Ein Stromwandler erfasst Wechselströme und wandelt sie in ein kleineres, für Energiezähler oder Messgeräte auswertbares Signal um. Der Begriff Current Clamp wird allgemein für aufklappbare Stromsensoren verwendet. In diesem Artikel bezeichnet er primär einen aufklappbaren Stromwandler für Wechselstrom, der auch Split-Core-Stromwandler oder Strommessklemme genannt wird.

Stromwandler kurz zusammengefasst

• Stromwandler ermöglichen die Messung hoher Wechselströme, die nicht direkt von einem Energiezähler oder Messgerät verarbeitet werden können.
• Eine Current Clamp lässt sich normalerweise um einen bestehenden Leiter legen, ohne diesen für die Montage aufzutrennen.
• Für die vollständige phasengenaue Messung wird üblicherweise pro Phase ein eigener Stromwandler eingesetzt.
• Für die Berechnung von Wirkleistung und Energie werden zusätzlich Spannung, Phasenzuordnung und Phasenverschiebung benötigt.

Wie funktioniert ein Stromwandler?

Ein klassischer Stromwandler arbeitet nach dem Transformatorprinzip. Der zu messende Leiter bildet die Primärseite. Das vom Wechselstrom erzeugte Magnetfeld induziert auf der Sekundärseite ein kleineres, proportionales Stromsignal. Industrielle Stromwandler liefern häufig einen normierten Sekundärstrom von 1 A oder 5 A.

Das Übersetzungsverhältnis beschreibt den Zusammenhang zwischen Primär- und Sekundärstrom. Bei einer Current Clamp mit 500 A/5 A entsprechen beispielsweise 500 A auf der Primärseite einem Sekundärstrom von 5 A. Das angeschlossene Messgerät muss mit diesem Verhältnis konfiguriert werden, damit es den tatsächlichen Primärstrom korrekt berechnet.

Kompaktere Stromsensoren können stattdessen ein mA- oder Spannungssignal ausgeben. Die Signalart und der Messbereich müssen mit dem Eingang des verwendeten Energiezählers oder Messgeräts kompatibel sein.

Eine Current Clamp besitzt einen aufklappbaren Kern und kann nachträglich um einen bestehenden Leiter montiert werden. Dadurch vereinfachen Split-Core-Stromwandler die Installation in bestehenden Anlagen. Clamps mit geschlossenem Kern können je nach Bauform und Genauigkeitsklasse eine höhere Messgenauigkeit bieten, erfordern für die Montage jedoch normalerweise das Trennen des Leiters.

Rogowski-Spulen sind flexible Stromsensoren für große oder stark dynamische Wechselströme. Ihr Ausgangssignal hängt von der zeitlichen Änderung des Stroms ab. Deshalb benötigen sie eine zusätzliche elektronische Auswertung beziehungsweise einen Integrator.

Klassische Stromwandler nach dem Transformatorprinzip erfassen keine konstanten Gleichströme. Für Gleichstrom oder kombinierte AC-/DC-Messungen werden andere Sensorprinzipien benötigt, beispielsweise Hall-Effekt-Sensoren.

Die reine Strommessung reicht nicht aus, um Wirkleistung und Energie zu bestimmen. Das Messsystem muss zusätzlich die Spannung und die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung erfassen. In mehrphasigen Systemen ist außerdem die korrekte Zuordnung der Strom- und Spannungsphasen entscheidend.

Wo werden Stromwandler und Current Clamps eingesetzt?

Stromwandler kommen überall dort zum Einsatz, wo elektrische Ströme überwacht oder daraus Leistungs- und Energiewerte berechnet werden sollen. Typische Anwendungen sind:

• Am Netzanschlusspunkt unterstützen Stromwandler die Erfassung von Netzbezug und Einspeisung.
• In Unterverteilungen oder an einzelnen Maschinen schaffen sie Transparenz über die Energieverteilung und den Verbrauch bestimmter Anlagenbereiche.
• In PV-Anlagen und BESS werden sie zur Ermittlung von Erzeugungs-, Lade-, Entlade- und Netzleistungen eingesetzt.
• In EMS-Anwendungen liefern die daraus berechneten Messwerte Rückführgrößen für Eigenverbrauchsoptimierung, Lastspitzenkappung oder Einspeisebegrenzung.

Messgenauigkeit, Installation und technische Grenzen

Messbereich und Genauigkeitsklasse müssen zur jeweiligen Anwendung passen. Ein stark überdimensionierter Stromwandler kann kleine Ströme nur ungenau erfassen. Gleichzeitig darf der erwartete maximale Strom den vorgesehenen Messbereich nicht überschreiten, da sonst Messabweichungen oder eine Sättigung des Wandlers auftreten können.

Für eine vollständige phasengenaue Messung wird üblicherweise pro Phase ein eigener Stromwandler eingesetzt. Bestimmte Messverfahren in Dreileitersystemen können davon abweichen und mit zwei Current Clamps arbeiten.

Bei der Betriebsstrom- und Leistungsmessung darf die Klemme nur den jeweils zu messenden einzelnen Leiter umfassen. Werden Hin- und Rückleiter gemeinsam erfasst, können sich ihre Magnetfelder gegenseitig aufheben. Bei Differenzstrommessungen werden dagegen bewusst mehrere aktive Leiter gemeinsam durch einen Sensor geführt, um einen möglichen Fehler- oder Ableitstrom zu erkennen.

Auch die Einbaurichtung ist relevant. Viele Stromwandler besitzen dafür einen Pfeil oder Kennzeichnungen wie P1/P2 beziehungsweise K/L. Eine umgekehrte Einbaurichtung kann zu falschen Vorzeichen und damit zu einer Vertauschung von Bezug und Einspeisung führen.

Bei klassischen Stromwandlern mit Stromausgang darf der Sekundärkreis im belasteten Betrieb nicht unzulässig geöffnet werden. Dabei können gefährlich hohe Spannungen entstehen. Installation, Prüfung und Änderungen müssen deshalb durch qualifizierte Elektrofachkräfte erfolgen. Zusätzlich sind die Herstellerangaben des jeweiligen Wandlers und Messgeräts zu beachten.

Verarbeitung der Messwerte mit EcoPhi

EcoPhi kann Messwerte kompatibler Energiezähler und Messgeräte erfassen, speichern und visualisieren. Die Stromwandler werden dabei üblicherweise an das jeweilige Messgerät angeschlossen. Dieses verarbeitet die Eingangssignale und stellt die daraus berechneten Strom-, Leistungs- und Energiewerte über eine Kommunikationsschnittstelle bereit.

In einem EMS können diese Messwerte als Rückführgröße für Regelalgorithmen dienen. Der Controller vergleicht beispielsweise die gemessene Leistung am Netzanschlusspunkt mit einem definierten Soll- oder Grenzwert und passt angebundene PV-Wechselrichter, BESS oder andere steuerbare Anlagen entsprechend an.

Die konkrete Umsetzung hängt von der eingesetzten Messhardware, den verfügbaren Schnittstellen, der Aktualisierungsrate und der erforderlichen Messqualität ab. Je nach Projekt können eine spezifische Konfiguration oder zusätzliche Integrationsleistungen erforderlich sein.

Stromwandler im Energiemanagement zusammengefasst

Stromwandler machen hohe Wechselströme für Messsysteme auswertbar. Aufklappbare Varianten ermöglichen häufig eine nachträgliche Montage, ohne den Leiter aufzutrennen. Belastbare Leistungs- und Energiewerte setzen eine passende Dimensionierung, korrekte Installation und die zusätzliche Erfassung der Spannung voraus.

Häufige Fragen zu Stromwandlern

Was ist der Unterschied zwischen einem Stromwandler und einer Current Clamp?

Ein Stromwandler bezeichnet ein Messgerät, das einen Wechselstrom in ein kleineres proportionales Signal umwandelt. Current Clamp ist ein weiter gefasster englischer Begriff für aufklappbare Stromsensoren. Dazu zählen Split-Core-Clamps, je nach Ausführung aber auch Sensoren mit anderen Messprinzipien.

Können Stromwandler auch Gleichstrom messen?

Klassische Stromwandler nach dem Transformatorprinzip können keinen konstanten Gleichstrom erfassen. Für Gleichstrommessungen werden beispielsweise Hall-Effekt-Sensoren oder andere geeignete Messverfahren verwendet.

Kann ein Stromwandler direkt die Wirkleistung messen?

Nein. Ein Stromwandler liefert zunächst ein stromabhängiges Signal. Zur Berechnung der Wirkleistung benötigt das Messgerät zusätzlich die Spannung, die korrekte Phasenzuordnung und die Phasenverschiebung.

Was bedeutet die Angabe 500 A/5 A?

Die Angabe bezeichnet das Übersetzungsverhältnis. Bei einem Primärstrom von 500 A liefert der Stromwandler unter seinen festgelegten Betriebsbedingungen einen Sekundärstrom von 5 A.