CH660254A5

CH660254A5 - Stromwandler mit fehlerkompensation.

Info

Publication number: CH660254A5
Application number: CH396583A
Authority: CH
Inventors: Mathis Halder
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1983-07-20
Filing date: 1983-07-20
Publication date: 1987-03-31
Also published as: DE3410571C2; DE3410571A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromwandler mit einer Schaltung zur Fehlerkompensation gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Stromwandler sind bekannt aus der Doktor-Disserta-tion «Untersuchung des Fehler- und Stabilitätsverhaltens von elektronisch fehlerkompensierten Stromwandlern», Hans Bach-

mair, Technische Universität Carolo-Wilhelmina, Braunschweig. Zur Vermeidung eines Magnetisierungsstromes regeln die dort beschriebenen fehlerkompensierten Stromwandler die induzierte Spannung auf Null, entweder indem sie diese induzierte Spannung mittels einer zweiten Sekundärwicklung (siehe Fig. 3) oder gar eines zweiten Stromwandlers (siehe Fig. 1) messen, oder indem sie mittels zweier einpolig an Masse liegender Widerstände den Primär- und den Sekundärstrom des Stromwandlers und damit auch deren Differenz ermitteln (siehe Fig. 10), die bekanntlich dem Magnetisierungsstrom entspricht. Die letzte Methode hat den Nachteil, dass die Primär- und die Sekundärwicklung des Stromwandlers nicht mehr galvanisch voneinander getrennt sind.

Zusätzlich ist aus der DE-OS 27 30 874 ein Strommesssystem mit einem Fehlerstrom-Detektionssystem bekannt, bei welchem die Sekundärwicklung eines Stromwandlers und drei Widerstände die Seitenzweige einer Brückenschaltung bilden, wobei deren erster Diagonalzweig mit einem Differentialeingang eines Verstärkers verbunden ist, während der Ausgang des Verstärkers den anderen Diagonalzweig speist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fehlerkompensierten Stromwandler mit unkritischer Stabilisierung zu realisieren, der keinen zweiten Stromwandler bzw. keine zweite Sekundärwicklung benötigt und dessen Primär- und Sekundärwicklung galvanisch voneinander getrennt sind. Ausserdem soll bei Bedarf der fehlerkompensierte Stromwandler auch mit nichtkonstantem Lastwiderstand einwandfrei arbeiten. Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines fehlerkompensierten Stromwandlers ohne Darstellung eines vorhandenen Lastwiderstandes,

Fig. 2 ein Schaltbild eines fehlerkompensierten Stromwandlers mit nichtkonstantem Lastwiderstand,

Fig. 3 ein T-förmiges Ersatzschaltbild eines Strom Wandlers ohne Fehlerkompensation und

Fig. 4 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Stromwandlers ohne Fehlerkompensation.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

In der Fig. 1 besitzt ein Stromwandler la; lb eine Primärwicklung la und eine Sekundärwicklung lb. Die letztere und drei Widerstände RI, R2 und R3 bilden die vier Seitenzweige einer abgeglichenen Wheatstone-Messbrücke, nachfolgend nur mehr kurz Messbrücke genannt, deren vier Ecken in der Darstellung der Zeichnung von oben beginnend im Gegenuhrzeigersinn mit den Buchstaben A,B,C und D bezeichnet sind.

Die Sekundärwicklung lb liegt dabei zwischen den Ecken A und B, der erste Widerstand Rl zwischen den Ecken A und D, der zweite Widerstand R2 zwischen den Ecken D und C und der dritte Widerstand R3 zwischen den Ecken C und B. Die Strecke BD stellt einen ersten und die Strecke AC einen zweiten Diagonalzweig der Messbrücke ABCD dar. Der erste Diagonalzweig BD ist mit einem Differenzeingang eines Verstärkers 2 verbunden und der zweite Diagonalzweig AC wird vom Ausgang des Verstärkers 2 gespeist. Da das Bezugspotential des Ausganges des Verstärkers 2 Masse ist, besitzt der Verstärkerausgang nur einen Pol und die Ecke C der Messbrücke ABCD ist direkt an Masse gelegt. Die Verbindung eines der beiden Pole des ersten Diagonalzweiges BD, nämlich der Ecke B, mit dem Differenzeingang des Verstärkers 2 erfolgt über ein Hochpassfilter 3, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingangspol des Differenzeinganges des Verstärkers 2 verbunden ist. Eingang und Ausgang des Hochpassfilters 3 haben einen gemeinsamen zweiten Pol als Potentialbezugspunkt. In der Fig. 1 ist die Masse das Bezugspotential des Hochpassfilters 3. Das Hochpassfil-

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ter 3 besteht in einer bevorzugten Ausführung aus einem an sich bekannten RC-Filter, gebildet aus einem einzigen Widerstand im Querzweig und einem einzigen Kondensator im Längszweig.

Zur Kompensation der Streuinduktivität Ls der Sekundärwicklung lb ist entweder ein erster Kondensator Cl der Sekundärwicklung lb oder ein zweiter Kondensator C2 demjenigen Widerstand R2 parallelgeschaltet, der in der Messbrücke ABCD der Sekundärwicklung lb diametral gegenüberliegend angeordnet ist. Beide Kondensatoren Cl und C2 besitzen einen gleichen Impedanzwert der im Absolutwert gleich dem Impedanzwert der sekundären Streuinduktivität Ls ist. Eine erste Gleichspannungsquelle 4 speist den Verstärker 2 mit einer positiven und eine zweite Gleichspannungsquelle 5 den Verstärker 2 mit einer negativen Speisespannung.

Die Schaltung der Fig. 2 ist annähernd gleich aufgebaut wie die Schaltung der Fig. 1, nur dass hier die Speisung des zweiten Diagonalzweiges AC der Messbrücke ABCD durch den Ausgang des Verstärkers 2 über einen Lastwiderstand Rl des Stromwandlers la; lb erfolgt, wobei ein Pol des Lastwiderstandes Rl am Bezugspotential des Verstärkers 2, d.h. an Masse liegt. Der andere Pol des Lastwiderstandes Rl ist mit dem Potentialbezugspunkt des Hochpassfilters 3 und mit dem Eingang eines Spannungsfolgers 6 verbunden. Der Spannungsfolger 6 ist in der Messbrücke ABCD in Reihe geschaltet mit dem zweiten Widerstand R2, der in der Messbrücke diametral gegenüberliegend zur Sekundärwicklung lb angeordnet ist, bzw. in Reihe geschaltet mit der Parallelschaltung bestehend aus diesem zweiten Widerstand R2 und dem zweiten Kondensator C2.

In der Fig. 3 ist die Hauptinduktivität Lm des Stromwandlers la; lb im Querzweig des T-förmigen Ersatzschaltbildes angeordnet. Eine Reihenschaltung bestehend aus dem Wirkwiderstand Rp und der Streuinduktivität Lp der Primärwicklung la des Stromwandlers la; lb befindet sich in der Darstellung der Fig. 3 links vom Querzweig im Längszweig des T-förmigen Ersatzschaltbildes, während eine Reihenschaltung des Wirkwiderstandes Rs mit der Streuinduktivität Ls der Sekundärwicklung lb rechts vom Querzweig im Längszweig angeordnet ist. Die Wirkwiderstände Rp und Rs stellen bekanntlich die Kupferwiderstände der betreffenden Wicklungen dar. MN ist der primäre Eingang und AB der sekundäre Ausgang des Stromwandlers la; lb.

Die Fig. 4 entspricht der Fig. 3, nur dass hier der Eingang MN, der Wirk widerstand Rp und die Streuinduktivität Lp des Stromwandlers la; lb durch eine gleichwertige Stromquelle 7 ersetzt wurde, die somit parallel zur Hauptinduktivität Lm geschaltet ist. In den beiden Figuren 3 und 4 wurden aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit die Eisenverlust-Widerstände nicht dargestellt.

Der Stromwandler la; lb ist fehlerkompensiert, wenn der Magnetisierungsstrom im in der Hauptinduktivität Lm Null ist (siehe Fig. 3), d.h. wenn die Spannung um über der Hauptinduktivität Lm ebenfalls Null ist.

Der Verstärker 2 in den Figuren 1 und 2 regelt die Spannung über dem ersten Diagonalzweig BD auf Null. In diesem Fall ist bekanntlich in einer Wheatstone-Messbrücke folgende Gleichung erfüllt:

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Zab-Zdc = R1-R3 (1)

Zab ist die Impedanz des Seitenzweiges AB und Zoe diejenige des Seitenzweiges DC. Nur einer der beiden Kondensatoren ist in der Regel vorhanden und beeinflusst das Produkt Zab'Zdc dergestalt, dass die in Zab enthaltene Streuinduktivität Ls der Sekundärwicklung lb mittels eines Resonanzkreiseffektes kompensiert wird. Die Werte des Kondensators Cl bzw. C2 und der Streuinduktivität Ls verschwinden somit aus dem Produkt Zab'Zdc. und die Gleichung (1) reduziert sich zu:

(Rs + um/is)-R2 = R1-R3,

wobei is den Strom in der Sekundärwicklung lb des Stromwandlers la; lb darstellt.

Es gilt somit: Rs + um/is = (Rl-R3)/R2 (2)

Erfolgte der Abgleich der Messbrücke ABCD unter der Annahme, dass der Wirkwiderstand der Sekundärwicklung lb ausschliesslich aus ihrem Kupferwiderstand Rs besteht, ihre Streuinduktivität Ls also durch den Kondensator Cl kompensiert ist, so wurden die drei Widerstände RI, R2 und R3 so gewählt,

dass folgende Gleichung gilt:

Rs = (Rl-R3)/R2 (3)

Ein Vergleich der beiden Gleichungen (2) und (3) zeigt, dass diese beiden Gleichungen nur gleichzeitig erfüllt sind, wenn um/is = 0. Dies ist nur den Fall, wenn um = 0, da is verschieden und unendlich ist. Der Stromwandler la; lb ist dann fehlerkompensiert.

Da die Messbrücke ABCD nicht für Gleichstrom abgeglichen werden kann, weil ja in diesem Fall ZAb = 0, wird jede Gleichspannung vom Differenzeingang des Verstärkers 2 ferngehalten durch die Verwendung des Hochpassfilters 3. Da der Eingangswiderstand des Hochpassfilters 3 dem dritten Widerstand R3 parallelgeschaltet ist, muss dieser Eingangswiderstand beim Abgleichen der Messbrücke ABCD natürlich mitberücksichtigt und der dritte Widerstand R3 dementsprechend korrigiert gewählt werden.

Normalerweise ist der Lastwiderstand RL des Stromwandlers la; lb in Reihe geschaltet mit der Sekundärwicklung lb bzw. mit der Parallelschaltung bestehend aus dieser Sekundärwicklung lb und dem ersten Kondensator Cl. Da in diesem Fall der Lastwiderstand Rl den Abgleich der Messbrücke ABCD beeinflusst und die Widerstände RI, R2 und R3 konstante Werte besitzen, ist dies nur möglich, wenn der Lastwiderstand Rl konstant ist.

Bei nichtkonstantem Lastwiderstand Rl dagegen muss die Schaltung nach Fig. 2 verwendet werden, in der der Lastwiderstand Rl keinen Einfluss mehr auf den Abgleich der Messbrücke ABCD hat und somit unabhängig von den konstanten Widerständen RI, R2 und R3 ist. In diesem Fall wird jedoch der Spannungsfolger 6 benötigt, damit der Strom im Lastwiderstand Rl gleich gross ist wie der Strom i5 in der Sekundärwicklung lb.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Stromwandler mit einer Schaltung zur Fehlerkompensation, die einen Verstärker mit Differenzeingang und Widerstände enthält, und einem Lastwiderstand, wobei die Sekundärwicklung des Stromwandlers und drei Widerstände die vier Seitenzweige einer Messbrücke bilden, deren erster Diagonalzweig mit dem Differenzeingang des Verstärkers verbunden ist und deren zweiter Diagonalzweig vom Ausgang des Verstärkers gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eines der beiden Pole des ersten Diagonalzweiges (BD) mit dem Differenzeingang des Verstärkers (2) über ein Hochpassfilter (3) geführt ist und die Messbrücke eine abgeglichene Wheatstone-Messbrücke (ABCD) ist.

2. Stromwandler nach Anspruch 1 mit einem der Sekundärwicklung parallelgeschalteten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuinduktivität (Ls) der Sekundärwicklung (lb) kompensiert ist durch den Kondensator (Cl), dessen Impedanzwert im Absolutwert gleich dem Impedanzwert der Streuinduktivität (Ls) der Sekundärwicklung (lb) ist, und dass beim Abgleich der Wheatstone-Messbrücke (ABCD) von der Sekundärwicklung (lb) ausschliesslich der Kupferwiderstand (Rs) berücksichtigt worden ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuinduktivität (Ls) der Sekundärwicklung (lb) kompensiert ist durch einen Kondensator (C2), der demjenigen Widerstand (R2) von den drei Widerständen (Rl, R2, R3) parallelgeschaltet ist, der der Sekundärwicklung (lb) in der Wheatstone-Messbrücke (ABCD) diametral gegenüberliegend angeordnet ist und dessen Impedanzwert im Absolutwert gleich dem Impedanzwert der Streuinduktivität (Ls) der Sekundärwicklung (lb) ist, und dass beim Abgleich der Wheatstone-Messbrücke (ABCD) von der Sekundärwicklung (lb) ausschliesslich der Kupferwiderstand (Rs) berücksichtigt worden ist.

4. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sein Lastwiderstand (Rl) konstant ist und in Reihe geschaltet ist zu seiner Sekundärwicklung (lb) bzw. in Reihe geschaltet ist zur Parallelschaltung bestehend aus seiner Sekundärwicklung (lb) und dem parallelgeschalteten Kondensator (Cl).

5. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung des zweiten Diagonalzweiges (AC) der Wheatstone-Messbrücke (ABCD) durch den Ausgang des Verstärkers (2) über den Lastwiderstand (Rl) des Stromwandlers (la; lb) erfolgt, dass ein Pol dieses Lastwiderstandes (Rl) am Bezugspotential des Verstärkers (2) liegt und dass der andere Pol des Lastwiderstandes (Rl) mit dem Potentialbezugspunkt des Hochpassfilters (3) und mit dem Eingang eines Spannungsfolgers (6) verbunden ist, wobei der Span-nungsfolger (6) in der Wheatstone-Messbrücke (ABCD) in Reihe geschaltet ist mit demjenigen Widerstand (R2) von den drei Widerständen (Rl, R2, R3), der in der Wheatstone-Messbrücke (ABCD) diametral gegenüberliegend zur Sekundärwicklung (lb) angeordnet ist, bzw. in Reihe geschaltet ist zu dessen Parallelschaltung mit einem Kondensator (C2).

6. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpassfilter (3) ein RC-Filter ist, bestehend aus einem einzigen Widerstand und einem einzigen Kondensator.