Wechselrichter
Fehler- und Ableitstrommessung bei PV-Wechselrichtern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Fluxgate-Technik mit Rückkopplung
Die Fluxgate-Technik mit Rückkopplung bietet bei der Messung kleiner Ströme die nötige Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Isolation. LEM nutzt diese Technik für den Aufbau seiner „CTSR Mess-Stromwandler (Bild 3).
Rückgekoppelte Stromwandler können Ströme über einen weiten Frequenzbereich - einschließlich DC - messen. In höheren Frequenzbereichen arbeiten diese Mess-Stromwandler wie passive Übertrager. Bei Gleichstrom und im Niederfrequenzbereich wäre aber die in der sekundären Mess-Wicklung induzierte Spannung zu niedrig. In diesem Frequenzbereich wird die magnetische Flussdichte im Kern des Mess-Stromwandlers über einen Sensor gemessen und eine Spannung am Sekundärkreis angelegt, die über die Rückkopplung insgesamt die Flussdichte nahe Null hält - ein geschlossener Regelkreis.
Der CTSR-Mess-Stromwandler arbeitet mit einem Fluxgate-Sensor an Stelle des sonst üblichen Hall-Sensors. Damit lässt sich bei gleicher Durchflutung eine höhere Spannung oder eine mit nicht-rückgekoppelten Stromwandlern vergleichbare Empfindlichkeit erreichen. Der Fluxgate-Sensor weist zudem eine geringe Offset-Drift auf. Der Magnetkopf des CTSR-Mess-Stromwandlers wurde für die Fehlerstrommessung optimiert. Er erfasst von den durch seine Messöffnung geführten Leitungen die algebraische Summe aller Ströme. Der Maximalwert dieses Fehlerstroms beträgt weniger als 1 A, wenn die Stromstärken in jeder Leitung im zweistelligen Amperebereich liegen. Versionen für eine Messung höherer Fehlerströme bis zu 3 Aeff sind ebenfalls möglich.
Darüber hinaus enthält der CTSR-Mess-Stromwandler eine Selbsttestfunktion sowie eine Funktion zur Entmagnetisierung, die einen Offset auf Grund jeglicher Restmagnetisierung entfernt. Er eignet sich sowohl für Einphasen- wie auch für Mehrphasen-Netze. Für die Signalverarbeitung im Innern des Mess-Stromwandlers setzt LEM ein ASIC ein.
Der Fluxgate-Sensor wird mit dem ASIC zu einem Oszillator verschaltet, der bei einer Frequenz von mehreren 100 kHz schwingt. In jeder Halbwelle wird der Fluxgate-Sensor in die Sättigung getrieben. Ein DC-Magnetfluss im Fluxgate-Kern führt dazu, dass sich das Tastverhältnis der Steuerspannung (Bild 4) ändert, und diese Änderung ermöglicht einen Rückschluss auf den vom Fehlerstrom verursachten Magnetfluss.
Die Signalverarbeitungsstufen umfassen einen Tastverhältnis-Detektor, eine Frequenzgang-Kompensation, einen Integrator sowie einen Verstärker, der die Kompensationswicklung und eine Brückenschaltung speist (Bild 5).
Die Ausgangsstufe mit einem Verstärker in Brückenschaltung kann, gegenüber herkömmlichen Mess-Stromwandlern mit Rück- kopplung, eine doppelt so hohe Spannung an die Kompensationswicklung liefern. Diese Konfiguration benötigt einen potentialfreien Last- (oder Mess-) Widerstand. Das über eine Brücken-schaltung gewonnene Messsignal wird von einem Differenzverstärker, der ebenfalls Teil des ASICs ist, verstärkt und als Spannungswert ausgeben.
Der magnetische Kreis besteht aus einem Paar Halbschalen (Bild 5), die den Fluxgate-Sensor umschließen. Diese Konstruktion schützt den Fluxgate-Sensor vor parasitären Magnetfeldern. Die Fluxgate-Technik mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht eine genaue Messung sehr kleiner DC- oder AC-Fehlerströme mit sehr niedrigen Werten für Offset- und Verstärkungs-Drift über einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C.
Die Mess-Stromwandler der CTSR-Serie erfüllen die Anforderungen der neuesten, einschlägigen Normen wie etwa VDE 0126-1-1, UL 1741, DK 5940 und IEC 61010-1 in Bezug auf Parameter wie Luft- und Kriechstrecken (11 mm) oder CTI (Comparative Tracking Index) mit einem Wert von 600 V. Die Messschaltung benötigt eine Versorgungsspannung von +5 V. Ein zusätzlicher Anschluss gibt die interne Referenzspannung (2,5 V) aus, um sie z.B. als Referenz für einen A/D-Umsetzer zu nutzen. An diesem Anschluss lässt sich aber auch eine externe Referenzspannung anschließen, z.B. von einem DSP oder A/D-Umsetzer, um so die Temperatur-Drift der Referenzsspannung zu kompensieren.
Die Bauweise des Mess-Stromwandlers, mit einer Messöffnung von 20,1 mm Durchmesser, berücksichtigt einen kompakten Aufbau mit vier integrierten Leitern (drei Phasen plus Neutralleiter bzw. Testleitung) als ein komplettes auf einer Platine montierbares Bauteil. Der CTSR-Mess-Stromwandler übersteht Strompulse bis zu 3.300 A für maximal 100 µs mit einer Flankensteilheit bis zu 500 A/µs. Die überwachten Leitungen können Gleich- oder Wechselströme mit einer Stromstärke bis zu 30 A pro Leitung führen.
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