Warum müssen bei Bestellung von Leistungsmessumformern die Primärwerte von Strom- und Spannungswandlern und der Leistungsendwert angegeben werden?

Die Bemessung von Leistungsmessumformern

• Im Gegensatz zur Auslegung von Standard-Messumformern für elektrische oder physikalische Größen erfordert die Bemessung von Leistungsmessumformern bei der Bestellung einige zusätzliche Überlegungen, die im Folgenden skizziert werden sollen
• Die Beziehung zwischen Eingang und Ausgang eines Messumformers lässt sich im allgemeinen mit Hilfe einer einfachen Wertezuordnung festlegen 

z.B. Wechselstrom-Messumformer 0 .. 1A  --> 0 .. 20mA

• Im Falle eines Leistungsmessumformers ist die Angabe des Leistungs-Messbereiches (W, KW, MW bzw.VAr) zwar notwendig aber leider nicht hinreichend. Neben dem Endwert der Leistung werden zusätzlich Angaben zu den Bemessungswerten der Strom- und Spannungseingänge benötigt. Soll der Messumformer auf Primärwerte (Normalfall, also für die Leistung der Wandler-Primärseite) kalibriert werden, müssen zusätzlich die Übersetzungsverhältnisse der Strom- und Spannungswandler bekannt sein
  

Beispiel: In einem Drehstromsystem mit Stromwandlern von 1500/5A und Spannungswandlern von 6000/100V soll eine Wirkleistungsmessung durchgeführt werden. Es liegen folgende Auslegungsdaten vor:

• Netzart: 3- Leiter Drehstromnetz (die Belastungsart ist hier egal)
• Eingang: 5 A und 100 V
• Ausgang: 4 … 20 mA
  

Obwohl die Angabe der Leistung fehlt, wäre mit diesen Angaben der Leistungsmessumformer sekundärseitig kalibrierbar, aber die Leistung, die sich beim Anlegen von 5 A und 100 V ergibt, ist nur in Ausnahmefällen die, die angezeigt werden soll. 

Warum?

• Aus der Gleichung für die Wirkleistung (Pw) in Drehstromsystemen errechnet sich mit Hilfe dieser Angaben:
• Pw = U x I x √3  --> 100 x 5 x 1,732 = 866 W
  

Diese Wirkleistung stellt sich auf der Wandler-Sekundärseite für den Sonderfall cos phi = 1 ein, wenn 100 V anstehen und 5 A von der Last aufgenommen werden.

Um die Primärleistung zu erhalten, muss die Sekundärleistung (die Leistung hinter den Wandlern, im Beispiel = 866 W) mit den Wandlerübersetzungen multipliziert werden:

Pprim = Psek x Ü(u) x Ü(i) = 866 W x 6000/100 x 1500/5 = 15,588 MW

Die Dimensionierung des Messumformers auf diesen Endwert (15,588 MW) führt aber in der Praxis zu einer Reihe von Nachteilen:

• Die Skalen nachgeschalteter Anzeige- oder Registriergeräte sind wegen des "krummen" Endwertes schlecht ablesbar (Teilung!)
• Die Messspanne wird nicht voll genutzt, weil der cos phi in der Praxis immer kleiner als 1 ist, oder weil die Stromwandler im Netz auf künftige Erfordernisse hin (über-)dimensioniert wurden
  

Eine sinnvolle Dimensionierung ergibt sich aber, wenn für das oben angeführte Beispiel angenommen wird, dass die Stromwandler leistungsgerecht dimensioniert sind und die Anlage mit einem angenommenen cos phi von kleiner oder höchstens 0,9 arbeitet.  Dann errechnet sich die maximale Primärleistung zu:

Pw = 15,588 MVA x 0,9 = 14,03 MW

Der Messbereichsendwert wird aus den erwähnten Gründen ganzzahlig angenommen und auf 14 MW festgelegt. (Diese Angabe liefert normalerweise der Betreiber aufgrund seiner Anlagenkenntnisse.) Jetzt muss allerdings noch geprüft werden, ob der Messbereichsendwert von dem Leistungsmessumformer auch abgedeckt werden kann. Es gibt Grenzen, die durch den sogenannten Eich- oder* Kalibrierfaktor* („c") festgelegt werden.

Der Eichfaktor (Kalibrierfaktor) wird als Quotient aus den beiden Werten Ps und Pw errechnet und muss sich (geräteab­hängig, bitte dem Datenblatt entnehmen) innerhalb der Grenzen z.B. 0,75 …1,3 befinden:

Eichfaktor = Pw / Ps

Die Scheinleistung Ps errechnet sich in Drehstromnetzen wie folgt:

Ps = U x I x √3

Für das Beispiel gilt folglich: Eichfaktor = 14 / 15,588 = 0,898

Der Eichfaktor liegt also innerhalb der Grenzen. Damit ist die Dimensionierung des Leistungsmessumformers abgeschlossen.

Überprüfung / Kalibrierung:
Bei der Überprüfung bzw. Umkalibrierung von Leistungsmessumformern ist unbedingt der Eichfaktor zu beachten! Es wäre beim obigen Beispiel also nicht korrekt, nur 100 V und 5 A anzulegen, um ein Ausgangssignal von 20 mA zu erhalten (übrigens ein häufig gemachter Fehler).

Vielmehr muss einer der Eingangswerte (egal, ob die 100 V oder die 5 A) mit dem Eichfaktor multipliziert und erst dann aufgeschaltet werden. Also z.B. 5 A * 0,898 = 4,49 A.

Beim Anlegen von 100 V und 4,49 A muss der Messumformer 20 mA liefern.