Der richtige Hall

Industrieelektronik

Stromsensoren – Leistungselektronik ist empfindlich und darum optimal zu schützen. Das geht am besten mit einer präzisen Strommessung auf Basis von Hall-Effekt-Sensoren.

05. Dezember 2012

Für die präzise Regelung leistungselektronischer Systeme wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, USV-Systeme und Schweißanlagen ist eine schnelle und genaue Strommessung notwendig. Ein probates Mittel zum Zweck dafür sind die sogenannten Stromsensoren. Dabei handelt es sich um elektromechanische Komponenten, die in Echtzeit ein genaues Abbild der Ein- und Ausgangströme liefern.

Auch Harting aus Espelkamp hat ein breites Sortiment an Stromsensoren, eine Spezialität des Unternehmens ist nach eigenen Angaben die Messung hoher Ströme in den oben beschriebenen Umgebungen. Die Sensoren sind in acht Baugrößen für Nennströme von 200 bis 2.000 Ampere beziehungsweise mit einem Messbereich von 300 bis 4.000 Ampere verfügbar.

Zwei Messmethoden

Eine neue Stromsensor-Produktfamilie von Harting basiert auf dem bewährten Hall-Effekt und misst, galvanisch getrennt, über das Magnetfeld des Leiters den fließenden Strom. Dabei kommen zwei Messprinzipien zum Einsatz: Für anspruchsvolle Messaufgaben stehen Kompensationsstromsensoren zur Verfügung. Sind die Anforderungen an die Genauigkeit geringer, empfiehlt es sich, die direkt abbildenden Stromsensoren von Harting einzusetzen.

Bei direkten Stromsensoren (Open Loop) wird das Magnetfeld des Primärstroms in einem weichmagnetischen Ringkern gebündelt. Im Luftspalt des Ringkerns ist ein Hall-Element platziert, das eine Spannung proportional zum Magnetfeld beziehungsweise zum Strom erzeugt. Die Hall-Spannung verstärkt sich und liefert als Ausgangssignal ein Abbild des Primärstroms. Ein Vorteil dieser Sensoren ist der einfache Aufbau. Die Temperaturabhängigkeit des Hall-Elements und der Verstärkung beeinflusst allerdings die Genauigkeit.

Kompensationsstromsensoren, auch Closed-Loop genannt, sind ähnlich aufgebaut wie direkte Sensoren. Die Hall-Spannung wird allerdings nicht direkt als Messsignal verwendet, sondern dient zur Regelung eines Sekundärstroms. Dieser fließt durch eine Spule und erzeugt ein magnetisches Kompensationsfeld im Ringkern.

Wenn der Sekundärstrom exakt genauso groß ist wie der Primärstrom, heben sich die beiden Magnetfelder im Kern auf. Das Hall-Element regelt den Magnetfluss immer auf null. Der Sekundärstrom ist gleichzeitig das Ausgangssignal des Sensors. Closed-Loop-Sensoren haben eine höhere Stromaufnahme, arbeiten jedoch über den gesamten Temperaturbereich von 40 bis 85 Grad Celsius mit einer Genauigkeit von unter einem Prozent.

Abhängig vom Einbau

Die tatsächliche Messgenauigkeit der Wandler hängt dabei von der Einbausituation im Frequenzumrichter ab. Externe Magnetfelder oder die Magnetfelder der benachbarten Phasen in der Umgebung des Sensors können das Hall-Element empfindlich stören. Das Design des weichmagnetischen Kerns und des Luftspalts ist entscheidend, um diese Einflüsse zu minimieren. Der Kern bündelt und verstärkt das Magnetfeld des zu messenden Stroms.

Durch moderne und genaue Computersimulationen haben die Ingenieure von Harting eine ideale Luftspaltgeometrie ermittelt, durch die das Hall-Element gegenüber externen Magnetfeldern optimal abgeschirmt wird. Die Harting-Hall-Effekt-Stromsensoren zeigen auch bei minimalen Phasenmittenabständen eine sehr geringe Messabweichung. Das erlaubt dem Anwender einen kompakten Aufbau des Umrichters.

Generell ist die Genauigkeit der Sensoren am höchsten, wenn der Primärleiter genau in der Mitte der Öffnung des Wandlers positioniert ist. Durch die sehr gute magnetische Kopplung der Stromsensoren ist die Abhängigkeit von Position und Form des Primärleiters im Vergleich mit anderen existierenden Lösungen laut Harting sehr gering.

Alle Katalog- und Datenblattangaben sind durch Labortests in akkreditierten Prüflaboren nachgewiesen. Die Industrieversionen sind gemäß der Norm DIN 50178 – Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln – geprüft, die Bahnsensoren entsprechen der DIN EN 50155 – Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen – und sind damit unter anderem schock- und vibrationsgeprüft gemäß IEC 61373, Kategorie 1, Klasse B.

Beide Normen stellen hohe Ansprüche an die Lebensdauer, elektrische Sicherheit und EMV-Festigkeit der Komponenten. Dabei legt die Bahnnorm EN 50155 eine Mindestlebensdauer von 15 Jahren zugrunde. Die MTBF-Werte der Sensoren liegen dabei zwischen 1,5 und 2,6 Millionen Stunden. Je nach Anwendungsfall kann Harting eine Vielzahl von Sensoranschlüssen realisieren. Der Temperaturbereich von 40 bis 85 Grad Celsius und die Vibrationssicherheit stellen hohe Ansprüche an die Anschlusstechnik.

Als Standardanschluss gibt es steckbare Federkraftklemmen im Rastermaß von fünf Millimetern, die einen sicheren und einfachen Anschluss ermöglichen. Die Signalleitung lässt sich direkt anklemmen, und die Beschaffung von Gegensteckern und Kontakten entfällt. Dazu liefert der Anbieter verschiedene Kabel für die Konfektion der Signalleitungen. Ein Set aus Sensor und Verkabelung vereinfacht die Installation und den Beschaffungsprozess. Die Produktion erfolgt ausschließlich an ISO-9001- und Iris-zertifizierten Produktionsstandorten der Harting Gruppe.

Auf einen Blick

Harting

-Die Harting Technologiegruppe entwickelt, fertigt und vermarktet elektrische und elektronische Steckverbinder, Geräteanschlusstechnik oder Netzwerkkomponenten.

-Einsatz in Maschinenbau und Automatisierung, im Energiesektor oder der Industrieelektronik.

Stromsensoren

-Hall-Sensor mit integrierter Signalverarbeitung.

-Galvanische Trennung für 400-Volt-Anwendung.

-Abmessungen kleiner 10 x 10 x 10 Millimeter.

-Verschiedene Messbereiche mit einem Aufbau.

-Integrierte Abschirmung gegen Störfelder.

Erschienen in Ausgabe: 09/2012