So lassen sich Spannungsstörungen in Stromversorgungen sicher mit Sensoren kontrollieren.

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Stabile Spannungsversorgung Oberwellen mit Spannungssensoren in Schach halten

17.03.2021

Von Windkraftanlagen bis hin zur Bahntechnik ist der Schutz von Motoren vor außergewöhnlichen elektrischen Situationen von entscheidender Bedeutung. Da immer mehr Energie aus erneuerbaren Quellen wie der Windkraft erzeugt wird, kommt es auch darauf an, dass Motoren eine qualitativ hochwertige Stromversorgung erhalten.

Die steigende Nachfrage nach erneuerbarer Energie ist einer der Treiber für den Ausbau der Windenergie. In Windkraftanlagen kommt in der Regel ein Drehzahlregler zum Einsatz, der mit dem Stromrichter zusammenarbeitet, um den erzeugten Strom in das Netz zu speisen. Ein häufiges Problem in der Leistungselektronik sind jedoch Oberwellen, die erzeugt und als Störung weitergeleitet werden und die Qualität des eingespeisten Stroms drastisch verringern.

Harmonische Verzerrungen reduzieren

Verschiedene Arten von Filtern können harmonische Verzerrungen auf akzeptable Werte reduzieren. Diese Filter gleichen die Oberwellen nichtlinearer Lasten aus und werden meist nahe am Verzerrungspunkt installiert. Eine der gebräuchlichsten Techniken ist der Einsatz eines aktiven Leistungsfilters, der die verzerrte Wellenform durch Einspeisen einer entsprechend anti-harmonischen Wellenform „repariert“.

Eine anti-harmonische Signalform wird dann unter Verwendung der p-q-Theorie als Referenzsignal für das APF-Schalten erzeugt. Mithilfe der Clarke-Transformation werden dann die Drei-Phasen-Koordinaten in äquivalente Zwei-Phasen-α-β-Koordinaten für Spannung und Strom umgewandelt. In einem System mit hohen Strömen und Spannungen sind die Anforderungen an den Spannungssensor relativ hoch, wobei die gemessene Spannung sicher und isoliert an den Controller übertragen werden muss.

Die elektronischen Spannungssensoren der Serie DVC 1000 von LEM bieten diesen hohen Grad an Isolationsspannung bis zu 4,2 kV. Durch ihren modularen Aufbau lassen sie sich so nah wie möglich an der Last installieren und können so auch in beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden.

Spannungssensoren im Umrichter

In der Bahntechnik muss der Umrichter für Hilfsbetriebe, der Lasten wie Lüfter, Gebläse, Beleuchtung oder Batterieladegeräte mit Strom versorgt, eine strenge Überwachung der Oberwellen durchführen. Dabei kommt es darauf an, kein Signal mit einer Frequenz von 50 Hz erneut in die Fahrdrahtspannung zurückzuspeisen, da dies zu Störungen der Gleisanlagen und damit zu einem Sicherheitsrisiko führen kann. Die Umrichter sind daher häufig mit einem Spannungssensor gekoppelt, der das Signal überwacht und eine wichtige Rolle für die Sicherheit des Regelkreises spielt.

Wie bereits erwähnt, ist der Schutz des Motors ständig erforderlich. Die meisten elektrischen Antriebe enthalten einen Umrichter, der Wechselstrom in ein DC-Signal mit hoher Spannung umwandelt. Dies wird als DC-Zwischenkreis bezeichnet und dient zur Versorgung von Umrichtern, die die getakteten Ströme zur Versorgung des Motors erzeugen.

Die DC-Zwischenkreisspannung muss kontinuierlich geregelt werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann ein Motor als Generator fungieren und über das Leistungselektronikbauelement des Wechselrichters und/oder die Rückarbeitsdioden eine hohe Spannung in den Zwischenkreis zurückspeisen. Diese Spannung erhöht die Zwischenkreisspannung, und die IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), die den Motor antreiben, können durch eine hohe (und möglicherweise schädliche) Stoßspannung belastet werden.

Ein isolierter Spannungssensor ist dann erforderlich, um das Sensorsignal zur Steuerungseinheit des Umrichters zurückzugeben, wodurch die gesamte Anwendung im Falle einer schädlichen Überspannung sicher abgeschaltet wird.

Sensor auf der AC-Eingangsseite und im DC-Zwischenkreis

Neben Überspannungen können Unterspannungen ebenso gefährlich sein. Betrachtet man einen Umrichter mit 600 V Nennspannung, sollte die Überspannung etwa 1.000 V betragen, während die Unterspannung bei etwa 400 V liegen sollte. Zwischen diesen beiden Grenzwerten sollte der gleiche Spannungssensor verwendet werden können. Es gibt verschiedene Bedingungen, die zu einem Spannungsabfall führen können – die häufigste ist der Verlust einer Phase.

Der Spannungssensor kann sich auf der AC-Eingangsseite des Gleichrichters oder besser direkt am DC-Zwischenkreis befinden. Die Installation eines Spannungssensors auf beiden Seiten des Systems stellt mehr Informationen bereit und ist somit für das Gesamtsystem viel sicherer.

Isolierter oder nicht isolierter Sensor

Motorantriebe sind nicht die einzige Anwendung, die galvanisch isolierte Spannungssensoren erfordern. Andere Anwendungen wie etwa Solarwechselrichter und USVs erfordern diese Funktionen ebenfalls, um den Schutz und die Sicherheit der Anwendung zu gewährleisten.

In solchen Fällen muss ein Spannungssensor die DC-Zwischenkreisspannung genau messen und dabei die Isolation zwischen der Hoch- und Niederspannungsseite gewährleisten. Dabei stellt sich die Frage, wann eine isolierte Spannungserfassung erforderlich ist und wann ein nicht isolierter Sensor oder ein einfacher Widerstandsteiler genügt. Es gibt zwei wesentliche Gründe für den Einsatz eines solchen Sensors:

  • Erster Fall: Wenn der Mikrocontroller, der den A/D-Wandler enthält, nicht auf denselben Massepunkt bezogen ist wie die Spannungsmessung am Widerstandsteiler. Hier ist Vorsicht geboten, da zwischen verschiedenen Erdungen im System zu unterscheiden ist. Indem sowohl das zu messende Signal als auch der entsprechende Mikrocontroller isoliert wird, lassen sich eventuelle Schäden am System durch unvorhergesehene Ereignisse wie induktive Spitzen oder Blitzeinschläge vermeiden.

  • Zweiter Fall: Hier lautet die zweite Frage: Welche Sicherheitsbestimmungen erfordern eine galvanische Trennung, anstatt sich nur auf das Widerstandsnetzwerk zu verlassen? Für Sicherheitszertifizierungen reicht ein Widerstandsnetzwerk häufig nicht aus, um eine sichere Trennung des Systems zu gewährleisten. Die Spannungsmessung muss dann über einen isolierten Kanal erfolgen, um eine angemessene Sicherheitsbarriere zu gewährleisten.

Sichere Spannungsversorgung mit DVC 1000

Ist das gesamte System auf verschiedene vorhandene Geräte ausgelegt, wird das Einhalten der Sicherheitsanforderungen, ohne spezifische Bauelemente zu definieren, kostengünstiger, da sich die vorhandenen Systeme (zum Beispiel eine Steuerung oder SPS) für die Überwachung nutzen lassen. In diesem Fall sorgt der DVC 1000 für die notwendige benutzerfreundliche Spannungsmessung mit entsprechender Isolation für den Controller.

Diese direkte Messung wird über die Standardschnittstelle (±10 V oder 4 bis 20 mA) des DVC 1000 noch einfacher, da diese zu den Standard-Analogeingängen des Controllers kompatibel ist. Die Vielseitigkeit des DVC 1000 bei der AC- und DC-Messung ermöglicht dabei eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen.

Kompakte Bauform für höhere Integration

Für eine höhere Integration ist der DVC 1000 zur weiteren Platzersparnis auch in einer Leiterplatten-/PCB-montierbaren Version (DVC 1000-P) erhältlich. Ebenso wie die Version für den Schalttafeleinbau (DVC 1000) ist sie autark und benötigt keine zusätzlichen Komponenten.

Da die Designs immer kleiner werden, hat LEM eine neue Technik für diese Spannungsmessungen entwickelt. Basierend auf einem Trennverstärker entstand daraus die DVC-Serie. Um das Angebot an digitalen Spannungssensoren mit kleineren Abmessungen zu vervollständigen, hat die Firma zudem einen neuen Spannungssensor zur Messung von hohen Spannungen bis zu 1.000 Veff und 1.500 Vpeak konzipiert.

Innovatives Design

Zur Messung der Spannung (UP) verwendet die DVC-Serie nur bekannte Elektronikbauelemente, wobei die Hauptkomponente ein Trennverstärker ist. Die zu messende Spannung wird über ein internes Widerstandsnetzwerk und einige Bauelemente direkt an die Primäranschlüsse des Sensors angelegt, sodass das Signal einen Trennverstärker speisen kann. Dadurch lässt sich ein isoliertes Signal zurückgewinnen und aufbereiten, um am Sensorausgang eine Spannung oder einen Strom zu liefern, was dann eine genaue Darstellung der Primärspannung widerspiegelt. Ein interner isolierter DC/DC-Wandler dient dabei zur Versorgung der ganzen Elektronik im Primärkreis.

Bildergalerie

  • Das Schaltbild des DVC 1000 im Detail

    Bild: LEM

  • So funktioniert prinzipiell ein aktiver Power-Filter.

    Bild: LEM

  • Der aktive Power-Filter DVC 1000 kann harmonische Verzerrungen auf akzeptable Werte verringern.

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  • DIN-Schienen-Montage als Option für den DVC 1000

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  • Chefredakteur A&D

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