Messtechnik für E-Antriebe
Hochvolt- und Motordaten präzise verknüpfen
Steigende Spannungen und komplexe Antriebssysteme erhöhen die Anforderungen an die Leistungsmesstechnik. Ein neuer Leistungsanalysator von Yokogawa führt elektrische und mechanische Messgrößen in einer gemeinsamen Plattform zusammen und vereinfacht Wirkungsgradanalysen damit deutlich.
Für Anwendungen in Elektromobilität, Energiespeicherung und Leistungselektronik hat Yokogawa den Präzisions-Leistungsanalysator WT1500 entwickelt. Er ermöglicht Direktspannungsmessungen bis 2000 V DC beziehungsweise 1500 V AC, verarbeitet optional Resolver- und Encoder-Signale direkt im Gerät und lässt sich zu Messsystemen mit bis zu 20 synchronisierten Leistungskanälen sowie bis zu 20 Drehmoment- und Drehzahlmessungen ausbauen. Damit vereint es Funktionen, für die bislang häufig mehrere Messsysteme erforderlich waren.
Im kompakten 2HE-Design (für 19-Zoll-Rack) des WT1500 mit einer Bauhöhe von ca. 88 mm können bis zu vier Leistungsmodule sowie bis zu vier Motorauswertungen implementiert werden.
Hintergrund der Entwicklung sind die steigenden Anforderungen moderner Prüfaufgaben. Höhere Batteriespannungen, schnell schaltende Leistungshalbleiter und komplexe elektrische Antriebe verlangen nach Messsystemen, die elektrische Leistungsdaten und mechanische Größen wie Drehzahl, Drehmoment oder Rotorposition präzise miteinander verknüpfen können. Gleichzeitig sollen sich Prüfstände möglichst einfach aufbauen und flexibel erweitern lassen. Genau auf diese Anforderungen zielt die neue Gerätegeneration ab.
Wenn der Kilovolt-Bereich zum Standard wird
Sowohl in der Elektromobilität als auch bei Energiespeichersystemen steigen die Betriebsspannungen kontinuierlich. Moderne Wechselrichter, Batteriesysteme und Leistungselektroniken arbeiten zunehmend im Kilovolt-Bereich. Für Messingenieure bedeutet das häufig den Einsatz externer Hochspannungsteiler, die zusätzlichen Aufwand verursachen und die Messkette um weitere Unsicherheitsfaktoren erweitern.
Das High-Voltage-Modul des WT1500 ermöglicht Direktspannungsmessungen bis 2000 V DC beziehungsweise 1500 V AC. Dadurch entfallen zusätzliche Spannungsteiler, was sowohl den Verdrahtungsaufwand als auch potenzielle Fehlerquellen reduziert. Besonders bei Leistungskonditionierungs- und Energiespeichersystemen vereinfacht sich dadurch der Prüfaufbau erheblich.
Hohe Dynamik erfordert hohe Bandbreiten
Mit der Verbreitung von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern steigen die Anforderungen an moderne Messsysteme. Schaltvorgänge werden schneller, Signalformen komplexer und Verlustleistungsanalysen anspruchsvoller. Für solche Aufgaben steht ein Wide-Bandwidth-Modul zur Verfügung, das Wirkleistungsmessungen bis 1 MHz bei Bandbreiten von bis zu 2 MHz für Strom- und Spannungssignale unterstützt. Dadurch lassen sich selbst hochfrequente Signalanteile präzise erfassen, wie sie beispielsweise in Traktionsumrichtern oder Schnellladesystemen auftreten. Die garantierte Leistungsmessgenauigkeit beträgt bis zu ±0,038 % bei Gleichspannung sowie bei 50/60 Hz. Grundlage hierfür ist eine getrennte Digitalisierung von Strom- und Spannungspfad mit 2,5 MS/s und 16-Bit-Auflösung je Leistungselement. Zum Thema Genauigkeit gibt es noch eine – vor allem für Validierungsaufgaben relevante – Besonderheit, die Yokogawa für seine Messgeräte bietet: die garantierten Genauigkeitsspezifikationen des Systems. Nach Herstellerangaben werden diese mit einem Vertrauensbereich von 100 % ausgewiesen und durch detaillierte Angaben zu den Einflussgrößen ergänzt.
Auch die Strommessung wurde auf einen möglichst einfachen Prüfstandsaufbau ausgelegt. Nullfluss-Stromwandler und Stromzangen können direkt angeschlossen werden. Die erforderlichen Versorgungsspannungen stellt das Gerät selbst bereit, sodass zusätzliche Netzteile entfallen.
Vom Einzelgerät zum Mehrkanal-System
Während einzelne Leistungsmessungen heute oft nicht mehr ausreichen, wächst der Bedarf an synchronisierten Mehrkanal-Systemen. In komplexen Prüfständen müssen elektrische Energieflüsse gleichzeitig an mehreren Stellen erfasst werden. Dafür lassen sich bis zu fünf Geräte über Lichtwellenleiter zusammenschalten. Auf diese Weise entstehen Messsysteme mit bis zu 20 synchronisierten Leistungskanälen. Ein Master-Gerät übernimmt die Parametrierung aller Subsysteme, sammelt die Messdaten zentral und stellt sie über Ethernet, USB oder CAN-/CAN-FD-Schnittstellen bereit.
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Anwender können bei der Bestellung festlegen, ob Encoder- oder Resolver-Eingänge integriert werden sollen. Auch Mischkonfigurationen sind möglich, sodass sich unterschiedliche Prüfanforderungen flexibel abbilden lassen.
Der Einsatz optischer Verbindungen bietet dabei einen weiteren Vorteil: Die Messeinheiten können in unmittelbarer Nähe des Prüflings positioniert werden, ohne durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt zu werden. Gerade bei Hochleistungsumrichtern und elektrischen Antrieben vereinfacht dies die Integration in bestehende Prüfstände erheblich.
Elektrische und mechanische Leistung gemeinsam betrachten
Die reine Messung elektrischer Größen reicht für die Bewertung moderner Antriebssysteme längst nicht mehr aus. Entscheidend ist vielmehr die präzise Korrelation von elektrischen und mechanischen Messdaten.
Eine Besonderheit des WT1500 ist deshalb die direkte Integration von Resolver- und Encoder-Schnittstellen. Damit lassen sich Positions-, Winkel-, Drehzahl- und Drehmomentsignale unmittelbar im Leistungsanalysator erfassen. Externe Auswertehardware oder nachträgliche Synchronisationsschritte werden überflüssig.
Für Entwickler elektrischer Antriebe ergibt sich daraus ein wesentlicher Vorteil: Elektrische Leistungswerte und mechanische Ausgangsgrößen werden innerhalb derselben Zeitbasis erfasst. Dadurch lassen sich Wirkungsgradanalysen genauer durchführen und dynamische Effekte besser untersuchen. Je nach Konfiguration können bis zu vier Drehmoment- und Drehzahlsignale parallel analysiert werden. Auch Mischkonfigurationen aus Resolver- und Encoder-Eingängen sind möglich.
Gemeinsame Zeitbasis für komplexe Prüfstände
In modernen Entwicklungsumgebungen stammen relevante Messdaten häufig aus unterschiedlichen Quellen. Neben Leistungsanalysatoren kommen beispielsweise Temperaturerfassungssysteme, CAN-Datenlogger oder weitere Sensorsysteme zum Einsatz.
Um diese Daten präzise zusammenzuführen, unterstützt das System das Precision Time Protocol nach IEEE 1588. Damit erhalten alle beteiligten Geräte eine gemeinsame Zeitbasis. Leistungs-, Drehmoment-, Drehzahl- und Sensorsignale können dadurch exakt korreliert und zeitlich eindeutig zugeordnet werden. Gerade bei dynamischen Lastwechseln verbessert dies die Aussagekraft der Messungen deutlich.
Leistungsanalyse bis zur 100. Harmonischen
Neben den klassischen Leistungsparametern unterstützt der Analysator umfangreiche Analysen von Netz- und Umrichtersignalen. Dazu gehören automatische Frequenzfilter zur stabilen Grundschwingungserkennung sowie eine duale Harmonischenanalyse bis zur 100. Ordnung. Die Analyse kann gleichzeitig für Signale mit unterschiedlichen Grundfrequenzen erfolgen, etwa vor und hinter einem Frequenzumrichter.
Durch getrennte digitale Filterpfade für breitbandige Messungen und Harmonischenanalysen bleiben die Ergebnisse unabhängig voneinander und ermöglichen eine detaillierte Untersuchung komplexer Signalformen.
Messplattform für zukünftige Energie- und Antriebssysteme
Die Kombination aus Direktmessungen im Kilovolt-Bereich, hochgenauer Leistungsanalyse, integrierter Motorauswertung und skalierbaren Mehrkanal-Systemen zeigt, wohin sich moderne Leistungsmesstechnik entwickelt: weg von isolierten Einzelmessungen und hin zu einer ganzheitlichen Betrachtung elektrischer und mechanischer Energieflüsse innerhalb eines gemeinsamen Messsystems.