05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Berührungslose Messung schnell veränderlicher Ströme(2014) Hudoffsky, Boris; Roth-Stielow, Jörg (Prof. Dr.-Ing.)Die berührungslose Strommessung wird im speziellen Anwendungsgebiet der Leistungselektronik bezüglich der Anforderungen an Messgeräte, des Stands der Technik und einem eigens entwickelten Messsystem behandelt. Die Herausforderung bei der Erfassung eines Stromverlaufs wird umso größer, je breitbandiger das Signal ist. Die für die Leistungselektronik typischen trapezförmigen Verläufe sind durch steile Flanken und dazwischenliegende Zeitabschnitte mit konstantem Strom gekennzeichnet. Sie enthalten neben dem Gleichanteil und der Grundschwingung viele hochfrequente Oberschwingungen. Für diese spezielle Signalform wird in dieser Arbeit der Zusammenhang zwischen erforderlicher Messgenauigkeit und benötigter Bandbreite eines Messsystems hergeleitet. Aus dieser Betrachtung kann eine Aussage darüber abgeleitet werden, welche Genauigkeit mit einem Messsystem bei angenommenem Tiefpassverhalten des Messgeräts erreicht werden kann. Andersherum kann eine Aussage darüber gemacht werden, welche Grenzfrequenz bei einer geforderten Genauigkeit notwendig ist. Aus hohen Anforderungen an die Genauigkeit resultiert bei trapezförmigem Signalverlauf eine große Bandbreite inklusive Gleichstrom. Nach dem Stand der Technik weisen direkt-abbildende und Nullfluss-geregelte Strommesssysteme PT1-Verhalten auf. Bei einer detaillierten Analyse etablierter Messsysteme wird festgestellt, dass die Kombination der Eigenschaften einer großen Bandbreite inklusive Gleichstromerfassung mit einer großen zulässigen Amplitude über den gesamten Frequenzbereich in einem Strommesssystem nicht gegeben ist. Diese Kombination ist allerdings für die breitbandige Strommessung besonders wichtig. Der Ansatz der stoßfreien Verkoppelung (HOKA-Prinzip) synthetisiert ein Messsystem aus zwei Sensoren: Gleichstrom und niederfrequente Ströme werden vom ersten Sensor (DC-Sensor), niederfrequente bis hochfrequente Ströme werden vom zweiten Sensor (AC-Sensor) erfasst. Dabei arbeiten die beiden Sensoren unabhängig voneinander und besitzen unterschiedliche Übertragungsfunktionen. Das Zusammenführen dieser zwei unterschiedlichen primären Sensoren führt zu einem breitbandigen Ausgangssignal. Bisher wurden zum HOKA-Prinzip keine Lösungen als zu öffnende Zange vorgestellt. Außerdem beschränken kommerzielle DC-Sensoren die Einsatzmöglichkeiten in Umgebungen mit großen Strömen bei hohen Frequenzen. Zur Vermeidung dieser Einschränkungen werden Lösungen vorgestellt und in Form eines Prototypen am Beispiel der Strommessung in der Leistungselektronik präsentiert. Die bisher vorhandene Technik zur Erfassung niederfrequenter Ströme stellt Messsysteme unterschiedlicher Genauigkeit bei einem weiten Bereich der maximal erfassbaren Amplitude zur Verfügung. Die berührungslosen Messverfahren, die für den DC-Sensor in Frage kommen, basieren auf der Erfassung des magnetischen Felds um einen Stromleiter, das in einem weichmagnetischen Kern gebündelt und über die Flussdichte ausgewertet wird. Dieser Kern kann in mancher Hinsicht die Messung negativ beeinflussen. Einerseits wird damit eine zusätzliche Induktivität in den zu messenden Stromkreis eingefügt, so dass die ursprünglichen Stromverläufe verändert werden. Andererseits können bei hochfrequenten Strömen so große Verluste im Kern entstehen, dass eine Messung nur kurz oder gar nicht möglich ist. Um die Verluste zu vermeiden und dennoch den Teil der gleichstromfähigen Erfassung für ein breitbandiges Messsystem zu erhalten, wird ein neues Konzept zur Gleichstrommessung vorgestellt. Die höherfrequenten Ströme werden mit einer Luftspule gemessen. Das neue Konzept beinhaltet die Messung des Magnetfelds um den stromführenden Leiter mit Induktionssensoren und verzichtet auf die Führung des magnetischen Flusses in einem Eisenkern. Den Induktionssensoren liegt der riesenmagnetoresistive- (GMR-) Effekt zu Grunde. Sie werden mit einer Biasspule vormagnetisiert und als Sensor-Spule-Kombination in einer ringförmigen Reihe um den zu messenden Leiter angeordnet. Ein Kanal des DC-Messsystems besteht neben der Kombination von Induktionssensor und Biasspule aus einer Ansteuer- und Auswerteschaltung. Mit dieser Technik wird ein Prototyp aufgebaut und im Betrieb untersucht. Zur Erfassung der höher- und hochfrequenten Ströme wird eine in Zangenform gewickelte Luftspule entworfen und aufgebaut. Die Ausgangssignale der beiden Sensoren werden über eine HOKA-Auswerteschaltung verkoppelt. Damit entsteht ein breitbandiges Strommesssystem als Zange ausgeführt, welches DC-Ströme von über 1000A messen kann. Der Frequenzbereich erstreckt sich bis über 10MHz, ebenfalls bei einer Amplitude von 1000A. Mit eigens aufgebauten Prüfplätzen werden neben der Untersuchung des neuen Strommesszangenkonzepts bestehende Strommesssysteme getestet. Die Eigenschaften der Messsysteme werden nach einem systematischen Vorgehen ermittelt, so dass ein qualitativer Vergleich der Geräte möglich ist.