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Strommessung an 3-Phasen-Motoren

Den richtigen Verstärker-IC finden

15. Oktober 2019, 13:18 Uhr   |  Von Martin Staebler

Den richtigen Verstärker-IC finden
© Texas Instruments

Um Motorströme mit Widerständen (Shunts) zu messen, müssen die Messsignale verstärkt werden.

Mit Strommesswiderständen lassen sich die Stromstärken in den Phasenwicklungen eines Motors einfach und kostengünstig erfassen. Allerdings ist ihr Messsignal sehr klein. Für die Auswahl eines geeigneten Verstärker-ICs sind die Besonderheiten der verschiedenen Messschaltungen zu berücksichtigen.

Das präzise Messen der Phasenströme hat entscheidende Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit vektorgeregelter 3-Phasen-Wechselrichter für industrielle Antriebe. Die Ströme in den Phasenwicklungen des Motors können mit Halleffekt-Sensoren, Fluxgate-Magnetometern und Stromwandlern gemessen werden oder aber mit Widerständen (Shunt). Magnetsensoren zeichnen sich durch ihre prinzipbedingte Isolation und einen weiten Strombereich aus, wogegen Messwiderstände durch niedrige Kosten, hohe Linearität und Bandbreite punkten.

Die Phasenströme können bei 3-Phasen-Wechselrichtern mit Betriebsspannungen von 110–690 V (AC) oder 12–60 V (DC) bis zu 100 A betragen. Um die Motor-Phasenströme zu erfassen, werden die Strommesswiderstände üblicherweise an der Masseverbindung des Gleichspannungszwischenkreises, zwischen dem unteren Schalttransistor und der Masse oder in der Verbindung des 3-Phasen-Wechselrichters zum Motor angeordnet (Bild 1).

Für die Platzierung der Strommesswiderstände (Shunt) an einem 3-Phasen-Wechselrichter bieten sich drei Optionen an
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Bild 1. Für die Platzierung der Strommesswiderstände (Shunt) an einem 3-Phasen-Wechselrichter bieten sich drei Optionen an.

Gemessener Strom bezogen auf Phasenstrom und Gleichtaktspannung abhängig von der Anordnung des Messwiderstands
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Bild 2. Gemessener Strom bezogen auf Phasenstrom und Gleichtaktspannung abhängig von der Anordnung des Messwiderstands.

Jede der drei Platzierungs-Optionen hat bestimmte Vor- und Nachteile und stellt ihre eigenen Anforderungen, damit der Verstärker die geringe, über dem Messwiderstand messbare Spannung in ein für die Weiterverarbeitung nutzbares Signal umsetzt – analog oder digital – das von einen Mikrocontroller ausgewertet werden kann.

Bild 2 gibt für jede der drei Platzierungsvarianten den idealen Messstrom über den Phasenstrom in einem PWM-Zyklus wieder. Aus der Sicht des Systems bieten die Serienwiderstände in den Verbindungen zu den Motorwicklungen entscheidende Vorteile, allerdings ermöglichen die masseseitigen Messwiderstände mit Blick auf den Verstärker eine kostengünstigere Realisierung, wie aus Tabelle 1 hervorgeht.

Gegenüberstellung der verschiedenen Platzierungsarten für Strommesswiderstände zum Messen der Phasenstromstärke
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Tabelle 1. Gegenüberstellung der verschiedenen Platzierungsarten für Strommesswiderstände zum Messen der Phasenstromstärke.

In Systemen mit Strommesswiderstand muss beim Widerstandswert und Gehäuse des Widerstands ein Kompromiss zwischen Genauigkeit, thermischen Eigenschaften, benötigter Leiterplattenfläche und Kosten geschlossen werden. In Antrieben wird der Widerstandswert so gewählt, dass die Spannung über dem Widerstand beim maximalen Phasenstrom zwischen ±25 mV und ±250 mV beträgt.

Der anschließende Verstärker verstärkt die bipolare Messspannung üblicherweise in eine unipolare Ausgangsspannung mit einem Offset, der auf den Eingangsspannungsbereich des ADU von 3 V oder 5 V abgestimmt ist. Als Verstärkung wird meist ein Wert zwischen 10 und 100 gewählt.

Für alle drei Platzierungsarten der Strommesswiderstände wirken sich die Toleranz und die Drift des Widerstands – ebenso wie die Verstärkung, der Eingangsoffset und die entsprechende Drift des Verstärkers – über die Temperatur in ähnlicher Weise auf die Genauigkeit aus.

Hierzu ein Beispiel mit einem Messwiderstand, der eine maximale Spannung von ±50 mV liefert – entspricht einem Eingangsbereich von 100 mV bei Vollaussteuerung. Für die Betrachtung wird angenommen, dass kein Parameter mehr als ±0,1 % zum absoluten Fehler über den industriellen Temperaturbereich beiträgt. In diesem Fall muss die Eingangsoffsetspannung des Verstärkers ≤100 µV und seine Offsetdrift ≤1 µV/K sein. Die verstärkungsbestimmenden Widerstände des Verstärkers sowie der Messwiderstand selbst müssen eine Toleranz von 0,1 % und eine Drift von ≤10 ppm/K aufweisen.

Natürlich benötigen nicht alle Antriebe diese Genauigkeit. Im Unterschied zum Verstärkungsfehler ist der Offsetfehler oftmals kritischer, da er zu einem absoluten Fehler beiträgt, der unabhängig von der Höhe der Stromstärke ist und sich somit insbesondere auf die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters bei niedrigeren Strömen auswirkt.

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1. Den richtigen Verstärker-IC finden
2. Drei Optionen zur Platzierung der Messwiderstände
3. Galvanisch trennende Messung des Phasenstroms

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