Berührungslose Messung schnell veränderlicher Ströme

Abstract

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.

Power electronics, plasma physics, high voltage engineering, electrical drive engineering, and other research areas require the measurement of electrical current with high amplitudes and a wide dynamic range. Many measuring methods exist that are suitable for specific measuring tasks, which are defined by the transfer function of the method. The challenge of accurately measuring electrical current increases with its bandwidth. The trapezoidal waveforms commonly seen in power electronics are characterized by periods of constant current and steep transients. For this waveform, the accuracy of the measurement depends on the bandwidth of the current probe. Taking this into consideration, this work shows how to determine what accuracy can be achieved, if a first order low pass filter behaviour (LP1) of the sensor is assumed. Conversely, the minimum bandwidth required for a certain accuracy can be established. LP1 behaviour is common with today’s state-of-the-art direct and zero-flux current probes. If a high accuracy is needed while measuring trapezoidal signals a wide bandwidth including DC is essential. A detailed analysis of today’s measurement systems shows that there are no devices capable of measuring both a large bandwidth including DC and a high amplitude without suffering peak-current frequency derating. This combination, however, would be fundamental for high bandwidth current measurement. The HOKA principle provides a solution by combining two primary sensors to create a large bandwidth output signal. Unfortunately, this solution has not yet been built in the form of a clamping probe. Also, existing DC-sensors have limited the possibilities of this solution in the acquisition of high frequency, high amplitude currents. This work will address these limitations and suggests solutions in the form of prototypes, here used for current measurement in the field of power electronics. In the HOKA principle, the DC-sensor captures DC and low frequency currents, while the AC-sensor measures low to high frequency currents. These sensors function independently and have different transfer functions. Their outputs are merged to create a single wide-bandwidth output signal. There exists a variety of low frequency current measurement principles, each with differing accuracies and a wide range of maximum measurable amplitudes. The galvanic isolating technique used in some DC-sensors, functions by measuring the magnetic flux concentrated in an iron core surrounding a conductor. This can have a negative impact on the measurement, because the core adds an inductance to the system, eventually affecting the measured current. At high frequencies, the losses created in the core could become so large that a measurement would be possible for only a short period of time, or not at all. To avoid this problem and allow a wide bandwidth current measurement, a new DC-measurement system is presented. High frequency signals will be measured with an air coil and merged with the output of the new DC-measurement system via the HOKA principle described above. The new DC-sensor uses electrical flux sensors with the giant magnetoresistance (GMR) effect. Instead of an iron core, the flux sensors are each paired with their own biasing coil and aligned in a ring shaped array around the target conductor. In addition to these sensors, the DC-measurement system contains a driving and evaluation circuit. The construction and testing of prototype probes using this concept is described in detail. To capture the higher frequency current components, an air coil in the form of a clamping probe has been designed and constructed. Merging the output signal of this system with that of the new DC-system via an evaluation circuit, a probe capable of measuring currents over 1000A and from DC to over 10MHz with no peak-current frequency derating is built and successfully tested. Current sources have been constructed to test the characteristics of this new system as well as other state-of-the-art current measurement devices. These sources are capable of producing waveforms identical to those found in power electronics, as well as harmonicfree sinusoidal waveforms used to test the frequency response at high current. With the addition of signal generators and data acquisition devices, the current sources are expanded to entire test racks. Using a systematic approach, these test racks examine the performance of existing measurement solutions and compare them to the new system. In this way, a qualitative and quantitative comparison of the devices is made possible. The development of power electronic semiconductors leads to increased challenges in wide bandwidth current measurement technology. By combining existing measurement systems with those discussed in this work, these challenges can be overcome.