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Breitbandige Stromwandler-Referenz für Kalibrierungen

Kategorien:
  • Metrologie für die Wirtschaft
04.12.2023

Aufgrund der zunehmenden „Verschmutzung“ der Nieder- und Mittelspannungsnetze mit Stromoberschwingungen bis 150 kHz, die durch die zunehmende Integration elektronischer Komponenten wie zum Beispiel leistungsstarke Umrichtersysteme hervorgerufen werden, ergibt sich die Frage nach der Eignung und der Kalibrierung von Stromsensoren für die nachgelagerte Leistungs- und Energiemessung.

 

Das nationale ZIM-Projekt „Stromkalib“ hat sich zum Ziel gesetzt, dafür die messtechnischen Grundlagen zu schaffen und zugehörige Dienstleistung in einem DAkkS-akkreditierten Kalibrierlabor aufzubauen. Das Projektkonsortium bestand aus einem Hersteller für Leistungsverstärker, einer Universität, einem Kalibrierlabor, einem Unternehmen mit dem Schwerpunkt Netzqualität und der PTB. Ziele waren der Aufbau und die Evaluierung von geeignete Messanordnungen unter Berücksichtigung leistungsstarker Stromquellen sowie von geeigneten Referenzstromsensoren, letztere für Stromstärken von bis zu 1500 A für die Grundschwingung und von bis zu 50 A für überlagerte Oberschwingungen bis 150 kHz.

Der PTB kam dabei die Aufgabe zu, sowohl eine breitbandige Referenz für Oberschwingen zu entwickeln als auch ein geeignetes Messsystem zu evaluieren. Hierfür wurde ein Stromwandler für eine nominale Stromstärke von 50 A aufgebaut, der rein passiv arbeitet und hinsichtlich des verwendeten Materials für den Transformatorkern und seiner Windungszahlen für den hohen Frequenzbereich optimiert wurde. Für den Transformatorkern wurden nanokristalline Ringbandkerne eines deutschen Herstellers verwendet, die eine nahezu verlustfreie und flache Hystereseschleife aufweisen. Auch auf die Wicklungsanordnung der Primär- und Sekundärwicklung wurde besonderes Augenmerk gelegt. Der Sekundärstrom des Wandlers (Stromstärke nominal 200 mA), der koaxial über eine eigene Anschlussbox angeschlossen wird, wird dabei mittels eines integrierten breitbandigen Messwiderstandes von 5 Ω in eine Ausgangsspannung von 1 V konvertiert. Diese kann nun dem nachfolgend angeschlossenen Messsystem zugeführt werden.

Passive Stromwandler weisen im unteren Frequenzbereich prinzipbedingt relativ hohe Messabweichungen auf, die durch die Widerstände der Transformatorwicklungen und durch den Messwiderstand selbst verursacht werden. Eine elektronische, abschaltbare Kompensationsschaltung für den Stromwandler und für den Messwiderstand verringert solche Effekte bei der neuen Stromwandler-Referenz, wodurch der nutzbare Frequenzbereich auf den Frequenzbereich zwischen 17 Hz und 150 kHz erweitert werden konnte. Die dabei erreichten Messabweichungen liegen im Bereich von höchstens 0.02 % bei Fehlwinkeln, die einer Zeitverzögerung von höchstens 4 ns entsprechen.

 

Aufbau des Breitband-Stromsensors bis 100 A, bestehend aus Stromwandler mit Anschlussbox für die Kompensation und integriertem Messwiderstand

Bild: Aufbau des Breitband-Stromsensors bis 100 A, bestehend aus Stromwandler mit Anschlussbox für die Kompensation und integriertem Messwiderstand.

 

 

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