Höhere Geschwindigkeit dank spezieller FPGAs und Pipeline-Verarbeitung Transiente Leistungsmessung - schneller denn je

Präzisions-Leistungsmessung vom Standby-Verbrauch bis hin zur Hochenergie-Anwendung im Megawatt-Bereich: Der Leistungsanalysator WT1800 von Yokogawa.

Für sehr schnelle, transiente Leistungsmessungen hat Yokogawa den Leistungsanalysator WT1800 entwickelt. Die neue Gerätegeneration wartet gegenüber den Vorgängermodellen mit einem fünffach größeren Frequenzbereich und einer zehnfach höheren Abtastrate auf. Dank FPGA-Technik und Pipeline-Verarbeitung ermöglicht der neue WT1800 im High-Speed-Modus bis zu 1000 Messungen pro Sekunde.

Von Johann Mathä, Marketing Manager Test- und Messtechnik bei Yokogawa Deutschland.

Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, arbeiten Umrichter und Wechselrichter mit immer höheren Frequenzen und schnelleren Schaltern. Genaue Messungen sind damit nur noch mit Leistungsmessern möglich, die einen breiteren Frequenzbereich abdecken. Außerdem müssen diese Geräte in der Lage sein, die Leistung nicht nur im stationären Zustand bei geringen Schwankungen von Frequenz und Amplitude zu messen, sondern auch im nichtstationären Zustand, wenn transiente Leistungen entstehen, beispielsweise bei Anfahr- und Bremsvorgängen von Motoren oder Generatoren.

 

Yokogawa hat den Leistungsanalysator WT1800 speziell im Hinblick auf diese Forderungen entwickelt. Gegenüber den Vorgängermodellen zeichnet er sich bereits durch eine zehnfach höhere Abtastrate von 2 MSample/s bei 16 Bit Auflösung und einen fünffach größeren Frequenzbereich von 5 MHz aus. Der WT1800 lässt sich außerdem mit einem High-Speed-Datenerfassungsmodus (Option /HS) zur Messung von Leistung im nichtstationären Zustand erweitern. Die Standardversion des WT1800 kann Spannung und Strom auf drei Phasen mit einer Aktualisierungsrate von 50 ms messen. Mit der High-Speed-Option ist dies alle 5 ms (externe Synchronisation abgeschaltet) oder sogar im 1-ms-Raster (externe Synchronisation eingeschaltet) möglich.

 

FPGA für die schnelle Echtzeit-Verarbeitung

Um die Abtastraten beim WT1800 erhöhen zu können, musste die Echtzeit-Berechnung der Leistung beschleunigt werden. Dies wurde durch den Einsatz eines speziellen FPGA-Bauteils (Field Programmable Gate Array) erreicht, das für solche Leistungsberechnungen optimiert ist. Das FPGA rechnet die von den A/D-Wandlern erhaltenen Messdaten in verschiedene Werte um wie z.B. einfache Mittelwerte von Spannung und Strom (DC), gleichgerichteter Mittelwert bezogen auf den Effektivwert (MEAN), echter Effektivwert (RMS) und Wirkleistung (P).

In lang integrierenden Leistungsanalysatoren werden diese Berechnungen normalerweise von einem digitalen Signalprozessor (DSP) mit entsprechender Firmware, also von universell einsetzbaren Bauelementen ausgeführt. Dadurch lassen sich derartige Berechnungen meist kaum beschleunigen. Das für schnelle Leistungsberechnungen optimierte FPGA im WT1800 enthält für jeden Prozess spezielle Rechner, wodurch Parallel- und Pipeline-Verarbeitungen möglich sind.