Ein Stromwandler ermöglicht die Umwandlung hoher Ströme in einen messbaren Strombereich. Die in mehreren Schutzsystemen enthaltenen Relais sind so implementiert, dass der von einem Stromwandler gelieferte Strom verwendet werden kann, um sie zu betätigen. Es wird auch als schwierig angesehen, Wechselströme hoher Größe unter Verwendung normaler Amperemeter mit niedrigem Bereich zu messen, und daher werden Stromwandler als Zwischenstufe für Mess- und Isolationszwecke verwendet.
Abbildung 1. Verschiedene Stromwandler. Bild mit freundlicher Genehmigung der Talema Group.
Magnetisch Komponentenwerden im Allgemeinen seit Jahrzehnten in verschiedenen leistungselektronischen Geräten verwendet. Sie werden zur Steuerung, Übertragung und Konditionierung von elektrischer Energie in verschiedenen Phasen und in verschiedenen Formen verwendet.
Designer sind immer auf der Suche nach neueren Materialien, Topologien und Prozessen, um die Leistung zu verbessern. Es gab eine Zeit in der Geschichte, in der das Design von Magneten eher als Kunst als als Wissenschaft angesehen wurde. Dies liegt daran, dass das Design hauptsächlich von Trial-and-Error-Techniken, empirischen Formeln und Faustregelüberlegungen abhing. Darüber hinaus gab es mehrere Versuche, den Entwurfsprozess zu standardisieren, um ihn zuverlässiger und wiederholbarer zu machen.
Lesen Sie weiter, um mehr über das Funktionsprinzip eines Stromwandlers und die damit verbundenen Schlüsselkonzepte zu erfahren.
Stromwandler und Schaltungsübersicht
Stromwandler werden verwendet, um den in Hochleistungsschaltungen fließenden Strom zu messen, typischerweise für Mess- oder Rückkopplungsschaltungen. Die Verwendung von Stromwandlern wird gegenüber der Messung von Strömen unter Verwendung von Stromshunts in Reihe mit dem Strompfad bevorzugt, da ein Stromwandler Vorteile wie eine Isolation zwischen dem Leistungskreis und dem Messkreis, einen geringeren Beitrag zu Leistungsverlusten und eine gute Gleichtaktunterdrückung bietet [1]. Im Allgemeinen unterstützt ein Transformator eine Wechselstromkopplung. Spannung und Strompegeltransformation zusammen mit DC-Isolation [2].
Abbildung 2. Verwendung eines Stromwandlers zur Messung eines hohen Stroms. [3]
Die praktischen Entwurfsüberlegungen für Stromwandler werden durch die Fähigkeit bestimmt, die erforderlichen Werte der Primär- und Sekundärwicklungsströme effektiv zu leiten. Dies führt zu der richtigen Wahl der Leiter und der Fähigkeit, eine angemessene Leistungskopplung zu erreichen. Idealerweise sind eine enge Spannungsregelung ohne Leckage und ohne Stromverluste - Hysterese oder Wirbel - sowie eine insgesamt geringe Verzerrung des Erregerstroms erwünscht.
Wenn all diese Designziele vollständig erreicht werden müssen, ist das resultierende Produkt möglicherweise sperrig, was wiederum nicht beabsichtigt ist. Daher ist es äußerst schwierig, ein Gleichgewicht zu finden, um auf der Grundlage dieser Überlegungen das bestmögliche Design zu erzielen.
Funktionsprinzip
Stromwandler gehören zur Familie der Stromwandler, die einen Sekundärstrom erzeugen, der proportional zum Strom ist, der in seiner Größe durch die Primärseite fließt.
Die Primärwicklung ist so ausgelegt, dass sie aus einer oder mehreren Windungen mit großer Querschnittsfläche besteht und typischerweise in Reihe mit der Schaltung geschaltet ist, die für den Stromfluss erfasst werden muss [4].
Die Sekundärwicklung hat eine höhere Windungszahl und besteht aus einem Draht mit kleinerer Querschnittsfläche. Die Sekundärwicklung ist mit der Betriebsspule des Relais oder dem Strommessgerät verbunden.
Abbildung 3. Darstellung eines Stromwandlers [4]
Der Anwendungsbereich für einen bestimmten Stromwandlertyp wird durch seine Präzision, das Verhältnis von Primär- zu Sekundärströmen, die Art der verwendeten Isolierung, den mechanischen Aufbau und die externen Betriebsbedingungen bestimmt.
Die Funktionsweise des Stromwandlers ähnelt der herkömmlicher Leistungstransformatoren, da diese grundsätzlich als Aufwärtsspannungswandler fungieren. Typischerweise ist der Wert des Stroms auf der Hochspannungsseite niedriger und umgekehrt. Wenn also die Primärseite erregt wird, erzeugen die Amperewindungen auf der Primärseite ein Magnetfeld im Kern.
Auf der Sekundärseite wird aufgrund des erzeugten Magnetflusses, der wiederum den Sekundärstrom antreibt, eine elektromotorische Kraft induziert. Die Amperewindungen sind in Primär- und Sekundärwicklung ausgeglichen, und auch der Spannungsabfall über der Primärwicklung ist viel geringer, wodurch der Primärstrom unabhängig vom Sekundärstrom wird.
Design Insights für Stromwandler
Das Design des Stromwandlers ist ein Kompromiss in Bezug auf Kosten, Gewicht, Anzahl der Windungen in der Wicklung und deren Gesamtleistung [1]. Das Erhöhen des Kernbereichs verbessert die Leistung, wirkt sich jedoch nachteilig auf die Kosten und die Gesamtgröße aus. Ferrit- oder Stahlkerne werden verwendet und eine größere Anzahl von Sekundärwindungen wird bevorzugt. Typischerweise konzentriert sich ein gutes Stromwandlerdesign auf die niedrigere Spannung auf der Sekundärseite, die Verwendung von Material mit hoher Permeabilität, eine große Kernfläche und große Sekundärwindungen.
Übliche Überlegungen zur Auswahl von Kernmaterialien umfassen einen geringen Kernverlust, einen niedrigen Reluktanzwert und eine niedrige Flussdichte. Papier, Lacke, Klebebandmaterialien und ihre Varianten werden zu Isolationszwecken verwendet.
Ein Stromwandler kann gewickelt oder bar sein. Bei Niederspannungsanwendungen vom gewickelten Typ werden Sekundärwindungen auf einen Bakelit gewickelt, gefolgt von Primärwindungen mit geeigneter Isolierung zwischen den Schichten. Beim Stabtyp bildet ein einzelner Stab die Primärwicklung und verläuft durch die Mitte des Kerns.
Abbildung 4. Stromwandler können vom Stab- oder Wickeltyp sein.
Wichtige Referenzen:
- L. Umanand, SR Bhat, „Design of Magnetic Komponenten für Schaltnetzteile “, Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, "Hochfrequenz-Magnetkomponenten", John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, „Transformer and Inductor Design Handbook“, 2004.
- Stromwandler