Ratgeber
In zahlreichen elektrotechnischen Bereichen sind hohe Primärströme vor der Messung umzuformen. Einfach deshalb, weil Messgeräte im Niederspannungs- oder Starkstrombereich einfacher und sicherer zu bedienen sind. In der Messtechnik kommt es allerdings oft darauf an, dass zwischen Primär- und Sekundärströmen ein exaktes Verhältnis besteht, sodass die gemessenen Werte im Sekundärkreis proportional denen im Primärkreis entsprechen. Dazu gibt es Strom- und Spannungsumformer. Sie sind auch unter den Bezeichnungen Messwandler, Stromwandler oder Spannungswandler im Handel zu finden. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie diese Geräte funktionieren.
Ein Stromwandler ist ein Gerät, das für die Umwandlung von Strom von einem höheren Wert in einen proportionalen Strom mit einem niedrigeren Wert sorgt. So wandelt er beispielsweise Hochspannungsstrom in einen Niederspannungsstrom um, der sich über ein angeschlossenes Messgerät sicher und zuverlässig überwachen lässt.
Zur Sicherheit trägt auch die galvanische Trennung des Primär- und Sekundärkreises bei, das heißt, es existiert keine physikalische Verbindung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsstromkreis. Kurzschlüsse zwischen den beiden Kreisen sind damit ebenso ausgeschlossen wie Stromschläge am Sekundärkreis, deren Ursache im Primärkreis liegen. Die Montage der weitaus meisten Stromwandler erfolgt über standardisierte Tragschienen.
Die wichtigste Komponente in einem Stromwandler ist der Transformator. Dessen Wicklungen für den Primärstrom sind mit dem Hauptstromkreis verbunden und führen den zu messenden Strom. Für das Messen sehr hoher Ströme kann die Primärwicklung auch aus nur einer einzigen Windung oder einem Metallring bestehen. Die Sekundärwicklungen wiederum führen einen zum Primärkreis proportionalen Stromfluss. Er lässt sich direkt über angeschlossene Messgeräte erfassen.
Voraussetzung für die Wandlung zu Messzwecken ist allerdings Wechselstrom, dessen pulsierende Spannung im Primärkreis durch Induktion in den Sekundärkreis übertragen wird. Bei Gleichstrom ist diese Übertragung nicht möglich. In Stromwandlern für Gleichstrom misst ein Hall-Sensor im Trafo das konstante Magnetfeld, eine Halbleiterschaltung dient dabei in der Regel als Übertrager für den proportionalen Spannungswert. Spannungsumformer dieser Bauart werden deshalb auch als aktive Messwandler bezeichnet.
Ohne elektronische Komponenten kommen aber auch die passiven Wandler für Wechselstrom nicht aus. Hier geht es in erster Linie um die signaltechnische Aufbereitung des proportional umgewandelten Stromflusses, der von einem Messgerät problemlos zu verarbeiten ist. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung ist in der Regel relativ klein und häufig auch verzerrt. Die Elektronik sorgt hier für ein möglichst sauberes und im Allgemeinen sinusförmiges Signal in einer für Messgeräte optimalen Stärke und Frequenz.
Der Stromwandler verfügt dazu über einen Schaltkreis, der den gemessenen Wert in ein analoges Standardsignal übersetzt, beispielsweise im Bereich von 0 bis 10 Volt oder 4 bis 20 Milliampere. Diese Art der Standardisierung ist sozusagen der Schlüssel für das gesamte Ökosystem der Prozesssteuerung, nicht nur für Stromwandler. Sie ermöglicht die Verarbeitung von Messdaten aus vielen verschiedenen Variablen, dazu zählen neben Elektrizität auch Druck, Temperatur und Durchflussmenge.
Das Funktionsprinzip eines Stromwandlers unterscheidet sich im Grunde nur geringfügig von dem eines Leistungstransformators. Ausgedrückt wird das Verhältnis von Primärstrom und Sekundärstrom als Stromwandlerverhältnis. Ein Stromwandler mit einem Verhältnis beispielsweise von 300/5 bedeutet, dass bei einem Primärstrom von 300 Ampere der Sekundärstrom 5 Ampere beträgt. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators ist in der Regel hoch, die sekundären Stromstärken liegen meist in der Größenordnung von 100 Milliampere bis zu einigen Ampere. Die primären Stromstärken variieren sogar von 10 bis über 3000 Ampere.
Die Bürde des Stromwandlers wird in VoltAmpere ausgedrückt. Die Gesamtbürde ist zu berücksichtigen, wenn der Stromwandler Mess- oder Schutzzwecken dienen soll. Zur Berechnung der Gesamtlast des Sekundärkreises sollte aber auch der Gesamtwiderstand der Sekundärseite in die Berechnung einfließen. Gebildet wird der Gesamtwiderstand des Sekundärkreises als Summe aus dem Widerstand der Sekundärwicklung, dem Widerstand der Anschlussdrähte und dem Widerstand des Relais beziehungsweise Zählers.
Dazu ein Beispiel. Beträgt der Widerstand des Relais 0,1 Ohm, der Widerstand der Anschlussdrähte 0,2 Ohm und der Widerstand der Sekundärwicklung 0,1 Ohm, liegt der Gesamtwiderstand des Sekundärkreises bei 0,4 Ohm. Wenn der sekundäre Nennstrom des Stromwandlers 5 Ampere beträgt, dann ist die Sekundärspannung 0,4 mal 5 gleich 2 Volt. Die Bürde des Stromwandlers beträgt entsprechend 10 VoltAmpere.
Das Vielfache des Nennstroms, bis zu dem der Stromwandler seine Genauigkeit beibehalten kann, wird als Nennfaktor des Stromwandlers bezeichnet. Typische Bemessungsfaktoren sind 1, 1,5, 2, 3, 4. Ein 500/5-Ampere-Stromwandler mit Nennfaktor 2 behält seine Genauigkeitszertifizierung bis zu 1000 Ampere bei.
Die Standard-Genauigkeitsklassen nach IEC sind die Klassen 0,2, 0,5, 1, 3 und 5. Stromwandler mit den Genauigkeitsklassen 0,1, 0,2, 0,5 und 1,0 sind typischerweise bei der Messung von elektrischen Energien im Einsatz. Ein Stromwandler der Genauigkeitsklasse 0,2 funktioniert innerhalb der spezifizierten Genauigkeitsgrenze bei 100 Prozent und 120 Prozent des Stromwandler-Nennstroms. Die Fehlerrate beträgt 0,2 Prozent. Der Stromwandler arbeitet im Linearitätsbereich der Magnetisierungskurve und verbraucht einen sehr geringen Magnetisierungsstrom. Stromwandler der Klasse 0,3 zeigt bei 100 Prozent des Nennstroms 0,993 bis 1,003 an, bei 10 Prozent des Nennstroms liegt er im Bereich von 0,994 bis 1,006.
Der Kern des Messwandlers wird gesättigt, wenn der Strom über seinen Nennwert hinausgeht. In solchen Fällen tritt aber eine Begrenzerschaltung in Kraft. Sie schützt das angeschlossene Messgerät im Fall eines Fehlerstroms vor Überlastung.
Gibt es auch Messwandler für den Einsatz mit Temperatursensoren?
Speziell für KTY-Sensoren sind spezielle Messwandler erhältlich. Sie wandeln das Temperatursignal des Sensors in ein analoges Normsignal um. Die Spannungen und Stromstärken des Signals liegen je nach Ausführung bei 0 bis 10 Volt beziehungsweise 0 bis 20 Milliampere.
Benötigen aktive Stromwandler eine eigene Stromversorgung?
Da solche Wandler über Hall-Sensoren Magnetfelder messen, benötigen sie eine Stromversorgung, in der Regel 20 bis 30 Volt Gleichstrom. Geeignet sind sie für die Messung von Gleich- und Wechselströmen sowie von verzerrten Strömen. Bei vielen Geräten stehen wahlweise Relais- oder Transistorausgänge zur Verfügung.