Messumformer gehen neue Wege in der Genauigkeit für einen breiten Temperaturbereich
Die Reduzierung des Stromverbrauchs und die Verbesserung der Effizienz sind grundlegende Ziele für die meisten Anwendungen der Leistungselektronik, insbesondere in Motorsteuerungsantrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Schaltnetzteilen oder in industriellen Anwendungen wie Schweißen.
Außerhalb des industriellen Bereichs finden sich die gleichen Zielsetzungen in modernen Stromerzeugungsanlagen, die Wind- und Sonnenenergie nutzen.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es notwendig, auf die fortschrittlichsten Materialien zurückzugreifen, um die Isolierung zu verbessern und bessere Teilentladungswerte zu erreichen und somit die Sicherheit und Immunität gegenüber äußeren elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern zu gewährleisten. Neben EMV-Schutz und geringen Emissionen ist das Ziel, die Leistung über einen weiten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten.
Um all dies mit Leistungshalbleitern zu erreichen, müssen Eigenschaften wie geringe thermische Drift, schnelle Reaktionszeiten, geringer Gleichtakteinfluss, hohe Bandbreite und geringes Rauschen der umgebenden Komponenten berücksichtigt werden. Ein Unternehmen, das diese Entwicklung mit seinen Wandlern vorantreibt, ist LEM, und seine neuesten Produkte haben die bisher prognostizierten Grenzen der Hall-Effekt-Technologie überschritten.
Der nächste Schritt
Die klassische Hall-Effekt-Technologie wird seit langem im industriellen Markt eingesetzt. Obwohl die Genauigkeit ziemlich gut ist, in der Größenordnung von 1 oder 2 %, wurde sie durch eine schlechte Leistung über einen weiten Temperaturbereich negativ ausgeglichen.
Eine Möglichkeit besteht darin, anstelle eines Hall-Effekt-Chips einen Magnetinduktionsdetektor zu verwenden, was die Temperaturstabilität verbessert. Der Magnetinduktionsdetektor besteht im Grunde aus kaum mehr als einer Kupferwicklung, obwohl der Betrieb teuer sein kann.
Die Ingenieure von LEM machten sich daher daran, einen Weg zu finden, die Hall-Effekt-Technologie zu einer Leistung zu bringen, die die magnetische Induktion bewältigen kann. Das Ergebnis war ein auf Hall-Effekt-Technologie basierender ASIC für den Einsatz im Closed-Loop-Modus. Es überwand auch andere Nachteile der magnetischen Induktion, wie z. B. Rauschen, Start vom Primärstrom und unverzögerter Neustart nach Überlastung.
Dieser ASIC nimmt den Kern der neuesten LEM-Wandler ein und leistet den größten Beitrag zur Verbesserung der Leistung in Bezug auf Aspekte wie Offset und Offset-Drift.
Das Geheimnis hinter dieser Verbesserung ist eine patentierte Spin-Technik und ein spezialisierter IC. Der Erfolg war so groß, dass das Unternehmen beschloss, sein gesamtes Sortiment an Closed-Loop-Stromwandlern auf Basis des Hall-Effekts zur Messung von Nennströmen von 200 bis 2000 A zu erneuern. Daher wurden vier neue Baureihen – LF 210-S, LF 310-S, LF 510-S und LF 1010-S – und eine fünfte Baureihe, die LF 2010-S, vorgestellt, die für Februar 2015 geplant ist (siehe Abb. 1 ) .
Ein weiterer wichtiger Vorteil der LF xx10-Familie ist ihre geringe Empfindlichkeit gegenüber externen AC- und DC-Feldern, wodurch ein kompakteres Design ermöglicht wird, das nicht durch Felder beeinflusst wird, die von anderen nahe gelegenen Komponenten erzeugt werden. Außerdem bieten sie einen größeren Messbereich, selbst bei einem niedrigen di/dt-Wert.
Dies liegt daran, dass der Transformator einen Sekundärstrom erzeugt, der größer ist als der angegebene Messbereich, und dass er einen Magnetkern mit einem Teilluftspalt verwendet.
Dieses Sortiment dürfte für F&E-Ingenieure im Schienenverkehr und in der Industrie von besonderem Interesse sein.
Es kann auch bei der Messung des Ausgangsstroms von Wechselrichtern hilfreich sein, insbesondere in statischen Umrichtern, und kann auch in rauen Umgebungen eingesetzt werden. Sie sind auch vollständig kompatibel mit der vorherigen LEM LF xx05-Reihe und nehmen den gleichen Platz ein, sodass sie in bestehende Installationen integriert werden können.
Funktionsprinzip
Um genaue Messungen von DC-Strömen durchzuführen, kompensiert diese Technologie den Stromfluss yP, der durch den zu messenden Strom IP erzeugt wird, durch einen entgegengesetzten Stromfluss yS, der durch einen Strom IS erzeugt wird, der durch eine bekannte Anzahl von Windungen NS fließt (Abb. 2), um zu erhalten:
yP – yS=0 oder NP IP – NS IS=0
wobei NP die Anzahl der Windungen in der Primärwicklung und NS die Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung ist.
Um eine genaue Messung zu erhalten, ist ein Gerät erforderlich, das in der Lage ist, den Zustand von y = 0 genau zu messen. Ziel ist es, Stromwandler mit folgenden Eigenschaften zu erhalten:
- Hervorragende Linearität;
- Außerordentliche Langzeitstabilität;
- Geringes Restrauschen;
- Geringe thermische Drifts;
- Hochfrequenzgang; Y
- Hohe Zuverlässigkeit
Um eine genaue Kompensation der beiden entgegengesetzten Stromflüsse (yP und yS) zu erreichen, muss ein Detektor verwendet werden, der in der Lage ist, y=0 genau zu messen, was bedeutet, dass der Detektor sehr empfindlich auf kleine Werte eines magnetischen Restflusses Y (erzeugt B. durch Stromfluss und) um die bestmögliche Detektor des Ausgangssignals zu erreichen.
Durch die Verwendung des Funktionsprinzips, das mit dem oben erwähnten, von LEM patentierten und entwickelten neuen Hall-Effekt-ASIC verbunden ist, decken die LF xx10-Stromwandler Nennstrommessungen von 200 bis 2000 A (4000 A Spitze) ab. Sie benötigen nur einen Standard-DC-Leistungsbereich von ±11,4 bis ±25,2 V, um zu funktionieren.
Die Wandler behalten alle Vorteile der vorherigen Reihe bei und bieten Verbesserungen in Bezug auf Genauigkeit, Empfindlichkeit gegenüber externen Feldern, Messbereich, Gleichtakt und EMV.
Beschreibung
Die Gesamtgenauigkeit beträgt ±0,3 % des IPN bei Raumtemperatur, aber es ist ebenso wichtig, dass sie für den gesamten Betriebstemperaturbereich von -0,6 bis +40 °C besser als ±85 % des IPN ist (siehe Abb. 3a).
Für die LF 1010-Familie beträgt der anfängliche Offset bei +25˚C ±1A.Umdrehung mit einer maximal möglichen Drift von ±1A.Umdrehung für den Betriebstemperaturbereich. Der Empfindlichkeitsfehler bei +25˚C beträgt ±0,1 % und die Linearität nur ±0,1 %. Der Messbereich wurde verbessert, um höhere Spitzenströme als bei der LF xx5-Serie zu erreichen. Mit einem Übersetzungsverhältnis von 5.000 Windungen kann der LF 1010 bis zu 2500 A Spitze messen, während der LF 1005 auf 1800 A Spitze begrenzt war.
Aufgrund des teilweisen Luftspalts des Magnetkerns (siehe Abb. 4) haben die Modelle LF 510, 1010 und 2010 eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Wechsel- und Gleichfeldern. Dies ermöglicht ein kompakteres Design, da es praktisch keine Empfindlichkeit gegenüber Hochstromleitern in der Nähe des Wandlers gibt.
Um externe Felder zu simulieren, ist der beste Test, einen leitenden Stab mit einem Nennstrom an verschiedenen Positionen in der Nähe des Wandlers zu platzieren. Der durch das von diesem Balken erzeugte Feld hinzugefügte Fehler ist messbar. Dies ist auch eine Möglichkeit, eine Rückleitungsschiene und ihre Auswirkung auf die Genauigkeit des Aufnehmers zu simulieren.
Beispielsweise ist die Empfindlichkeit gegenüber Wechsel- und Gleichfeldern (Worst Case) beim LF 1010-S fünfmal besser als beim LF 1005-S (Vorgängergeneration).
Der typische Fehler bei einem LF 1010-S beträgt 2 % IPN im Vergleich zu 10 % beim LF 1005-S, wenn er denselben Bedingungen ausgesetzt wird, die durch störende Wechsel- und Gleichfelder verursacht werden.
Hinsichtlich der Reaktionszeit (siehe Abb. 6) haben die LF xx10-Wandler eine typische Verzögerung (definiert für 90 % IPN) für einen IPN-Stromanstieg von weniger als 0,5 µs. Der Magnetkern mit Teilluftspalt verbessert die magnetische Kopplung und damit auch das di/dt-Verhalten.
Die Bandbreite wird nur durch die Resonanzfrequenz der Sekundärwicklung bis ca. 100 kHz begrenzt. Diese Resonanz ist auf Streuinduktivität und parasitäre Kondensatoren zwischen Wicklungsschichten und zwischen Windungen zurückzuführen.
Das Signal-Rausch-Verhältnis vergleicht den Pegel eines gewünschten Signals mit dem Pegel des Hintergrundrauschens. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen der Stärke eines Signals und der Stärke des Rauschens und wird normalerweise in Dezibel ausgedrückt. Wenn eine Messung digitalisiert wird, bestimmt die Anzahl der zur Darstellung der Messung verwendeten Bits das maximal mögliche Signal-Rausch-Verhältnis. Die LF xx10-Modelle haben dank ihres guten Signal-Rausch-Verhältnisses eine Auflösung von mehr als 14 Bit (siehe Abb. 7).
Für die Sekundärseite sind je nach Kundenspezifikation verschiedene Arten von Anschlüssen wie Stecker, Kabel, Klemmen und Schraubkontakte sowie ein Montagesatz für die Primärseite verfügbar, der für 2010er LF-Modelle verfügbar sein wird.
Wenn die Geschwindigkeit des Halbleiterschaltens erhöht wird, wird ein höheres dv/dt zwischen der Primärseite (hohes Potential) und der Sekundärseite (niedriges Potential) der Wandler beobachtet. Die Sekundärseite ist aus Sicherheitsgründen generell geerdet.
Die Primärseite ist mit verschiedenen Differenzspannungen verbunden, aber die Spannung kann schweben. Das Potential kann sich dann auf der Primärseite ändern und einige Störungen auf der Sekundärseite (Ausgangsseite) des Wandlers verursachen.
Dies kann nicht gefiltert werden, da dies die Reaktionszeit und Leistung aus Frequenzsicht negativ beeinflussen würde, daher muss die parasitäre Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Wandlers während seiner Konstruktion auf ein Minimum reduziert werden.
Eine geringe parasitäre Kapazität zwischen dem Primärleiter und der Sekundärseite des Wandlers ist eine Möglichkeit, den Effekt des dynamischen Gleichtakts zu reduzieren. Und wenn dies nicht ausreicht, kann ein elektrostatischer Schirm hinzugefügt werden, um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.
Die LF xx10-Modelle wurden nach den neuesten weltweit gültigen Standards für Traktions- und Industrieanwendungen entwickelt und getestet. Darunter sind EN 50178 für elektronische Geräte in Starkstromanlagen für industrielle Anwendungen und EN 50155 für elektronische Geräte in Schienenfahrzeugen für Bahnanwendungen. Diese Normen garantieren die Leistungsfähigkeit der Produkte im Industrie- und Bahnumfeld.
LF xx10-Wandler sind UL-anerkannt und CE-gekennzeichnet, um die Einhaltung der europäischen EMV-Richtlinie 2004/108/EWG und der Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EWG zu gewährleisten. Sie entsprechen auch den lokalen abgeleiteten EMV-Vorschriften und der Norm EN 50121-3-2 (Standard für EMV in der Bahnumgebung) in ihrer neuesten Aktualisierung, mit Einschränkungen für EMV, die höher sind als die durch typische Industrieanwendungsstandards festgelegten.
Fazit
Die Systeme integrieren aufgrund des hohen Automatisierungsgrades immer mehr Sensoren, um die Produktivität und Energieeffizienz zu verbessern. Unabhängig von der Art des Sensors können Stromwandler verwendet werden, um die Verbindung zwischen verschiedenen Überwachungs- und Steuerungssystemen herzustellen. Diese Systeme können bei ihrer Suche nach der besten Effizienz die Vorteile der neuen LF xx10-Serie nutzen.
Diese Wandler sind für alle Arten von widrigen Umgebungen geeignet, wenn eine gute Leistung im Hinblick auf Präzision, Verstärkung, Linearität, geringen anfänglichen Offset und geringe thermische Drift erforderlich ist. Die NF xx10-Wandler zeichnen sich durch ihre hohe Immunität gegenüber externen Störungen aus, die durch benachbarte Ströme oder externe Störungen erzeugt werden, und bieten eine hervorragende Zuverlässigkeit.
