DE10258115B4 - Breitbandiges Messmodul zur Strommessung an Einrichtungen der Leistungselektronik - Google Patents

Breitbandiges Messmodul zur Strommessung an Einrichtungen der Leistungselektronik Download PDF

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Abstract

Breitbandiges Messmodul (M) zur Strommessung an Einrichtungen der Leistungselektronik, mit einem über erste und zweite Mittel zur Stromzuführung (Kontaktierungsmittel 3, 3', 4) mit den Einrichtungen der Leistungselektronik verbindbaren Shunt (1, 2), der als ein bezogen auf eine Achse (z) axial- oder rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist und aus einem mit den ersten Kontaktierungsmitteln (3, 3') stromleitend verbundenen, hohlzylindrischen inneren Bereich (1) sowie einem koaxial dazu angeordneten, mit den zweiten Kontaktierungsmitteln (4) stromleitend verbundenen äußeren Bereich (2) besteht, wobei der hohlzylindrische innere Bereich (1) einen feldfreien Raum (5) mit darin angeordneten Spannungsabgriffen (6, 6') zum Abgriff eines Messsignals einschließt und in axialer Richtung (z) zumindest an einem Ende zur Auskopplung des Messsignals oder eines durch dessen Verarbeitung gewonnenen Signals zumindest teilweise offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (2), als ein vollständig um den hohlzylindrischen inneren Bereich (1) umlaufendes U-Profil mit inneren Schenkeln (7, 7') und mit äußeren Schenkeln (8,...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein breitbandiges Messmodul zur direkten Strommessung an Einrichtungen der Leistungselektronik.
  • 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.
  • Eine 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. Ähnliches gilt für durch den die EP 0 026 930 A1 offenbarten Shunt in koaxialer Ausführung. Nachteilig bei dieser Bauform, wie bei allen bisher bekannten Bauformen mit koaxialer Anordnung, ist es, dass sie eine zu große Bauhöhe in Bezug auf die Achsrichtung der an sie angeschlossenen, vom Strom durchflossenen Leiter beziehungsweise eine Stromschiene haben, nicht symmetrisch zur Stromflussrichtung sind und deshalb entweder nicht Platz sparend oder nicht mit geringem Aufwand in Serie zu fertigen sind sowie einen relativ hohen Materialeinsatz erfordern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der US 5,420,504 A ein Strommessmodul mit einem Shunt zu schaffen, welches die Messung von Gleich- und Wechselströmen ermöglicht, von elektromagnetischen Feldern der Umgebung nicht oder nur vernachlässigbar beeinflusst wird und dabei 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. Zudem soll das Strommessmodul aus der Sicht der Fertigung eine unkomplizierte Serienproduktion mit geringem Materialeinsatz zulassen.
  • Die Aufgabe wird durch ein breitbandiges Messmodul mit den Merkmalen im Hauptanspruch 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.
  • Erfindungsgemäß ist der äußere Bereich, als ein vollständig um den hohlzylindrischen inneren Bereich umlaufendes U-Profil mit inneren Schenkeln und mit äußeren Schenkeln ausgebildet. Die inneren Schenkel liegen dabei unter Ausbildung einer bifilaren Leiterstruktur an dem inneren Bereich des Shunts an, während die äußeren Schenkel gegenüber diesem einen Abstand aufweisen, der wenigstens der Hälfte des Außendurchmessers des inneren Bereichs entspricht. Dabei sind die inneren Schenkel des u-förmigen äußeren Bereichs in radialer Richtung durch eine Isolierschicht gegen den inneren Bereich des Shunts isoliert, aber an ihren Schenkelenden mit diesem leitend verbunden.
  • 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. An der zwischen dem inneren Bereich des Shunts und den inneren Schenkeln seines äußeren Bereichs gebildeten 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 in Form eines vollständig um den inneren Bereich umlaufenden U-Profils ausgebildeten 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-förmig umlaufenden Profils 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 den beim Einsatz des Shunt zu erwartenden physikalischen Gegebenheiten, nämlich der Größe und dem zeitlichen Verlauf des den Shunt durchfließenden Stroms und dem sich aufgrund dessen bildenden elektromagnetischen Feld, ab. Dabei richtet sich insbesondere der Abstand der äußeren Schenkel des äußeren, u-förmig umlaufenden Bereichs vom inneren Bereich nach der Frequenz des zu messenden Stroms und der daraus resultierenden Feldstärke, entspricht aber mindestens der Hälfte des Außendurchmessers des inneren Bereichs. 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 oder einen Halbleiterspannverband verbindet.
  • Gemäß einer möglichen Ausbildungsform sind die inneren, den hohlzylindrischen inneren Bereich des Shunts einschließenden Schenkel des den äußeren Bereich ausbildenden, umlaufenden U-Profils zumindest auf einer Seite miteinander verbunden, wobei sie den inneren Bereich des Shunt auf dieser Seite verschließen.
  • 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.
  • 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:
  • 1: Das Messmodul gemäß einer beispielhaften Ausbildungsform in einer insbesondere die Geometrie des Shunts verdeutlichenden geschnittenen Darstellung
  • 1a Das Modul nach 1 quer zur z-Achse geschnitten
  • 2: Das Messmodul in der grundsätzlichen Ausgestaltung gemäß 1 mit einem zu seinem Einbau in eine Stromschiene geeigneten Gehäuse
  • 3: Eine mögliche Variante des Messmoduls nach 2 in einer räumlichen Darstellung
  • 4: Das Messmodul in der grundsätzlichen Ausgestaltung gemäß 1 mit einem zu seinem Einbau in einen Halbleiterscheibenspannverband geeigneten Gehäuse
  • 5: Einen Halbleiterscheibenspannverband mit einem Messmodul gemäß 4
  • Die 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 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 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, als ein im Wesentlichen u-förmig um den inneren Bereich 1 umlaufendes Profil ausgebildet ist. 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 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 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 x, einander gegenüberliegend, Anschlussfahnen 12, 12' zur Einfügung des Moduls M in eine Stromschiene aus gebildet. 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 3 zeigt das Modul M in der Ausbildungsform nach der 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 4 zeigt eine andere Bauform des Moduls M, die sich jedoch von der Ausbildungsform nach 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 5 veranschaulicht. Dabei ist das Modul M, welches gemäß 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.
  • 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

Claims (9)

  1. Breitbandiges Messmodul (M) zur Strommessung an Einrichtungen der Leistungselektronik, mit einem über erste und zweite Mittel zur Stromzuführung (Kontaktierungsmittel 3, 3', 4) mit den Einrichtungen der Leistungselektronik verbindbaren Shunt (1, 2), der als ein bezogen auf eine Achse (z) axial- oder rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist und aus einem mit den ersten Kontaktierungsmitteln (3, 3') stromleitend verbundenen, hohlzylindrischen inneren Bereich (1) sowie einem koaxial dazu angeordneten, mit den zweiten Kontaktierungsmitteln (4) stromleitend verbundenen äußeren Bereich (2) besteht, wobei der hohlzylindrische innere Bereich (1) einen feldfreien Raum (5) mit darin angeordneten Spannungsabgriffen (6, 6') zum Abgriff eines Messsignals einschließt und in axialer Richtung (z) zumindest an einem Ende zur Auskopplung des Messsignals oder eines durch dessen Verarbeitung gewonnenen Signals zumindest teilweise offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (2), als ein vollständig um den hohlzylindrischen inneren Bereich (1) umlaufendes U-Profil mit inneren Schenkeln (7, 7') und mit äußeren Schenkeln (8, 8') ausgebildet ist, dessen innere Schenkel (7, 7') an dem inneren Bereich (1) anliegen und dessen äußere Schenkel (9, 9) von dem inneren Bereich (1) einen Abstand (a) aufweisen, der wenigstens der Hälfte des Außendurchmessers (d1) des inneren Bereichs (1) entspricht, wobei die inneren Schenkel (7, 7') unter Ausbildung einer bifilaren Leiterstruktur in radialer Richtung (x, y) durch eine Isolierschicht (11) gegen den inneren Bereich (1) isoliert, aber an ihren Schenkelenden (8, 8') mit diesem leitend verbunden sind.
  2. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren, den hohlzylindrischen inneren Bereich (1) des Shunts (1, 2) einschließenden Schenkel (7, 7') des den äußeren Bereich (2) ausbildenden, umlaufenden U-Profils zumindest auf einer Seite miteinander verbunden sind, so dass sie den inneren Bereich (1) auf dieser Seite verschließen.
  3. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem inneren Bereich (1) und dem äußeren Bereich (2) gebildeter rotationssymmetrischer Shunt (1, 2) eine im Vergleich zu seinem äußeren Durchmesser (d2) geringe Höhe (h) aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Höhe (h) und dem Durchmesser (d2) vorzugsweise deutlich kleiner als 1 ist.
  4. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem feldfreien Raum (5) eine mit Hilfsenergie versorgbare elektronische Auswertungseinheit (10) zur Ver- bzw. Vorverarbeitung des an den Spannungsabgriffen (5, 5') abgegriffenen Messsignals angeordnet ist.
  5. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gegebenenfalls ver- bzw. vorverarbeitete Messsignal aus diesem potentialfrei auskoppelbar ist.
  6. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsmittel (3, 3', 4) Bestandteil eines den Shunt (1, 2) mit seinem inneren Bereich (1) und äußeren Bereich (2) kapselnden elektrisch leitenden Gehäuses mit gegeneinander isolierten Gehäusehälften (3, 4 bzw. 3', 4) sind.
  7. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehälften (3', 4), ebenso wie der innere Bereich (1) des Shunts (1, 2), eine zur Achse (z) rotationssymmetrische Form aufweisen und das gesamte Messmodul (M) als eine scheibenförmige, zur Einfügung in einen Halbleiterscheibenspannverband geeignete Zelle ausgebildet ist.
  8. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehälften (3, 4) zwei in radialer Richtung (x, y) einander gegenüberliegende Anschlussfahnen (12, 12') für die fluchtende Einordnung in eine Stromschiene aufweisen.
  9. Breitbandiges Messmodul (M) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussfahnen (12, 12') Durchbrüche (13, 13') zur Befestigung des Moduls an einer Stromschiene mittels dafür geeigneter Befestigungsmittel aufweisen.
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