Stromwandler: Aufbau in 3D
Wie misst man einige hundert Ampere mit einem Messgerät für ein Ampere? Hier zerlegst du einen Durchsteck-Stromwandler in 3D, vom Primärleiter über Kern und Sekundärwicklung bis zur Kurzschlussbrücke, und siehst beim Wechsel des Messgeräts, warum der Sekundärkreis nie offen sein darf.
Lädt einmalig rund 0,2 MB. Die Erklärungen unten funktionieren auch ohne 3D-Modell.
Stromwandler
Ein Stromwandler arbeitet wie ein Transformator: Der hohe Strom im Primärleiter erzeugt in der Sekundärwicklung einen kleinen, gut messbaren Strom. Mit Messgerät wechseln siehst du, wie man dabei vorgeht, ohne den Sekundärkreis zu öffnen. Mit Weiter wird er zerlegt.
Die Bauteile im Überblick
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Primärleiter
Durch die Öffnung läuft die Leitung oder Stromschiene, deren Strom gemessen wird. Sie ist die Primärwicklung des Wandlers, hier mit einer einzigen Windung. Wird die Leitung mehrmals durchgesteckt, wird der Sekundärstrom entsprechend größer: I2 = I1 · n / ü, mit n als Zahl der Durchführungen.
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Gehäuse mit Durchführung
Das Gehäuse aus Isolierstoff umschließt Kern und Wicklung. Die Öffnung in der Mitte ist die Eingangsseite: Hier wird die Leitung einmal oder mehrmals durchgeführt.
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Leistungsschild
Auf dem Schild stehen die Übersetzung, zum Beispiel 100/1 A, und die Genauigkeitsklasse, zum Beispiel Klasse 1. 100/1 heißt: Fließen im Primärleiter 100 A, fließt im Sekundärkreis 1 A. Es gilt ü = I1 / I2 = N2 / N1.
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Eisenkern
Der Kern umschließt den Primärleiter. Er führt das Magnetfeld, das der Strom im Leiter erzeugt, durch die Sekundärwicklung, genau wie der Kern eines Transformators.
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Sekundärwicklung
Um den Kern liegt die Sekundärwicklung. Ihre Windungszahl legt die Übersetzung fest: Bei einer Primärwindung und ü = 100 sind es nach N2 = ü · N1 rechnerisch 100 Windungen.
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Sekundärklemmen S1 und S2
An S1 und S2 wird das Messgerät angeschlossen, auf älteren Wandlern heißen die Klemmen k und l. Im Schaltbild des Tabellenbuchs ist der Sekundärkreis an S1 geerdet, im Modell über die grün-gelbe Ader.
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Messgerät im Sekundärkreis
Angeschlossen wird zum Beispiel ein Strommesser oder ein Zähler. Ein Stromwandler darf nur niederohmig belastet werden. Das Messgerät zeigt den Sekundärstrom, mit der Übersetzung rechnest du auf den Primärstrom zurück, sofern die Anzeige das nicht schon tut.
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Kurzschlussbrücke
Bevor das Messgerät ab- oder umgeklemmt wird, wird S1 mit S2 über eine Brücke kurzgeschlossen. Erst dann wird das Messgerät gelöst. Der Sekundärkreis darf nie offen sein, solange Strom im Primärleiter fließen kann. Darum gehört in ihn auch kein Überlastschutz, der ihn auftrennen könnte.
Stromwandler im Zählerschrank: Anschluss, Kontrolle, Verwechslung
Wo der Laststrom für einen direkt messenden Zähler zu groß ist, misst ein Wandlerzähler über drei Stromwandler, einen je Außenleiter. Im Schaltbild des Tabellenbuchs heißen die Primäranschlüsse jedes Wandlers P1 und P2, die Sekundäranschlüsse S1 und S2 (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 395). Messwandler für Elektrizitätszähler haben nach der Mess- und Eichverordnung keine befristete Eichfrist, anders als der Zähler selbst (MessEV, Anlage 7, Nr. 6.6).
Im Betrieb lässt sich ein Wandler ohne Abklemmen kontrollieren: Mit der Stromzange misst du einmal am Primärleiter und einmal im Sekundärkreis. Das Verhältnis der beiden Werte muss zur Übersetzung auf dem Leistungsschild passen, bei 100/1 also etwa 100 zu 1. Weicht es deutlich ab, ist die Leitung zum Beispiel anders oft durchgesteckt als gedacht, oder es sitzt ein Wandler mit anderer Übersetzung im Schrank.
Nicht verwechseln mit dem Spannungswandler: Der darf nur mit kleiner Belastung oder im Leerlauf betrieben werden, also genau umgekehrt wie der Stromwandler, der nur niederohmig belastet werden darf (S. 396). Beim Spannungswandler ist der Kurzschluss auf der Sekundärseite der Fehler, beim Stromwandler die Unterbrechung. Die Klemmen helfen beim Unterscheiden: Der Spannungswandler trägt im Tabellenbuch A und B primär sowie a und b sekundär.
Wandlerzähler an der Schaltungsnummer erkennen
Ob ein Zähler direkt oder über Wandler misst, steht in seiner vierstelligen Schaltungsnummer. Die dritte Ziffer gibt den Anschluss an: 0 für direkt, 1 für Anschluss über Stromwandler, 2 für Strom- und Spannungswandler (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 395). Dort ist auch die Beispielschaltung „Vierleiter-Drehstrom mit Stromwandler“ gezeichnet: je Außenleiter ein Wandler mit P1/P2 im Hauptstrom und S1/S2 zum Zähler, die Spannungspfade direkt an L1, L2, L3 und N. Wer so einen Zählerplatz prüft, vergleicht jeden Wandler mit seiner Zählerklemme, nicht nur einen.
Wandler, die bewusst sättigen
Nicht jeder Stromwandler soll bei jedem Strom genau messen. Eaton beschreibt für den Motorschutz größerer Motoren ein Wandlerrelais aus drei Sättigungsstromwandlern, die ein Motorschutzrelais speisen: Bis zum zweifachen Bemessungsstrom ist ihr Übersetzungsverhältnis praktisch linear, darüber wächst der Sekundärstrom nicht mehr proportional mit. Das verzögert die Auslösung bei hohen Strömen und erlaubt längere Anlaufzeiten (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 3-22). Ein Messwandler für einen Zähler dagegen soll in seinem Bereich so genau wie seine Klasse messen. Beide sehen ähnlich aus, sind aber nicht austauschbar.
Durchsteckwandler: Übersetzung und Mehrfachdurchführung
Auf dem Leistungsschild eines Durchsteckstromwandlers stehen die Übersetzung, im Beispiel des Tabellenbuchs 100/1, und die Genauigkeitsklasse, dort KL 1. Wird die Leitung n-mal durch die Öffnung geführt, gilt I2 = I1 · n / ü (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 396). Ein 100/1-Wandler mit zweimal durchgesteckter Leitung liefert bei 40 A Primärstrom also 0,8 A statt 0,4 A, er verhält sich wie ein 50/1-Wandler. Passt die Anzeige an einem Zählerplatz genau um einen ganzzahligen Faktor nicht, lohnt es sich, die Durchführungen zu zählen.
Strom- und Spannungswandler richtig belasten
Beide Wandlerarten arbeiten nach dem Transformatorprinzip: Der primäre Stromkreis induziert einen messbaren Strom im sekundären, hohe Ströme oder Spannungen werden im Verhältnis der Windungszahlen heruntertransformiert. Beim Auswechseln des Messinstruments am Stromwandler wird eine Kurzschlussbrücke gesetzt, und beim Spannungswandler an einem Elektrizitätszähler gehört auf die Ausgangsseite keine Sicherung (S. 396).
Kein Überlastschutz im Sekundärkreis
Dass der Sekundärkreis eines Stromwandlers nicht offen sein darf, hat auch Folgen für den Leitungsschutz. Eaton nennt in den Grundlagen zum Überstromschutz Stromkreise, in denen Schutzeinrichtungen gegen Überlast nicht eingebaut werden sollten, weil die Unterbrechung des Stromkreises eine Gefahr darstellen kann. Als Beispiele stehen dort neben Erregerstromkreisen umlaufender Maschinen und Speisestromkreisen von Hubmagneten ausdrücklich die Sekundärstromkreise von Stromwandlern (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 10-13). Eine Sicherung zwischen Wandler und Messgerät ist dort also kein Plus an Sicherheit.
Stromwandler im Motorschutzrelais
Auch elektronische Motorschutzrelais arbeiten mit Stromwandlern. Beim ZEB von Eaton wird der Motorstrom in den drei Außenleitern über integrierte Stromwandler erfasst, für den Bereich von 0,3 bis 175 A. Das Relais braucht keine externe Hilfsspannung, es wird intern über diese Wandler versorgt. Die Ausführung mit Erdschlussschutz addiert die Ströme der Phasen und löst aus, wenn die Unsymmetrie größer als 50 % des eingestellten Motorbemessungsstroms ist (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 4-23 und 4-24).
Weitere 3D-Modelle
Stromzange in 3D zerlegt → Eisenkern, Hall-Sensor und Backen: So misst eine Stromzange, und warum nur eine Ader. Stromzähler in 3D zerlegt → Strommessung, Messchip und Prüf-LED: So zählt ein elektronischer Zähler die Kilowattstunden. Kompensationskondensator in 3D zerlegt → Wickel, Entladewiderstände und Abreißsicherung: So ist ein Leistungskondensator aufgebaut. PV-Modul in 3D zerlegt → Glas, Solarzellen, Folien und Anschlussdose: So ist ein Solarmodul aufgebaut. Widerstand in 3D zerlegt → Farbringe, Schicht mit Wendel und Keramikkörper: So bekommt ein Widerstand seinen Wert.Darf der Sekundärkreis eines Stromwandlers offen sein?
Nein. Ein Stromwandler darf nur niederohmig belastet werden. Beim Auswechseln des Messgeräts wird deshalb vorher eine Kurzschlussbrücke gesetzt. Die Unterbrechung des Sekundärkreises kann gefährlich werden, darum wird dort auch kein Überlastschutz eingebaut. Vor dem Ab- oder Umklemmen also immer zuerst die Brücke setzen.
Wie rechne ich mit der Übersetzung?
Mit ü = I1 / I2. Ein Wandler 100/1 hat ü = 100. Zeigt der Strommesser 0,8 A, fließen im Primärleiter 0,8 A · 100 = 80 A. Ist die Leitung zweimal durchgesteckt, gilt I2 = I1 · n / ü: Dann bedeuten 0,8 A nur 0,8 A · 100 / 2 = 40 A.
Was ist der Unterschied zur Stromzange?
Eine Strommesszange ist ein Stromwandler mit eingebautem Messgerät: Die Zange ist der Kern, der umfasste Leiter die Primärwicklung. Zangen nach diesem Prinzip messen nur Wechselstrom. Den Aufbau zeigt Stromzange in 3D.
Zum Modell: Es ist vereinfacht und zeigt den grundsätzlichen Aufbau, keinen bestimmten Wandler. Form, Öffnung, Übersetzung und Klasse unterscheiden sich je nach Hersteller und Einsatz. Welche Werte gelten, steht auf dem Leistungsschild und im Datenblatt. Die Windungen sind nicht maßstäblich gezeichnet.
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