gesponsertEnergiemanagement der Zukunft Smart Shunts erhalten eine digitale Dimension

Der Wirkungsgrad ist entscheidend für Elektrosysteme, um Umweltauflagen einzuhalten, Stromkosten zu reduzieren und die Effizienz direkt bei der Energieerzeugung zu optimieren.

Heute gibt es zunehmend Hochleistungsanwendungen, bei denen eine genaue Gleichstrom(DC)-Überwachung von entscheidender Bedeutung ist, um Betriebskosten zu senken und ökologische Vorteile zu erzielen. Ständig aktualisierte Stromwerte ermöglichen es, Funktionen und Prozesse besser zu steuern und den Energieverbrauch zu optimieren. Bisher war es schwierig, auf qualitativ hochwertige Strommessdaten von Hochleistungssystemen zuzugreifen. Dank der Innovationen des Riedon-Entwicklungsteams eröffnen sich jetzt ganz neue Möglichkeiten.

Sensoren für die Stromüberwachung im Hochleistungsbereich

Für die in Hochleistungssystemen gibt es im Wesentlichen zwei Ansätze: entweder die konventionelle Strommessung über einen passiven Shunt oder die Messung mithilfe eines Hall-Effekt-Sensors. Bei der Shunt-/Nebenschluss-Strommessung wird ein niederohmiger Widerstand in dem zu messenden Stromkreis positioniert.

Über dieses Widerstandselement wird eine Potenzialdifferenz erzeugt, die direkt proportional zum vorhandenen Strom ist – was die Extrapolation erleichtert. Shunts sind preiswert, kompakt und einfach zu integrieren. Sie liefern durchgehend stabile Messwerte (und ihre Genauigkeit bleibt durch andere Einflüsse unbeeinträchtigt).

Obwohl sie ein einfaches und kostengünstiges Mittel für Strommessungen darstellen, gibt es auch Nachteile, die zu beachten sind. Da sich das Widerstandselement direkt im System befindet, handelt es sich um eine intrusive Form der Messung. Aufgrund des Widerstands wird ein gewisser Teil der Leistung als Wärme abgeleitet. Dies ist problematisch, wenn höhere Stromstärken (d. h. über 100 A) gemessen werden. In solchen Situationen stellt das Widerstandselement einen erheblichen Leistungsverlust dar.

Hall-Effekt-Stromsensoren bieten eine Alternative zum Shunt-Ansatz. Hier induziert das Magnetfeld um den Leiter einen Strom im Sensor selbst. Der induzierte Strom entspricht proportional der Größe des Stroms, der durch den Leiter fließt.

Dies führt zu einer nicht-intrusiven Messung ohne direkte elektrische Verbindung. So lassen sich die zuvor beschriebenen Shunt-bedingten Leistungsverluste vermeiden.

Wie bei Shunt-Anordnungen ergeben sich auch beim Hall-Effekt-Ansatz Herausforderungen. Die Sensoren sind teurer, was sie möglicherweise außerhalb des akzeptablen Budgets für einige Anwendungen stellt.

Sie sind auch sperriger, was ihren Einsatz in Systemen mit begrenztem Platzangebot erschwert. Ihr Betriebstemperaturbereich ist nicht so groß wie der von Shunts, sodass es auch hier möglicherweise Anwendungen geben könnte, bei denen die Bedingungen einfach zu anspruchsvoll sind.

Doch die bei Weitem größten Bedenken bei Hall-Effekt-Sensoren ergeben sich hinsichtlich der Genauigkeit. Erstens kommt es darauf an, wie dicht sie an dem zu überwachenden Leiter positioniert werden können. Je größer der Luftspalt, desto schlechter die Qualität der erfassten Daten. Zweitens sind elektromagnetische Interferenzen (EMI) in der Nähe störend, sodass die Messdaten in ähnlicher Weise beeinträchtigt werden. Drittens neigen diese Sensoren dazu, ihre Empfindlichkeit zu verändern – mit zunehmendem Alter und auch aufgrund von Temperaturschwankungen. Die daher regelmäßig erforderlichen Kalibrierungen schlagen sich auf die Kosten nieder. Im Vergleich dazu, erfordern Shunts nur eine einmalige Kalibrierung, was sie wirtschaftlicher und komfortabler in der Handhabung macht.

Aufgrund der Eigenschaften, die diese beiden Stromsensortypen mit sich bringen, eignen sie sich jeweils nur für bestimmte Anwendungen. Im Allgemeinen werden Shunts auf Leiterplattenebene eingesetzt, wenn die zu messenden Ströme unter 50 A liegen, während Hall-Effekt-Sensoren für Stromstärken darüber zum Einsatz kommen.

Doch gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Szenarien, die nach einer Strommessung verlangen, welche die Vorteile passiver Shunts mit denen von Hall-Effekt-Sensoren erfolgreich kombiniert. Hierzu gehören unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), industrielle Antriebe, Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen und Infrastruktur für erneuerbare Energien. Sie alle benötigen Zugang zu Strommessdaten mit einem sehr hohen Genauigkeitsgrad, während es gleichzeitig gilt, die Auswirkungen unerwünschter Leistungsverluste abzumildern.

Der von Riedon entwickelte aktive Shunt reduziert das Widerstandselement in Strommessaufbauten auf ein absolutes Minimum, indem die über dem Widerstandselement gemessene Potenzialdifferenz verstärkt wird. Folglich können viel kleinere Stromsignale verarbeitet werden, und die Verlustleistung ist vernachlässigbar.

Wesentliche Vorteile aktiver Shunts

Die Technik eines sogenannten Smart-Shunt ist leicht erklärt. Sie basiert auf einem herkömmlichen passiven Shunt und kombiniert diesen mit einem hochpräzisen isolierten Verstärker. Auf diese Weise lassen sich die Leistungsverluste, die passive Shunts behindern, umgehen. Diese Komponenten werden aus einer Manganin-Legierung hergestellt, die den Stückpreis niedrig hält, was sie finanziell viel attraktiver macht als Hall-Effekt-Sensoren.

Bei hohen Stromstärken sind Smart-Shunts wesentlich kleiner und einfacher in Systeme einzubauen als ihre Hall-Effekt-Sensor-Äquivalente. Sie weisen eine hervorragende EMI-Beständigkeit auf und sind auch nicht anfällig für thermische Drift oder Drift im Laufe ihrer Lebensdauer. Da sie zeit- und temperaturstabil sind, entfällt das regelmäßige Nachkalibrieren, was zu geringeren Gesamtbetriebskosten (TCO) für den Anwender führt.

Smart-Shunts von Riedon werden bereits in verschiedenen Hochleistungsanwendungen eingesetzt und bieten die erforderliche Strommessgenauigkeit, ohne die Systemeffizienz zu beeinträchtigen. Riedon arbeitet daran, seine Entwicklungen stetig weiter voranzutreiben, und investiert kontinuierlich in die Produktentwicklung in diesem Bereich, um für den Anwender gewinnbringende Innovationen auf den Markt zu bringen.

Neue Generation von Smart-Shunts

Mit der Einführung der Smart-Shunt-Serie SSA im Jahr 2020 reagierte Riedon auf den wachsenden Bedarf der Branche an hochgenauer, verlustarmer Strommessung. Dank eingehender Gespräche mit Kunden, die diese Sensoren einsetzen, konnte das Unternehmen weitere Verbesserungsansätze identifizieren und aufgreifen.

So wurde deutlich, dass die Integration zusätzlicher Funktionalitäten einen echten Mehrwert darstellen würde, wobei gerade digitale Ausgangssignale von Interesse wären. Dies war die Motivation für das nächste Kapitel in der Geschichte des Smart-Shunts.

Als Ergänzung zur bestehenden SSA-Serie mit Analogausgang stellt die neue Serie SSD einen wichtigen Schritt nach vorn dar. Sie bietet Entwicklern den zusätzlichen Komfort eines digitalen Ausgangs, der klare Integrationsvorteile mit sich bringt. SSDs lassen sich problemlos in neuen Systemdesigns einsetzen oder in bestehenden Geräten nachrüsten.

Alle Geräte der SSD-Serie verfügen über einen 16-Bit-Mikrocontroller (MCU) in Automotive-Qualität, einen 24-Bit-A/D-Wandler (ADC) mit gepufferten Analogeingängen sowie einen Flash-Speicher mit Fehlerkorrekturcode (ECC). Mit einer Genauigkeit von ±0,1 % des Skalenendwerts können sie Stromwerte von 100 A (2 kA Spitze) bis 1 kA (20 kA Spitze) ermitteln. Eine fortschrittliche, nicht lineare Temperaturkompensation schützt die Sensorgenauigkeit vor Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die Langzeitstabilität der Sensoren ist mit einer Abweichung von weniger als ±0,1 % über 1.000 Betriebsstunden (bei 60 °C Klemmentemperatur) gewährleistet. SSDs benötigen nur 68,8 mm x 80 mm Platz auf der Platine. Ihr Betriebstemperaturbereich reicht von –40 bis +115 °C, sodass sie auch rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Für eine größere Vielseitigkeit beim Systemdesign kann zwischen RS485- und CANbus-Schnittstellen gewählt werden.

Smart-Shunts in Aktion

Es gibt viele Anwendungen, in denen Smart-Shunts von Riedon zum Einsatz kommen. Zu den Kunden zählen Fahrzeughersteller und industrielle OEMs. Eine interessante Anwendung ist das Projekt der Purdue University in West Lafayette, Indiana, USA, wo Smart-Shunts in ihrem „DC Nanogrid House“ eingesetzt werden.

Ziel dieses Projekts ist es, die Durchführbarkeit der Gleichstrom(DC)-Verteilung in Wohngebäuden zu bewerten, anstatt sich auf Wechselstrom (AC) zu verlassen. Für das Projekt wurde das gesamte Haus so umgerüstet, dass es über ein hocheffizientes, mit Gleichstrom betriebenes Nanogrid betrieben wird. Auf diese Weise lässt sich die Energieeffizienz verbessern, was zu etwa 12–15 % weniger Stromkosten eines durchschnittlichen Haushalts führt. Die Prinzipien sind nicht nur auf den Hausgebrauch anwendbar, auch kleine Hausgemeinschaften, Universitätsgelände, Krankenhäuser usw. könnten erhebliche Einsparungen erzielen.

Seit mehr als 130 Jahren basiert die Stromverteilung auf Wechselstrom, doch viele Geräte im Haushalt werden fast immer mit Gleichstrom betrieben, was eine jeweilige AC/DC-Wandlung erfordert. Neue Entwicklungen wie die zunehmende dezentrale Erzeugung erneuerbarer Energien und immer häufiger aufkommende Energiespeicher (dank der Kostensenkungen bei Li-Ion-Batterien) sorgen dafür, dass Gleichstrom an Bedeutung gewinnt. Wenn der aus dem Netz kommende Wechselstrom nur einmal in Gleichstrom umgewandelt werden muss und danach im ganzen Gebäude in dieser Form zur Verfügung steht, entfallen weitere Umwandlungen – die jeweils mit Leistungsverlusten verbunden sind. Ferner werden die in Batterien gespeicherte Energie und der Strom aus erneuerbaren Energiequellen vor Ort nicht unnötigerweise in Wechselstrom und zurück in Gleichstrom transformiert, bevor sie beim Verbraucher ankommen.

Ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Faktor ist die Stabilität des Wechselstromnetzes. In den letzten Jahren gab es mehrere Fälle, in denen extreme Wetterbedingungen zu längeren Stromausfällen führten. Anstatt vom Wechselstromnetz abhängig zu sein, verfügt das DC Nanogrid House über Energie-autonome Eigenschaften. Bei einem Stromausfall wird Strom durch auf dem Dach installierte

zellen und durch die Nutzung von Batteriespeichern vor Ort bereitgestellt.

Mehrere Mitglieder des an dem Projekt beteiligten Forschungsteams wohnen in dem Haus und werden so Teil eines lebendigen Experiments. Die Anwesenheitserkennung bedeutet, dass Klimaanlage und Beleuchtung nur dann aktiviert werden, wenn sich Personen in den Räumen aufhalten.

Die elektrische Systemarchitektur besteht aus vier Elementen:

• Solareinspeisung

• 48-V-Beleuchtungselement

• 380-V-Bus für die Versorgung von Geräten/Ausrüstung

• EV-Ladeelement

Jede dieser Einheiten benötigt genaue Stromüberwachungsfunktionen und ist mit einem individuellen Smart-Shunt ausgestattet, der diese Messfunktionen übernimmt.

Mit der Einführung der Smart-Shunt-Serie SSD wurden die bisher eingesetzten Shunts mit Analogausgang nun durch digitale Versionen ersetzt. Dies beschleunigt den Überwachungs- und Analyseprozess, um verschiedene Aspekte besser verstehen zu können.

Fazit

Smart-Shunts bieten dank ihres im Vergleich zu passiven Shunt-Sensoren wesentlich geringeren Widerstands sowie der im Vergleich zu Hall-Effekt-Sensoren höheren Messgenauigkeit und Betriebsstabilität ganz neue Möglichkeiten für die Stromüberwachung in Hochleistungssystemen. Mit dem zusätzlichen Bonus einer digitalen Schnittstelle ist das Argument für ihren Einsatz jetzt noch stärker geworden.