In der industriellen Automatisierung, im Energiemanagement und bei der Zustandsüberwachung von Anlagen werden Strommessumformer häufig eingesetzt, um primärseitigen Wechselstrom in standardisierte Gleichsignale wie 0–1 V, 0–5 V, 0–10 V oder 4–20 mA umzuwandeln. Diese können von SPS, Messgeräten oder Datenerfassungssystemen einfach verarbeitet werden.
Je nachdem, wie der Effektivwert verarbeitet wird, werden diese Messumformer üblicherweise in Ausführungen mit RMS-Ausgang und TRMS-Ausgang eingeteilt. Beide können den Effektivwert des primärseitigen Stroms als Gleichsignal darstellen, unterscheiden sich jedoch erheblich darin, welche Eingangswellenformen sie verarbeiten können.
Hinweis: „DC-RMS-Ausgang“ bedeutet nicht, dass die Gleichstromkomponente gemessen wird. Vielmehr wird der Effektivwert des Wechselstroms durch ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal dargestellt.
Der Effektivwert (RMS) eines Wechselstroms beschreibt dessen Wärmewirkung an einer ohmschen Last und entspricht hinsichtlich dieser Wirkung einem Gleichstrom bestimmter Stärke.
Er ist wie folgt definiert:
Bei einer idealen Sinuswelle gilt für das Verhältnis zwischen dem Effektivwert und dem Spitzenwert des Stroms:
Strommessumformer wandeln den gemessenen Effektivwert in ein analoges Gleichsignal um. Bei einem Messumformer mit einem Messbereich von 0–100 A und einem Ausgang von 4–20 mA beträgt das theoretische Ausgangssignal bei einem primärseitigen Strom von 50 A beispielsweise etwa 12 mA.
In der Praxis übliche Messumformer mit RMS-Ausgang arbeiten meist durch Gleichrichtung, Filterung und Mittelwertbildung des Eingangssignals. Der Messumformer ermittelt zunächst den Mittelwert der gleichgerichteten Wechselstromwellenform und rechnet ihn anschließend anhand eines festen, auf einer idealen Sinuswelle beruhenden Faktors in den Effektivwert um.
Dieses Verfahren benötigt eine vergleichsweise einfache Schaltung und bietet Vorteile wie geringe Kosten, gute Stabilität und ein gleichmäßiges Ansprechverhalten. Bei sinusförmigen Strömen mit Netzfrequenz oder Wechselströmen mit geringer Verzerrung liefert es gute Messergebnisse.
Dieses Umrechnungsverhältnis setzt jedoch voraus, dass die Eingangswellenform annähernd sinusförmig ist. Bei Begrenzung, Phasenanschnitt, Impulsen oder ausgeprägten Oberschwingungen verändert sich das Verhältnis zwischen dem gleichgerichteten Mittelwert und dem tatsächlichen Effektivwert. Dadurch kann das Ausgangssignal des Messumformers erhebliche Fehler aufweisen.
Der YHDC SCT016T-D beispielsweise hat eine selbstversorgte, teilbare Bauform nach dem Stromwandlerprinzip. Nach Gleichrichtung und Filterung des Sekundärsignals liefert er 0–1 V DC oder 0–5 V DC. Er benötigt keine externe Stromversorgung und eignet sich für die Nachrüstung von Verteilerschränken, die Überwachung des Energieverbrauchs von Gebäuden und die Erfassung der Betriebsströme allgemeiner Geräte.
Für die Übertragung über größere Entfernungen kann der teilbare Zweidraht-Messumformer TST016T die Messergebnisse in ein 4–20-mA-Signal umwandeln. Die Zweidrahtschnittstelle ermöglicht eine einfache Verdrahtung und ist wenig störanfällig. Damit eignet sie sich für den Anschluss an SPS und industrielle Steuerungssysteme.
Für die zentrale Installation in Schaltschränken bietet der YHDC TCAH eine geschlossene Bauform und die Montage auf einer Hutschiene. Als Ausgänge stehen 4–20 mA oder 0–10 V zur Verfügung. Er eignet sich für neue Stromverteilerschränke, Komplettanlagen und die Überwachung üblicher Lasten mit Netzfrequenz.
Für Sammelschienen mit hohen Strömen, dicke Kabel oder Anwendungen mit wenig Einbauraum kann eine Rogowski-Spule eingesetzt werden. Die YHDC TRV02-Serie von Integratoren für Rogowski-Spulen liefert 4–20 mA oder 0–1 V. Sie eignet sich für die Messung an Sammelschienen mit Netzfrequenz, leistungsstarken Heizgeräten und Wechselstromsignalen mit hohen Strömen und annähernd sinusförmiger Wellenform.
TRMS steht für True Root Mean Square, also den echten Effektivwert. TRMS-Messumformer verarbeiten den Eingangsstrom durch Quadrieren, Mittelwertbildung und anschließendes Ziehen der Quadratwurzel entsprechend der Definition des Effektivwerts. Daher können sie neben idealen Sinuswellen auch verschiedene nicht sinusförmige Wellenformen messen.
Solange Amplitude, Frequenz und Scheitelfaktor des Eingangsstroms innerhalb der für das Produkt angegebenen Grenzen liegen, können TRMS-Messumformer die tatsächliche Wärmewirkung verzerrter Ströme genauer abbilden.
Der YHDC THT2032 beispielsweise verfügt über eine geschlossene Bauform und liefert 4–20 mA oder 0–10 V. Er eignet sich für den Einbau in neue Schaltschränke oder Komplettanlagen. Im Vergleich zu herkömmlichen RMS-Messumformern eignet er sich besser für Frequenzumrichter, Sanftanlasser, Systeme mit unterbrechungsfreier Stromversorgung, Gleichrichternetzteile und Thyristorlasten.
Für Anwendungen mit hohen Strömen oder solche, bei denen herkömmliche Messumformer mit geschlossenem Kern unpraktisch sind, können die Hall-Stromintegratoren der Serie YHDC TRS02 eingesetzt werden. Diese Serie liefert Ausgangssignale von 4–20 mA oder 0–1 V und kann verzerrte, gepulste und oberschwingungsreiche Wechselströme genauer messen. Sie eignet sich damit für Frequenzumrichter, Wechselrichter, Schweißgeräte und Sammelschienen mit hohen Strömen.
Hinweis: Rogowski-Spulen können keinen konstanten Gleichstrom messen. TRMS bezeichnet die Berechnung des echten Effektivwerts einer zeitlich veränderlichen Stromwellenform. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Produkt den echten Effektivwert von Wechselstrom mit Gleichstromanteil messen kann.
Der wesentliche Unterschied liegt nicht in der Ausgangsschnittstelle. Sowohl RMS- als auch TRMS-Produkte können Gleichspannungs- oder 4–20-mA-Signale ausgeben. Entscheidend ist, wie der Messumformer den Effektivwert des Eingangsstroms intern berechnet.
| Vergleichskriterium | Messumformer mit RMS-Ausgang | Messumformer mit TRMS-Ausgang |
|---|---|---|
| Verfahren zur Effektivwertbestimmung | Üblicherweise wird der gleichgerichtete Mittelwert gemessen und anhand des Verhältnisses für Sinuswellen umgerechnet. | Der echte Effektivwert wird durch Quadrieren, Mittelwertbildung und anschließendes Ziehen der Quadratwurzel berechnet. |
| Messung von Sinuswellen | Genau | Genau |
| Messung verzerrter Wellenformen | Kann zu erheblichen Fehlern führen. | Ist in der Regel genauer. |
| Geeignete Lasten | Lineare oder wenig verzerrende Lasten wie Motoren mit Netzfrequenz, Heizungen und Beleuchtung. | Frequenzumrichter, Gleichrichter, Systeme mit unterbrechungsfreier Stromversorgung und andere nichtlineare Lasten. |
| Schaltungsaufwand | Gering | Hoch |
| Produktkosten | In der Regel gering | In der Regel hoch |
| Beispielprodukte | SCT016T-D, TST016T, TRV02, TCAH | THT2032, TRS02 |
Bei Anwendungen mit stabiler Netzfrequenz, deren Lasten überwiegend aus ohmschen und induktiven Verbrauchern sowie herkömmlichen Motoren mit Netzfrequenz bestehen, ist die Stromwellenform meist annähernd sinusförmig. Ein Messumformer mit RMS-Ausgang reicht dann für die Überwachung aus.
Für die Nachrüstung bestehender Stromverteilungskreise können die teilbaren Modelle SCT016T-D oder TST016T verwendet werden. Für die zentrale Installation in Schaltschränken eignet sich der geschlossene, auf einer Hutschiene montierte TCAH. Für Sammelschienen mit hohen Strömen kann der TRV02 zusammen mit einer Rogowski-Spule eingesetzt werden.
Am Ausgang von Frequenzumrichtern liegt üblicherweise eine PWM-modulierte Wellenform an. Der Strom kann erhebliche hochfrequente Anteile und Oberschwingungen enthalten. Herkömmliche RMS-Messumformer bilden den tatsächlichen Effektivwert möglicherweise nicht genau ab. Deshalb sollten TRMS-Produkte bevorzugt werden.
Für neue Anlagen mit kleinen bis mittleren Strömen kann der geschlossene THT2032 verwendet werden. Für Sammelschienen mit hohen Strömen, dicke Kabel oder beengte Einbauverhältnisse eignen sich die Integratoren für Rogowski-Spulen der Serie TRS02.
Thyristoren regeln die Ausgangsleistung, indem sie den Leitwinkel in jeder Periode verändern. Obwohl die Grundfrequenz des Stroms weiterhin 50 Hz oder 60 Hz beträgt, ist die Wellenform nicht mehr rein sinusförmig.
In solchen Fällen können herkömmliche RMS-Messumformer erhebliche Messfehler verursachen. Deshalb sollten Messumformer mit TRMS-Ausgang wie die Serien THT2032 oder TRS02 eingesetzt werden.
Wenn das Stromsignal vor allem dazu dient, festzustellen, ob eine Anlage läuft oder stillsteht, oder Lastverläufe zu analysieren, und die gemessene Wellenform relativ stabil ist, sind RMS-Produkte in der Regel wirtschaftlicher.
Wenn die Messergebnisse zur Beurteilung der Leitererwärmung, des Lastfaktors, von Überlastzuständen oder des Betriebs frequenzgeregelter Geräte verwendet werden, liefern TRMS-Produkte zuverlässigere Effektivwertdaten.
Sowohl RMS- als auch TRMS-Strommessumformer können primärseitigen Wechselstrom in ein standardisiertes Gleichsignal umwandeln. Sie unterscheiden sich jedoch darin, welche Eingangswellenformen sie verarbeiten können.
Für Lasten mit annähernd sinusförmigem Stromverlauf, etwa in herkömmlichen Stromverteilungssystemen mit Netzfrequenz, bei ohmschen Heizungen, Beleuchtung und Motoren mit Netzfrequenz, können Produkte mit RMS-Ausgang wie SCT016T-D, TST016T, TRV02 oder TCAH gewählt werden, um Messanforderungen und Betriebskosten in Einklang zu bringen.
Bei Frequenzumrichtern, Systemen mit unterbrechungsfreier Stromversorgung, Wechselrichtern, Gleichrichtern, thyristorgesteuerten Leistungsreglern, Schweißgeräten und anderen nichtlinearen Lasten sollten Produkte mit TRMS-Ausgang wie THT2032 oder TRS02 bevorzugt werden. Ihr gemessener Strom-Effektivwert bildet die tatsächliche Wärmewirkung besser ab.
Empfehlung zur Auswahl: Stellen Sie bei der Wahl eines Modells zuerst fest, ob der zu messende Strom eine ideale Sinuswellenform aufweist. Bei annähernd sinusförmigem Verlauf genügt ein RMS-Produkt. Weist die Wellenform deutliche Verzerrungen, Impulse oder Oberschwingungen auf, sollte ein TRMS-Produkt gewählt werden.
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