Montag, 19. Februar 2024 · 0 min read
Was sind die wichtigsten Arten von Stromsensoren?
Es gibt viele verschiedene Arten von Sensoren und Technologien, die zur Strommessung eingesetzt werden: vom herkömmlichen Stromwandler bis hin zur neuesten DC-CT®-Flux-Technologie. So findet man heute eine Lösung für praktisch jede Anforderung bei der Strommessung bzw. Messdatenerfassung. In diesem Artikel werden wir einen Blick auf die wichtigsten dieser Technologien werfen. Dabei werden wir ihre Vor- und Nachteile, ihre Kosten und ihre Eignung für bestimmte Anwendungsbereiche vergleichen und gegenüberstellen.
Was sind die wichtigsten Arten von Stromsensoren?
Herkömmliche Stromwandler (CT)
DC-CT®-Platiše-Fluxsensor
Fluxgate- / Nullflusssensoren
Hall-Effekt-Stromsensoren mit offenem Regelkreis (Open-Loop)
Hall-Effekt-Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis (Closed-Loop)
Faseroptische Stromsensoren
Shunts
Rogowski-Spulen
Vergleich verschiedener Stromsensortechnologien
| Typ | Prinzip | Vorteile | Nachteile | Applikationen | Kosten |
|---|---|---|---|---|---|
| Stromwandler (CT) | Der auf der Sekundärseite induzierte Strom ist proportional zum Primärstrom. | Ausgezeichnete Genauigkeit, hohe Zuverlässigkeit | Begrenzte Bandbreite, Größe und Gewicht mitunter erheblich | Stromnetze, Schutzaufgaben, Messung | Mäßig bis hoch |
| Platiše Flux (e.g., DC-CT®) | Ein Magnetfeld moduliert die Permeabilität eines Kernmaterials. | Sehr hohe Genauigkeit, geringe Temperaturdrift, geringer Stromverbrauch | Bei einigen Anwendungen können höhere Kosten entstehen. | Präzision, Strommessungen mit hoher Bandbreite, Leistungsanalyse | Mäßig bis hoch |
| Fluxgate (Nullfluss) | Ein Magnetfeld moduliert die Permeabilität eines Kernmaterials. | Hohe Genauigkeit, geringe Hysterese | Komplexes Design, erhöhte Kosten, Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, hoher Stromverbrauch | Präzise Strommessungen, Leistungsanalyse | Mäßig bis hoch |
| Open-Loop-Hall-Sensor | Ein Magnetfeld induziert eine Spannung in einem Hall-Element ohne Rückmeldung. | Einfacher Aufbau, kostengünstig | Empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, relativ geringe Genauigkeit | Strommessung für allgemeine Anwendungen | Mäßig |
| Closed-Loop-Hall-Sensor | Ein Magnetfeld induziert eine Spannung; Rückmeldung sorgt für Genauigkeit. | Höhere Genauigkeit, bessere Linearität | Komplexer Aufbau, erhöhte Kosten | Präzisionsanwendungen, Motorsteuerung | Mäßig bis hoch |
| Faseroptisch | Der Faraday-Effekt bewirkt eine Änderung der Lichtpolarisation. | Ausgezeichnete elektrische Isolierung, geeignet für Hochspannungssysteme | Begrenzte Bandbreite, Beeinflussung durch Umweltfaktoren möglich | Hochspannungs- und EMI-empfindliche Umgebungen | Hoch |
| Shunt | Misst den Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand im Strompfad. | Einfach und kostengünstig | Die Verlustleistung kann die Impedanz der Schaltung beeinflussen. | Netzteile, Batterieüberwachung | Niedrig bis mäßig |
| Rogowski-Spule | Die in einer Spule induzierte Spannung ist proportional zur Änderungsrate des Stroms. | Flexibel und nicht-invasiv, geeignet für unregelmäßige Leiterformen | Die Signalintegration erfordert eine zusätzliche Verarbeitung. | Hochfrequenz-Wechselstrommessung, Netzqualitätsanalyse | Mäßig |
Stromwandler
Was ist ein Stromwandler?
Die Hauptfunktion von Stromwandlern ist es, sehr hohe Wechselströme zu teilen bzw. herabzusetzen, um die Sicherheit zu verbessern und die Messung zu erleichtern. Sie wandeln den Strom also nicht wirklich in etwas anderes um, sondern teilen ihn lediglich auf. Die herabgesetzten Ausgangssignale werden zu Überwachungszwecken an Amperemeter oder andere Instrumente sowie für Schutzanwendungen in Stromnetzen an Relais oder andere Systeme weitergeleitet.
Wie funktioniert ein Stromwandler?
Ein Stromwandler (CT) funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Die Änderung des Stroms in einem Wandler induziert durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in einer anderen Spule. Ein Stromwandler hat eine Primärwicklung mit einer einzigen Windung (auch als Stabprimärwicklung bezeichnet), die den vollen Laststrom führt.
Die Sekundärwicklung (B) weist viele Windungen auf, deren Ausgangsgröße einem proportionalen Teil dieses Stroms entspricht. Das Verhältnis von Primär- zu Sekundärwindungen bestimmt den Ausgangspegel, der am Ausgang der Sekundärwicklung (A) gemessen wird.
Stromwandler sind für ihre hohe Genauigkeit und Linearität in dem Messbereich, für den sie ausgelegt sind, bekannt. Daher kommen sie häufig bei Stromerzeugungs- oder Stromübertragungsanwendungen zum Einsatz. Da sie eine galvanische Trennung bieten, sind sie auch für Anwendungen mit sehr hohen Strömen gut geeignet.
Stromwandler sind sowohl mit festem als auch mit geteiltem Kern erhältlich. Ein fester Kern hat eine toroidale Form. Das bedeutet, dass die Stromschiene vom Strom getrennt werden muss, um ihn für die Erfassung der Messdaten durch den Kern zu führen. Bei einigen Anwendungen ist dies jedoch nicht möglich. Bei Stromwandlern mit geteiltem Kern kann der Kern geöffnet werden.
Preiswerte Eisenkern-Stromzangen sind ein weiteres Beispiel für Stromwandler. Sie arbeiten nach dem gleichen Prinzip weshalb nur eine Messdatenerfassung von Wechselstromgrößen möglich ist.
Stromwandler - die wichtigsten Punkte
Stromwandler können sehr hohe Ströme messen.
Stromwandler bieten einen galvanisch getrennten Ausgang.
Stromwandler messen Wechselstromgrößen.
Stromwandler liefern einen herabgesetzten Ausgangsstrom, der proportional zum Primärstrom ist
Stromwandler werden für Sicherheitszwecke und einfachere Messungen eingesetzt.
Fluxgate-Wandler
Fluxgate-Stromwandler nutzen das Prinzip der magnetischen Flussmodulation zur Messung elektrischer Ströme. Sie verfügen über einen Magnetkern aus einem hochpermeablen Material, beispielsweise einer Nickel-Eisen-Legierung.
Der Magnetkern hat in der Regel eine toroidale Form. Die Primärwicklung ist um den Magnetkern gewickelt. Der Strom, der durch die Primärwicklung fließt, induziert ein Magnetfeld im Kern.
Der Magnetkern trägt auch eine Erregerwicklung, die mit Wechselstrom versorgt wird. Der Wechselstrom erzeugt ein Magnetfeld, das den Magnetkern periodisch sättigt und entmagnetisiert und so eine Modulation im Kern bewirkt. Diese Modulation induziert eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung. Eine Rückkopplungsspule liefert eine Rückmeldung an die Erregerspule.
Das Ausgangssignal eines Fluxgate-Sensors ist ein genaues und verzerrungsarmes Abbild des Primärstroms. Es liegt in der Regel in Form eines Niederspannungs-Wechselstromsignals vor, das zur Verwendung in Mess- und Steuersystemen weiterverarbeitet oder umgewandelt werden kann.
Fluxgate-Stromwandler zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit aus und kommen häufig dort zum Einsatz, wo präzise Messdatenerfassung von Strömen unerlässlich sind.
DC-CT®-Stromwandler
Die Marke DC-CT repräsentiert einen neuen Typ von Nullfluss-AC/DC-Wandlern mit Platiše Flux Sensor-Technologie. Es bietet eine verbesserte Bandbreite, Genauigkeit, Stabilität und einen geringeren Energieverbrauch.
Das Herzstück des DC-CT ist eine stromgesteuerte variable Reluktanz. Eine Wicklung in „Unendlichkeitsform“ ist in einen spaltlosen Kern integriert, in dem alle positiven Eigenschaften hochpermeabler Materialien erhalten bleiben.
Das Ergebnis ist ein neuartiger Fluxsensor, der nach seinem Erfinder benannt wurde: der Platiše-Fluxsensor. Der Handelsname DC-CT® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma ISOTEL. Dewesoft stellt den Sensor in Lizenz her.
Im Vergleich zu Hall-Sensoren benötigt die DC-CT-Lösung keinen Luftspalt, wodurch eine sehr hohe Empfindlichkeit und Immunität gegenüber externen Magnetfeldern bewahrt bleibt. Darüber hinaus ist der DC-CT temperaturunabhängig.
Während ein typischer Fluxgate-Wandler den Kern wiederholt um- und entmagnetisiert, muss der DC-CT dies nur gelegentlich tun und ist dadurch energieeffizienter. DC-CT-Sensoren sind für die Messdatenerfassung von Wechselstrom- als auch Gleichstromgrößen geeignet. Es gibt Ausführungen für Ströme im Bereich von 2 A bis 2000 A mit einer Bandbreite von 750 kHz (-3 dB) und einer Zielgenauigkeit von 0,1 % bis 0,01 %. Zu den Anwendungsmöglichkeiten zählt auch der Ersatz von DC/AC-Fehlerstromsensoren des Typs B+.
Hall-Effekt-Stromsensoren
Hall-Effekt-Stromsensoren machen sich den Hall-Effekt zunutze, bei dem in einem Leiter bei Anwesenheit eines Magnetfelds eine senkrecht zur Stromflussrichtung verlaufende Spannung auftritt.
Der Hall-Effekt bezieht sich auf das Entstehen einer Potential- oder Spannungsdifferenz, die als Hall-Spannung bezeichnet wird, in einem elektrischen Leiter. Diese Spannung fällt senkrecht zur Richtung des durch den Leiter fließenden elektrischen Stroms und des angelegten Magnetfelds ab. Sie wurde 1879 von Edwin Hall entdeckt.
Hall-Effekt-Stromsensoren sind berührungslos und bieten eine galvanische Trennung zwischen der Stromquelle und dem Sensorausgang. Sie kommen häufig in Anwendungen zum Einsatz, bei denen eine elektrische Isolierung wichtig ist.
Hall-Effekt-Sensoren sind sowohl mit offenem als auch mit geschlossenem Regelkreis erhältlich. Hall-Effekt-Sensoren mit offenem Regelkreis (Open-Loop-Sensoren) liefern eine Ausgangsspannung (bzw. Ausgangsstrom) proportional zur Stärke des Magnetfelds, die nicht aktiv gesteuert oder kompensiert wird. Open-Loop-Sensoren in der Messdatenerfassung sind anfällig für Umgebungstemperatureinflüsse und Alterungseffekte.
Hall-Effekt-Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis
Hall-Effekt-Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis (Closed-Loop-Sensoren) bieten einen Rückkopplungsmechanismus zur aktiven Kontrolle der Ausgangsspannung. Dieser Rückkopplungskreis passt die Ausgangsgröße bei Änderungen im Magnetfeld an, kompensiert Umgebungsfaktoren wie die Temperatur und sorgt für stabilere und genauere Messungen.
Aufgrund ihrer relativen Komplexität können Sensoren mit geschlossenem Regelkreis teurer sein als solche mit offenem Regelkreis. Sind jedoch eine höhere Genauigkeit und Stabilität bei der Erfassung der Messdaten wichtig, dann sind Closed-Loop-Messwandler die bessere Wahl.
Rogowski-Spulen
Rogowski-Spulen sind flexible Luftkernspulen, die einen stromführenden Leiter umschließen. Sie erzeugen eine Spannung proportional zur Änderungsrate des Stroms. Das Prinzip der Rogowski-Spulen beruht auf der Erfassung der Änderungsrate des Stroms über die Zeit, und sie sind am effektivsten bei der Messung schnell wechselnder oder dynamischer Ströme, wie sie in Wechselstromkreisen vorkommen. Für Gleichstromanwendungen sind sie nicht geeignet.
Rogowski-Spulen sind flexibel und leicht. Ihre Messschleifen sind in zahlreichen verschiedenen Größen erhältlich, und ihr Aufbau macht es einfach, sie für die Erfassung der Messdaten um vorhandene Leiter herumzuführen.
Shunts
Shunts oder Nebenwiderstände werden in Reihe zur Last in einem Stromkreis geschaltet. Bei der Last handelt es sich in der Regel um den Primärstromkreis. Nach dem Ohmschen Gesetz kommt es beim Stromfluss durch einen Widerstand (Shunt) zu einem Spannungsabfall proportional zum Strom.
Shunts sind so ausgelegt, dass sie einen relativ niedrigen Widerstand haben, um diesen Spannungsabfall möglichst niedrig zu halten. So wird gewährleistet, dass die Auswirkung auf den ursprünglichen Stromkreis minimal und die Messung sehr genau ist.
Shunts eignen sich sowohl für Hoch- als auch für Niederstromanwendungen und können sowohl in Wechsel- als auch in Gleichstromsystemen eingesetzt werden. Sie finden sich in Amperemetern, Batteriemanagementsystemen, Stromversorgungen, Motorsteuerungssystemen und tausenden anderen Messdatenerfassungs-Anwendungen.
Faseroptische Stromwandler
Faseroptische Stromwandler nutzen den Faraday-Effekt, bei dem sich die Polarisationsebene des Lichts, das durch eine faseroptische Schleife läuft, unter dem Einfluss des durch den Strom induzierten Magnetfelds dreht. Der Kern des faseroptischen Stromwandlers enthält ein magnetooptisches Material, das empfindlich auf Änderungen des Magnetfelds reagiert.
Faseroptische Stromwandler kommen häufig in Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen für die Messdatenerfassung zum Einsatz, z. B. in Stromverteilungssystemen oder Umspannwerken, in denen eine elektrische Isolierung und genaue Strommessungen von entscheidender Bedeutung sind. Sie bieten Vorteile in Bezug auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Performance in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen.
Fazit
Die Wahl eines Stromsensors hängt von den spezifischen Anforderungen der geplanten messtechnischen Anwendung ab. Stromwandler eignen sich zuverlässig für die Messdatenerfassung hoher Wechselströme, der DC-CT® von Dewesoft ist für hochwertige Wechselstrom- und Gleichstrommessungen geeignet, Hall-Effekt-Sensoren sind vielseitig einsetzbar, und spezielle Sensoren wie faseroptische Stromwandler eignen sich für Hochspannungsumgebungen.
Die Kosten sind unterschiedlich, wobei traditionelle Technologien wie herkömmliche Stromwandler oder Shunt-Widerstände günstiger ausfallen als hochpräzise Aufnehmer wie Flux-, Glasfaser- oder Hall-Effekt-Sensoren.