{"id":47323,"date":"2024-07-12T05:00:11","date_gmt":"2024-07-12T05:00:11","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/stromwandler\/"},"modified":"2025-02-07T08:46:15","modified_gmt":"2025-02-07T08:46:15","slug":"stromwandler","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/stromwandler\/","title":{"rendered":"Wie funktionieren Stromwandler?"},"content":{"rendered":"
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Die pr\u00e4zise Messung elektrischer Str\u00f6me ist ein wesentlicher Ausgangspunkt f\u00fcr die Gew\u00e4hrleistung der Effizienz, Sicherheit und Zuverl\u00e4ssigkeit von Systemen. Ob im Bereich der Elektrotechnik, der industriellen Automatisierung, der erneuerbaren Energien oder in vielen anderen Bereichen, Strommessungen sind \u00fcberall erforderlich. Zur Erfassung und Messung von Str\u00f6men gibt es unz\u00e4hlige Instrumente und Messger\u00e4te. In unserem heutigen Blogbeitrag werfen wir einen genaueren Blick auf Stromwandler.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Wie funktioniert ein Stromwandler?<\/h2>\n
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Das genaue Funktionsprinzip h\u00e4ngt von der Art des Stromwandlers ab. Der am h\u00e4ufigsten verwendete Typ ist jedoch der induktive Stromwandler, welcher haupts\u00e4chlich zur Umwandlung von Wechselstr\u00f6men verwendet wird. Insgesamt \u00e4hnelt 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:<\/p>\n

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  1. Ein magnetisch gut leitendes Material verbindet zwei Stromkreise, den Prim\u00e4r- (primary) und den Sekund\u00e4rkreis (secondary circuit). Bei diesem Material handelt es sich h\u00e4ufig um eine ferromagnetische Keramik, einen sogenannten Ferrit. Je nach Konstruktion, sind beide, Prim\u00e4r- und der Sekund\u00e4rkreis spiralf\u00f6rmig um den Ferrit gewickelt (Abb. 1: linkes Schema) oder der Prim\u00e4rkreis verl\u00e4uft durch die Mitte des Ferrits.<\/li>\n
  2. Im Prim\u00e4rkreis flie\u00dft nun der zu messende Wechselstrom, welcher jedoch zu hoch f\u00fcr unser das Messger\u00e4t ist. Dieser Wechselstrom erzeugt gem\u00e4\u00df dem Amper\u00e8\u2018schen Gesetz ein Magnetfeld, welches \u00e4hnlich wie der Wechselstrom dauernd seine Polarit\u00e4t \u00e4ndert.<\/li>\n
  3. Das genannte Magnetfeld ist im Ferrit gebunden und daher auch im Sekund\u00e4rkreis vorhanden. Laut einem weiteren physikalischen Gesetz, dem Induktionsgesetz, wird durch dieses wechselnde Magnetfeld nun ein Strom im Sekund\u00e4rkreis erzeugt. Dieser Sekund\u00e4rstrom ist im Falle eines Stromwandlers kleiner als der Strom im Prim\u00e4rkreis.<\/li>\n<\/ol>\n

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    Abbildung 1: Schematische Darstellung eines klassischen Transformators (links) und eines Stromwandlers (rechts).<\/em><\/p>\n

    Betrachtet man die zugrundeliegenden physikalischen Gleichungen genauer, so l\u00e4sst sich das Wandlungsverh\u00e4ltnis bestimmen:
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    Dieses Verh\u00e4ltnis gibt an, wie stark der Strom durch den Stromwandler reduziert, beziehungsweise verst\u00e4rkt wird. Das Wandlungsverh\u00e4ltnis h\u00e4ngt somit von der Anzahl der Wicklungen (N) des Prim\u00e4r- und Sekund\u00e4rkreises ab (N_prim\u00e4r\/N_sekund\u00e4r).<\/p>\n

    Anmerkung:<\/strong> Es gibt weitere M\u00f6glichkeiten, einen Stromwandler zu realisieren. Bekannte Konstruktionen basieren beispielsweise auf Hall-Sonden oder Rogowski-Spulen.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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    Was ist der Unterschied zwischen einem Stromwandler und einem Stromtransformator?<\/h2>\n
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    Auch wenn “Stromwandler” und “Stromtransformator” oft als Synonyme f\u00fcreinander 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 h\u00f6heren 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 – h\u00e4ufig ein Spannungssignal. Ein Konstruktionsbeispiel ist in Abb. 1 rechts dargestellt.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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    Ungenauigkeiten bei realen Stromwandlern<\/h2>\n
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    Reale Stromwandler unterliegen, wie jedes physikalische Ger\u00e4t, Ungenauigkeiten. Die beiden wichtigsten Fehlergr\u00f6\u00dfen f\u00fcr Stromwandler sind:<\/p>\n

    1. Transformationsfehler:
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    Das reale Umwandlungsverh\u00e4ltnis kann aufgrund verschiedener Ursachen, die in der theoretischen Idealisierung liegen, vom idealen Verh\u00e4ltnis abweichen. Zu diesen Ursachen geh\u00f6ren Annahmen wie ein linearer Magnetkreis mit unendlicher Permeabilit\u00e4t und vernachl\u00e4ssigbarem Widerstand in den Wicklungen. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen auch Materialunregelm\u00e4\u00dfigkeiten zu Abweichungen beitragen.<\/p>\n

    Der Transformationsfehler wird in der Regel als Prozentsatz des gemessenen Wertes angegeben. Das linke Diagramm in Abb. 2 zeigt den Transformationsfehler \u00fcber einen Bereich von Frequenzen f\u00fcr Wechselstromsignale. Die gr\u00fcnen und blauen Linien stehen f\u00fcr verschiedene Ger\u00e4te.<\/p>\n

    Beispiel:<\/strong> Bei der Messung eines 20-Ampere-Wechselstromsignals bei 30 kHz mit einem CT 100 betr\u00e4gt der Transformationsfehler 0,5000 %. Folglich w\u00fcrde das Endergebnis auf 19,9 Ampere angepasst werden, um diesen Fehler zu ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n

    2. Winkelfeh<\/strong>ler:<\/strong><\/p>\n

    Die Phase zwischen dem Prim\u00e4r- und dem Sekund\u00e4rstrom kann ebenfalls abweichen. Der Hauptgrund daf\u00fcr ist die elektronische Laufzeit im Ger\u00e4t. Der Winkelfehler (auch Winkelgenauigkeit oder Phasenfehler genannt) dr\u00fcckt die Differenz dieser Phase in Grad aus. Das rechte Diagramm in Abb. 2 zeigt den Winkelfehler in Grad \u00fcber einen Bereich von Frequenzen. Die gr\u00fcnen und blauen Linien zeigen verschiedene Ger\u00e4te an.<\/p>\n

    Hinweis:<\/strong> Der Winkelfehler ist besonders wichtig f\u00fcr die Berechnung der Wirkleistung. Um genaue Ergebnisse zu gew\u00e4hrleisten, ist eine Kompensation des Phasenfehlers unerl\u00e4sslich.<\/p>\n

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    Abb. 2: Transformationsfehler (links) und Winkelfehler (rechts) von <\/em>SIGNALTEC CT 100 und CT 1000<\/a><\/em><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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    Wozu brauchen wir Strommesswandler?<\/h2>\n
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    In der Praxis ist es oft notwendig, elektrische Str\u00f6me 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. W\u00e4hrend dies f\u00fcr viele Anwendungen ausreicht, gibt es durchaus Szenarien, in denen die Str\u00f6me deutlich h\u00f6her sind:<\/p>\n