Stromwandler und Integrator zum Messen elektrischer Parameter

| Redakteur: Gerd Kucera

Bild 1: Die LZSR-Offsetdrift ist im Temperaturbereich von –40 bis +85 °C bis zu 7-mal besser als bei der vorherigen Generation kompensierter Hall-Effekt-Wandler, die mit einem herkömmlichen Hall-Effekt-IC arbeiten.
Bild 1: Die LZSR-Offsetdrift ist im Temperaturbereich von –40 bis +85 °C bis zu 7-mal besser als bei der vorherigen Generation kompensierter Hall-Effekt-Wandler, die mit einem herkömmlichen Hall-Effekt-IC arbeiten. (Bild: LEM)

Zwei Neuerungen zeigte LEM auf der PCIM 2019: Stromwandler der Serie LZSR mit direktabbildender Hall-Effekt-Technik sowie den digitalen Integrator AI-PMUL für Rogowski-Spulen.

Für interessierende einzelne Prozessgrößen in der Automatisierungstechnik kann die Messung der Stromaufnahme eines Betriebsmittels wichtige wichtige Informationen liefern und der Automatisierungstechnik einen rechtzeitigen Eingriff ermöglichen, noch bevor kritische Zustände erreicht werden. In der Fertigungstechnik ist die dem Prozess zur Verfügung gestellte Energie auch mit der Qualität des zu erzeugenden Endproduktes korrelierbar und kann zur laufenden Qualitätsüberwachung genutzt werden.

Der zu messende Strom wird mittels des magnetischen Feldes um den Leiter gemessen und als standardisiertes Ausgangssignal der übergeordneten Automatisierungstechnik übergeben. Als Ausgangssignale werden hierzu 4 bis 20 mA Stromschleifen, 0 bis 10 V Gleichspannung oder Relaiskontakte angeboten. Die Stromwandler von LEM beispielsweise stellen durch ihren technischen Aufbau zudem eine galvanische Trennung zwischen dem elektrischen Kreis mit der zu messenden elektrischen Größe sowie der Eingangsbeschaltung der übergeordneten Automatisierungseinrichtung dar.

Neben rein sinusförmigen Messgrößen können auch nicht sinusförmige Messgrößen erfasst werden. Hierzu wird die Technik der Echt-Effektivwert-Bildung angewandt. Dies ermöglicht die genaue Messung von Stromverläufen auch bei nichtlinearen Lasten.

LEM ist bekannt für seine Lösungen zur Messung elektrischer Parameter. Kernprodukte sind Strom- und Spannungswandler, die für ein breites Spektrum von Anwendungen in den Bereichen Antriebe & Schweißen, erneuerbare Energien & Stromversorgungen, Bahntechnik, Präzisionsmesstechnik sowie in der Automobilelektronik eingesetzt werden. Zur PCIM Europe 2019 zeigte LEM zwei Neuerungen: Einen LZSR-Stromwandler, der den Messbereich mit direktabbildender Hall-Effekt-Technologie erweitert, sowie einen digitalen Integrator AI-PMUL für Rogowski-Spulen.

Direktabbildender Stromwandler bis 450 ASS

Mit der LZSR-Reihe gibt es eine neue Serie von Stromwandlern zur Leiterplattenmontage für eine nicht-intrusive, galvanisch getrennte Messung von Gleich-, Wechsel- und Impulsströmen von 100 bis 200 A. Aktuell umfasst diese Serie die Wandler LZSR 100-P, LZSR 150-P und LZSR 200-P.

Alle drei Wandler (für Ströme 100 Aeff, 150 Aeff und 200 Aeff ) bauen auf den ASICs auf, die sich in den bereits eingeführten Serien LFxx10, LH und LxSR bewährt haben. Im Kompensationsmodus (Closed-Loop) kann der ASIC auf Grundlage der Hall-Effekt-Technologie eine geringe Offsetdrift von bis zu 3 ppm/K der UREF erzielen. Die LZSR-Offsetdrift ist im Temperaturbereich von –40 bis +85 °C bis zu 7-mal besser als bei der vorherigen Generation kompensierter Hall-Effekt-Wandler, die mit einem herkömmlichen Hall-Effekt-IC arbeiten.

Die LZSR-Modelle benötigen eine Versorgungsspannung von +5 V und messen einen Spitzenstrom bis zum 3-fachen des Primär-Nennstroms. Sie erreichen mit dem 150-Aeff-Modell LZSR 150-P/SP1 damit einen maximalen Messbereich von 450 ASpitze-Spitze. Die interne Referenzspannung steht an einem UREF-Pin zur Verfügung.

Eine Überstromerkennung mit einem auf 1,93 x IPN eingestellten Schwellenwert wird ebenfalls als Standardoption auf einem zusätzlichen Pin angeboten. Damit ist visualisierbar, dass ein gemessener Strom seinen erwarteten Wert überschreitet oder im Falle eines Kurzschlusses eine Abschaltung auslöst.

Ein LZSR-Wandler hat für jeden Messbereich eine gleiche kompakte Bauform von 37,75 mm x 48,2 mm x 19,4 mm, ohne die hohe Isolation zwischen Primär- und Messkreis einzuschränken. Gefertigt werden die Stromwandler mit den gleichen Techniken, wie sie auch bei Automotive-Entwicklungen üblich sind; ihre Fertigungslinie wurde als halbautomatische Montagelinie konzipiert. Alle Modelle sind entweder mit einer Öffnung für den Primärleiter (LZSR-P) oder mit dem auf der Leiterplatte aufzulötendem Primärleiter (LZSR-TP) ausgeführt.

Die skizzierten Wandler eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine geringe Offsetdrift ankommt, beispielsweise für neuartige String-Wechselrichter auf der AC-Seite von 70 bis 120 kW in Photovoltaikanlagen, bei denen die Standards einen sehr niedrigen DC-Anteil im Ausgangsstrom fordern.

Bild 2: Beim Integrator stehen zwölf Strombereiche von 100 bis 5000 A, sechs Rogowski-Spulen-Empfindlichkeiten von 22,5 bis 120 mV/kA und sechs möglichen Ausgänge zur Verfügung.
Bild 2: Beim Integrator stehen zwölf Strombereiche von 100 bis 5000 A, sechs Rogowski-Spulen-Empfindlichkeiten von 22,5 bis 120 mV/kA und sechs möglichen Ausgänge zur Verfügung. (Bild: LEM)

Digitaler Integrator für Rogowski-Spulen

Ein digitaler Signalaufbereiter für Sekundärausgänge von Rogowski-Spulen ist der Integrator AI-PMUL, den LEM als Ergänzung zum Angebot an Rogowski-Spulen mit flexibler Clip-Montage entwicklelt hat. AI-PMUL hat Signalausgänge für Analog-, Effektiv- und Momentwerte.

Die Ausgangsspannung der Rogowski-Spule ist proportional zur Ableitung des Primärstroms. Um dieses Signal aufzubereiten, ist ein Integrierschaltkreis erforderlich, der dafür sorgt, dass das Ausgangssignal proportional zum Wert des Primärstroms ist. Dieser Integrator ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Strommessung mit einer Rogowski-Spule. Der Aufbau und die Umsetzung der Verstärkungsstufe haben einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Sensors, wie Linearität, Phasenverschiebung und Frequenzbandbreite.

Mit einem Linearitätsfehler <0,1% und in Kombination mit LEMs ART- und ARU-Rogowski-Spulen der Klasse 0,5 (in Kürze erhältlich) steht damit eine universelle Mess- und Überwachungslösung mit einer hohen Messgenauigkeit bis zu 5000 A zur Verfügung.

Der Integrator AI-PMUL deckt in einem Universalprodukt alle zu erwartenden Werte ab. Der einfache Aufbau und der eindeutige Betriebszustand, der von der Frontblende aus ablesbar ist, ermöglichen eine einfache Konfiguration. Die Einstellung des Strombereichs, der Eingangsempfindlichkeit und des Ausgangs erfolgt über ein einfaches System mit ergonomisch ausgeführten Drucktasten (x2) sowie einer zweifarbigen LED-Anzeige. Die grüne Diode signalisiert den entsprechenden Strombereich und die rote LED steht für die Eingangsempfindlichkeit und die Auswahl des Ausgangssignals.

Anwender können zwischen zwölf Strombereichen von 100 bis 5000 A, sechs Rogowski-Spulen-Empfindlichkeiten von 22,5 bis 120 mV/kA und sechs möglichen Ausgängen wählen; es gibt die vier Effektivausgänge 0 bis20 mA, 4 bis 20 mA, 0 bis 5 V und 0 bis 10 V sowie zwei Momentan-Spannungsausgänge mit 0 bis 225 mV und 0 bis 333 mV. In Kürze erhältlich sind auch Integratoren mit 1-A-Momentan-Ausgang.

Der AI-PMUL arbeitet im Temperaturbereich von -25 bis +70 °C und wird mit einer Versorgungsspannung von +24 V betrieben. Es gibt das Gerät in einer sehr kompakten Baugröße mit 100 mm x 78 mm x 15 mm für die Montage auf einer 35-mm-DIN-Schiene. Für die Messung kleiner Ströme unter schwierigen Bedingungen steht optional ein SMA-Koaxstecker am Eingang zur Verfügung. Für Drehstromnetze lassen sich bis zu drei AI-PMUL zusammen mit einem optionalen Stecker kombinieren, um von einem einzelnen Netzteil versorgt zu werden.

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