»Intelligente« Energiezähler
Widerstände für Smart-Meter
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Widerstände für Smart-Meter
Wird eine sichere Anzahl von Impulsen während der Produktlebensdauer überschritten (siehe Bild 3), so beginnt die MOV-Spannung zu steigen und fällt dann steil ab, bis ein Kurzschluss erreicht ist.
Ein Eingangswiderstand vor dem MOV, wie in Bild 1 gezeigt, kann die Lebensdauer des MOV deutlich verlängern und gestattet auch die Auswahl kostengünstigerer Teile.
Hersteller wie TT electronics Welwyn Components (Vertrieb: WDI) bieten ein breites Sortiment standardimpulsfester Widerstände (Serien »W31«, »WP35«, »WP4S« und »WP5S«) für diesen Einsatzzweck an und können mit den kompletten Impulsdaten aufwarten.
Daneben lassen sich auf einfache Weise – im Rahmen bestimmter Größen- und Kostenbeschränkungen – Varianten entwickeln, die hohen Impulsbelastungen standhalten.
Oft wird Drahtwickeltechnologie in Kombination mit flammfesten Zementbeschichtungen verwendet, wobei im Allgemeinen Größen mit 3 W bis 5 W gewählt werden. Für höherohmige Werte eignen sich impulsfeste Oxide.
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Zum Beispiel werden – im Gegensatz zu normalen Metalloxidteilen – die Widerstände der »MO3S«-Serie von Welwyn mittels chemischer Aufdampfung (Chemical Vapor Deposition, CVD) hergestellt.
Das Ergebnis ist ein robusterer Film und eine bessere Wärmeleitung vom Film zum Keramikstab, sodass Wärme schneller abgeführt wird.
Das dadurch erreichte Impulsverhalten ähnelt dem der Drahtwickeltechnologie bei höherohmigen Werten. Das Impulsverhalten der oben genannten Standardprodukte zeigt das Diagramm in Bild 4.
Oft lässt sich durch einen speziellen Schaltungsentwurf die Spitzenspannung bis auf 100 Prozent anheben, das wiederum hilft Kosten sparen durch den Einsatz kleinerer Baugrößen.
Beim Berechnen der Spitzenspannung am Leitungseingangswiderstand muss die Klemmspannung des MOV – in der Regel 700 V bis 1000 V – von der am Schaltkreis anliegenden Spitzenspannung abgezogen werden. Alternativ kann man den MOV vor dem Leitungseingangswiderstand anordnen.
In diesem Fall erfährt der Widerstand einen Rechteckimpuls mit der Klemmspannung von etwa 100 s Dauer (sofern sie nicht durch den Reihenkondensator beschränkt wird). In diesem Fall absorbiert der MOV den größten Teil der Energie, wobei der Eingangswiderstand eine sekundäre Schutzstufe bildet.
Spannungs- und Strommessung
Die dauerhafte Genauigkeit des Zählers nach der werkseitigen Kalibrierung hängt von der Langzeitstabilität der Spannungs- und Strommesskreise ab. Das Eingangssignal zur Spannungsmessung erhält das Smart-Meter durch ohmsche Teilung der Netzspannung.
Das bedeutet eine direkte Verbindung mit dem Netzeingang, sodass dieselben Hochspannungsimpulse wie beim Leitungseingangswiderstand wirken.
Wenn jedoch der Spannungsteiler ein Eingangssignal mit hoher Impedanz ausgibt, so können sehr hochohmige Werte (in der Regel von 470 kΩ bis 1 MΩ) verwendet werden, sodass sich die Impulsenergie entsprechend verringert.
Bild 5 zeigt einen typischen Spannungsanpassungsschaltkreis. Die HFI-Filterkomponenten sind jene, die im Leitungseingangsschaltkreis erscheinen.
R2 sowie das optionale Kalibrierungsnetzwerk bilden mit R3 das erforderliche Teilungsverhältnis, und ein Nebenschlusskondensator übernimmt die Antialias-Filterung.
Durch Variieren eines Widerstandswertes in Reihe mit R2 lässt sich das System kalibrieren, zum Beispiel durch selektives Kurzschließen von Widerständen in einer binär gewichteten Kette oder durch einen Kalibrierungsfaktor in einem nichtflüchtigen Speicher.
Der Widerstand R3 hat in der Regel einen Wert von 100 Ω bis 1 kΩ und lässt sich durch einen gewöhnlichen Dickschichtchip-Widerstand der Größe 1206 (oder kleiner) realisieren. Jedoch muss R2 sowohl die kontinuierliche Hochspannung des Netzanschlusses als auch die Hochspannungsimpulse aufnehmen.
Daher kommt dafür oft eine Reihenschaltung aus vier bis acht MELF-Widerständen zum Einsatz, die für die nötige Stabilität und aufgrund der Serienschaltung für die erforderliche Nennleistung und Impulskapazität sorgen.
Je nach den Kosten der Platzierung der Bauelemente und eventuellen Beschränkungen hinsichtlich der Leiterplattenfläche kann eine Einzelelementlösung zu bevorzugen sein.
Dafür eignen sich die Widerstandsserien »WRM0201«, »WRM0207« und »MH37« von Welwyn. Um die Leistungsmessung zu vollenden, ist noch der Strom zu messen. Dies erfordert einen viel breiteren Dynamikbereich, da der Strom eine echte variable Größe ist, während die Spannung im Wesentlichen gleich bleibt.
- Widerstände für Smart-Meter
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