Stromsensoren
Energieaufnahme unter Kontrolle
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Äquidistant in Flip-Chip-Montage
Die nächste Herausforderung lag dann in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Alle Sensorchips sind äquidistant in Flip-Chip-Montage auf eine flexible Leiterplatte montiert. Das Gehäuse der Messklemme besteht aus zwei annähernd gleichen Hälften aus Kunststoff mit einem Scharnier dazwischen. Zur Montage auf dem Leiter werden beide einfach um den Leiter herumgeklappt und zusammengeklickt; beim Schließen wird der Leiter in einer mittigen Position fixiert. Eventuelle Lageänderungen wirken sich nur geringfügig auf die Messgenauigkeit aus. Austauschbare Einlagen erlauben eine Anpassung an unterschiedliche Drahtdurchmesser. Damit in den Schaltschrank keine zusätzlichen großen Kabelbäume eingezogen werden müssen, hat die Anschlussweise die Form eines Bussystems. Von den 40 × 50 × 100 mm³ großen Klemmen lassen sich bis zu zehn hintereinander schalten (Bilder 2 und 3).
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Energiemanagementsysteme fordern aber nicht nur eine Strommessung, sondern eine echte Leistungsmessung. Denn die Spannungen direkt an den Verbrauchern können vom Nennwert 230 V durchaus abweichen. Für die Spannungserfassung sitzt deshalb in der einen Gehäusehälfte ein Dorn, der bei der Montage durch die Kabelisolation stößt und einen direkten Kontakt herstellt – im Vergleich zu herkömmlichen Stromwandlern eine nützliche Erweiterung.
Die Messklemme enthält weiterhin eine Starrplatine mit Mikrocontroller, Kommunikations-Transceiver und diversen analogen Bausteinen. Der Mikrocontroller digitalisiert die Messwerte und berechnet Effektiv-Spannung und -Strom, Wirk- und Scheinleistung sowie den Phasenwinkel. Die Messperiode kann minimal 20 ms betragen (eine Vollwelle), typische Messzeiten sind aber eher 1 Sekunde bis 15 Minuten. Im Prinzip ist auch Anwendung bei Gleichströmen möglich; dazu sind nur einige Änderungen an der Kalibrierung nötig.
Die neuen Sensorklemmen haben bereits einen ausgiebigen Feldtest an kräftigen Stromverbrauchern hinter sich: den Keramik-Brennöfen bei Rauschert. Die Prototypen sind fertig entwickelt, die Serienproduktion soll im dritten Quartal 2014 beginnen. Anwendungen liegen nicht nur in energieintensiven Fabriken, auch im aufkommenden Smart Grid. Während die Netzbetreiber über das Mittel- und das Hochspannungsnetz schon viel wissen, haben sie im Niederspannungsnetz bisher kaum Messtechnik. Hier entsteht ein großer Bedarf, vor allem wegen der vielen Photovoltaikanlagen. Wenn dicht daneben ein großer Verbraucher sitzt, können hier lokal hohe Ströme durch die Leitungen fließen, von denen das EVU gar nichts mitbekommt. Mit derartigen Sensoren erhalten sie einen sehr viel besseren Überblick über die aktuelle Netzsituation.
Das Projekt wurde im Rahmen des Förderprogramms „Mikrosystemtechnik Bayern“ unterstützt.
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