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Differenzstromsensor

Vermeidung von Fehler-Gleichströmen

Trafolose Photovoltaik-Wechselrichter verfügen über eine integrierte, allstromsensitive Fehlerstrom-Überwachungseinheit, und diese enthält als Herzstück einen VAC-Differenzstromsensor. Durch letzteren werden Hin- und Rückleiter des Betriebsstromes am Wechselrichter-Ausgang hindurchgeschleift, so dass er die Stromdifferenz erfasst. Auf diese Weise können bei zu hohen Werten eine Fehlermeldung ausgegeben und damit lebensgefährliche Situationen unterbunden werden.

Transformatorlose Photovoltaik-Wechselrichter können bei Gerätefehlern prinzipbedingt Fehler-Gleichströme erzeugen, also Ströme, deren Betrag dauernd größer Null ist. Ein defektes System kann für Personen gefährlich werden oder Brände auslösen. Für solche Wechselrichter schreiben die einschlägigen Normen daher – abhängig von der Art des Netzes, in dem sie eingesetzt werden – einen Fehlerstromschutzschalter (RCD, Residual Current Device) vom Typ B als Schutzmaßnahme für die wechselstromseitige automatische Abschaltung vor. Diese allstromsensitiven RCDs sind von mehreren Herstellern seit vielen Jahren am Markt verfügbar. Sie sind jedoch erheblich teurer als die technisch einfacheren, pulsstromsensitiven RCDs vom Typ A. Dabei kann man auf den Einsatz eines RCDs vom Typ B verzichten, wenn der Hersteller des trafolosen Photovoltaik-Wechselrichters Fehler-Gleichströme konstruktiv ausschließen kann. Hierzu dienen bei modernen trafolosen Photovoltaik-Wechselrichtern integrierte, allstromsensitive Fehlerstrom-Überwachungseinheiten (RCMU, Residual Current Monitoring Unit). Diese erfasst außer Gleichauch Wechsel- und Pulsströme.

Das Herzstück der RCMU ist der VAC-Differenzstromsensor. Hin- und Rückleiter des Betriebsstromes werden am Wechselrichter-Ausgang durch ihn hindurchgeschleift, so dass er die Stromdifferenz erfasst – also die Summe aus dem kapazitiven Ableitstrom, welcher durch die PV-Module systematisch erzeugt wird, und dem möglichen ohmschen Fehlerstrom, welcher z.B. durch eine schadhafte Isolierung der PV-Anlage erzeugt wird. Fehlerströme größer als 30 mA können für Menschen lebensbedrohlich sein. Die Unterscheidung zwischen beiden Strömen erfolgt durch rechnerische Auswertemethoden im Wechselrichter.

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Ein VAC- Differenzstromsensor mit integrierten Leiterbügeln, der für den Differenzstrombereich von typisch 30 bis 300 mA ausgelegt ist
© Vacuumschmelze GmbH

Extrem selektives Anforderungsprofil

Die Anforderungen an den Differenzstromsensor sind hoch: Er muss einen Differenzstrom von 30 mA bei Betriebsströmen von einigen 10 A auflösen. Dabei muss er unempfindlich gegen Störeinflüsse von außen sein und höchsten Ansprüchen bezüglich Temperaturstabilität genügen. VAC-Differenzstromsensoren sind daher als Kompensationssensoren mit Magnetsonde aufgebaut, da bei diesem Sensorprinzip der Sollzustand (Nichtvorhandensein eines Magnetfeldes im Luftspalt des Kerns eines Kompensationssensors) mit einer hochfrequent getakteten Fluxgate-Sonde sichergestellt wird. Außerdem gehen sämtliche Eigenschaftsstreuungen der Sonde nicht in die Genauigkeit der Messung mit ein. Die Taktfrequenz (ca. 400 kHz) liegt weit über dem genutzten Frequenzbereich (typisch 2,5 kHz) und stört somit nicht. Schnelle Änderungen des Eingangsstromes werden transformatorisch übertragen.

Die neuen Sensoren sind für den Differenzstrombereich von typisch 30 bis 300 mA ausgelegt. Der Messbereich beträgt ±850 mA, die Messgenauigkeit beträgt 1,5 % von 300 mA. Eine automatische Entmagnetisierung des Sensorkerns nach dem Einschalten oder auf Anforderung sorgt für eine Minimierung des Offsets. Fremdfelder, wie das Erdmagnetfeld oder im Wechselrichter erzeugte Felder, werden durch eine metallische Abschirmung ferngehalten. Der Frequenzbereich reicht von 0 bis ca. 10 kHz, die Betriebsströme dürfen Werte bis 50 A erreichen. Die Sensoren sind für Netzspannungen bis 600 V und Arbeitsspannungen bis 1 kV nach EN 50178 ausgelegt.

Des Weiteren arbeiten die Sensoren an einer einfachen +5-V-Spannungsversorgung und enthalten einen Spannungsausgang für den direkten Anschluss an einen A/D-Umsetzer. Integrierte Selbstüberwachungs- und Prüffunktionen melden Fehlfunktionen der Magnetsonde, der Kompensationswicklung oder eine zu niedrige Versorgungsspannung. Die bei einigen Typen vorhandene zusätzliche Prüfwindung kann verwendet werden, um die Funktion des Sensors mittels eines extern erzeugten Prüfstromes zu überwachen – analog zur Prüftaste des klassischen Fehlerstromschutzschalters. Es sind sowohl aktive Sensoren mit integrierter Elektronik als auch passive Sensormodule verfügbar, die für eine externe Elektronik ausgelegt sind. Diese wird mit einem einzigen externen IC und wenigen zusätzlichen Bauelementen aufgebaut. Außer dem Funktionsumfang der aktiven Typen hat der Anwender hier zusätzlich die Möglichkeit der freien Messbereichswahl. Er erhält ein Signal bei Messbereichsüberschreitung, und die Extrafunktionen „Entmagnetisierung“ und „Fehlersignalisierung“ sind als Standard-Logikpegel über separate Ein- und Ausgänge des ICs verfügbar. Vom Hersteller ist eine Applikationsschrift hierzu erhältlich.


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