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DE102014215109A1 - Flux-Gate-Stromsensor mit zusätzlicher Frequenzmessung - Google Patents

Flux-Gate-Stromsensor mit zusätzlicher Frequenzmessung Download PDF

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Publication number
DE102014215109A1
DE102014215109A1 DE102014215109.0A DE102014215109A DE102014215109A1 DE 102014215109 A1 DE102014215109 A1 DE 102014215109A1 DE 102014215109 A DE102014215109 A DE 102014215109A DE 102014215109 A1 DE102014215109 A1 DE 102014215109A1
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DE
Germany
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current
primary
conductor
core
measurement signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102014215109.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Steffen Böttcher
Holger Schwenk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority to DE102014215109.0A priority Critical patent/DE102014215109A1/de
Priority to US14/812,163 priority patent/US9846181B2/en
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Abstract

Es wird eine Stromsensoranordnung zur Messung eines effektiven Primärstromes in einem Primärleiter beschrieben. Gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung hat die Stromsensoranordnung einen magnetischen Kern zur magnetischen Kopplung des Primärleiters an einen Sekundärleiter sowie eine eine gesteuerte Spannungsquelle, die mit dem Sekundärleiter verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter anzulegen, sodass ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter fließt. Eine mit dem Sekundärleiter gekoppelte Mess- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal zu erzeugen, fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern zu detektieren und bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns die Spannung umzupolen, um den Kern umzumagnetisieren. Die Mess- und Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, ein Spektrum des Messsignals auszuwerten und abhängig davon eine Frequenz eines durch den Primärleiter fließenden Stromes zu ermitteln.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Beschreibung betrifft einen Flux-Gate-Stromsensor, der auch die Möglichkeit einer einfachen Frequenzmessung bietet, beispielsweise einen Differenzstromsensor zum Einsatz in Fehlerstromschutzschaltern.
  • HINTERGRUND
  • Zur berührungslosen und damit potenzialfreien Messung der Stärke eines elektrischen Stromes in einem Leiter sind zum einen so genannte direktabbildende Stromsensoren bekannt, die den durch den Strom verursachten magnetischen Fluss beispielsweise mittels eines Hallsensors in einem geschlitzten magnetischen Kreis erfassen und ein der Stromstärke proportionales Signal erzeugen. Diese Sensoren sind sehr kostengünstig, weisen aber eine relativ geringe Genauigkeit auf. Direktabbildende Stromsensoren sind so genannte Open-Loop-Stromsensoren, die keinen geschlossenen Regelkreis enthalten.
  • Des Weiteren sind so genannte Closed-Loop-Stromsensoren bekannt, bei denen mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises kontinuierlich ein magnetisches Gegenfeld gleicher Größe wie das Magnetfeld des zu messenden Stromes erzeugt wird, so dass ständig eine vollständige Magnetfeldkompensation bewirkt wird und aus den Parametern zur Erzeugung des Gegenfeldes die Größe des zu messenden Stromes ermittelt werden kann. Closed-Loop-Stromsensoren gehören also zur Klasse der Kompensationsstromsensoren.
  • Eine besondere Art von Kompensationsstromsensoren, die jedoch keinen geschlossenen Regelkreis enthalten, sind sogenannte Flux-Gate-Sensoren. Derartige Stromsensoren umfassen einen Magnetkern mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung. Eine Kompensation des Magnetfeldes, welches durch den zu messenden Strom (Primärstrom) durch die Primärwicklung erzeugt wird, erfolgt nur in bestimmten Zeitintervallen eines Messzyklusses, wobei in jedem Messzyklus der Magnetkern mit Hilfe der Sekundärwicklung in die positive und in die negative Sättigung getrieben wird. Eine sehr genaue Strommessung ist mit Hilfe derartiger Sensoren deshalb möglich, weil durch geeignete Signalverarbeitung der Einfluss der Hysterese des Magnetkerns eliminiert werden kann. Aus diesem Grund eignen sich Flux-Gate-Stromsensoren auch für die Differenzstrommessung. In diesem Fall besteht die Primärwicklung aus mindestens zwei Teilwicklungen; gemessen wird die Differenz der Ströme durch die beiden Teilwicklungen. Im einfachsten Fall sind die beiden Teilwicklungen gerade Leitungen, die durch einen Ringkern durchgeführt sind. Bei mehr als zwei Teilwicklungen subtrahieren oder addieren sich die Ströme in den Teilwicklungen je nach Stromflussrichtung und Orientierung der jeweiligen Teilwicklung.
  • Differenzstromsensoren können in Fehlerstromschutzschaltern eingesetzt werden. In manchen Anwendungen ist es nötig, zu überprüfen, ob der zu messende Differenzstrom (Fehlerstrom) einen Gleichstromanteil (DC-Anteil) aufweist. Zur effizienten Berechnung des DC-Anteils ist jedoch Information über die Frequenz des Wechselstromanteils (AC-Anteil) nötig. Beispielsweise sind für die Sicherung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge Fehlerstromsensoren nötig, welche in der Lage sind DC- und AC-Anteile zu ermitteln (vgl. Norm IEC 62752, „Ladeleitungsintegrierte Steuer- und Schutzeinrichtung für die Ladebetriebsart 2 von Elektro-Straßenfahrzeugen”, „In-Cable Control and Protection Device for mode 2 charging of electric road vehicles”). Es besteht daher ein Bedarf an Stromsensoren, die in der Lage sind auch auf einfache Weise die Frequenz des Wechselanteils des zu messenden Stroms zu ermitteln.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird eine Stromsensoranordnung zur Messung eines effektiven Primärstromes in einem Primärleiter beschrieben. Gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung hat die Stromsensoranordnung einen magnetischen Kern zur magnetischen Kopplung des Primärleiters an einen Sekundärleiter sowie eine eine gesteuerte Spannungsquelle, die mit dem Sekundärleiter verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter anzulegen, sodass ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter fließt. Eine mit dem Sekundärleiter gekoppelte Mess- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal zu erzeugen, fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern zu detektieren und bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns die Spannung umzupolen, um den Kern umzumagnetisieren. Die Mess- und Steuereinheit ist weiter dazu ausgebildet, ein Spektrum des Messsignals auszuwerten und abhängig davon eine Frequenz eines durch den Primärleiter fließenden Stromes zu ermitteln.
  • Des Weiteren wird ein Verfahren zur Messung eines effektiven Primärstromes in einem Primärleiter beschrieben, der mittels eines magnetischen Kerns magnetisch an einen an einen Sekundärleiter gekoppelt ist. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Anlegen einer Spannung an den Sekundärleiter, sodass ein Sekundärstrom durch den Sekundärleiter fließt, und das Erzeugen eines den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignals. Das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern wird fortlaufend detektiert und die Spannung wird bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns umgepolt, um den Kern (10) umzumagnetisieren. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Auswerten eines Spektrums des Messsignals und Ermitteln einer Frequenz eines durch den Primärleiter fließenden Stromes abhängig vom Spektrum des Messsignals.
  • Der Primärleiter kann einen ersten und einen zweiten Teil aufweisen, durch die jeweils ein erster und ein zweiter Primärstrom derart fließen, dass die von dem Primärleiter erzeugte magnetische Feldstärke und damit der effektive Primärstrom der Differenz der Primärströme entspricht.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.
  • 1 ist ein Blockschaltbild einer bekannten Stromsensoranordnung, die nach dem Flux-Gate-Prinzip arbeitet;
  • 2 illustriert den Signalverlauf (idealisiert) des Sekundärstroms, der Magnetisierung und der magnetischen Feldstärke bei einer freischwingenden Stromsensoranordnung mit einem Primärstrom von null;
  • 3 illustriert den Signalverlauf (idealisiert) des Sekundärstroms, der Magnetisierung und der magnetischen Feldstärke bei einer freischwingenden Stromsensoranordnung mit einem Primärstrom größer null;
  • 4 illustriert eine Sensoranordnung zum Messung einer Stromdifferenz ähnlich der Sensoranordnung gemäß 1;
  • 5 zeigt den zeitlichen Verlauf sowie das Spektrum des Sekundärstromes bei null Primärstrom; und
  • 6 zeigt den zeitlichen Verlauf sowie das Spektrum des Sekundärstromes bei einem Primärstrom mit einer Frequenz von 50 Hz.
  • In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
  • DETAILIERTE BESCHREIBUNG
  • In 1 ist anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel eines Flux-Gate-Kompensationsstromsensors ohne Hysteresefehler dargestellt. Der zu messende Strom (Primärstrom iP) fließt durch eine Primärwicklung 1 (Primärleiter), die über einen weichmagnetischen und beispielsweise ungeschlitzten Kern 10 magnetisch an eine Sekundärwicklung 2 (Sekundärleiter) gekoppelt ist. Die Primärwicklung 1 kann z. B. aus einer einzigen Windung bestehen, d. h. die Primärwicklung 1 wird aus einem Leiter gebildet, der durch den Kern 10 hindurchgeführt ist (Windungszahl 1). Die Sekundärwicklung 2 (Windungszahl N) ist in Serie zu einer gesteuerten Spannungsquelle Q geschalten, die den Sekundärstrom iS durch die Sekundärwicklung erzeugt. Zur Messung des Sekundärstromes iS ist zwischen Sekundärwicklung 2 und Spannungsquelle Q ein Shunt-Widerstand RSH geschaltet. Die Spannung USH über dem Shunt-Widerstand RSH ist einer Mess- und Steuereinheit 20 zugeführt, die auch ein Steuersignal CTR zur Ansteuerung der gesteuerten Spannungsquelle Q bereitstellt.
  • Die Funktionsweise der in 1 dargestellten Strommessanordnung wird im Folgenden anhand der 2 und 3 beschrieben. 2a beschreibt die ferromagnetischen Eigenschaften des magnetischen Kerns 10 anhand einer Magnetisierungskennlinie, wobei auf der Abszisse die magnetische Feldstärke H und auf der Ordinate die Magnetisierung M aufgetragen sind. Die Magnetisierungskennlinie weist eine annähernd rechteckförmige Hysterese auf mit einer bestimmten Koerzitivfeldstärke HC und einer bestimmten Sättigungsmagnetisierung MSAT. Für die magnetische Feldstärke H gilt entsprechend dem Ampère'schen Gesetz vereinfacht H = N·iS/IFE, wobei der Parameter IFE die effektive magnetische Weglänge der Magnetfeldlinien im Kern 10 bezeichnet.
  • Für die in der Sekundärspule 2 induzierte Spannung ui gilt entsprechend dem Farady'schen Gesetz ui = –N·dΦ/dt = –N·A·dB/dt, (1) wobei der Parameter A die Querschnittsfläche des Kerns 10, das Symbol Φ den von dem Sekundärstrom iS verursachten magnetischen Fluss durch den Kern 10 und das Symbol B die magnetische Flussdichte bezeichnet. Die magnetische Flussdichte B lässt sich allgemein durch die Beziehung B = μ0·(H + M) darstellen; daraus folgt, dass während des Ummagnetisierens des Kerns 10 (entspricht dem linken oder rechten vertikalen Ast der Magnetisierungskennlinie in 2a) die Änderungsrate der Magnetisierung dM/dt proportional zu der induzierten Spannung ui ist und dabei die magnetische Feldstärke H und somit auch der Sekundärstrom iS konstant sind, d. h. ui = –N·A·μ0·dM/dt(beim Ummagnetisieren) (2)
  • Man kann auch sagen die differentielle Induktivität der Sekundärspule 2 ist während des Ummagnetisierens nahezu unendlich groß. Sobald die Magnetisierung im Kern 10 die Sättigungsmagnetisierung MSAT erreicht hat, steigt der Sekundärstrom iS an, und wird nur mehr durch den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung 2 und den Shunt-Widerstand RSH begrenzt.
  • Das Ansteigen des Sekundärstroms iS wird von der Mess- und Steuereinheit 20 beispielsweise mit Hilfe von Komparatoren erkannt (vgl. 2b). Sobald der Sekundärstrom einen positiven Schwellwert +iSMAX überschreitet oder einen negativen Schwellwert –iSMAX unterschreitet erzeugt die Mess- und Steuereinheit 20 ein entsprechendes Steuersignal CTR um die Spannungsquelle Q umzupolen und den nächsten Ummagnetisierungszyklus einzuleiten.
  • Der zeitliche Verlauf des Sekundärstromes bei einem Primärstrom iP von null ist in 2b dargestellt. Während des Ummagnetisierens (vgl. annähernd vertikale Äste der Magnetisierungskennlinie aus 2a) ist der Sekundärstrom konstant und entspricht dem Magnetisierungsstrom +iμ bzw. –iμ. Der Betrag des Magnetisierungsstrom iμ hängt von der Breite der Hysterese in der Magnetisierungskennlinie, also von der Koerzitivfeldstärke HC, ab, d. h. iμ = IFE/N·HC. Sobald die Magnetisierung im Kern 10 die positive oder negative Sättigungsmagnetisierung erreicht beginnt der Sekundärstrom iS anzusteigen, wie oben bereits beschrieben. Aufgrund der Symmetrie der Hysteresekennlinie ist der zeitliche Verlauf des Sekundärstroms iS auch symmetrisch um einen mittleren Stromwert.
  • Die 3a und 3b zeigen den gleichen Sachverhalt wie die 2a und 2b, jedoch für einen Primärstrom iP ungleich null. Das von dem Primärstrom iP erzeugte Magnetfeld überlagert sich in dem weichmagnetischen Kern 10 additiv dem Magnetfeld des Sekundärstromes iS, was als Verschiebung der Magnetisierungskennlinie entlang der Abszisse dargestellt werden kann. Dieser Sachverhalt ist in 3a bildlich dargestellt. Der korrespondierende zeitliche Verlauf des Sekundärstromes ist in 3b dargestellt. Dieser ist ähnlich wie in 2b bei einem Primärstrom von null mit dem Unterschied, dass der Sekundärstrom nicht mehr symmetrisch um die Abszisse (iS = 0) verläuft, sondern symmetrisch um die horizontale Gerade (iS = iP/N). Das heißt während des Ummagnetisierens stehen Primärstrom und Sekundärstrom im selben Verhältnis k = 1:N wie die Wicklungszahlen von Primärwicklung 1 und Sekundärwicklung 2, mit Ausnahme des Hysterese-Offsets in der Höhe des Magnetisierungsstroms iμ. Zur Strommessung wird das Sekundärstromsignal iS, genau genommen das Spannungssignal uSH am Shunt-Widerstand RSH, während des Ummagnetisierungsvorganges abgetastet. So erhält man durch Sampling des Sekundärstromsignals in der ersten Hälfte einer Periode des Sekundärstromes (Messzyklusses) einen Strommesswert iS[n – 1] = (iP/N) + iμ und in der zweiten Periodenhälfte einen Strommesswert iS[n] = (iP/N) – iμ. Durch Mittelwertbildung lässt sich der Hysteresefehler, der durch den Magnetisierungsstrom verursacht wird eliminieren, der Primärstrom zu einem Abtastzeitpunkt n berechnet sich wie folgt: iP[n] = N·(iS[n – 1] + iS[n])/2. (3)
  • Dadurch dass die Hysterese der Magnetisierungskennlinie auf das Messergebnis keinen Einfluss hat, eignet sich dieses Strommessverfahren sehr gut zur Messung sehr kleiner Ströme. Der Messbereich reicht von einigen Milliampere bis hin zu einem Kiloampere. Während des Ummagnetiserungsvorganges im Kern 10 folgt der Sekundärstrom iS dem Primärstrom iP enstsprechend dem Übertragungsverhältnis 1:k. Der Sekundärstrom wird während eines Ummagnetisierungsvorganges zumindest einmal abgetastet um einen Messwert (iS + iμ bzw. iS – iμ) zur Berechnung des Primärstromes zu erhalten. Während des Ummagnetisierens kann die Abtastung aber auch wiederholt mit einer Abtastrate erfolgen, die wesentlich höher ist, als die Schwingfrequenz des Sensors fSENSOR. Der Sekundärstrom iS ist während des Ummagnetisierens und vor Eintritt magnetischer Sättigung im Kern 10 näherungsweise konstant und gleich (iP/N) ± iμ. Diese idealisierte Betrachtung ist dann zutreffend, wenn die Hysteresekennlinie des Magnetkerns 10 annähernd rechteckig ist.
  • Das bisher unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erläuterte Messprinzip kann mit nur geringfügiger Modifikation des in 1 gezeigten Sensoraufbaus auch zur Differenzstrommessung verwendet werden. Eine Differenzstrommessung wird z. B. in Fehlerstromschutzschaltern verwendet. Dazu ist mit dem Kern 10 statt einer Primärwicklung 1 eine erste Teilwicklung 1a und mindestens eine zweite Teilwicklung 1b gekoppelt. Der Primärstrom durch die erste Teilwicklung 1a wird mit iPa und der Primärstrom durch die zweite Teilwicklung 1b wird mit iPb. Die Teilwicklungen können jeweils auch nur aus einer einzigen Windung bestehen und sind derart orientiert, dass die durch die Ströme iPa und iPb verursachte magnetischen Felder sich zumindest teilweise kompensieren (destruktiv überlagern) und nur der Nettoprimärstrom iPa – iPb (effektiver Primärstrom) ein entsprechendes Netto-Magnetfeld im Kern 10 erzeugt (welches wiederum vom Magnetfeld des Sekundärstromes iS überlagert wird). Der erwähnte modifizierte Sensoraufbau ist in 4 dargestellt und ist abgesehen von der Primärwicklung 1 im Wesentlichen identisch mit dem Aufbau in 1. In dem in 4 gezeigten Beispiel sind die beiden Teilwicklungen 1a und 1b der Last L vor- bzw. nachgeschaltet, sodass die Differenz iPa – iPb nur dann ungleich Null ist, wenn in der Last ein Leckstrom abfließt, der genau dieser Differenz entspricht. Der Differenzstrom (effektiver Primärstrom) berechnet sich aus Abtastwerten des Sekundärstroms analog zu Gleichung 3 wie folgt: ΔiP[n] = iPa[n] – iPb[n] = N·(iS[n – 1] + iS[n])/2. (4)
  • Die Zeitintervalle Δt+ und Δt (vgl. 2b) sind nicht konstant, sondern hängen von dem Betrag des Primärstroms ab. Aus Gleichung 2 ist erkennbar, dass die Geschwindigkeit des Ummagnetisierungsvorganges umso höher ist, je höher die Amplitude US der von der Spannungsquelle Q erzeugten Spannung ist; denn aus Gl. (2) folgt: dM/dt = –ui/(N·A·μ0) = –(US – RSH·iS)/(N·A·μ0). (5)
  • Folglich ist die Schwingfrequenz des Sekundärstromes umso höher, je höher die Amplitude US der von der Spannungsquelle Q erzeugten Spannung ist. Die Schwingfrequenz fSENSOR des Sensors folgt aus Gl. (5): fSENSOR = 1/(Δt+ + Δt), (6a) wobei Δt+ = (μ0·ΔM·N·A)/(US – iS·RSH) (6b) Δt = (μ0·ΔM·N·A)/(US + iS·RSH). (6c)
  • Der Parameter ΔM ist dabei der Magnetisierungshub während eines Ummagnetisierungsvorganges. Aus den Gleichungen 6a bis 6c ist erkennbar, dass die Schwingfrequenz fSENSOR des Sensors einerseits von dem Primärstrom selbst, als auch von der Spannungsamplitude US der von der Spannungsquelle Q erzeugten Spannung und von dem Magnetisierungshub ΔM abhängt.
  • Insbesondere bei Differenzstromsensoren ist die geometrische Anordnung der Primärleiter in Bezug auf den Magnetkern 10 unsymmetrisch und es kommt nicht zu einer vollständigen Auslöschung des resultierenden Magnetfeldes, auch wenn die Differenz iPa – iPb null ist. Hieraus ergeben sich lokale Sättigungen im Magnetkern 10, was eine Verringerung der effektiven Querschnittsfläche A des Kerns 10 bedeutet. Dies wiederum hat eine Modulation der Ummagnetisierungszeiten Δt+, Δt zur Folge. Diese Modulation ist periodisch und hängt von der Frequenz fP des Primärstroms iP ab. Dieser Effekt ist auch aus den Gleichungen 6b und 6c ableitbar, wenn man annimmt, dass der Querschnittsfläche A periodisch mit der Frequenz fP der Primärströme iPa und iPb variiert.
  • Um die Frequenz des Primärstromes zu messen, kann die Mess- und Steuereinheit 20 dazu ausgebildet sein, den Sekundärstrom iS (d. h. das Messignal USH, welches den Sekundärstrom repräsentiert) regelmäßig abzutasten und aus den Abtastwerten iS[n] ein Spektrum zu berechnen (z. B. mittels eines Fast-Fourier-Transform-(FFT-)Algorithmus, ggf. mit Fensterung). Das Spektrum wird ein deutliches (globales) Maximum bei der Schwingfrequenz des Sensors fSENSOR aufweisen. Zwei weitere (lokale) Maxima mit deutlich niedrigerem Betrag (Seitenmaxima) finden sich bei den Frequenzen f1 = fSENSOR – fP und f2 = fSENSOR + fP. Die gesuchte Frequenz fP des Primärstroms kann also aus den Frequenzen f1 und f2 der beiden ersten Seitenmaxima, beispielsweise gemäß der Gleichung fP = (f2 – f1)/2 (7) ermittelt werden.
  • Die Diagramme in den 5 und 6 veranschaulichen die oben beschriebene Funktion des Stromsensors. Die oberen Diagramme der 5 und 6 zeigen den zeitlichen Verlauf des Primärstroms iPa = iPb eines Differenzstromsensors (wobei ΔiP = iPa – iPb = 0) sowie des korrespondierenden Sekundärstroms iS über eine Zeit von ca. 50 ms. Im Fall der 5 ist der Primärstrom iPa = iPb gleich null, wohingegen im Fall der 6 der Primärstrom einen sinusförmigen Verlauf mit einer Frequenz fP von 50 Hz. aufweist. In beiden Fällen misst der Sensor den gleichen Differenzstrom iPa – iPb, nämlich null Ampere. Die unteren Diagramme der 5 und 6 zeigen jeweils das Spektrum des (vom Primärstrom iPa bzw. iPb abhängigen) Sekundärstroms iS. Das globale Maximum des Spektrums liegt bei der Schwingfrequenz fSENSOR des Stromsensors (vgl. 2b), welche im vorliegenden Fall rund 2 kHz beträgt. In dem in 5 gezeigten Beispiel beträgt die Schwingfrequenz fSENSOR des Stromsensors 1935 Hz. In dem in 6 gezeigten Fall beträgt sie 1970 Hz. Der etwas höhere Wert der Schwingfrequenz lässt sich dadurch erklären, dass die Primärströme iPa, iPb im Magnetkern lokale Sättigungen verursachen wodurch die effektive Querschnittsfläche des Kerns sinkt. Der Kern lässt sich folglich schneller ummagnetisieren und die Frequenz steigt.
  • Sofern der Primärstrom iPa bzw. iPb keinen AC-Anteil aufweist, ist das globale Maximum (Hauptkeuche, main lobe) bei der Schwingfrequenz fSENSOR des Stromsensors das einzige signifikante Maximum im Spektrum. Ein Primärstrom iPa, iPb mit einem AC-Anteil führt jedoch zu der oben erläuterten Modulation der Periodendauer fSENSOR –1 (vgl. Gleichung 6a) der Sensorschwingung. Diese Modulation äußert sich im Spektrum durch lokale Maxima bei den Frequenzen f1 und f2 (erste Nebenkeulen, side lobes) sowie f1' und f2' (zweite Nebenkeulen) auf beiden Seiten des globalen Maximums bei der Frequenz fSENSOR. Die Frequenzabstände |f1 – fSENSOR| bzw. |f2 – fSENSOR| der beiden lokalen Maxima zum globalen Maximum entsprechen jeweils der Frequenz fP des Primärstroms iPa bzw. iPb. Der Frequenzabstand f2 – f1 entspricht der doppelten Frequenz fP des Primärstroms iPa bzw. iPb (vgl. Gleichung 7). In dem in 6 gezeigten Beispiel (Frequenz fP des Primärstroms beträgt 50 Hz) führt die Berechnung gemäß Gleichung 7 zu einer gemessenen Primärstromfrequenz fP' von (2020-1920)/2 Hz = 100/2 Hz = 20 Hz. Alternativ oder zusätzlich können auch die zweiten Nebenkeulen bei den Frequenzen f1' und f2'. ausgewertet werden. Die zweiten Nebenkeulen sind vom globalen Maximum bei der Schwingfrequenz fSENSOR des Stromsensors doppelt soweit entfernt wie die ersten Nebenkeulen. Es gilt also f1' = fSENSOR – 2·fP und f2' = fSENSOR + 2·fP, sowie f1 – f1' = fP und f2' – f2 = fP.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Norm IEC 62752 [0005]

Claims (10)

  1. Stromsensoranordnung zur Messung eines effektiven Primärstromes (iP) in einem Primärleiter (1); die Stromsensoranordnung weist folgendes auf: einen magnetischen Kern (10) zur magnetischen Kopplung des Primärleiters (1) an einen Sekundärleiter (2); eine gesteuerte Spannungsquelle (Q; SW1, SW2, SW3, SW4), die mit dem Sekundärleiter (2) verbunden und dazu ausgebildet ist, eine Spannung (±US) mit einstellbarer Polarität an den Sekundärleiter (2) anzulegen, sodass ein Sekundärstrom (iS) durch den Sekundärleiter (2) fließt; eine mit dem Sekundärleiter (2) gekoppelte Mess- und Steuereinheit (20), die dazu ausgebildet ist, ein den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignal (uSH) zu erzeugen, fortlaufend das Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern (10) zu detektieren und bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns (10) die Spannung (±US) umzupolen, um den Kern (10) umzumagnetisieren, wobei die Mess- und Steuereinheit (20) weiter dazu ausgebildet ist ein Spektrum des Messsignals auszuwerten und abhängig davon eine Frequenz (fP) eines durch den Primärleiter fließenden Stromes zu ermitteln.
  2. Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Primärleiter einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, durch die jeweils ein erster und ein zweiter Primärstrom derart fließen, dass die von dem Primärleiter erzeugte magnetische Feldstärke und damit der effektive Primärstrom der Differenz der Primärströme entspricht.
  3. Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Erreichen magnetischen Sättigung im Kern (10) detektiert wird, wenn der Sekundärstrom einen definierten Maximal- oder Minimalwert erreicht.
  4. Stromsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mess- und Steuereinheit (20), dazu ausgebildet ist, das Messsignal (uSH) abzutasten und aus den Abtastwerten mittels eines FFT- oder DFT-Algorithmus ein digitales Spektrum des Messsignals zu berechnen.
  5. Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 4, wobei der Sekundärstrom eine Schwingfrequenz aufweist, und wobei das Spektrum eine Hauptkeule bei der Schwingfrequenz des Sekundärstromes und symmetrisch zur Hauptkeule zwei Nebenkeulen aufweist, wobei die Frequenz (fP) des durch den Primärleiter fließenden Stromes aus dem Abstand zwischen Haupt- und Nebenkeulen oder aus dem Abstand der beiden Nebenkeulen ermittelt wird.
  6. Die Stromsensoranordnung gemäß Anspruch 5, wobei der Abstand zwischen Hauptkeule und einer benachbarten Nebenkeule der die Frequenz (fP) des durch den Primärleiter fließenden Stromes entspricht.
  7. Verfahren zur Messung eines effektiven Primärstromes (iP) in einem Primärleiter (1), der mittels eines magnetischen Kerns (10) magnetisch an einen an einen Sekundärleiter (2) gekoppelt ist; das Verfahren weist folgendes auf: Anlegen einer Spannung (±US) an den Sekundärleiter (2), sodass ein Sekundärstrom (iS) durch den Sekundärleiter (2) fließt; Erzeugen eines den Sekundärstrom repräsentierendes Messsignals (uSH); fortlaufendes Detektieren des Erreichen einer magnetischen Sättigung im Kern (10) zu detektieren und Umpolen der Spannung (±US) bei Detektion einer magnetischen Sättigung des Kerns (10), um den Kern (10) umzumagnetisieren; und Auswerten eines Spektrums des Messsignals und Ermitteln einer Frequenz (fP) eines durch den Primärleiter fließenden Stromes abhängig vom Spektrum des Messsignals.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Primärleiter einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, durch die jeweils ein erster und ein zweiter Primärstrom derart fließen, dass die von dem Primärleiter erzeugte magnetische Feldstärke sowie der effektive Primärstrom der Differenz der Primärströme entspricht.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das Erreichen magnetischen Sättigung im Kern (10) detektiert wird, wenn der Sekundärstrom einen definierten Maximal- oder Minimalwert erreicht.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Auswerten eines Spektrums des Messsignals folgendes umfasst: Abtasten des Messsignals (uSH); und Berechnen ein digitales Spektrum des Messsignals aus den Abtastwerden des Messsignals.
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