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Stromsensoren Präzises und quasi verlustfreies Messen aller Stromformen

| Autor / Redakteur: Klaus Reichert * / Gerd Kucera

In der Leistungselektronik wird die Messung von Strömen jenseits einiger 100 A immer wichtiger. Genaue Messergebnisse liefert das Prinzip des Kompensations-Stromsensors mit Magnetsonde.

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Bild 1: Das Funktionsprinzip des Kompensationssensors mit Magnetsonde.
Bild 1: Das Funktionsprinzip des Kompensationssensors mit Magnetsonde.
(Bild: VAC)

Bei den Hochenergie-Anwendungen wie Windkraft oder Solarwechselrichtern, aber auch in der elektrischen Antriebstechnik, versucht man, die Leistung der einzelnen Inverter-Einheiten zu erhöhen, um deren Zahl trotz steigender Gesamtleistung so niedrig wie möglich zu halten. Ebenfalls eine Rolle spielt die Spannungsgrenze der Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG von 1000 V Wechselstrom bzw. 1500 V Gleichstrom. Um eine Auslegung der Geräte nach der Mittelspannungsrichtlinie zu vermeiden, erhöht man eher den Strom.

Die Genauigkeit der Stromerfassung spielt an vielen Messstellen eine große Rolle, zum Beispiel für das präzise Bestimmen von Motordrehmomenten in Antrieben oder von Einspeiseströmen in das öffentliche Netz (unter Vermeidung von Gleichstromanteilen), um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Mit einer genauen Stromerfassung lassen sich auch Leistungshalbleiter besser ausnutzen, da man aufgrund von Messunsicherheiten größere Sicherheitsabstände zu den Grenzen von deren Safe Operating Area einplanen muss. Eine große Bandbreite der Stromerfassung hilft bei der Auslegung eines Regelkreises hoher Regelgüte und ermöglicht eine sichere Kurzschlussstromerfassung.

Kompensations-Sensoren mit magnetischer Sonde

Stromsensoren nach dem Kompensationsprinzip (Closed Loop) mit magnetischer Sonde, auch Fluxgate-Sonde genannt, messen praktisch alle Stromformen von Gleichstrom bis zu Wechselströmen im Bereich von 100 oder 200 kHz, und das quasi verlustfrei. Sie bieten außerdem eine inhärente galvanische Trennung zwischen Last- und Signalstromkreis und erfüllen dabei einschlägige Normen, wie beispielsweise EN61800 oder UL508. Typische Messbereiche reichen von einigen Ampere bis zu 2500 A. Ihr Gesamtfehler liegt unter 0,4%, der Linearitätsfehler unter 0,1%. Die Temperatur- und Langzeitstabilität der Offsetgrößen liegen im Bereich einiger 100 ppm. Diese Genauigkeiten werden von konkurrierenden Messprinzipien wie Hall-Effekt-Sensoren oder Shunts mit galvanischer Trennung nicht erreicht.

Die Anwendungsmöglichkeiten für Stromsensoren decken die gesamte Bandbreite der getakteten Leistungselektronik ab. Sie reichen von der Erfassung der Motorströme in Frequenzumrichtern über die DC-, AC- und Fehlerstromerfassung in Photovoltaik-Wechselrichtern bis hin zur Stromerfassung in Schweißinvertern oder unterbrechungsfreien Stromversorgungen.

Bei den zu messenden Betriebsströmen der typischen Anwendungen handelt es sich um Gleichströme oder Wechselströme bis zu mehreren 100 Hz mit hoher Amplitude. Sie werden überlagert von den Taktströmen der Leistungshalbleiter, die sich im ein- bis mittleren zweistelligen kHz-Bereich bewegen, und mit Oberwellen bis in den dreistelligen Bereich. Deren Amplitude ist um eine Größenordnung niedriger. Kompensationssensoren mit magnetischer Sonde sind für dieses Spektrum optimal geeignet.

Bei dem von der Firma VACUUMSCHMELZE entwickelten Prinzip des Kompensations-Stromsensors mit Magnetsonde (Bild 1) wird der Leiter, welcher den zu messenden Primärstrom trägt, durch einen Magnetkern geführt. Die Magnetsonde detektiert das Vorhandensein eines Magnetfeldes im Luftspalt des Kerns. Die Elektronik des Sensors wertet das Sondensignal aus und treibt einen daraus abgeleiteten Strom durch die Kompensationsspule. Dieser Kompensationsstrom ist proportional zum Primärstrom, besitzt jedoch die umgekehrte Polarität. Hierdurch wird ein magnetischer Fluss auf Null geregelt, den der Primärstrom im Kern erzeugen würde. Die Magnetsonde fungiert also als Nullfelddetektor, und der Kompensationsstrom ist ein exaktes Abbild des Primärstroms.

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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 sein Magnetkreis als Stromtransformator. In der Konsequenz bildet der Kompensationsstrom, beziehungsweise die über den Messwiderstand abfallende Spannung, den Primärstrom präzise ab, und zwar im Frequenzbereich von Gleichstrom bis typischerweise 100 oder 200 kHz.

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