Hohe Ströme aus erneuerbaren Quellen präzise messen

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Sowohl Gleich- als auch Wechselspannung messen

Die DC-Erzeugung bei erneuerbaren Energien, insbesondere in verteilten Systemen, erfordert also eine DC- als auch AC-Messung. Leider schließt dies Stromwandler aus, die vor allem für die AC-Messung verwendet werden und den Vorteil der galvanischen Trennung vom zu messenden Schaltkreis bieten. Hall-Effekt-basierte Stromwandler können DC und AC messen und bieten eine galvanische Trennung – aber nicht die erforderliche Messgenauigkeit von 0,1% oder besser. Hier sind Amperemeter mit Präzisions-Shunt-Widerständen eine Alternative, selbst wenn sie eine separate Isolation erfordern.

Grundlagen der Amperemeter-Shunt-Widerstände

Fast jeder, der Elektrotechnik studiert hat, kennt Amperemeter-Shunt-Widerstände. Im Gegensatz zu gängigen Amperemetern ermöglichen sie die Messung hoher Ströme, da sie den Großteil des Strom am Messgerät vorbeileiten (Shunt; Nebenschlusswiderstand). Dazu wird ein sehr kleiner Widerstand in Serie zur Last eingebracht, was zu einem geringen Spannungsabfall entlang dieses Shunt-Widerstands führt. Mit einem geeigneten Voltmeter lässt sich dieser Spannungsabfall messen. Durch einfache Anwendung des Ohmschen Gesetzes lässt sich daraus der Strom ermitteln. Die Skala des Voltmeters kann direkt in Ampere kalibriert werden.

Bei Amperemeter Shunts sind allerdings noch weitere Aspekte zu beachten. Shunt-Widerstände sind für Voltmeter ausgelegt, die einen Vollausschlag beim maximalen Nennstrom des Shunts anzeigen – in der Regel mit standardisieren Spannungsabfällen von 50, 75 oder 100 mV. Ein Shunt, der für einen 100-A-Betrieb ausgelegt ist, hat bei einem Spannungsabfall von 100 mV dann gerade einmal einen Widerstand von nur 1 mΩ.

Bei höheren Strömen und kleineren Spannungsabfällen fällt dieser Widerstandswert sogar noch kleiner aus. Um die notwendige Genauigkeit zu erzielen, muss der Widerstand nicht nur präzise definiert werden, auch mögliche Messfehler sind auszuschließen. Deshalb weisen Shunt-Widerstände, die hohe Ströme messen sollen, vier Anschlüsse auf: Die Laststrom-Anschlüsse sind getrennt von den Messanschlüssen.

Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor, um die Leistungsfähigkeit von Shunt-basierten Amperemetern zu bestimmen, die 0,5; 0,25 oder sogar 0,1% Genauigkeit bieten sollen. Widerstandselemente aus Manganin-Legierung bieten hohe Präzision und einen sehr niedrigen Widerstands-Temperaturkoeffizienten (TCR). Damit ist ein Betrieb im Temperaturbereich von -40 bis +60 °C möglich. Trotz ihres geringen Widerstands kann die Verlustleistung von Shunt-Widerständen sehr hoch sein, da sie den gesamten Laststrom übertragen. Um die Wärmeabfuhr (durch Wärmeleitung und Konvektion) zu begünstigen, ist ein geeigneter Aufbau erforderlich. Im Dauerbetrieb kann ein Derating erforderlich sein, um den IEEE-Standards für DC-Mess-Shunts zu entsprechen.

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