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Stromwandler

Wofür benötigt man einen Stromwandler?

In der Praxis ist es oft nötig, dass man die elektrischen Ströme in einem Bauteil oder Leitungskabel kennt. Standardmäßige Amperemeter können meist nicht mehr als einige zehn Ampere an Stromstärke messen. Dies reicht zwar für viele Anwendungen aus, doch man kann sich leicht Szenarien überlegen, in denen die Stromstärken deutlich höher sind:

• Elektromotoren (rund 150 A)
• Oberleitungen für Bahnen (rund 1000 A)
• Generatorströme in Kraftwerken (mehrere kA)

Um die Messung unter solchen Bedingungen durchführen zu können, werden deshalb sogenannte Stromwandler (auch Reihenwandler genannt) benutzt. Jene wandeln eine hohe Stromstärke am Eingang, in einen kleinere, aber proportionale Stromstärke, am Ausgang um. So können beispielsweise schwer messbare 1000 A am Eingang in leichter zu messende 2 A am Ausgang umgewandelt werden. In diesem Falle ist der Proportionalitätsfaktor 1000 A / 2 A = 500 . Das Prinzip eines Reihenwandlers ist also ähnlich zu dem eines Transformators bzw. Spannungswandlers.

Anwendung findet der Stromwandler aber nicht nur in der Messtechnik. Oft kommen Reihenwandler auch in der Regelungstechnik oder für Schutzzwecke zum Einsatz. In solchen Anwendungen wird der herabgesetzte Strom beispielsweise an FI-Schalter (Sicherungen) oder Regelinstrumente weitergegeben, welche nicht für hohe Ströme ausgelegt sind.

Wie funktioniert ein Reihenwandler?

Die häufigste Ausführung eines Reihenwandlers ist der induktive Stromwandler. Jener wird vor allem für Wechselströme verwendet. Die Funktionsweise dieses induktiven Stromwandlers kann man wie folgt beschreiben (Abbildung 1):

1. Zwei Stromkreise, der Primär- und der Sekundärkreis, werden durch einen ‚magnetisch gut leitenden‘ Stoff verbunden. Dies ist oft eine ferromagnetische Keramik, ein sogenannter Ferrit. Dabei sind Primär- und Sekundärkreis meist spulenförmig um den Ferrit gewickelt. Es gibt aber auch Ausführungen, in denen der Primärkreis nur aus einem Kabel besteht, welches mitten durch den Ferrit führt.
2. Im Primärkreis fließt nun der zu messende Wechselstrom (der aber zu hoch für unser Messgerät ist). Dieser Wechselstrom erzeugt gemäß dem sogenannten Amperè‘schen Gesetz ein Magnetfeld. Auch dieses Magnetfeld wechselt (ähnlich wie der Wechselstrom) kontinuierlich seine Polarität.
3. Das genannte Magnetfeld ist im Ferrit gebunden und daher auch im Sekundärkreis vorhanden. Laut einem anderen 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: Schematischer Aufbau eines Reihenwandlers

Schaut man sich die zugrundeliegenden physikalischen Gleichungen genauer an, so kann man das Umsetzverhältnis des Stromwandlers bestimmen. Das Umsetzverhältnis gibt an, wie stark der Strom durch den Reihenwandler verringert wird (entspricht dem oben genannten Proportionalitätsfaktor):

Wie man sieht, entspricht also das Verhältnis der Anzahl der Windungen (N) des Primär- und Sekundärkreises ( N_primary / N_secondary).

Es gibt aber noch weitere Möglichkeiten einen Stromwandler in der Praxis zu realisieren. Bekannte Bauformen basieren beispielsweise auf Hallsonden oder Rogowskispulen.

Fehlervariablen eines Stromwandlers:

Ein Stromwandler ist aber selten perfekt und hat Ungenauigkeiten. Zwei in der Praxis wichtige Fehlergrößen des Reihenwandlers sind:

• Übersetzungsmessabweichung: Das reale Übersetzungsverhältnis kann vom idealen Übersetzungsverhältnis abweichen. Die Übersetzungsmessabweichung gibt diesen Unterschied als Prozentwert an.
• Fehlerwinkel: Die Phasen zwischen primärem und sekundärem Strom können abweichen (die Ströme wechseln nicht synchron ihre Polarität). Die Differenz der Phasen wird als Fehlerwinkel bezeichnet.

Reihenwandler bei DEWETRON:

DEWETRON ist ein Unternehmen, das seinen Kunden hochpräzise Mess- und Prüfgeräte anbietet. Zur Ergänzung unserer TRION und TRION3 Messkarten finden Sie bei uns auch hochwertige Stromwandler. Diese bieten die optimale Lösung für verschiedenste Aufgabenstellungen. Unsere Modelle zeichnen sich vor allem durch ein hohes Umsetzungsverhältnisse von bis zu 2000 A/A aus und bieten eine herausragende Genauigkeit mit Übersetzungsmessabweichungen von bis unter 0.002 % und Fehlerwinkel von bis unter 0.01°.

Abbildung 2: Stromwandler PA-IT-65-S von DEWETRON

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