Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit

Abstract

 Um eine Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler (11;22) und ein Leistungs­wandler (13;24) mit ihren Primärwicklungen (10,12;21,13) in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei dem von einer Sekundärwicklung (17;18) des Leistungswandlers (13;24) ein Kompensationsstrom einer Wicklung (16;36) des Komparatorwandlers (11;22) zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Komparatorwandlers (11; 22) zugeführt wird und bei der eine Indikator-Wick­lung (19;36) des Komparatorwandlers (11;22) ein dem verbleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-­Signal abgibt, das (bei 20;37) verstärkt wird und als Differenzstrom einer anderen Wicklung (16;38) des Komparatorwandlers (11;22) zugeführt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes (I1;I3) und des Diffe­renz-Stromes (I2;I4) das Ausgangssignal bilden, so zu schaffen, daß eine hohe Genauigkeit sowohl bei Wechsel­strom als auch bei Mischstrom mit einer kostengünstigen Ausführung erreichbar ist, wird vorgeschlagen, daß der Leistungswandler (24) auch einen dem Gleichstrom­anteil des Hauptstromes (Ih) entsprechenden Anteil in den ersten Kompensationsstrom (I3) überträgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler und ein Leistungswandler mit ihren Primärwicklungen in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei dem von einer Sekundärwicklung des Leistungswandlers ein Kompen­sationsstrom einer Wicklung des Komparatorwandlers zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Kom­paratorwandlers zugeführt wird und bei der eine In­dikator-Wicklung des Komparatorwandlers ein dem ver­bleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-Signal abgibt, das verstärkt wird und als Differenzstrom einer anderen Wicklung des Komparatorwandlers zuge­führt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes und des Differenz-Stromes das Ausgangssignal bilden.

[0002] Zur Verrechnung der verbrauchten Energie werden u.a. statische Elektrizitätszähler eingesetzt, die gegen Mischströme, d.h. Wechselströme mit einem Gleichstrom­anteil, unempfindlich sein müssen. Der Gleichstrom­anteil führt in den dabei verwendeten induktiven Wand­lern zu Sättigungserscheinungen. Die Wandler müssen aber aus Kostengründen möglichst materialsparend auf­gebaut sein.

[0003] Statische Haushalts-Elektrizitätszähler müssen daher eine bestimmte Gleichstrom-Unabhängigkeit aufweisen. Zur meßtechnischen Untersuchung und Überprüfung sowohl im Labor wie auch am Einbauort werden sog. Präzisions-­Vergleichszähler benutzt, die eine wesentlich höhere Genauigkeit aufweisen müssen als der Prüfling. Der Stromeingangskreis der Prüfzähler darf im Mischstrom-­Betrieb keine größeren Meßunsicherheiten aufweisen als im reinen Wechselstrom-Betrieb.

[0004] Bekannte Stromwandleranordnungen mit erhöhter Genauig­keit arbeiteten mit aufwendigen elektronischen Hilfs­schaltungen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromwandleranordnung der eingangs erwähnten Art eine hohe Genauigkeit sowohl bei Wechselstrom als auch für Mischstrom mit einer kostengünstigen Ausführung zu er­reichen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfüllt mit den Merkmalen des Kenn­zeichens von Anspruch 1.

[0007] Durch den Gleichstromanteil des Stromes durch die Wicklung des Komparatorwandlers wird im Komparatorkern die magnetische Wirkung der Gleichstromkomponente des Hauptstromes wenigstens nahezu ausgeglichen, so daß eine unzulässige Arbeitspunktverschiebung durch den Gleichstrom vermieden ist. Der Komparatorwandler arbei­tet dann so wie bei einem gleichstromfreien Hauptstrom.

[0008] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bei­spielsweise näher erläutert. Es zeigen in schematischen Darstellungen

Fig. 1 eine bekannte Stromwandleranordnung,

Fig. 2 eine Stromwandleranordnung nach der Er­findung, bei der auf den Komparatorwandler eine zusätz­liche Wicklung angebracht ist,

Fig. 3 eine Stromwandleranordnung nach der Er­findung, bei der eine Sekundärwicklung des Kompa­ratorwandlers für beide Korrekturströme ausgenutzt wird,

Fig. 4 eine Stromwandleranordnung nach der Er­findung, bei der auch der Kern des Leistungswand­lers weitgehend durchflutungsfrei gehalten wird, und

Fig. 5 eine Stromwandleranordnung nach der Er­findung, bei der auch am Komparatorwandler der Gleichstromanteil der Durchflutungsdifferenz festge­stellt und so ein Sekundärmischstrom erzeugt wird.

[0009] In Figur 1 ist eine bekannte Stromwandleranordnung dargestellt. Hierbei wird die Primärwicklung 10 eines Kom­paratorwandlers 11 und die Primärwicklung 12 eines Lei­stungswandlers 13 in Reihenschaltung von einem Haupt­strom Ih zwischen den Klemmen 14 und 15 durchflossen. Der Komparatorwandler 11 trägt eine erste Sekundärwick­lung 16, die mit einer Bürde 18, insbesondere einem Ohm'schen Widerstand, gegen Erde belastet ist. Dem anderen Ende der Wicklung 16 wird von einer auf der anderen Seite an Erde angeschlossenen Sekundärwicklung 17 des Leistungswandlers 13 ein Strom I1 zugeführt. Mittels der Übersetzungsverhältnisse der genannten Wick­lungen der Wandler 11 und 13 ist dieser Strom so be­ messen, daß er über die Sekundärwicklung 16 im Komparator­wandler 11 über seine Amperewindungszahl etwa die gleiche Durchflutung hervorruft, wie die Primärwicklung 10 infolge des Hauptstromes Ih. Soweit sich die Magnetflüsse (Ampere­windungszahlen) der Wicklung 10 und der Wicklung 16 nicht aufheben, bleibt eine Durchflutungsdifferenz; diese er­zeugt über eine zweite Sekundärwicklung 19 des Kompara­torwandlers 11 und einen nachgeschalteten elektronischen Verstärker 20 einen Differenz-Strom I2, der dem Verbin­dungspunkt der Sekundärwicklungen 16 und 17 zugeführt wird und durch die Wicklung 16 zusammen mit dem Strom I1 zur Bürde 18 gelangt. An einer Ausgangsklemme A kann gegen Erde ein Signal entnommen werden, das dem Hauptstrom Ih entspricht.

[0010] In einer solchen bekannten Stromwandleranordnung, wie sie z.B. aus DE-Z "meßtechnik" 10/68, Seite 242 ff., bekannt ist, zeigen sich Sättigungserscheinungen im Kern des Wandlers 11 und/oder des Wandlers 13, wenn im Haupt­strom Ih ein Gleichstromanteil enthalten ist. Dieser tritt auf, wenn ein Verbraucher über einen Einweggleich­richter betrieben wird, dann ist auch die Summe der Ströme I1 + I2 dem Hauptstrom Ih nicht mehr genau pro­portional, und es ergeben sich Meßfehler.

[0011] Erfindungsgemäß soll dieser nachteilige Einfluß einer Gleichstromkomponente des Hauptstromes Ih ausgeschaltet oder wenigstens stark vermindert werden.

[0012] In der Stromwandlerschaltung gemäß Fig. 2 fließt dazu der Hauptstrom Ih zwischen den Klemmen 14 und 15 durch die Primärwicklung 21 eines Komparatorwandlers 22 und durch die Primärwicklung 23 eines Leistungswandlers 24. Mittels eines magnetfeldabhängigen Signalwandlers (Sensor) 25 wird der durch den Hauptstrom Ih im Kern des Leistungswandlers 24 hervorgerufene Magnetfluß er­faßt. Die dabei erhaltene magnetfeldabhängige elektrische Größe wird über einen elektronischen Verstärker 26 und einen Spannungs-/Strom-Wandler 27 in einen Strom I3 übergeführt, der durch eine Sekundärwicklung 28 auf dem Kern des Kompara­torwandlers 22 zu einem über einen Widerstand 29 gegengekop­pelten elektronischen Verstärker 30 geführt. Vom Ausgang des Verstärkers 30 wird über einen Kondensator 31 die Gleichstromkomponente aus dem verstärkten Mischstrom I3 abgetrennt und die Wechselstromkomponente über eine Impe­danz 32 dem Ausgang zugeführt, die durch einen über eine Impedanz 33 gegengekoppelten elektronischen Verstärker 34 vor der Ausgangsklemme A gebildet wird.

[0013] Durch den Strom I3 wird der durch den Hauptstrom Ih mit seinen Wechselstromkomponenten und seiner Gleich­stromkomponente hervorgerufene Magnetfluß im Kern des Komparatorwandlers 22 weitgehend ausgeglichen. Durch den noch verbleibenden Rest-Magnetfluß wird in einer Indi­katorwicklung 36 ein Signal erzeugt, das über einen Verstärker 37 einen Strom I4 für eine Sekundärwicklung 38 liefert. Diese Sekundärwicklung 38 ist derart ange­bracht und bemessen, daß sie dem Rest-Magnetfluß im Kern des Komparatorwandlers 22 entgegenwirkt und diesen weitgehend, entsprechend dem Verstärkungsgrad des Ver­stärkers 37, ausgleicht. Da der Kompensationsstrom I3 durch die Sekundärwicklung 28 auch die Gleichstromkom­ponente enthält, wird auch diese im Kern des Kompara­torwandlers 22 weitgehend mit ausgeglichen. Der Strom I4 von der Wicklung 36 reduziert nur die Wechselanteile im Magnetfluß. Dieser Strom I4 wird auch dem Eingang des Verstärkers 34 zugeführt, so daß, wie in Fig.1, an der Ausgangsklemme A ein Signal auftritt, das aus der Summe der Wechselstromanteile der Ströme I3 und I4 zu­sammengesetzt ist und von der primärseitigen Ansteuerung des Komparatorwandlers 22 bis auf einen sehr geringen Feh­ler unabhängig ist. Der Leistungswandler 24 braucht hier­bei allerdings nicht im tatsächlichen Sinne Leistung aufzubringen, da die Energie für den kompensierenden Strom I3 vom Verstärker 26 und ggf. dem U/I-Wandler 27 geliefert wird.

[0014] Bei der Ausführungsform nach Fig.3, in der gegenüber Fig.2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen be­zeichnet sind, wird der kompensierende Strom I3 wie in Fig. 2 vom Leistungswandler 23 mit einem gleichstrom­unabhängigen Meßwandlerkern über den in einem Luftspalt angebrachten magnetoelektrischen Fühler 25 und den Ver­stärker 26 sowie den U/I-Wandler 27 erzeugt. Dieser Strom I3 wird über eine Wicklung 41 des Komparatorwand­lers 22 der Bürde 42 gegen Erde zugeführt, und das an diesem entstehende Ausgangsignal wird über einen Trenn­kondensator 43 an der Ausgangsklemme A gleichstromfrei abgenommen .Durch den gegensinnig fließenden Strom I3 wird im Komparatorwandler eine weitgehende Kompensation des vom Hauptstrom Ih und des vom Kompensationsstrom I3 hervorgerufenen Magnetflusses bewirkt, so daß der Kern des Komparatorwandlers 22 weitgehend in einem magnet­flußfreien Zustand bleibt, und zwar sowohl hinsichtlich der für die Messung erwünschten Wechselstromkomponente wie auch hinsichtlich der in der Regel unerwünschten Gleichstromkomponente. Mittels der Indikatorwicklung 44 wird der im Komparatorwandler 22 noch auftretende restliche Wechselstrom-Magnetfluß (Durchflutungsdiffe­renz) festgestellt und über einen Verstärker 45 und einen U/I-Wandler 46 in einen Kompensationsstrom I4 übergeführt, der zusammen mit dem Strom I3 der Sekun­därwicklung 41 zum Ausgang geführt wird. Durch den Kom­pensationsstrom I4 wird somit, wie auch bei den oben ste­henden Figuren, die Kompensation des Wechselstrom-Magnet­flusses im Kern des Komparatorwandlers 22 sehr genau be­wirkt.

[0015] Ein für einen Leistungswandler 24 gemäß Fig. 2 oder 3 geeigneter Wandler kann ringförmig mit einem Luftspalt ausgebildet sein, wobei durch den Luftspalt einerseits in einfacher Weise die Gefahr der Sättigung verringert wird und darin andererseits ein magneto-elektrisches Element als Signalwandler (Sensor) zum Messen des Mag­netflusses angebracht sein kann. Der magnetfeldabhängige Fühler kann unter Ausnutzung des Halleffektes arbeiten oder den magnetoresistiven Effekt ausnutzen, also eine Veränderung des elektrischen Widerstandes je nach einem anliegenden Magnetfeld. Auch ein magnetooptischer Effekt kann mit entsprechenden zusätzlichen optischen Sensor­elementen ausgenutzt werden.

[0016] Fig.4 zeigt eine Ausführungsform, bei der auch im Lei­stungswandler 24 der Magnetfluß weitgehend kompensiert ist. Dazu wird das elektrische Signal vom magneto-elek­trischen Signalwandler (Sensor) 25 einem Verstärker 48 zugeführt, der einen Strom I5 liefert, der zunächst durch eine Sekundärwicklung 49 des Leistungswandlers 24 fließt.

[0017] Die Windungszahlen der Primärwicklung 23 und dieser Sekundärwicklung 49 sowie der Verstärkungsgrad des Verstärkers 48 sind so bemessen, daß dadurch, bis auf einen kleinen Regelfehler, der Magnetfluß im Kern des Leistungswandlers 24 ausgeglichen wird. Der Aus­gleichstrom I5 durchfließt weiter eine Sekundärwick­lung 50 des Komparatorwandlers 22 zur Bürde 42; über den Trennkondensator 43 kann an der Klemme A das gleichstromfreie Ausgangssignal entnommen werden.

[0018] Wie in den vorangehenden Figuren ist weiter am Kom­paratorkern 22 eine Wicklung 44 angebracht, die über einen Verstärker 45 und einen U/I-Wandler 46 einen dem Rest-Magnetfluß im Kern des Wandlers 22 entsprechen­des Wechselstromsignal I4 liefert, da es am Verbin­dungspunkt der Sekundärwicklungen 49 und 50 eingespeist wird und mit zur Bürde 42 fließt, wodurch eine sehr prä­zise Kompensation des Wechselstrom-Magnetflusses im Komparatorwandler 22 bewirkt wird.

[0019] Die Ausführungsform nach Fig.5 gleicht weitgehend der­jenigen nach Fig.4 und trägt für entsprechenden Teile auch gleiche Bezugszeichen. Der Unterschied besteht da­rin, daß auch der Komparatorwandler 22 mit einem magneto­elektrischen Sensor 52 ausgerüstet ist, der das Durch­flutungsdifferenzsignal über einen Verstärker 53 und einen U/I-Wandler 54 als einen korrigierenden Kompensa­tionsstrom I6 an den Verbindungspunkt der Wicklungen 49 und 50 liefert. Zur Bürde 42 fließt somit ein zusammen­gesetzter Strom I5 + I6, der am Komparatorwandler 22 auch für Gleichstrom kompensiert ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß in der Bürde 42 am Ausgang Am ein Misch­ strom zur Verfügung steht, der in einem sehr präzi­sen Verhältnis zum Primärmischstrom Ih steht, der also einen Gleichstromanteil enthält.

[0020] An einem Ausgang Ag kann über ein Wechselstrom sper­rendes Filter 56 auch die wechselstromfreie Gleich­stromkomponente entnommen werden.

[0021] In der Schaltung nach Fig.5 wird für beide Kerne eine optimale Gleichstrom-Kompensation erreicht, so daß ein Maximum an Genauigkeit für einen Sekundär-Mischstrom erzielt werden kann.

[0022] Durch das Kompensationsprinzip brauchen beide Wandler 22 und 24 nur sehr geringe Leistung zu übertragen, so daß sehr kleine Kerne Verwendung finden können. Die Leistung muß allerdings bei kompensierten Wandlern durch die Verstärker aufgebracht werden.

[0023] Zusammenfassend wurde mit der neuen Anordnung eine Strom­wandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit geschaffen, bei der ein Leistungswandler (24) und ein Komparator­wandler (22) mit ihren Primärwicklungen (21,23) in einem Hauptstromkreis (Ih) in Reihe liegen, bei der vom Lei­stungswandler (13) ein Strom erzeugt wird, mit dem im Komparatorwandler (22) der Magnetfluß wenigstens nahezu zu Null kompensiert wird, wobei nach der Erfindung mit Hilfe eines magnetoelektrischen Signalwandlers (25) auch die Gleichstromkomponente des Hauptstromes (Ih) erfaßt und zur Kompensation mit herangezogen wird (Fig.2). Die Gleichstromkomponente kann sogar im Sekundärstrom als präzises Abbild des Primärstromes zur Verfügung stehen (Fig.5).

Ansprüche

1. Stromwandleranordnung mit erhöhter Genauigkeit, bei der ein Komparatorwandler (11;22) und ein Leistungs­wandler (13;24) mit ihren Primärwicklungen (10,12;21,13) in einem Hauptstromkreis in Reihe liegen, bei dem von einer Sekundärwicklung (17;18) des Leistungswandlers (13;24) ein Kompensationsstrom einer Wicklung (16;36) des Komparatorwandlers (11;22) zur Herabsetzung der Magnetisierung des Kernes des Komparatorwandlers (11; 22) zugeführt wird und bei der eine Indikator-Wick­lung (19;36) des Komparatorwandlers (11;22) ein dem verbleibenden Magnetfluß entsprechendes Differenz-­Signal abgibt, das (bei 20;37) verstärkt wird und als Differenzstrom einer anderen Wicklung (16;38) des Komparatorwandlers (11;22) zugeführt wird, wobei die Summe des Kompensationsstromes (I1;I3) und des Diffe­renz-Stromes (I2;I4) das Ausgangssignal bilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Leistungswandler (24) auch einen dem Gleich­stromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechenden Anteil in den ersten Kompensationsstrom (I3) überträgt.

2. Stromwandleranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem Gleichstromanteil des Hauptstromes (Ih) entsprechende Anteil des Meßstromes vor dem Ausgang (A) wieder entfernt wird.

3. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Magnetfluß des Leistungsstromwandlers (24) ein magnetfeldabhängiger Signalwandler (Sensor) (25) ange­ordnet und an dem Eingang eines Verstärkers (26;27) angeordnet ist.

4. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kompensationsstrom (I3) zum Ausgang (A) hin eine getrennte Wicklung (28) des Komparatorwandlers (22) durchfließt.

5. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Differenzstrom (I4) eine getrennte Wicklung (38) des Komparatorwandlers (22) durchfließt.

6. Stromwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kompensationsstrom (I3) und der Differenzstrom (I4) die gleiche Wicklung (41) des Komparatorwandlers (22) zum Ausgang (A) hindurchfließen.

7. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kompensationsstrom (I5) auch eine Wicklung (49) des Leistungswandlers (24) durchfließt.

8. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Komparatorwandler mittels eines magnetfeldabhän­gigen Signalwandlers (52) mit Verstärker (53) und ggf. Strom-Spannungs-Wandler (54) ein Differenzstrom-Signal (I6) erzeugt wird.

9. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der magnetfeldabhängige Wandler (25;52) ein Hall-­Generator (25;52) ist.

10. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler (25;52) ein magnetfeldabhängiges Wider­standselement ist.

11. Stromwandleranordnung nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der magnetfeldabhängige Wandler (25;52) ein magneto­optisches Element enthält.

12. Stromwandleranordnung nach Anspruch 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem Gleichstromanteil entsprechende Anteil des Hauptstromes (Ih) zum Ausgang (Am) übertragen wird, so daß dort ein Sekundärmischstrom zur Verfügung steht.

Zeichnung