Genauigkeit von Leistungsmessungen optimieren

Bild 1: Leistungsanalysator WT3000E von Yokogawa.Yokogawa

Eine Verbesserung der Energieerträge, verschärfte gesetzliche Vorgaben im Bereich Energieerzeugung, -verteilung und -verbrauch, aber auch die Marktposition fordern Ingenieure insbesondere im alternativen Energiesektor dauerhaft zu Effizienzverbesserungen. Geräte wie beispielsweise Solarwechselrichter erreichen bereits Gesamtwirkungsgrade bis zu 96 %, sodass eine Verbesserung auch nur um wenige Bruchteile ein anspruchsvolles und wichtiges Ziel darstellt. Folge ist ein stetig wachsender Bedarf an hochgenauen Leistungsmessgeräten, die auch extrem kleine Verbesserungen des Wirkungsgrades zuverlässig und präzise nachweisen. Auch in der Entwicklung und Anwendung anderer Bereiche wie Motoren und Antriebe, Halbleiter, Beleuchtungsanlagen und Haushaltsgeräte besteht die Anforderung, elektrische Leistung mit höherer Genauigkeit und Stabilität messen zu können.

Bild 2: Anschlüsse auf der Rückseite des Leistungsanalysators WT3000E.Yokogawa

Für diese Anwender ist die Kenntnis aller Faktoren wichtig, welche die Genauigkeit ihrer Messinstrumente beeinflussen. Käufer bewerten Leistungsanalysatoren oft aufgrund der Messgenauigkeit für Spannung und Strom, entscheidender ist jedoch der Messfehler bei Leistungsmessung. Neben den Grundparametern sollten Messtechniker bei der Geräteauswahl auch andere Größen wie Scheitelfaktor (Crest-Faktor), Phasenwinkelfehler, Temperaturbereich, Warmlaufzeit, Langzeitstabilität und Gleichtaktunterdrückung einbeziehen.

Bedeutung der Gerätespezifikationen

Die Spezifikationen von Prüfgeräten enthalten häufig Begriffe wie garantiert und typisch. Manche Hersteller verwenden typische Werte in ihren publizierten Daten, was zu Missverständnissen führen kann. Typische Werte sind für gewöhnlich eine Referenz darauf, was ein Hersteller von seinem Produkt erwartet; diese Werte sind aber im Allgemeinen nicht hundertprozentig garantiert. Spezifikationen mit typischen Werten sehen häufig viel besser aus als jene mit garantierten Werten. Die garantierte Messgenauigkeit von Yokogawas Leistungsanalysatoren ist unter den Herstellern solcher Messgeräte einzigartig. Darüber hinaus sind kalibrierte Geräte fünf- bis zehnfach genauer als spezifiziert.

Messbereich und Genauigkeit

Häufig ist in den Herstellerdaten bei Angaben zur Genauigkeit der Messbereich unzureichend spezifiziert. Da sich die Genauigkeit einer Leistungsmessung in Abhängigkeit vom Messbereich ändert, müssen beide Angaben exakt und in Bezug zueinander spezifiziert sein. Die Genauigkeit der Leistungsmessung bei Yokogawas WT3000E (Bild 1, 2) ist von 1 bis 130 % des Messbereichs gültig. Ohne Spezifikation des Messbereiches ist es für Benutzer schwierig herauszufinden, ob die Genauigkeitswerte nur für einen Einzelpunkt oder für einen bestimmten Teil des Messbereiches gelten.

Hochpräzise Harmonischen-Analyse

Auch für Oberschwingungsmessungen ist eine Spezifikation zur Genauigkeit erforderlich. Jeder Leistungsanalysator von Yokogawa besitzt einen Messoszillator, der bei Phase-Locked-Loop-Messungen (PLL) eine hochpräzise Harmonischen-Analyse ermöglicht. Mithilfe dieses Oszillators und einer leistungsfähigen digitalen Signalverarbeitung lässt sich das Frequenzspektrum bis zur 500sten Ordnung (abhängig vom Messgerät) analysieren. Diese spezielle Methode macht es möglich, die Genauigkeit der Harmonischen-Analyse genauer zu spezifizieren – eine Größe, die viele andere Hersteller nicht angeben.

Bild 3: Leistungsmessung mit dem WT3000E an verschiedenen Systemstellen eines kompletten E-Maschinenantriebs.Yokogawa

Crest-Faktor

Genauigkeitsberechnungen werden gewöhnlich mit Sinuskurven bei einer Frequenz von 50 bis 60 Hz und einem Leistungsfaktor von eins ausgeführt. Das bedeutet, dass die gesamte Energie, die von der Quelle geliefert wird, von der Last verbraucht wird – es entsteht keine Signalverzerrung durch Blindleistung von nichtlinearen L- oder C-Bauelementen. Die Grundgenauigkeit für eine Spannungs-, Strom- und Leistungsmessung kann auf Spitzen- oder Effektivwerte bezogen sein und wird in Prozent des Messwertes und in Prozent des Messbereichs spezifiziert. Zum Verständnis des Messbereichsfehlers ist es wichtig, die Auswirkungen des Scheitelfaktors (Crest-Faktor) als Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert zu kennen.

Bei einem Leistungsmessgerät hat der Scheitelfaktor einen doppelt hohen Stellenwert. Einerseits spezifiziert der Faktor, wie korrekt das Leistungsmessgerät messen kann, unabhängig davon, wie stark die Kurvenform verzerrt ist. Andererseits ermöglicht der Scheitelfaktor bei Spannungs- oder Strommessung eine Aussage über die Qualität des Eingangssignals.

Der Scheitelfaktor gibt den Dynamikbereich für einen Messeingang an. Ein Messgerät muss für eine korrekte Effektivwertberechnung den höheren Spitzenwert eines Messsignals ohne großen Verlust an Genauigkeit messen und verarbeiten können. Messgeräte mit hohem Scheitelfaktor können einen hohen Anteil von Oberschwingungen insbesondere höherer Ordnung im Messsignal erfassen.

Die Messbereichsauswahl des WT3000E bezieht sich auf den Effektivwert; der Scheitelfaktor ist hierfür auf den Wert 3 oder 6 einstellbar. Wäre der Messbereich auf den Spitzenwert bezogen wie bei anderen Herstellern, würde der maximale Scheitelfaktor für den Leistungsanalysator 300 betragen. Zum Beispiel ließen sich im Messbereich 100 V_eff mit Scheitelfaktor 3 Spitzenwerte von ±300 V miterfassen. Wird in diesem Messbereich ein Messsignal der Größenordnung 1 V_eff gemessen, ergibt sich für den Scheitelfaktor aus 300 V_Spitze dividiert durch 1 V_eff der Wert 300. Zu beachten ist, dass es sich hier um 1 % des Messbereiches handelt und somit die Genauigkeitsspezifikation immer noch gültig ist.

Spitzen- und Effektivwertmessung

Manche Leistungsmessgeräte verwenden zur Leistungsberechnung Effektivwerte, andere dagegen Spitzenwerte. Der Bezug der Genauigkeitsangabe auf Spitzenwerte sieht auf den ersten Blick eindrucksvoll aus, ist in Wirklichkeit allerdings unrichtig. Zum Beispiel entspricht die Genauigkeit von 0,1 % des Spitzenwertmessbereiches einem Wert von 0,3 % des Effektivwertmessbereiches bei einem Scheitelfaktor von 3. Bei der Berechnung der Wirkleistung – Multiplikation von Spannung, Strom und Leistungsfaktor – vergrößert sich der Effekt drastisch. Yokogawa benutzt Effektivwerte sowohl für die Messbereichsauswahl als auch für die Toleranzberechnung.

Bild 4: Leistungsmessung an einer Fluoreszenzlampe mit dem WT3000E und einem Stromwandler.Yokogawa

Phasenwinkelfehler

Bei jedem Leistungsmessgerät tritt ein Phasenwinkelfehler auf, der bei der Genauigkeitsberechnung nicht vernachlässigt werden darf. Insbesondere bei Strommessungen kann ein Strom-Shunt oder ein Stromwandler eine Phasenverschiebung verursachen. Diese Phasenverschiebung müssen die Hersteller von Leistungsanalysatoren angeben. Die Spezifikationen von Yokogawa berücksichtigen alle möglichen Randbedingungen, die zu einem Phasenwinkelfehler oder einem Messfehler führen können; sie sind in den Berechnungen berücksichtigt.

Gleichtaktunterdückung (CMRR)

Die Gleichtaktunterdrückung (common mode rejection ratio, CMRR) ist die geräteseitige Unterdrückung von unerwünschten Eingangssignalen, die auf beiden Eingangsleitern des Spannungseingangs vorhanden sind. Gleichtaktstörungen sind insbesondere bei Anwendungen mit Frequenzumformern vorhanden, da hohe Spannungspotentiale mit hochfrequenten Komponenten gegen Masse auftreten. Beim WT3000E ist die CMRR spezifiziert und kann in die Berechnung von Messgenauigkeiten einfließen.

Temperatureinflüsse

Ein weiterer Einflussfaktor auf die Genauigkeit einer Leistungsmessung ist die Temperatur. Die Genauigkeitsspezifikationen von Yokogawa sind mit 23 °C ±5 °C angegeben. Einige Hersteller machen andere Temperaturangaben wie 23 °C ±2 °C, was auf den ersten Blick genauer erscheint, die Messgenauigkeit ist jedoch in einem kleineren Temperaturbereich gegeben.

Bild 5: Die Delta-Funktion erlaubt Benutzern die Berechnung individueller Phasenspannungen der in einem Drei-Phasen-System gemessenen Netzspannung.Yokogawa

Funktionsumfang des WT3000E

Für Netzfrequenzen von 45 bis 65 Hz beträgt die Genauigkeit für den WT3000E 0,01 % des Messwertes plus 0,03 % des Messbereiches. Bei der Leistungsberechnung als Produkt aus Spannung und Strom ist der tatsächliche Fehler mit 0,03 % Messungenauigkeit bezogen auf Effektivwerte kleiner als bei einem Leistungsmessgerät mit 0,01 % Messfehler bezogen Spitzenwerte.

Der WT3000E bietet auch die Flexibilität, Eingangsstromelemente (Shunt, Stromwandler, Stromzange) von 30 A und 2 A im Messaufbau zu kombinieren, wodurch Benutzer die Übereinstimmung ihrer Erzeugnisse mit den aktuellen Standards für Oberschwingungen, Flicker und Standby-Verbrauch mit einem einzigen Gerät messen können.

Der Leistungsanalysator bietet verschiedene alphanumerische und graphische Anzeigeformate, einschließlich der Darstellung von Messsignalen in Kurvenform. Eine Highspeed-Datenaktualisierung ermöglicht die Erfassung schnell veränderlicher, transienter Signale mit hoher Präzision. Erfasste Daten lassen sich anschließend weiter analysieren. Die beiden Funktionen Delta-Berechnung und Cycle-by-Cycle-Analyse sind standardmäßig verfügbar.

Bild 6: Die Cycle-by-Cycle-Analyse erfasst Spannung, Strom und Wirkleistung für jede einzelne Periode im Messsignal in einer Liste.Yokogawa

Analysefunktionen

Die Delta-Funktion (Bild 5) kann Stern- und Dreieckkonfigurationen in beiden Richtungen umrechnen. Bei 3-phasigen Systemen ohne Mittelpunktleiter lassen sich Strang- und Leiterspannung gleichzeitig anzeigen. Für 3-phasige Systeme mit nur zwei Anschlussleistungen (Aronschaltung) berechnet die Funktion die dritte Phasenspannung.

Die Cycle-by-Cycle-Analyse (Bild 6) erfasst Spannung, Strom und Wirkleistung für jede einzelne Periode im Messsignal in einer Liste. Der WT3000E kann in diesem Modus bei Eingangsfrequenzen von 0,1 Hz bis zu 1000 Hz messen und bis zu 3000 Abtastwerte im CSV-Format speichern. Zusätzlich können Benutzer mithilfe der kostenlosen Yokogawa-Software WTViewerEfree Messwerte der Cycle-by-Cycle-Analyse grafisch anzeigen. Dies ist eine einzigartige Methode zur Erfassung fluktuierender, transienter Leistung mit höchster Präzision.

Zwei FFT-Berechnungen können parallel zur Signaldatenerfassung ausgeführt werden. Zeitsignal und Frequenzspektrum mit einer FFT-Auflösung von 1 Hz oder 10 Hz sind gleichzeitig auf dem Display darstellbar.

Der WT3000E verfügt über leistungsfähige Funktionen zur Untersuchung von E-Motoren. Über unterschiedliche Sensoren (Analog- oder Impulssignal) werden Drehmoment und Drehzahl gemessen und daraus Motor- sowie Gesamtwirkungsgrad synchron und präzise errechnet.

Mit seiner hohen Messgenauigkeit ist der WT3000E ein Maßstab für Energiewirkungsgradmessungen und eine Referenz für Kalibrierlabore.

(jwa)