Messwandler

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Mittelspannungs-Messwandler (Spannungswandler) 30 kV/100 V 50 Hz

Als Messwandler werden in der Elektrotechnik Geräte bezeichnet, die zur Umwandlung von Strom, Spannung, Leistung, Leistungsfaktor und Energieverbrauch dienen, wenn die Messgröße direkt nicht verarbeitet oder übertragen werden kann. Messwandler werden den Anzeigegeräten (Stromzähler, Strommesser, Spannungsmesser) vorgeschaltet. Die gewandelten, zu messenden Größen können dann mit analogen Messgeräten auch abseits der Gefahrenbereiche oder in einer Schaltwarte dargestellt werden.

Messwandler unterscheiden sich von anderen Wandlern durch ihre höhere, für spezifizierte Belastung angegebene Genauigkeit. Sie wird in Genauigkeitsklassen angegeben, die die Toleranz in Prozent angeben.

Allgemeines[Bearbeiten]

Messwandler für Wechselstrom bestehen im Regelfall aus einem Stromwandler, der zum Zweck der Strommessung in Reihe in den Lastkreis geschaltet wird und den Strom um ein bestimmtes Verhältnis transformiert. Ein Stromwandler darf niemals ohne Lastwiderstand, die sogenannte Bürde, an der Sekundärwicklung betrieben werden, da in diesem Fall gefährliche Überspannungen auftreten. Ein typischer Ausgangsstrom ist 5 Ampere.

Durch das Material und die Dimensionierung des magnetischen Kreises ermöglichen Strom-Messwandler eine hohe Übertragungsgenauigkeit bei gleichzeitiger Sicherheit im Überstromfall. Die Sicherheit wird durch eine thermisch und mechanisch robuste Konstruktion sowie auch dadurch erreicht, dass der Kern bei Überlastung in Sättigung gerät.

Besonders in Mittelspannungsschaltanlagen werden immer öfter sogenannte Kleinsignalwandler (Rogowskispulen) verwendet, die am Ausgang anstelle eines dem Eingangsstrom proportionalen Stromes eine (ebenfalls dem Eingangsstrom proportionale) Spannung ausgeben. Aufgrund ihrer geringen Baugröße gewinnt diese Art von Stromwandlern immer mehr an Verbreitung. Sämtliche Sekundärgeräte (Messgeräte, Schutzrelais) müssen dann anders als bei klassischen Stromwandlern ausgelegt werden.

Zur Wechselspannungs-Messung in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen werden Spannungswandler verwendet. Sie werden parallel zur Messspannung geschaltet. Bei geringeren Messgenauigkeiten oder ausschließlich können sie auch zur Steuerspannungsversorgung von Schaltanlagen genutzt werden. Ihre typische Ausgangsspannung ist 100 Volt. Zur Messung sehr hoher Wechselspannungen werden auch kapazitive Spannungsteiler eingesetzt.

Ausführungen[Bearbeiten]

Strom-Messwandler an drei Einzelleitern für Drehstrom

Für die Messung als Durchsteckwandler ausgeführte Stromwandler bestehen nur aus der Sekundärspule und dem Kern (Zangenstrommesser). Die Primärwicklung wird durch eine durchgesteckte Leitung des Leistungsstromkreises gebildet. Sie hat dann eine Windung. Die Leitung kann ggf. für kleinere zu messende Ströme auch mehrmals durch den Messwandler geführt werden, um den Messbereich gemäß den folgenden Formeln anzupassen:


\frac{I_1}{I_2}=\frac{n_2}{n_1}\ \qquad \text{oder} \qquad\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2} \,
.

Besonders hohe Anforderungen werden an Mess-Stromwandler und -spannungswandler für Energiezähler gestellt. Mit ihnen transformiert man den zu messenden Primärstrom auf die z. B. für 5 A ausgelegte Stromspule eines mechanischen Zählers oder man erzeugt mit einem an der Sekundärwicklung angeschlossenen Lastwiderstand eine kleine Messspannung für die Auswerteelektronik eines elektronischen Zählers. Durch die Verwendung spezieller Legierungen für den Ringkern sind gute Linearität und ein geringer Phasenfehler erreichbar.

Ein Stromwandler muss aus mehreren Gründen immer an eine(n) niederohmige Bürde, Lastwiderstand oder weiteren Strom-(Summen)- Wandler angeschlossen werden und darf nie offen betrieben werden. Erstens würden bei schnellen Stromänderungen hohe Spannungen am Ausgang entstehen, welche die Isolation seiner Wickeldrähte durchschlagen könnten, und zweitens würde beim Normalbetrieb mit einem zu hochohmigen Abschluss die Ausgangsspannung den Kern schon vor dem Ende einer Stromhalbwelle am Eingang in Sättigung bringen und die Messung verfälschen.

Gleichstromwandler[Bearbeiten]

Schema des Gleichstromwandlers

Messwandler für Ströme mit einen Gleichanteil sind, entsprechend dem nebenstehenden Bild, ähnlich aufgebaut wie die reinen Wechselstromwandler. Sie besitzen einen magnetischen Kreis, der zwei Wicklungen umschließt. Eine dickdrähtige mit wenigen Windungen für den zu messenden Laststrom und eine zweite dünndrähtige mit hoher Windungszahl zur Messung.

Im Gegensatz zum Wechselstromwandler benötigt der Gleichstromwandler einen kleinen Luftspalt zur Aufnahme eines magnetischen Sensors. Dazu werden Hallsonden der Feldplatten benutzt. Die Spannung des Sensors wird einem Regelverstärker zugeführt. Sein Ausgangssignal wird so auf die Messwicklung geschaltet, dass es das Feld des Laststromes kompensiert und so der Arbeitspunkt des magnetischen Kreises und damit auch des Sensors konstant bleibt. In diesem Stromkreis befindet sich noch ein relativ niederohmiger Messwiderstand (100 Ohm) an dem das Lastromabbild abgegriffen werden kann.

Diese Messmethode ist über einen weiten Frequenzbereich einsetzbar.. Die Wechselanteile des Stromes (bis weit in den Tonfrequenzbereich), die vom Lastkreis eingeprägt werden, werden durch die Induktion in den Sekundärkreis übertragen. Die niederfrequenten Komponenten und der Gleichanteil werden durch den Regelverstärker (fast) fehlerfrei bereit gestellt. Als Gleichspannungswandler ist diese Anordnung, prinzipbedingt, auf deutlich tiefere Arbeitfreuqenzen beschränkt, weil dann durch die Streuung des magnetischen Kreises induktive Widerstände wirksam werden. Die Messung derartiger Spannungen wird heute mit A/D-Umsetzern besser gelöst.

Sonderformen[Bearbeiten]

Für hochfrequente Wechselströme sind Messwandler mit Spulen wegen ihrer Induktivität ungeeignet und man verwendet häufig Thermoumformer. Wegen ihrer thermischen Trägheit messen sie nicht den Augenblickswert von Spannung oder Strom, sondern erzeugen eine Spannung, die der vom Sensor im Mittel aufgenommenen Leistung proportional ist.

Daneben wurden in den letzten Jahren Messwandler entwickelt, die nach optoelektronischen Prinzipien funktionieren, welche sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom einsetzbar sind. Diese Geräte werden – trotz kleinerer Abmessungen – wegen ihres hohen Anschaffungspreises eher selten verwendet. Für einfachen Anwendungen lassen sich auch Optokoppler verwenden.

Literatur[Bearbeiten]

  •  J. (Isaak) Goldstein: Die Messwandler. Ihre Theorie und Praxis. 2. Auflage. Birkhäuser, Basel 1952 (1. Aufl. Springer, Berlin 1928; russisch: Ismeritelnye transformatory. Gostech, Moskau 1930).