Höhere Geschwindigkeit dank spezieller FPGAs und Pipeline-Verarbeitung
Transiente Leistungsmessung - schneller denn je
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Was bringt die Pipeline-Verarbeitung?
Benötigt das FPGA beispielsweise für eine Multiplikation fünf Takte, dann liegt das Ergebnis beim 5. Takt vor. Ohne eine Pipeline-Verarbeitung ist eine Eingabe des nächsten Wertes erst im 6. Takt möglich, und das Resultat ist im 10. Takt verfügbar. Bei einer Pipeline-Verarbeitung hingegen kann der zweite Wert bereits im darauffolgenden Takt verarbeitet werden. Somit ist das Ergebnis der Berechnung von Wert 2 beim 6. Takt abrufbar. Bei der Pipeline-Verarbeitung werden in jedem Takt Ergebnisse ausgegeben. Werden insgesamt zwölf Werte (u1 bis u6 und i1 bis i6) nach der Abtastung in das FPGA eingespeist, wird ein Wert pro Takt berechnet. Weil ein vollständiger Datensatz aus zwölf Werten besteht, ist eine Eingabe der nächsten Abtastwerte schon ab dem 12. Takt möglich. Für jede Abtastung addiert der Zwischenspeicher alle Daten. Bei der anschließenden Aktualisierung der Messwerte dividiert der für die Mittelwertbildung zuständige Rechner die im Zwischenspeicher aufgelaufene Summe durch die Anzahl der Abtastungen und schickt diesen Mittelwert an die CPU. Auf diese Weise kann ein einziges FPGA die Berechnungen für sechs Module übernehmen, wobei eine Echtzeit-Verarbeitung mit einer Abtastrate von 2 MSample/s gewährleistet wird.
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High-Speed-Datenerfassungsmodus
Ist beispielsweise das Beschleunigen oder Abbremsen eines Motors genauer zu untersuchen, dann liefert die Standard-Aktualisierungsrate des WT1800 von 50 ms meist keine ausreichende Auflösung. Mit der High-Speed-Datenerfassungsoption lässt sich die elektrische Leistung dagegen 3-phasig in einem Zeitraster von 5 ms beobachten, also mit einer um den Faktor 10 höheren zeitlichen Auflösung. Hierzu werden die vom Eingangsmodul erfassten Augenblickswerte von Spannung (u) und Strom (i) jeder Phase multipliziert, um die Momentanwerte der Leistung zu erhalten. Für die Berechnung der 3-Phasenleistung (∑p) werden diese nachfolgend addiert. Die Werte durchlaufen anschließend einen Tiefpassfilter (HS-Filter) und werden nach jeweils 5 ms gemittelt und im internen Speicher abgelegt. Die Messergebnisse von je 200 Werten pro Sekunde werden dann in einen externen USB-Speicher oder zu einem PC übertragen. Das HS-Filter unterdrückt unerwünschte Schwankungen der Messungen. Die Grenzfrequenz des Filters ist von 1 Hz bis 1 kHz einstellbar, zudem ist es auch abschaltbar.
Während beim Standard-Messverfahren Änderungen erst nach jeweils 50 ms erkannt werden, lässt sich im High-Speed-Datenerfassungsmodus der Wert der elektrischen 3-Phasenleistung zwischen 1 ms und 100 ms fein aufgelöst erfassen. Eine ähnliche Verarbeitung ist ebenso für die Effektivwerte der Spannungen und Ströme aller drei Phasen möglich. Außerdem ist dieses Verfahren nicht nur für die Messung von 3-Phasen-4-Leitersystemen einsetzbar, sondern durch die 3-Spannungen-3-Ströme-Methode auch für ein 3-Phasen-3-Leitersystem. Schwankungen, die durch das Umschalten der Frequenzkomponente in Umrichtern mit Pulsbreitenmodulation (PWM) auftreten, lassen sich mit der Mittelwertbildung über jeweils 5 ms und durch das HS-Filter unterdrücken.
Weitere Informationen zum Thema bietet das Whitepaper »High-speed, Real-time Power Measurement Technologies of WT1800 Precision Power Analyzer«, das auf der Yokogawa-Website zum kostenlosen Download bereitsteht.
Johann Mathä ist Marketing Manager Test- und Messtechnik bei Yokogawa Deutschland.
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