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Anwendungen
29/10/2018

Effizientere Bahntechnik durch exakte Strommessung

HARTING Stromsenoren

Stromsensoren spielen eine wichtige Rolle bei der modernen Antriebssteuerung in Hochgeschwindigkeitszügen oder Straßenbahnen. Denn mit ihrer Hilfe wird das Drehmoment in den Fahrmotoren über Traktionsumrichter geregelt. Dabei überwacht eine Sensorik die Eingangs-, Zwischen- und Ausgangs-Kreise der Umrichter. Hall-Effekt Stromsensoren ermöglichen hier eine potentialfreie Messung von Strömen.

Welche Rolle Stromsensoren spielen, wird am Beispiel einer modernen Antriebssteuerung deutlich. Denn Traktionsumrichter regeln beispielsweise das Drehmoment in den Fahrmotoren für die Schienenfahrzeuge. Überwacht werden an den Umrichtern die Eingangs-, Zwischen- und Ausgangs-Kreise mittels Stromsensoren. Diese erfassen jede Abweichung der Leistung, „melden“ sie und lösen dadurch gegebenenfalls Reaktionen zum Schutz von Leistungshalbleitern aus. Sie bieten also eine zuverlässige Grundlage für das Überwachen von Antrieben und Steuerungen von Frequenzumrichtern.

Von der Straßenbahn bis zum Hochgeschwindigkeitszug

HARTING liefert Hall-Effekt Stromsensoren in unterschiedlicher Größe und Bauart – und ermöglicht damit maßgeschneiderte Lösungen für die exakte Strommessung. Die Geräte erfassen Gleich-, Wechsel- oder Mischströme und arbeiten sehr präzise: Die Genauigkeit der Messung beträgt +/- 0,4 Prozent und der Messbereich liegt zwischen 0 und 4.200 A. Die Messung basiert auf dem Hall-Effekt mit dessen Hilfe sich das Magnetfeld des Leiters abbilden lässt. Stromsensoren messen demzufolge galvanisch getrennt über das Magnetfeld den durch den Leiter fließenden Strom. Je nach erforderlicher Genauigkeit kommen zwei Messprinzipien zum Einsatz: Closed-Loop und Open-Loop. Für anspruchsvolle Messaufgaben wird meist das Closed-Loop-Messprinzip (Kompensationsprinzip) verwendet. Bei geringeren Anforderungen an die Messgenauigkeit können auch Open-Loop Stromsensoren (direktabbildende Stromsensoren) eingesetzt werden.

Speziell für die Bahntechnik

Die Stromsensoren der Serie HCMR richten sich speziell an die Anforderungen im Bahnbereich und basieren in ihrer Funktionsweise auf dem Kompensationsprinzip. Die schwarzen Gehäuse dieser Stromsensor-Reihe für die Bahntechnik zeichnen sich durch besondere Robustheit aus. An die Anschlusstechnik wurden aufgrund des weiten erforderlichen Temperaturbereichs und der Ansprüche an die Vibrationssicherheit besonders hohe Anforderungen gestellt. Ergebnis: Je nach Anwendungsfall kann HARTING unterschiedliche bahntaugliche Sensoranschlüsse anbieten. Zusätzlich sind auch noch unterschiedliche bahntaugliche Kabel für die Konfektionierung von Signalleitungen lieferbar. Fertige Sets aus Sensoren und Verkabelung vereinfachen sowohl die Installation vor Ort als auch den Beschaffungsprozess.

Die externen Einflüsse auf die Sensoren lassen sich durch eine interne EMV-Schirmung – zusätzlich zum ohnehin gebotenen Schutz durch die Kerngeometrie – minimieren. Der zulässige Temperaturbereich der HARTING Stromsensoren ist unter Laborbedingungen getestet und reicht von -40 bis +85 °C. Damit sind die Geräte in allen Klimazonen von Indien bis Sibirien einsetzbar, selbst Tests in tropischer Atmosphäre konnten ihnen nichts anhaben. Die Stromsensoren haben zum Beispiel den Dauerbetrieb in über 90 Prozent Luftfeuchte tadellos überstanden.

Alle Anforderungen im Bahnbereich erfüllt

HARTING Stromsensoren sind vibrationssicher und beständig gegen Brandlasten und erfüllen alle einschlägigen Anforderungen im Bahnbereich: EN 50 155 (Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen), NF F 16-101 I3 F1 (Gehäuse und Vergussmasse selbstverlöschend) und UL 94-V0 (selbstverlöschend = weniger als 10 s nachbrennend). HARTING Stromsensoren stehen in acht Baugrößen für Nennströme bis 2.500 A zur Verfügung, dabei kann der Messbereich auch größer ausfallen. Bei den Stromsensoren ist es auch problemlos möglich, auf kundenspezifische Anforderungen einzugehen. So sind jederzeit Varianten mit abweichender Sensor-Auflösung realisierbar. Das Übersetzungsverhältnis, mit der das Ausgangssignal verstärkt wird, ist hoch flexibel und kann z.B. 1:3000, 1:4000 oder 1:5000 betragen.

Überschuss und Mangel

Der Hall-Effekt beschreibt das Entstehen einer Spannung an einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet. Die am Leiter auftretende Hall-Spannung fällt senkrecht zum Stromfluss und zur Magnetfeldrichtung ab. Die durch das Magnetfeld verursachte Lorenz-Kraft lenkt die Elektronen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung ab. So entsteht auf der einen Seite des Leiters ein Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite ein Mangel. An diesem Potentialgefälle kann man die Hall-Spannung messen. Sie steigt linear mit der Stärke des Magnetfeldes an und verhält sich antiproportional zur Ladungsträgerdichte. Dieses Verhalten nutzen sog. Hall-Sensoren, um auf einfache Weise die magnetische Flussdichte zu messen.

Eine Frage der Anforderung

Bei der direkten Messung mit dem Open-Loop-Sensor wird das Magnetfeld des zu messenden Primärstroms in einem magnetischen Ringkern gebündelt. Im Luftspalt des Kerns ist ein Hall-Element platziert, das eine Spannung proportional zum Magnetfeld oder zum Strom erzeugt. Diese Hall-Spannung wird verstärkt und dient als Ausgangssignal für ein Abbild des Primärstroms.

Die zweite Variante, der Closed-Loop-Sensor, misst exakter. Hier wird die Hall-Spannung verwendet, um einen Strom zu erzeugen, der durch eine auf dem Ringkern aufgebrachte Spule fließt. Dieser Strom verursacht ein magnetisches Kompensationsfeld zum Feld des Primärstroms, sodass sich die Magnetfelder stets gegenseitig aufheben. Der Sekundärstrom ist proportional zum Primärstrom und dient dem Sensor als Ausganssignal.

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