa 1 ja kuvaa 2).

Renkaan 2 vaippapinta on edullista ympäröidä täysin lähes samansuuntaisella renkaanmuotoisella ja leveämmällä ulkosuo--- jauksella 12. Renkaan 2 ja ulkosuojuksen 12 välissä on esim. eristyskerros 13b. Ulkosuojaukselle 12 on leveys Z, joka on suurempi kuin renkaan 2 leveys L, jotta sen päätypinnat tu-levät vielä osittain suojaukseen mukaan. Leveys Z on esim. 30 mm. Ulkosuojaus on mieluiten syvävetoterästä tai rauta-nikkeli-seosta. Eristyskerros 13b renkaan 2 ja ulkosuojauk-sen 12 välissä suurentaa myös kolmiulotteista etäisyyttä molempien välillä, mikä parantaa ulkosuojauksen 12 suojavaikutusta. Tämä etäisyys on esim. 0,05 mm. Ulkosuojauksen 12 • tehtävänä on keventää korkeapermeabiliteettisen, mutta hel-posti kyllästyvän renkaan 2, joka myös toimii suojauksena, - - kuormitusta voimakkaiden ulkoisten vierasmagneettikenttien H vallitessa. Rengas 2 ja ulkosuojaus 12 toimivat siten "... kaksoissuojana. Ilman ulkosuojausta 12 pysyy renkaan 2 muo-dostama suojaus kyllästymättömänä ulkopuolisen vierasmag- ... neettikentän H arvoon noin 50 A/cm saakka. Kaksoissuojauk- a sen ollessa olemassa pysyy renkaan 2 muodostama suoja sitä- s 83998

vastoin kyllästymättömänä ulkoisen vierasmagneettikentän H

SI

arvoon noin 200 A/cm saakka.

Käytettäessä sydämelle 2; 6 rauta-nikkeli-seosta, on magneettinen jännitehäviö ferromagneettisella materiaalilla mitätön verrattuna vastaavaan ilmavälissä 7 tai ilmaväleissä 7, 8 ja 9. Vastaavasti vaikuttavat myös epälineaarisuus, vaihevirhe ja korkeapermeabiliteettisen materiaalin lämpöti-lakerroin vain hyvin vähän mittamuuntimeen. Keskihaaran 6 ja magneettikenttäanturin 3 sijoittaminen yhdelle kannattimelle ja/tai koteloon 10 sallii mittamuuntimen asentamisen erittäin tarkasti, yksinkertaisesti ja luotettavasti. Kolmen ilmavälin 7, 8 ja 9 käyttäminen sallii ilmavälipituuden kaikkien toleranssiprobleemien keskittämisen molempiin ulompiin ilmaväleihin 8 ja 9, joissa ne häiritsevät vähiten, koska siellä magneettivuolinjat eivät ole enää samansuuntaisia ja tiheään pakkautuneita, vaan eroavat jo osittain toisistaan ja etsivät tiensä ferromagneettiseen sydämeen 2 rajoittuvan ilmatilan läpi. Nämä toleranssiprobleemat ovat sitä vähäisempiä, mitä voimakkaampaa magneettivuolinjojen toisistaan eroaminen on, t.s. mitä pitempiä ulommat ilmaraot 8 ja 9 ovat.

Toinen ja kolmas vaihtoehto eroaa ensimmäisestä vaihtoehdos-: ta vain sähköjohdon 1 muotoilun kautta.

. Kuvassa 3 esitetyssä laitteesa muodostaa sähköjohdon 1 ainakin kaksi U-muotoista silmukkaa 11a ja 11b, jotka on sijoitettu sivuttain samansuuntaisesti vierekkäin ja kytketty sähköisesti sarjaan. Tällöin on kummankin silmukan 11a tai . 11b molemmat johdot 16 ja 17 tai 18 ja 19 sijoitettu saman- suuntaisesti päällekkäin. Molempien silmukoiden 11a ja 11b molemmat menojohdot 16 ja 18 yhtäällä ja molemmat paluujoh-dot 17 ja 19 toisaalla on sijoitettu kulloinkin samaan ta-soon vierekkäin. Kotelo 10 ja siten myös keskihaara 6 mag- r. neettikenttäantureineen 3 on sijoitettu yhtäältä molempien menojohtojen 16 ja 18 ja toisaalta molempien paluujohtojen 17 ja 19 väliin, jolloin kaikki nämä meno- ja paluujohdot ovat kotelon 10 lähellä. Rengas 2 ja, mikäli on olemassa, 6 83998 ulkosuojaus 12 ympäröivät sivulta ja niistä sähköisesti eristettynä molempia U-muotoisia silmukoita 11a ja 11b. Laite tekee mahdolliseksi, muuttamatta sydämen 2 ja kotelon 10 muotoilua, sydämen 2 magnetoimisen puolella virralla, esim. 50 A:lla. Tämä puoli virtaa tuottaa kahdella silmukalla 11a ja 11b yhtä suuren magneettikentän H kuin virta i yhdellä ainoalla silmukalla 11.

Luonnollisesti voidaan U-muotoiset silmukat 11a ja 11b sijoittaa myös sisäkkäin työnnettyinä. Tässä tapauksessa ovat molemmat menojohdot 16 ja 18 yhtäältä ja molemmat paluujoh-dot 17 ja 19 toisaalta sijoitettu päällekkäin eikä vierekkäin. Meno- ja paluujohdot 16-19 voivat tällöin olla lähes puolta leveämpiä ja puoleksi niin paksuja.

Kuvassa 4 esitetyssä kolmannessa vaihtoehdossa muodostaa sähköjohdon 1 kaksi johtoa 20 ja 21, jotka ainakin renkaan 2 sisällä ovat rinnakkain ja ainakin kerran siten sijoitetut, että ne ensin menevät renkaan 2 läpi yhdessä suunnassa, risteävät sitten toisensa sähköisesti eristettynä mennäkseen välittömästi renkaan 2 läpi uudelleen päinvastaisessa suunnassa. Tällöin on kotelo 10 ja siten myös keskihaara 6 sijoitettu kulloinkin molempia suuntia varten molempien johtojen 20 ja 21 väliin. Molemmat johdot 20 ja 21 on sijoitettu esim. samansuuntaisesti päällekkäin. Ulkosuojaus 12 ympäröi myös tässä edullisella tavalla sivuilta rengasta 2. Tätä sijoitusta käytetään esim. USA:ssa sähkölaskijoissa ja se mahdollistaa, muuttamatta kotelon 10 ja ferromagneettisen sydämen 2; 6 muotoa, sydämen 2; 6 magnetoimisen kahdella riippumattomalla yksivaiheisella virralla i^ ja i2, kumpikin esim. 200 A, jolloin ääritapauksessa toinen molemmista virroista i1 tai i2 voi olla nolla. Tällainen johtojen 20 ja 21 yhteisrakenne tekee mahdolliseksi molempien virtojen i^ ja i2 siirtovakioiden tekemisen tarkoin yhtä suuriksi.

Claims (10)

1. Mittamuunnin sähköjohdossa (1) kulkevan virran (i) mittaamista varten, jossa on kolmihaarainen ferromagneettinen sydän (2; 6), jonka keskihaaraa (6) ainakin osittain ympäröi sähköjohto (1) ja jossa on ainakin yksi ilmaväli (7), johon on sijoitettu magneettikenttäanturi (3), tunnettu siitä, että keskihaaralla (6) on ainakin kolme ilmavalla (7, 8, 9), joista keskimmäisessä on magneettikenttäanturi (3) ja molemmat uloimmat on kulloinkin sijoitettu yhteen keskihaaran (6) molemmista päistä, että keskihaara (6) ja magneettikenttäanturi (3) yhdessä muodostavat rakenneyksi-kön, ja että kumpikin molemmista uloimmista ilmaväleistä (8, 9) on keskihaaran (6) pituussuunnassa mitattuna pitempi kuin keskimmäinen ilmaväli (7).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että keskihaaran (6) muodostaa kaksi litteää peltiliuskaa (6a, 6b), jotka on yhdessä magneettikent-täanturin (3) kanssa sijoitettu koteloon (10), joka on ei-ferromagneettista materiaalia, ja että molemmat uloimmat ilmaväli t (8, 9) on kumpikin täytetty yhdellä kotelon (10) seinällä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että ferromagneettisen sydämen (2; 6) ies ja molemmat ulkohaarat on muodostettu renkaalla (2), jonka muodostaa ainakin yksi renkaan muotoon taivutettu levy.

4. Yhden patenttivaatimuksista 1-3 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että keskihaara (6) on sijoitettu kulloinkin läheisyydessä kulkevien sähköjohdon (1) samansuuntaisten meno- ja paluujohtojen (la, Ib) väliin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mittamuunnin, tunnet-t u siitä, että sähköjohto (1) muodostaa U-muotoisen silmukan ja että sen meno- ja paluujohto on sähköjohdon (1) toistensa suuntaisena kulkeva meno- ja paluujohto (la, Ib). 8 83998

6. Yhden patenttivaatimuksista 1-4 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että sähköjohto (1) muodostaa ainakin kaksi U-muotoista silmukkaa (11a, 11b), jotka on sijoitettu sivuttain toistensa suuntaisiksi ja kytketty sähköisesti sarjaan, jolloin kummankin silmukan (11a tai 11b) molemmat johdot (16, 17 tai 18, 19) on sijoitettu samansuuntaisesti päällekkäin ja molempien silmukoiden (11a, 11b) molemmat menojohdot (16, 18) yhtäältä ja molemmat paluujohdot (17, 19) toisaalta on kulloinkin sijoitettu vierekkäin samaan tasoon, ja että keskihaara (6) magneettikenttäanturin (3) kanssa on sijoitettu yhtäältä molempien menojohtojen (16, -18) ja toisaalta molempien paluujohtojen (17, 19) väliin.

7. Yhden patenttivaatimuksista 1-4 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että sähköjohto (1) muodostaa ainakin kaksi U-muotoista silmukkaa (11a, 11b), jotka on työnnetty toistensa sisään ja kytketty sähköisesti sarjaan, jolloin kaikkien silmukoiden (lla, 11b) johdot (16, 17, 18, 19) on sijoitettu samansuuntaisesti päällekkäin, ja että keskihaara (6) magneettikenttäanturin (3) kanssa on sijoitettu yhtäältä molempien menojohtojen (16, 18) ja toisaalta molempien pa-luujohtojen (17, 19) väliin.

7 83998

8. Yhden patenttivaatimuksista 3-4 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että sähköjohdon (1) ainakin renkaan (2) sisäpuolella muodostaa kaksi samansuuntaista johtoa (20, 21), jotka ainakin kerran on sijoitettu siten, että ne kulkevat renkaan (2) läpi ensin yhteen suuntaan, sitten risteävät sähköisesti eristettynä ja välittömästi menevät renkaan (2) läpi uudelleen vastakkaisessa suunnassa, jolloin keskihaara (6) on kulloinkin sijoitettu molempia suuntia varten molempien johtojen (20, 21) väliin.

9. Yhden patenttivaatimuksista 4-8 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että renkaan (2) vaippapinta on ympäröity lähes samansuuntaisella, rengasmaisella ja leveämmällä ulkosuojuksella (12). 9 83998

10. Yhden patenttivaatimuksista 4-9 mukainen mittamuunnin, tunnettu siitä, että renkaan (2) ja ulkosuojauksen (12) välissä on kolmiulotteinen välimatka. 10 83998