Ein Schlüsselelement des Antriebssystems, sowohl für den Stadtverkehr mit niedriger Geschwindigkeit als auch für Intercity-Hochgeschwindigkeitszüge, ist der Traktionsumrichter, der die Energie von der Stromquelle, sei es eine Oberleitung oder ein Dieselmotor, umwandelt, um Elektromotoren anzutreiben. Der Traktionsumrichter besteht aus einem Gleichrichter bei Anschluss an eine Wechselspannungsquelle oder einem Filter bei direktem Anschluss an ein Gleichspannungsnetz sowie einem Wechselrichter zum Antrieb des Motors. Der Zwischenkreis ist die Verbindung zwischen dem Gleichrichter bzw. Gleichspannungsnetz und dem Wechselrichter. Um eine dauerhafte Leistung zu gewährleisten, ist unabhängig von der Last eine konstante Spannung am Zwischenkreis erforderlich. Um die Regelung durchführen zu können, ist eine zuverlässige Messung der Spannungshöhe und eines Bauteils unabdingbar
Der Schlüssel zur Übernahme dieser Rolle ist der Dehnungsaufnehmer. Züge müssen durch Gegenden mit sehr widrigen Umgebungsbedingungen wie extremen Temperaturen, Trockenheit und Feuchtigkeit fahren, wodurch Traktionsumrichter und deren Komponenten hohen Belastungen ausgesetzt sind. Hinzu kommt die technologische Evolution in der Leistungselektronik
Obwohl es erhebliche Vorteile bietet, fügt es dem Verhalten der Komponenten auch gewisse Einschränkungen hinzu. Der Hauptvorteil dieser Evolution für Traktionsumrichter ergibt sich aus der Halbleiterindustrie, die mit ihren höheren Schaltfrequenzen dazu beiträgt, Verluste deutlich zu reduzieren und eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen. Die Nachteile sind die stärkeren Magnetfelder und größere Gleichtaktstörungen, die Spannungswandler stark beeinträchtigen. Die alten Technologien, die in diesen Geräten verwendet werden, sind für die neuen, anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen nicht mehr geeignet, daher ist der neue DVM-Wandler, der die patentierte und bewährte Technologie von LEM verwendet, die richtige Lösung. Es bietet eine extrem hohe Immunität gegenüber externen Magnetfeldern und einen Teilentladungspegel über der maximalen DC-Zwischenkreisspannung. Das DVM ist dank seines kompakten Designs, der guten Genauigkeit, der sehr geringen Drift in Bezug auf die Temperatur und der Fähigkeit, hohen Gleichtakt-dv/dt-Störungen standzuhalten, die perfekte Wahl für die Messung der Zwischenkreisspannung.
Neuer LEM-Dehnungsaufnehmer (DVM)
LEM hat eine neue Reihe von Dehnungsaufnehmern entwickelt, die auf der DVL-Technologie basieren (2012 erfolgreich eingeführt). Das Ergebnis ist die DVM-Serie von Spannungswandlern, die Nennspannungsmessungen zwischen 600 und 4200 VRMS durchführen können (unter Verwendung von 6 Modellen – Abbildung 2).
und stellen eine Option dar, um die Spannungsmessung über 2000 VRMS durchzuführen, was die höchste Nennspannung ist, die die DVL-Serie messen kann. Sie müssen für ihren Betrieb nur an die Messspannung angeschlossen werden, ohne primärseitig zusätzliche Widerstände einzufügen, und ihr Standard-DC-Versorgungsbereich liegt bei ±13,5 V bis ±26,4 V. Bei einer Primärspannung größer Null verbraucht der Aufnehmer a maximal 30mA (maximaler Eigenverbrauch) plus Ausgangsstrom (typisch 50mA für Nennwert) wenn das Ausgangssignal Strom ist. DVM vereint alle Vorteile der bisherigen Produkte von LEM und entspricht vollständig den neuen EMV-Anforderungen. Diese Produktserie wurde nach den Normen IRIS und ISO 9001 entwickelt und unterscheidet sich von der Vorgängergeneration in diesen 4 Parametern: Geringer Verbrauch von ca. 30 mA 12 kHz Frequenzbandbreite 12 kV Sicherheitsisolationsspannung Sehr gute Temperaturgenauigkeit
Wie funktioniert das?
Ausgehend von der linken Seite des in Abbildung 3 gezeigten Diagramms auf der Primärseite, wo die Eingangsspannung typischerweise in der Größenordnung von ±4,2 kV liegt, ist die erste Stufe ein Spannungsteiler, der die Versorgungsspannung auf wenige Volt heruntersetzt und setzt in der Lage, hohen dv/dt-Pegeln sowie geringer thermischer Drift standzuhalten. Ein Sigma-Delta-Modulator wandelt dann das Signal von analog zu digital mit einem 16-Bit-Ausgang. Darauf folgt ein digitaler Encoder, der einen einzelnen seriellen Datenstrom erzeugt, der über einen einzelnen isolierten Kanal übertragen werden kann. Dann speist ein Verstärker das Signal in den Primärtransformator ein, der für die gewünschte galvanische Trennung erforderlich ist. Am Ende beträgt die Isolationsprüfspannung maximal 12 kV. Daher ist es wichtig, dass der Transformator einer so hohen Prüfspannung standhält und gleichzeitig die Isolation über die gesamte Lebensdauer gewährleistet werden kann. Diese Garantie ist nur möglich, wenn bei Anlegen einer Spannung von 10 kV zwischen Primär- und Sekundärseite eine Teilentladung von weniger als 5 Picocoulomb gewährleistet ist. Das DVM wurde speziell entwickelt, um solche Funktionen zu erreichen. Auf der Sekundärseite wird der Bitstrom dekodiert und mit einem digitalen Filter gefiltert. Da die Rechteckwelle des Signals in der Primärseite im Transformator verzerrt wird, wird ein Schmitt-Trigger in der Sekundärseite des Transformators verwendet, um es als Rechteckwelle wiederherzustellen. Dieser wird dann in einen digitalen Decoder und Filter eingespeist, dessen Aufgabe es ist, den Datenbitstrom in einen digitalen Standardwert zu decodieren, der in einem D/A-Wandler innerhalb des Mikrocontrollers verwendet werden kann. Das zurückgewonnene Ausgangssignal ist vollständig von der Primärspannung (Hochspannung) isoliert und ist eine exakte Darstellung der Primärspannung. Der Wandler kann leicht an verschiedene Bereiche angepasst werden, indem die vom Mikrocontroller programmierte Verstärkung geändert wird. Dies erfordert keine Änderungen im Design des Transformators oder im Design der Befestigung der Leiterplatten im Gehäuse. Der Mikrocontroller löscht die Offsets, passt die Verstärkung in der Software an und wandelt dann das Signal von einem digitalen Ausgang in ein analoges um. Der Mikrocontroller überträgt die Daten vom Digitalfilter in einer Übertragungszeit von etwa 12 μs an einen 6-Bit-D/A-Wandler. Die analoge Ausgangsspannung wird dann gefiltert und in einen Strom umgewandelt
von ±75 mA am Skalenendwert unter Verwendung eines gegen Kurzschluss geschützten Stromgenerators. Der Mikrocontroller regelt auch einen DC/DC-Wandler, der geregelte interne Versorgungsspannungen in der Sekundärseite erzeugt. Der DVM-Benutzer verwendet normalerweise eine ±24-V- oder ±15-V-DC-Versorgung, während der DC/DC-Wandler ermöglicht, dass der Sigma-Delta-Konverter und der digitale Encoder auf der Primärseite mit +/- 5 V und +/- 3,3 V versorgt werden Die Zusatzschaltung besteht aus einer Gruppe, die sich im Schaltplan oben befindet, und die Frequenz des DC/DC-Wandlers wird vom Mikrocontroller bestimmt. Der letzte Block rechts neben dem Mikrocontroller ist ein Spannungs-Strom-Wandler für Kunden, die einen Stromausgang bevorzugen, typischerweise 50 mA bei Nennspannung, um die EMV-Vorschriften zu erfüllen. ). Der Stromausgang mit niedrigerer Impedanz ist weniger empfindlich gegenüber Störungen durch externe elektromagnetische Felder. Eine Version mit 10-V-Spannungsausgang bei Nennspannung ist ebenso erhältlich wie ein 4- bis 20-mA-Ausgang für unipolare Messungen.
Hauptmerkmale
Mit einer typischen Genauigkeit von ±0,5 % NPV bei Raumtemperatur bietet DVM eine relativ geringe Temperaturdrift, was zu einer typischen Genauigkeit von nur ±1 % NPV über einen Arbeitstemperaturbereich von -40 °C bis 85 °C führt. Der anfängliche Offset bei 25 °C beträgt maximal 50 µA mit einer maximal möglichen Drift von ±100 µA (typisch) innerhalb des Arbeitstemperaturbereichs. Seine Linearität beträgt nur ±0,1 %. Die typische Reaktionszeit des DVM (definiert für 90 % des NPV) gegen einen Spannungsanstieg des NPV beträgt 48 µs (maximal 60 µs). Dank der schnellen Reaktionszeit wird eine nachweislich hohe Bandbreite von 12 kHz bei -3 dB erreicht.
Beschreibung Mechanik und Normen
LEM hat seine neuen Produkte so konzipiert, dass sie kompatibel sind und ihre Leistung frühere Generationen von LEM-Spannungswandlern (LV 100-Familien) übertrifft. Zu den bemerkenswerten Merkmalen und Funktionen zählen die 100-prozentige Kompatibilität in Bezug auf Funktionen und Vorteile sowie eine bessere Genauigkeit und Temperaturstabilität, was den Austausch erheblich erleichtert. Die DVM-Serie ist 100% kompatibel mit der Montagebasis, jedoch mit einem kleinen Unterschied in den Außenabmessungen, wie z. B. der Verbindungsstelle von Primär- und Sekundärteil. Dank ihres neuen Designs hat die DVM-Serie eine geringere Höhe (30 % weniger), nimmt 25 % weniger Volumen ein und ist 56 % leichter (Abbildung 4).
Die Größenreduzierung beeinträchtigt nicht die hohe Immunität des DVM gegen umgebende externe Störungen oder gegen große Spannungsschwankungen dank des Designs der internen Elektronik, die in der gedruckten Schaltung angewendet wird, sowie des mechanischen Designs (Abbildung 5). Der resultierende Fehler im Gleichtakt, wenn 6 kV/us und 4200 V angelegt werden, ist bei einem DVM 0,5 und bei einer kurzen Erholzeit von weniger als 4000 µs auf 50 % NPV begrenzt, gegenüber Werten bis zu 18 % Ungenauigkeit und eine Erholungszeit von 500 µs mit einer äquivalenten LV 100-VOLTAGE in einem Test unter den gleichen Bedingungen. Aufgrund der geringen Streukapazität von DVM wird der Effekt des dynamischen Gleichtakts praktisch aufgehoben (in der Genauigkeit enthalten) (Abbildung 5), ein wichtiges Merkmal, da neuere Technologien wie IGBTs und SIC-MOSFETs ein höheres dv/dt zwischen primär und sekundär bieten. Die Sekundärseite ist normalerweise aus Sicherheitsgründen geerdet. Die Primärseite ist das Maß für die Differenzspannung, aber die Spannung kann schweben. Eine Potentialänderung in der Primärseite kann eine Störung in der Sekundärseite verursachen und kann nicht herausgefiltert werden, es sei denn, die Reaktionszeit wird reduziert, daher muss die parasitäre Kapazität zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der Auslegung des Wandlers auf den geringstmöglichen Wert reduziert werden. Die vorherige Generation der LV 100-VOLTAGE-Spannungswandler basiert auf der Hall-Effekt-Technologie im Closed-Loop-Modus und verwendet einen Magnetkreis, der die Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern erhöht, während DVM keinen Magnetkreis verwendet. DVM passt sich leicht an die Größe der Eingangsbuchse je nach Eingangsspannung und an jede Art der Verbindung zur Sekundärseite, wie Stecker, geschirmte Kabel, Klemmen (Schraubklemmen, M4, M5, Einsätze, UNC usw.) an die Kundenspezifikationen.
DVM-Modelle wurden nach den neuesten Standards für Traktions- und Industrieanwendungen entwickelt und getestet. Die Norm EN 50155 „Elektronische Ausrüstung in Schienenfahrzeugen“ in Bahnanwendungen, die die Referenznorm für elektrische, umweltbezogene und mechanische Parameter ist, garantiert die Leistung von Produkten in Bahnumgebungen. Für die Industrie IEC 61800 in Antriebsanwendungen, IEC 62109 in Solaranwendungen und IEC 61010 für Sicherheit. Wie oben erwähnt, wurde besonderes Augenmerk auf das mechanische Design des DVM gelegt, um ein niedriges Niveau an Teilentladungen bei hoher Spannung zu gewährleisten. Je höher die Lösch-Teilentladungsspannung (> 5kV), desto besser, da im definierten Normalbetrieb keine Entladungen auftreten. Die Höhe der Teilentladungen ist auf 10 pC festgelegt. Wenn die Spannung ansteigt, beginnen einige Teilentladungen zwischen 2 Punkten aufzutreten, im Allgemeinen bei den entgegengesetzten Potentialen in jedem Produkt.
Das Aufrechterhalten des Entladungsniveaus verringert mit der Zeit das Isolationsniveau des Produkts und beeinträchtigt letztendlich die Qualität des Produkts, bis es versagt. Diese Entladungen treten bei einem Wert auf, der als Einschaltspannung bezeichnet wird, und verschwinden im Allgemeinen, wenn sie einen Wert von 10 pC erreichen, wenn die angelegte Spannung abnimmt (Löschspannung). Die Löschspannung ist immer kleiner als die Zündspannung. Um eine lange Lebensdauer der Produkte zu gewährleisten, ist es natürlich das Ziel, dass die Löschspannung höher ist als die normale Betriebsspannung. Die Verwendung von DVM gewährleistet dies dank der Löschspannung von 5 kV, wenn das Produkt für die Messung der Nennspannung zwischen 600 und 4200 VRMS definiert wurde. Es wurden beschleunigte Tests durchgeführt, um eine Schätzung der Ausfallrate zu erhalten, einschließlich Temperaturzyklen und der vollständigen Charakterisierung des Produkts gemäß den Standards. Dank eines innovativen Designs, das den Trenntransformator zusammen mit digitaler Technologie verwendet, garantieren die DVM-Modelle Isolations- und Teilentladungswerte für Hochspannungsanwendungen mit Spitzen von bis zu 5 kV.
DVM-Wandler, die hauptsächlich für Mittel- und Hochspannung ausgelegt sind, eignen sich auch für alle robusten Umgebungen, die eine gute Leistung in Bezug auf Präzision, Verstärkung, Linearität, geringen Anfangsoffset, geringe thermische Drift usw. erfordern. Gekennzeichnet durch eine hohe Immunität gegen externe Interferenzen, die beispielsweise durch benachbarte Ströme und externe Störungen erzeugt werden, und eine hohe Immunität gegen Hochspannungsschwankungen, bieten DVM-Wandler eine hervorragende Zuverlässigkeit.
