Um leistungselektronische Systeme wie Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, USV-Systeme und Schweißanlage präzise regeln zu können, ist eine schnelle und genaue Strommessung notwendig. Möglich ist das mit Stromsensoren, die speziell für die Messung hoher Ströme in diesen Umgebungen entwickelt wurden.

Die Notwendigkeit von Stromsensoren wird am Beispiel einer modernen Motorsteuerung deutlich. Der Eingangskreis, der Zwischenkreis und der Konverter-Ausgangskreis werden kontinuierlich überwacht, sodass entsprechende Abgleiche der Einzelsysteme vorgenommen werden können. Bei Fehlern kann ein solches System mit integrierten Stromsensoren schnell reagieren und die preisintensiven Leistungshalbleiter  zuverlässig schützen.

Die Sensoren sind in acht Baugrößen für Nennströme von 200 bis 2.000 A beziehungsweise mit einem Messbereich von 300 bis 4.000 A verfügbar. Es handelt sich um elektromechanische Komponenten, die in Echtzeit ein genaues Abbild der Ein- und Ausgangströme liefern. Die neue Stromsensor-Produktfamilie von Harting basiert auf dem Hall-Effekt und misst, galvanisch getrennt, über das Magnetfeld des Leiters den fließenden Strom. Dabei kommen zwei Messprinzipien zum Einsatz: Für anspruchsvolle Messaufgaben stehen Kompensationsstromsensoren zur Verfügung. Sind die Anforderungen an die Genauigkeit geringer, können direktabbildende Stromsensoren eingesetzt werden.

Direkte Stromsensoren
Bei direkten Stromsensoren (englisch Open-Loop-Sensors) wird das Magnetfeld des Primärstroms in einem weichmagnetischen Ringkern gebündelt. Im Luftspalt des Ringkerns ist ein Hall-Element platziert, das eine Spannung proportional zum Magnetfeld beziehungsweise zum Strom erzeugt. Die Hall-Spannung wird verstärkt und liefert als Ausgangssignal ein Abbild des Primärstroms. Ein Vorteil dieser Sensoren ist der einfache Aufbau. Die Temperaturabhängigkeit des Hall-Elements und der Verstärkung beeinflusst allerdings die Genauigkeit.

Kompensationsstromsensoren
Kompensationsstromsensoren (Nullfluss-Wandler, englisch Closed-Loop-Sensors) ähneln im Aufbau den direkten Sensoren. Die Hall-Spannung wird hier aber nicht direkt als Messsignal, sondern zur Regelung eines Sekundärstroms verwendet. Dieser fließt durch eine Spule mit der Windungszahl N und erzeugt ein magnetisches Kompensationsfeld im Ringkern. Wenn der Sekundärstrom x N exakt genau so groß ist wie der Primärstrom, heben sich die beiden Magnetfelder im Kern auf. Das Hall-Element regelt den Magnetfluss immer auf Null. Der Sekundärstrom ist gleichzeitig das Ausganssignal (Isek = Ipri/N) des Sensors. Diese Sensoren haben eine höhere Stromaufnahme, arbeiten jedoch über den gesamten Temperaturbereich präzise (-40 °C...85 °C, Genauigkeit ≤ 1 %).
Die tatsächliche Messgenauigkeit der Wandler hängt von der Einbausituation im Frequenzumrichter ab. Externe Magnetfelder beziehungsweise die Magnetfelder der benachbarten Phasen  in der Umgebung des Sensors können das Hall-Element stören. Das Design des weichmagnetischen Kerns und des Luftspalts ist entscheidend, um diese Einflüsse zu minimieren. Der Kern bündelt und verstärkt das Magnetfeld des zu messenden Stroms. Durch Computersimulationen wurde eine ideale Luftspaltgeometrie ermittelt, durch die das Hall-Element gegenüber externen Magnetfeldern optimal abgeschirmt wird.
Die Hall-Effekt-Stromsensoren von Harting zeigen bei minimalen Phasenmittenabständen eine geringe Messabweichung, was dem Anwender einen kompakten Aufbau des Umrichters erlaubt. Generell ist die Genauigkeit der Sensoren am besten, wenn der Primärleiter in der Mitte der Öffnung des Wandlers positioniert ist. Durch die gute magnetische Kopplung der Stromsensoren von Harting ist die Abhängigkeit von Position und Form des Primärleiters im Vergleich mit anderen existierenden Lösungen gering.

Zwei Prozent Messabweichung
Alle Katalog- beziehungsweise Datenblattangaben sind durch Labortests in akkreditierten Prüflaboren nachgewiesen. Die Industrieversionen sind gemäß der Norm „DIN 50178: Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln" geprüft, die Bahnsensoren entsprechen der „DIN EN 50155: Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen" und sind damit unter anderem Schock- und Vibrationsgeprüft gemäß IEC 61373 Kategorie1 Klasse B. Sie weisen eine besondere EMV-Festigkeit auf. Die Störfestigkeitsprüfung für die Bahnwandler erfolgt bei Feldstärken von bis zu 20 V/m  gegenüber 10 V/m für Industriewandler. Dabei treten an den Harting-Wandlern nur Messabweichungen von maximal zwei Prozent auf. Vergleichswerte für zulässige Messabweichungen liegen hier bei fünf bis 10 Prozent.

Sichere galvanische Trennung
Speziell im Fahrbetrieb von Traktionsumrichtern können auch Spannungsschwankungen mit  steilen Flanken  (hohe du/dt) wie sie bei Schaltvorgängen von IGBTS auftreten, eine Störung am Messausgang eines  Stromsensors hervorrufen.  Der Grund hierfür liegt in der kapazitiven Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem aufgesteckten Sensor. Alle Harting-Bahnwandler sind mit einer zusätzlichen internen Schirmung ausgestattet, um diesen Effekt zu minimieren. Der Spannungsbereich  von High-Voltage-IGBT-Modulen für  Traktionsumrichter reicht von 1,7 bis 6,5 kV. Die Wandler haben daher eine hohe galvanische Trennung  von bis zu 20 kV zwischen Starkstromleitung/Primärleiter und Sensorausgang. Ein Überschlag der Bemessungsspannung im Primärkreis auf die  Steuerungstechnik wird sicher verhindert.

Sensoranschluss für jede Anwendung
Je nach Anwendungsfall kann Harting zahlreiche Sensoranschlüsse realisieren. Der Temperaturbereich von -40 bis + 85 °C und die Vibrationssicherheit stellen hohe Ansprüche an die Anschlusstechnik. Als Standardanschluss bietet das Unternehmen mit steckbaren Federkraftklemmen (Rastermaß 5,00 mm) eine sichere und einfache Anschlussoption. Die Signalleitung kann direkt angeklemmt werden und die Beschaffung von Gegensteckern und Kontakten entfällt. Dazu sind verschiedene Kabel für die Konfektion der Signalleitungen lieferbar. Ein Set aus Sensor und Verkabelung vereinfacht die Installation und den Beschaffungsprozess. Alle Bauteile lassen sich leicht in bestehende Applikationen integrieren, da die Sensoren durchgängig Standard-Footprints beziehungsweise Standard-Einbaumaße aufweisen.