Phasenfinder

Dieses Gerät dient zur Zuordnung der drei Drehstrom-Anschlussadern einer (Werkzeug-)Maschine zu den Leitern einer in der Werkhalle installierten CEE-Drehstromsteckdose. Der Zweck ist, die für die Leistunsmessung erforderliche Spannungsmessung ohne Anklemmen von Messkabeln zu bewerkstelligen (berührungslos), sondern die Spannung an der CEE-Drehstromsteckdose abzugreifen. Die Strommessung erfolgt berührungslos mittels 2-3 Stromzangen, die auf die richtigen Adern platziert werden müssen. Zusätzlich zu dem im Foto rechts gezeigten Handgerät gibt es ein Muktifunktions-Basisgerät mit CEE-Stecker und diversen Steckdosen.

Eine Drehrichtungserkennung ist damit nicht vorgesehen oder möglich. Das kann die Leistungsmesser-Software machen.

Es werden für den Betrieb keine Akkus, Batterien oder sonstige kurzlebige Bauelemente verwendet.

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung kommt ohne Mikrocontroller und — naja — ohne Hilfstransformator aus.

Schaltplan, handgemalt

Handgerät

Rechts im Schaltplan befindet sich das Handgerät mit dem schnabelförmigen E-Feld-Sensor. Die Wechselspannung des Leiters wird über den kapazitiven Spannunsteiler aus Koppelkapazität und Schirmkapazität verringert und mit dem Schutzwiderstand 2,2 MΩ dem Schmitt-Trigger-NAND-Einzelgatter zugeführt. Dessen Eingangsschutzdioden begrenzen die Spannung auf CMOS-Pegel. Das Gatter ermöglicht den Anschluss beliebig langer Verlängerungsleitungen ohne kapazitiven Einfluss.

Der Schnabel besteht aus doppelseitigem Leiterplattenmaterial, dessen Außenseite zwecks Entkopplung zu benachbarten anderen Adern geerdet ist.

Auf dem Handgerät befinden sich drei Leuchtdioden, die bei Koindizenz mit der jeweiligen Referenzphase verlöschen.

An das Basisgerät angeschlossen wird das Handgerät mit einer beliebig langen 9-poligen SubD-Verlängerungsleitung, wie sie im PC-Bereich für serielle Schnittstellen üblich war und ist.

Basisgerät

Im Basisgerät wiederholt sich die kapazitive Ankopplung an die drei Phasen. Die kapazitiv-ohmschen Spannungsteiler sollten die gleichen Werte aufweisen wie im Handgerät (konstruktiv bedingt). Das vom Handgerät kommende CMOS-Signal wird mit dem oberen XOR-Gatter invertiert und den drei Phasenvergleichern (3 untere XOR-Gatter) zugeführt. Bei idealer Phasengleichheit ist der Ausgangspegel ständig LOW, ansonsten mehr oder weniger HIGH (siehe Diagramme im Schaltplan rechts unten). Die anzeigenden Leuchtdioden sind ohne Vorwiderstände an den Ausgängen der XOR-Gatter angeschlossen, für praktikablen Einsatz im Handgerät. Der CMOS-Schaltkreis 4030 ist dafür hochohmig genug.

Zur Stromversorgung dient ein kapazitiver Blindwiderstand 470 nF (im Schaltplan 220 nF) in Verbindung mit einer nachfolgenden Gleichrichter-, Sieb- und Stabilisierungsschaltung.

Das bisschen Schaltung passt auch bequem in das Gehäuse eines CEE-Steckers.

Berührungsschutz

Im Ansteckmoment des CEE-Steckers kann es passieren, dass der Neutralleiter N Spannung führt. Diese ist auf der SubD-Buchse herausgeführt, dort mittels falscher Anschlusskabel (Stecker-Stecker) berührbar. Deshalb der Hinweis, erst Stecker in die Steckdose, dann Handgerät anschließen.

Beim Nachbau sollte statt N durchgehend der Schutzleiter PE verwendet werden, sowie zur Stromversorgung ein Potenzial trennender kleiner Transformator. Beim Verbleib des kapazitiven Blindwiderstandes gegen Schutzerde kann ein Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen. Da derartige Schutzschalter im Industriebereich unüblich sind, kann auch diese Art der (gegenüber einem Trafo äußerst energieeffizienten) Stromversorgung bestehen bleiben

Anwendung zur Leistungsmessung

Spannungsmesseinrichtung am Basisgerät anschließen, bspw. direkt mit Sicherheitsbananenkabeln am Yokogawa WT3000 oder via eingebauten Spannungsteilern gegen PE an NI USB-6259.
Basisgerät an CEE-Steckdose anschließen
Handgerät mit benötigtem Verlängerungskabel anschließen
An den Zuleitungen zur (Werkzeug-)Maschine im Schaltschrank die Phasen ausfindig machen; die entsprechende LED verlischt, die anderen leuchten etwas heller.
Passende Stromzange auf die Ader setzen
Leistungsaufnahme, Verzerrungsblindleistung usw. messen und auswerten (das Handgerät wird nicht mehr benötigt und kann entfernt werden)

Vergleichbares

Ein ähnliches Gerät bietet die amerikanische Firma TASCO an. Es ersetzt den Draht durch eine Funkverbindung, benötigt dafür 9-V-Blockbatterien. Beide Teilgeräte werden berührungslos betrieben; der Betrieb eines Basisteils direkt am Stromnetz ist nicht vorgesehen. (Die galvanische Verbindung mit der Netzspannung wird für die präzise Leistungsmessung bei uns ohnehin benötigt.) Zusätzlich ist das Gerät in der Lage, die Drehrichtung zu erkennen sowie die Phasenlage einige Zeit nach dem Abgriff zu merken, so dass man mit nur einem Gerät an zwei entfernten Punkten die Phasenlage vergleichen kann; Hauptsache, man läuft schnell genug.

Henrik Haftmann, letzte Änderung: 09.02.2012