Grundlagen Stromwandler
Im Folgenden werden grundsätzliche Informationen zum Technologiebereich Stromwandler gegeben. Diese sind von allgemeiner Natur, weshalb zwingend zu prüfen ist, inwieweit diese Hinweise auf Ihre spezielle Applikation zutreffen.
Funktion und Aufbau
Ein Stromwandler ist ein Transformator, der einen Eingangsstrom in ein verarbeitbares Stromsignal am Ausgang transformiert. Überwiegend werden mit einem Stromwandler Ströme großer Stromstärken auf direkt messbare, kleinere Werte im Milliampere oder kleinen Ampere Bereich transformiert. Bei einem klassischen Stromwandler verhält sich der Eingangsstrom proportional zum Ausgangsstrom. Aufgrund des physikalischen Wirkprinzips und dem mechanischen Aufbau wird das Stromsignal galvanisch getrennt zur Auswertelektronik übertragen.
Ein Stromwandler besteht grundsätzlich aus einer geringen Anzahl an Wicklungen auf der Primärseite und einer größeren Anzahl an Wicklungen auf der Sekundärseite. Die Primärseite wird dabei von dem zu wandelnden Strom durchflossen. Die Wicklungen sind meist auf einen wechselmagnetischen Ferrit-Ringkern gewickelt.
Ein typischer Wandlertyp sind die Ringkern- bzw. Durchsteck-Stromwandler. Dabei wird die Stromschiene oder stromdurchflossene Leitung häufig als, durch den Ringkern des Wandlers geführte, Primärwicklung eingesetzt. Dadurch bildet die Schiene bzw. Leitung die Primärwicklung mit einer Windung. Auf dem Ringkern befindet sich die Sekundärwicklung. Die Transformation wird durch das Verhältnis von Primär- und Sekundärwindungszahl bestimmt. Den klassischen Aufbau eines Durchsteck-Stromwandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Ein weiterer klassischer Typ ist der Wickelstromwandler. Bei diesem Wandlertyp ist die Primärwicklung eine stromdurchflossene Leitung, die auf der Primärseite um den Ringkern gewickelt wird. Die Primärwindungszahl ist dabei > 1, aber kleiner als die Sekundärwindungszahl. Das Prinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
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Gefährliche Spannungen bei nicht angeschlossener Sekundärseite Die Sekundärwicklung muss an ein Strommessgerät angeschlossen oder kurzgeschlossen sein, da ansonsten hohe Kernverluste oder gefährliche Spannungen auf der Sekundärseite auftreten können. Vor einem Austausch der Messelektronik im Sekundärkreis ist der Stromwandler also an seinen Sekundäranschlüssen kurzzuschließen. |
 | Erdung von Sekundärklemmen Gemäß DIN VDE 0141 (01/2000) Absatz 5.3.4, sind Strom- und Spannungswandler für Nennspannungen ab Um = 3,6 kV sekundärseitig zu erden. Bei Niederspannung (Um ≤ 1,2 kV) kann eine Erdung entfallen, sofern die Wandlergehäuse über keine großflächig berührbaren Metallflächen verfügen. |
Kennwerte und Berechnung
Prinzipiell entsprechen der Aufbau, und damit auch die Berechnung, einem normalen Transformator. Die grundsätzliche Beziehung von Ein- und Ausgangsstrom ergibt sich über das Verhältnis der Windungszahl N von Primär- und Sekundärseite. Ein wichtiger Kennwert bei der Auslegung eines Stromwandlers ist daher das Wandlerverhältnis.
IAus = N1/N2 * IEin
Technische Begriffe von Stromwandlern
Begriff | Erklärung |
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Primärer Bemessungsstrom Ipr (alternatives Formelzeichen IN) | Wert des Bemessuungsstroms auf der Primärseite |
Sekundärer Bemessungsstrom Isr | Wert des Bemessungsstroms auf der Sekundärseite. |
Bemessungsleistung Sr | Wert der Scheinleistung (in [VA]), die der Wandler bei sekundärem Bemessungsstrom und Bemessungsbürde an den Sekundärkreis abgeben kann |
Bemessungsfrequenz fR | Wert der Bemessungsfrequenz. |
Genauigkeitsklasse | Angabe, dass die Messabweichungen unter vorgeschriebenen Anwendungsbedingungen innerhalb festgelegter Grenzen liegen. |
Bemessungsisolationspegel Um | Höchste Spannung; Effektivwert der höchsten Leiter-Leiter-Spannung, für die ein Messwandler im Hinblick auf seine Isolation bemessen ist Angegeben ist der Wert des Bemessungsisolationspegels in drei Werten:
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Überstrom-Begrenzungsfaktor (FS) | Verhältnis des Bemessungs-Begrenzungsstromes zum primären Bemessungsstrom. |
Thermischer Bemessungs-Dauerstrom Icth | Wert des Dauerstromes in der Primärwicklung, bei dem die Übertemperatur den in der Norm festgelegten Wert nicht überschreitet, wobei die Sekundärwicklung mit der Bemessungsbürde belastet ist. |
Thermischer Bemessungs-Kurzzeitstrom Ith | Wert des Kurzzeitstroms für eine begrenzte Zeit in der Primärwicklung, bei dem die Übertemperatur den in der Norm festgelegten Wert nicht überschreitet, wobei die Sekundärwicklung mit der Bemessungsbürde belastet ist. |
Bemessungs-Stoßstrom Idyn | Maximaler Wert des primären Stromes, dessen elektromagnetische Kraftwirkung keine elektrische und mechanische Beschädigung am Stromwandler bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung hervorruft. |
„Offenspannung“ von Stromwandlern | Stromwandler, welche nicht direkt mit einem Verbraucher beschaltet werden, müssen aus Sicherheitsgründen sekundärseitig kurzgeschlossen werden! Ein sekundärseitig offen betriebener Stromwandler induziert an seinen Sekundärklemmen sehr hohe Scheitelspannungswerte. Die Beträge dieser Spannungen können, abhängig von der Dimensionierung des Stromwandlers, Werte bis zu einigen Kilovolt erreichen und stellen somit eine Gefahr für Personen und die Funktionssicherheit des Wandlers dar. Aus Sicherheitsgründen, sowie zur Vermeidung einer im sekundärseitigen Offenbetrieb eintretenden Magnetisierung des Kerneisens, soll ein Offenbetrieb generell vermieden werden. |
Erdung von Sekundärklemmen | Gemäß DIN VDE 0141 (01/2000) Absatz 5.3.4, sind Strom- und Spannungswandler für Nennspannungen ab Um = 3,6 kV sekundärseitig zu erden. Bei Niederspannung (Um ≤ 1,2 kV) kann eine Erdung entfallen, sofern die Wandlergehäuse über keine großflächig berührbaren Metallflächen verfügen. |
Prinzip der Fluxgate-Strommesstechnologie
Während alle SCT-Wandler außer den SCT5xxx auf dem oben beschriebenen Trafoprinzip basieren, ist die Technologie der allstromsensitiven Differenzstromwandler eine grundlegend andere.
Das Messprinzip der SCT5xxx beruht auf einer Differenzstrommessung von zwei gegensätzlich erregten Kernen im Wandler. Dazu werden beide Kerne mit einer Erregerwicklung (rot) mit einem intern erzeugten 32 kHz Signal in Sättigung gebracht, wobei der erste Kern im positiven und der zweite in den negativen Bereich der y-Achse gefahren wird s. Abb.)
Die Detektionswicklung misst nun den induzierten Strom der Erregerwicklung (blau). Ist der Messstrom Iprim gleich 0, so werden auch 0 A gemessen, da kein Kompensationsstrom zum Ausgleich generiert wird.
Ist der Messstrom Iprim ungleich 0, wird ein Kompensationsstrom durch beide Kerne generiert, der das Missverhältnis der Magnetischen Flussdichte B in Kern 1 und Kern 2 wieder kompensiert. Durch die Kompensation ist Isense wieder 0.
Der gemessene Kompensationsstrom gibt Auskunft über den zu messenden Strom Iprim.
Dies einschließlich einer festen Erregerfrequenz führt zu einer verbesserten Genauigkeit und Stabilität.
Allgemeine Beschreibung der Fluxgate-Strommesstechnologie
Die SCT-Baureihe SCT5xxx wird zur Überwachung von Differenzströmen in elektrischen Energieversorgungssystemen eingesetzt, die ohne eine schnelle Systemabschaltung auskommen. Der SCT5xxx des Typs B/B+ kann Gleich- und Wechselfehlerströme bei Frequenzen von bis zu 100 kHz messen.
Das macht diesen Differenzstromwandler kompatibel mit einer Vielzahl von industriellen Anwendungen, Lasten und Stromquellen. Mit seinen vom Benutzer wählbaren Einstellungen bietet diese Baureihe eine flexible Plattform für die Differenzstrommessung, die für jede mögliche Anwendung geeignet ist, sowohl zum Zeitpunkt der Planung der Industrieanlage als auch bei Erweiterungen mit neuen modernen Lasten, die mit Gleichspannungen oder hohen Schaltfrequenzen arbeiten, die die Menge an Ableitstrom im System erhöhen.
Die SCT5xxx verfügen über einen analogen 4 - 20 mA-Ausgang, der den Echtzeit-Effektivwert (TRMS) des gemessenen Fehlerstroms für die Anbindung an z. B. eine SPS darstellt. Zusätzlich kann ein potentialfreier Relaisausgang (NO / NC) mit frei wählbarer Fehlerstromgrenze zur Warnung oder sogar zur Systemabschaltung verwendet werden, wenn der TRMS-Fehlerstrommesswert den voreingestellten Wert überschritten hat. Der Status des Relaisausgangs wird auf eine LED zur visuellen Anzeige am Gerät selbst repliziert. Ein eingebauter Testtaster und ein externer Testtasteneingang sind für die regelmäßige Prüfung des SCT5xxx gemäß den geltenden Produktnormen vorgesehen. Für die Stromversorgung des SCT5xxx sollte nur eine einzige 24 Vdc-Stromversorgung vorgesehen werden.