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Elektrische Leistungsmessung

An den Grenzen der Physik

7. Januar 2019, 9:00 Uhr | Von Matthias Schöberle

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Digitale Parallelpfad-Technologie

Komplexe Messaufgaben erfordern, dass breitbandige Leistungsmessungen und Harmonischen Analysen flexibel kombiniert werden können. Mit der neuen digitalen Parallelpfad-Technologie des WT5000 steht erstmalig ein Leistungsanalysator zur Verfügung, der sowohl Grundschwingungen als auch Oberschwingungen bis zur 500. Harmonischen vollkommen unabhängig von der breitbandigen Messung analysiert. Das bedeutet, dass auch die Line-Filter separat für die Parallelpfade der breitbandigen Messung und der Harmonischen Analyse eingestellt werden können. Dies ist in Bild 5 zu sehen. Die separaten Line-Filter für die Parallelpfade sind als digitale Filter realisiert. Dadurch gibt es weder Rückwirkungen auf den anderen Pfad noch irgendwelche anderen Einschränkungen. Jeder Pfad kann sehr einfach mit der gewünschten Bandbreite versehen werden.Die Charakteristika der Line-Filter sind wahlweise Butterworth oder Bessel vierter Ordnung. Für die Auswahl der Filtercharakteristik ist entscheidend, ob ein lineares Amplitudenverhalten oder ein günstiges Phasenverhalten im Vordergrund steht. Günstiges Phasenverhalten bedeutet, dass Signalanteile unterschiedlicher Frequenzen gleich verzögert werden.

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Das ist für ein gutes Rechteckübertragungsverhalten wichtig. Ausgedrückt wird dies durch die Gruppenlaufzeit. Bei konstanter Gruppenlaufzeit ist die Verzögerung aller Frequenzkomponenten gleich und es gibt keine Phasenverzerrungen.
Vereinfacht ausgedrückt gilt:

Lineares Amplitudenverhalten: Butterworth-Filter.

Konstante Gruppenlaufzeit für gutes Rechteckübertragungsverhalten: Bessel-Filter.
Lineares Amplitudenverhalten und kontante Gruppenlaufzeit: Alle Line-Filter ausschalten.

Ergänzt werden die digitalen Line-Filter durch ein analoges 1-MHz-Tiefpassfilter. Es ist ein Bessel-Filter fünfter Ordnung und kann bei Bedarf zugeschaltet werden. Der 1-MHz-Tiefpass verhindert sicher Aliasing-Effekte durch Frequenzkomponenten oberhalb der halben Abtastfrequenz des AD-Umsetzers und reduziert eventuelle hochfrequente Störungen.

Frequenzmessungen und Synchronisation

Für die breitbandige Leistungsmessung werden die Abtastwerte der AD-Umsetzer der Spannungs- und Strompfade für jedes Messintervall zu einem Leistungswert verarbeitet. Im einfachsten Fall geschieht dies durch Mittelwertbildung der Leistungskurve über der Zeit. Sie entsteht, indem die Abtastwerte von Spannung und Strom für jeden Abtastzeitpunkt zu einem Leistungs-Momentanwert multipliziert werden.

Um für jedes Messintervall einen plausiblen Leistungswert zu berechnen, ist es bei diesem Verfahren wichtig, komplette Signalperioden zu erfassen. Eine Leistungsmessung über eine Teilperiode ist wenig sinnvoll, denn sie bringt nicht das erwartete Ergebnis. Dies zeigt sich insbesondere, wenn elektrische Leistungen bei niedrigen Frequenzen in kleinen Messintervallen gemessen werden.
Zwei Messmethoden des WT5000 führen aus diesem Dilemma, die alternativ eingesetzt werden können:

Sync Source Period Average: Die Messungen werden auf ganzzahlige Perioden synchronisiert. Zu diesem Zweck wird die Periodendauer der eingestellten Synchronisationsquelle anhand der Signalflanken bestimmt. Bei den bisherigen Leistungsanalysatoren von Yokogawa wurde die Periodendauer durch Nulldurchgangsdetektoren ermittelt. Der WT5000 bietet dafür deutlich mehr Möglichkeiten. Auf die einstellbaren Schwellwerte und die zuschaltbare Gleichrichtung wird noch näher eingegangen.
Digital Filter Average: Dieses digitale Mittelungsverfahren benötigt keine Synchronisation. Es verwendet ein digitales Filter, das auf alle Abtastwerte angewendet wird. Die Messperiode ist in diesem Fall grundsätzlich für alle Leistungselemente gleich und unabhängig von der Periodendauer der zu messenden Signale. Deshalb führt diese Methode zu stabileren Messwerten und ist die erste Wahl für präzise Messungen modulierter Signale und anderer Frequenzgemische.

Ob der WT5000 mit »Sync Source Period Average« oder »Digital Filter Average« arbeitet kann für jede Intervallgröße (50 ms bis 20 s) eingestellt werden.

Insbesondere bei dem digitalen Mittelungsverfahren »Digital Filter Average« ist der Rechenaufwand enorm. In Echtzeit müssen aus den Abtastwerten der AD-Umsetzer die Leistungswerte inklusive der Maxima und Minima der Wirkleistung berechnet werden. Für Spannungen und Ströme liefert der Yokogawa WT5000 Gesamt-Effektivwerte (RMS), AC- und DC-Anteile, Gleichrichtwerte, größte und kleinste Amplitudenwerte sowie Scheitelfaktoren simultan für jedes Messintervall.

Die Synchronisation der breitbandigen Messmethode »Sync Source Period Average« basiert meistens auf einer Spannung oder einem Strom. Zu diesem Zweck gibt es die Synchronisationsquellen »Sync Src FrqU« und »Sync Src FrqI« für jedes Leistungselement (Bild 6). Auch ein externes Signal kann zur Synchronisation der Messungen eingespeist werden. Hierfür ist der WT5000 mit einem zusätzlichen Eingang ausgestattet. Somit kann der Anwender die zur Messaufgabe passenden Synchronisationsquellen für jedes Leistungselement sowie für die Motorauswertungen von Drehzahl und Drehmoment flexibel auswählen.

Die aus Spannungen und Strömen gewonnenen Frequenzwerte sind für viele weitere Messergebnisse wichtig, so auch für die Messergebnisse aus den beiden Harmonischen Analysen. Für jede Harmonischen Analyse kann der Anwender »Sync Src FrqU« oder »Sync Src FrqI« als Quelle für die Synchronisation wählen und über die bereits erwähnten PLLs stabilisieren. Anschließend stehen präzise Referenzfrequenzen für leckfehlerfreie Harmonischen Analysen zur Verfügung.

Aufgrund der zentralen Bedeutung dieser Frequenzen bietet der WT5000 viele neue, hilfreiche Funktionen zur Frequenzaufbereitung:

Hochpassfilter und Tiefpassfilter können kombiniert werden, um die für Synchronisation und Harmonischen Analyse benötigte Frequenz zu filtern.
Eine zuschaltbare Gleichrichtung eröffnet die Möglichkeit, die doppelte Frequenz einer AC-Komponente für Synchronisationszwecke oder eine Harmonischen Analyse zu ermitteln.
Aufgrund einstellbarer Schwellwerte lässt sich jeder Amplitudenwert zur Frequenzbestimmung heranziehen.

Diese Funktionen erschließen vielfältige neue Anwendungsgebiete. So ist es beispielsweise bei Motorsteuerungen mit Hilfe der einstellbaren Schwellwerte möglich, die Grundschwingungsfrequenz des AC-Anteils (Rippel) der Zwischenkreisspannung zu bestimmen. Aus dieser Frequenz und der Polzahl des Motors lässt sich die Synchrongeschwindigkeit des Drehfeldes berechnen und anzeigen. Dies ist von großem Interesse, wenn zwischen Umrichter und Motor keine Anschlussmöglichkeit für Messtechnik besteht.

Ist der Ausgang eines Umrichters zugänglich, so ermöglicht die Filtertechnologie des WT5000 die Selektion der Taktfrequenz. Auch diese Frequenz kann dann gezielt für eine Harmonischen Analyse verwendet werden, um die Verlustleistungen bei Harmonischen der Taktfrequenz zu ermitteln.

Ebenso neu ist die Möglichkeit, für jeden Spannungs- und jeden Strompfad zwei Frequenzen zu messen. Somit kann die Grundschwingungsfrequenz und die Taktfrequenz am Ausgang eines Umrichters gleichzeitig erfasst werden. Neben den beschriebenen kontinuierlichen Messungen, die synchron für jedes Messintervall durchgeführt werden, bietet der Leistungsanalysator WT5000 auch einen Update Mode »Trigger«. Hier werden Messungen für die Dauer eines Intervalls immer dann gestartet, wenn ein Trigger ausgelöst wird. Auslöser kann zum Beispiel ein Einschaltstromstoß sein.

Modularität, Konfigurationsvielfalt und Skalierbarkeit

Der Leistungsanalysator WT5000, in einem kompakten 19“-Gehäuse, kann bis zu sieben elektrische Leistungsmessungen simultan durchführen und gleichzeitig die mechanischen Leistungen von vier Motoren erfassen. Anzahl und Typ der Leistungselemente kann der Anwender sehr einfach an seine aktuelle Messaufgabe anpassen. Zu diesem Zweck ist jedes Leistungselement solide gekapselt und in Minutenschnelle vor Ort austauschbar. Der Kalibrierstatus sowohl der Leistungsmessmodule als auch des Leistungsanalysators selbst bleibt davon unberührt.

Bild 7 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel aus dem Automobilbereich. Für jeden der vier Radnabenantriebe sollen Eingangsleistung und abgegebene mechanische Leistung gemessen werden. Die Schnittstelle zwischen Umrichter und Motor ist aufgrund der kompakten Bauweise nicht zugänglich. Um diese Messaufgabe mit dem WT5000 zu lösen, werden vier Leistungselemente und die beiden Motor-Optionen benötigt. Hohe Welligkeit auf der Gleichspannung? Kein Problem, der WT5000 misst AC-, DC- und Gesamt-Effektivwert sowie größte und kleinste vorkommende Amplitudenwerte. Gleichzeitig bestimmt er die Wirkungsgrade der einzelnen Radnabenantriebe, die Achsen-bezogenen Wirkungsgrade sowie den Wirkungsgrad für das komplette Fahrzeug und misst die Frequenzen der Spannungswelligkeit.

Sieben Leistungselemente für elektrische Messungen und vier Motorauswertungen von Drehzahl und Drehmoment sind für die meisten Anwendungen ausreichend. Sind zusätzliche Leistungsmesskanäle erforderlich, können mehrere WT5000 miteinander synchronisiert werden.

So können beispielsweise vier WT5000 mit 28 elektrischen Leistungsmesskanälen und Motorauswertungen von 16 Drehzahl- und Drehmomentsignalen synchron messen. Ein praktisches Anwendungsbeispiel hierfür sind Messaufgaben an vier Sechsphasenmotoren inklusive der vier DC-Leistungsmessungen.

Die Konfigurationsmöglichkeiten der beiden Motor-Optionen zeigt Bild 8. Für jede Motor-Option kann »Single Motor« oder »Double Motor« ausgewählt werden. Als weitere Alternative gibt es die Einstellung »Auxiliary« (im Bild nicht ersichtlich) zur Messung von Gleichspannungen und Pulsen.