Elektrische Leistungsmessung An den Grenzen der Physik

Präzisions-Leistungsmessgerät an der Spitze des technisch Machbaren.
Präzisions-Leistungsmessgerät an der Spitze des technisch Machbaren.

Mit dem Präzisions-Leistungsanalysator WT5000 stellt Yokogawa ein neues Messgerät an die Spitze des technisch Machbaren. Es ist zugleich eine Plattform für Leistungsmessungen, die noch viel Potenzial für neue Komponenten und Funktionen bereithält.

Die Anforderungen an die Genauigkeit elektrischer Leistungsmessungen steigen stetig. Dies gilt besonders, wenn Messungen qualitätsrelevant sind, normative Vorgaben eingehalten werden müssen oder selbst gesteckte und nach außen kommunizierte Produkteigenschaften nachzuweisen sind. Genaue und belastbare Leistungsmessungen sind in der Antriebs- und Beleuchtungstechnik sowie an Haus- und Bürogeräten gefragt. Sie sind zum Beispiel auch für die heiß diskutierten Reichweitenspezifikationen von Elektrofahrzeugen entscheidend.

Weitere Herausforderungen ergeben sich aus der Tatsache, dass die zu analysierenden Spannungs- und Stromverläufe immer komplexer und hochfrequenter werden. So scheint ein Ende in der Weiterentwicklung der Umrichter noch lange nicht erreicht. Damit steigt jedoch auch die Notwendigkeit, diese komplexen Signale in ihre Frequenzkomponenten zu zerlegen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, beschreitet der Leistungsanalysator WT5000 von Yokogawa mit der neuen digitalen Parallelpfad-Technologie und den sehr leistungsfähigen dualen Harmonischen Analysen (siehe Kasten: Harmonischen Analyse und Leckeffekt) innovative Wege.

Hohe Messgenauigkeit bis zu hohen Frequenzen

Der Präzisions-Leistungsanalysator WT5000 verfügt über eine hohe Leistungsbandbreite und misst Leistungen bei Direktströmen bis 33 A mit Frequenzen bis 1 MHz mit hoher Genauigkeit. Um zwei Beispiele zu nennen: Bei DC ist die Leistungsmessgenauigkeit 0,08 %, bei Netzfrequenz sogar 0,035 %. Diese Werte sind außerordentlich und bei einem empfohlenen Bestätigungsintervall von einem Jahr für eine Bereichsaussteuerung von 100 % garantiert. Für diese 100 % Bereichsaussteuerung ist bei Leistungsmessungen mit dem WT5000 das Produkt der Nennwerte des Spannungs- und Strombereichs anzusetzen.

Dennoch sind auch die Spezifikationen des WT5000, wie von Yokogawa gewohnt, konservativ gehalten. Hierfür gibt es gewichtige Argumente: Konservative Spezifikationen stellen sicher, dass der WT5000 über einen großen Zeitraum hinweg vertrauenswürdige Messergebnisse liefert. Darüber hinaus bieten sie den erforderlichen »Platz« für das Messunsicherheitsbudget der Kalibriermesstechnik. So kann die Einhaltung der Spezifikationen regelmäßig überprüft und bestätigt werden. Eine regelmäßige Bestätigung ist insbesondere für End-of-Line-Messungen wichtig, denn mit typischen Genauigkeitsangaben lässt sich die Produktionsqualität nicht nachweisen.

Für die hohe Messgenauigkeit im WT5000 sorgen unter Anderem »schlanke« Eingangsschaltungen, die wenig Angriffspunkte für Streukapazitäten, parasitäre Induktivitäten und Übersprecheffekte geben. Dem Strommesspfad (Shunt-Design) der Direktstromeingänge des WT5000 kommt eine besondere Bedeutung zu.

Trotz Umsetzung aller technisch möglichen Maßnahmen bleiben die Direktstromeingänge die Achillesferse eines Präzisions-Leistungsanalysators. Hier entscheidet sich maßgeblich, bis zu welchen Frequenzen stabile und genaue Leistungsmesswerte zu erwarten sind. Selbst kleinste induktive Anteile sind für die Bandbreite eines Stromeingangs und eventuelle Phasenänderungen relevant. Eine große ohmsche Widerstandskomponente des Strommesswiderstandes würde dem zwar entgegenwirken, verursacht jedoch andere unerwünschte Effekte.

Neben den weiterentwickelten analogen Eingangsschaltungen trägt auch der neue AD-Umsetzer – mit reduziertem Offset, nun 18 bit Auflösung und einer Abtastfrequenz von 10 MHz – zur weltbesten DC- und AC-Genauigkeit in der elektrischen Leistungsmesstechnik bei. Offsetspannungen können jedoch auch in externen Sensoren und Wandlern auftreten. Sie lassen sich mit den »Nullfunktionen« des WT5000 kompensieren, um die bestmögliche Messgenauigkeit der Messkette sicherzustellen.

Höchste Bereichsdynamik

Viele Messaufgaben stellen hohe Anforderungen an die Dynamik der Spannungs- und Stromeingänge. Hier zwei Beispiele:

  • Am Ausgang eines Umrichters treten pulsweitenmodulierte Spannungen mit hohen Scheitelfaktoren (Crest-Faktor, Quotient aus größtem Amplitudenwert und Effektivwert) auf. Dies gilt insbesondere, wenn Betriebspunkte die Modulation kleiner Spannungen erfordern. Denn dann sind der Effektivwert der Spannung bei Grundschwingungsfrequenz und auch der Gesamteffektivwert zwar klein, die Spitzenwerte sind jedoch groß. Dieser Effekt ist besonders stark ausgeprägt, wenn die Zwischenkreisspannung nicht variabel ist.
  • Elektroautos werden für die Typzulassung nach dem WLTP- (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure) Fahrzyklus getestet. Er ermittelt die Reichweite des Fahrzeugs realitätsnah auf einem Prüfstand. Um fit für den Fahrzyklus zu sein, muss eine Vielzahl elektrischer Leistungsmessungen in der Entwicklungsphase durchgeführt werden. Dabei sorgen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge, Geschwindigkeitsprofile und Fahrzeugstillstand für eine sehr hohe Dynamik, die auch seitens der Leistungsmesstechnik gefordert ist. Zur Ermittlung der Reichweiten sind vor allem Messungen zwischen Batteriesystem und Umrichter interessant. Hier wird neben den Leistungswerten sowohl die aus der Batterie entnommene Energie (Entladen) als auch die rückgespeiste Energiemenge (Rekuperation) gemessen.

Die hohe Dynamik der Tests bei Lastwechseln ist vor allem für die präzise Messung der Stromkomponente sehr herausfordernd. Der WT5000 sorgt dafür, dass kleine Aussteuerungen der Spannungs- und Strombereiche nicht im Rauschen untergehen. Spannungen und Ströme mit Effektivwerten von 1 % bis 130 % des eingestellten Bereichs sind von der Genauigkeitsspezifikation abgedeckt. Darüber hinaus gibt es noch viel »Dynamik-Reserve«, um Spannungen und Strömen mit hohen Scheitelfaktoren gerecht zu werden.

In der Standardeinstellung des WT5000 sind die Bereichs-Scheitelfaktoren auf »3« eingestellt. Deshalb dürfen die größten Amplitudenwerte 300 % des eingestellten Bereichs betragen, sofern eine Spitzenspannung von 1600 V nicht überschritten wird. Da der eingestellte Bereich 100 % entspricht und die Spezifikationen bereits für Effektivwerte von 1 % gültig sind, können Spannungen und Ströme mit Scheitelfaktoren bis zu 300 gemessen werden. Das ist einzigartig. In Bild 1 ist dargestellt, welche Leistungsmessgenauigkeit der WT5000 bei DC und bei 1 kHz garantiert.