Strom bei Wechselspannung messen

  • Wer hat mal einen Tip für mich?


    Habe folgendes Problem:


    Ich möchte den Strom in einem Kreis messen ( mit einem Atmel Mega32) Dieser Kreis besteht aus einem Trafo und mehreren kleinen und großen Lasten. Wobei die große Last aus Magnetspulen bestehen und die kleinen aus Verbrauchern mit Microprozessoren.


    Strom große Last ca. 0.4 A
    Strom kleine Last ca. 0.004A


    Die kleinen Lasten sollen im Normalbetrieb immer im Kreis hängen und schalten die großen Lasten bei Bedarf zu.
    Je nachdem wie viele der großen Lasten zugeschaltet sind, muß der Strom ja proportional steigen.


    Also habe ich mir einen kleinen Trafo gewickelt, den ich in den Kreis hänge und je nachdem wie hoch der Strom ist, messe ich sekundär einen Spannungsabfall. Auf der Sekundärseite habe ich einen Brückengleichrichter danach noch zwei Kondensatoren parallel und zwei Widerstände als Spannungsteiler in den Kreis geschaltet.
    Es funktioniert auch alles ganz gut, wenn ich die großen Lasten, ohne die kleinen Lasten in den Primärkreis hänge. Pro zugeschalteter Spule bekomme ich vom Atmel eine Spannung von 0.73V.


    Mein Problem liegt jetzt darin, dass sobald ich eine der kleinen Lasten anschließe, bekomme ich wesentlich höhere Spannungen am Atmel angezeigt, als wenn ich nur eine große Last daran hänge.
    Wenn ich die kleine Last anschließe und die große zuschalte, dann nimmt die Spannung ab. Schalte ich dann zusätzlich eine weitere große Last dazu, dann steigt die Spannung wieder.


    Wie kann ich dieses Problem beheben. Scheinbar handelt es sich ja um Phasenverschiebungen im Primärkreis durch ohmsche, kapazitive und induktive Lasten


    Wer hat nen Tip?

  • Hallo,
    Voraussetzung für eine simple AC-Strommessung ist, dass der Strom sinusförmig ist (nur Grundwelle). Bei (induktiven + kapazitiven) Lasten ist das nicht der Fall. Probleme macht auch ein Stromaufnehmer, in dem ein Gleichrichter integriert ist, weil in den Spannungsamplituden ein höherer Strom fließt (z.B. beim Laden Kondensator).


    Wenn du den Strom über einen Trafo abgreifst, wird es noch schwieriger, weil der Übertragungsfaktor von der Kurvenform abhängen kann (niedrige F-> Sättigung Kern, hohe F-> Dämpfung). Der Gleichrichter mit C verbeult dann noch den Rest.


    Die Probleme könnten z.B. mit einem schnellen Stromwandler behoben werden (z.B LEM / Honeywell). Der erzeugt einen zum gemessenen Strom proportionalen Ausgangsstrom (oder Spannung über R).
    Danach noch eine gute Gleichrichtung (optimal: echter Effektivwertgleichrichter, bei schneller Abtastung im uPC programmierbar), und dann sollte ein halbwegs korrekter Scheinstrom messbar sein.
    Falls der Wirkstrom gemessen werden soll, muss die Phasenlage der Spannung beücksichtigt werden. Wirkleistung: Wechselspannung mit Wechselstrom multiplizieren.


    Gruß
    Toni

  • Wie sieht denn Deiner Meinung nach der durch eine sinusförmige Spannung in einer Spule oder einem Kondensator verursachte Strom aus wenn nicht sinusförmig? Dazu müssten L und C ja nichtlineare Bauteile sein (was insbesondere das L auch sein kann, aber ich denke nicht, dass das hier das Problem ist).


    Man müsste sich mal anschauen, was der Stromwandler da liefert, eventuell sättigt er, vielleicht gibt es irgendwo Resonanzen, vielleicht ist es wirklich nur der Phasenwinkel, der hier Probleme macht.
    Hat der Stromtrafo ausgangsseitig eigentlich einen Widerstand, gegen der er arbeitet? Ansonsten ist das irgendwie keine Strommessung...

  • Hast du dir mal den tatsächlichen Strom mit Oszi angesehen (Spannungsabfall über einem Shunt)? Wie ist die Kurvenform der jeweiligen Verbraucher?
    Wie sieht die Spannung am Ausgang des Mess-Trafos aus?



    shaun: stimmt - bei idealen L+C sollte der Strom sinusförmig bleiben, falls nirgends Energie herausgezogen wird (Sättigung,..).

  • Genau, Sättigung meine ich auch, als ich eher L's nichtlineare Eigenschaften zusprach. Die Kurvenform, die er real vorliegen hat, zu betrachten halte ich auch nach wie vor am sinnvollsten.

  • Beim Einbau hatte sich der Lastwiderstand auf der Sekundärseite des Messtrafos gelöst. Aus Platzgründen hatte ich alle Komponenten unter dem Trafo platziert. Habe den Trafo noch einmal ausgelötet, fliegend verdrahtet und ans Oszi gehängt. Ohne Widerstand entstehen periodische hohe Spitzen bei kleiner Last. Wenn der Lastwiderstand mit dran hängt, verschwinden diese Spitzen ganz, die Kurve nähert sich einer Sinuskurve an mit langen konstanten Abschnitten. Mit der Großen Last (Magnetventil) habe ich (mit Lastwiderstand) eine gute, etwas verrauschte Sinuskurve.
    Das System funktioniert jetzt wirklich gut.


    Wo kommen aber die Spitzen her?
    Würde mich über weitere Kommentare, Denkanstöße, Tips und Diskussionsbeiträge freuen.


    Können die schnellen Stromwandler in Bereichen von 4mA bis 1500mA arbeiten?

  • Zitat

    Original von Kaarsten
    Das System funktioniert jetzt wirklich gut.


    Wohl kaum...


    Zitat

    Original von Kaarsten
    Wo kommen aber die Spitzen her?
    Würde mich über weitere Kommentare, Denkanstöße, Tips und Diskussionsbeiträge freuen.


    Wurde hier schon gesagt, das Problem sind nichtlineare Lasten wie z.B. Gleichrichtung mit Glättung (Die "kleinen Verbraucher"). Die linearen Lasten erzeugen nur eine Phasenverschiebung, aber haben eine sinusförmige Stromaufnahme.
    In Deinem Fall brauchst Du eine True-rms-Messung, entweder per Hard- oder Software. Alles Andere ist diskussionsunwürdiger Murks.


    Edit: Ächz, worin bist Du Dipl.-Ing., offensichtlich nicht E-Technik...

    "As we know, there are known knowns. There are things we know we know. We also know there are known unknowns. That is to say we know there are some things we do not know. But there are also unknown unknowns, the ones we don't know we don't know." (Donald Rumsfeld)
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    Einmal editiert, zuletzt von tcfkao ()

  • Warum auch die Spannung? Er hat nichts davon gesagt, dass er die Leistung messen will... (das wird vermutlich der nächste Thread!)

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  • Zitat

    Original von Kaarsten
    Beim Einbau hatte sich der Lastwiderstand auf der Sekundärseite des Messtrafos gelöst. Aus Platzgründen hatte ich alle Komponenten unter dem Trafo platziert.


    Macht man einfach nicht so!
    Wer soll denn das mal warten können?

  • Zitat

    Wo kommen aber die Spitzen her?
    Würde mich über weitere Kommentare, Denkanstöße, Tips und Diskussionsbeiträge freuen.
    Können die schnellen Stromwandler in Bereichen von 4mA bis 1500mA arbeiten?


    Hier ein paar grobe Eckdaten zu typischen LEM/o.ä. Wandlern:
    - Bandbreite: einige 10kHz
    - Übertragungsfaktor 500 oder 1000
    - Messbereich 20...100A (->20..100mA Ausgangsstrom)
    - Genauigkeit 1%
    - Versorgung +/-15V -> max. Spannung zum treiben des Ausgangsstromes: ca. +/-11V


    Beispiel: 1:1000-Wandler ab 15A Messbereich:
    - du fädelst das stromführende Kabel 10x durchs Loch -> Verhältnis 1:100
    - Lastwiderstand am Ausgang 680OHM (inkl. Widerstand vom True-RMS-Gleichrichter bzw. AD-Wandler) -> 6,8V am R pro 1A. bei 4mA wären´s nur noch ca. 0,03V.


    Jetzt brauchst du "nur noch" einen Hardware-True-RMS-Gleichrichter, oder mit schnellem AD-Wandler+uPC Integral bilden.

  • Erste Frage: Maschinenbau tcfkao.


    Sorry, aber das System macht nun ganz genau das, was es soll. Es ist natürlich immer schwer, kurz und verständlich das Ziel zu beschreiben, welches man erreichen will.
    In diesem Fall ist der Messwert eigentlich vollkommen egal. Es soll als Ergebnis nur sicher sein: Magnetventil..e geschaltet oder nicht. Mit den Messwerten ist es aber auch möglich, nicht nur zu sehen ob das Magnetventil angesprungen ist, sondern auch, ob es blockiert, oder die richtige Position erreicht hat. Also: easy going.
    Falls es elegantere Möglichkeiten, weniger Aufwand und Teile , geringere Kosten und eine bessere Auflösung gibt, wäre das natürlich vorteilhaft. Aber Hauptsache es funktioniert erst einmal.


    Platzgründe sind eben Platzgründe und an diesen einfachen Bauteilen ist eine Wartung nicht notwendig, die sind so weit überdimensioniert, dass sowieso nichts damit passieren kann.


    Real_Toni danke für die Erklärung, werde mir mal so ein Teil beschaffen und damit experimentieren. Hatte den Messbereich wohl falsch interprtiert.

  • Ok, für ´nen Maschbauer ist das in Ordnung... :D
    Wenn Du nur eine Go/Nogo-Aussage willst, dann mache keine Spitzen-
    wertgleichrichtung (weil das bei impulsförmiger Belastung nur Müll ergibt),
    sondern:
    - Stromwandler ausreichend mit Widerstand belasten.
    - Dahinter Einweg- oder Doppelweggleichrichtung mit Schottkydioden (z.B. BAT42).
    - Ausgang des Gleichrichters mit z.B. 1k-Widerstand belasten.
    - Dahinter R/C-Integrator schalten, mit R>=10k; Zeitkonstante günstig
    wählen. Am C entsteht die zu messende Spannung.
    Damit misst Du den arithmetischen Gleichricht-Mittelwert (nicht den Effektivwert),
    reicht für diese Anwendug aus.

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  • Habe mir einen TAEHWATRANS TZ77V von Conrad bestellt, aber leider habe ich kaum Unterlagen dafür gefunden. Wäre nett, falls Ihr mir hierzu noch ein paar Fragen beantworten könntet.
    Habe das Kabel des zu messenden Kreises 5x durch die Öffnung gewickelt. Den Ausgang habe ich mit einem 4,7k Widerstand belastet und messe eine saubere Wechselspannung. Nach der Brückengleichrichtung mit 4xBAT41 und 1k Widerstand mit kleinem Elko bekomme ich eine dem zu messenden Strom gute proportionale Spannung. Liegt pro Magnetspule bei 680mV. Sobald ich den Ausgang des Stromwandlers stärker belaste, also einen kleineren Widerstand nehme, wird die Ausgangsspannung immer weniger linear zum zu messenden Strom. Mit einem Widerstand 510R bekomme ich z.B. 25mV bei einer Magnetspule, 198mV bei 2 und 401mV bei 3 Spulen.
    Rel_Toni 680Ohm ist für diesen Wandler also zu gering. Wie berechne ich jetzt den für diese Anwendung optimalen Lastwiderstand?


    Wozu kann man die 2. Wicklung des Stromwandlers benutzen und wo bekomme ich brauchbare Unterlagen über die Beschaltung des Teils her? Gut wären mal ein paar Anwendungen und Bespielschaltungen.

  • - bevor du vernünftige Versuche machen kannst, brauchst du das Datenblatt mit Anschlussbelegung. Gibt's das nicht beim C zum runterladen?


    - ist das auch wirklich ein Aktivwandler (mit Anschlüssen für Versorgungsspannung), und nicht nur ein Transformator?


    - zum Testen (des Aktivwandlers) kannst du zuerst mit Messgerät den Primärstrom messen (der durch durchgewickelten Draht fließt), und anschließend den Strom auf der Ausgangssteite direkt gegen Masse. Am besten mit 2 identischen Geräten parallel messen. Oder idelaerweise mit 2 true-RMS-Geräten.
    Der Strom muss im festen Verhältnis V=Ü/(Anzahl Primärwindungen) stehen. Ü ist Übertragungsverhältnis Wandler.


    - üblicherweise haben gängige aktive Stromwandler 3 Anschlüsse und ein Loch in der Mitte:
    Loch: durchfädeln des zu messenden Stromleiters
    +: pos. Versorgungsspannung, z.B. +15V (Typabhängig)
    -: neg. Versorgungsspannung, z.B. -15V (Typabhängig)
    0 oder M: Ausgang. An dem liegt der Messtrom gegen 0V an

  • Die Beschreibung kenne ich, hat aber leider zu wenig Inhalt. Ich liege auch mit ca. 0,3A Primärstrom deutlich unterhalb der Kennlinien.
    Trotzdem bekomme ich auch ohne Versorgung Messwerte heraus, die mir durchaus genügen würden. Wie funktioniert das Ding theoretisch?
    Kann es auch mit einer niedriegeren Spannung versorgt werden? Was bringt mir die Versorgung mit 220V.

  • 1) Ob das ein Aktiv oder Passivwandler, ist leicht festzustellen... wenn
    der bei DC keine Spannung erzeugt, ist es ein Passivwandler. Hier sieht
    man aber schon aus dem Datenblatt, dass es ein Passivwandler ist. Ist
    ja auch für diese Anwendung völlig ok.


    2) Stromwandler sind zum Stromwandlen gemacht (ach), d.h. der Ausgang
    wird praktisch im Kurzschluss betrieben indem man ein Ampèremeter
    einschleift. (Große Stromwandler dürfen explizitiv nie sekundärseitig
    offen betrieben werden, da sonst gefährlich hohe Spannungen entstehen
    können - Spannungswandler dürfen dagen nie sekundärseitig kurzgeschlossen
    werden).
    Die Frage nach dem "richtigen" Widerstand gilt also hier nicht, wähle einen
    aus, der eine Dir ausreichend hohe Spannung erzeugt.


    3) Die beiden Sekundärwicklungen kannst Du in Reihe schalten, aber
    Wickelsinn beachten (Wicklungsanfang ist im Datenblatt durch einen
    Punkt gekennzeichnet). So verschalten, das Wicklungsanfang einer
    Wicklung auf das Wicklungsende der anderen Wicklung geht.


    4) Wie ich schon schrieb: Schottky-Brückengleichrichter mit z.B. 1k
    belasten. Dahinter R/C-Tiefpass schalten, also R (10k) und dann den C.
    Nicht direkt den Kondensator auf den Gleichrichter schalten, sonst
    lädt der sich auf den Spitzenwert auf.

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  • Nachtrag zum Posting von 15:51: Das Ding ist ein PASSIVwandler!
    Das ist ein Transformator, da gibt es nichts separat zu versorgen...

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  • Also das Ding ist tatsächlich nur ein Trafo?
    Die Spule Z2 kann ich für die Messung nutzen. Z1 scheint aber nicht vorhanden zu sein, da ich bei einer ohmschen Messung keinen Wert bekomme.