Spannungs-Messwandler für Bahn und Industrie

Aggressive Umweltbedingungen wie sie in der Bahntechnik und im industriellen Umfeld gegeben sind, erfordern von elektronischen Systemen zur Überwachung der elektrischen Leistung ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit. Gefordert werden höchste Betriebssicherheit und elektrische Isolierung, um den Schutz des Bedienpersonals vor einem Kontakt mit gefährlich hohen Spannungen gewährleisten zu können und empfindliche Messgeräte und Steuerschaltungen vor Schäden zu bewahren.

Einzelne Komponenten, Module und Subsysteme benötigen höhere Isolationsspannungen und bessere Teilentladungs-Kennwerte sowie größeren Schutz gegen externe elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder. Bauteile, die sehr unempfindlich gegenüber externen elektromagnetischen Störungen sind, erfüllen zwangsläufig auch die Anforderungen hinsichtlich geringer Abstrahlung und stören damit nicht die Funktion benachbarter Schaltungen. Eine weitere Besonderheit der Bahntechnik betrifft den Betrieb unter Feuer- und Rauchbelastung. Hier müssen strenge Auflagen erfüllt werden, was das elektrische Verhalten und die Feuerbeständigkeit der Bauteilematerialien betrifft.

Günstigeres Betriebsverhalten

Ein günstigeres Betriebsverhalten und ein höherer Wirkungsgrad bedingen eine bessere Abrechnungstechnik. Zunehmend fordern Bahntechnik-Spezifikationen eine Basis-Messfehler für Spannung und Strom von deutlich weniger als ein Prozent.

In der Industrie geht es vor allem um einen höheren Wirkungsgrad bei Antriebssteuerungen für Elektromotoren. Eine bessere Kontrolle beruht immer auf leistungsfähigeren Messungen; dies gilt nicht nur für die Spannungs- und Stromwerte selbst, sondern auch für zeitliche Verläufe. Hier will man beispielsweise in Wellenformen die Nulldurchgänge genau erkennen, damit Umrichter verlustlose Schaltvorgänge implementieren können.

Daraus ergeben sich eine Anzahl von Anforderungen an den Messwandler, als der Komponente am Anfang einer Signalkette für Messung und Steuerung. Dazu gehören hervorragende Werte bei Parametern wie beispielsweise Unempfindlichkeit gegenüber Gleichtakt-Störungen, geringer thermischer Drift, schnelle Reaktionszeit, große Bandbreite und guter Störabstand.

Der Bahntechnik-Markt dringt auf ein besseres Betriebsverhalten bei Spannungsmessungen in folgenden Punkten:

• Netzspannungen von 750 und 1500 V im Fahrleitungsnetz,
• Wechselspannungs-Stromschienen mit bis zu 2000 V_eff,
• Leistungswandler- und Steuerfunktionen wie Umrichter, Signalumformer, Gleichrichter und Bremssteller,
• Energieverteilungs-Unterstationen, in denen Spannungs-Messwandler am Ausgang des DC-Gleichrichters die an die Fahrleitungen gelieferten Gleichspannungen überwachen,
• Umrichter/Treiberkonfigurationen mit Spannungen bis 2000 V_DC sowie bei einzelnen Motorphasen-Spannungen,
• streckenseitige Spannungsmessungen.

Ganz ähnlich sind die Forderungen im Industriesektor und bei erneuerbaren Energien, damit ein besseres Betriebsverhalten bei Spannungsmessungen erzielt werden kann.

• Wechselstrom-Antriebe mit variabler Drehzahl auch beim statischen Umrichter für Gleichstromantriebe,
• batteriebetriebene Anwendungen einschließlich (aber nicht begrenzt auf) unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPSs),
• Sonder-Stromversorgungen für Lichtbogenschweißen, medizinische Anwendungen sowie für Mobiltelefonie-Infrastruktur,
• Klimaanlagen und Lüftung (HVAC),
• Hochleistungs-Wandler und Umrichter in (photovoltaischen) Solar- sowie Windkraftwerken,
• Leistungsfähige Messungen.

Vor diesem Hintergrund hat LEM mit der Einführung der DVL-Serie die Leistung seiner Spannungs-Messwandler verbessert, die isolierte Spannungsmessungen von 50 bis 2000 V_eff bieten. Funktion, Leistung und Abmessungen dieser Produktfamilie sind voll kompatibel zu den Spannungs-Messwandlern älterer Generationen (wie etwa den Produktfamilien AV 100 und LV 100). Zudem bieten sie erheblich verbesserte Genauigkeit und Temperaturstabilität. Mit den Abmessungen 137,8 x 63 x 64,3 mm³ passt die DVL-Familie in das Profil des Halleffekt-Spannungsmesswandlers LV100, benötigt jedoch 271 cm³ weniger Raum und ist um 30 Prozent leichter als ein AV100-Modell. Zu der zu messenden Spannung besteht eine direkte elektrische Verbindung. Weiterhin bieten die Messwandler eine interne galvanische Isolation. Durch die elektronischen Schaltungselemente sind diese Messwandler im Vergleich zu Halleffekt- und Fluxgate-basierten magnetischen Spannungsmesswandlern relativ unempfindlich gegenüber externen Magnetfeldern.

Stromverbrauch und Verlustleistung sind niedrig, so dass keine externen Kühlkörper erforderlich sind. Trotzdem bieten die Messwandler ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Energie-Effizienz. Durch ihre kompakten Abmessungen und die geringe Eigenerwärmung können sie in engen Räumen, zum Beispiel innerhalb eines Motorgehäuses oder in versiegelten Gehäusen eingesetzet werden.

Durch die direkte Verbindung zwischen der gemessenen Spannung und dem Messeingang des Messwandlers ist eine Isolierung innerhalb des Gerätes erforderlich. Erreicht wird dies mithilfe eines speziellen, patentierten Übertragers. Bild 1 erläutert die Funktion des Messwandlers. Vom Eingangspin, an dem die Spannung bis zu ± 2 kV betragen kann, gelangt das Signal zunächst zu einem Spannungsteiler, der das gemessene Potenzial auf einige 100 mV reduziert. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie die sehr hohen Flankensteilheiten beim gemessenen Signal (hohes dv/dt) tolerieren kann, zugleich aber nur eine geringe thermische Drift aufweist. Unmittelbar danach, in der frühestmöglichen Stufe der Messwandler-Architektur, wird das Signal über einen Delta-Sigma-Modulator in einen einzigen seriellen digitalen Datenstrom umgewandelt. Da der Großteil der Messwandler-Schaltung digital ist, lässt sich die Temperaturdrift sehr gering halten. Offset und Empfindlichkeit für jedes Bauteil können anschließend in der Fertigung per Software eingestellt werden. Als nächstes gelangt der digitale Bitstrom zum Isolations-Übertrager. Dieses patentierte Design nutzt als Schutz gegen die hohen Spannungen am Eingang einen speziellen Magnetkern, der aufgrund der hohen Frequenz des Pulsstroms (10 MHz) kompakt ausgelegt werden kann. Auf der Sekundärseite wird der Bitstrom decodiert und digital gefiltert, so dass sich die erzeugten, normalen Digitalwerte im integrierten D/A-Wandler des Mikrocontrollers weiterverarbeiten lassen. Das aufbereitete Ausgangssignal ist nun vollständig vom Primärkreis (Hochspannung) isoliert und entspricht genau der Primärspannung.

Die Integration eines Mikrocontrollers (MCU) im Messwandler ermöglicht die Flexibilität, die durch digitale Steuerung und Software-Programmierung möglich wird. Mit einer Veränderung der durch die MCU eingestellten Verstärkung lässt sich ein einziger Baustein problemlos an verschiedene Messbereiche anpassen. Per Software kompensiert die MCU Offsets, legt die Verstärkung fest und wandelt anschließend das digitale Signal in ein analoges um. Danach wird die analoge Ausgangsspannung über eine kurzschlussfeste Stromquelle in einen Strom (±75 mA Maximalamplitude) umgewandelt. Optional ist eine Version mit einem für Industriesteuerungen üblichen Ausgangsstrombereich von 4…20 mA erhältlich. Zusätzlich steuert die MCU einen Gleichstromwandler, der interne Versorgungsspannungen für die Primär- und Sekundärkreise erzeugt. Diese Architektur ist die Basis für den geringen internen Stromverbrauch sowie die niedrigere Verlustleistung der DVL-Serie. Der Baustein benötigt nur einen Betriebsstrom von 20 bis 25 mA aus einer ±24-V_DC-Stromversorgung (der vollständige spezifizierte Versorgungsspannungsbereich beträgt ±13,5 bis ±26,4 V). Verglichen mit den Vorgänger-Bausteinen entspricht dies einer Energieersparnis von 30 Prozent.

Energieersparnis von 30 Prozent

Dank dieses innovativen Designs erreicht das Messelement eine Gesamtgenauigkeit von ±0,5 % von VPN (der maximalen statischen Eingangsspannung) bei Umgebungstemperatur sowie eine Gesamt-Genauigkeit von bis zu ±1% von VPN über seinen gesamten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C mit einer Offset-Drift von ±150 µA und einem Empfindlichkeits-Driftfehler von ±0,5 %. Alle genannten Werte gelten für den gesamten Betriebstemperatur-Bereich. Neben dem internen Design mit Schwerpunkt auf einem hohen Maß an Isolation im Signalpfad wurde beim Gehäuse-Design besonders auf die Materialauswahl geachtet. Hier legte man großen Wert auf die physikalische Trennung von Pins und Anschlussklemmen sowie auf große Kriechstrom-Strecken und Sicherheitsabstände. Als Ergebnis weist der Messwandler eine Isolations-Testspannung von 8,5 kV_eff bei Beaufschlagung mit einer Arbeitsspannung von 2 kV über eine Minute sowie eine Teilentladungsaussetzspannung von mehr als 2,7 kV_eff bei 10 pC.

In seinen Ziel-Anwendungsbereichen muss die DVL-Serie einen breiten Frequenzbereich und kurze Reaktionszeiten bieten, um schnelle Veränderungen der Eingangsspannung zu erkennen und bei der Umrichter-Schaltung eine gute Signalqualität zu gewährleisten. Die Wandler-Reaktionszeit beträgt weniger als 60 µs, seine Bandbreite (Frequenzbereich) 14 kHz am -3-dB-Punkt, und das Ausgangsrauschen zwischen 1 Hz und 100 kHz ist kleiner 10 µA. Nur geringe parasitäre Kapazitäten weist das Detail-Design des Wandlers auf. Perfekt symmetrisch wurde der Primärkreis ausgelegt und gewährleistet damit eine hohe Störsicherheit gegen dynamisches Gleichtakt-Rauschen.

Mechanischer Aufbau und Standards

Ein modulares Designkonzept bietet Flexibilität für die Konfigurierung der Verbindungen. Die Primärspannung kann über Schraubklemmen oder isoliertes Kabel angelegt werden. Für den Sekundärkreis sind zahlreiche Verbindungen möglich: Stecker, abgeschirmte Kabel oder Schraubklemmen. Die DVL-Modelle wurden entsprechend der neuesten anerkannten und weltweiten Standards für Bahn-Antriebstechnik und industrielle Anwendungen entwickelt und getestet, so zum Beispiel nach EN 50155, EN 50178, EN 50121-3-2, und EN 50124-1.

Die wichtigsten Fertigungszentren von LEM für Bahntechnik-Messwandler sind nach IRIS zertifiziert und besitzen die ISO-TS16949-Freigabe für den industriellen Markt. DVL-Messwandler tragen das CE-Signet als Konformitätsgarantie zur europäischen EMV-Direktive 2004/108/EEC sowie zur Niederspannungs-Direktive 2006/95/EEC. Umweltfreundliche Design-Prinzipien wurden während des gesamten Entwicklungs- und Fertigungsprozesses befolgt: Weniger Material kam zum Einsatz (30 Prozent leichter), und der Stromverbrauch ließ sich um 30 Prozent verringern. Umfangreiche Tests mit Temperaturzyklen nach den Prinzipien beschleunigter Lebenszyklen wurden durchgeführt, um ein hohes Maß an Vertrauen in eine äußerst niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit über eine lange und stabile Nutzungsdauer zu gewährleisten.

(ah)