Stromwandler
Was ist ein Stromwandler?
Was würden wir ohne Strom machen? Nichts! Diese Energie ist überall vorhanden und die laufende Energiewende und die Dekarbonisierung unserer Industrie führen zu einer noch stärkeren Elektrifizierung all unserer täglichen Aktivitäten, wie z.B. der Elektromobilität. Wie bei allen physikalischen Größen gilt: Wenn Sie sie nicht messen, können Sie sie nicht verwalten! In der Tat ist die Messung in allen Prozessen entscheidend, um das System zu überwachen, zu messen und zu steuern, und dafür wird ein Stromwandler benötigt.
Im Grunde genommen ist ein Stromwandler ein Gerät, das das Stromsignal, das wir messen wollen, den so genannten „primären“ Strom, in ein anderes Signal, den so genannten „sekundären“ Strom oder die so genannte Spannung, umwandelt, das von elektronischen Steuerplatinen oder Instrumenten verwendet werden kann. Da der Primärstrom unterschiedlich sein kann (AC oder DC, wenige mA bis kA, isoliert oder nicht…), gibt es eine große Vielfalt an Stromwandlern, die verschiedene Technologien verwenden, die im Folgenden beschrieben werden.
Im Allgemeinen besteht das Fluxgate-Prinzip darin, eine angeregte Spule aus magnetischem Material als Sonde zu verwenden. Dank eines Sättigungs-/Desättigungszyklus und einer Signalverarbeitung ist diese Spule in der Lage, das Magnetfeld proportional zu messen. Daraus ergeben sich mehrere Möglichkeiten, einen Stromwandler zu entwerfen. Sie kann einfach eine Hall-Effekt-Sonde im Luftspalt ersetzen oder die Spule könnte die Form eines Risses haben.
Bei dieser zweiten Option kann der Stromwandler eine wirklich hohe Genauigkeit (wenige ppm) und eine starke EMV-Robustheit erreichen. Für weitere Einzelheiten lesen Sie bitte den ausführlichen Artikel über das Fluxgate-Prinzip.
Die direkte Messung des elektrischen Stroms ist eine ziemlich schwierige Aufgabe. Dies wird oft vereinfacht, indem man die Nebeneffekte des durchfließenden Stroms misst, z.B. durch Messung des Spannungsabfalls, der über einen Shunt-Widerstand entsteht (Ohmsches Gesetz) oder durch Messung des Magnetfelds, das den Primärleiter umgibt (Amperesches Gesetz).
Die Strommessung mit einem ohmschen Shunt ist recht einfach, setzt aber voraus, dass der Benutzer den Primärstromkreis unterbricht, um den Shunt einzufügen, für eine angemessene Kühlung des Shunts sorgt oder zumindest den Shunt für den erforderlichen Strombereich richtig dimensioniert. Dies hat den Nachteil, dass das Strommesssignal nicht von potenziell gefährlichen Primärspannungspegeln isoliert ist.
Die Strommessung mit Hilfe des erzeugten Magnetfelds hat den Vorteil, dass es sich um eine berührungslose, d.h. isolierte Strommessung handelt, so dass der Primärstromkreis nicht durch das Einfügen eines verlustbehafteten Bauteils wie des Shunts unterbrochen werden muss. Das Magnetfeld, das von einem durch einen Primärleiter fließenden Strom erzeugt wird, ist proportional zum angelegten Strom und trägt daher die Information über die Stromamplitude.
Die Art und Weise, wie das gemessene Magnetfeld in Informationen über die Stromamplitude umgewandelt wird, hängt vom Messprinzip ab (Link zu „Was sind die verschiedenen Arten von Stromwandlern“). Der gemeinsame Vorteil ist jedoch, dass die Strommessung vollständig vom primären Stromkreis isoliert ist, was die wichtige Aufgabe der Kontrolle und des Schutzes komplexer elektrischer Systeme oft erleichtert.
Nicht jedes Strommessprinzip, das auf dem Ampere’schen Gesetz basiert, kann Gleichströme messen. Der induktive Stromwandler und die Rogowski-Spule zum Beispiel beruhen auf der magnetischen Induktion von Strom und Spannung in der Spule durch ein magnetisches Wechselfeld und sind nicht in der Lage, Gleichströme zu messen.
Magnetische Sonden, die in der Lage sind, magnetische Gleichfelder zu messen, wie z.B. Hall-Effekt-, Flux-Gate- und magnetoresistive Sonden, können zum Bau von Gleichstromwandlern (oft DCCTs genannt) verwendet werden.
Sowohl Open-Loop- als auch Closed-Loop-Implementierungen sind möglich, aber die Anwendung eines starken DC-Magnetfeldes in einem Open-Loop-CT kann den Magnetkern so vormagnetisieren, dass die Messleistung für Wechselströme unter Berücksichtigung der nichtlinearen B-H-Kurve des Common erheblich beeinträchtigt wird.
Wechselstromwandler, auch Wechselstromtransformatoren genannt und typischerweise mit „CTs“ abgekürzt, werden häufig als Messwandler für die Strommessung im Stromnetz eingesetzt, z.B. in Generatoren oder Umspannwerken. Ihre Aufgabe ist es, den gemessenen Strom auf niedrigere Messwerte zu reduzieren und die wichtige Isolierung von den Hochspannungsleitungen zu gewährleisten.
In seiner Grundform besteht der Wechselstromtransformator aus einem Magnetkern, der oft ringförmig ist und mit einem Draht, der Sekundärwicklung, umwickelt ist. Bei der Öffnung des Ringkerns fließt der Primärstrom durch. Das Funktionsprinzip eines Wechselstromwandlers ist das Faradaysche Induktionsgesetz, das besagt, dass eine Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in der Induktionsspule induziert. Das bedeutet, dass Wechselstrom-Messwandler nur Wechselstromsignale messen können. Der Wechselstromwandler ist oft ein passives Gerät, das mit einem Shunt verwendet wird, um den Sekundärstrom im Ausgangssignal zu erfassen.
Das Funktionsprinzip eines Wechselstromwandlers ist das Faradaysche Induktionsgesetz, das besagt, dass eine Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in der Induktionsspule induziert. Das bedeutet, dass Wechselstrom-Messwandler nur Wechselstromsignale messen können.
Der Wechselstromwandler ist oft ein passives Gerät, das mit einem Shunt verwendet wird, um den Sekundärstrom im Ausgangssignal zu erfassen.