Stromwandler in der Leistungselektronik FPGA-kompensierte DCCT-Wandler und ein besserer Wirkungsgradtest

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Ein exakter Wirkungsgrad und die Bestimmung von Verlusten an modernen Frequenzumrichtern und Elektromotoren sind für Entwickler entscheidend. Da die Effizienz moderner Antriebskomponenten oft nahe an 99 Prozent herankommt, führen schon kleinste Messfehler zu Fehleinschätzungen der Verluste.

Bei der Leistungsmessung in der Antriebstechnik digitalisieren breitbandige Präzisionsleistungsmesser die Signale von Spannung und Strom. Durch Multiplikation der Abtastwerte u(t) und i(t) sowie die Bildung des arithmetischen Mittelwerts über eine oder mehrere Perioden wird die Wirkleistung ermittelt. Die Messgenauigkeit hängt folglich direkt von der Amplitudengenauigkeit, der Zeitverzögerung (Phasentreue) zwischen den Abtastkanälen und der Präzision des Messintervalls ab.

Die Verlustmessung bei Höchstleistungen

Die ersten Frequenzumrichter kamen Ende der 1960er Jahre auf den Markt. Es dauerte jedoch über 20 Jahre, bis Messgeräte auf den Markt kamen, die mit den extrem steilen U-Spannungsflanken und stark verzerrten Stromsignalen zurechtkamen, wie etwa der LEM NORMA Power Analyzer D6000 aus den frühen 1990ern. Damals erfolgten Strommessungen noch über breitbandige Koaxialshunts und aufwendige GUARD-Techniken, um Gleichtaktstörungen durch steile Spannungsflanken zu minimieren.

Heute kämpfen Entwickler vor allem in der sehr hohen Effizienz der Komponenten. Da Verluste nicht direkt gemessen werden können, errechnen sie sich aus der Differenz von Eingangs- und Ausgangsleistung (z. B. DC-Eingang zu AC-Ausgang beim Wechselrichter).

Bei Wechselrichtern mit Wirkungsgraden von nahezu 99 Prozent können Messunsicherheiten bei der Eingangs- und Ausgangsleistung dazu führen, dass der Fehler für die tatsächlichen Verluste mehr als 100 Prozent beträgt. Externe Koaxialshunts waren zwar amplitudengenau und phasentreu, doch die Messung des winzigen Spannungsabfalls auf einem hochohmigen, verzerrten Potenzial war fehleranfällig und extrem teuer.

Galvanisch getrennte DCCT-Wandler

Um die Messbereichserweiterung von Leistungsmessern zu realisieren, haben sich seit vielen Jahren hochpräzise, galvanisch vom Messsignal getrennte DCCT-Stromwandler (Direct Current Current Transformer) etabliert. Ursprünglich für die Regelung linearer DC-Hochstromquellen in Teilchenbeschleunigern oder die Magnetfeldmessung in MRTs entwickelt, müssen sie heute weit mehr leisten als nur exakte DC-Werte zu liefern.

Für genaue Wirkleistungs- und Verlustberechnungen an Umrichtern müssen die Wandler in einem weiten Frequenzbereich bis einige 100 kHz amplitudengenau sein. Außerdem dürfen sie keine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom erzeugen, da dies den Leistungsfaktor verfälschen würde.

Von analogen Induktoren zum FPGA-Chip

Ältere DCCT-Generationen waren meist nicht optimal für höherfrequente AC-Ströme ausgelegt und reagierten empfindlich auf AC-Fremdfelder. Moderne Wandler decken dagegen Frequenzen bis zu einigen MHz ab. Das ist etwa für die Signalanalyse neuer, schneller Halbleiterschalter (wie SiC oder GaN) wichtig, bei denen Schaltfrequenzen um 100 kHz und Harmonische bis in den MHz-Bereich reichen.

Herkömmliche DCCT-Wandler sind jedoch komplex aufgebaut. Sie erforderten traditionell zwei identische Induktoren: Einer maß den DC-Anteil, der zweite diente rein der Kompensation von Störungen im Hauptkern. Diese analogen Bauteile mussten extrem präzise gefertigt werden.

Bei der aktuellen Wandlergeneration (wie der IN-Serie von LEM) konnte auf den zweiten Induktor zur Rauschunterdrückung komplett verzichtet werden. Stattdessen nutzt LEM eine mikroprozessorgesteuerte Fehlerkompensation:

• Die durch den primären DC-Induktor verursachten Störungen werden im Produktionsprozess eingelernt, digitalisiert und im Prozessor abgespeichert.

• Die Kompensation erfolgt in Echtzeit über einen D/A-Wandler, einen Analogverstärker und eine Kompensationswicklung im Hauptkern.

• Fehlerbehaftete Analogbauteile werden im Wandler drastisch reduziert; auch die Offsetjustierung ist im FPGA hinterlegt.

Die typische DC-Genauigkeit dieser patentierten Neuentwicklung liegt im niedrigen einstelligen ppm-Bereich. Zudem sind die Wandler AC-optimiert, wodurch sie im AC-Kreis ähnlich wie stromkompensierte Hallsensorwandler arbeiten, aber um ein Vielfaches präziser sind.

Von der Stromversorgung bis zum EtherCAT-Konverter

Um das volle Potenzial solcher Hochpräzisionswandler in industriellen Prüfumgebungen (z. B. beim Test von Hochvoltbatterien) auszuschöpfen, ist mehr als nur der Sensor nötig. Eine spezielle Transducer-Stromversorgung muss für Stabilität und Signalintegrität sorgen. Hier hat der LEM-Vertriebspartner SIGNALTEC spezielle Single- und Multi-Channel-Transducer-Systeme (MCTS) mit galvanisch isolierten Kanälen entwickelt.

Auch die Signaldigitalisierung in End-of-Line-Testaufbauten (EOL) schreitet voran. Während frühere EtherCAT-Konverter rein auf die Strommessung beschränkt waren, integrieren modernste Systeme (wie das in Kooperation mit REDCUR entwickelte Powerlens) die vollständige Strom- und Spannungsmessung, EtherCAT-Ausgänge sowie CAN-Bus-Unterstützung in Echtzeit.

Fazit: Mit digital kompensierenden DCCT-Wandlern (FPGA-Kompensation) und intelligenten Peripheriesystemen steht Entwicklern heute eine Messtechnik zur Verfügung, die selbst bei Wirkungsgraden von über 99 Prozent verlässliche und hochpräzise Verlustanalysen ermöglicht. Der Brückenschlag von der hochpräzisen Physik im Wandler bis zur industriellen Prüfstandintegration (gestützt durch Spezialisten wie SIGNALTEC) macht die AC/DC-Strommessung fit für die Anforderungen der modernen Leistungselektronik. (heh)

* Horst Bezold ist Geschäftsführer von Signaltec und Jörn Burk ist Vertriebsleiter Industrie DACH und Osteuropa von LEM.

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