Stromwandler
Die präzise Messung elektrischer Ströme ist ein wesentlicher Ausgangspunkt für die Gewährleistung der Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Systemen. Ob im Bereich der Elektrotechnik, der industriellen Automatisierung, der erneuerbaren Energien oder in vielen anderen Bereichen, Strommessungen sind überall erforderlich. Zur Erfassung und Messung von Strömen gibt es unzählige Instrumente und Messgeräte. In unserem heutigen Blogbeitrag werfen wir einen genaueren Blick auf Stromwandler.
Wie funktioniert ein Stromwandler?
Das genaue Funktionsprinzip hängt von der Art des Stromwandlers ab. Der am häufigsten verwendete Typ ist jedoch der induktive Stromwandler, welcher hauptsächlich zur Umwandlung von Wechselströmen verwendet wird. Insgesamt ähnelt das Funktionsprinzip stark dem eines klassischen Transformators (Abb. 1: linkes Schema). In den folgenden Schritten wird das Funktionsprinzip eines induktiven Stromwandlers (Abb. 1: rechtes Schema) beschrieben:
- Ein magnetisch gut leitendes Material verbindet zwei Stromkreise, den Primär- (primary) und den Sekundärkreis (secondary circuit). Bei diesem Material handelt es sich häufig um eine ferromagnetische Keramik, einen sogenannten Ferrit. Je nach Konstruktion, sind beide, Primär- und der Sekundärkreis spiralförmig um den Ferrit gewickelt (Abb. 1: linkes Schema) oder der Primärkreis verläuft durch die Mitte des Ferrits.
- Im Primärkreis fließt nun der zu messende Wechselstrom, welcher jedoch zu hoch für unser das Messgerät ist. Dieser Wechselstrom erzeugt gemäß dem Amperè‘schen Gesetz ein Magnetfeld, welches ähnlich wie der Wechselstrom dauernd seine Polarität ändert.
- Das genannte Magnetfeld ist im Ferrit gebunden und daher auch im Sekundärkreis vorhanden. Laut einem weiteren physikalischen Gesetz, dem Induktionsgesetz, wird durch dieses wechselnde Magnetfeld nun ein Strom im Sekundärkreis erzeugt. Dieser Sekundärstrom ist im Falle eines Stromwandlers kleiner als der Strom im Primärkreis.
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines klassischen Transformators (links) und eines Stromwandlers (rechts).
Betrachtet man die zugrundeliegenden physikalischen Gleichungen genauer, so lässt sich das Wandlungsverhältnis bestimmen:
Dieses Verhältnis gibt an, wie stark der Strom durch den Stromwandler reduziert, beziehungsweise verstärkt wird. Das Wandlungsverhältnis hängt somit von der Anzahl der Wicklungen (N) des Primär- und Sekundärkreises ab (N_primär/N_sekundär).
Anmerkung: Es gibt weitere Möglichkeiten, einen Stromwandler zu realisieren. Bekannte Konstruktionen basieren beispielsweise auf Hall-Sonden oder Rogowski-Spulen.
Was ist der Unterschied zwischen einem Stromwandler und einem Stromtransformator?
Auch wenn „Stromwandler“ und „Stromtransformator“ oft als Synonyme füreinander verwendet werden, sind sie theoretisch nicht dasselbe. Der Hauptzweck eines Stromwandlers besteht darin, einen elektrischen Strom auf ein anderes Niveau zu transformieren. Je nach Anwendung wandelt er einen niedrigeren Strom in einen höheren um oder umgekehrt. Ein typischer Aufbau ist links in Abb. 1 dargestellt. Andererseits dient ein Messwandler meist dazu, den elektrischen Strom zu messen. Er wandelt einen elektrischen Strom in eine Form um, die problemlos aufgezeichnet werden kann – häufig ein Spannungssignal. Ein Konstruktionsbeispiel ist in Abb. 1 rechts dargestellt.
Ungenauigkeiten bei realen Stromwandlern
Reale Stromwandler unterliegen, wie jedes physikalische Gerät, Ungenauigkeiten. Die beiden wichtigsten Fehlergrößen für Stromwandler sind:
1. Transformationsfehler:
Das reale Umwandlungsverhältnis kann aufgrund verschiedener Ursachen, die in der theoretischen Idealisierung liegen, vom idealen Verhältnis abweichen. Zu diesen Ursachen gehören Annahmen wie ein linearer Magnetkreis mit unendlicher Permeabilität und vernachlässigbarem Widerstand in den Wicklungen. Darüber hinaus können auch Materialunregelmäßigkeiten zu Abweichungen beitragen.
Der Transformationsfehler wird in der Regel als Prozentsatz des gemessenen Wertes angegeben. Das linke Diagramm in Abb. 2 zeigt den Transformationsfehler über einen Bereich von Frequenzen für Wechselstromsignale. Die grünen und blauen Linien stehen für verschiedene Geräte.
Beispiel: Bei der Messung eines 20-Ampere-Wechselstromsignals bei 30 kHz mit einem CT 100 beträgt der Transformationsfehler 0,5000 %. Folglich würde das Endergebnis auf 19,9 Ampere angepasst werden, um diesen Fehler zu berücksichtigen.
2. Winkelfehler:
Die Phase zwischen dem Primär- und dem Sekundärstrom kann ebenfalls abweichen. Der Hauptgrund dafür ist die elektronische Laufzeit im Gerät. Der Winkelfehler (auch Winkelgenauigkeit oder Phasenfehler genannt) drückt die Differenz dieser Phase in Grad aus. Das rechte Diagramm in Abb. 2 zeigt den Winkelfehler in Grad über einen Bereich von Frequenzen. Die grünen und blauen Linien zeigen verschiedene Geräte an.
Hinweis: Der Winkelfehler ist besonders wichtig für die Berechnung der Wirkleistung. Um genaue Ergebnisse zu gewährleisten, ist eine Kompensation des Phasenfehlers unerlässlich.
Abb. 2: Transformationsfehler (links) und Winkelfehler (rechts) von SIGNALTEC CT 100 und CT 1000
Wozu brauchen wir Strommesswandler?
In der Praxis ist es oft notwendig, elektrische Ströme in Komponenten oder Stromkabeln genau zu messen. Standard-Amperemeter haben in der Regel ihre Grenzen und sind oft nicht in der Lage, mehr als ein paar Dutzend Ampere zu messen. Während dies für viele Anwendungen ausreicht, gibt es durchaus Szenarien, in denen die Ströme deutlich höher sind:
- Elektromotoren (ca. 150 A)
- Oberleitungen von Eisenbahnen (ca. 1000 A)
- Generatorströme in Kraftwerken (mehrere kA)
Für diese hohen Stromanforderungen kann ein Stromwandler eingesetzt werden, der einen hohen Eingangsstrom in einen kleineren, aber proportionalen Ausgangsstrom umwandelt. So kann ist es beispielsweise möglich ein Eingangsstrom von 1000 A in einen handlicheren Ausgangsstrom von 2 A umgewandelt werden. Die Umwandlung basiert auf einem Proportionalitätsfaktor (oder Wandlungsverhältnis), der sich aus dem Eingangsstrom geteilt durch den Ausgangsstrom ergibt. In diesem Fall beträgt der Wandlungsfaktor 500.
Neben der Messanwendung haben Stromwandler verschiedene andere Funktionen. Sie werden unter anderem in der Steuerungstechnik und in Schutzsystemen eingesetzt. Dort , wo wird der reduzierte Strom zu Fehlerstromschutzschaltern (RCDs) oder Steuergeräten geleitet wird, die nicht für hohe Ströme ausgelegt sind.
DEWETRON’s Stromwandler
Die Datenerfassungssysteme von DEWETRON ermöglichen eine Vielzahl von Messungen, darunter natürlich auch Strommessungen. Durch die einfache Integration mit hochpräzisen Stromwandlern von SIGNALTEC bieten diese Systeme optimale Lösungen für eine Vielzahl von Aufgaben. Mit Wandlungsverhältnissen von bis zu 2000 A/A, sowie Transformationsfehlern von nur 0,0012 % und Winkelfehler von weniger als 0,01° sorgen SIGNALTEC-Wandler für höchste Genauigkeit. In Kombination mit synchronen Spannungs-, Temperatur- oder anderen Messungen durch unsere OXYGEN Messsoftware, bietet DEWETRON eine ideale Lösung für verschiedene Anwendungen. Von der einfachen Systemüberwachung bis hin zur umfassenden Energie- und Leistungsanalyse bietet DEWETRON höchste Flexibilität und Leistung.
Abbildung 3: Stromwandler von SIGNALTEC
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