In modernen Energiezählsystemen ist eine genaue Strommessung entscheidend. Der Atmel M90E32AS ist ein leistungsfähiger Mehrphasen-Energiezähler-IC mit großem Dynamikbereich, der in verschiedenen Energiezählern und Geräten zur Leistungsüberwachung eingesetzt wird. Stromwandler (CTs) spielen eine unverzichtbare Rolle dabei, Signale aus Stromkreisen mit hoher Spannung und hohen Strömen sicher und präzise zur Verarbeitung an den M90E32AS zu übertragen. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise von Stromwandlern und ihren korrekten Anschluss an den M90E32AS für eine zuverlässige Strommessung.
Der Atmel M90E32AS ist ein leistungsfähiger integrierter Schaltkreis für die mehrphasige Energiemessung. Er enthält sechs unabhängige Sigma-Delta-AD-Wandler zweiter Ordnung, die dreiphasige Spannungs- und Stromsignale gleichzeitig verarbeiten können. Der interne digitale Signalprozessor (DSP) des Chips führt komplexe Berechnungen mit den von den AD-Wandlern erfassten Daten durch und ermittelt wichtige Energieparameter wie Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung, Leistungsfaktor, Frequenz sowie die Effektivwerte (RMS) von Spannung und Strom. Der M90E32AS unterstützt die Stromerfassung über einen Stromwandler (CT) oder eine Rogowski-Spule und die Spannungserfassung über ein Widerstandsteilernetzwerk.
Der M90E32AS-Chip besitzt drei Paare differenzieller Stromeingangsanschlüsse: I1P/I1N, I2P/I2N und I3P/I3N. Sie dienen der Messung des dreiphasigen Stroms. Diese Anschlüsse sind die Eingänge der analogen AD-Wandlerkanäle. Durch die flexible Zuordnung der Kanäle lassen sie sich an unterschiedliche Konfigurationen dreiphasiger Systeme anpassen, etwa an Drei- und Vierleitersysteme.
Der AD-Wandler im Chip wandelt das analoge Stromsignal in ein digitales Signal um. Der M90E32AS bietet einen großen Dynamikbereich und eine hohe Genauigkeit, sodass über einen breiten Strombereich präzise Messungen möglich sind. Laut Datenblatt erfolgt die Stromerfassung über einen Stromwandler (CT) oder eine Rogowski-Spule (di/dt-Spule) [1]. Der externe Sensor wandelt das Stromsignal somit in ein für den M90E32AS geeignetes Spannungssignal um.
Der DSP des M90E32AS berechnet nicht nur Energieparameter, sondern unterstützt auch eine Verstärkungs- und Phasenwinkelkompensation, um Fehler durch externe Sensoren und Schaltungen zu korrigieren. Dies ist entscheidend für die Genauigkeit des gesamten Messsystems. Der Chip bietet außerdem programmierbare Schwellwerte für den Anlauf und die Leerlaufleistung sowie die Überwachung transienter Strom- und Spannungssignale. Dank dieser Funktionen kann der M90E32AS auch unter komplexen Netzbedingungen stabil und zuverlässig arbeiten.
Ein Stromwandler (CT) ist ein spezieller Transformator, der hohe Ströme für Mess-, Schutz- und Steuerungszwecke proportional in kleinere Ströme umwandelt. Seine Hauptfunktionen sind die galvanische Trennung und die Skalierung des Stroms. Das Funktionsprinzip eines Stromwandlers beruht auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion: Fließt Strom durch die Primärwicklung (gewöhnlich der Leiter, der durch die Mitte des Stromwandlers verläuft), erzeugt er einen magnetischen Fluss im Kern. Dieser Fluss induziert in der Sekundärwicklung eine elektromotorische Kraft, wodurch ein Sekundärstrom entsteht.
Das Übersetzungsverhältnis eines Stromwandlers ist das Verhältnis seines primärseitigen Nennstroms zum sekundärseitigen Nennstrom, beispielsweise 100 A/5 A oder 100 A/0,1 A. Das bedeutet: Fließen primärseitig 100 A, beträgt der sekundärseitige Ausgangsstrom 5 A beziehungsweise 0,1 A. Für Energiezähler werden typischerweise Stromwandler mit einem Sekundärstrom im Milliamperebereich oder darunter gewählt, damit ein direkter Anschluss an den Stromeingang des Messchips möglich ist.
Die Genauigkeitsklasse eines Stromwandlers gibt seinen Messfehler innerhalb des Nennstrombereichs an. Beispielsweise bedeutet ein Stromwandler der Klasse 0,2S innerhalb eines bestimmten Strombereichs einen Fehler von höchstens ±0,2 %. Dies ist für die hochpräzise Energiemessung entscheidend.
Die Bürde eines Stromwandlers bezeichnet die Impedanz des Messinstruments oder Geräts, das an seine Sekundärseite angeschlossen ist. Der Sekundärkreis eines Stromwandlers muss stets geschlossen sein. Andernfalls kann bei offenem Stromkreis an der Sekundärseite eine hohe Spannung entstehen, die den Stromwandler beschädigen oder Personen gefährden kann. Isolation: Stromwandler sorgen für eine galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen Hochspannungsstromkreis und dem sekundärseitigen Niederspannungsmesskreis und erhöhen so die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.
Bei der Energiemessung werden Stromwandler häufig verwendet, um hohe Ströme im Hauptstromkreis zu messen. Sie wandeln das Signal des hohen Stroms im Hauptstromkreis in ein schwächeres Strom- oder Spannungssignal um, das der Messchip verarbeiten kann. Das schützt den Messchip vor der direkten Einwirkung hoher Spannungen und Ströme und macht die Auslegung des Messsystems flexibler und sicherer.
Beim Anschluss von Stromwandlern an den Atmel-M90E32AS-Chip muss die Signalaufbereitung sorgfältig ausgelegt werden, um Messgenauigkeit und Schutz des Chips zu gewährleisten. Die Stromeingangsanschlüsse des M90E32AS-Chips (I1P/I1N, I2P/I2N und I3P/I3N) sind differenzielle Eingänge. Sie messen die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen. Daher muss der Ausgangsstrom des Stromwandlers üblicherweise über einen Messwiderstand in ein Spannungssignal umgewandelt werden, bevor es an die differenziellen Eingänge des Chips gelangt.
Sehen wir uns den Anschluss eines Stromwandlers (CT) an. Üblicherweise wird seine Sekundärseite an einen niederohmigen Shunt-Widerstand angeschlossen. Wenn Strom durch den Shunt-Widerstand fließt, entsteht an ihm ein zum Strom proportionaler Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall dient als Eingangssignal für den AD-Wandler des M90E32AS-Chips.
Bei einer einphasigen Strommessung wird der Sekundärausgang des Stromwandlers an den Shunt-Widerstand angeschlossen, der wiederum mit den Anschlüssen I_P und I_N des M90E32AS-Chips verbunden ist. Um die Messgenauigkeit zu verbessern und Gleichtaktstörungen zu unterdrücken, wird üblicherweise ein Kondensator parallel zum Shunt-Widerstand geschaltet, sodass ein RC-Filternetzwerk entsteht. Darüber hinaus kann ein Spannungsteilernetzwerk oder eine Vorspannungsschaltung erforderlich sein, um eine geeignete Vorspannung bereitzustellen und sicherzustellen, dass der AD-Wandlereingang innerhalb des Betriebsbereichs des M90E32AS liegt.
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