AT501640A1

AT501640A1 - Stromerfassung mit oszillator

Info

Publication number: AT501640A1
Application number: AT4642005A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-10-15
Also published as: AT501640B1

Description

Stromerfassung mit Oszillator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Strömen bzw. Vorrichtungen zur Stromerfassung, bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitspunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird.
LC Oszillatoren dienen zum Erzeugen einer Sinusschwingung. Das Prinzip ist seit langem bekannt. Sie bestehen grob gesagt aus einem Verstärkervierpol und einem Rückkoppelvie[phi]ol. Durch richtige Dimensionierung kommt es zum Entstehen einer von der Resonanzfrequenz des LC Kreises, typischerweise als Parallelschwingkreis ausgeführt, abhängigen Schwingfrequenz.

Führt man nun auf der Schwingspule L eine weitere Wicklung ein - das kann auch nur das Durchstecken einer Leitung bei einer auf einem Ringkern gewickelten Spule sein - und schickt über diese Wicklung Strom, so verändert sich die Schwingfrequenz. Die Frequenz des Oszillators wird im Wesentlichen durch die wirksame Kapazität und die
verwendete Induktivität gemäss /( ) = I festgelegt. Man kann so recht einfach
2[pi] L(i) -C niederfrequente oder sogar Gleichströme erfassen, indem man die Frequenzveränderung analysiert. Der niederfrequente Strom verursacht eine Frequenzmodulation. Die Amplitude beeinflusst den auftretenden Frequenzhub. Die Auswertung kann durch eine Frequenzdemodulation mit einer PLL erfolgen.
Eine etwas andere Methode ist im folgenden geschildert.

Der Strom durch die Messwicklung verursacht ein Frequenzänderung des Oszillators. Über eine Hilfswicklung mit deutlich mehr Windungen als die Messwicklung, die ja auch nur aus der durchgesteckten Leitung mit dem zu messenden Strom bestehen kann, wird ein entsprechend kleinerer gegensinniger Strom in der Grösse eingespeist, dass die Frequenz gleich der ursprünglichen ohne Messstrom ist. Die Grösse dieses Kompensationsstroms ist proportional dem zu messenden Strom. Dazu ist als Referenzfrequenz die Oszillatorfrequenz, die ohne Stromfluss durch die Messwindung/en auftritt, zu verwenden.

Die Frequenzdifferenz zur Referenzfrequenz wird durch einen Phasendetektor erfasst, dessen Ausgangssignal wird einem Regler mit integrierendem Anteil zugeführt, dessen Ausgangssignal nach einer eventuellen Leistungsverstärkung in die Hilfswicklung gespeist wird.
P69/fh/12.3.2005/19.3.05 Um eine starke Abhängigkeit der Induktivität und daher der Frequenz vom Messstrom zu erzielen, kann man einen entsprechend geformten Luftspalt in den Magnetkreis einbauen. Die Kernmaterialien haben einen über den Querschnitt konstanten Luftspalt. Dadurch bleibt der Induktivitätswert unabhängig vom durchfliessenden Strom konstant (solange die Spule nicht in Sättigung kommt).

Macht man jedoch den Luftspalt nicht gleichmässig, sondern über den Querschnitt veränderlich, so wird bei kleinen Strömen der magnetische Fluss sich über dem Eisenkreis schliessen, ohne wesentlich über den Luftspaltbereich zu fliessen. Der AL-Wert des Kernmaterials ist daher hoch und der Induktivitätswert der Spule gross. Mit steigendem Strom wird der entstehende Fluss immer mehr auch über den Luftbereich fliessen, der Kernbereich in unmittelbarer Nähe dieses Luftbereichs wird sich zu sättigen beginnen und das vom magnetischen Fluss durchflossene Luftvolumen wird grösser. Mit der Vergrösserung des Luftspalts kommt es zu einer Verringerung des AL- Werts und damit zu einer Verringerung des Induktivitätswertes.

Durch die Veränderung der Luftspaltform erreicht man für kleine Ströme einen grösseren Induktivitätswert, der sich mit zunehmendem Strom verringert.
Der Luftspalt des Eisenkerns hat also keine konstante Luftspaltlänge. Das Kernmaterial wird im Bereich des Luftspalts in Form eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Pyramide,, eines Pyramidenstumpfs, beliebiger Bombierungen, mehrerer Kegel, mehrerer Kegelstümpfe, mehrerer Pyramiden, mehrerer Pyramidenstümpfe, schräg oder in Dachform ausgeführt. Das Kernmaterial kann dabei im Bereich des Luftspalts auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite ungleichmässig ausgeführt sein.
Die dargestellten Methoden sind sehr einfach und ermöglichen die Herstellung einfacher Stromsensoren für Regel- und Überwachungsaufgaben. Eine weitere interessante Möglichkeit ist der Einsatz in Energieversorgungsnetzen.

Dabei wird in gewohnter Weise mit einem Stromwandler die Trennung zum Netz durchgeführt, an der Sekundärseite des Stromwandlers wird die beschriebene Vorrichtung angeschaltet, d.h. der Sekundärkreis wird ein oder mehrmals durch den Magnetkreis, der die Oszillatorspule trägt, gesteckt.
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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung von Strömen dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz eines Oszillators durch den Strom verändert wird und die Frequenzänderung entsprechend ausgewertet wird.

2. Verfahren zur Bestimmung von Strömen mit einem LC-Oszillator dadurch gekennzeichnet, dass auf der Spule des Oszillators eine weitere magnetisch gekoppelte Wicklung angebracht oder eine Leitung durch den Magnetkern, auf dem die Oszillatorspule aufgebracht ist, ein oder mehrmals gesteckt wird und die Veränderung der Frequenz gemessen wird.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird.

4. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Magnetkern eine zweite Wicklung aufgebracht ist und durch diese ein dem Messstrom proportionaler Strom so eingeprägt wird, dass die Frequenz des Oszillators wieder dem ursprünglichen Wert ohne Messstrom entspricht.

5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt des Eisenkerns so ausgeformt wird, dass er keine konstante Luftspaltlänge hat.

5. Verfahren gemäss Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt des Eisenkerns keine konstante Luftspaltlänge hat.

6. Verfahren gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Kemmaterial im Bereich des Luftspalts in Form eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Pyramide, eines Pyramidenstumpfs, beliebiger Bombierungen, mehrerer Kegel, mehrerer Kegelstümpfe, mehrerer Pyramiden, mehrerer Pyramidenstümpfe, schräg oder in Dachform oder in Stufen ausgeformt wird, wobei das Kemmaterial im Bereich des Luftspalts auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite ungleichmässig ausgeführt ist.

6. Verfahren gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial im Bereich des Luftspalts in Form eines Kegels, eines Kegelstumpfs, einer Pyramide, eines Pyramidenstumpfs, beliebiger Bombierungen, mehrerer Kegel, mehrerer Kegelstümpfe, mehrerer Pyramiden, mehrerer Pyramidenstümpfe, schräg oder in Dachform oder in Stufen ausgeführt ist, wobei das Kernmaterial im Bereich des Luftspalts auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite ungleichmässig ausgeführt ist.

7. Vorrichtung zur Stromerfassung bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Spule als frequenzbestimmende Induktivität eines LC-Oszillators dient und die Frequenz des Oszillators gemessen wird.

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NACHGEREICHT

8. Vorrichtung gemäss Anspmch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird.

8. Vorrichtung gemäss Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillatorsignal einer Frequenzdemodulation zugeführt und das Demodulationssignal als Mass für den fliessenden Strom verwendet wird.

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9. Vorrichtung gemäss Anspmch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenzdemodulator eine PLL verwendet wird.

9. Vorrichtung gemäss Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als

Frequenzdemodulator eine PLL verwendet wird.

10. Vorrichtung zur Stromerfassung, bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer ersten Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzändemng des Oszillators, dessen Frequenz durch den Induktivitätswert der ersten Spule beeinflusst wird, gegenüber der Frequenz ohne Stromfluss (Referenzfrequenz) durch einen Phasendetektor mit nachgeschaltetem Regler (mit integrierenden Anteil) erfasst wird und dieses Reglersignal entsprechend dem Windungsverhältnis angepasst in eine weitere auf dem Magnetkreis aufgebrachte zweite Spule kompensierend eingespeist wird, sodass der Oszillator wieder auf der Referenzfrequenz schwingt,

das Reglersignal steht als Mass für den zu messenden Strom zur Verfügung.

10. Vorrichtung zur Stromerfassung, bestehend aus einem Magnetkreis mit stark arbeitpunktabhängigem Magnetmaterial, auf dem die Wicklung einer ersten Spule aufgebracht ist, wobei die Leitung, durch die der zu erfassende Strom fliesst, durch den Magnetkern ein- oder mehrmals gesteckt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzänderung des Oszillators, dessen Frequenz durch den Induktivitätswert der ersten Spule beeinflusst wird gegenüber der Frequenz ohne Stromfluss (Referenzfrequenz) durch einen Phasendetektor mit nachgeschaltetem Regler (mit integrierenden Anteil) erfasst wird und dieses Reglersignal entsprechend dem Windungsverhältnis angepasst in eine weitere auf dem Magnetkreis aufgebrachte zweite Spule kompensierend eingespeist wird, sodass der Oszillator wieder auf der Referenzfrequenz schwingt,

das Reglersignal steht als Mass für den zu messenden Strom zur Verfügung.

11. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensor für Regel- und Überwachungsaufgaben dient.

11. Vorrichtung gemäss Anspruch 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensoren für Regel- und Überwachungsaufgaben dient.

12. Vorrichtung gemäss Anspruch 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensor in Zusammenhang mit einem Stromwandler verwendet wird.

P69/h/12.3.2005/19.3.05

Patentansprüche

12. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stromsensor in Zusammenhang mit einem Stromwandler verwendet wird.

P69V/fh22.3.2006/19.3.05

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