Sensoren - Lehrstuhls für Elektrische Antriebssysteme und ...

Technische Universität München 

Vorlesung 

„Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“ 

„Sensoren“ 

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel 

(ralph.kennel@tum.de) 

Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik


Vorlesung 



Temperatursensoren

Pt100 

• Pt100-Sensoren sind Temperaturfühler, 

die auf der Widerstandsänderung von Platin 

unter Temperatureinfluss basieren. 

• Es handelt sich um Widerstandsthermometer, und zwar um Kaltleiter (PTC). 

• Pt100 (R 0= 100 Ohm) 

• Pt200 (R 0= 200 Ohm) 

• Pt500 (R 0= 500 Ohm) 

• Pt1000 (R 0= 1 kOhm) 

• die Widerstandsänderung ist in DIN EN 60751 (2009-05) festgelegt. 

• Standardisierung � leichte Austauschbarkeit der Temperaturfühler 

ohne Neukalibrierung 

• Pt100 genauer als Thermoelemente.

Bauformen des Pt100

European Standards -marking and Directives 

EU Directive 

• European Directive ‘safety of machines’ 

• safe insulation 

• safe emergency stop 

• safe standstill without energy switch-off 

(e.g. double channel supervision) 

• safe limitation of motion 

� European Directive ‘low voltage’ 

• safety against electrical shock 

� European Directive ‘EMC’ 

• low harmonics in the mains 

• new product standard EN 61800-3 (IEC 1800-3)

mains 

EN 60204 

2000 V 

EN 61800-3 

1 300 V 

2 000 V ss 

ss 

VDE 0100 

400 V~ 

VDE 0551 

3 750 v~ 

overvoltage category I : VDE 0110 

Controller 

pulse voltage L --> L up = 750 V 

L --> PE up = 1500 V 

Isolation voltage L --> PE U = 800 V~ 

test voltage L --> PE U = 640 V~ 

Isolation Requirements 

VDE 0884 

xxx V~ 

2 500 V~ 2 500 V~ 

750 V= 

400 V~ 

4 000 V ss 

DC link motor cable 

Capacitor 

VDE 0551 

3 750 v~ 

Controller 

1 / 0 1 / 0 

overvoltage category II : VDE 0110 


L --> PE up = 2500 V 


test voltage L --> PE U = 1200 V~ 

VDE 0884 

xxx V~ 

2 500 V~ 2 500 V~ 

750 V= 

400 V~ 

4 000 V ss 

2 500 V~ 

temp. 

sensor 

overvoltage category III : VDE 0110 


L --> PE up = 4000 V 


test voltage L --> PE U = 1800 V~


Vorlesung 



Stromsensoren

Ohne Feldsensor 

Strommessung Technik 

Shunt 

Rogowskispule 

Stromwandler 

magnetische 

Kopplung 

Strommessung 

Faraday-Effect 

Magnetwiderstand 

Hall-Effekt 

Magnetostriktion 

Technische Universität Warschau - Elektrotechnik 

mit Feldsensor 

8

Widerstand Strommessung 

Spannungsabfall 

Im 

• Spannungsabfall V auf dem bekannten Shunt R 

• der höhere Widerstand R, die höhere Spannung V 

Nachteile 

• Widerstand Anschluss in der Stromleiterbahn 

R 

• Keine Galvanische Trennung 

V 


9

Current sensing with shunts (IR) 

low cost, low power solution with all drawbacks of shunts 

Quelle : Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen

Shunt measurement 

• precision resistors for current sensing should have: 

• a low temperature coefficient, 

• a low thermal EMF, 

• a high long-term stability, 

• a low inductance and 

• a high (pulse) load capacity. 

• these features are defined by selection of the resistance alloys, 

while properties are mainly determined by the construction. 


Sensor Module (Isabellen Hütte) 

The ISA-ASIC, a combination of CMOS-ASIC and high precision shunt, 

basically is a low noise chopper stabilized 16 bit data acquisition system 

for extremely low input signals and therefore convenient for a lot of applications. 


Hall-Effect 

• Halleffekt tritt im Leiter- oder in Halbleitermaterialien 

auf 

• Lineares Ausgangssignal 

• Unterschiedliche Empfindlichkeit und Bandbreite 

abhängig von Material 

• DC Stromkomponente kann gemessen werden 

• Stromquelle muss stabil sein 


13

VH 

Hall-effect - Hallsensor 

B d 

IS 

Hall Platte 


V � H 

I 

S 

B 

ned 

I s – Stromquelle für Hall-element 

d – Hall-element Dicke 

e – Elektronenladung 

n – Beweglicheladungen Dichte 

B – magnetische Induktion 

14

Sensoren ohne Rückkopplung 

• Unkompliziert 

• Fest 

(+) 

(-) 

• Niedrige Präzision (genügend für 

bestimmte Systeme) 

• Nichtlinear 

• Temperaturempfindlich 

• Feldsensor muss weit 

Meßbereich haben 


15

Z1 

I1 

Ф=-Ф0 

I2 

d0 

R 

I2 

Z2 

Ф 

VOUT 

Sensoren mit Rückkopplung 

Ф0 

Hallsensor 

I2 

Amp 

+Vc 

-Vc 

Ausgleichsspule 

Ф0 

Ф 

- Ausgleichs 

Magnetfluss 

- Magnetfluss 

von I1 


(+) 

• Kompensation durch rückgekoppelten 

Strom 

• Sensor kann niedrig Meβbereiche 

haben 

• Temperaturkompensation 

• Strom- oder Spannungsausgangssignal 

• Bessere Linearität 

• höhere Präzision als Sensoren ohne 

Rückkopplung 

(-) 

• Probleme mit Ausgleich der hohen 

Ströme – hohe Induktivität der Spule 

• braucht bipolare Energieversorgung 

16

The MagnetoResistive (MR) Effect 

Magneto resistive sensor 

In thin films of permalloy (FE-Ni) material, the electrical 

resistance changes when an external magnetic field is applied in 

the plane of the film. The change is due to the rotation of the film 

magnetization. The variation of the resistance due an external 

field is called the anisotropic magnetoresistive (AMR) effect. 

Quelle : Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen 

Current Measurement 

The operating principle of by MRSensors 

current sensors is based on a differential 

field measurement with compensation. 

The primary current is fed through a 

conductor, creating a field gradient Hprim 

between the two sides of the conductor. 

The thin film magnetoresistive resistors 

are placed on a silicon chip and are 

connected in a Wheatstone bridge. The 

chip is mounted together with the 

analogue interface electronics on a single 

in-line hybrid circuit. In order to obtain a 

high linearity (0.1%) and a low 

temperature sensitivity, a current I S is fed 

back to the sensor chip through a 

compensation conductor located above 

the magnetoresistive resistors. The 

resulting field Hcomp exactly 

compensates Hprim, so that the sensor 

always works around a single point. At 

the output of the sensors, the 

compensation current flows.

different current measurements on drives 


overcurrent conditions and their likely causes. 

Overcurrent Due to 

Line-to-line short 

Ground fault 

Miswiring, motor leads 

short, phase-to-phase 

insulation breakdown 

Motor insulation 

breakdown to ground 

Shoot through Misfiring of IGBTs 


Failure in one leg 


Protection with one sensor 

Low cost solution but vector control and 

earth current protection are not possible! 


Earth current 


L1 

L2 

L3 L2 

Current measurement on DC-link 

Sensor for max 

current control 

Sensor for earth 

current protection 

earth current protection can be carried out 

with an additional sensor 


� 

Rogowski Coil 

H� ds � w �i 

for a coil with … wird n turns inper 

length 

the flux linkage is determined by: 

Standard-Industrieantrieben 

d�nicht � � �eingesetzt A� n �H �ds 

0 

� � � �A �n �H �ds � 

� … also 0 wozu ??? 

� � � A � n � w �i 

0 

� 

…wäre nützlich für 

geberlose � �0 � A � n �Regelung � H �ds � 

von Asynchronmaschinen 

For the induced voltage results: 

� … spätere Präsentation 

d� di 

u � � �0 �A �n � w � 

dt dt 



Vorlesung 



Drehzahl-/Positionssensoren 

… nächste Präsentation !!!

Fragen ?

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