Strommessung an 3-Phasen-Motoren Den richtigen Verstärker-IC finden

Drei Optionen zur Platzierung der Messwiderstände

Option 1: Ein einzelner Messwiderstand in der Masseleitung zum DC-Zwischenkreis

Die Messschaltung mit einem einzelnen Strommesswiderstand in der Masseleitung zum DC-Zwischenkreis ist bei kostengünstigen, vektorgeregelten Lüftern und Pumpen geringer Leistung eher die Regel als bei industriellen AC- und Servoantrieben. Der Strom im Gleichspannungszwischenkreis muss zweimal pro PWM-Zyklus in zwei verschiedenen PWM-Schaltzuständen gemessen werden, um die drei Phasenströme zu rekonstruieren. Der kurze Messzyklus bei niedrigen Spannungen erfordert den Einsatz von Verstärkern wie dem OPA835 von Texas Instruments. Dieser Verstärker-IC bietet eine hohe Großsignal-Transitfrequenz von mindestens 20 MHz und kann dank seiner hohen Anstiegsgeschwindigkeit von über 10 V/µs in weniger als 1 µs einschwingen, wie es in der Schaltung in [1] der Fall ist.

Die Methode funktioniert allerdings nicht bei einer Phasenspannung von null, da alle drei PWM-Tastverhältnisse 50 % betragen, sofern sie nicht mit ausgefeilten PWM-Kompensationsalgorithmen erweitert werden.

Option 2: masseseitige Strommesswiderstände

Die Verwendung masseseitiger Strommesswiderstände ist attraktiv für kompakte, AC-gespeiste Wechselrichter mit Leistungen bis etwa 5 kW sowie für DC-gespeiste Antriebe von 12–60 V, in denen der regelnde Mikrocontroller nicht galvanisch getrennt und mit der Masse des Zwischenkreises verbunden ist. Die Strommesswiderstände müssen in zwei oder drei Zweigen des 3-Phasen-Wechselrichters platziert werden.
Der Verstärker wird idealerweise von einer eigenen Stromversorgung gespeist – ebenso wie der sich anschließende ADU.

Da die Differenzspannung am Strommesswiderstand massebezogen ist, kommt es darauf an, dass der eingangsseitige Gleichtaktspannungsbereich bis nah an die negative Versorgungsspannung (Masse) heranreicht. Zur Entkopplung von Änderungen des Massepotenzials bei den Schaltvorgängen verstärkt ein Verstärker, der für die Umsetzung eines differenziellen in ein massebezogenes Signal beschaltet ist, die geringe differenzielle Spannung am Strommesswiderstand in eine unipolare Spannung von typisch 0 V bis 3,3 V mit einem Zentralwert von 1,65 V, um damit den ADU anzusteuern.

Wichtige Eigenschaften des Verstärkers sind:

  • Rail-to-Rail-Eingang mit einer Gleichtaktspannung von nahe 0 V.
  • Rail-to-Rail-Ausgang.
  • Unipolare Versorgungsspannung.
  • Offset und Offsetdrift sind möglicherweise weniger kritisch, da der Offset in jedem PWM-Zyklus gemessen werden kann, wenn der masseseitige Schalttransistor abgeschaltet ist.
  • Bandbreite und Anstiegsgeschwindigkeit haben Einfluss auf die minimale Einschwingzeit, die kürzer sein sollte als die von der Anwendung abhängige  minimale Einschaltzeit des masseseitigen Schalttransistors.

Werden drei Strommesswiderstände eingesetzt, gibt es bei einer zu kurzen Einschaltzeit des masseseitigen Schalttransistors lediglich die Abhilfe, nur die beiden Phasen mit der längsten Einschaltzeit zu betrachten und die dritte Phase zu berechnen. Dieses Verfahren kann bei der Schaltung mit zwei Strommesswiderständen übrigens nicht angewendet werden. Der Verstärker muss mindestens während der angegebenen minimalen Einschaltzeit einschwingen, typisch sogar bis zur Hälfte der minimalen Einschaltzeit, da der Strom oftmals symmetrisch zum PWM-Signal abgetastet wird. Tabelle 2 enthält exemplarische Einschwingzeiten des TLV9062, eines Verstärker-ICs mit einer Transitfrequenz von 10 MHz.

Zur Verringerung des Bauteileaufwands bieten sich Verstärker-ICs wie der INAx181 mit interner, fest vorgegebener Verstärkungseinstellung an.

Option 3: Strommesswiderstände in den Zuleitungen zu den Phasenwicklungen

Nicht-isolierte Strommessung

Für mit 12 V bis 60 V gespeiste Wechselrichter sind nicht-isolierende, auf das negative Potenzial des DC-Zwischenkreises bezogene Strommessverstärker attraktiv, weil sie geringe Systemkosten verursachen. Die entscheidende Herausforderung stellt hier die hohe Gleichtaktspannung dar, die 100- bis 1000-mal höher ist als die maximale differenzielle Spannung am Strommesswiderstand. Dies erfordert Verstärker mit folgenden Eigenschaften:

  • Sehr hohe AC- und DC-Gleichtaktunterdrückung, damit präzise Strommessungen ohne eine lange Welligkeit im Anschluss an Transienten gemacht werden können. Die DC-Gleichtaktunterdrückung sollte mindestens –100 dB betragen, und der Ausgang sollte binnen weniger Mikrosekunden einschwingen. Tabelle 3 fasst die Auswirkungen der Gleichtaktunterdrückung zusammen
  • Großer Gleichtaktspannungsbereich von mindestens –1 V bis +70 V, für Spielraum während des Schaltens und beim Anstieg der Zwischenkreisspannung bei bremsendem Motor.

Der Verstärker wird im Idealfall an einer unipolaren Versorgungsspannung von 3,3 V betrieben, von der auch der nachfolgende ADU – diskret oder im Mikrocontroller integriert – versorgt wird. Hierdurch kann auf Klemmdioden zum Schutz des ADU-Eingangs verzichtet werden. Eine Verstärkerbandbreite von 400 kHz bei einer bestimmten Verstärkung ermöglicht die Überstromerkennung in weniger als 1 μs (10 % auf 90 %).

Offset- und Verstärkungsfehler lassen sich in dieser Schaltung nicht leicht kompensieren – besonders über den Betriebstemperaturbereich. Wie bereits beschrieben, sind der Offset und die Offsetdrift kritisch für die Leistungsfähigkeit des Verstärkers bei niedrigen Strömen, und der akzeptable Offsetfehler hängt von der gewünschten Strommessgenauigkeit ab.

Bild 3 gibt das Einschwingverhalten eines Strommessverstärkers mit verbesserter PWM-Unterdrückung (INA240) im Verbund mit einem 48-V-GaN-Wechselrichter wieder. Dank der hohen AC- und DC-Gleichtaktunterdrückung stabilisiert sich der Phasenstrom innerhalb von etwa 2,5 µs. Ausgehend von einer mittigen Abtastung beträgt die zum präzisen Messen des entsprechenden Phasenstroms erforderliche Mindest-Einschalt- oder -Ausschaltzeit des PWM-Signals 5 µs. Für kürzere Ein- und Ausschaltzeiten bietet die Schaltung mit drei Strommesswiderständen die Möglichkeit, den Strom in der dritten Phase aus den beiden anderen Phasen mit längeren Ein- und Ausschaltzeiten zu berechnen.