Einsatz von Fremdwandlern an Shellies der "EM"-Familie

Der erhebliche Preisunterschied zwischen den Original-Stromwandlern für die "Energy Meter"-Shellies und online angebotenen Stromwandlern haben mich dazu bewogen, ein paar Muster vom Laden des wackeren China-Manns zu bestellen:

Hier ein Größenvergleich aller Wandler mit den Originaltypen:

Von links nach rechts:

(a) in blau ein Durchsteckwandler, Typ DL--CT08CL5, Nennstrom 80A, 2000/1

(b) in weiß der 50A-Wandler von Allterco mit offenen Drahtenden

(c) in schwarz der "Split Core"-Wandler OPCT10ATL, Nennstrom 80A, 3000/1

(d) in schwarz der "Split Core"-Wandler OPCT16ATL, Nennstrom 150A, 5000/1

(e) in weiß der 120A-Wandler von Allterco, hier mit Stecker für Shelly 3EM

Das Übersetzungsverhältnis der Originalwandler ist 3000/1. Ich bevorzuge diese Schreibweise: 1:3000 - hier wird IMHO deutlicher, daß auf der Sekundärseite ein 3000fach kleinerer Strom fließt, als auf der Primärseite.

Beide Originalwandler von Allterco haben das gleiche Übersetzungsverhältnis! Sie sind daher für alle drei "EM"-Shellies verwendbar. Lediglich die Konfektionierung der Anschlußleitung unterscheidet sich: Die Stecker für Shelly 3EM haben 4 Pins (von denen nur zwei genutzt werden); für Shelly pro 3EM werden Stecker mit 2 Pins verwendet. Beim Shelly EM werden freie, abisolierte Drahtenden in die entsprechenden Schraubklemmen eingeführt. Der Unterschied in der Größe bestimmt (u.a.) die Sättigungsmagnetisierung des Ferritkerns, also die maximale Stromstärke, die hinreichend genau gemessen werden kann.

In den Wandlern sind TVS-Dioden eingebaut, die bei Leerlauf der Wandler (Kabel abgesteckt, aber zu messender Leiter stromführend) die hohe Sekundärspannung auf 5 bis 10V_pp begrenzen. Die erste Frage war: Sind in den Billig-Wandlern ebenfalls solche Dioden eingebaut?

Da die Wandler nicht beschädigt werden sollten, erfolgte der Nachweis mittels Messung:

Im gelben Graph der Allterco-Wandler (50A); in blau der China-Wandler OPTC10ATL. Beide Wandler befinden im Leerlauf OHNE Bürdenwiderstand. Eine Betriebsart, die Stromwandler ganz und garnicht mögen: Wären keine Spannungsbegrenzer (TVS-Dioden) vorhanden, würden die sehr hohen Spannungen auf der Sekundärseite den Wandler unverzüglich zerstören! Man erkennt deutlich an der Rechteckform des Spannungsverlaufs, daß beide Wandler die Sekundärspannung begrenzen: Der Allterco-Wandler auf rd. 15V_pp, das China-Teil auf rd. 35V_pp.

Mit einem Bürdenwiderstand (20 Ω) sind die Kurven zum Verwechseln ähnlich:

Wegen des Meßprinzips kann man voraussetzen, daß JEDER Wandler mit dem Übersetzungsverhältnis 1:3000 an den drei Shelly-Typen eingesetzt werden kann. Weil bei Shelly 3EM und pro 3EM die Möglichkeit des Selbst-Kalibrierens gegeben ist, sind die Fremdwandler sogar mit einem werkskalibrierten Originalwandler in Übereinstimmung zu bringen. Beim Shelly EM fehlt diese Möglichkeit - hier muß man genauer hinsehen...

Wandler mit abweichendem Übersetzungsverhältnis können dann an den Shellies eingesetzt werden, wenn man den entstehenden Meßfehler durch Zuschaltung eines parallen Widerstands zur internen Bürde korrigieren kann. Das gelingt prinzipiell immer dann, wenn das Übersetzungsverhältnis des Fremdwandlers KLEINER ist als 1:3000. Denn dann fließt auf der Sekundärseite ein größerer Strom als beim 1:3000-Wandler, der mit dem Parallelwiderstand ausgeglichem werden kann. Nun hat der oben unter (d) gezeigte "Split Core"-Wandler OPTC16ATL ein Übersetzungsverhältnis von 5000/1! Das war nicht so geplant, entstand jedoch aus einer Fehllieferung. Dumm gelaufen - aber 10 St. Wandler nach China zurückzusenden macht nicht wirklich Sinn...

Glücklicherweise gibt es beim Shelly 3EM die Einstellung "Range Extender" (nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen WLAN-Feature bei Shellies der Generation 2!). "Range Extender" verdoppelt die Empfindlichkeit und kann für jeden der vier Meßkanäle separat konfiguriert werden. Damit gelingt es, diesen Wandlertyp am Shelly 3EM zu verwenden.

Eine Tabelle zeigt die erforderlichen Parallelwiderstände:

Anmerkungen:

*1: Kein Parallelwiderstand erforderlich

*2: Nicht anwendbar

*3: "Range Extender" aktivieren

Die Herleitung des Rechengangs zur Bestimmung der zusätzlichen Parallelwiderstände würde hier zu weit führen. Gerne gebe ich darüber bei Interesse gesondert Auskunft.

Der ggfs. erforderliche Parallelwiderstand kann leicht, sicher und sauber mit den Steckverbindern zu Shelly 3EM und pro 3EM verbaut werden:

Beim Shelly EM ist dies sehr viel schwieriger zu lösen, weil der Parallelwiderstand an den Schraubklemmen nur schwer sicher montiert werden kann. Schließlich liegen bei diesem Shelly die Klemmen P1+/- und P2+/- auf dem Potential des Außenleiters! Hier empfehle ich, ausschließlich Fremdwandler mit Übersetzungsverhältnis 1:3000 zu nutzen und die verdrillten Leitungen mit einem zusätzlichen Isolierschlauch zu versehen. (Die Stromwandler-Anschlüsse beim Shelly 3EM und pro 3EM liegen auf dem Potential des Neutralleiters.)

Kalibrierung

Am Shelly 3EM und pro 3EM sind die Fremdwandler sehr einfach zu kalibrieren: Nach dem Anschluß der ggfs. erforderlichen Parallelwiderstände schließt man den Fremdwandler (z.b.) an Kanal B an und den werkskalibrierten Originalwandler an Kanal A. Man wählt "Kalibrieren Kanal B von Kanal A", schließt beide Wandler an EINEN Leiter, der eine Mindestlast (500W) führt und lässt die Kalibrierung laufen. Beide Kanäle müssen natürlich an Netzspannung angeschlossen sein.

Die Ergebnisse sehen dann so aus:

(1:5000-Wandler an Kanal C, Range Extender an C aktiviert)

(Durchsteckwandler 1:2000 an Kanal B)

Mit beiden Ergebnissen kann man zufrieden sein - nicht jedoch mit dem Powerfaktor von -1 beim Shelly pro 3EM...

Nun fehlt ja beim Shelly EM die Möglichkeit der Kalibrierung. Daher muß man mit den Exemplarstreuungen der Wandler (auch der der Originalwandler!) leben. Wie das aussieht, zeigt ein Vergleich der Werte des Originalwandlers an Kanal 1 mit dem Fremdwandler (c) OPTC10ATL an Kanal 2:

Auch dieses Ergebnis ist zufriedenstellend - bis auf den negativen Powerfaktor! Der war noch bei FW 1.11.8 positiv...

Zum Abschluß ein Datenblatt der OPCT16AL-Serie:

(Quelle: AliExpress)

(Genau: Den OPCT16AL-3000/1 hatte ich geordert. Leider kam es anders...)

Das Angebot an Stromwandlers auf chinesischen Online-Plattformen ist von der Anzahl der auftretenden Händler gesehen unüberschaubar. Allerdings gleichen sich die angebotenen Produkte sehr, ebenso die Produktbezeichnungen. Daher kann ich hier keine Empfehlungen geben. Schaut man sich die Preise an, so lässt sich - insbesondere mit dem Durchsteckwandler (a) - gutes Geld und (b) etwas Einbauplatz sparen. Weil ich zur Dämpfung des Einflusses der Versandkosten gleich mehrere Wandler gekauft habe, bin ich gerne bereit, einige zum Selbstkostenpreis abzugeben. Gerne auch fertig konfektioniert...

Ich kann mich nur wiederholen: Theoretisch und praktisch sind die beiden Wandlertypen an allen drei Shelly "EM"s anwendbar. Hindernisse stellt die Elektromechanik in den Weg (Anschlußtechnik)...