Stromwandler sind wesentliche Komponenten für eine präzise Strommessung in elektrischen Systemen. Diese Einführung erläutert die wichtigsten Faktoren, die Konstruktion und Leistungsfähigkeit von Stromwandlern beeinflussen.
Ein Stromwandler ist ein Messwandler, bei dem der Sekundärstrom unter normalen Einsatzbedingungen im Wesentlichen proportional zum Primärstrom ist und sich in der Phase um einen Winkel von annähernd null von ihm unterscheidet.
Konstruktion und Prüfung von Stromwandlern werden durch die Norm IEC 61869-2:2012 geregelt (ersetzt IEC 60044-1:1996).
Das Funktionsprinzip eines Stromwandlers entspricht dem eines Leistungstransformators. Der Stromwandler besitzt eine Primär- und eine Sekundärwicklung. Ein in der Primärwicklung fließender Wechselstrom induziert einen Wechselstrom in der Sekundärwicklung.
Die Primärwicklung kann aus einer einzigen Windung oder aus wenigen Windungen bestehen; die Sekundärwicklung hat je nach Übersetzungsverhältnis deutlich mehr Windungen. Die Nennübersetzung ist das Verhältnis des Nennprimärstroms zum Nennsekundärstrom.
Nachfolgend ist eine einfache Schaltung mit einer einwindigen 10-A-Primärwicklung und einem 1000-T-Stromwandler mit Nennbürde R 100 Ω dargestellt.
Einfache Stromwandler-Schaltung
Ip = 10
Is = 10/1000 = 10 mA
Vb = 10 mA × 100 = 1 V
Die Sekundärwicklung ist am Nennbürdenwiderstand abgeschlossen, dessen Wert die Grundlage für die Genauigkeitsanforderungen des Stromwandlers bildet.
Bei einem idealen Stromwandler bildet der Strom in der Sekundärwicklung den tatsächlichen Primärstrom ohne Übersetzungsfehler oder Phasenverschiebung ab. Unter normalen Bedingungen treten jedoch ein Übersetzungsfehler und eine Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärstrom auf.
Übersetzungsfehler
Der Übersetzungsfehler in Prozent ergibt sich aus der Formel:
Wobei:
Kn = Nennübersetzungsverhältnis
Ip = Tatsächlicher Primärstrom
Is = Tatsächlicher Sekundärstrom bei fließendem Ip unter Messbedingungen
Phasenverschiebung
Die Phasenverschiebung ist die Phasendifferenz zwischen den Stromzeigern von Primär- und Sekundärstrom: θ = Phasenwinkelfehler, der beim idealen Stromwandler null ist.
Wobei:
I1 = Primärstrom
I2 = Sekundärstrom
N = Sekundärwindungen
Im = Erregerstrom
Ir = Blindanteil von Im
Iw = Wirkleistungs-Verlustanteil von Im
V = Sekundärspannung
R2 = Bürde Ω
θ = Phasenwinkelfehler
e = Übersetzungsfehler
Aus dem Diagramm geht hervor, dass sich der Primärstrom I1 vom Sekundärstrom I2 in Betrag und Phasenwinkel unterscheidet.
Der Winkelfehler θ ist Sin-1 Ir/I1 und der Betrag von I1 = √{ (I2N2 + Iw)2 + Ir2 }
In der Praxis ist der Winkel so klein, dass Näherungen zulässig sind:
θ = Ir/I1 Radiant und I1 = I2N2 + Iw
d. h. der Stromfehler ist auf den Wirkleistungs-Verlustanteil zurückzuführen und der Phasenwinkel ist proportional zum Blindanteil Ir.
Der Übersetzungsfehler kann durch Anpassung des Windungsverhältnisses korrigiert werden, d. h. durch ± Sekundärwindungen.
Der Phasenwinkel kann nicht durch Windungen korrigiert werden, da er eine Funktion des Blindanteils der Erregereigenschaften des Kerns ist.
Genauigkeitsklasse
Die Genauigkeitsklasse ist eine Kennzeichnung, die einem Stromwandler zugeordnet wird, wenn die Fehler unter festgelegten Einsatzbedingungen innerhalb spezifizierter Grenzen bleiben.
Wenn beispielsweise die Genauigkeitsklasse eines Stromwandlers 1 ist, beträgt der Übersetzungsfehler beim Nennprimärwert ±1 %.
Bei Messstromwandlern sind die Genauigkeitsklassen typischerweise 0,1, 0,2, 0,5 und 1.
Für die Klassen 0,1, 0,2, 0,5 und 1 dürfen Stromfehler und Phasenverschiebung die in Tabelle 201 angegebenen Werte nicht überschreiten, wenn die Sekundärbürde einen beliebigen Wert von 25 % bis 100 % der Nennbürde hat.