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DE3705450A1 - Current transformer for measuring rectangular waveform currents using the compensation principle - Google Patents

Current transformer for measuring rectangular waveform currents using the compensation principle

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DE3705450A1
DE3705450A1 DE19873705450 DE3705450A DE3705450A1 DE 3705450 A1 DE3705450 A1 DE 3705450A1 DE 19873705450 DE19873705450 DE 19873705450 DE 3705450 A DE3705450 A DE 3705450A DE 3705450 A1 DE3705450 A1 DE 3705450A1
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current transformer
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magnetic
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DE19873705450
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Friedrich Dipl Ing Lenhard
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Abstract

A current transformer having a magnet core (1) and compensation winding (3) has, at one point on the circumference of the magnet core (1), a point of reduced cross-section as well as a low-impedance control amplifier (8) in the circuit of the compensation winding (3). In consequence, a current is illustrated in a measurement winding (2) at low frequencies, in accordance with the commutator effect of the magnet core (1) (Figure 1). Compensation principle and illustrated at high frequencies by the transformer effect of the magnet core (1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromwandler zur Messung von Rechteckströmen mit Gleichstromanteil, mit einem Magnet­ kern, der mit einer Meßwicklung und einer Kompensations­ wicklung versehen ist, bei dem die Kompensationswicklung an den Ausgang einer Steuerungseinheit angeschlossen ist, deren Eingang mit einem im Magnetfeld des Magnetkerns an­ geordneten Magnetfelddetektor so verbunden ist, daß der Ausgangsstrom der Steuerungseinheit so verändert wird, daß der Magnetfelddetektor den Magnetflußwert auf Null regelt.The invention relates to a current transformer for measuring Rectangular currents with a DC component, with a magnet core, the one with a measuring winding and a compensation winding is provided, in which the compensation winding is connected to the output of a control unit, whose input with one in the magnetic field of the magnetic core ordered magnetic field detector is connected so that the Output current of the control unit is changed so that the magnetic field detector regulates the magnetic flux value to zero.

Ein derartiger Stromwandler ist beispielsweise in der DE-OS 26 01 252 beschrieben. Er dient hier zur Messung von Gleichströmen mit galvanischer Trennung des Meßstromkrei­ ses vom zu messenden Stromkreis. In dem Luftspalt eines Magnetkerns befindet sich ein Hallgenerator, der den Ma­ gnetfluß mißt und den Strom in einer Kompensationswicklung so einstellt, daß dessen Magnetwirkung diejenige des Meß­ stromes kompensiert.Such a current transformer is for example in the DE-OS 26 01 252 described. It is used here to measure DC currents with electrical isolation of the measuring circuit from the circuit to be measured. In the air gap one Magnetic core is a Hall generator, the Ma gnetfluss measures and the current in a compensation winding so that its magnetic effect is that of the measurement current compensated.

Mit dieser Meßeinrichtung lassen sich Gleichströme und - abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit der verwendeten Steuerungseinheit - niederfrequente Wechselströme mit Gleichstromanteil messen.With this measuring device, direct currents and - depending on the reaction speed of the control unit used - low-frequency alternating currents with a direct current component can be measured.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ei­ nen Stromwandler anzugeben, bei dem der Kompensationsstrom unabhängig vom Gleichstromanteil auch bei sehr hohen Fre­ quenzen dem zu messenden Strom entspricht. The object of the present invention is to egg to specify a current transformer in which the compensation current regardless of the DC component even with very high fre sequences corresponds to the current to be measured.  

Das Neue besteht erfindungsgemäß darin, daß als Steuer­ ungseinheit ein Regelverstärker mit niedrigem elektrischen Widerstand im Ausgangskreis dient, daß der Magnetkern in sich geschlossen, aber an einer Umfangsstelle im wirksamen Querschnitt vermindert ist und daß sich der Magnetfeldde­ tektor in der Nähe der mit vermindertem Querschnitt verse­ henen Stelle des Magnetkerns befindet.The novelty according to the invention is that as a tax a control amplifier with low electrical Resistance in the output circuit serves that the magnetic core in closed, but effective at a peripheral point Cross-section is reduced and that the magnetic field tector near the verses with reduced cross-section that point of the magnetic core.

Außerdem weist der erfindungsgemäße Stromwandler den Vor­ teil auf, daß nur eine geringe Beeinflussung der Meßein­ richtung durch Fremdfelder möglich ist. Diese Verminderung von Einflüssen durch Fremdfelder ergibt sich - wie später noch näher erläutert wird - hauptsächlich dadurch, daß in dem Magnetkern kein durchgehender Luftspalt vorhanden ist, sondern daß dessen magnetisch wirksamer Querschnitt ledig­ lich an einer Stelle des Umfangs vermindert ist.In addition, the current transformer according to the invention has the front share that only a slight influence on the measurement direction through foreign fields is possible. This diminution influences from external fields arise - as later is explained in more detail - mainly by the fact that in there is no continuous air gap in the magnetic core, but that its magnetically effective cross section is single Lich is reduced at one point on the circumference.

Die in den einzelnen Umfangsteilen des Magnetkerns wirken­ den Fremdfelder teilen sich somit weitgehend gleichmäßig auf die Umfangshälften auf, so daß ihre Wirkung auf die Kompensationsspule nur gering sein kann.The act in the individual peripheral parts of the magnetic core the foreign fields thus share largely evenly on the circumferential halves so that their effect on the Compensation coil can only be low.

Zur Messung von Wechselströmen ist außerdem in der US-PS 32 19 930 ein Stromsensor beschrieben, bei dem ein Hallgenerator in einem teilgeschlitzten magnetischen Kern angeordnet ist. Hierbei dient die Ausgangsspannung des Hallgenerators als Meßspannung für den Strom. Besonders hohe Frequenzen oder Gleichströme lassen sich mit dieser Anordnung jedoch nicht erfassen. Außerdem wird kein Abbild des Primärstromes nach dem Kompensationsprinzip erzeugt.For measuring alternating currents is also in the US-PS 32 19 930 described a current sensor in which a Hall generator in a partially slotted magnetic core is arranged. The output voltage of Hall generator as measuring voltage for the current. Especially High frequencies or direct currents can be used with this However, do not record the arrangement. In addition, there is no image of the primary current is generated according to the compensation principle.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind an Hand der Figuren nachstehend näher beschrieben. Embodiments of the present invention are known Hand of the figures described below.  

In Fig. 1 ist ein Magnetkern 1 mit einer Meßwicklung 2 für den zu messenden Strom und einer Kompensationswicklung 3 dargestellt. An einer Stelle des Umfangs besitzt der Ma­ gnetkern 1 eine Aussparung 4, in der ein Magnetfelddetek­ tor 5 - hier ein Hallgenerator - angeordnet ist. Durch ei­ nen im Steuerstromkreis 6 fließenden Steuerstrom entsteht bei vorhandenem Magnetfeld in der Aussparung 4 durch den Hallgenerator eine Spannung an dem Eingang 7 eines Regel­ verstärkers 8, dessen Ausgang an einen Anschluß 9 der Kom­ pensationswicklung 3 angeschlossen ist. Der andere An­ schluß 10 der Kompensationswicklung 3 ist über einen klei­ nen Meßwiderstand 11 mit Erde 12 verbunden. Der Regelver­ stärker 8 ist so ausgelegt, daß der Stromkreis zwischen Erde, Regelverstärker 8, Kompensationswicklung 3 und Meß­ widerstand 11 insgesamt einen geringen elektischen Wider­ stand aufweist.In Fig. 1, a magnetic core 1 is shown with a measuring winding 2 for the current to be measured and a compensation winding 3. At one point on the circumference, the magnetic core 1 has a recess 4 in which a magnetic field detector 5 - here a Hall generator - is arranged. By egg nen in the control circuit 6 flowing control current arises in the presence of a magnetic field in the recess 4 by the Hall generator, a voltage at the input 7 of a control amplifier 8 , the output of which is connected to a terminal 9 of the compensation winding 3 Kom. The other at circuit 10 of the compensation winding 3 is connected to earth 12 via a small measuring resistor 11 . The Regelver stronger 8 is designed so that the circuit between earth, control amplifier 8 , compensation winding 3 and measuring resistor 11 has a low total electrical resistance.

Wie bekannt, ist der benötigte Kernquerschnitt eines Stromwandlers abhängig von der Frequenz. Für diesen Kern­ querschnitt A Fe gilt die BeziehungAs is known, the required core cross-section of a current transformer depends on the frequency. The relationship applies to this core cross section A Fe

A Fe ∼ l/f A Fe ∼ l / f

wenn f die Frequenz ist. Die Aussparung 4 wird vorteilhaf­ terweise so dimensioniert, daß an der Stelle mit dem ver­ minderten Querschnitt der Magnetkern 1 nur dann in die Sättigung kommt, wenn die Frequenz so niedrig ist, daß der Regelverstärker 8 ihr folgen kann. Hierdurch ergibt sich, daß oberhalb dieser Frequenz liegende Frequenzen in dem Magnetkern 1 einen Fluß verursachen, der von dem Magnet­ felddetektor 5 nicht mehr wahrgenommen wird, so daß der Regelverstärker 8 von diesem Fluß mit hoher Frequenz nicht mehr beeinflußt wird. Allerdings induziert dieser Magnet­ fluß - da er ein Wechselfeld ist - in der Kompensations­ wicklung 3 eine durch den Kompensationsstrom nicht mehr kompensierte Spannung, die in Verbindung mit dem geringen Widerstand im Ausgangskreis des Regelverstärkers 8 einen entsprechenden Strom in dem Meßwiderstand 11 zur Folge hat.if f is the frequency. The recess 4 is advantageously dimensioned such that at the point with the reduced cross-section of the magnetic core 1 only comes into saturation when the frequency is so low that the control amplifier 8 can follow it. This results in frequencies above this frequency in the magnetic core 1 causing a flux which is no longer perceived by the magnetic field detector 5 , so that the control amplifier 8 is no longer influenced by this high frequency flux. However, this magnetic flux induces - since it is an alternating field - in the compensation winding 3 a voltage which is no longer compensated by the compensation current and which, in conjunction with the low resistance in the output circuit of the control amplifier 8, results in a corresponding current in the measuring resistor 11 .

Gleichströme und Ströme mit niedriger Frequenz haben wegen der Sättigung des Magnetkerns 1 an der Umfangsstelle mit vermindertem Querschnitt einen Streufluß in der Aussparung 4 des Magnetkerns 1 zur Folge. Die dadurch entstehende Ausgangsspannung am Magnetfelddetektor 5 steuert den Strom in der Kompensationswicklung 3 so, daß der Streufluß in der Aussparung 4 zu Null wird. Damit wird erreicht, daß auch bei Strömen geringer Frequenz und auch bei Gleich­ strömen ein genaues Abbild des fließenden Stromes in der Meßwicklung 2 in der Kompensationswicklung 3 fließt.Direct currents and currents with a low frequency result in stray flux in the recess 4 of the magnetic core 1 because of the saturation of the magnetic core 1 at the peripheral point with a reduced cross section. The resulting output voltage at the magnetic field detector 5 controls the current in the compensation winding 3 so that the leakage flux in the recess 4 becomes zero. This ensures that an accurate image of the flowing current in the measuring winding 2 flows in the compensation winding 3 even with currents of low frequency and also with direct currents.

Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, daß ein anderer Magnetfelddetektor 5 ver­ wendet ist, der sich am äußeren Umfang des Magnetkerns 1 befindet, und zwar an der Stelle, an der dieser Magnetkern 1 eine schlitzförmige Aussparung 4 aufweist. Die Wirkungs­ weise entspricht derjenigen nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1. Fig. 2 differs from the embodiment of FIG. 1 in that another magnetic field detector 5 is used ver, which is located on the outer circumference of the magnetic core 1 , at the point where this magnetic core 1 has a slot-shaped recess 4 . The effect corresponds to that according to the embodiment in Fig. 1st

In Fig. 3 wird ebenfalls ein Magnetfelddetektor 5 verwen­ det, der am äußeren Umfang des Magnetkerns 1 angebracht ist. Hier erfolgt die Verminderung des Querschnittes des Magnetkerns 1 dadurch, daß der Magnetkern von außen abge­ fräst wurde und so eine ebene Schnittfläche 13 aufweist.In Fig. 3, a magnetic field detector 5 is also used, which is attached to the outer circumference of the magnetic core 1 . Here, the cross section of the magnetic core 1 is reduced in that the magnetic core has been milled from the outside and thus has a flat cutting surface 13 .

Die Verminderung des Einflusses von Fremdfeldern bei Ver­ wendung des erfindungsgemäßen Magnetkerns mit einer Schwä­ chung des wirksamen Querschnittes anstelle eines Luftspal­ tes läßt sich an Hand der Fig. 4 und 5 erkennen.The reduction in the influence of external fields when using the magnetic core according to the invention with a weakening of the effective cross section instead of an air gap can be seen from FIGS . 4 and 5.

In Fig. 4 ist ein Magnetfelddetektor - wie bei der Aus­ führung in Fig. 1 - in einer Aussparung im Magnekern 1 angeordnet, während in Fig. 5 ein Magnetfelddetektor 5 in einem Luftspalt im Magnetkern 1 vorgesehen ist entspre­ chend der Anordnung nach DE-OS 26 01 252.In FIG. 4, a magnetic field detector is - as in the imple mentation in Fig. 1 - arranged in a recess in Magne core 1, while in Figure 5, a magnetic field detector is provided in an air gap in the magnetic core 1 5 accordingly the arrangement according to DE-OS. 26 01 252.

Durch den hohen magnetischen Widerstand im Luftspalt der Anordnung nach Fig. 5 werden die Kraftlinien eines Fremd­ feldes, die durch Pfeile dargestellt sind, hauptsächlich im unteren Teil des Magnetkerns 1 sich ausbreiten und so einen Einfluß auf die auf den Magnetkern 1 aufgebrachte Kompensationswicklung ausüben.Due to the high magnetic resistance in the air gap of the arrangement of FIG. 5, the lines of force of an external field, which are represented by arrows, mainly spread in the lower part of the magnetic core 1 and thus exert an influence on the compensation winding applied to the magnetic core 1 .

Bei der Anordnung nach Fig. 4 verteilt sich der Fluß des Fremdfeldes auf beide Hälften des Magnetkerns, so daß in einer Kompensationswicklung sich dessen Wirkung aufhebt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kompensationswick­ lung - wie in Fig. 1 dargestellt - über den ganzen Umfang des Magnetkerns verteilt gewickelt ist.In the arrangement according to FIG. 4, the flux of the external field is distributed over both halves of the magnetic core, so that its effect is canceled out in a compensation winding. This applies in particular when the compensation winding - as shown in FIG. 1 - is wound distributed over the entire circumference of the magnetic core.

Der erfindungsgemäße Stromwandler kann also sowohl Gleich­ ströme als auch Ströme mit sehr hohen Frequenzen (bis über 1 MHz) abbilden und ist deshalb besonders zur Messung von Rechteckströmen geeignet, bei denen Oberwellen mit sehr hoher Frequenz auftreten.The current transformer according to the invention can therefore both be the same currents as well as currents with very high frequencies (over 1 MHz) and is therefore particularly suitable for measuring Rectangular currents suitable where harmonics with very high frequency occur.

Claims (4)

1. Stromwandler, insbesondere zur Messung von Rechteck­ strömen mit Gleichstromanteil, mit einem Magnetkern (1), der mit einer Meßwicklung (2) und einer Kompensationswick­ lung (3) versehen ist, bei dem die Kompensationswicklung an den Ausgang einer Steuerungseinheit angeschlossen ist, deren Eingang mit einem im Magnetfeld des Magnetkerns (1) angeordneten Magnetfelddetektor (5) so verbunden ist, daß der Ausgangsstrom der Steuerungseinheit so verändert wird, daß der Magnetfelddetektor (5) den Magnetflußwert auf Null regelt, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerungseinheit ein Regelverstärker (8) mit nie­ drigem elektrischen Widerstand im Ausgangskreis dient, daß der Magnetkern (1) in sich geschlossen, aber an einer Um­ fangsstelle im wirksamen Querschnitt vermindert ist und daß sich der Magnetfelddetektor (5) in der Nähe der mit vermindertem Querschnitt versehenen Stelle des Magnetkerns (1) befindet.1. Current transformer, in particular for measuring rectangular currents with a DC component, with a magnetic core ( 1 ), which is provided with a measuring winding ( 2 ) and a compensation winding ( 3 ), in which the compensation winding is connected to the output of a control unit, the Input is connected to a magnetic field detector ( 5 ) arranged in the magnetic field of the magnetic core ( 1 ) in such a way that the output current of the control unit is changed in such a way that the magnetic field detector ( 5 ) regulates the magnetic flux value to zero, characterized in that a control amplifier ( 8 ) with never third electrical resistance in the output circuit, that the magnetic core ( 1 ) is self-contained, but at an order point is reduced in the effective cross-section and that the magnetic field detector ( 5 ) is close to the reduced cross-section of the magnetic core ( 1 ) is located. 2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle verminderten Querschnitts im Magnetkern (1) durch Anbringung einer Aussparung (4) verwirklicht ist.2. Current transformer according to claim 1, characterized in that the point of reduced cross-section in the magnetic core ( 1 ) is realized by making a recess ( 4 ). 3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle verminderten Querschnitts durch eine ebene Schnittfläche (13) an einem ringförmigen Magnetkern ver­ wirklicht ist.3. Current transformer according to claim 1, characterized in that the reduced cross-section is realized by a flat sectional surface ( 13 ) on an annular magnetic core. 4. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung (3) gleichmäßig um den Um­ fang des Magnetkerns (1) verteilt angeordnet ist.4. Current transformer according to claim 1, characterized in that the compensation winding ( 3 ) is arranged distributed uniformly around the order of the magnetic core ( 1 ).
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