GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Strommessvorrichtung zum Erfassen eines durch eine Stromleitung fließenden Stroms. Die Erfindung betrifft ferner einen Solarinverter und ein Verfahren zum Erfassen eines Stroms .

TECHNISCHER HINTERGRUND

Es existiert eine Vielzahl von Anwendungen, in denen eine sehr genaue Erfassung kleiner Gleichströme (DC) und Wechselströme (AC) erforderlich ist. Insbesondere ist dies bei elektrischen Fehlerstromschutzschaltungen (oder kurz Schutzschaltungen) der Fall, mit denen ein Fehlerstrom oder allgemein ein Differenzialstrom gemessen werden kann. Eine solche Schutzschaltung kann zum Beispiel ein Fl-Schutzschalter oder eine Abschaltvorrichtung eines Solarinverters , insbesondere eines transformatorlosen Solarinverters, sein.

Zur Messung eines Stroms in elektrischen Schaltungen sind Stromsensoren vorgesehen. Diese Stromsensoren arbeiten auf der Basis eines offenen Magnetkreises und einem Magnetfeldempfindlichen Sensor, z.B. ein Hall-Sensor, welcher in dem Luftspalt des Magnetkreises platziert wird. Problematisch ist diese Art von Stromsensoren bei durch externe Einflüsse auftretende, magnetische Feldern, welche durch den Luftspalt des Magnetkreises in den Magnetkreis eindringen. In diesen Fällen sind die durch solche Stromsensoren erzeugten Messergebnisse mehr oder weniger stark verfälscht. Diese Stromsensoren sind daher nur bedingt für die Messung kleiner und sehr kleiner Ströme, zum Beispiel von Strömen in einem Bereich von bis zu 50 mA, geeignet.

Speziell für eine Fehlerstromerfassung, bei denen sehr kleine Differenzströme gemessen werden sollen, werden im Allgemeinen auf einem Transformatorprinzip basierende Stromsensoren verwendet. Das magnetische Wechselfeld eines durch einen Differentialstrom durchflossenen Leiter induziert bei diesen Sensoren einen Wechselstrom in einer Spule. Dieser Wechselstrom ist dem zu messenden Strom proportional und kann zum Beispiel über einen Messwiderstand erfasst werden. Diese Sensoren sind schaltungstechnisch sehr einfach aufgebaut und benötigen keine externe Energieversorgung. Allerdings können diese

Stromsensoren bedingt durch das Messprinzip nicht dazu ausgelegt, Gleichströme zu messen. Für den Einsatz in elektrischen Schutzschaltungen ist diese Art der Stromsensoren ungeeignet.

Um parallel zu Wechselströmen noch die Gleichströme zu erfassen, werden meist Stromsensoren verwendet, welche auf einem magnetischen Multivibratorverfahren beruhen. Bei diesen Sensoren wird das Pulsweitenverhältnis einer Trägerspannung durch den zu messenden Strom beeinflusst. Diese Sensoren weisen aber eine geringe Empfindlichkeit auf und das Ergebnis der Strommessung wird von der VersorgungsSpannung des

Stromsensors beeinflusst.

Die heute verfügbaren Gleich- und Wechselstromsensoren, welche auch als Allstromsensoren bezeichnet werden und welche dazu ausgelegt sind, auch sehr kleine Ströme mit einer hinreichend großen Genauigkeit zu messen, sind schaltungstechnisch sehr aufwändig in ihrem Aufbau und folglich sehr kostenintensiv. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Gleich- und Wechselstromsensor bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Strommessvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen Solarinverter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.

Demgemäß ist vorgesehen:

- eine Strommessvorrichtung zum Erfassen eines durch eine Stromleitung fließenden Stroms, mit einer Magnetschleife zur Aufnahme der Stromleitung; mit einer Erregervorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife mittels eines solchen periodischen Signals zu magnetisieren, dass der Erregerstrom immer zwischen zwei Sättigungsgrenzen pendelt; mit einem ersten Stromsensor, welcher dazu ausgebildet ist, einen auf Grund des periodischen Signals und/oder des zu erfassenden Stroms in der Erregervorrichtung fließenden Erregerstrom zu erfassen; mit einer Ermittlungsvorrichtung, welche eine durch den Strom hervorgerufene Verschiebung des erfassten Erregerstroms auf der Stromachse ermittelt und daraus die Stromstärke des zu erfassenden Stroms ableitet.

- Ein Solarinverter, insbesondere ein transformatorloser Solarinverter, mit einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung. - Ein Verfahren zum Erfassen eines Stroms, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung, mit den Schritten: Magnetisieren einer Magnetschleife zur Aufnahme einer Stromleitung mittels eines periodischen Signals durch eine Erregervorrichtung; Durchführen einer Stromleitung durch die Magnetschleife; Bestromen der Stromleitung mit dem zu erfassenden Strom; Erfassen eines Erregerstromes, welcher auf Grund des periodischen Signals und/oder auf Grund des Stroms in der Erregervorrichtung fließt; Ableiten einer Stromstärke des zu erfassenden Stroms aus der Verschiebung des erfassten Erregerstroms auf der Stromachse.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass ein durch die Erregervorrichtung fließender Erregerstrom nicht nur von dem periodischen Signal, sondern auch von dem durch die Stromleitung fließenden Strom selbst beeinflusst wird. Die, der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine durch den durch die Stromleitung fließenden Strom hervorgerufene Verschiebung der Sättigungs- grenzen des Erregerstroms auszuwerten und daraus die Stromstärke des durch die Stromleitung fließenden Stroms abzuleiten.

Das periodische Signal prägt in der Erregervorrichtung für den Fall, dass in der Stromleitung kein Strom fließt, einen periodischen Strom ein, welcher einen auf der Stromachse zu Null symmetrischen Verlauf aufweist.

Wird die Stromleitung von einem zu erfassenden Strom durchflössen, wird der Verlauf des periodischen Erregerstroms auf der Stromachse in den positiven oder negativen Bereich verschoben. Die Richtung dieser Verschiebung ist abhängig von dem Vorzeichen des Stroms in der Stromleitung und der Betrag dieser Verschiebung ist proportional zu der Stromstärke des zu erfassenden Stroms in der Stromleitung.

Die vorliegende Strommessvorrichtung erfasst den Verlauf des Erregerstroms in der Erregervorrichtung mittels eines

Stromsensors und bestimmt mit Hilfe einer Ermittlungsvorrichtung die Verschiebung des periodischen Verlaufs des Erreger- stroms auf der Stromachse gegenüber Null und leitet daraus die Stromstärke des zu erfassenden Stroms ab. Der

Stromsensor, welcher den Verlauf des Erregerstroms erfasst, kann in seiner einfachsten Ausführung als einfacher Mess- o- der Shuntwiderstand ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Strommessvorrichtung. In weiteren Ausführungsformen kann der Stromsensor auch auf beliebig andere Weise aufgebaut sein.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung ist es möglich, einen sehr einfachen, jedoch nichts desto trotz sehr präzise arbeitenden Gleich- und Wechselstromsensor bereitzustellen, der durch extern eingekoppelte Magnetfelder nicht oder zumindest in sehr geringem Umfang beeinflussbar ist. Der Gleich- und Wechselstromsensor kann insbesondere in solchen Anwendungen eingesetzt werden, welche eine sehr hohe Genauigkeit erfordern, gleichzeitig aber nicht frei von externen Störfeldern sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Erregervorrichtung einen Erregergenerator auf, welcher als periodisches Signal eine periodische Spannung generiert, so dass der vom Erregergenerator Erregerstrom immer zwischen zwei Sättigungs- grenzen pendelt. Die Erregervorrichtung weist ferner eine Erregerspule auf, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife mittels der periodischen Spannung zu magnetisieren. Der Erregergenerator kann als eine Wechselstromquelle ausgebildet sein, welche eine rechteckige, sinusförmige oder eine beliebig anders ausgebildete periodische Spannung erzeugt. In alternativen Ausführungsformen kann der Erregergenerator ein periodisches Signal aber auch über eine Anordnung von Schaltelementen, wie zum Beispiel eine Voll- oder Halbbrücke, erzeugen. Ein solcher Aufbau ermöglicht es, den Verlauf der periodischen Spannung, zum Beispiel in Abhängigkeit von dem Einsatzgebiet der Strommessvorrichtung, zu beeinflussen. Wird eine einzelne Erregerspule verwendet, um die Magnetschleife mittels des periodischen Signals zu magnetisieren, dann ergibt sich vorteilhafterweise ein besonders einfacher Aufbau der StrommessVorrichtung. Wird dagegen statt der einzelnen Erregerspule eine Transformatorvorrichtung verwendet, um die Magnetschleife zu magnetisieren, dann ist eine flexible Anpassung der Erregervorrichtung an die jeweilige Anwendung möglich .

In einer weiteren Ausführungsform weist die Ermittlungsvorrichtung eine Zeitmessvorrichtung auf, welche für jede Periode des periodischen Erregerstroms eine erste Zeitdauer misst, in welcher der erfasste Erregerstrom einen positiven Betrag aufweist. Die Zeitmessvorrichtung misst für jede Periode des periodischen Erregerstroms eine zweite Zeitdauer, in welcher der erfasste Erregerstrom einen negativen Betrag aufweist. Die Ermittlungsvorrichtung weist eine Integrationsvorrichtung auf, welche als Maß für den zu erfassenden Strom eine Differenz zwischen der gemessenen ersten Zeitdauer und der gemessenen zweiten Zeitdauer integriert. Eine solche Ausgestaltung der Ermittlungsvorrichtung ermöglicht einen schaltungstechnisch sehr einfachen Aufbau durch Verwendung von einfachen analogen Komponenten. Wird der erste Stromsensor zum Beispiel als Shuntwiderstand ausgeführt, kann die Zeitmessvorrichtung z.B. als einfacher Komparator ausgeführt werden. Der Kompara- tor gibt ein positives Signal aus, falls über den Shuntwiderstand eine positive Spannung abfällt, und der Komparator gibt ein negatives Signal aus, falls über den Shuntwiderstand eine negative Spannung abfällt. Die Integrationsvorrichtung kann dann als Tiefpass ausgeführt werden, welcher als Eingangssignal das Ausgangssignal des Komparators erhält und welcher ein Ausgangssignal erzeugt, welches ein Maß für den zu erfassenden Strom ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Ermittlungsvorrichtung eine Filtervorrichtung auf, welche aus dem erfassten Erregerstrom einen Gleichanteil als Maß für den zu erfassenden Strom heraus filtert. Der Gleichanteil des erfassten Erregerstroms spiegelt die Verschiebung des Verlaufs des Erregerstroms auf der Stromachse wieder. Damit ist das Ausgangssignal des Filters ebenfalls ein Maß für die Stromstärke des zu erfassenden Stroms. Wird eine Filtervorrichtung verwendet, welche den Gleichanteil des Erregerstroms aus dem Erregerstrom filtert, kann vorteilhafterweise auch auf eine Zeitmessvorrichtung und eine Integrationsvorrichtung verzichtet werden. Zudem ist ein besonders einfacher schaltungstechnischer Aufbau der Strommessvorrichtung möglich, da ein solches Filter aus einfachen analogen Bauelementen, wie zum Beispiel Widerständen, Induktivitäten, etc., aufgebaut sein kann. In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife zusätzlich in Abhängigkeit von der ermittelten

Stromstärke zu magnetisieren. Ohne eine Kompensationsvorrichtung gerät das Material der Magnetschleife ab einer bestimmten Stärke des zu erfassenden Stroms in die Sättigung. Ein weiteres Ansteigen des Stroms führt dann zu keiner weiteren Magnetisierung der Magnetschleife und damit zu keiner weiteren Änderung des Erregerstroms, sodass ab dieser Stromschwelle der zu erfassende Strom ohne eine Kompensationsvorrichtung nicht erfasst werden kann. Die Kompensationsvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie die Magnetisierung, welche der zu erfassende Strom in der Magnetschleife hervorruft, kompensiert. Dadurch wird verhindert, dass das Material der Magnetschleife in die Sättigung gerät. Für die Strommessvorrichtung bedeutet dies eine Linearisierung des Messbereichs der Strom- messVorrichtung. Ein zu erfassender Strom, welcher das Material der Magnetschleife ohne die Kompensationsvorrichtung bis zur Sättigung magnetisiert hätte, kann dennoch erfasst werden. In einer solchen Ausführungsform der Strommessvorrichtung ist ein Kompensationsstrom, welcher in der Kompensationsvorrichtung fließt proportional zu dem zu erfassenden Strom und kann daher als Maß für die Stromstärke des zu erfassenden Stroms dienen. Dadurch ist gewissermaßen eine Messbereichserweiterung möglich. Der Kompensationsström kann mit Hilfe eines Stromsensors, zum Beispiel eines Shuntwider- stands, gemessen werden. Ein zweiter positiver Effekt bei Verwendung der Kompensationsvorrichtung besteht darin, dass die Magnetschleife sich immer im selben Arbeitspunkt befindet und so die Messung unabhängig von der Nichtlinearität der Magnetschleife macht. In einer weiteren Ausführungsform weist die Kompensationsvorrichtung einen Kompensationsgenerator auf, welcher dazu ausgebildet ist, eine Kompensationsspannung in Abhängigkeit von der Stromstärke zu erzeugen. Die Kompensationsvorrichtung weist eine Kompensationsspule auf, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife zusätzlich mittels der erzeugten Kompensationsspannung in Gegenrichtung zu magnetisieren . Wird ein Kompensationsgenerator, zum Beispiel in Form eines Operationsverstärkers, eingesetzt, um die KompensationsSpannung zu erzeugen, kann dieser das Signal der Ermittlungsvorrichtung direkt verarbeiten. Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Strommessvorrichtung ermöglicht.

In alternativen Ausgestaltungsformen kann der Kompensationsgenerator einen digitalen Schaltkreis aufweisen, welcher die Kompensationsspannung in Abhängigkeit von digitalen Schaltsignalen oder Steuerbefehlen erzeugt. Dies ermöglicht die Integration zumindest eines Teils des Kompensationsgenerators in eine programmgesteuerte Vorrichtung, wie etwa einem Mikroprozessor. Ist in der Anwendung mit der Strommessvorrichtung eine programmgesteuerte Vorrichtung vorhanden, welche über genügend freie Rechenressourcen verfügt, um die Funktion des Kompensationsgenerators auszuführen, dann kann eine sehr kompakte Strommessvorrichtung bereitgestellt werden. Insbesondere müssen keine zusätzlichen Komponenten für den Kompensationsgenerator eingesetzt werden. Ist für den Kompensationsgenerator ein eigener digitaler Schaltkreis vorgesehen, dann kann ein sehr flexibel steuerbarer Kompensationsgenerator verwendet werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine Kalibriervorrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife zu magnetisieren. Die Kalibriervorrichtung ist fer- ner dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des sich auf Grund der Kompensationsspannung in der Kompensationsspule einstellenden Kompensationsstromes eine kalibrierte Stromstärke des durch die trommess orrichtung zu erfassenden Stroms zu erzeugen.

In einer Weiterbildung weist die Kompensationsvorrichtung einen zweiten Stromsensor auf, welcher dazu ausgebildet ist, den in der Kompensationsspule fließenden Kompensationsström zu erfassen. Die Kalibriervorrichtung weist ferner eine Steuervorrichtung auf, welche periodisch in zeitlich vorbestimmten Abständen eine erste Stromstärke des Kompensationsstromes speichert und danach ein Steuersignal zum Einschalten erzeugt. Die Kalibriervorrichtung weist ferner eine Stromquelle auf, welche in Abhängigkeit des Steuersignals einen definierten Strom erzeugt. Ferner ist eine Kalibrierspule vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife zusätzlich in Abhängigkeit des definierten Stroms zu magnetisieren. Die Steuervorrichtung ist derart ausgebildet, eine zweite Stromstärke des Kompensationsstromes dann zu speichern, wenn die Magnetschleife mittels des definierten Stroms magnetisiert ist. Die Steuervorrichtung ist derart ausgebildet, aus der Differenz der ersten gespeicherten Stromstärke und der zweiten gespeicherten Stromstärke eine kalibrierte Stromstärke zu bestimmen. Durch eine solche Ausgestaltung der Kalibriervorrichtung kann zu beliebigen Zeitpunkten eine Kalibrierung der Strommessvorrichtung durchgeführt werden und dadurch eine erhöhte Genauigkeit des Messergebnisses erreicht werden. Die Steuervorrichtung erzeugt in einer solchen Anordnung ein Signal, welches die kalibrierte Stärke des zu messenden Stroms aufweist. Dieses Signal kann als analoges Signal oder als digitales Signal ausgebildet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Integrationsvorrichtung als analoge Schaltung ausgebildet. Dadurch ist ein sehr einfacher und robuster Aufbau der Integrationsvorrichtung möglich. Ferner kann die Integrationsvorrichtung direkt mit einer analogen Zeitmesseinrichtung und einer analogen Kompensationsvorrichtung gekoppelt werden, ohne eine SignalUmwandlung durchführen zu müssen.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine integrierte Schaltung, insbesondere eine programmgesteuerte Einrichtung, vorgesehen, welche die Integrationsvorrichtung aufweist. Eine solche integrierte Schaltung, insbesondere eine programmgesteuerte Einrichtung, ist sehr flexibel an neue Anforderungen anpassbar. Es können zum Beispiel unterschiedliche auswählbare Kennlinien oder Multiplikationsfaktoren in der integrierten Schaltung bzw. der programmgesteuerten Einrichtung hinterlegt werden, welche das Ausgangssignal der Integrationsvorrichtung beeinflussen können. Alternativ kann auch ein Programmcode, welcher die Integrationsvorrichtung aufweist, ausgetauscht werden und so deren Funktion an unterschiedliche Anforderungen adaptiert werden.

In einer Ausführungsform ist die Magnetschleife als eine luftspaltlose Magnetschleife ausgebildet. Ein luftspaltloser Aufbau der Magnetschleife bietet den Vorteil, dass die Empfindlichkeit der Strommessvorrichtung gegenüber externen Störfeldern sehr gering wird. Es kann so eine sehr genaue und robuste Strommessung bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung ist aber nicht darauf beschränkt und kann z.B. auch bei Magnetschleifen mit Luftspalt eingesetzt werden. In einer Ausführungsform ist die Erregerspule als eine einzelne oder eine doppelte Spule ausgebildet. Dadurch kann jeweils eine für den jeweiligen Einsatzbereich geeignete Kompensationsspule bereitgestellt werden, was die Flexibilität der Strommessvorrichtung erhöht. In weiteren Ausführungsformen können auch die Kompensationsspule sowie die Kalibrierspule jeweils als eine einzelne oder als eine doppelte Spule ausgebildet sein. Denkbar wäre auch die Verwendung von Dreifach- oder allgemein von Mehrfachspulen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren zumindest zwei Betriebsmodi auf. In einem ersten Betriebsmodus lassen sich mittels der Strommessvorrichtung Gleichströme (DC) erfasst und in einem zweiten Betriebsmodus lassen sich mittels der StrommessVorrichtung Wechselströme (AC) erfasst. Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung ist somit zur Erfassung von AC- und DC-Strömen ausgelegt und damit universell einsetzbar. Vorzugsweise ist ein dritter Betriebsmodus vorgesehen, bei dem mittels der Strommessvorrichtung gleichzeitig Gleich- und Wechselströme erfasst werden.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. INHALTSANGABE DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommess orrichtung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Erregervorrichtung;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Erregervorrichtung;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Solarin- verters ;

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1. Die Strommessvorrichtung 1 weist eine Magnetschleife 2 auf, welche mit einer Erregervorrichtung 3 gekoppelt ist und durch welche eine Stromleitung L verläuft. Die Erregervorrichtung 3 weist dabei einen Erregergenerator 5, welcher ein periodisches Signal U _E als eine periodische Spannung U _E erzeugt. Das periodische Signal U _E wird derart eingestellt, dass der Erregerstrom immer zwischen zwei Sättigungsgrenzen pendelt. Die Erregervorrichtung 3 weist ferner eine Erregerspule 6 auf, welche dazu ausgebildet ist, die Magnetschleife 2 mittels der periodischen Spannung U _E zu magnetisieren. Ferner ist ein erster Stromsensor 4 vorgesehen, welcher einen Erregerstrom l _E er- fasst, welcher sich innerhalb der Erregervorrichtung 3 ausbildet, wenn diese die Magnetschleife 2 mittels der periodischen Spannung U _E magnetisiert . Schließlich ist eine Ermittlungsvorrichtung 9 vorgesehen, welche von dem ersten

Stromsensor 4 jeweils die aktuelle Stromstärke des Erregerstromes I _E erhält und daraus die aktuelle Stromstärke Si des Stroms I ableitet. Die hier dargestellte Strommessvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet Stromstärken in einem Bereich von bis zu 500 mA zu messen. In weiteren Ausführungsformen kann die Strommessvorrichtung Ströme in einem Bereich von bis zu mehreren Ampere, bevorzugterweise Ströme von bis zu 10A messen.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 ist die Magnetschleife 2 als quadratische Magnetschleife ohne Luftspalt dargestellt und besteht aus einem ferromagnetischen Material. In einer weiteren Ausgestaltungsform ist die Magnetschleife 2 als runde Magnetschleife 2 ausgebildet. Denkbar wäre natürlich auch eine beliebig andere Form der Magnetschleife 2, beispielsweise eine rechteckförmige, ovale oder mehreckige Magnetschleife 2 oder eine Magnetschleife mit Luftspalt.

Die Erregervorrichtung 3 magnetisiert die Magnetschleife 2 in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels der periodischen Spannung U _E , welche zu einem periodisch verlaufenden Erregerstrom I _E innerhalb der Erregerspule 6 führt. Die Frequenz der periodischen Spannung U _E und damit auch die Frequenz des Erregerstroms I _E , welche der Frequenz der periodischen Spannung U _E gleicht, liegen in dieser Ausführungsform bei 10 kHz. Da die magnetischen Eigenschaften der Magnetschleife 2 nicht stabil sind und sich zum Beispiel mehr oder weniger stark mit der Temperatur verändern, kann sich auch die Frequenz ändern. Dies hat aber keinen oder jedenfalls einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Messung.

In weiteren Ausführungsformen können die Frequenzen in einem Bereich von 1 kHz bis 1 MHz, insbesondere in einem Bereich von 5 kHz bis 100 kHz, liegen. Die periodische Spannung U _E in der Erregervorrichtung 3 weist zum Beispiel einen Effektivwert von 10 Volt auf. Als Erregerstrom stellt sich damit ein Strom mit einem Effektivwert von 10 mA ein. Die Amplitude der periodischen Spannung U _E ist für die Anwendung allerdings weniger relevant. Wesentlich ist, dass mittels der Spannung U _E der notwendige Erregerstrom einstellbar ist.

Der erste Stromsensor 4 aus Fig. 1 ist als direkt messender passiver erster Stromsensor 4 ausgebildet. Ein direkt messender passiver erster Stromsensor 4 ermöglicht eine besonders einfache und genaue Erfassung des Erregerstroms I _E .

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1.

Die in Fig. 2 gezeigte Strommessvorrichtung 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Strommessvorrichtung 1

dadurch, dass die Ermittlungsvorrichtung 9 eine Zeitmessvorrichtung 7 aufweist, welche das Signal des ersten

Stromsensors 4 erhält und daraus zwei Signale t ₊ und t_ erzeugt, welche von einer Integrationsvorrichtung 8 ausgewertet werden, welche daraus die Stromstärke Si des zu erfassenden Stroms I ableitet. Die Stromstärke Si wird direkt als Ausgangsgröße der Ermittlungsvorrichtung 9 nach Außen geführt und kann in einer Ausgestaltungsform als Maß für die Stärke des Stromes I dienen. Die Stromstärke Si wird ferner einer Kompensationsvorrichtung 10 zugeführt, welche einen Kompensationsgenerator 11 und eine Kompensationsspule 12 aufweist. Der Kompensationsgenerator 11 erzeugt in Abhängigkeit von der Stromstärke Si eine Kompensationsspannung U _K . Die Kompensationsspule 12 magnetisiert die Magnetschleife 2 mittels dieser KompensationsSpannung U _K , wobei sich in der Kompensationsspu- le 12 ein Kompensationsstrom I _K einstellt. Es ist weiterhin ein zweiter Stromsensor 17 vorgesehen, welcher die Stärke Si _K des Kompensationsstroms I _K , welcher in der Kompensationsspule 12 fließt, erfasst. In Fig. 2 sind der erste Stromsensor 4 als erster Shuntwiderstand 4 und der zweite Stromsensor 17 und als zweiter Shuntwiderstand 17 vorgesehen.

Der Kompensationsgenerator 11 ist so dimensioniert, dass er die Kompensationsspannung U _K derart generiert, dass der durch die Kompensationsspule 12 innerhalb der Magnetspule 2 erzeugte magnetische Fluss das umgekehrte Vorzeichen und den gleichen Betrag aufweist, wie der magnetischen Fluss, welcher durch den Strom I, welcher in der Stromleitung L fließt, in der Magnetschleife 2 erzeugt wird. Dadurch wird der magnetische Fluss in der Magnetschleife 2 zu Null ausgeregelt. In einer solchen Anordnung dient die Stärke Si _K des durch die Kompensationsspule 12 fließenden Kompensationsstroms I _K als Maß für die Stärke des Stroms I .

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Zeit- messVorrichtung 7 als analoger Komparator 7 ausgebildet, welcher die Spannung erfasst, welche über den ersten Shuntwiderstand 4 abfällt, und anstatt zweier Signale t ₊ und t_ ein kombiniertes Signal t ₊ /t- ausgibt, welches positiv ist, falls die Spannung über dem ersten Shuntwiderstand 4 positiv ist und welches negativ ist, falls die Spannung über dem ersten Shuntwiderstand 4 negativ ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Zeitmessvorrichtung 7 als Mikrocontroller ausgebildet sein, welcher die Spannung, welche über dem ersten Shuntwiderstand 4 abfällt, über einen Analog/Digital-Wandler erfasst und zwei Signale erzeugt. Das erste Signal gibt die Zeitdauer t ₊ an, für die der Erregerstrom i _E innerhalb der letzten Periode des Erregerstroms I _E positiv war und das zweite Signal gibt die Zeitdauer t- an, für die der Erregerstrom I _E innerhalb der letzten Periode des Erregerstroms I _E negativ war. Alternativ er- fasst der Mikrocontroller die Spannung über dem ersten Shunt- widerstand 4 mittels eines Komparatoreingangs . Dabei kann der Komparatoreingang des Mikrocontrollers direkt mit einem Zähler des Mikrocontrollers verbunden sein. Die Zeiterfassung geschieht dann unabhängig von dem Programmablauf innerhalb des Mikrocontrollers.

Die Integrationsvorrichtung 8 weist in Fig. 2 einen Tiefpassfilter auf, welcher das Signal des analogen Komparators 7 empfängt. Wird dieses Signal durch den Tiefpassfilter, welcher eine integrierende Übertragungsfunktion aufweist, gefiltert, erhält man ein Signal, welches proportional zu dem Gleichanteil des Erregerstromes I _E ist und damit auch proportional zu dem zu messenden Strom I ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Integrationsvorrichtung 8 ebenfalls als Mikrocontroller 8 ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Mikrocontroller sowohl die Zeitmessvorrichtung 7 als auch die Integrationsvorrichtung 8 auf. In solch einer Ausführungsform ist die Integrationsvorrichtung 8 als Programmmodul innerhalb des Mikrocontrollers vorgesehen. Die Integrationsvorrichtung 8 erzeugt dann für jede Periode des Erregerstroms I _E ein Aus- gangssignal, welches der Stromstärke Si des Erregerstroms I _E entspricht. Die Integrationsvorrichtung 8 kann dieses Signal über einen Digital/Analog-Wandler des Mikrocontrollers als analoges Signal erzeugen. Alternativ kann die Integrationsvorrichtung 8 dieses Signal als digitales Signal, direkt über Ausgabepins des Mikrocontrollers oder über einen digitalen Bus, mit welchem der Mikrocontroller gekoppelt ist, ausgeben. Werden die Zeitmessvorrichtung 7 und die Integrationsvorrichtung 8 in einer Strommessvorrichtung ohne Kompensationsvorrichtung 10, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen Mikrocontroller implementiert, kann das Ausgabesignal des Mikrocon- trollers direkt als Maß für die Stromstärke des Stroms I genutzt werden. Denkbar wäre auch, das Signal Si an der Integrationsvorrichtung 8 als Maß für die Stromstärke I zu benutzen.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen StrommessVorrichtung 1. Dabei unterscheidet sich die in Fig. 3 dargestellt Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 von der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die durch den zweiten Stromsensor 17 erfasste Stromstärke Si _K einer Kalibriervorrichtung 13 zugeführt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der Kalibriervorrichtung 13 alternativ oder zusätzlich das Signal Si zugeführt werden. Dies ist in Fig. 3 durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt. Die Kalibriervorrichtung 13 weist dabei eine Steuervorrichtung 14 auf, welche dazu ausgebildet ist, mindestens zwei Werte der Stromstärke Si _K des Kompensationsstroms I oder zwei Werte des Signals Si zu speichern und deren Differenz zu bilden. Ferner ist die Steuervorrichtung 14 mit einer Stromquelle 15 gekoppelt, welche einen definierten Strom iTest erzeugt, und dazu ausgebildet, der Stromquelle 15 ein Steuersignal S _St zum Einschalten zu übermitteln. Die Stromquelle 15 ist mit einer Kalibrierspule 16 gekoppelt, welche die Magnetschleife 2 mittels des definierten Stroms I _Te s _t magnetisieren kann.

Die Steuervorrichtung 14 ist in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform als programmgesteuerte Einrichtung ausgeführt und bestimmt eine kalibrierte Stromstärke Si _Ka i des Stroms I, welcher durch den Stromleiter L fließt. Dazu speichert die Steuervorrichtung 14 einen ersten Wert der Stromstärke S _IK , während die Stromquelle 15 abgeschaltet ist. Danach erzeugt die Steuervorrichtung 14 das Steuersignal S _S t zum Einschalten und übermittelt dies an die Stromquelle 15. Auf Grund des durch die Kalibrierspule 16 fließenden Stroms I _T est verändert sich die Stromstärke Si _K des Kompensationsstroms I _K . Den veränderten zweiten Wert der Stromstärke Si _K des Kompensations- stroms I _K zieht die Steuervorrichtung 14 von dem gespeicherten ersten Wert der Stromstärke Si _K ab und vergleicht das Ergebnis der Differenzbildung mit einem gespeicherten Referenzwert. Weicht der Referenzwert von diesem Ergebnis ab, weist die Strommessvorrichtung eine Steigungsänderung auf. Die Steuervorrichtung 14 berechnet diese Steigungsänderung indem sie das Referenzwert durch das Ergebnis der Differenzbildung dividiert. Hat die Steuervorrichtung 14 eine Steigung berechnet, bestimmt sie die kalibrierte Stromstärke SiKai, indem sie diese Steigung mit dem Wert der Stromstärke Si _K multipliziert. Den Wert der kalibrierten Stromstärke Si _Ka i gibt die Steuervorrichtung 14 in digitaler Form als Signal auf einem digitalen Bus oder über Signalpins der Steuervorrichtung 14 aus. Ferner kann die Steuervorrichtung 14 den Wert der kalibrierten Stromstärke Si _Ka i über einen Digital/Analog-Wandler als analoges Signal ausgeben.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines AusführungsbeiSpiels einer Erregervorrichtung 3.

Die Erregervorrichtung 3 aus Fig. 4 weist einen Erregergenerator 5 auf, welcher mit einer Spule 6 gekoppelt ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Magnetschleife 2 zu magnetisieren. Der Erregergenerator 5 ist in Fig. 4 als Wechselspannungsge- nerator 5 ausgeführt und die Erregerspule 6 ist über zwei elektrische Verbindungen mit dem Wechselspannungsgenerator 5 gekoppelt. Der Wechselspannungsgenerator 5 kann als ein

Transformator ausgeführt sein, der eine für die Erregerspule 6 geeignete WechselSpannung aus einer QuellSpannung, welche ebenfalls eine Wechselspannung ist, erzeugt. Alternativ kann der WechselSpannungsgenerator 5 eine Vollbrücke aufweisen, mittels welcher der Wechselspannungsgenerator 5 aus einer Gleichspannung eine WechselSpannung erzeugen kann.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Erregervorrichtung 3. Im Unterschied zu der in Fig. 4 gezeigten Erregervorrichtung 3 ist der Erregergenerator 5 in Fig. 5 über zumindest zwei, beispielsweise drei oder vier elektrische Verbindungen mit der Erregerspule 6 gekoppelt. Eine erste elektrische Verbindung kontaktiert die Spulenmitte der Erregerspule 6 und ist in dem Erregergenerator 5 mit einer Versorgungsgleichspannung verbunden. Die zwei weiteren elektrischen Verbindungen verbinden jeweils einmal ein Ende und einmal ein Anfang der der Erregerspule 6 mit je einem Schalter 23 und 24 innerhalb des Erregergenerators 5. Die Erregerspule 6 wird durch diese Art der Kopplung mit dem Erregergenerator 5 in zwei Spulen 21 und 22 geteilt, welche die Magnetschleife 2 abwechselnd und in unterschiedlichen Richtungen magnetisieren. Die Punkte bezeichnen die beide Anfänge oder die beide Enden der Spulenanordnung. Wird der linke Schalter 23 geschlossen erzeugt dies einen Stromfluss in der linken Spule 21. Wird der rechte Schalter 24 geschlossen, erzeugt dies einen Stromfluss in der rechten Spule 22 in entgegen gesetzter Richtung zu dem Stromfluss in der linken Spule 21. Da die Spulen 21 und 22 die Magnetschleife 2 gleichsinnig magnetisieren, erzeugt eine abwechselnde Bestromung der linken Spule 21 und der rechten Spule 22 daher eine wechselnde Magnetisierung der Magnetschleife 2.

Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Sola- rinverters 25. Der in Fig. 6 gezeigte Solarinverter 25 weist eine Strommessvorrichtung 1 und einen Leiter L, welcher durch den Solarinverter 25 und die Strommessvorrichtung 1 verläuft, auf .

Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen eines Stroms I .

In einem ersten Schritt Sl wird eine Magnetschleife 2 mittels eines periodischen Signals U _E magnetisiert , wobei die Magnetschleife 2 dazu ausgebildet ist eine Stromleitung L aufzunehmen. Die Stromleitung L führt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel den zu erfassenden Strom I.

In einem zweiten Schritt S2 wird die Stromleitung L durch die Magnetschleife 2 geführt. Konstruktionsbedingt erfasst die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 primär Ströme, welche innerhalb der Magnetschleife 2 fließen. Dadurch wird die Strommessvorrichtung 1 unempfindlich gegenüber externen Störfeldern.

In einem dritten Schritt S3 fließt der zu erfassende Strom I durch die Stromleitung L.

In einem vierten Schritt S4 wird ein Erregerstrom I _E erfasst, welcher mittels des periodischen Signals U _E und/oder auf mittels des Stroms I innerhalb der Erregervorrichtung 3 erzeugt wird. In einem letzten Schritt S5 wird eine Stromstärke Si des zu erfassenden Stroms I bestimmt. Dies geschieht, indem die Verschiebung des erfassten Erregerstroms I _E auf der Stromachse ermittelt wird, welche proportional zu dem Strom I ist.

Ist der Erregerstrom I _E als sinusförmiges Signal ausgebildet, so ergibt der Verlauf des Erregerstroms, wenn man ihn in einem Zeit/Strom-Diagramm darstellt einen zu null Ampere symmetrischen Sinusverlauf, wenn kein Strom I fließt. Fließt ein Strom I durch die Stromleitung L so verschiebt sich der Sinusverlauf in dem Zeit/Strom-Diagramm in Abhängigkeit von dem Vorzeichen des Stroms I nach oben oder nach unten und die Verschiebung kann als Maß für den Strom I dienen.

Diese Verschiebung kann auf unterschiedliche Weisen ermittelt werden. Es kann zum Beispiel der Gleichanteil des Erreger- stroms I _E bestimmt werden. Ferner kann das Verhältnis der Zeitdauer, welche der Erregerstrom gegenüber der Periodendauer positiv oder negativ ist, zur gesamten Periodendauer berechnet werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Differenz der Zeitdauer, welche der Erregerstrom I _E positiv ist, und der Zeitdauer, welche der Erregerstrom I _E negativ ist, integriert werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. In einer alternativen Ausführungsform wird die Stromleitung zweimal durch die Magnetschleife geführt, wobei ein elektrischer Stromverbraucher in der Schlaufe des Stromleiters liegt, welche sich zwischen einem zu dem elektrischen Stromverbraucher hin- und einem von dem elektrischen Stromverbraucher zurückführenden Leiterzweig des Stromleiters ergibt. In dieser Ausführungsform erfasst die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung einen Differenzstrom zwischen dem hin- und dem rückführenden Leiterzweig. Weist der elektrische Stromverbraucher keinen Isolationsfehler auf, fließt der gleiche Strom durch den hin- und den rückführenden Leiterzweig des Stromleiters und die Strommessvorrichtung erfasst einen Differenzstrom von Null Ampere. Sobald der elektrische Stromverbraucher aber einen Isolationsfehler oder einen anderen elektrischen Fehler aufweist, durch welchen ein elektrischer Strom aus dem Verbraucher gegen Masse oder andere elektrisch leitenden Vorrichtungen abfließt, erkennt die Strommessvorrichtung eine Differenz zwischen den Strömen der hin- und rückführenden Leiterzweige des Leiters. Die Ausgabe der

StrommessVorrichtung entspricht dann diesem Differenzstrom.

S _IKal kalibrierte Stromstärke

U _K KompensationsSpannung

I _K Kompensationsstrom

S _St Steuersignal

I _Test definierter Strom

S1 -- S5 Verfahrensschritte