Stromsensoren Ein hochgenaues Abbild der Leistungselektronik

Die präzise Messung hoher Ströme ist entscheidend für hochwertige Regelungen der Leistungselektronik, beispielsweise bei elektrischen Antriebssystemen oder in Wechselrichtersystemen von PV-Anlagen.

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Sofern lediglich Wechselströme zu messen sind, können passive Stromtransformatoren mit geeigneten Kernmaterialien eingesetzt werden. In der Regel besitzen die Ströme, insbesondere in getakteten Umrichtern, auch Gleichstromanteile; in Solaranlagen geht es sogar um die direkte Messung des Gleichstromes, den die Solarmodule generieren.

Hier liegt das Anwendungsfeld aktiver Stromsensoren mit integrierter oder externer Elektronik. Im Artikel werden speziell Kompensationsstromsensoren, auch Closed-Loop-Sensoren genannt, beschrieben.

Ein weiteres Anwendungsfeld sind Systeme zur Überwachung des Ableitstromes (gegen Erde) in Solaranlagen. Hier kommen sogenannte allstromsensitive Differenzstromsensoren (DI-Sensoren) zum Einsatz. Diese arbeiten ebenfalls wie aktive Stromsensoren mit zugehöriger Elektronik. Nachfolgend werden die verschiedenen Anwendungen von Stromsensoren beschrieben.

Getaktete Leistungselektronik als Treiber für Stromsensorik

Die Leistungselektronik basierte lange auf der direkten Weiterverarbeitung der Energie eines 50/60-Hz-Stromnetzes. Diese Technologie führte meist zu niedrigem Energiewirkungsgrad und großen, schweren Bauelementen. Die Strommessung erfolgte mit 50/60-Hz-Stromtransformatoren, die aufgrund der notwendigen Spannungszeitfläche groß und teuer waren.

Um den Energiewirkungsgrad beispielsweise von elektrischen Antrieben zu erhöhen und die Bauelemente zu verkleinern, wurde die moderne getaktete Leistungselektronik eingeführt. Hierbei wird die 50/60-Hz-Eingangsspannung zunächst in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese Gleichspannung wird dann mit einer hohen Frequenz von z.B. 20 oder 100 kHz mit Hilfe von Leistungshalbleitern zerhackt. Durch eine geeignete Steuerung dieses Zerhackvorgangs wird dann die in Höhe oder Frequenz angepasste Ausgangsspannung erzeugt, die einen entsprechenden Ausgangsstrom, etwa im elektrischen Antrieb, fließen lässt. Dieser Ausgangsstrom steuert dann beispielsweise einen Motor in Drehzahl (Frequenz) und Drehmoment (Stromhöhe). Der Ausgangsstrom, der in der Regel einen Gleichanteil und Wechselanteile in einem weiten Frequenzspektrum enthält, wird mit Stromsensoren gemessen.

Verschiedene Anwendungen getakteter Leistungselektronik

Anwendung Frequenzumrichter: Frequenzumrichter werden in vielen Industrieanwendungen gebraucht. Beispiele sind Förderanlagen, Flurförderfahrzeuge, Kräne, Aufzüge, Druckmaschinen und andere Applikationen mehr. Die Aufgabe des Frequenzumrichters ist hierbei, die Drehzahl und das Drehmoment von elektrischen Antrieben in einem weiten Bereich zu steuern bzw. zu regeln. Besonders hohe Anforderungen werden gestellt, wenn Schnelligkeit und Präzision gleich wichtig sind, wie bei Industrierobotern, Handhabungssystemen und Positionierantrieben. Closed-Loop-Stromsensoren der VAC (Vacuumschmelze) unterstützen hierzu die präzise Regelung des Ausgangsstroms und damit des Drehmoments mittels hoch genauer Strommessungen.

Beispiel Schweißstromquellen: Moderne Schweißstromquellen werden als so genannte Inverter ausgeführt. Sie wandeln Netzwechselspannung und -strom in geeigneter Weise in Gleichstrom oder Impulsstrom um. Kompensationsstromsensoren ermöglichen über die präzise Messung des Schweißstroms eine genaue Regelung des Schweißvorgangs. Das Resultat ist ein sichtbar besseres Schweißergebnis. Außerdem sind sie klein und leicht, ein wichtiges Argument beim mobilen Einsatz.

Anwendung Solaranlage: Im Bereich der Photovoltaik wird mit Hilfe von Solarzellen aus Sonnenlicht elektrische Energie erzeugt. Solarzellen geben abhängig von der Stärke der Sonneneinstrahlung Gleichspannungen und Gleichströme ab. Der Photovoltaik-Inverter wandelt diese Gleichspannung in eine 50-Hz–Wechselspannung um. Damit sich diese in das Stromnetz einspeisen lässt, muss sich der Inverter mit dessen 50-Hz-Frequenz synchronisieren. Dann muss der Inverter die Höhe der einzuspeisenden Spannung auf 230 V anpassen. Hat er beides geschafft, schalten die Relais, sodass dann die Solarzellenenergie kontrolliert in das Stromnetz fließt.

Aktive hochgenaue Stromsensoren werden in Solarwechselrichtern sowohl auf der DC-Eingangsseite sowie auf der AC-Ausgangsseite zur exakten Messung der Betriebsströme und deren Regelung eingesetzt. Gleichzeitig realisiert der Stromsensor die galvanische Trennung zwischen der Leistungselektronik und der Signalelektronik.

In transformatorlosen Solarwechselrichtern werden ebenfalls allstromsensitive DI-Sensoren von VAC eingesetzt, um die Abschaltung defekter Systeme vom Netz sicherzustellen. Diese DI-Sensoren helfen durch Überwachung von Phase, Nullleiter und Erde Fehlerfälle (beispielsweise Isolationsfehler) in der Photovoltaikanlage zu detektieren und durch gezielte Abschaltung Brände oder gefährliche Betriebszustände zu verhindern.

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