Viele Drehstromzähler nutzen CTs oder Current-Transformer zum Messen der Ströme in den Phasen und über den Nullleiter. Zu den Vorteilen von CTs als Stromwandler zählt ihre elektrische Isolation, die sie zwischen der Netzspannung mit mehreren hundert Volt und der Masse des Zählers, normalerweise mit dem Nullleiter verbunden, aufweisen. CTs können eine gute Linearität erreichen und sind flexibel genug, um je nach Wicklungsverhältnis und Lastwiderständen einen großen Bereich an Strömen zu messen.
Auswahlkriterien festlegen
Der Einsatz von CTs in Energiezählern hat aber auch Nachteile: Zunächst einmal können externe DC-Magnetfelder den Magnetkern der CTs sättigen. Extrem leistungsstarke DC-Magnete aus seltenen Erden sind heute für den durchschnittlichen Hausbesitzer leicht zu besorgen; diese lassen sich sehr gut zur Manipulation einsetzen.
Auf einen Blick
Mittels leistungsstarker DC-Magneten manipuliert der eine oder andere Betreiber sein Drehstrommessergebnis zu seinen Gunsten. Vermeiden lässt sich dieser Betrug durch Einsatz eines Dreiphasen-Energiezählers mit Shunts.
Des Weiteren können CTs auch durch Geräte der Leistungselektronik wie direkt angeschlossene Solarwechselrichter eine Sättigung erreichen, die DC-Ströme in das Netz einspeisen. Hersteller können diesen beiden Effekten mit Abschirmungen und dem Einsatz DC-toleranter CTs begegnen, was jedoch Kosten verursacht. Laut Experten gibt es für jeden CT-Typ einen Dauermagneten für Manipulationen. Zusätzlich verursachen CTs je nach Frequenz der Ströme auf der Netzspannung einen Phasenversatz der Messwerte. Falls nur die fundamentale Komponente des Stromes auf der Netzspannung ins Gewicht fällt, lässt sich dieser Versatz relativ einfach kompensieren. Allerdings wird das Messen von Harmonischen (Oberschwingungen) wichtiger und es ist sehr schwer, die Verzögerungen der Grundfrequenz und aller Harmonischen zusammen zu kompensieren.
Alternativen stets erwägen
Andere Stromsensoren, darunter Di/Dt-Sensoren wie Rogowski-Spulen oder Hall-Sensoren finden weniger häufig in Drehstrom-Energiezählern Einsatz. Rogowski-Spulen haben zwar eine gute Linearität und können hohe Ströme messen, aber ihre Herstellung birgt Schwierigkeiten. Die für die exakte Messung kleiner Ströme erforderliche Störunempfindlichkeit ist ebenfalls schwierig zu erreichen. Von der Warte der Manipulationsversuche aus betrachtet, können Rogowski-Spulen anfällig gegenüber AC-Magnetfeldern sein. Hall-Sensoren benötigen eine aktive Kompensation des Offsets über den Temperaturbereich und sind empfindlich gegenüber Magnetfeldern.
Shunts und Dreiphasen-Energiemessung
Der Einsatz resistiver Shunts in einphasigen Zählern hat in den letzten Jahren zugenommen. Sie haben Vorteile hinsichtlich Kosten, magnetischer Immunität und Baugröße. Oft sind diese einphasigen Zähler auf die Netzspannung bezogen und brauchen daher keine zusätzliche Isolation. In dreiphasigen Zählern besteht die Herausforderung darin, eine Isolationsstrecke zwischen jedem Shunt und dem Kern des Zählers zu adressieren. Wärme verursacht ebenso Probleme, was typischerweise den Einsatz von Shunts auf Zähler mit maximalen Strömen von 120 A oder weniger begrenzt.
Bild 1: Strom- und Spannungsmessung in Phase A, wenn der Shunt den Phasenstrom misst.Analog Devices
Zunächst findet die Phase A eines dreiphasigen Systems und seiner Last Betrachtung. Wenn ein Shunt den Phasenstrom misst (Bild 1) ist das eine exakte einphasige Energiezählerkonfiguration. Der Shunt befindet sich in der Versorgungsleitung und ein Spannungsteiler misst die Phase bezogen auf den Nullleiter. Die Spannungen über dem Shunt und dem Spannungsteiler erfasst ein A/D-Wandler (ADC). Die Masse ist der gemeinsame Bezugspunkt des Shunts und des Spannungsteilers. Einphasige Zähler gibt es in Privathaushalten. Ihr Maximalstrom beträgt normalerweise weniger als 120 A.
Bild 2: Dreiphasige Strom- und Spannungsmessung, wenn Shunts die Phasenströme mit Shunts messen.Analog Devices
Diese Grenze und niedrige Kosten machen Shunts zu den gebräuchlichsten Stromsensoren bei einphasigen Energiezählern.
Wiederholt sich dieses Prinzip über die drei Phasen, hat jeder ADC seine eigene Masse (Bild 2). Da sich der Mikrocontroller, der für alle ADCs zuständig ist, auf dem gleichen Potenzial wie der Nullleiter befindet, muss man die Datenkanäle galvanisch isolieren, damit die Kommunikation zwischen den ADCs und der MCU funktioniert: Jeder ADC braucht eine eigene isolierte Stromversorgung (Bild 3).
Bild 3: Ein Dreiphasenzähler mit Shunts, separaten Stromversorgungen und galvanisch isolierter Kommunikation.Analog Devices
Diese Zählerarchitektur befindet sich bereits im Einsatz: Zweikanalige ADCs übertragen Information mit Hilfe von Optokopplern oder Chip-Scale-Transformatoren seriell über die Isolationsstrecke an die MCU. Die isolierten Stromversorgungen sind mit Stand-Alone-Komponenten oder isolierten DC/DC-Wandlern aufgebaut, die Chip-Scale-Transformatoren nutzen. Erfolgt das Messen der drei Phasenströme und Spannungen gleichzeitig, lassen sich die Werte für umfassende Phasenanalysen heranziehen. Doch die ADC-Messungen an jeder Phase sind völlig unabhängig voneinander, da keine ADC-Synchronisation vorhanden ist; die erste Einschränkung dieser Architektur.
Energiezähler mit Stromtransformatoren oder Rogowski-Spulen haben dieses Problem nicht, weil bei ihnen ein Mess-AFE (Analog Front End) zum Einsatz kommen kann, das alle Phasenströme und Spannungen gleichzeitig liest.
Ein weiterer Nachteil ist, dass diese Architektur viele Komponenten braucht: eine MCU, drei ADCs, drei mehrkanalige Datenisolatoren und vier Stromversorgungen. Die Leiterplatte von Zählern mit CTs hingegen enthält normalerweise eine MCU, ein Mess-AFE und eine Stromversorgung. Wie lässt sich nun ein Zähler realisieren, der die Vorteile von Shunts mit möglichst wenigen Bauteilen für diese Architektur (wie eine MCU, eine Stromversorgung und drei ADCs) aufweist und alle drei Phasenströme und Spannungen simultan misst?
Die isolierte ADC-Architektur
Bild 4: Die ADC-Architektur mit zweikanaligem ADC, Datenisolation und einem isolierten DC/DC-Wandler.Analog Devices
Dafür benötigt man einen Chip, der mindestens zwei ADCs, einen isolierten DC/DC-Wandler und Datenisolation enthält und eine Technik aufweist, die es ermöglicht, dass die ADCs verschiedener Chips die Daten simultan messen (Bild 4). Die Stromversorgung der MCU versorgt ebenfalls diesen Chip. Ein isolierter DC/DC-Wandler mit Chip-Scale-Transformatortechnik liefert die isolierte Power zur ersten Stufe der ADCs. Ein ADC misst die Spannung über dem Shunt, ein zweiter die Spannung der Phase zum Nullleiter mit einem Spannungsteiler. Die Masse, die sich durch einen der Pole der Shunts bestimmt, ist die Masse der isolierten Seite des Chips. Bei den ADCs handelt es sich um Sigma/Delta-Typen. Nur die erste Stufe ist auf der isolierten Seite des Chips platziert. Der Bitstrom, der aus der ersten Stufe kommt, passiert die Chip-Scale-Transformatoren, welche die isolierten Datenkommunikationskanäle bilden. Die Bits werden auf der nichtisolierten Seite des Chips empfangen, gefiltert, in 24-Bit-Worte organisiert und an einem SPI-Port bereitgestellt.
Die Chip-Scale-Transformatortechnik leistet einen wichtigen Beitrag zu dieser ADC-Architektur. Die patentierten iCoupler-Digitalisolatoren von Analog Devices sind zuverlässiger als Optokoppler. Sie sind kleiner, verbrauchen weniger Energie und erreichen höhere Kommunikationsgeschwindigkeiten sowie bessere Timing-Genauigkeit. Isolierte Sigma/Delta-Modulatoren, die Optokoppler oder Chip-Scale-Transformatoren nutzen, gibt es hingegen schon lange. Signifikant für die Chip-Scale-Transformatortechnologie ist der zugehörige isolierte Iso-Power-DC/DC-Wandler. Er lässt sich mit den ADCs, dem Digitalblock und den isolierten Datenkanälen im gleichen platzsparenden (Low-Profile) SMD-Gehäuse integrieren.
Trafo statt Optokoppler
Da es sich bei den Chip-Scale-Transformatoren um kernlose Typen handelt (Luftspule), lassen sich die iCoupler-Digitalisolatoren und die isolierten Iso-Power-DC/DC-Wandler nicht durch Dauermagnete beeinträchtigen. Seitens des Energieverbrauchszählers sind sie immun gegenüber Manipulationsversuchen mit DC-Magneten. Die Transformatoren widerstehen auch Einfüssen von AC-Magnetfeldern. Die Spulen sind so klein, dass ein 10-kHz-Magnetfeld mit 2,8 Tesla vorhanden sein muss, um das Verhalten der Iso-Power-Spule zu beeinträchtigen. Mit anderen Worten: Man müsste also einen 10-kHz-Strom von 69 kA durch einen Draht leiten und diesen in 5 mm Entfernung vom Chip anbringen, um das Verhalten der Chip-Scale-Transformatoren zu manipulieren.
Die Informationsübertragung erfolgt mit hochfrequenten PWM-Pulsen über die Isolationsstrecke. Die Pulse erzeugen HF-Ströme, die in die Leiterplatte fließen und Edge- sowie Dipole-Strahlung verursachen. Die Last eines isolierten DC/DC-Wandlers bestimmt sich durch die erste Stufe der Sigma/Delta-ADCs; ihre Größe ist bekannt. Die Spulen sind für eine bekannte Last entwickelt. Das reduziert die Strahlung, die normalerweise durch den DC/DC-Wandler entsteht, und macht vierlagige Leiterplatten überflüssig. Die Hersteller der Energiezähler können zweilagige Leiterplatten nutzen und den erforderlichen CISPR-22-Class-B-Standard einhalten, wenn sie ICs mit dieser Architektur einsetzen.
Schnittstelle zum Mikrocontroller
Um die Schnittstelle zur MCU so einfach wie möglich zu gestalten, führt der Digitalblock des Chips das Filtern des Bitstromes der ersten Stufe durch und erzeugt 24-Bit-ADC-Ausgangsdaten über einen seriellen Slave-SPI-Port. Da der Energiezähler in jeder Phase einen isolierten ADC hat, bleibt die Herausforderung bestehen, kohärente ADC-Ausgangsdaten zu erhalten. Die erste Stufe der ADCs kann ein Sampling aller Phasen im gleichen Moment ausführen, falls sie im gleichen Takt arbeiten. Dies ist zu bewerkstelligen, wenn die MCU das CLKin-Signal aus Bild 4 erzeugt. Es lässt sich alternativ ein Quarzoszillator nutzen, um einen Takt für einen Chip und ein gepuffertes CLKout-Signal zu erzeugen, um alle anderen isolierten ADCs zu takten.
Bild 5: Ein Dreiphasenenergiezähler mit den isolierten ADCs. Analog Devices
Die isolierten ADCs steuert man so, dass sie ihre Ausgangsdaten exakt zum gleichen Zeitpunkt erzeugen. Jetzt kann der Energiezähler mit Hilfe von Shunts zur Strommessung eine exakte und umfassende Dreiphasenanalyse durchführen. Ein Dreiphasenenergiezähler enthält drei isolierten ADCs (Bild 5). Der Energiezähler hat nur eine Stromversorgung, welche die MCU und die isolierten ADCs versorgt. Die MCU nutzt ein SPI-Interface zum Lesen der ADC-Ausgänge jedes ICs.
Bild 6: Ein Dreiphasenenergiezähler mit den isolierten ADCs und IC zur Verbrauchsberechnung.Analog Devices
Die beschriebene Architektur geht von einer externen MCU aus, die die Verbrauchsberechnungen durchführt. Für Zählerhersteller, die eine Variante inklusive Verbrauchsberechnung bevorzugen, können die galvanisch isolierten ADCs an einen IC koppeln, der alle Verbrauchsberechnungen durchführt (Bild 6).
Familientreffen
Die Architektur ist das Herzstück der folgenden Produkte: ADE7913, ADE7912, ADE7933 und ADE7932. Bild 7 zeigt die Blockschaltung des ADE7913. Es ähnelt Bild 4, hat aber einen zusätzlichen ADC-Kanal, der eine Hilfsspannung, gemultiplexed mit dem Signal eines Temperatursensors misst.
Bild 7: Der isolierte A/D-Wandler ADE7913 basiert auf der Architektur. Analog Devices
Die Hilfsspannung kann die Spannung über einem Leistungsschalter oder einer Sicherung sein. Der Temperatursensor lässt sich einsetzen, um die Temperaturabweichung am Shunt zu korrigieren. Der ADE7912 hat keine Hilfsspannungsmessung, jedoch einen Temperatursensor. Bei dem ADE7933 und dem ADE7932 ist das SPI-Interface durch ein Bitstrom-Interface ersetzt. Alle anderen Eigenschaften, die die Bauteile ADE7913 und ADE7912 besitzen, sind vorhanden. Der Verbrauchsberechnungs-IC ist mit dem ADE7978 realisiert.
Auf den Punkt gebracht
Die isolierte ADC-Architektur enthält einen isolierten Iso-Power-DC/DC-Wandler, der die MCU-Versorgung nutzt, um die erste Stufe eines mehrkanaligen Sigma/Delta-ADCs über die Isolationsstrecke zu versorgen. Die Bitströme aus dem ADC durchlaufen die iCoupler-Datenisolatoren und kommen an einem Digitalblock an. Dieser Block filtert sie und erzeugt 24-Bit-ADC-Ausgangsdaten. Mit einem SPI-Interface lassen sie sich auslesen. Ein ADC kann den Strom messen, der durch einen Shunt fließt; ein zweiter kann die Phase gegenüber dem Nullleiter mit einem Spannungsteiler messen, während ein dritter eine Hilfsspannung oder die Werte eines Temperatursensors messen kann. Die Architektur schuf dreiphasige Energiezähler mit Shunts. Sie sichern die Immunität gegenüber DC- und AC-Magnetfeldern und ermöglichen Strommessungen ohne Phasenversatz bei reduzierten Gesamtsystemkosten. Der geringe Formfaktor der Schaltung ermöglicht eine kleine Leiterplatte mit nur wenigen Bauteilen. Die integrierten Iso-Power-Chip-Scale-Transformatoren entwickelte Analog Devices für eine bekannte ADC-Last, um die abgestrahlten Emissionen zu minimieren. Der Test lief entsprechend des CISPR-22-Class-B-Standards mit zweilagigen Leiterplatten. Die Strommessung mit Shunts ist nicht auf Energieverbrauchszähler begrenzt, sondern eignet sich auch für Systeme zum Überwachen der Netzqualität, Wechselrichter für Solaranlagen und Prozessüberwachungen. Auch diverse Schutzkomponenten können von der ADC-Architektur profitieren.
Petre Minciunescu, PhD.
(rao)
