I. Einleitung Mit dem Wachstum der städtischen Bevölkerung und der zunehmenden Bebauung steigt auch der Bedarf an elektrischen Geräten und damit der Stromverbrauch stetig. Die Stromversorgungsanlagen in Städten arbeiten häufig unter Überlastung, die Stromumgebung wird immer anspruchsvoller und die Anforderungen an die Stromversorgung steigen. Statistiken zufolge treten täglich etwa 120 Stromversorgungsprobleme bei elektrischen Geräten auf, und 60 % der Ausfälle elektronischer Geräte sind auf die Stromversorgung zurückzuführen [7]. Daher gewinnt die Bedeutung von Stromversorgungsproblemen zunehmend an Bedeutung. Stromversorgungen, die früher eine unterstützende Rolle spielten und weniger Investitionen erforderten, werden von Herstellern und Forschern immer wichtiger, und die Stromversorgungstechnologie hat sich zu einer eigenständigen Technologie entwickelt. Heutzutage integrieren kleine Stromversorgungsgeräte immer mehr neue Technologien. Beispiele hierfür sind Schaltnetzteile, hartes und weiches Schalten, Parameterregelung, lineare Rückkopplungsregelung, magnetische Verstärkertechnologie, digitale Spannungsregelung, PWM, SPWM und elektromagnetische Verträglichkeit. Der tatsächliche Bedarf treibt die kontinuierliche Entwicklung und den Fortschritt der Stromversorgungstechnologie direkt voran. Um Ströme automatisch zu erfassen und anzuzeigen sowie automatische Schutzfunktionen und eine intelligentere Steuerung bei Überstrom, Überspannung und anderen Gefahrensituationen zu gewährleisten, setzt sich die Stromversorgungstechnologie mit Sensorik, Abtastung und Schutz zunehmend durch. Sensoren zur Strom- und Spannungsmessung sind auf dem Markt und erfreuen sich in China wachsender Beliebtheit bei Netzteilentwicklern. Dieser Artikel stellt hauptsächlich den Stromsensor von ABB vor. II. Funktionsprinzip des Stromsensors [1] Der Stromsensor von ABB kann verschiedene Stromarten messen, von Gleichstrom bis Wechselstrom im Bereich von mehreren zehn Kilohertz. Sein Funktionsprinzip basiert im Wesentlichen auf dem Hall-Effekt. Beim Durchlaufen des Stromsensors erzeugt der Primärstrom IP Magnetfeldlinien ①. Diese Linien konzentrieren sich um den Magnetkern ②. Die im Luftspalt des Kerns eingebettete Hall-Elektrode ③ erzeugt eine Spannung von nur wenigen Millivolt, die proportional zu den primären Magnetfeldlinien ① ist. Die elektronische Schaltung ④ wandelt dieses kleine Signal in einen Sekundärstrom IS ⑤ um, wobei folgende Beziehung gilt: wobei IS der Sekundärstrom ist; IP – Primärstrom; NP – Windungszahl der Primärspule; NS – Windungszahl der Sekundärspule; NP/NS – Windungsverhältnis, typischerweise NP = 1. Das Ausgangssignal des Stromsensors ist der Sekundärstrom IS, der proportional zum Eingangssignal (Primärstrom IP) ist. IS ist im Allgemeinen sehr klein und liegt nur zwischen 100 und 400 mA. Wenn der Ausgangsstrom den Messwiderstand RM durchfließt, kann ein Ausgangsspannungssignal von einigen Volt, proportional zum Primärstrom, gewonnen werden. III. Hauptkennwerte des Stromsensors [1] [2] [3] [4] 1. Nennwert IPN und Nennausgangsstrom ISN. IPN bezeichnet den Nennwert, den der Stromsensor messen kann, angegeben als Effektivwert (Arms). Die Größe von IPN ist modellabhängig. ISN bezeichnet den Nennausgangsstrom des Stromsensors, der im Allgemeinen zwischen 100 und 400 mA liegt. Abweichungen können je nach Modell auftreten. 2. Sensor-Versorgungsspannung VA: VA bezeichnet die Versorgungsspannung des Stromsensors und muss innerhalb des vom Sensor vorgegebenen Bereichs liegen. Bei Überschreitung dieses Bereichs arbeitet der Sensor nicht ordnungsgemäß oder seine Zuverlässigkeit wird beeinträchtigt. Die Versorgungsspannung VA des Sensors wird in positive (VA+) und negative (VA-) Versorgungsspannung unterteilt. 3. Messbereich Ipmax: Der Messbereich bezeichnet den maximalen Stromwert, den der Stromsensor messen kann. Er ist in der Regel höher als der Nennwert IPN. Der Messbereich kann mit folgender Formel berechnet werden: (2) Zu beachten ist, dass bei einphasigen Sensoren die Versorgungsspannung VAmin doppelt so hoch ist wie bei zweiphasigen Sensoren. Daher ist ihr Messbereich höher. 4. Überlast: Die Überlastfähigkeit des Stromsensors ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei einer Stromüberlastung steigt der Primärstrom auch außerhalb des Messbereichs an. Die Überlastungsdauer kann sehr kurz sein, der Überlastwert kann jedoch den zulässigen Wert des Sensors überschreiten. Der Sensor kann im Allgemeinen keinen Überlaststrom messen, wird dadurch aber nicht beschädigt. 5. Genauigkeit Die Genauigkeit des Hall-Effekt-Sensors hängt vom Nennstrom IPN ab. Abbildung 3 zeigt die Kurve der Messgenauigkeit des Sensors in Abhängigkeit vom Primärstrom bei +25 °C. Die Genauigkeit kann mit folgender Formel berechnet werden: (3) Dabei ist K = NS/NP. Bei der Berechnung der Genauigkeit müssen Offsetstrom, Linearität und Temperaturdrift berücksichtigt werden. (1) Offsetstrom ISO Der Offsetstrom wird auch Reststrom genannt. Er entsteht hauptsächlich durch den instabilen Betriebszustand des Hall-Elements oder des Operationsverstärkers in der elektronischen Schaltung. Bei der Herstellung des Stromsensors wird der Offsetstrom bei 25 °C und IP = 0 auf ein Minimum eingestellt. Nach Verlassen der Produktionslinie erzeugt der Sensor jedoch einen gewissen Offsetstrom. Die in der Produktdokumentation angegebene Genauigkeit berücksichtigt den Einfluss dieses erhöhten Offsetstroms. (2) Die Linearität ist in Abbildung 4 dargestellt. Sie bestimmt, inwieweit das Sensorausgangssignal (Sekundärstrom IS) und das Eingangssignal (Primärstrom IP) innerhalb des Messbereichs proportional sind. Die Linearität des ABB-Stromsensors liegt unter 0,1 %. (3) Der Temperaturdrift-Offsetstrom ISO wird bei 25 °C berechnet. Ändert sich die Umgebungstemperatur um die Hall-Elektrode, ändert sich auch ISO. Daher ist die maximale Änderung des Offsetstroms ISO zu berücksichtigen. Diese kann mit folgender Formel berechnet werden: (4) Dabei bezeichnet CV (Katalogwert) den Temperaturdriftwert in der Leistungstabelle des Stromsensors. Beispielsweise beträgt CV beim Typ CS2000BR 0,5 × 10⁻⁴/°C, die maximale Temperatur Tmax -40 °C und der Nennausgangsstrom 400 mA. Die maximale Änderung des Offsetstroms beträgt dann: mA . IV. Sensormodell, Aufbau und Installationsmethode. Die Produktbeschreibung der ABB-Sensoren besteht in der Regel aus zwei Teilen: „Sensorproduktmodell“ und „Produktionsdatum“ [5]. Die Bezeichnung „Sensorproduktmodell“ gibt das Sensormodell, den Nennmesswert und die Ausführung (Standard oder Sonderausführung) an. Das „Herstellungsdatum des Sensors“ besteht aus 8 Ziffern und gibt das Herstellungsjahr und -datum sowie die Seriennummer des Sensors an. ABB bietet eine breite Palette von Sensoren mit unterschiedlichen Formen, Größen und Eigenschaften. Nachfolgend sind einige typische Formen und Verdrahtungsmethoden aufgeführt: 1. Stromsensor MP25P1: Der Stromsensor MP25P1 von ABB ist ein Kleinbereichssensor, der Nennströme von 5, 6, 8, 12 und 25 A messen kann. Der Nennstrom wird durch die unterschiedliche Belegung der Pins auf der Primärseite bestimmt (siehe Abbildung 5). 2. Stromsensor ES300C: Wie der MP25P1 verfügen die meisten Sensoren über drei Pins: Pluspol (+), Minuspol (-) und Messanschluss (M). Der ES300C besitzt diese drei Pins jedoch nicht. Stattdessen verfügt er über drei Anschlüsse: rot, schwarz und grün, die jeweils dem Plus-, Minus- und Messanschluss entsprechen. Der ES300C-Sensor besitzt außerdem eine Innenbohrung; bei der Messung des Primärstroms müssen die Drähte durch diese Öffnung geführt werden. Unabhängig davon, ob es sich um den Stromsensor vom Typ MP25P1 oder ES300C handelt, muss die Pinbelegung bei der Installation an die jeweilige Messsituation angepasst werden. (1) Bei der Messung von Wechselstrom ist ein bipolares Netzteil erforderlich. Das heißt, der Pluspol (+) des Sensors wird mit dem Anschluss „+VA“ des Netzteils und der Minuspol mit dem Anschluss „-VA“ des Netzteils verbunden. Diese Anschlussart wird als bipolare Stromversorgung bezeichnet. Gleichzeitig wird der Messanschluss (M) über einen Widerstand mit dem Anschluss „0V“ des Netzteils verbunden. (2) Bei der Messung von Gleichstrom kann ein unipolares oder einphasiges Netzteil verwendet werden, d. h. der Plus- oder Minuspol wird mit dem Anschluss „0V“ kurzgeschlossen, sodass nur eine Elektrode angeschlossen ist. Es gibt vier Anschlussmöglichkeiten (siehe Abbildung 6 und Abbildung 7). Bei Sensoren kennzeichnet die Kennzeichnung „-N“, dass der Sensor keinen Verpolungsschutz besitzt; die Kennzeichnung „-P“ kennzeichnet einen Sensor mit Verpolungsschutz. Abbildung 6 zeigt die Verdrahtung für einpolige Stromversorgung ohne Schutzdiode, Abbildung 7 die Anschlussart für Sensoren mit Verpolungsschutz. (3) Anschluss von geschirmten Sensoren: Einige Stromsensoren von ABB verfügen über eine elektromagnetische Abschirmung. Ihr Gehäuse besitzt einen zusätzlichen Anschluss mit der Kennzeichnung „E“. Es gibt zwei Anschlussmöglichkeiten: Verbinden Sie das geschirmte Ende mit dem Minuspol (-VA) oder dem Neutralleiter (0 V), wie in Abbildung 8 dargestellt. Darüber hinaus müssen bei der Installation Produktzweck, Modell, Messbereich, Installationsumgebung usw. berücksichtigt werden. Der Sensor sollte beispielsweise an einem Ort mit guter Wärmeableitung installiert werden. Ist die Umgebung nur für die vertikale Montage geeignet, muss ein Sensor mit der Kennzeichnung „V“ (z. B. CS300 BRV) gewählt werden. V. Methoden zur Verbesserung der Messgenauigkeit Zusätzlich zur Installationsverdrahtung, der sofortigen Kalibrierung und der Beachtung der Betriebsumgebung des Sensors können die folgenden Methoden die Messgenauigkeit verbessern: 1. Der primärseitige Draht sollte mittig in der inneren Öffnung des Sensors platziert werden und möglichst nicht dezentriert sein. 2. Der primärseitige Draht sollte die innere Öffnung des Sensors möglichst vollständig ausfüllen, ohne Lücken zu lassen. 3. Der zu messende Strom sollte nahe am Nennstrom des Sensors (IPN) liegen und nicht wesentlich davon abweichen. Falls aufgrund der Gegebenheiten nur ein Sensor mit sehr hohem Nennstrom verfügbar ist, der zu messende Strom jedoch deutlich unter dem Nennstrom liegt, kann der primärseitige Leiter mehrfach umwickelt werden, um den Nennstrom anzunähern und so die Messgenauigkeit zu verbessern. Beispielsweise kann bei der Verwendung eines Sensors mit einem Nennstrom von 100 A zur Messung eines Stroms von 10 A die Genauigkeit verbessert werden, indem der Primärleiter neunmal um die Mitte der inneren Öffnung des Sensors gewickelt wird (üblicherweise NP = 1; eine Windung in der inneren Öffnung, NP = 2; ...; neun Windungen, NP = 10, dann NP × 10 A = 100 A, was dem Nennstrom des Sensors entspricht und somit die Genauigkeit verbessert). 4. Bei einem zu messenden Stromwert von IPN/5 kann die hohe Genauigkeit auch bei 25 °C beibehalten werden. VI. Störfestigkeit des Sensors 1. Der elektromagnetische Hall-Effekt-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis nutzt das Prinzip des elektromagnetischen Feldes des Primärleiters. Daher beeinflussen die folgenden Faktoren direkt, ob der Sensor durch externe elektromagnetische Felder gestört wird: (1) Ob sich die Stärke und Frequenz des externen Stroms in der Nähe des Sensors ändern; (2) Der Abstand zwischen der externen Leitung und dem Sensor, die Form und Position der externen Leitung sowie die Position der Hall-Elektrode im Sensor. (3) Ist das zur Installation des Sensors verwendete Material magnetisch? (4) Ist der verwendete Stromsensor abgeschirmt? Um Störungen durch externe elektromagnetische Felder zu minimieren, sollte der Sensor gemäß der Installationsanleitung installiert werden. 2. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) untersucht das Zusammenwirken elektrischer und elektronischer Geräte in einer gemeinsamen elektromagnetischen Umgebung. Das heißt, die verschiedenen Geräte müssen in derselben Umgebung normal und ohne gegenseitige Störungen funktionieren und somit einen „kompatiblen“ Zustand erreichen [8]. Die Verschlechterung der räumlichen elektromagnetischen Umgebung kann zu Inkompatibilitäten elektronischer Bauteile und damit zu Systemausfällen führen. Daher ist die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit elektrischer und elektronischer Geräte unerlässlich. Aufgrund der dringenden Anforderungen in Produktion, Forschung und Markt ist die Verwendung von Strom- und Spannungssensoren mit bestandener EMV-Prüfung mittlerweile Standard. Alle Stromsensoren von ABB sind seit dem 1. Januar 1996 EMV-geprüft . VII. Sensorkalibrierung 1. Offsetstrom ISO Der Offsetstrom muss unter den Bedingungen IP=0 und einer Umgebungstemperatur von T≈25℃ kalibriert werden. Schließen Sie die Leitungen gemäß Abbildung 9 (bipolare Stromversorgung) an. Die Messspannung VM muss folgende Bedingung erfüllen: VM≤RM×ISO (5) 2. Genauigkeit Die Messung erfolgt unter den Bedingungen IP=IPN (AC oder DC), Umgebungstemperatur T≈25℃, bipolare Stromversorgung des Sensors. RM ist der tatsächlich gemessene Widerstand. Die Verdrahtung ist in Abbildung 10 dargestellt. Die Genauigkeit wird mit Formel (3) berechnet. 3. Schutzprüfung Die Sensoren von ABB sind gegen Kurzschluss im Messkreis, Leerlauf im Messkreis, Leerlauf in der Stromversorgung, Primärstromüberlastung und versehentliche Verpolung der Stromversorgung geschützt. Beispiele für die oben genannten Tests sind folgende: (1) Kurzschluss im Messkreis: Dieser Test muss unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden: IP = IPN, Umgebungstemperatur T ≈ 25 °C, bipolare Stromversorgung des Sensors und RM ist der tatsächliche Widerstand in der Anwendung. Das Anschlussdiagramm ist in Abbildung 11 dargestellt. Der Schalter S muss innerhalb einer Minute geschlossen und geöffnet werden. (2) Leerlauftest im Messkreis: Die Testbedingungen sind: IP = IPN, Umgebungstemperatur T ≈ 25 °C, bidirektionale Stromversorgung des Sensors und RM ist der Widerstand in der Anwendung. Das Testdiagramm ist in Abbildung 12 dargestellt. Der Schalter S muss innerhalb einer Minute den Schaltvorgang (Schließen/Öffnen) abschließen. (3) Test auf versehentliche Verpolung der Stromversorgung: Um den Sensor vor Beschädigung durch versehentliche Verpolung der Stromversorgung zu schützen, ist eine Schutzdiode im Schaltkreis installiert. Dieser Test kann durch Messen der Spannung an beiden Anschlüssen der Diode mit einem Multimeter durchgeführt werden. Der Test sollte unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden: IP=0, Umgebungstemperatur T≈25℃, keine Stromversorgung des Sensors und kein angeschlossener Messwiderstand. Für den Test können die folgenden zwei Methoden verwendet werden: Erste Methode: Verbinden Sie die rote Messspitze des Multimeters mit dem Anschluss „M“ des Sensors und die schwarze Messspitze mit dem Anschluss „+“. Zweite Methode: Verbinden Sie die rote Messspitze des Multimeters mit dem Minuspol des Sensors und die schwarze Messspitze mit dem Anschluss „M“. Wenn das Multimeter während des Tests piept, ist die Diode defekt. VIII. Berechnung der Sensoranwendung [5] Gemäß Abbildung 13 lauten die wichtigsten Berechnungsformeln für Stromsensoren wie folgt: NPIP=NSIS; Berechnung des Primär- oder Sekundärstroms; VM=RMI; Berechnung der Messspannung; VS=RSIS; Berechnung der Sekundärspannung; VA=e+VS+VM; Berechnung der Versorgungsspannung. Dabei ist e der Spannungsabfall an der Diode und am Ausgang des Transistors. Verschiedene Sensormodelle weisen unterschiedliche e-Werte auf. Hier betrachten wir den ES300C als Beispiel. Das Windungszahlverhältnis dieses Sensors beträgt NP/NS = 1/2000, der Nennstrom IPN = 300 A_eff, der Versorgungsspannungsbereich VA liegt zwischen ±12 V und ±20 V (±5 %), und der Sekundärwiderstand beträgt RS = 30 Ω. Bei bipolarer (±VA) Stromversorgung beträgt der Messbereich des Sensors >100 A, und es ist keine Schutzdiode gegen versehentliche Verpolung der Stromversorgung vorhanden (ε = 1 V). Unter den oben genannten Bedingungen: (1) Bei gegebener Versorgungsspannung VA berechnen wir die Messspannung VM und den Messwiderstand RM: Annahme: Versorgungsspannung VA = ±15 V. Gemäß der obigen Formel ergibt sich die Messspannung VM = 9,5 V; der Messwiderstand RM = VM/IS = 63,33 Ω; der Sekundärstrom IS = 0,15 A. Wählt man einen Messwiderstand von 63,33 Ω, so beträgt der Ausgangsstrom des Sensors bei Volllast 0,15 A und die Messspannung 9,5 V. (2) Berechnen Sie anhand der Versorgungsspannung und des Messwiderstands den zu messenden Spitzenstrom. Annahmen: Versorgungsspannung VA = ±15 V, Messwiderstand RM = 12 Ω, dann gilt: VM + VS = (RM + RS) × IS = VA - e = 14 V und RM + RS = 12 W + 30 W = 42 W. Daraus ergibt sich der maximale Sekundärstrom: A. Primärspitzenstrom: IPmax = ISmax (NS/NP) = 666 A. Dies zeigt, dass der Sensor unter den genannten Bedingungen maximal 666 A messen kann. Ist der Primärstrom höher, kann der Sensor ihn nicht messen, wird aber nicht beschädigt. (3) Der Messwiderstand (Lastwiderstand) kann den Messbereich des Sensors beeinflussen. Der Messwiderstand beeinflusst den Messbereich des Sensors, daher muss er sorgfältig ausgewählt werden. Er lässt sich mit folgender Formel berechnen: Dabei ist VAmin die minimale Versorgungsspannung nach Abzug des Fehlers, e der Spannungsabfall des Transistors im Sensor, RS der Widerstand der Sekundärspule und ISmax der Sekundärstrom bei maximalem Primärstrom IP. Die Stabilität des Sensors kann mit der folgenden Formel überprüft werden. Weicht VAmin von der Formel ab, führt dies zu Instabilität. In diesem Fall gibt es drei Möglichkeiten: 1) Verwendung eines Netzteils mit höherer Spannung; 2) Verringerung des Messwiderstands; 3) Austausch des Sensors gegen einen mit kleinerem RS-Wert. Beispielsweise hat ein bestimmter Stromsensor einen Nennstrom von IPN = 1000 A, ein Windungsverhältnis von NP/NS = 1/2000, einen e-Wert von 1,5 V, einen Sekundärwiderstand RS = 30 Ω, einen Messwiderstand RM = 15 Ω und wird mit einer unipolaren 15-V-Spannungsversorgung betrieben. Daraus ergibt sich: VA = 30 V (die Spannung einer unipolaren Spannungsversorgung ist doppelt so hoch wie die einer bipolaren) und: IS = IP × NP/NS = 0,5 A, VS = RS × IS = 15 V, VM = RM × IS = 7,5 V. Die obige Überprüfung zeigt, dass dieser Sensor unter diesen Bedingungen Stabilität gewährleistet. Der maximale Wert des Primärstroms, den er messen kann (d. h. der Messbereich), beträgt: IX. Fazit: Mit der Zunahme elektrischer Geräte in Städten und der Alterung und schlechten Wartung der Stromversorgungsanlagen in ländlichen Gebieten treten Spannungsschwankungen, Kurzschlüsse und Überströme häufig in Stadt und Land auf, was zu Beeinträchtigungen des Alltags und Schäden an Geräten führt. Der Einsatz von Sensoren in der Stromversorgungstechnik ermöglicht eine Miniaturisierung, Intelligenz sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgungsgeräte. Die Stromversorgungstechnik hat sich so weit entwickelt, dass sie die Essenz vieler technischer Bereiche wie Elektronik, Leistungselektronik, Automatisierungstechnik, Materialwissenschaften, Sensorik, Informatik, elektromagnetische Verträglichkeit und Thermodynamik vereint. Sensoren werden im 21. Jahrhundert eine entscheidende Rolle in der Stromversorgungstechnik spielen. Daher sollten Sensorentwickler der Anwendung, dem Design und der Entwicklung aktueller Sensoren besondere Aufmerksamkeit widmen. ABB-Sensoren sind in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Lokomotivtechnik und in industriellen Anwendungen, zuverlässig. Dies ist auf ihre breite Modellpalette, ihren großen Messbereich (Strom 5–6000 A; Spannung 50–5000 V), ihre hohe Präzision, Empfindlichkeit, Linearität, Standardisierung, einfache Installation, hohe Störfestigkeit, Zuverlässigkeit und lange mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) zurückzuführen.