Jun 22, 2020
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Wandler

Summen-Stromwandler - Grundlagen und Anwendungsbereiche

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ERZlich Willkommen liebe Freunde der Schutz-, Leit- und Elektrotechnik. In unserem heutigen Gastbeitrag von Roland Bürger (MBS) und Achim Bentele (Schaffner Deutschland) erfahren wir um die Bedeutung des Summenstromwandlers. Viel Spaß beim Lesen, wir übergeben.

Grundlagen

Der Summen-Stromwandler wird dazu verwendet die Sekundärströme von Hauptstromwandlern aufzusummieren. Die Sekundärströme der Hauptwandler fungieren hierbei als die Primärströme im Summen-Stromwandler und induzieren im Kerneisen die magnetische Flussdichte B [Tesla].

Nehmen wir nun für den ersten Hauptwandler ein Übersetzungsverhältnis von 600/5 A an. Der zweite Hauptwandler besitzt ein Übersetzungsverhältnis von 400/5 A. Der Summen-Stromwandler muss dementsprechend auf der Primärseite zwei 5 A Eingange aufweisen. Die unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse der Hauptwandler werden in den Windungszahlen der zwei Primärwicklungen des Summen-Stromwandlers berücksichtigt. Der Summen-Stromwandler sieht als Primärstrom von Hauptwandler 1 beim Nennstrom von 600 A in der ersten Primärwicklung 30 A (6 Windungen x 5 A). In der zweiten Primärwicklung sieht der Summen-Stromwandlers bei 400 A im Hauptwandler 2 einen Strom von 20 A (4 x 5 A). In der Summe ergibt sich auf der Primärseite des Summen-Stromwandlers 30 A + 20 A = 50 A.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 1: Summen-Stromwandler mit 2 Hauptstromwandlern (technische Stromrichtung => rechte Handregel gilt!)

Um für die Sekundärseite des Summen-Stromwandlers ebenfalls 5 A zu erhalten werden 10 Windungen benötigt. Denn wie für jeden Stromwandler gilt:

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS

Die Primärströme der Hauptwandler sollten immer die gleiche Phasenlage besitzen, da in der Leistungsmessung unterschiedliche Potentiale nicht berücksichtigt werden können. Es ist durchaus möglich, Ströme unterschiedlicher Nennspannungen aufzusummieren. Diese Messungen können jedoch nicht für Verrechnungsmessungen oder qualitative Leistungsmessungen genutzt werden, da die möglichen Spannungsdifferenzen einen nicht kontrollierbaren Fehler in der Wirkleistungsmessung verursachen.

Wird die Wandlerkaskade wie in Abbildung 1 betrieben ergibt sich in der Summe ein Übersetzungsverhältnis von 1000/5 A. Dieses Übersetzungsverhältnis ist dementsprechend im Messgerät für den Stromeingang zu hinterlegen. Am Messeingang kann nun lediglich eine Aussage über den Gesamtstrom der beiden Hauptwandler getroffen werden. Wie hoch der Strom im einzelnen Hauptwandler ist, kann nicht mehr nachvollzogen werden.

Bezüglich der Genauigkeit sind die auf dem Leistungsschild der Haupt- und Summen-Stromwandler angegebenen Klassengenauigkeiten zu addieren. Besitzen die Hauptwandler Klasse 0,2 und der Summen-Stromwandler Klasse 0,5, muss mit einem maximalen prozentualen Stromfehler von ± 0,7 gerechnet werden. Fließt nun in den beiden Hauptwandlern ein in Relation zum Nennstrom niedrigerer Strom können größere prozentuale Fehler gemäß der geltenden Genauigkeitsklassen zu Buche schlagen. Wie in der folgenden Abbildung 2 erkennbar sind größere prozentuale Fehler mit abnehmender Stromstärke erlaubt.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 2: Genauigkeitsklassen gem. der IEC 61869-2 (Amplitudenfehler)

Die Ungenauigkeiten sind größtenteils auf die nicht-linearen Abschnitte im unteren Aussteuerbereich des verwendeten Kerneisens zurückzuführen.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 3: Magnetisierungskennlinien verschiedener Materialien

Die Ummagnetisierungsverluste wirken auf den Amplituden- und den Phasenfehler des Stromwandlers ein, so dass durch den sich ändernden Primärstrom unterschiedliche Bereiche auf der Magnetisierungskennlinie angefahren werden. Durch die nicht-linearen Kurven in Abbildung 3 kann das Verhältnis von Primärstrom zum Ummagnetisierungsstrom schwanken, wodurch sich unterschiedliche Genauigkeiten für den sich ändernden Nenn-Primärstrom von 1 bis 120 % einstellen.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 4: Magnetisierungsströme beeinflussen die Genauigkeit von Stromwandlern maßgeblich

Da der magnetische Arbeitspunkt eines Stromwandlers maßgeblich durch den Primärstrom bestimmt wird, ist es daher notwendig, dass ein gewisser Mindeststrom fließt, um den Stromwandler im definierten Bereich von 5 % (1 %) bis 100 % (120 %) des Nennstroms zu betreiben. Dieser Sachverhalt hat zu der Vorgabe geführt, dass das Verhältnis des primären Nennstromes eines Hauptwandlers zur Summe der primären Nennströme aller Hauptwandler das Verhältnis von 1:8 nicht überschreiten darf.

In unserem konkreten Beispiel aus Abbildung 1 liegt die Summe aller primären Nennströme bei 1000 A. 1/8 von 1000 A sind 125 A. Dementsprechend dürfte der Hauptwandler 1 maximal ein Übersetzungsverhältnis von 875/5 A und Hauptwandler 2 ein minimales Übersetzungsverhältnis von 125/5 A besitzen.

Neben den gewünschten Klassengenauigkeiten ist es erforderlich die benötigten Leistungen der Hauptwandler und des Summen-Stromwandlers abzuschätzen. Hierbei sollten folgende Leistungen bekannt sein:

🌐 Leistungsaufnahmen des Messgerätes, das am Sekundärausgang des Summen-Stromwandlers angeschlossen wird

🌐 Messleitungsverluste zwischen Hauptwandler und Summen-Stromwandler

🌐 Eigenverbrauch der Summen-Stromwandler (z.B.: Typ KSU und SUSK der MBS AG liegen bei ca. 4 VA)

Jetzt können die zu erwartenden Belastungen der Hauptwandler errechnet werden.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS

Von diesen 10,7 VA hat der einzelne Hauptwandler einen Leistungsanteil entsprechend seinem Verhältnis zur „Gesamtübersetzung“ aufzubringen.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS

Hauptwandler 1 benötigt aufgerundet 10 VA. Gemäß den Prüfregeln der Stromwandlernorm sind hier 2,5 bis 10 VA Bürdenleistung in der angegebenen Genauigkeitsklasse. Hauptwandler 2 benötigt 5,4 VA. Auch hier kann auf 10 VA aufgerundet werden, da der untere Schwellwert von 2,5 VA nicht tangiert wird.

In der folgenden Abbildung ist zu guter Letzt noch ein elektrisches Ersatzschaltbild mit drei Summen-Stromwandlern und jeweils drei Eingängen gezeigt.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 5: Elektrisches Ersatzschaltbild mit drei Summenstromwandlern, die jeweils 3 Eingänge besitzen

Der geübte Elektroinstallateur würde nun die nicht mehr aktuellen Bezeichnungen der Summen-Stromwandleranschlüsse bemängeln. Dies ist aber auf die aktuelle Normung zurückzuführen, die für Summen-Stromwandler noch keine aktualisierten Anschlussbezeichnungen in der IEC 61869-2 veröffentlicht hat (Stand Juni 2020).

Neben Leistungsmessungen und Stromüberwachungen haben sich relativ neue Anwendungsfelder für Summen-Stromwandler ergeben. Immer öfter werden in Verwaltungs- und Produktionsgebäuden hohe Strom-Oberschwingungspegel gemessen. Hier haben sich neue Applikationen mit Oberschwingungsfiltern bewährt. Diese Filter können die deformierten Sinusschwingungen des Stromes glätten und wieder einen nahezu sinusförmigen Verlauf des Stromes sicherstellen. Oftmals sind hierbei Strommessungen bis 2,5 kHz Grundvoraussetzung. Anlagen bis 9 kHz sind aktuell in der Planung.

Arbeitsweise von Aktiven Harmonischen Filtern

Der von nichtlinearen Lasten aus dem Stromnetz bezogene Strom wird mit Stromwandlern gemessen, im aktiven Oberschwingungsfilter analysiert und in einer digitalen Regelungsstruktur verarbeitet. Das Aktive Harmonische Filter liefert kontinuierlich Korrekturstrom um Oberschwingungen und Blindleistungskomponenten zu kompensieren, sodass das Stromnetz nur den Grundschwingungsstrom liefern muss.

Aktive Oberschwingungsfilter erfüllen im Wesentlichen die folgenden Aufgaben:

🌐 Reduzierung bzw. Kompensation des Oberschwingungsgehalts des Stromes

🌐 Kompensation der Grundschwingungsblindleistung

🌐 Ausgleich nicht symmetrischer Lasten zur Entlastung des Neutralleiters

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 6: Schaffner Deutschland GmbH, www.schaffner.com – Summen-Stromwandler als Messmittel bei aktiven Oberschwingungsfiltern

Es stellt sich die Frage, wie genau eine Summen-Stromwandler-Kaskade Oberschwingungen hierbei messen kann. Die eingesetzten Hauptwandler treiben, wie in Abbildung 1 dargestellt, mit dem Summen-Stromwandler eine induktive Last. Bei höheren Oberschwingungspegeln kann dies zu Sättigungserscheinungen führen. Die Oberschwingungspegel würden somit stark gedämpft und verfälscht an die Steuerung der Filter übermittelt. Aus diesem Grund wurden bei der MBS AG diesbezüglich Untersuchungen durchgeführt, um dem Kunden eine sichere Planungsgrundlage zu bieten.

Unter anderem wurde als Hauptwandler der oft verwendete ASK 105.6 mit dem Summen-Stromwandler SUSK als Kaskade verbunden.

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 7: Hauptwandler ASK 105.6 und die Summen-Stromwandler SUSK (max. 8 Eingänge) und KSU (max. 3 Eingänge)

Mit den herkömmlich verwendeten Kernmaterialien konnten folgende Fehlerkurven aufgenommen werden.

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Abbildung 8: Amplituden- und Phasenfehler der Stromwandlerkaskade mit 100 mOhm (2,5 VA) am SUSK

Die Amplituden- und Phasenfehler der Kaskade sind noch im tolerablen Bereich. Leichte Sättigungstendenzen sind aber bereits erkennbar. Um die Sättigungserscheinungen so gering wie möglich zu halten, sollte der Summen-Stromwandler lediglich mit einer kleinen ohmschen Bürde belastet werden.

Um die induktive Belastung der Hauptwandler weiter gering zu halten, empfiehlt es sich Summen-Stromwandler mit 5 A Eingängen zu wählen. Hier werden für die Eingangsseite für den Anschluss des Hauptwandlers weniger Kupferwindungen benötigt. Die induktive Last für den Hauptwandler sinkt.

Werden jetzt für die Wandler in der Kaskade verlustärmere Eisenmaterialien verwendet, können relativ gute Übertragungskurven sogar bis 20 kHz realisiert werden. Als Hauptwandler dienen hier drei XCTB 61.35 (200/5 A) und ein optimierter KSU mit einem Übersetzungsverhältnis von 5+5+5/5 A

Summenstromwandler, Stromwandler, MBS
Abbildung 9: Amplituden- und Phasenfehler der Stromwandlerkaskade XCTB und KSU bis 20 kHz

Aufgrund der Untersuchungen können für Messungen bis 2,5 kHz die herkömmlichen MBS-Stromwandler mit den Summen-Stromwandlern SUSK und KSU eingesetzt werden. Bei höheren Frequenzen empfiehlt es sich Stromwandler mit verlustärmeren Kernmaterialien wie den XCTB zu verwenden.

Wichtige Zusatzhinweise

🌐 Werden Summen-Stromwandler zu Verrechnungsmessungen eingesetzt, müssen Hauptwandler und Summen-Stromwandler mindestens die Genauigkeitsklasse 0,2 aufweisen. Der Gesamtfehler der Kaskade liegt dann ungefähr im Bereich der Klasse 0,5. Diese Genauigkeitsklasse ist die maximal zulässige Genauigkeitsklasse für Verrechnungs-Stromwandler.

🌐 Durch konstruktive Maßnahmen bei der Fertigung des Summen-Stromwandlers (unterschiedliche Primärwindungszahlen) ist es möglich, Sekundärströme von Hauptwandlern unterschiedlicher Nennübersetzungsverhältnisse zu addieren. Hierbei ist es wichtig, dass die unterschiedlichen Nennübersetzungsverhältnisse dem Wandlerhersteller mitgeteilt werden.

Beispiel: 1. Hauptwandler 600/5 A (AK-AL) und 2. Hauptwandler 400/5 A (BK-BL)

🌐 Bei der Montage müssen die Sekundäranschlüsse jedes Hauptwandlers an den vorher zugewiesenen Primäreingang des Summen-Stromwandlers angeschlossen werden.

🌐 Die Windungszahlen jeder Teilwicklung des Primärkreises des Summen-Stromwandlers richten sich dabei nach dem Verhältnis des primären Nennstromes des entsprechenden Hauptwandlers zur Summe der Nennströme aller am Summen-Stromwandler angeschlossenen Hauptwandler.

🌐 Bei anzuschließenden Hauptwandlern mit gleichem Nennübersetzungsverhältnis ist es unerheblich, an welchem Primärkreis des Summen-Stromwandlers der Anschluss des Hauptwandlers erfolgt.

🌐 Sollte an einem Hauptwandler kein Strom fließen, so darf der Sekundärkreis dieses Hauptwandlers weder am Summen-Stromwandler noch am Hauptwandler kurzgeschlossen werden.

🌐 Wenn ein Summen-Stromwandler einen noch nicht benutzten Primärkreis für den späteren Anschluss eines weiteren Hauptwandlers besitzt, so muss dieser Kreis offen bleiben. Der sekundäre Ausgangsstrom des Summen-Stromwandlers ist in diesem Falle um das Verhältnis des primären Nennstromes dieses „fehlenden“ Hauptwandlers zur Summe aller primären Nennströme der Hauptwandler kleiner als der sekundäre Nennstrom des Summen-Stromwandlers.

🌐 Der sekundäre Nennstrom eines Hauptwandlers muss gleich dem Primärnennstrom des ihm zugeordneten Einganges des Summen-Stromwandlers sein.

Autoren: Roland Bürger (MBS AG)  /  Achim Bentele (Schaffner Deutschland GmbH)

HERZliche Grüsse

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