Messtechnische Grundlagen

Stromsensor-Techniken für breitbandige Leistungsmessungen

| Autor / Redakteur: Francois Epp und Stuart Chappell * / Hendrik Härter

PWM-Treibersignal: Auf der linken Seite ist ein pulsweitenmodulierter Träger zusammen mit einer Grundschwingung zu sehen. Auf der rechten Seite die Grundschwingung und die Oberwellen.
PWM-Treibersignal: Auf der linken Seite ist ein pulsweitenmodulierter Träger zusammen mit einer Grundschwingung zu sehen. Auf der rechten Seite die Grundschwingung und die Oberwellen. (Caltest)

Dank eines speziellen Designs der Leitplatten erreicht der Leistungsmesser einen geringen Phasenfehler. Die magnetischen Felder, erzeugt durch den Stromfluss, heben sich gegenseitig auf.

Die Nachfrage des Markts und einschlägige Vorschriften haben zur Folge, dass sich der Druck zur Steigerung der Energieeffizienz verstärkt. Stromrichter für den Industrie-, Luft- und Raumfahrt-, Automotive- und Hausgerätemarkt werden deshalb zunehmend getaktet und mit hoher Schaltfrequenz implementiert. Beispiele hierfür sind Schaltnetzteile oder elektronische Lampenvorschaltgeräte, die bei höherer Schaltfrequenz mit kleineren gewickelten Bauelementen bestückt werden können. In Anwendungen, die nach variabler Drehzahl verlangen (beispielsweise Waschmaschinen, Aufzüge, Elektrofahrzeuge oder Elektrowerkzeuge), bietet außerdem die Pulsweiten-Modulation (PWM) die Möglichkeit zum Verstellen der Drehzahl.

Der Trend zu nicht sinusförmigen Strom- und Spannungsverläufen führt zwangsläufig dazu, dass sich das Frequenzspektrum der Signale vergrößert. Leistungsmessgeräte, die bei der Entwicklung und Prüfung moderner Leistungselektronik-Produkte zum Einsatz kommen, sollten deshalb so ausgelegt sein, dass sie über eine große Bandbreite hinweg eine hohe Messgenauigkeit bieten.

Die Konsequenzen für die Leistungsmesseung

Diagramm: Die Grundschwingungs- und die Träger-Frequenzen in Hertz sind in Abhängigkeit des Phasenfehlers in Grad eingetragen.
Diagramm: Die Grundschwingungs- und die Träger-Frequenzen in Hertz sind in Abhängigkeit des Phasenfehlers in Grad eingetragen. (Caltest)

Illustrieren lässt sich das am Spannungsverlauf und am Frequenzspektrum eines PWM-Treibersignals. Die Grundschwingung, mit der der Motor angesteuert wird, ist hier nur ein Teil eines komplexen, stark verzerrten Signals (Bild PWM-Treibersignal). Hierbei wird deutlich: Wenn die Gesamtleistung exakt quantifiziert werden soll, müssen alle Frequenzkomponenten berücksichtigt werden. Während die Verzerrung in einer PWM-Applikation hauptsächlich auf die Spannung bezogen ist, lassen sich Komponenten der Schaltfrequenz sowohl im Spannungs- als auch im Stromverlauf finden. Um Leistungen über ein breites Frequenzband präzise messen zu können, müssen der Strom- und der Spannungs-Eingang des Messinstruments über ihren gesamten spezifizierten Frequenzbereich hinweg einen geringen Phasenfehler aufweisen.

Da die Wirkleistung aus den phasengleichen Spannungs- und Stromkomponenten berechnet, wird die Leistungsmessung fehlerhaft, sobald sich in den Strom- oder den Spannungseingang ein Phasenfehler einschleicht. Spannungsabschwächer weisen stets eine hohe Impedanz bei relativ geringer Kapazität auf. Ihr Phasenfehler ist deshalb vernachlässigbar gering. Deutlich höhere Anforderungen stellen dagegen Shunt-Widerstände für die Strommessung, denn ihr ohmscher Widerstand ist zwangsläufig gering, damit die aus der Messung resultierende Belastung ebenso minimiert wird wie die Erwärmung.

Aufgrund des niedrigen ohmschen Widerstands machen jegliche parasitären Induktivitäten des Strom-Shunts einen großen und mit der Frequenz zunehmenden Teil der Gesamtimpedanz aus. Aus diesem Grund sollten Präzisions-Leistungsmessgeräte, die mit Strom-Shunts arbeiten, idealerweise Strommesskanäle von sehr geringer Induktivität aufweisen. Im Diagramm sind die Phasenverschiebungen von drei Strom-Shunts über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 1 MHz aufgetragen. Die beiden als Vergleichsmaßstab dienenden Shunts sind Messwiderstände in Instrumentenqualität und mit geringer Induktivität. Die Phasenfehler sind deshalb – wie das Diagramm zeigt – bis 1 kHz vernachlässigbar gering.

Wenn man jedoch die Grundschwingung und die Trägerfrequenz samt ihrer jeweiligen Oberwellen als Balkendiagramm einfügt, wird deutlich, dass beide Referenz-Shunts infolge des PWM-Trägers erhebliche Phasenfehler, und demzufolge auch Leistungsmessfehler, verursachen.

Shunt-Designs mit extrem geringer Induktivität

Aus dem Phasen-Frequenz-Diagramm lässt sich ablesen, dass die äußerst induktivitätsarme Konstruktion eines Strom-Shunts des Herstellers N4L im Vertrieb von Caltest bis weit über die Frequenzkomponenten des Trägers hinaus einen geringen Phasenfehler beibehält. Erreicht wird das mithilfe eines ausgeklügelten Leiterplatten-Designs, bei dem sich die Felder, die durch den Stromfluss von und nach den oberflächenmontierten Widerständen entstehen, gegenseitig aufheben.

Stromwege der inneren und äußeren Leiterplattenlagen: Die magnetischen Felder der hin und zurück führenden Stromwege heben sich auf.
Stromwege der inneren und äußeren Leiterplattenlagen: Die magnetischen Felder der hin und zurück führenden Stromwege heben sich auf. (Caltest)

Es gibt eine Vielzahl von Shunt-Designs, mit denen angestrebt wird, die Induktivität durch gegenseitige Aufhebung der magnetischen Felder zu minimieren. Im vorliegenden Fall aber sorgen die Konstruktion der Leiterplatte, die Ausrichtung der SMD-Widerstände und die Einbindung der Stromabtastpunkte in die Leiterplattenlagen dafür, dass das Design eine niedrigere Induktivität und eine stabilere Gesamtimpedanz an den Tag legt als jede vergleichbare Lösung.

Mit der Umsetzung des bekannten Prinzips der gegenseitigen Aufhebung von Magnetfeldern hat N4L ein Design entworfen, das geringere parasitäre Induktivitäten aufweist als jeder vergleichbare Strom-Shunt und somit die Entwicklung von Leistungsmessgeräten mit herausragender Breitband-Genauigkeit gestattet.

* Francois Epp ist Geschäftsführer bei der Caltest Instruments in Achern. Stuart Chappell ist Geschäftsführer Newtons4th in Loughborough, UK.

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Das Phasendiagramm überzeugt natürlich aber dem Leser erschließt sich leider nicht, warum 24...  lesen
posted am 11.04.2014 um 13:27 von Unregistriert


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