AT525846A2 - Messen von Stromstärken von stromdurchflossenen Leitern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Stromstärken von stromdurchflossenen Leitern. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärken von benachbarten Stromleitern auch ohne magnetische Schirmung bestimmt werden können, da der Einfluss jedes Stromleiters auf die Magnetfelder an den Sensoren durch mathematische Verfahren herausgerechnet werden kann.

Description

15

20

25

30

Messen von Stromstärken von stromdurchflossenen Leitern

Präzise Gleichstrom- (DC) und Wechselstrom- (AC) Strommessung ist in einer Vielzahl von elektrischen Anwendungen erforderlich, Stromsensoren spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von Stromversorgungssystemen, zu denen Motorantriebe oder Stramrichter gehören. Andere Anwendungen mit einem großen dynamischen Bereich und einem Bedarf an Hochfrequenzreaktionen, wie z, B. Smart Grid oder Batterieüberwachung, erfordern verbesserte Sensortechnologien. Andere Anwendungen sind beispielsweise die Überwachung von Photovoltaikanlagen beziehungsweise Mittelspannungsanlagen, Um den anwendungsspezifischen Anforderungen gerecht zu werden, wurden verschiedene Messmethoden entwickelt, wobei die wichtigsten Parameter Kosten, Präzision, Isolierung,

Bandbreite, Messbereich und Größe sind.

Strommessverfahren können in isolierte und nicht isolierte Messprinzipien unterteilt werden, Bei der nicht isolierten Strommessung wird ein Spannungsabfall über einem Widerstandselement im Stromkreis überwacht, Isolierte Stromsensoren hingegen messen die magnetische Felddichte, die um einen stromdurchfloössenen Leiter erzeugt Wird. Zu den heute: kommerziell weit verbreiteten Stromsensormethoden gehören niederohmige Nebenschlusswiderstände, Stromwandler, Rogowski-Spulen, Hall- und magnetoresistive

Sensoren, Die magnetoresistiven Sensoren können monolithisch hergestellt sein,

Alle diese Sensorsysteme zur Strommessung haben gemeinsam, dass jeweils der Strom eines Leiters bestimmt. wird. Befinden sich in dem System mehrere Leiter, müssen die Magnetfelder der benachbarten Leiter geschirmt werden, beziehungsweise ein Äystem konstruiert werden, sodass diese Magnetfelder den zu bestimmenden Strom möglichst gering beeinflussen, Dies wird üblicherweise durch weichmagnetische Ringe realisiert, die jeweils über einen Leiter platziert werden. Hat man also Z£ Leiter müssen L weichmagnetische Ringe verbaut werden, Dies ist nicht nur aufwendig bezüglich der verbauten. Elemente, sondern erfordert auch einen beträchtlichen Aufwand bei der

Installation.

Verschiedene Systeme wurden vorgeschlagen um mittels Hall Sensoren den Strom von Leitern zu. bestimmen wie in USS493211A und US 20050156587A1. Diese Systeme bieten den Nachteil, dass diese Systeme durch magnetische Gradientenfelder (räumlich

veränderbare Felder) gestört werden und somit zu ungenauen Messungen führen. Diese

Leitern herrühren.

Die Erfindung hat die Aufgabe dieses Problem zu lösen, indem keine Schirmung beziehungsweise Flusskonzentration benötigt wird um den Einfluss der benächbarten Leiter 5 zu minimieren. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik wird durch das beschriebene

Verfahren der Einfluss aller Leiter auf jedes zu messende Magnetfeld berücksichtigt,

Um das Prinzip zu beschreiben wird im Folgenden eine Ausprägung im Detail beschrieben. In der folgenden Ausprägung nehmen wir / gerade stromdurchflossene Leiter an, in denen die Ströme A, ... , A. fließen, Um die Ausrichtung der Leiter zu definieren; führen wir den 10 Stromvektor I, = 7.4, ein, wobei.der Vektor t, parallel zum Stromleiter 7 ist. Bei gegebener Geometrie, das heißt bei bekannter Positionen der Leiter ra... Fo, (Siehe Abb, 2), wobei diese Vektoren die Positionen der Leiter bei z = 0 beschreiben, können an den Af Positionen der

Magnetfeldsensoren A, ... , em die Magnetfelder Bi, ... , Bm bestimmt werden.

B = Ayb tAyl t..A ZT,

15 N (11) Bu =A

MO Ayıylı + Ausl, AA I, wobei die Vorfaktoren A, (= of ) 3x3 Matrizen sind. Diese hängen lediglich von der

Position des Leiters Fr. und der Position des Sensors re ab und können gemäß dem Biot-

Savart-Gesetz bestimmt werden, Führen wir die folgenden Vektoren ein:

BB, ; ( %

B, | I

20 B SS 1 == T (BB. 1

werden die Magnetfelder an den M Positionen bestimmt. durch

B= AI

25 wobei

Ayı ,

ist. Wenn die Anzahl der Sensoren M gleich der Anzahl der Leiter £ ist, können

umgekehrte bei bekannten. (zB. gemessenen) Magnetfeldern die Stromvektoren durch

1= AB

bestimmt werden, wobei 47' die Inverse Mairix A ist. Wenn die Anzahl der Sensoren M größer der Anzahl der Leiter Z ist handelt es sich um ein überbestimmtes Cleichungssystem.

10 Die Lösung kann durch ein. Minimierungsproblem gelöst werden zu, 1=(A’A) AB (1.2)

Dieses Minimierungsproblem kann auch alternativ formuliert werden, indem die Differenz 15 des erwarteten Feldes BYneorie(Z) gemäß Gleichung (1.1) und des gemessenen Maghnetfeldes Bitessung bestimmt wird, dd } Bineone(£) = Bitessune

Die unbekannten Stromwerte / werden bestimmt indem eine mathematische Norm

20 (Abstand d) zwischen diesen beiden Felder bestimmt wird. AT ; | d{(1) = | Baconen (1 } Bee > {1 3) wobei M die Anzahl der Magnetfeldsensoren an den Orten vi ist, In die Abstandfunktion d

können noch weitere unbekannte Größen implementiert werden, wie beispielsweise die

Positionen der Leiter,

25

Fr

VON

In diesem Fall ist die Abstandsfunktion gegeben durch

M dd (L Xyeiter ) = Zz (Bayeorien ( Deeiter ) a Btessung | 3 (1 A

Weiters können noch andere Unbekannte in die Abstandsfunktion hinzugefügt werden, wie 5 beispielsweise Sensorsensitivität in die x,y und z Richtung, Solange die Anzahl gemessener Feldwerte der Sensoren. größer als die Anzahl der Unbekannten ist, kann das System

eindeutig gelöst werden.

Piese Minimierung der Abstandsfunktion d kann analytisch wie durch Gleichung (1.2) oder numerisch gelöst werden. Wenn die Mininyierung. numerisch durchgeführt wird, können 10 verschiedene Minimierungsroutinen wie Nelder-Mead, Powell Minimierung, konjugierte Gradienten oder BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) Minimierung verwendet werden, Auch globale Minimierungsmeihoden wie, „Basinhopping“, Evolutionäre

Algorithmen, oder „Simulated Annealing“ können hier zum Einsatz kommen.

Darüber hinaus können “Machine Learning“ Methoden verwendet werden, um für mehrere 15 Messwerte Byiesung die Stromstärke I und oder die Ausrichtung im Raum PLeiter vorherzusagen. Dazu wird für verschiedene bekannte Ausrichtungen im Raum Fueiter und oder Stromstärken das Magnetfeld an den Sensorpositionen ausgewertet. Diese Auswertung kann entweder durch Simulationen oder Messungen des tealen Systems erfolgen oder beide Ansätze in einer “Machine Learning“ Methode kombiniert werden, wie z.B. Data Fusion 20 „Machine Leaming“. Für die bekannten Felder Biyneoriei wird die „Machine Learning“ Methode mit den ebenfalls bekannten Ausrichtungen im Raum yızagset trainiert, Dadurch ist. das maschinell gelernte System in der Lage, für das gemessene Feld Biessung die

Ausrichtung des Leiters Pmagsct VOrherzusagen,

Es können verschiedene „Machine Learning“ Methoden verwendet werden, wie „Gradient 25 Boost“, neuronale Netze, oder andere Methoden für Regressions- und

Klassifikationsprobleme.

5 mininuert wird,

Diese Methode kann auch verwendet werden, wenn die Sensorplatine, weiters als printed circuit board PCB (20) bezeichnet, von beispielsweise einer weichmagnetischen Abschirmung (40) umgeben ist. Hier wird das gesamte Magnetfeld von Stromleitern (30) sowie weichmagnetischer Abschirmung (40) simuliert, Diese weichmagnetische 10 Abschirmung kann als Ummantelung ausgebildet. sein oder in jeglicher anderen

geometrischen Form,

Da die Lösung der Gleichung (1.4) beliebige Sensarsignale enthalten kann, können

S verschiedene Sensoren in dem System verwendet werden, So kann es vorteilhaft für einige Sensoren magnetoresistive Sensoren zu verwenden und für andere Sensoren Hall Sensoren. 15 In anderen Ausgestaltungen werden an mindestens einer Sensorposition 3D Sensoren verwendet, die in 3 Achsen das Magnetfeld messen können und an anderen Sensorpositionen

1D Sensoren,

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, Dabei zeigt, bzw. zeigen, ganz schematisch: 20 Abb. TI eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Stromstärken

Abb. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Stromstärken mit einem Gelenk

Abb. 3 Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Positionen der Sensoren und Leiter

25 Abb. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung: von Stromstärken mit einer weichmagnetischen Abschirmung

In Abb. 1 ist eine Ausprägung der Erfindung dargestellt. Die Stromstärken in den 30 elektrischen Leitern (30) sollen bestimmt. werden. Hierzu werden mittels Magnetfeldsensaren (10) die Magnetfelder bestimmt, die durch die elektrischen Leiter (30) verursacht werden. Diese Magnetfeldsensoren können beispielsweise an einem PCB (20)

aufgebracht werden. Jeder Leiter verursacht ein Magnetfeld an. den Magnetfeldsensoren (10).

15

20

25

30

Diese Magnetfelder werden durch die oben beschriebene Methode zurückgerechnet, Als Magnetfeldsensor können Standardsensoren. wie beispielsweise Hall-, Fluxgate-, AMR-, GMR- oder TMR Sensoren verwendet werden. Für TMR Sensoren sine magnetische Sensoren besonders gut geeignet, die eine kleine Hysterese haben und einen großen linearen Bereich, Hier sind beispielsweise Sensoren besonders gut geeignet die einen. Vortex zustand in der freien Schicht aufweisen, also eine magnetische Konfiguration, wo der magnetische

Fluss geschlossen ist, wenn kein Magnetfeld angelegt ist.

In Abb. 2 ist eine andere Ausprägung der Erfindung dargestellt, wobei ein Gelenk (35)

angebracht ist, sodass der Stromsensor nachträglich einfach angebracht werden kann.

In Abb. 3 ist eine Detailansicht der Erfindung gezeigt, wo eine Haltevorrichtung (22) realisiert ist, durch welche eine genaue Positionierung der Leiter (30) realisiert werden kann,

Diese Halterung besteht aus Einkerbungen, in die der Leiter positioniert wird,

Die Position des Leiters Nummer 1 ist mit A bezeichnet und die Position des Sensors ] mit

Fsi.

Abb, 4 zeigt eine weitere Ausprägung der Erfindung, wobei eine weichmagnetische Abschirmung (40) angebracht ist. Diese Abschirmung reduziert magnetische Einflüsse die von anderen elektrischen Leitern verursacht wird. Weiters werden die Leiter 30 durch Löcher in die magnetische Schirmung in das Strommessgerät eingeführt, Die magnetische Schinmung wird hier als geschlossene Umhüllung ausgeführt, die lediglich durch die Löcher unterbrochen wird, sodass die Leiter (30) eingeführt. werden. können. Somit werden die Beiträge der Magnetfelder die durch Ströme in den Leiter (30) außerhalb der magnetischen Schirmungen erzeugt werden abgeschirmt. Für die Rückrechnung der elektrischen Ströme können numerische Methoden verwendet werden, um die Magnetfelder an. den Positionen der Sensoren zu bestimmen, die durch die elektrischen Leiter (30) verursacht werden, Um die nicht Hnearen Einflüsse der magnetischen. Schirmung (40) zu. berücksichtigen, können numerische Methoden, wie die Methode der finiten Elemente verwendet werden. Mit den berechneten. Magnetfeldern kann. wieder das Verfahren gemäß Gleichung (1.4) verwendet

werden.

Es sind auch unterschiedliche Kombinationen der gezeigten und beschriebenen Elemente möglich und es können in Zukunft selbstverständlich auch neue Materialien, die die angeführten Eigenschaften. besitzen, verwendet werden, auch wenn unter Umständen deren

Benennung nicht mit der derzeit üblichen übereinstimmt. Der Grund für diese explizite

befinden und daraus keine Einschränkung des Schutzes abgeleitet werden soll.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung der Stromstärke Fin mindestens einem Stromleiter, dadurch 5 gekennzeichnet, dass zumindest zwei Magnetfeldsensoren (10) in der Umgebung der Stromleiter (30) angebracht sind, sodass die Stromstärken £ und oder die Position der Stromleiter Peier bestimmt wird, indem. das erwartete Magnetfeld Bracoric(Z, Fiswe) An den Orten der Sensoren berechnet wird und die Differenz ALrieiier) = BrucorieZ, Freier) — Biesiumg des theoretischen Feldes Brnevrie(Z, Fieiter) Und des gemessenen Feldes Bitessung 10 bestimmt wird und die Stromstärke Z und oder die Position feier der Stromleiter derart bestimmt, dass eine mathematische Norm des Vektors d minimiert wird und somit die

Stromstärke Fund oder die Position Fieer der Stromleiter bestimmt werden kann,

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nur die Stromstärken I aber nicht die Positionen

FLeiter bestimmt werden.

15

3. Verfahren gemäß Anspruch 1. wobei außerhalb der Magnetfeldsensoren eine

weichmagnetische Schirmung (40) angebracht. ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das theoretische Feld mit einem Faktor & skaliert

wird, und dieser Faktor in der Minimierung des Abstandes d mitbestimmt wird,

5, Verfahren gemäß Anspruch 1. wobei zumindest ein Stromleiter eine antiparallele

20 Stromrtichtung bezüglich einen.der anderen Leiter aufweist.

6. Verfahren gemäß Anspruch L, wobei Magnetfeldsensoren an zwei gegenüberliegenden

Seiten bezüglich der Stromleiter angebracht sind

7, Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Magnetfeldsensoren an zwei gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Stromleiter angebracht sind und die Magnetfeldsensoren an diesen 25 gegenüberliegenden Seiten an zwei Körper angebracht sind, die mittels eines Gelenkes

verbunden sind.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Stromstärke I in mindestens zwei Stromleiter, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Leiter zumindest ein Magnetfeldsensor (10) auf

der Unterseite des Leiters angebracht ist und mindestens ein Magnetfeldsensor (10) auf

10

der Oberseite des Leiters angebracht ist und dass die Vorrichtung bis auf monolithisch hergestellte Magnetfeldsensoren aus nicht ferromagnetischem Material besteht, Vorrichtung gemäß Anspruch $S, wobei mindestes ein Magnetfeldsensor ein 3D Sensor

ist, der in drei orthogonale Richtungen das Magnetfeld bestimmt und mindestens ein

Magnetfeldsensor ein 1D Sensor ist, der in eine Richtung das Magnetfeld bestimmt.

Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei mindestes ein Magnetfeldsensor ein Hall

Sensor ist und mindestens ein anderer Sensor ein magnetoresistiver Sensor ist,

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei mindestes ein Magnetfeldsensor ein

magnetoresistiver Sensor ist, wo die freie Schicht einen Vortexzuständ aufweist,