MEASURING ARRANGEMENT FOR ELECTRIC CURRENTS

Abstract: 1. Measuring arrangement for electric currents, comprising two transformers (1, 2) wherein the current to be measured flows through the primary winding (5) of the one transformer (1) and a current representing the current to be measured flows through the primary winding (6) of the other transformer (2), characterized in that each of the transformers (1, 2) includes a magnetic core and both have substantially the same transformation characteristic, that the secondary windings (3, 4) of both transformers are connected in parallel, and that an active four-terminal network (7) is connected to the juncture of the secondary windings (3, 4) said network being controlled by the difference between the currents of the secondary windings (3, 4) and driving the current in the primary winding (6) of the other transformer (2).

Description: MeBahordnung für elektrische ströme Die Erfindung betrifft eine Messanordnung für elektrische Ströme. Diese ist insbesondere für solche Ströme vorgesehen, die sich wegen ihrer Stärke bzw. ihres Potentials nicht unmittelbar messtechnisch erfassen lassen0 Zur Wandlung von hohen Strömen in solche, die der Mes- sung unmittelbar zugänglich sind, werden Stromwandler verwendet. In herkömmlicher Ausführung bestehen diese aus der vom zu messenden Strom durchflossenen Primärwicklung, dem Magnetkern und der Sekundärwicklung, die mit einer Bürde abgeschlossen ist. Die Sekundärwicklung führt einen, dem Primärstrom entsprechenden, durch das Übersetzungsverhältnis bestimmten Strom. Das reale Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärstrom zeigt jedoch hiervon Abweichungen, die als Wandlerfehler bezeichnet werden. Dieser Wandlerfehler ist bürdenabhängig und sinkt mit abnehmender Bürdenimpedanz. Da die Strommessung jedoch eine bestimmte Leistungsaufnahme im Sekundärkreis bedingt, kann die Bürde nicht beliebig klein gewählt werden. Geringe Wandlerfehler erfordern daher die entsprechende Berücksichtigung anderer, den Fehler beeinflussender Parameter. So wird beispielsweise ein Magnetkern mit hoher Anfangspermeabilität verwendet. Zur Verringerung des Wandlerfehlers über den durch die Materialeigenschaften und technischen Gestaltungsmöglichkeiten gesteckten Rahmen hinaus sind eine Vielzahl von sogenannten Kunstschaltungen bekannt geworden, die entweder nur mit passiven oder auch mit aktiven Elementen ausgeführt sind. So ist ein fehlerkompensierter Messwandler bekannt, bei dem die bürdenabhängigen Verluste weitgehend kompensiert werden (DEAS 1 303 532). Dies erfolgt mit Hilfe eines rückgekoppelten Verstärkers und eines induktiven Kopplungselements. Das Kopplungselement stellt eine sogenannte magnetische Nachbildung des Messwandlers dar, d. h. das Material beider Magnetkerne besitzt die gleiche Magnetisierungscharakteristik. Durch Vergleich der aussteuerungsabhängigen Spannungen von Wandler und induktivem Kopplungselement speist der Verstärker die Leistung der inneren Bürde des Wandlers zusätzlich in den Wandler ein und kompensiert somit den auftretenden Fehler. Der Verstärker deckt damit nicht die MeB- leistung des Wandlers. Der eigentliche Messwandler muss daher für die aufzubringende Bürdenleistung dimensioniert werden. Dem Bedürfnis der richtigen Erfassung höherer Kurzschlussströme kann dabei ebenfalls nur durch vergrösserten MaterialauSwand Rechnung getragen werden. Es sind des weiteren Stromwandler mit elektronischer Fehlerkompensation bekannt, bei denen in den Sekundärkreis eine solche Spannung eingespeist wird, dass die Induktion im Wandler gegen Null geht. Ein solcher Wandler ist hinsichtlich seines Fehlerverhaltens praktisch unabhängig von Strom- und Bürdenänderungen, weil die Bürdenleistung von einem Verstärker aufgebracht wird und der Wandler in einem konstanten magnetischen Arbeitspunkt ausgesteuert ist. Derartige Stromwandler, die auch als Stromkomparatoren bezeichnet werden, weisen eine relativ hohe Genauigkeit bei geringem Eigengewicht auf. Als Indikatoren für die zum Verschwinden zu bringende Induktion werden Indikatorwicklungen oder Hallsonden verwendet (DE-OS 2 632 377 und DE-OS 2 621 302). Dabei müssen jedoch konstruktive Ausführungen gewählt werden, die nur eine minimale Streuung aufweisen. Weiterhin ist es mit diesem Messprinzip nicht möglich, bereits eingebaute, in Betrieb befindliche Stromwandler zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung elektrischer Ströme, insbesondere auf Hochspannungspotential, anzugeben, die bei geringem Mti terialeinsatz eine sehr hohe Messgenauigkeit, auch im ttberstrombereich, gewahrleistet, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit Hilfe zweier Übertrager von zumindest annähernd gleichem Vtertragungsverhalten gelöst, deren Sekundärwicklungen miteinander zu einem Stromkreis verbunden sind, wobei die Primärwicklung des ersten Uber- tragers vom zu messenden Strom und die Primärwicklung des zweiten Übertragers von einem dem zu messenden Strom proportionalen Strom durchflossen ist. Des weiteren arbeitet auf die Primärwicklung des zweiten Uber- tragers ein aktiver Vierpol, der von einer dem Stromkreis der Sekundärwicklungen entnommenen Differenzgrösse gesteuert wird. Der aktive Vierpol ist vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildet und mit seinen Eingängen an die Verbindungen der beiden Sekundärwicklungen geschaltet. Für die Erfassung sehr hoher Stromstärken ist jeder Itbertrager mit einer zusätzlichen, zweiten Sekundärwicklung ausgestattet, Diese zusätzlichen Sekundärwicklungen sind derart gegeneinanaergeschaltet, dass die einen Wicklungsenden galvanisch verbunden und die anderen Wicklungsenden an die Eingänge des aktiven Vierpols gelegt sind, Besonders günstige Gestaltungsmöglichkeiten und Einsatzverhältnisse ergeben sich bei der Ausbildung des ersten, vom zu messenden Strom durchflossenen Ubertragers, wenn dieser als Einleiterstromwandler mit einem Ringkern ausgeführt ist. Für die Belange der Gleichstrommessung ist ebenfalls für jeden Ubertrager eine zusätzliche Sekundärwicklung vorgesehen. Diese werden von einem Brequenzgenerator gespeist. Für automatisierte Messplätze und/oder eine digitale Signalverarbeitung kann die gewünschte Abbildung des Primärstroms als Gleichstromgrösse auf vorteilhafte Weise dadurch erreicht werden, dass mit der Primärwicklung des zweiten Ubertragers eine Gleichrichterbrücke mit Gleichstromindikator, z. B. in Gestalt einer Graetz-Brücke' in Reihe geschaltet ist. Im Zusammenhang mit der Überwachung von Mehrleitersystemen kann es günstig sein, den ersten Ubertrager in der Art eines Nullstromwandlers auszubilden. Eine gegebenenfalls notwendige Potentialtrennung zwischen dem aktiven Vierpol und dem Wechselstromindikator kann dadurch erreicht werden, dass ein weiterer Ubertrager vorgesehen ist, auf den der aktive Vierpol arbeitet und dessen Sekundärwicklung in Reihe mit der Primärwicklung des zweiten Übertragers liegt, Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen in einer gegenüber konventionellen Stromwandlern prinzipiell verbesserten Messgenauigkeit durch Vermeidung bürdenabhängiger Übertragungsfehler sowie darin, dass der Einsatz an Kern- und Wicklungsmaterial wesentlich vermindert und auf die Verwendung hochpermeablen Kernmaterials verzichtet werden kann. Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: die Grundschaltung der erfindungsgemässen Mess anordnung für elektrische Ströme, Fig. 2: eine Steuermöglichkeit für den Differenzver stärker, Fig. 3: eine für Gleichstrommessungen modifizierte Mess anordnung. Fig. 4: eine Messanordnung mit einem Ausgang, der Gleichstromsignale liefert, Fig. 5: eine Messanordnung, die in Art eines Nullstrom wandlers modifiziert wurde, und Fig. 6: eine Messanordnung mit Potentialtrennung zwischen Messkreis und Differenzverstärker, Figur 1 zeigt die prinzipielle Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung. Die Messanordnung besteht aus zwei Über- tragern 1 ;2, deren Sekundärwicklungen 3;4 zu einem Stromkreis zusammengeschaltet sind. Die Primärwicklung 5 des ersten Übertragers 1 wird von dem zu messenden Strom durchflossen, wahrend die Primärwicklung 6 des zweiten Übertragers 2 von einem Differenzverstärker 7 gespeist wird. Der Differenzverstärker 7 ist mit seinen Eingängen an die beiden Verbindungen der Sekundärwicklungen 3;4 gelegt. In Reihe mit der Primärwicklung 6 des zweiten Ubertragers 2 ist ein Wechselstromindikator 8 angeordnet. Beide übertrager 1;2 weisen weitgehend das gleiche Uber- tragungsverhalten auf, d. h. sie arbeiten in ihrem gesamten Aussteuerbereich mit der gleichen magnetischen Induktion. Wird die Primärwicklung 5 des ersten übertragers 1 von einem zu messenden Strom durchflossen, so gibt der Differenzverstärker 7 auf die Primärwicklung 6 des zweiten übertragers 2 einen Strom ab, der so gross ist, dass sich zwischen den beiden Verbindungen der Sekundärwicklungen 3;4 die Spannung nahe Null einstellt. In beiden Übertragern 1;2 herrscht nun die gleiche auf die Länge des magnetischen Weges bezogene Durchflutung, Da voraussetzungsgemäss beide übertrager 1;2 die gleiche Charakteristik aufweisen und die Ströme in den Sekun därwicklungen 3;4 gleich sind, muss der Strom, der die Primärwicklung 6 des zweiten Übertragers 2 durchfliesst, proportional dem Betrag und in Phase mit dem zu messenden Strom sein. Da die Bürdenleistung für den Wechselstromindikator 8 von dem Differenzverstärker 7 aufgebracht wird, hat der Betrag der Bürde keinen Einfluss auf das Übertragungsverhalten der Messanordnung, solange der Differenzverstärker 7 die Messleistung aufbringen kann. Vorzugsweise kann der erste Übertrager 1 in der Art eines Einleiterwandlers mit Ringkern ausgeführt werden, da dieser nur als Signalgeber ohne wesentliche leistungsübertragung wirkt. Im Gegensatz zum Stromwand ler herkömmlicher Art können die Übertrager 1;2 mit extrem niedrigem Materialaufwand ausgeführt werden, da bisherigen die messtechnisch und leistungsmässig chen Bedingungen entfallen. Beide Übertrager 1;2 müssen nur die gleiche Charakteristik aufweisen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn beide Wandler mit gleichem Magnetwerkstoff ausgerüstet sind, beide Wandler im Nennarbeitsbereich gleiche Werte der Induktion aufweisen und beide Wandler in der Dimensionierung Primärstrom mal Primärwindungszahl pro mittlere Kernweglänge gleich sind. Figur 2 zeigt eine andere Möglichkeit für die Steuerung des Differenzverstärkers 7. Hierbei enthalten beide Übertrager 1;2 jeweils eine weitere Sekundärwicklung 9;10, die auch als Indikatorwicklungen bezeichnet werden können. Die Indikatorwicklungen 9;10 sind mit ihren einen Wicklungsenden verbunden und das jeweils andere Wicklungsende ist an die Eingänge des Differenzverstärkers 7 gelegt. Durch diese Anordnung wird der Differenzverstärker 7 von der zwischen beiden Uter- tragern herrschenden Differenz der Induktion gesteuert. Dies ist eine Möglichkeit, die insbesondere für hohe Stromstärken in Frage kommt, wenn die Dimensionierung des Übersetzungsverhältnisses zwi: sehen dem Strom in der Primärwicklung 5 des ersten Übertragers 1 und dem Strom durch die Sekundärwicklungen 3;4 problematisch ist. Ebenfalls für hohe Stromstärken in Frage kommend ist eine Anordnung , bei der analog zu Fig. 1 die Indikatorwicklugen zu einem Stromkreis zusammengeschaltet sind und die Eingänge des Differenzverstärkers an die beiden Verbindungen gelegt sind. In Figur 3 ist eine für Gleichstrommessungen modifizierte Schaltungsanordnung gezeigt. Beide Ü#ertrager 1;2 sind mit jeweils einer weiteren Wicklung 11;12 ausgeführt, die von einem Frequenzgenerator 13 gespeist sind. Dadurch wird in den übertragern 1;2 eine Aussteuerung er zungen Ohne Strom durch die Primärwicklung 5 des ersten Übertragers 1 sind die Aussteuerungen der Magnetkreise der Übertrager 1;2 gleich, d. h. die Spannung zwischen den Klemmen des Differenzverstärkers 7 ist Null1 rund es fliesst kein Strom durch die Primärwicklung 6 des zweiten Übertragers 2. Bei einer zusätzlichen Aussteuerung des Ubertragers 1 durch einen Strom in der Primärwicklung 5 ändert sich die Spannung zwischen den Klemmen des Differenzverstärkers 7, und es fliesst durch die Primärwicklung 6 des zweiten Ubertragers 2 ein Strom, dessen Mittelwert dem Strom in der Primärwicklung 5 des ersten Übertragers 1 entspricht. Die Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der zur Anwendung in automatisierten Messplätzen und/oder zur digitalen Signalverarbeitung die Abbildung des Prim w- stromes als Gleichstromgrösse möglich ist. Dazu ist der Primärwicklung 6 des zweiten übertragers 2 eine Gleichrichterbrücke 14 mit einem Gleichstromindikator 15 in Reihe geschaltet. Die Gleichrichterbrücke 14 kann in Graetz-Schaltung ausgeführt sein. Da zur Herstellung eines gleichen Aussteuerpunktes in den Übertragern 1;2 ein Strom durch die Primärwicklung 6 des zweiten Uber- tragers 2 fliessen muss, der dem Strom in der Primärwicklung 5 des ersten Übertragers 1 entspricht und nicht von zusätzlichen Schaltelementen im Ausgangsstromkreis des Differenzverstärkers 7 bestimmt wird, so ist auch der Strom durch den Gleichatromindikator 15 Repräsentant für den Gleichrichtwert des Wechseistromes durch die Primärwicklung 6 des zweiten übertragers 2 unabhängig von der Kennlinie der verwendeten Gleichrichterdioden. Im Zusammenhang mit Mehrleitersystemen kann es notwendig sein, den ersten übertrager 1 in Art eines Nullstromwandlers auszuführen. Gemäss Figur 5 wird die mittlere, auf den magnetischen Weg bezogene Durchflutung des Uber- tragers 1 durch mehrere stromdurchflossene Primärwicklungen 16 des ersten Übcrtragers 1 erzeugt. Entsprechend wird auch die mittlere, auf den magnetischen Weg bezogene Durchflutung des zweiten übertragers 2 durch den Strom in der Primärwicklung 6 des zweiten Übertragers 2 einge stellt, d. h. der Strom in der Primärwicklung 6 ent Summe der spricht der vorzeichenrichtigaddierten Ströme in den Primärwicklungen 16. Figur 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der zur Potentialtrennung zwischen Differenzverstärke# 7 und dem Mess- kreis ein weiterer Übertrager 17 vorgesehen ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die erfindungs gemäss Messanordnung in Schaltungen Verwendung finden soll, wo mehrere Messglieder vorhanden sind, die Verstärker aber galvanisch über die Hilfsenergiequelle verbunden sind bzw. sich die Verstärkeranordnung auf einem Potential befindet, welches sowohl von dem Potential des zu messenden Stromes als auch vom Potential des repräsentierenden Stromes verschieden ist. Der Messkreis ist somit galvanisch getrennt. Es ist auch möglich, die Erfindung auf bereits in Anlagen eingebauten Stromwandlern anzuwenden. Der betreffende Stromwandler stellt dann den ersten Übertrager 1 dar. Dadurch wird ausser einer extrem verbesserten Messgenauigkeit die Uberstromzahl des Wandlers wesentlich erhöht0

Claims: Patent ansprüche: 1o Messanordnung für elektrische Ströme, dadurch gekenn zeichnet, dass sie aus zwei Übertragern (1;2) mit min destens ähnlichem Übertragungsverhalten besteht, de ren Sekundärwicklungen (3;4) gegeneinander arbeiten und deren eine Primärwicklung (5) von dem zu messen den Strom und deren andere Primärwicklung (6) von einem, den zu messenden Strom repräsentierenden Strom durchflossen ist, den ein von einer Differenzgrösse im Kreis der Sekundärwicklungen (3;4) gesteuerter aktiver Vierpol (7) treibt. 2. Messanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der aktive Vierpol (7) ein Differenz verstärker ist, der eingangsseitig an die Verbindungen der beiden Sekundärwicklungen (3;4) gelegt ist. oder 2, 3. Messanordnung nach Patentanspruch 1-r-dadúrch gekenn zeichnet, dass die Übertrager (1;2) jeweils eine wei tere Sekundärwicklung (9;10) aufweisen, die derart gegeneinander geschaltet sind, dass die einen Wick lungsenden galvanisch verbunden sind und die anderen Wicklungsenden an die Eingänge des aktiven Vierpols (7) gelegt sind, einem der bis 3, 4. Messanordnung nach Patentansprüche1(dadurch gekenn zeichnet, dass der vom zu messenden Strom durchflossene Übertrager (1) in Art eines Einleiterstromwandlers mit Ringkern ausgeführt ist. einem der bis 4, 5. Messanordnung nach #t en tanspr#che dadurch gekenn zeichnet, dass zur Gleichstrommessung beide übertrager (1;2) eine weitere Wicklung (11;12) aufweisen, die von einem Frequenzgenerator (13) gespeist sind. einem der bis 5, 6. Messanordnung nach Patentansprüche dadurch gekenn zeichnet, dass in Reihe mit der Primärwicklung (6) des vom repräsentierenden Strom durchflossenen über- tragers (2) ein Wechselstromindikator (8) und/oder eine Gleichrichterbrücke (14) mit Gleichstromindi kator (15) geschaltet ist. einem der bis 6, 7. Messanordnung nach Patentanspruche1#adurch gekenn zeichnet, dass der vom zu messenden Strom durch flossene übertrager (1) in Art eines Nullstrom wandlers ausgeführt ist, einem der bis 7, 8. Messanordnung nac# Patentansprüchessmäadurch gekenn zeichnet, dass ein weiterer, von dem aktiven Vier pol gespeister übertrager (17) vorgesehen ist, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit der Primär wicklung (6) des vom repräsentierenden Strom durch flossenen übertragers (2) liegt.

Inventors: BRENDLER, WERNER, PROF. DR., ERMISCH, JOCHEN, DR.-ING.
Applicants: INSTITUT "PRUFFELD FUR ELEKTRISCHE HOCHLEISTUNGSTECHNIK", VEB TRANSFORMATOREN- UND RONTGENWERK  "HERMANN MATERN"
Application year: 1980
Main classification: G01R17
IPC codes: G01R15, G01R17, G01R19, H01F38