Messtipp
Große und kleine Ströme präzise messen
Mit Stromwandlern und einem hochpräzisen Leistungsanalysator lassen sich Ströme von wenigen mA bis 100 A ohne Anpassung des Messaufbaus erfassen – und das ganz einfach, wie der Messtipp von Yokogawa zeigt.
Industrie und Handwerk setzen elektrische Verbraucher mit hohen Anschlussleistungen ein, wodurch Ströme von 50 A und mehr auftreten. Diese lassen sich mit Stromwandlern einfach messen. Doch auch im Ruhemodus, wenn nur wenige Milliampere fließen, muss die Leistungsaufnahme oft hochpräzise erfasst werden. Die Herausforderung dabei ist, Messungen über einen großen Strombereich hinweg ohne Änderung des Messaufbaus präzise durchzuführen.
Wie misst man Leistung nun in solchen Szenarien?
Meist drängt sich bei dieser Frage zuerst die Formel P = U · I · cos ϕ auf. Allerdings lässt sie sich hier nur sehr eingeschränkt anwenden, zudem arbeitet ein digitales Leistungsmessgerät anders. Ein solches berechnet die Kurve p(n) durch Multiplikation aufeinanderfolgender Abtastwerte u(n) × i(n) und bildet daraus innerhalb des Messintervalls den Mittelwert P. Dabei gilt der elementare Grundsatz, dass nur gleichfrequente Anteile von Spannung und Strom einen Wirkleistungsbeitrag leisten können.
Die Kurvenformdarstellung des Leistungsanalysators WT5000 (Bild 1) zeigt den Strom eines Verbrauchers am 50-Hz-Stromversorgungsnetz. Die grüne Kurve ist sehr stark verrauscht, weil sie sehr klein ist und über einen 100-A-Stromwandler gemessen wird. Der Präzisions-Nullflusswandler CT 100 von Signaltec wird verwendet, um sowohl sehr kleine Ströme (z. B. im Standby), als auch hohe Ströme bis 100 A ohne Änderung des Messaufbaus messen zu können.
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Kann der Leistungsanalysator WT5000 die Wirkleistung trotz des kleinen, verrauschten Stroms korrekt messen?
Ja, denn das Rauschen stellt ein breitbandiges Frequenzspektrum dar, das mit der 50-Hz-Spannung keine Wirkleistung bildet. Nur der 50-Hz-Anteil im Strom trägt mit der 50-Hz-Spannung zur Wirkleistung bei. Kontrollieren kann man diesen Effekt sehr einfach mit einer ebenfalls im Bild 1 (rechte Seite) dargestellten Vergleichsmessung und der Harmonischen Analyse.
Sensorelement 1 misst den Strom über den Nullflusswandler. Die Vergleichsmessung über Leistungselement 2 verwendet den Direktstromeingang. Im Display sind Messwerte aus breitbandigen Messungen und der Harmonischen Analyse zu sehen. Messwerte für die Versorgungsspannung zeigen, dass es dort keinen nennenswerten Oberschwingungsanteil gibt, denn Urms = Ufnd (fnd = Fundamental).
Die Vergleichsmessung mit Element 2 ergibt einen Effektivwert von Irms2 = 1,61 mA, in dem ein Grundschwingungsanteil von Ifnd2 = 1,15 mA enthalten ist. Dieser Grundschwingungsanteil zeigt sich auch bei der Messung über den Nullflusswandler an Sensorelement 1. Der breitbandige Effektivwert ist dort allerdings aufgrund des Rauschens sehr viel größer.
Dennoch zeigen sowohl die breitbandigen Leistungsmesswerte als auch die Werte aus der Harmonischen Analyse übereinstimmend eine Wirkleistung von 0,21 W. Für die Wirkleistung ist lediglich der Strom von 1,15 mA bei Grundschwingung relevant. Er steuert den 100-A-Stromwandler nur zu 0,00115 aus. Am Eingang des WT5000-Sensorelements werden daraus aufgrund des CT-100-Teilerverhältnisses 2,3 µA. Dennoch gelingt die Messung reproduzierbar mit hoher Genauigkeit.
Für die Grundschwingungswerte kann man nun auch mit eingangs erwähnter Formel rechnen: Pfnd = Ufnd · Ifnd · cos ϕfnd = 0,21 W. Denn die Grundschwingungswerte für sich betrachtet stellen sinusförmige Verhältnisse bei 50 Hz dar.
Autor: Matthias Schöberle, Business Development Manager Leistungsmesstechnik bei Yokogawa.
Yokogawa auf der PCIM: Halle 9, Stand 400
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