Shunt-Topologie in drei Schritten

Autoren: Salil JAIN, Personalingenieur, STMicroelectronics, Alok Kumar MITTAL, Senior Group Manager, STMicroelectronicsMarilena Gaetana SAMBATARO, Anwendungsmanagerin, STMicroelectronics

In diesem Artikel werden Referenzdesigns des von STMicroelectronics entwickelten Dreiphasen-Smart-Energy-Meters und die Vorteile von Shunts gegenüber Stromsensoren für die Mehrphasenmesstechnik erläutert.

Heutzutage legen die Menschen immer mehr Wert auf die Überwachung und Kontrolle des Stromverbrauchs, sei es bei schweren Maschinen oder Haushaltsgeräten. Wie in Abbildung 1 dargestellt, bieten Shunt-basierte Messlösungen in Kombination mit der neuen fortschrittlichen galvanischen Isolationstechnologie von STMicroelectronics mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Stromerfassungsmethode mit Stromtransformatoren (CT):

STMicroelectronics bietet zuverlässige Lösungen für die Messung, die den neuesten verfügbaren Standards (EN 50470-x, IEC 62053-2x, ANSI12.2x) für Wechselstrom-Wattmessgeräte entsprechen.

Stromwandler werden in der Messgeräteindustrie häufig zur Messung von Wechselstrom (AC) eingesetzt. Es verfügt über einen ferromagnetischen Kern, eine Primär- und eine Sekundärwicklung aus Kupferdraht.

Der Phasen- oder Neutralleiter, auf dem der zu messende Strom durch den CT-Ring geleitet wird. Der Wechselstrom im Phasendraht (primär) erzeugt ein magnetisches Wechselfeld im Kern, das dann einen Wechselstrom in der Sekundärwicklung des Stromwandlers induziert. Die Anzahl der Windungen in der Primär- und Sekundärwicklung wird so gewählt, dass der Primärstrom auf einen messbaren Wert eingestellt wird. Ein über die Sekundärwicklung geschalteter Bürdenwiderstand erzeugt eine Ausgangsspannung basierend auf der durch ihn fließenden Strommenge.

Abbildung 2 zeigt einen CT-basierten herkömmlichen Energiezähler. Einige Vorteile, die CT im Messdesign universell machen, sind:

Daher ist der Hauptgrund für den Einsatz von Stromwandlern die Sicherheit vor Gefahren durch Hochspannung.

Aus den oben genannten Gründen lohnt es sich, Topologien mit Shunt für Dreiphasenzähler in Betracht zu ziehen.

Shunts können für viele Anwendungen wie Shunt-Dioden, Stromkreisschutz und Strommessung verwendet werden. Für die Strommessung gibt es wenige Varianten von Shunts, die verwendet werden.

Bei den unten genannten Ausführungen wird ein Shunt mit fünf Anschlüssen verwendet, um den entnommenen Strom zu messen. Es handelt sich um einen Widerstand mit 3 W und 0,3 mΩ. Eine 16-fache Vorverstärkung des Stromkanals, die für beide Messgeräte (STPMS2 und STPM32/STPM33) wählbar ist, gewährleistet einen Strombereich von bis zu 100 A. Die Spannung am Shunt-Widerstand, proportional zum Eingangsstrom, wird von den ADCs dieser Geräte erfasst.

Der STPM3x ist eine anwendungsspezifische Standardproduktfamilie (ASSP), die für die hochpräzise Messung von Leistung und Energie in Stromleitungssystemen entwickelt wurde.

Der STPMS2, ein zweikanaliger 24-Bit-Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung, kann Spannung und Strom für jede Phase messen. Anschließend werden die Signale mit einem synchronisierten 4-MHz-Takt überabgetastet und Spannungs- und Strom-Sigma-Delta-Bitströme auf einem einzigen Ausgangspin gemultiplext.

Bei Shunt-basierten Lösungen ist es zwingend erforderlich, die Phasen voneinander zu isolieren, da der Potenzialunterschied auf der Leiterplatte (PCB) aufgrund des direkten Kontakts mit dem Leitungsdraht im Bereich von Hunderten von Volt liegen kann. Dadurch kann ein Entladestrom entstehen, der die Platine und die daran angeschlossenen Geräte zerstören würde. Die Isolierung wird mit dem STISO621 erreicht, einem Zweikanal-Digitalisolator, der auf der 6-kV-Dickoxid-Galvanik-Isolationstechnologie von ST basiert, um Daten zwischen isolierten Domänen in einer Vielzahl von Industrieanwendungen zu übertragen.

Wie wir in Abbildung 3 sehen können, wird ein Isolator zwischen dem Mikrocontroller und dem STPM32- oder STPMS2-Messgerät verwendet.

Für Verbraucher, die ihre Stromrechnungen kontrollieren möchten, und für Branchen, in denen die genaue Leistung, Energie und der Leistungsfaktor schwerer Maschinen überwacht werden müssen, bietet dieses Messgerät (wie in Abbildung 4 dargestellt) eine Möglichkeit, den Strom- und Energieverbrauch zu erfassen und zu steuern. Es berechnet alle messtechnischen Parameter, die für die Messung jedes Milliwatts Strom, der in der Industrie oder im Haushalt verbraucht wird, erforderlich sind. Für dieses Design werden der Mess-IC STPM32 und der Mikrocontroller STM32L486 verwendet.

Abbildung 5 und Abbildung 6 erläutern das Blockdiagramm des Designs.

STPMS2-basierter dreiphasiger Energiezähler (EVALST-3PHISO)

Die Evaluierungsplatine EVALSTPM-3PHISO (wie in Abbildung 7 dargestellt) implementiert einen vollständigen dreiphasigen Energiezähler mit Shunt-Stromsensoren. Die Lösung basiert auf dem STPMS2-Gerät, einem zweikanaligen 24-Bit-Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung. Die Sensorschaltung und das PCB-Layout sind optimiert, um das Signal-Rausch-Verhältnis für optimale Genauigkeit zu maximieren.

Das STPMS2 überabtastet das Signal mithilfe eines 4-MHz-Takts, der vom Mikrocontroller synchronisiert verteilt wird, und gibt Spannungs- und Strom-Sigma-Delta-Bitströme aus, die auf demselben Pin gemultiplext sind. Die Zweidrahtkommunikation zwischen STPMS2-Modulator und MCU ist durch STISO621W isoliert Galvanisch isolierte 6-kV-Schnittstelle, die eine Rate von bis zu 100 Mbit/s und eine geringe Impulsverzerrung (<3 ns) für eine sichere und schnelle Datenübertragung zwischen isolierten Domänen ermöglicht. Die in die Lösung eingebettete Firmware nutzt die DFSDM-Filter des STM32F413RH, um die sechs Bitströme in 24 umzuwandeln -Bits Spannungs- und Stromdaten mit einer Rate von 200us. Es implementiert außerdem eine virtuelle COM-Port-Kommunikation, um einfach auf die internen Parameter zuzugreifen, Messdaten zu lesen, die interne Konfiguration für eine hohe Flexibilität der Anwendung zu ändern und die Platine zu kalibrieren.

Abbildung 8 ist das Blockdiagramm von EVALSTPM-3PHISO. Die Dokumentation, Tools und Ressourcen für dieses Design sind unter https://www.st.com/en/evaluation-tools/evalstpm-3phiso.html verfügbar.

Angesichts des zunehmenden Interesses an Shunt-Strommessungen für die Messgeräteindustrie schlägt ST eine zuverlässige und genaue Lösung für die Messung und Steuerung von Energie im häuslichen und industriellen Umfeld vor und zeigt, wie der Shunt zur Strommessung eingesetzt werden kann. Es gewährleistet vollständige Immunität gegenüber magnetischen Gleich- und Wechselfeldern sowie eine Strommessung ohne Phasenverschiebung und senkt gleichzeitig die Gesamtsystemkosten. Der kleine Formfaktor gewährleistet eine kompakte Leiterplatte mit sehr wenigen zu montierenden Bauteilen. Natürlich beschränkt es sich nicht nur auf die Energiemessung. Solarwechselrichter, Prozessüberwachung und Schutzgeräte können alle von der Shunt-Topologie profitieren.