Messen und Prüfen
|
Schaltanlagen
|
Fachplanung
|
Elektrotechnik
Galvanisch getrennte Wandler in Niederspannungsanlagen
ep6/2000, 4 Seiten
1 Wandler für Wechselstromgrößen 1.1 Wechselstromwandler Wechselstromwandler sind Transformatoren, deren Sekundärwicklung nahezu im Kurzschluss betrieben werden (Bild ). Ein Betrieb bei unbelasteter Sekundärwicklung verursacht - wegen der nicht vorhandenen Gegeninduktion und der dadurch bedingten Vervielfachung der Eisenverluste - eine starke Erhitzung des Eisenkerns und im Extremfall dessen Explosion. Zusätzlich entsteht wegen des meist großen Übersetzungsverhältnisses an den Sekundäranschlussklemmen eine hohe, gefährliche Spannung, die Überschläge zwischen den Wicklungen verursachen kann. Der Sekundärkreis darf keinesfalls aufgetrennt werden. Es dürfen keine Sicherungen im Sekundärstromkreis verwendet werden. Wechselstromwandler werden mit genormten Sekundärströmen 1/2/5 A und meist in den Genauigkeitsklassen 0,1/0,2/0,5/1/3/5 gebaut. 1.2 Wechselspannungswandler Wechselspannungswandler sind Transformatoren, deren Sekundärwicklung nahezu unbelastet betrieben wird (Bild ). Eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung kann zur Zerstörung des Wandlers führen. Der Schutz durch Sicherungen ist angebracht. Der Ausgang u wird abgesichert. Klemme v wird gemeinsam mit dem Kern bzw. dem Gehäuse geerdet. Wechselspannungswandler werden ebenfalls in den Genauigkeitsklassen 0,1/ 0,2/0,5/1/3 gebaut. Typische Anwendungen Energieversorgungsanlagen und industrielle Anwendungen, wo keine Gleichstromkomponenten auftreten und der Frequenzbereich eingeschränkt ist. Baugrösse und Gewicht sind nur beschränkt optimierbar, das Preis-Leistungsverhältnis ist sehr gut. 2 Wandler für Mischgrößen 2.1 Direktabbildende Halleffektwandler Direkt abbildende Wandler nutzen den Halleffekt. Der Halleffekt erzeugt in einem Messtechnik Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 6 502 Galvanisch getrennte Wandler in Niederspannungsanlagen W. Gebhart, Wiener Neudorf Der direkte Anschluss von Messmitteln an das Niederspannungsnetz ist oftmals aus Sicherheitsgründen eingeschränkt. Die Eingangsgröße muss daher mit Messwandlern an den Eingangsbereich der Messmittel angepasst werden. Die hohen Werte einer Netzgröße werden durch Wandlung und galvanische Trennung auf niedrige Werte herabgesetzt und weitgehend amplituden-und phasengetreu abgebildet. Die Messung gestaltet sich dadurch einfacher und gefahrloser. Im Überblick werden die Wandlertechnologien erläutert und die grundlegenden Daten zusammengefasst (Tafel ). Ing. (FH) Walter Gebhart ist freier Mitarbeiter der Fa. LEM-Norma in Wiener Neudorf bei Wien. Autor Tafel Daten der verschiedenen Wandlertechnologien im Überblick Wechselstrom- und Direktabbildende Halleffekt-Kompen- Flexible Tragbare -spannungswandler Hallwandler sationswandler Stromwandler Stromzangen Meßbereich 0 ... 10000 A 0 ... 18000 A 0 ... 15000 A 0 ... 60000 A 0 ... 1000 A 0 ... 1000 V 0 ... 9000 V 0 ... 7000 V Frequenzbereich 15 ... 500 Hz 0 ... 25 kHz 0 ... 500 kHz 8 Hz ... 100 kHz (0) ... 100 kHz Genauigkeit 0,1 ... 5 % 1% 2 ppm ... 0,5 % 1% 0,5 ... 1 % (typisch) Umgebungs- - 40 ... + 85 °C - 25 ... + 85°C - 40 ... +85 °C - 20 ... + 85 °C - 20 ... +85°C temperatur Eisenkern Primärwicklung Sekundärwicklung magnetische Flussdichte Steuerstrom UH Hallspannung Prinzip des Stromwandlers Die Klemmen K und L werden in Energieflussrichtung in den Stromkreis geschaltet. An die Sekundärwicklung (k, l) werden die Strompfade aller Verbraucher in Reihe angeschlossen. Prinzip des Spannungswandlers Die primärseitigen Klemmen U, V werden parallel zum Netz angeschlossen. Die Verbraucher liegen sekundärseitig in Parallelschaltung an den Klemmen u, v. Einflussgrößen auf die Hallspannung des Halleffekts Halbleiterplättchen, dass von einem konstanten Steuerstrom IC durchflossen und senkrecht dazu von der Magnetflussdichte B durchsetzt wird, die Hallspannung UH. Sie ist proportional zu B (Bild ). Die an der Enstehung der Hallspannung beteiligte magnetische Flussdichte B wird durch den zu messenden Strom Ip erzeugt und in einem ferromagnetischen Kreis konzentriert ( Bild ). Den Steuerstrom IC liefert eine Konstantstromquelle im Hallgenerator. Im linearen Bereich der Hysterese des magnetischen Kreises ergibt sich die Hallspannung UH = K · Ip. Das Messsignal UH wird anschließend verstärkt und steht je nach Ausführungsform des Wandlers als proportionales Strom-oder Spannungssignal zur Verfügung. Bei direktabbildenden Spannungswandlern mit Halleffekt wird der primäre Strom Ip durch einen Vorwiderstand eingeprägt. Typische Anwendungen Direktabbildende Wandler können mit galvanischer Trennung Gleich- und Wechselströme sowie Ströme komplexer Wellenform messen. Sie zeichnen sich durch geringe Stromaufnahme, kleine Baugröße und geringes Gewicht aus. Sie verursachen im Messkreis keine Einfügungsverluste und vertragen Überströme sehr gut. Zu den typischen Anwendungen zählen vor allem: · Frequenzumrichter · elektrische Schweißanlagen · unterbrechungsfreie Stromversorgungen · elektrische Bahnsysteme · Galvanisieranlagen. 2.2 Halleffekt-Kompensationswandler Eine zusätzliche Kompensationsschaltung im Inneren des Wandlers ermöglicht es, die Leistungsdaten der Wandler deutlich zu verbessern. Je nach Ausformung der Kompensationsschaltung können magnetischer Offset und Temperaturdrift soweit verringert werden, dass eine Linearität von 1 ppm erreicht werden kann ( Bild ). Während die direktabbildenden Stromwandler als Ausgangsspannung die verstärkte Hallspannung UH liefern, wird bei Kompensationswandlern der IP proportionale Sekundärstrom IS als Gegenkopplungssignal auf den Ringkern zurückgeführt. Das System arbeitet somit bei einer Flussdichte von Null. IS ist das exakte Abbild von IP. Bei der neueren Generation von Kompensationswandlern werden alle aktiven elektronischen Komponenten, einschließlich Hallelement, in einem ASIC-Baustein zusammengefasst (Bild ). Dank dieser Integration lassen sich Bauteiltoleranzen und Temperaturdrift wesentlich leichter kompensieren, die EMV-Festigkeit ist bedeutend größer und die Gehäuseabmessungen werden reduziert. Das Frequenzverhalten aller Kompensationswandler ist sehr gut. Es werden Grenzfrequenzen bis 500 kHz erreicht. Typische Anwendungen Neben den bereits bei den direktabbildenden Hallwandlern genannten Anwendungen sind noch folgende zu erwähnen: · Stromrichter für Servomotoren (z. B. Robotik) · Radarstromversorgungen · Laborprüfstände · Erfassung und Messung von Differenzströmen (Erdschlussströme). 3 Flexible Wechselstromwandler Während die bisher vorgestellten Wandler für die feste Montage in Anlage oder Gerät vorgesehen sind, ermöglichen flexible Stromwandler das bequeme Anlegen an einen oder mehrere Stromleiter, unabhängig von deren Form und Größe. Kernstück des flexiblen Wandlers ist eine zylinderförmige Spule, die gleichmäßig um einen biegsamen, isolierenden Kunststoffzylinder gewickelt ist. Messtechnik Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 6 504 - A - A 0 V Uref ASIC 2,5 V + - IS NS IS RM 5 V UOUT 0 V Hallelement Kompensationsverstärker Sekundärwicklung Ausgangsverstärker Umwandlung des Primärstromes in eine Ausgangsspannung Halleffekt-Kompensationswandler Prinzipschaltbild eines Halleffekt-ASIC-Bausteins Die biegsame Spule wird um den stromführenden Leiter gelegt und beide Enden werden verriegelt (Bild ). Die Luftspule (Rogowskispule) liefert eine Spannung, die der Stromänderung im umfassten Leiter proportional ist. Ein konstanter Gleichstrom erzeugt folglich keine Ausgangsspannung. Um von einer unteren Grenzfrequenz ab unabhängig von der Frequenz den tatsächlichen Verlauf des Stromes wiedergeben zu können, muss die in der Spule induzierte Spannung integriert werden. Das erledigt eine Auswerteelektronik in einem kleinen Kunststoffgehäuse. Flexible Stromwandler besitzen eine hohe obere Grenzfrequenz und sind deshalb gut zur Messung von hohen impulsförmigen Wechselströmen einsetzbar. Die analoge Ausgangsspannung ermöglicht den Anschluss an fast jedes Auswertegerät (Multimeter, Oszilloskop, Datenlogger usw.). Typische Anwendungen · Stromverteilungsanalyse · Oberwellenanalyse · Leistungsmessung · Wartung, Reparatur, Inbetriebnahme. 4 Tragbare Stromzangen Mit Zangenstromwandlern können ohne Stromkreisunterbrechung schnelle und genaue Messungen an verschiedenen Einsatzorten durchgeführt werden. Sie sind deshalb besonders für Inbetriebnahme-, Reparatur- und Wartungsarbeiten geeignet. Während klassische Stromzangen nach dem Transformatorprinzip arbeiten, und deshalb nur Wechselströme im begrenzten Frequenzbereich verarbeiten können, liefern Halleffektstromzangen ein direktes Abbild von Gleich-, Wechsel- oder Mischströmen bei einer Bandbreite bis zu 100 kHz. Da Stromzangen während der Messung meist in der Hand gehalten werden, sind besonders die Einhaltung der Sicherheitsstandards und die angegebene Überspannungskategorie zu beachten. Halleffektstromwandler vermeiden durch ihre isolierten Backenflächen die Gefahr von Kurzschlüssen an blanken Leitern oder Schienen. Bild zeigt als Beispiel eine Leistungsmesszange, bei der die Strommessung mit einem Halleffekt-Stromwandler erfolgt. Messtechnik Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 6 505 Ein flexibler Stromwandler wird um einen schwer zugänglichen Leiter gelegt Leistungsmesszange - die Strommessung mit Halleffektwandler erfasst sowohl Gleich- als auch Wechselströme (Fotos: LEM)
Autor
- W. Gebhart
Downloads
Laden Sie diesen Artikel herunterTop Fachartikel
In den letzten 7 Tagen:
Sie haben eine Fachfrage?