Zur Steuerung und Regelung von Gleich- und Wechselstromanlagen der
Leistungselektronik werden genaue Momentanwerte sich zeitlich verändernder
Ströme oder Spannungen benötigt. Aus den Messwerten werden Steuer- bzw.
Regelgrößen für beispielsweise Stromrichter, Stossstromanlagen, Umrichter oder
Umformer abgeleitet. Die Messwerte sind hierfür nicht nur sehr genau zu
erfassen, sondern sie, bzw. die aus ihrer Verarbeitung resultierenden Signale,
sind möglichst auch potenzialfrei auf den Leistungskreis in die
weiterverarbeitenden Stromkreise, insbesondere in die Steuer- bzw. Regelkreise, zu
überführen. Für eine galvanische Trennung zwischen Leistungs- und Messkreis
werden dabei im wesentlichen drei Gruppen von Messwandlern eingesetzt,
welche auf einer induktiven Übertragung (Impulsübertrager, Rogowski-Spulen),
einer Kompensation mittels Nullflusswandlern oder Hall-Sonden oder aber einer
Magnetfeldmessung mittels Feldplatten- und/oder Hall-Elementen beruhen. Diese
Messwandler sind jedoch für Anwendungen mit größeren Bandbreiten und
höheren Genauigkeitsanforderungen nur bedingt einsetzbar. Zudem weisen sie
weitere technische Nachteile auf, welche teilweise nur mit hohem Aufwand
kompensiert werden können. Hier wären beispielsweise das Fehlen einer erhöhten
Störempfindlichkeit gegenüber Potenzialsprüngen, elektromagnetischen Feldern
oder parasitären Schwingungen sowie eine stärkere Nichtlinearität über den
Frequenzbereich zu nennen. Auch eine starke Temperaturabhängigkeit sowie
Hystereseeffekte sind als nachteilig anzusehen.
Aus diesem Grunde werden insbesondere für breitbandige Anwendungen so
genannte Koaxialshunts eingesetzt. Diese sind so ausgebildet, dass der zu
messende Strom, welcher sie durchfließt, an einer bifilaren Leiterstruktur eine
Richtungsumlenkung erfährt. Hierdurch werden parasitäre Induktivitäten und an
diesen auftretende unerwünschte Induktionsspannungen kompensiert, was den
breitbandigen Einsatz der Koaxialshunts, insbesondere bis in hohe
Frequenzbereiche hinein ermöglicht.
Ein derartiger Shunt wird beispielsweise durch die DE 94 18 981 U1 offenbart.
Bei dem in der Schrift beschriebenen Shunt wird das Messsignal zudem am Ort
seiner unmittelbaren Aufnahme nämlich an den Spannungsabgriffen des Shunts,
aufgrund seiner konstruktiven Beschaffenheit weitestgehend abgeschirmt, was im
Hinblick auf die Messgenauigkeit ebenfalls vorteilhaft ist. Allerdings hat die
Bauform, dadurch dass alle Anschlüsse des Shunts, nämlich sowohl die
Stromanschlüsse als auch die Spannungsabgriffe, auf einer Seite angeordnet
sind, den Nachteil, dass für die Verwendung an Stromschienen spezielle
Stromschienenadapter erforderlich sind und dabei eine koaxial fluchtende und
somit platzsparende Einordnung in eine Stromschiene nicht möglich ist.
Ein andere Ausbildungsform eines Koaxialshunts wird durch die US 5,420,504
offenbart. Der in der Schrift beschriebene Shunt besteht im Wesentlichen aus
zwei ineinander gefügten, gegeneinander isolierten metallischen Zylindern, von
denen zumindest der äußere hohl ist und die an einem axialen Ende elektrisch
leitend miteinander verbunden sind. Die beiden Zylinder bilden somit eine
Bifilarstruktur mit einer Umlenkung des Strompfades im Bereich ihrer elektrisch
leitenden Verbindung. Der Abgriff des Messsignals erfolgt wahlweise entweder
an der Außenwand des äußeren Zylinders oder vorteilhafter, soweit der innere
Zylinder ebenfalls ein Hohlzylinder ist, in dessen Innenraum. Anschlussfahnen im
Fußbereich der beiden Zylinder begünstigen dabei den Einbau des in der Schrift
beschriebenen Shunts in eine Stromschiene. Bedingt durch die erforderliche
Leitungslänge und die koaxiale Bauform weist der Shunt jedoch eine für manche
Einsatzfälle ungünstig große Bauhöhe auf. Ein nahezu fluchtender Einbau in eine
Stromschiene ist hierdurch ebenso wenig möglich wie der Einbau in einen
Spannverband von Leistungshalbleiterscheiben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strommessmodul mit einem Shunt zu schaffen,
welches die Vorteile eines möglichen breitbandigen Einsatzes mit einer
insbesondere im Hinblick auf eine geringe Bauhöhe günstigen Bauform verbindet.
Dabei soll die grundsätzliche Geometrie des Shunts in Abhängigkeit von der
Form des Modulgehäuses einen platzsparenden Einbau des Moduls für
unterschiedliche Einsatzzwecke ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein breitbandiges Messmodul mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen sind durch die
Unteransprüche gegeben.
Das erfindungsgemäße breitbandige Messmodul zur Strommessung an
Einrichtungen der Leistungselektronik verfügt über einen Shunt, der bezogen auf eine
Achse z als ein axial- oder rotationssymmetrischer Körper ausgebildet und über
erste und zweite Mittel zur Stromzuführung (Kontaktierungsmittel) mit den
Einrichtungen der Leistungselektronik verbindbar ist. Dabei besteht der den
Shunt ausbildende axial- vorzugsweise rotationssymmetrische Körper aus einem
mit den ersten Kontaktierungsmitteln stromleitend verbundenen,
hohlzylindrischen inneren Bereich sowie einem koaxial dazu angeordneten, mit den
zweiten Kontaktierungsmitteln stromleitend verbundenen äußeren Bereich. Der
hohlzylindrische innere Bereich schließt einen feldfreien Raum mit darin
angeordneten Spannungsabgriffen zum Abgriff eines Messsignals ein und ist in axialer
Richtung zumindest an einem Ende zur Auskopplung des Messsignals oder eines
durch dessen Verarbeitung gewonnenen Signals zumindest teilweise offen. Der
äußere Bereich, mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt, umgibt
trogartig den hohlzylindrischen inneren Bereich und verschließt ihn gegebenenfalls
auf einer Seite. Der Shunt ist somit in der Art eines Koaxialshunts ausgebildet,
bei dem jedoch insbesondere der äußere Bereich eine aus dem Stand der
Technik bisher nicht bekannte besondere geometrische Form besitzt. Die inneren
Schenkel seines U-förmigen Querschnitts bilden gemeinsam mit dem in radialer
Richtung gegen sie isolierten, aber eng an ihnen anliegenden sowie an den
Schenkelenden mit ihnen leitend verbundenen hohlzylindrischen inneren Bereich
eine bifilare Leiterstruktur. An dieser Bifilarstruktur erfährt ein den Shunt
durchfließender Strom, ebenso wie bei den bekannten Koaxialshunts, eine
Richtungsumkehr. Abweichend von den aus dem Stand der Technik bekannten
Geometrien erfährt jedoch der Strom an den äußeren Schenkeln des U-förmigen
Querschnitts des trogförmigen äußeren Bereichs, durch deren stromleitende
Verbindung mit den zweiten Kontaktierungsmitteln, eine weitere
Richtungsumkehr. Die äußeren Schenkel weisen, anders als die inneren, direkt
am inneren Bereichs des Shunts anliegenden Schenkel, einen vergleichsweise
großen Abstand a zum inneren Bereich auf, wobei dieser Abstand a, je nachdem,
ob der Shunt bzw. dessen äußerer Bereich eine rotationssymmetrische (also im
Wesentlichen zylindrische) oder eine nur axialsymmetrische (also quaderförmige)
Außenkontur besitzt, konstant oder variabel ist. Durch den, bezogen auf das
unmittelbare Aneinanderliegen des äußeren und des inneren Bereichs innerhalb
der von ihnen gebildeten Bifilarstruktur, großen Abstand a der äußeren Schenkel
des U-förmigen Querschnitts des äußeren Bereichs wird vermieden, dass die
genannten, durch die bifilare Leiterführung erzielten Vorteile kompensiert bzw.
wieder zunichte gemacht werden. Die genaue Dimensionierung respektive
Beabstandung der äußeren Schenkel gegenüber der Bifilarstruktur hängt unter
Berücksichtigung der zuvor genannten Forderung letztlich von Faktoren des
konkreten Einsatzfalles ab, insbesondere von der Größenordnung und dem
zeitlichen Verlauf der zu messenden Ströme. Es ist aber als wesentlich
hervorzuheben, dass die vorstehend erläuterte geometrische Struktur mit der
mehrfachen Umlenkung des den Shunt ausbilden Leiters (bifilare - also
unmittelbar aneinanderliegende - Umlenkung jeweils an den Übergängen des inneren
Bereichs auf den äußeren und demgegenüber nochmalige Umlenkung im
deutlichen Abstand dazu) zu einer sehr kompakten platzsparenden Bauform
führt, welche die Vorteile einer bifilaren Struktur mit einer geringen Bauhöhe und
damit gegebenenfalls der Möglichkeit einer fluchtenden Einordnung des
Messmoduls in einen Leistungskreis verbindet.
Gemäß einer praxisrelevanten Ausbildung der Erfindung entspricht der Abstand a
wenigstens der Hälfte des Außendurchmessers des inneren Bereichs. In Bezug
auf eine quaderförmige Außenkontur des Shunts bzw. seines äußeren Bereichs,
bei welcher der Abstand a naturgemäß variabel und an den Diagonalen am
größten ist, bezieht sich dies auf den kürzesten Abstand a der äußeren Schenkel
vom inneren Bereich.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen
breitbandigen Messmoduls ist der äußere Durchmesser des von dem inneren Bereich
und dem äußeren Bereich gebildeten rotationssymmetrischen Shunts größer als
dessen Höhe, vorzugsweise so, dass das Verhältnis zwischen der Höhe und dem
äußeren Durchmesser deutlich kleiner als 1 ist. Analoges gilt bei einer
quaderförmigen Außenkontur des äußeren Bereichs im Hinblick auf dessen in
radialer Richtung geringste Kantenlänge.
Bei einer bevorzugten Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Messmoduls
erfolgt bereits innerhalb des Moduls eine Ver- bzw. Vorverarbeitung des
Messsignals. Daher ist gemäß dieser besonders vorteilhaften Ausbildungsform in dem
von dem inneren Bereich des Shunts ausgebildeten feldfreien Raum eine mit
Hilfsenergie versorgbare elektronische Auswertungseinheit angeordnet. In dieser
wird das Messsignal, welches an den ebenfalls im feldfreien Raum angeordneten
Spannungsabgriffen abgegriffen wird, unmittelbar und störungsfrei verarbeitet
und kann in zumindest vorverarbeiteter Form ausgekoppelt sowie Steuer-
und/oder Regeleinheiten des Leistungskreises zur Verfügung gestellt werden.
Wie bereits dargestellt, ist der den inneren Bereich des Shunts ausbildende
Hohlzylinder zumindest auf einer axialen Seite (also Boden- oder Deckfläche) zur
Auskopplung des in diesem Falle vorverarbeiteten Messsignals offen, so dass es
auch möglich ist, hierüber die Auswertungseinheit mit der erforderlichen
Hilfsenergie zu versorgen. Das verarbeitete Messsignal wird vorzugsweise
potentialfrei ausgekoppelt, beispielsweise mit Hilfe eines Optokopplers oder
mittels Glasfasern.
Die Kontaktierungsmittel können, je nach dem vorgesehenen Einsatzzweck des
Moduls unterschiedlich gestaltet sein. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausbildungsform sind sie Bestandteil eines den Shunt mit seinem inneren und
äußeren Bereich kapselnden elektrisch leitenden Gehäuses mit gegeneinander
isolierten Gehäusehälften, wobei natürlich auch die Gestaltung des Gehäuses
selbst abhängig vom vorgesehenen Einsatz des Messmoduls ist. Bei einer
praxisrelevanten Ausgestaltungsform weist das Gehäuse ebenso wie der innere
Bereich des Shunt eine rotationssymmetrische Form auf. Das gesamte
Messmodul ist dabei als eine flache scheibenförmige, zur Einfügung in einen
Halbleiterscheibenspannverband geeignete Zelle ausgebildet.
Für den Einsatz an einer Stromschiene ist eine Gehäuseform vorgesehen, bei
der die Gehäusehälften zwei in radialer Richtung einander gegenüberliegende
Anschlussfahnen aufweisen. Hierdurch ist die fluchtende Einordnung des Moduls
in eine Stromschiene ermöglicht. Vorteilhafter Weise sind außerdem in diesen
Anschlussfahnen Durchbrüche vorgesehen, mit deren Hilfe das Modul unter
Verwendung entsprechender Befestigungsmittel an der Stromschiene befestigt
werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend nochmals anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Das Messmodul gemäß einer beispielhaften Ausbildungsform in einer
insbesondere die Geometrie des Shunts verdeutlichenden
geschnittenen Darstellung,
Fig. 1a Das Modul nach Fig. 1 quer zur z-Achse geschnitten,
Fig. 2 Das Messmodul in der grundsätzlichen Ausgestaltung gemäß Fig. 1
mit einem zu seinem Einbau in eine Stromschiene geeigneten
Gehäuse,
Fig. 3 Eine mögliche Variante des Messmoduls nach Fig. 2 in einer
räumlichen Darstellung.
Fig. 4 Das Messmodul in der grundsätzlichen Ausgestaltung gemäß Fig. 1
mit einem zu seinem Einbau in einen Halbleiterscheibenspannverband
geeigneten Gehäuse,
Fig. 5 Einen Halbleiterscheibenspannverband mit einem Messmodul gemäß
Fig. 4.
Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Messmoduls M in einer
Schnittdarstellung, welche die spezielle Geometrie des Shunts 1, 2 besonders
gut erkennen lässt. Unterhalb dieser Schnittdarstellung ist, in der Fig. 1a, die
selbe Ausführungsform nochmals in einem Blick von ihrer Oberseite her, also in
einem Schnitt quer zur z-Achse dargestellt, um die in diesem Falle
rotationssymmetrische Ausbildung des Shunts 1, 2 zu verdeutlichen.
Das im Beispiel, gemäß der Fig. 1 und 1a dargestellte Modul M besteht im
Wesentlichen aus dem Shunt 1, 2 mit dem inneren Bereich 1 sowie dem äußeren
Bereich 2 und Mitteln 3, 3', 4 (Kontaktierungsmittel) zur Verbindung des
Moduls M mit einem Leistungskreis, in welchem der Strom zu messen bzw. zu
überwachen ist. Wie zu erkennen ist, sind bei dem beispielhaft dargestellten
Modul M sowohl der innere 1 als auch der äußere Bereich 2
rotationssymmetrisch zur Achse z ausgebildet. Der innere Bereich 1 hat die Form
eines oben offenen Hohlzylinders, in dem ein (weitgehend) feldfreier Raum 5
ausgebildet ist. In diesem feldfreien Raum sind die Spannungsabgriffe 6, 6'
angeordnet, an denen das Messsignal (eine Spannung) abgegriffen wird. Diese
wird bei der gezeigten Ausführungsform noch innerhalb des Moduls M, nämlich
innerhalb des feldfreien Raumes 5 mittels einer dort angeordneten
Auswertungseinheit 10 (vor-) verarbeitet. Über die in axialer Richtung z vorgesehene Öffnung
des hohlzylindrischen inneren Bereichs 1 wird das verarbeitete Messsignal
ausgekoppelt. Außerdem erfolgt über diese Öffnung die Versorgung der
Auswertungseinheit 10 mit der erforderlichen Hilfsenergie. Gegebenfalls ist
hierüber auch eine Kalibrierung der Auswertungseinheit 10 möglich.
Der wesentlichste Aspekt der Erfindung ist, wie bereits betont, die spezielle
Geometrie des Shunts, der zwar möglicherweise auch als Koaxialshunt zu
bezeichnen ist, aber dennoch von den bisher hierfür bekannten Formen deutlich
abweicht. Der hohlzylindrische innere Bereich 1 wird dabei quasi trogartig von
dem äußeren Bereich 2 umgeben, welcher, in der Schnittdarstellung gut
erkennbar, ein im Wesentlichen U-förmiges Profil aufweist. Im Bereich des Übergangs
zwischen dem inneren Bereich 1 und dem äußeren Bereich 2, also des nur durch
eine dünne Isolierschicht 11 getrennten Aneinanderliegens der Schenkel 7, 7'
und des inneren Bereiches 1 und ihrer elektrisch leitenden Verbindung an den
Schenkelenden 8, 8' ist eine bifilare Leiterstruktur ausgebildet, an welcher ein
den Shunt 1, 2 durchfließender Strom eine Richtungsumlenkung erfährt. Dies ist
in der Fig. 1a durch die auf das Profil aufgetragenen Symbole erkennbar. Dabei
symbolisiert der Kreis mit Punkt, dass der Strom aus der Darstellungsebene
heraus fließt, während das Kreuz im Kreis einen in die Ebene hinein fließenden
Strom symbolisiert. Abweichend von den bisher bekannten Koaxialshunts erfährt
der Strom also bei dem erfindungsgemäßen Messmodul M eine nochmalige
Richtungsumlenkung an den äußeren Schenkeln 9, 9' des äußeren
Shuntbereiches 2. Durch die erste, von der bifilaren Struktur am Übergang zwischen
dem inneren Bereich 1 und dem äußeren Bereich 2 bewirkte Umlenkung wird
eine Reduzierung der Gegeninduktivitäten und des das Frequenzverhalten
negativ beeinflussenden Skineffekts erreicht, während die weitere an den
Schenkeln 9, 9' erfolgende Umlenkung die besonders flache Bauform des
Moduls M ermöglicht. Um die durch den Einsatz der Bifilarstruktur erhaltenen
elektrischen Vorteile zu bewahren, müssen die Schenkel 9, 9' gegenüber dem
inneren Bereich 1 einen deutlichen Abstand a haben. Bei der dargestellten
Ausführungsform weisen die Schenkel 9, 9' gegenüber dem inneren Bereich 1 einen
Abstand a auf, welcher zumindest dem hälftigen Außendurchmesser d1 des
inneren Bereichs 1 entspricht. Der Außendurchmesser d2 des Elementes ist
deutlich größer als dessen Höhe h, so dass d2/h » 1 gilt. Dieses Maß ist
allerdings nicht zwingend, sondern von den gegebenen elektrischen Verhältnissen
abhängig. Jedoch soll der Abstand a der Schenkel 9, 9' gegenüber dem inneren
Bereich 1 gemäß den der Erfindung zu Grunde liegenden Überlegungen so groß
sein, dass das elektrische Feld eines durch sie fließenden Stromes den inneren
Bereich 1 (abgesehen von zu vernachlässigenden Effekten) nicht beeinflusst.
Das erfindungsgemäße Messmodul M ist wegen seiner von Koaxialshunts
anderer Bauformen bereits bekannten geringen Eigeninduktivität für AC- und
DC-Messungen mit großer Brandbreite besonders gut geeignet und weist
darüber hinaus eine äußerst kompakte platzsparende Bauform auf. Der äußere
Bereich 2 muss nicht zwingend rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Vielmehr
kann seine äußere Kontur (bei aber ansonsten ebenfalls trogartiger Ausbildung)
auch die Form eines Quaders aufweisen. Der Abstand a der Schenkel 9, 9'
variiert dann über den Umfang des äußeren Bereichs 2, ist aber auch dort, wo er am
geringsten ist, so groß, dass das elektrische Feld eines durch die Schenkel 9, 9'
fließenden Stromes keine Rückwirkung auf die Bifilarstruktur am Übergang
zwischen inneren Bereich 1 und äußeren Bereich 2 hat. Der den inneren
Bereich 1 ausbildende Hohlzylinder kann, wie im Beispiel, unten verschlossen,
aber auch offen sein. Je nach Fertigungstechnologie kann dabei im
erstgenannten Fall der innere Bereich 1 durch seine Ausbildung selbst oder
durch den mit ihm im Bereich der Schenkelenden 8, 8' verbundenen äußeren
Bereich 2 auf einer Seite verschlossen sein.
Die Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Messmodul M in einer für den Einbau in
eine Stromschiene geeigneten Ausführungsform. Dabei sind die
Kontaktierungsmittel 3, 3', 4 integraler Bestandteil eines des Shunt 1, 2 mit seinem inneren
Bereich 1 und seinem äußeren Bereich kapselnden elektrisch leitenden
Gehäuses mit gegeneinander isolierten Gehäusehälften 3, 4. An den
Gehäusehälften 3, 4 sind, in radialer Richtung K, einander gegenüberliegend,
Anschlussfahnen 12, 12' zur Einfügung des Moduls M in eine Stromschiene
ausgebildet. Mittels der in den Anschlussfahnen 12, 12' vorgesehenen
Durchbrüche 13, 13' und geeigneter Befestigungsmittel kann das Messmodul M
an einer hier nicht dargestellten Stromschiene befestigt werden. Dabei lässt die
aufgrund der erfindungsgemäßen Geometrie des Shunts 1, 2 sehr flache
Bauform einen nahezu fluchtenden Einbau in die Stromschiene zu. Die Fig. 3 zeigt
das Modul M in der Ausbildungsform nach der Fig. 2 nochmals in einer
räumlichen Darstellung. Das Gehäuse kann unabhängig von der Form des Shunt 1, 2
und abgesehen von den Anschlussfahnen rotationssymmetrisch oder, wie im
dargestellten Beispiel axialsymmetrisch ausgebildet sein.
Die Fig. 4 zeigt eine andere Bauform des Moduls M, die sich jedoch von der
Ausbildungsform nach Fig. 2 bzw. 3 nur in der Form des Gehäuses 3', 4
unterscheidet. Das Gehäuse 3', 4, welches hier keine Anschlussfahnen aufweist,
ist rotationssymmetrisch zur Achse z. Das gesamte Messmodul M ist als eine
flache Scheibe ausgeführt und eignet sich hierdurch, bei entsprechender
Dimensionierung, besonders gut für die unmittelbare Integration in einen Spannverband
von Leistungshalbleitern. Ein solcher Scheibenspannverband mit eingefügtem
Messmodul M ist in der Fig. 5 veranschaulicht. Dabei ist das Modul M, welches
gemäß Fig. 4 ausgebildet ist, zur Strommessung über sein der Kontaktierung
dienendes Gehäuse 3', 4 mit mehren Scheibenzellen in Reihe geschaltet und
gemeinsam mit diesen zu einem Verband verspannt.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 innerer Bereich
2 äußerer Bereich
3, 3' Kontaktierungsmittel
4 Kontaktierungsmittel
5 feldfreier Raum
6 Spannungsabgriffe
7, 7' innere Schenkel
8, 8' Schenkelenden
9, 9' äußere Schenkel
10 Auswertungseinheit
11 Isolierschicht
12, 12' Anschlussfahnen
13, 13' Durchbrüche
M Messmodul
x, y radiale Richtung (horizontale Achsen)
z Symmetrieachse, axiale Richtung