Stromsensoren sind wichtige Komponenten in verschiedenen elektrischen und elektronischen Systemen, die den sicheren und effizienten Betrieb von Geräten und Anlagen gewährleisten. In diesem Artikel untersuchen wir Stromsensoren, einschließlich ihrer Typen, Variablen, die bei der Auswahl eines Stromsensors zu berücksichtigen sind, Leistungsvergleiche und Anwendungen.
Wir können Stromsensoren auf der Grundlage der grundlegenden physikalischen Konzepte, aus denen sie bestehen, klassifizieren. Diese Konzepte umfassen das Ohmsche Gesetz, das Faradaysche Induktionsgesetz, Magnetfelder und optische Sensorik. Anhand dieses Frameworks werden wir nun einige gängige Arten von Stromsensoren vorstellen.
Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass die gesamte elektromotorische Kraft (EMK), die in einem geschlossenen Stromkreis erzeugt wird, proportional zur Änderungsrate des gesamten magnetischen Flusses durch den Stromkreis im Laufe der Zeit ist. Dieses Prinzip wird häufig in Strommessgeräten angewendet. Zwei gängige Sensoren, die auf dem Faradayschen Gesetz basieren, sindStromwandler (CTs)undRogowski-Spulen. Wenn aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung erforderlich ist, sorgen diese Sensoren automatisch für die notwendige Trennung zwischen dem gemessenen Strom und dem Ausgangssignal. Das macht sie sehr wertvoll für bestehende Detektionsgeräte.
Ein Stromwandler besteht aus einer Primärwicklung (typischerweise eine einzelne Schleife), einem Kern und einer Sekundärwicklung. Er dient als effektiver Sensor zur Messung hoher Wechselströme. So können große Primärströme in kleinere Sekundärströme umgewandelt werden. Dieser Baustein benötigt keine zusätzliche Antriebsschaltung, da er von Natur aus passiv ist. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, extrem hohe Ströme bei minimalem Stromverbrauch zu überwachen. Das im Kern verwendete Ferritmaterial kann jedoch bei extrem hohen Primärströmen oder Strömen mit erheblichen Gleichstromanteilen gesättigt werden, was zu Signalverzerrungen führt. Ein weiteres Problem ist, dass der Kern nach dem Magnetisieren eine Hysterese entwickelt, die die Genauigkeit verschlechtert, wenn er nicht wieder entmagnetisiert wird. Da ihr Grundprinzip auf der Erkennung von Änderungen des magnetischen Flusses beruht, die proportional zu den Stromänderungen sind, können sie Gleichströme nicht auf standardmäßige Weise erfassen.
Abbildung 1: Grundaufbau eines CT
Abbildung 1 veranschaulicht das Funktionsprinzip einesCT. Basierend auf dem Windungsverhältnis werden Änderungen des Primärstroms Ip als Is auf der Sekundärseite wiedergegeben, was zur Abtastung verwendet werden kann. Zur Überwachung des Ausgangsstroms kann ein Shunt-Widerstand eingesetzt werden, der eine Ausgangsspannung proportional zum Primärstrom erzeugt. Dies bietet Isolation, minimale Verluste, ein einfaches Funktionsprinzip und einen für Stromsensoren geeigneten Spannungsausgang, ohne dass eine zusätzliche Verstärkung erforderlich ist. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) kann in der Lage sein, die Ausgangsspannung direkt abzutasten.
Das Primärstromreduzierungsverhältnis wird durch das Stromwandlerverhältnis ausgedrückt. Die Genauigkeit eines Stromwandlers wird anhand seiner Stromwandler-Genauigkeitsklasse (manchmal auch als Stromwandler-Nennwert oder Stromwandler-Klasse bezeichnet) gemessen. Basierend auf ihrer Genauigkeitsklasse lassen sich CTs in zwei Kategorien einteilen:Dosiergenauigkeit StromwandlerundSchutzgenauigkeit Stromwandler. Messgenauigkeit Stromwandler sind so konzipiert, dass sie bei allen Nennströmen, auch bei sehr niedrigen Strömen, hochgenau sind. Sie werden für bestimmte gängige Lasten ausgewertet. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit verwenden Versorgungsunternehmen diese CTs in der Regel zur Auswertung der Nutzung für Abrechnungszwecke. SchutzgenauigkeitCtshaben eine geringere Genauigkeit als Stromwandler mit Messgenauigkeit. Sie sind so konzipiert, dass sie mit der minimalen Genauigkeit arbeiten, die für den Geräteschutz erforderlich ist.
Stromwandler werden aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer Fähigkeit, Ausgangssignale zu erzeugen, die direkt mit Analog-Digital-Wandlern kompatibel sind, häufig in Leistungsumwandlungsanwendungen eingesetzt. Sie spielen auch eine wichtige Rolle in Stromverteilungsnetzen, die mit Leitungsfrequenzen von 50/60 Hz betrieben werden.
Diese Hohlspulen sind flexibel und um Leiter gewickelt. Änderungen des Magnetfeldes, die durch den durch den Leiter fließenden Strom Ip induziert werden, erzeugen eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate des Stroms ist. Rogowski-Spulen werden vor allem zur Messung von Wechselstrom eingesetzt, insbesondere in Hochfrequenzanwendungen.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Rogowski-Spulenprinzips
Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Rogowski-Spulenprinzips. Die Ableitung des Primärstroms bestimmt die erzeugte Spannung. Um die gewünschte Strommessung zu erreichen, muss einIntegrierschaltkreiswird am Ausgang benötigt.
Die Empfindlichkeit einer Rogowski-Spule wird reduziert, da Stromwandler keine Kerne mit hoher magnetischer Permeabilität verwenden können. Der Hauptvorteil einer Rogowski-Spule ist ihre inhärente Linearität und das Fehlen von Sättigung. Rogowski-Spulen können zur Erfassung von Strömen in Energieverteilungssystemen, Kurzschlussprüfsystemen, elektromagnetischen Emittern, Schleifring-Induktionsmotoren und Blitzprüfeinrichtungen verwendet werden. Die Preisgestaltung ist vergleichbar mit der von Stromwandlern.
Stromerzeugende statische Magnetfelder sind mit dem Faradayschen Induktionsgesetz schwer zu detektieren. Umgekehrt können Magnetfeldsensoren sowohl statische als auch bewegte Magnetfelder erkennen. Sie dienen als ideale Alternative zur Strommessung.
Diese Sensoren arbeiten nach dem Hall-Effekt-Prinzip, das besagt, dass sich eine Potentialdifferenz über einen Leiter bildet, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu seinem Querschnitt angelegt wird. Die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft (EMF) senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld kann mit der Rechte-Hand-Regel bestimmt werden. Die Größe dieser EMK und der relative Winkel zwischen Strom und Magnetfeld bestimmen die zusammengesetzte Vektorspannung, die proportional zur Hall-Konstante ist. Das Magnetfeld wird durch den zu messenden Strom erzeugt, wodurch eine analysierbare Spannung erzeugt wird.
Eine Signalkonditionierung ist erforderlich, um den Ausgang in den meisten Anwendungen nutzbar zu machen. Die Signalkonditionierungselektronik erfordert in der Regel Verstärkerstufen und Temperaturkompensation. Differenzverstärker mit diesen Eigenschaften lassen sich unter Verwendung der Standard-Bipolartransistor-Technologie problemlos mit Hall-Elementen kombinieren. Auch eine Temperaturkompensation ist problemlos möglich. Abbildung 3 zeigt ein typisches Design für einen Hall-Effekt-Stromsensor.
Abbildung 3: Typische Anwendungen vonHall-Stromsensoren mit offenem Regelkreis
Hall-Effekt-Sensoren werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Leistungsumwandlungssysteme, Schweißgeräte, Motorantriebe, Radargeräte und die Elektrolyseindustrie.
Diese magnetfeldbasierten Stromsensoren werden sowohl in geschlossenen als auch in offenen Kreisen eingesetzt.
Abbildung 4: Typische Anwendung vonHall-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis
Der durch den Primärstrom IP erzeugte magnetische Fluss wird durch einen komplementären magnetischen Fluss ausgeglichen, der durch den Antriebsstrom in der Sekundärwicklung erzeugt wird. Das Hall-Element und die zugehörige elektronische Schaltung erzeugen einen Sekundärstrom (Ausgleichsstrom), der perfekt dem Primärstrom entspricht.
Ein einfacher Fluxgate-Sensor nutzt die nichtlineare Beziehung zwischen dem Magnetfeld H und der magnetischen Flussdichte B in magnetischen Materialien, was zu einer Änderung der magnetischen Permeabilität des Materials führt.
Abbildung 5: Grundlegender Schaltplan des Fluxgate-Stromsensors
Abbildung 5 zeigt ein einfaches Design für einen Fluxgate-Sensor, der zur Messung des Stroms Ip verwendet wird. Auf dem Magnetkern sind zwei Wicklungen montiert: eine Erregerwicklung und eine Pickup-Wicklung. Die Erregerwicklung ist an eine sinusförmige Stromquelle gekoppelt, die das Erregermagnetfeld erzeugt. Dadurch wird in der Tonabnehmerwicklung eine Spannung induziert, die dann zur Abtastung genutzt werden kann. Da das externe Magnetfeld im Verhältnis zum Anregungsfeld klein ist, ist die Spitze der Ausgangsspannung proportional zum externen Feld und kann zu dessen Quantifizierung verwendet werden.
Aufgrund ihrer hohen Kosten und ihres begrenzten Platzes sind isolierte Fluxgate-Sensoren vor allem in hochpräzisen Anwendungen von kommerziellem Wert. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit werden Fluxgate-Sensoren in Kalibriersystemen, Diagnosesystemen, Laborgeräten und medizinischen Systemen eingesetzt.
Bei der Auswahl eines Stromsensors für eine bestimmte Anwendung oder ein bestimmtes Projekt müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um eine optimale Leistung und Kompatibilität zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Variablen, die ausgewertet werden sollen, gehören:
Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Leistungskennzahlen für verschiedene Sensoren.
| Art | Bandbreite | DC-fähig | Genauigkeit | Thermische Drift [ppm/K] | Isoliert | Bereich | Leistungsverlust | Relative Kosten |
| Stromwandler | kHz-MHz | Nein | 0.1%-1% | <100 | Ja | A-kA | Mw | Niedrig |
| Rogowski Spule | kHz-MHz | Nein | 0.2%-5% | 50-300 | Ja | A-MA | Mw | Mäßig |
| Hall-Effekt mit offenem Regelkreis | Khz | Ja | 0.5%-5% | 50-1000 | Ja | A-kA | Mw | Mäßig |
| Hall-Effekt geschlossener Regelkreis | Khz | Ja | 0.2%-1% | 50-500 | Ja | A-kA | Mw | Mäßig |
| Fluxgate | Khz | Ja | 0.001%-0.5% | <50 | Ja | mA-kA | mW-W | Hoch |
Die Hauptanwendungsgebiete von Stromsensoren
Dies sind nur einige Anwendungen von Stromsensoren. Aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit und Bedeutung für die Stromregelung sind sie Schlüsselkomponenten in verschiedenen Anwendungen in vielen Branchen.
Stromsensoren spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen elektrischen und elektronischen Systemen und sind daher ein wichtiger Bestandteil zahlreicher Anwendungen in vielen Industrien. Auf dieser Seite werden die nützlichen und wichtigsten Aspekte von Stromsensoren vorgestellt, z. B. Typen, Auswahlkriterien, Leistungsvergleiche und gängige Anwendungen.
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