Wer in der Leistungselektronik Betriebsströme misst, hat es in der Regel mit Gleich- oder Wechselströmen bis zu einigen hundert Hertz und hoher Amplitude zu tun. Sie sind überlagert von den Taktströmen der Leistungshalbleiter, die sich im ein- bis mittleren zweistelligen Kilohertzbereich bewegen und Oberwellen bis in den dreistelligen Bereich aufweisen. Deren Amplitude liegt um eine Größenordnung niedriger. Die Stromerfassung hat dabei eine Reihe anspruchsvoller Aufgaben zu erfüllen. Hierzu gehört die stetige präzise Abbildung der momentanen Größe des Gleichstroms bis mindestens zur Grenzfrequenz des Regelkreises, die typisch bei 30 kHz liegt. Zum Erkennen einer Überlast muss der Sensor innerhalb von 1 bis 3 µs reagieren.
Auf einen Blick
Für das Messen von Betriebsströmen gibt es viele Sensoren. Aber nicht jeder, eignet sich für jede Applikationen. Die vorgestellten Stromsensorenfamilien unterscheiden sich durch ihre Grundfläche, ihre Montage, die Nennströme und den Messbereich, der sich erfassen lässt.
Eine große Bandbreite von beispielsweise 200 kHz und eine schnellere Reaktionszeit von unter 1 µs verbessern die Regelgüte und die sichere Erfassung von Kurzschlüssen. Auf eine Genauigkeit unter 0,5 Prozent mit ebenfalls hoher Temperaturstabilität lässt sich in einigen Anwendungen nicht verzichten. Die Stromerfassung muss fast immer eine galvanische Isolation zwischen Last- und Signalstromkreis aufweisen, wobei die Isolationsanforderungen je nach angewendeter Norm, wie EN61800, UL508 oder UL1741, durchaus unterschiedlich sein können. Ebenfalls von Bedeutung sind die Umweltanforderungen zum Beispiel an Temperaturen und Vibrationen. Als Anwendungen für diese Art der Strommesstechnik muss man sich die gesamte Bandbreite der getakteten Leistungselektronik vorstellen. Diese reicht vom Erfassen der Motorströme in Frequenzumrichtern über die DC-, AC- und Fehlerstromerfassung in Photovoltaik-Wechselrichtern bis hin zur Stromerfassung in Schweißinvertern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen.
Unterschiedliche Messverfahren
Zu unterscheiden sind resistive und magnetische Messverfahren. Beim resistiven Verfahren (Shunt) wird der Spannungsabfall über einen vom Messstrom durchflossenen Widerstand gemessen. Bei magnetischen Messverfahren unterscheidet man zwischen Open- und Closed-Loop-Sensoren auf der einen Seite, bei denen man den vom Stromfluss angeregten magnetischen Fluss in einem weichmagnetischen Kern auswertet, und magnetoresistiven Verfahren auf der anderen Seite, bei denen man die Abhängigkeit des Widerstandes eines Leiters von einem angelegten Magnetfeld nutzt. Alle Messverfahren ermitteln zunächst eine Hilfsgröße, also zum Beispiel eine Spannung oder eine magnetische Feldstärke. Am meisten verbreitet sind Shunts sowie Open- und Closed-Loop-Stromsensoren.
Von Shunts und magnetischen Verfahren
Bei kleinen Strömen von wenigen Ampere sind Shunts am gebräuchlichsten. Sie sind klein und kostengünstig; sie arbeiten zwar nicht verlustfrei, aber das ist erst bei höheren Stromstärken ein Nachteil. Shunts bieten keine galvanische Trennung, diese lässt sich über einen Isolationsverstärker herstellen. Nicht erst wenn Ströme im zwei- oder dreistelligen Amperebereich zu messen sind, beginnt beim Shunt das Abwägen zwischen Verlustleistung und Messfehler. Die Auswahl des Operationsverstärkers, seine Versorgung, die Art der galvanischen Trennung, das Vermeiden von Frequenz- und Phasenfehlern durch die Induktivität des Widerstandes, dessen Kühlung und weitere wichtige Randbedingungen machen den Shunt-Einsatz zur anspruchsvollen Aufgabe. Die Genauigkeit von Messsystemen mit Shunts reicht für viele Aufgaben, erreicht aber in der Regel nicht diejenige hochwertiger magnetischer Sensoren.
Bei den magnetischen Verfahren sind die direkt abbildenden Sensoren (Open-Loop) und Kompensationssensoren (Closed-Loop) am gebräuchlichsten. Closed-Loop-Sensoren können sich noch in der Art der Feldsonde
scheiden. Bei Open-Loop-Sensoren misst der Ingenieur die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Magnetkerns durch eine Hallsonde. Sie erzeugt eine kleine, zur Feldstärke proportionale Ausgangsspannung. Die verstärkte Spannung stellt das Ausgangssignal des Sensors dar. Die Vorteile sind eine recht niedrige Stromaufnahme und die kompakte Bauform. Nachteilig sind die mäßige Bandbreite (beispielsweise 10 oder 30 kHz) und hohe Anstiegszeit. Problematisch ist der Abbildungsfehler, besonders dessen Temperaturabhängigkeit. Über einen weiten Anwendungstemperaturbereich wie von -25 bis +85 °C betrachtet, kann der Fehler sogar im zweistelligen Prozentbereich liegen. Open-Loop-Sensoren eignen sich daher für weniger anspruchsvolle Anwendungen.
Geschlossene Schleife
Bei Closed-Loop-Sensoren (Bild 1) erweitert sich der Grundaufbau des Open-Loop-Typs lediglich um eine Kompensationsspule. Die Elektronik des Sensors wertet das Sondensignal aus und treibt einen daraus abgeleiteten Strom durch die Kompensationsspule. Dieser Kompensationsstrom ist proportional dem Primärstrom, besitzt jedoch die umgekehrte Polarität. Hierdurch wird ein magnetischer Fluss im Kern, welcher durch den Primärstrom erzeugt würde, auf Null geregelt. Die Feldsonde fungiert also nur noch als Nullfelddetektor und läuft nicht mehr im linearen Bereich, was die Genauigkeit erhöht. Der Kompensationsstrom ist ein Abbild des Primärstromes.
Die Bandbreite des beschriebenen Regelkreises liegt bei unter 10 kHz. Sie ist für die Bandbreite des gesamten Sensors jedoch nicht entscheidend, denn bei höheren Frequenzen funktioniert der Magnetkreis als Stromtransformator. In der Konsequenz bildet der Kompensationsstrom, beziehungsweise die über dem Messwiderstand daraus abfallende Spannung den Primärstrom präzise ab, und zwar im Frequenzbereich von Gleichstrom bis typischen 100 oder 200 kHz. Als Feldsonde wird bei Closed-Loop-Sensoren häufig – wie auch bei Open-Loop-Typen – ein Hall-Element eingesetzt. Dessen Nachteile, wie höherer Temperaturdrift, kleines Ausgangssignal und geringe Langzeitstabilität, wirken sich hier aus, wenn auch in abgemilderter Form. Besser ist es, eine Magnetsonde, auch Fluxgate-Sonde genannt, zu verwenden.
Die Magnetsonde – der überlegene Nullfelddetektor
Bei der von Vacuumschmelze (VAC) entwickelten Magnetsonde handelt es sich um eine Anwendung des Fluxgate- oder Sättigungskernsonden-Prinzips. Dabei erfasst der Ingenieur das Feld im Luftspalt des Magnetkerns von einer Spule auf einem kurzen Streifen amorphen Magnetmaterials, die Teil eines selbstschwingenden Kreises ist und deren Kern wechselseitig in die Sättigung getriebenen wird. Ein auf sie einwirkendes externes Feld verschiebt die magnetische Symmetrie des Kerns und ändert damit das Tastverhältnis eines abgeleiteten PWM-Signals. Hieraus erfolgt wiederum die Gewinnung des Kompensationsstroms. Die Arbeitsfrequenz der Sonde liegt bei 400 kHz oder höher und somit weit oberhalb des nutzbaren Frequenzbereiches. Das Ausgangssignal der Sonde hat eine hohe Amplitude; es benötigt also keine signifikante Verstärkung. Die Genauigkeit der Sonde hängt außerdem von der physikalisch bedingt immer perfekten Symmetrie der Hystereseschleife ab und nicht von ihrer Steigung oder der Sättigungsinduktion des Materials. Diese Eigenschaften unterliegen einer, wenn auch nur geringen, Temperaturabhängigkeit.
Closed-Loop-Sensoren mit magnetischer Sonde erreichen über anwendungstypische Temperaturbereiche betrachtet etwa die doppelte Gesamtgenauigkeit von Closed-Loop-Sensoren mit Hall-Element als Nullfelddetektor. Ihr Gesamtfehler bei Raumtemperatur liegt bei typischen 0,1 Prozent, die Temperatur- und Langzeitstabilität der Offsetgrößen liegt im Bereich einiger 100 ppm. Bild 2 erläutert die Verteilung der gemessenen Ausgangsströme von mehr als 2000 Exemplaren eines 25-A-Sensors, ausgedrückt als Übersetzungsverhältnis mit Nennwert 1:1000. Die Fertigungsstreuung liegt im Promillebereich, der CpK-Wert ist größer als 5. Bild 3 zeigt den Temperaturgang des Offsets der Ausgangsgröße mehrerer Exemplare eines 25-A-Sensors über einen weiten Bereich. Der Offset liegt unter einem Tausendstel des Nennstroms. Er lässt sich bei Raumtemperatur abgleichen. Die anschließende Veränderung über der Temperatur im Betrieb ist vernachlässigbar.
Die Closed-Loop-Sensoren mit magnetischer Sonde stellen das hochwertigste unter den kostengünstigen, in hohen Stückzahlen gefertigten Messverfahren dar. Solche Sensoren sind immer Plug&Play-Varianten, die ohne großen Engineering-Aufwand schnell zu Entwicklungen führen. VAC entwickelte das Messprinzip und führt ein großes Programm dieser Sensoren.
Mehr Platz und erhöhte Zuverlässigkeit
Die Elektronik der Sensoren ist nahezu vollständig in einem
sspezifischen Schaltkreis integriert. Dieser enthält unter Anderem das Signal-Processing, einen Differenzverstärker für das Ausgangssignal, eine hochpräzise Referenzspannungsquelle, sowie eine Reihe von Kontroll- und Überwachungsfunktionen. Durch die Integration reduziert sich die Baugröße der Sensoren, und aufgrund der reduzierten Bauelemente-Anzahl erhöht sich die Zuverlässigkeit.
Die Stromsensoren von VAC gibt es mit 5-V-Versorgung und Spannungssignal an Ausgang sowie mit +12- bis +15-V-Versorgung und Stromausgang. Der am Eingang des A/D-Wandlers der Anwendung benötigte Pegel, lässt sich entweder durch Auswählen des geeigneten Sensortyps oder durch Auslegen des Messwiderstandes anpassen. Die Bauformen erstrecken sich von primär- und sekundärseitig printmontierten Typen über solche Ausführungen, die primärseitig über eine Durchstecköffnung verfügen bis hin zu Panel-Mount-Typen, die sich direkt auf dem Gerätechassis montieren lassen. Der Normenbezug erfolgt dort meist nach der Antriebstechnik-Norm EN61800; der Löwenanteil der Standard-Typen ist auch nach UL508 zugelassen.
Der N4646-X7xx (Bild 4) belegt eine Grundfläche von nur 22,2 x 13,7 mm auf der Leiterplatte. Er kann Ströme von 50 Aeff verkraften und erfasst diese im Messbereich von +150 A. In gleicher Auflösung lässt sich auch ein Messbereich von nur +5 A abdecken. Die Sensoren weisen gute Isolationseigenschaften auf. Luft- und Kriechstrecken von 9,6 oder 10,6 mm ermöglichen zusammen mit einem CTI 600-Gehäusewerkstoff beispielsweise eine Arbeitsspannung von 1060 V nach EN61800 unter den üblichen Bedingungen.
Hohe Ströme
Ströme größer 100 A leiten die Ingenieure nicht mehr über die Leiterplatte, sondern über Stromschienen oder Litzen. Für Nennströme bis 200 Aeff und Messbereiche über 400 A eignen sich die N4646-X1xx- und die -X2xx-Bauform (Bild 5). Ist die Leistung der Anwendung noch höher, lässt sich der Stromsensor in der Regel auf dem Gerätechassis montieren, die Versorgungs- und Signalanschlüsse über Stecker kontaktiert. Die Reihe N4646-X0xx eignet sich für Nennströme bis 700 Aeff und Messbereiche von +1250 A (Bild 6). Dabei bleiben die Abmessungen mit 56 x 56 x 26 mm (ohne Fußwinkel) kompakt, die Durchstecköffnung ist mit 30 x 13 mm ausreichend groß für die in diesem Strombereich üblichen Stromschienen.
Die Typen T60404-P4640-X1xx gehören zu der Sensorfamilie für den Nennstrom 1000 Aeff und Messbereichen bis ±2500 A (Bild 7). VAC setzt hier das Prinzip des Kompensationssensors mit Magnetsonde zum ersten Mal zum Erfassen sehr hoher Ströme ein. Bei Außenabmessungen, die zu gängigen Wettbewerbstypen kompatibel sind, haben sie eine Durchstecköffnung von 40,5 x 40,5 mm (mit Schrägen).
Der Differenzstromsensor eignet sich unter Anderem für transformatorlose Solarwechselrichter. Eine wichtige Sicherheitsfunktion der Geräte ist das Überwachen des Ableitstroms des gesamten Systems aus Photovoltaik-Modulen und Wechselrichtern gegen Erde mittels Auswertung der Differenz zwischen hin- und rückfließendem Betriebsstrom. Der Ableitstrom kann Gleich- und Wechselkomponenten enthalten. Daher ist ein allstromsensitives Überwachen notwendig. Das Herzstück ist der Differenzstromsensor, dessen Ausgangsspannung die Steuerung des Solarwechselrichters auswertet. Die niedrigste Auslöseschwelle nach der Norm EN62109 beträgt 30 mA. Der Differenzstromsensor bildet sie sicher ab – und das bei einem Betriebsstromes bis zu 50 A.
Klaus Reichert
(rao)
