Spulenverlustmessung: genau und sekundenschnell

Der zunehmende Einsatz von SiC- und GaN-Halbleitern in Wechselrichtern führt zu immer höheren Schaltfrequenzen. Wicklungen und Spulen in diesen Wechselrichtern werden dadurch immer kleiner und leichter. Dieser an sich positive Trend ist eine Herausforderung für die Messtechnik. Die meisten Leistungsanalysatoren liefern bei hohen Schaltfrequenzen unzuverlässige Ergebnisse, die nicht ausreichen, um die Effizienz der Spulen zu verifizieren.

Der Schlüssel zu genauen und wiederholbaren Ergebnissen – gerade bei hohen Frequenzen – ist die automatische Phasenverschiebungskorrektur. Hioki ermöglicht dies mit einem abgestimmten System von Leistungsanalysator und eigens entwickelten Stromsensoren.

Höhere Frequenzen

Immer höhere Frequenzen sind der Trend in vielen Bereichen der Elektrotechnik. Festkörpertransformatoren (Solid State Transformers, SST) zum Beispiel machen unsere Energienetze flexibler und robuster. Sie regulieren die Netze, wenn diese durch die dezentrale Einspeisung von erneuerbaren Energiequellen stark belastet sind, oder wenn nach Feierabend E-Autos alle gleichzeitig geladen werden. Diese Festkörpertransformatoren sind viel kleiner und leichter als herkömmliche Netztransformatoren, denn sie arbeiten mit Frequenzen jenseits von 10 kHz.

In der Elektromobilität haben inzwischen ultraschnelle Wechselrichter auf der Basis von SiC- und GaN-Halbleitern eine herausragende Stellung, weil sie wegen der hohen Frequenzen sehr viel kleiner und leichter gebaut werden können. Man braucht sie zum Wandeln der 11-kW-Ladespannung AC in DC für die Batterie, zum Wandeln auf eine Drei-Phasen-Spannung AC für den Elektromotor oder zum Wandeln auf 12 V beziehungsweise 24 V für die Hilfsstromkreise. Dabei ist klar: Je weniger Verlustleistung in allen verwendeten Spulen, desto mehr Energieeffizienz im Allgemeinen – und bei EVs trägt dies zu deutlich höheren Reichweiten bei.

Zwei-Spulen-Verlust-Messung mit Leistungsanalysator

Um die Verluste in Spulen zu bestimmen, dient die Zwei-Spulen-Verlust-Messung. Mit dieser wird der Gesamtverlust der Spule und der Kernverlust oder Spulenverlust bestimmt. Dabei werden in der Primär-Spule (N1) der Strom und die Spannung gemessen, in der Sekundär-Spule (N2) nur die Spannung. In Bild 3 ist die Messung mit dem Leistungsanalysator PW8001, einem CT6904-Stromsensor und dem Hochspannungsteiler VT1005 vereinfacht dargestellt. Die Werte für Spannungen, Strom, Phasenwinkel etc. bilden die Grundlage zur Berechnung der Verluste in den jeweiligen Spulen. Diese Berechnung erfolgt mit Hilfe der User Defined Calculation Functions (UDFs), die der Anwender zur Verfügung stellt. Der Kupferverlust ist die Differenz von Gesamtverlust und Spulenverlust.

Das genaue Messen der Spulenverluste ist eine große Herausforderung. Für aussagekräftige und reproduzierbare Ergebnisse sollte die Messung unter realen Bedingungen stattfinden. Sobald die Spannung aber mehr als 1000 V beträgt, ist ein Hochspannungsteiler wie der VT1005 erforderlich, um die genaue Messung mit einem Leistungsanalysator zu ermöglichen. Weiterhin ist der Einfluss des Phasenfehlers auf das Messergebnis sehr hoch, weil der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom der Spule fast 90° beträgt. Ein Phasenfehler von nur 0,2° führt zu einem Fehler von zehn Prozent in der Wirkleistung (Bild 4).

Wireless Power Transfer

Eine wichtige Anwendung findet die Zwei-Spulen-Verlust-Messung beim Wireless Power Transfer (WPT). Schon bald sollen Batterien von Elektrofahrzeugen genau wie elektrische Zahnbürsten oder Mobiltelefone kabellos über Ladegeräte aufgeladen werden, die unter Parkplätzen oder Straßen installiert sind.

Durch WPT entfällt das lästige Verbinden von Ladekabeln. Diese Technologie soll den Komfort und die Akzeptanz von Elektroautos weiter erhöhen. Ihre Entwicklung läuft bei Herstellern von E-Autos und Ladegeräten auf Hochtouren. Dabei geht es um maximale Effizienz durch minimale Verluste bei der Übertagung von Energie zwischen der Sende- und der Empfangsspule.

Hier sind genaue Messungen mit Leistungsanalysatoren der Schlüssel essenziell. Diese messen Parameter wie Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Oberwellenverzerrung. Mit diesen Daten entwickeln Ingenieure sowohl die Effizienz als auch die Zuverlässigkeit der Energieübertragung zwischen den Sende- und Empfangsspulen ständig weiter. Die genaue, schnelle und richtige Bewertung der Verluste bei der Eingangs- und Ausgangsleistung der kontaktlosen Übertragung ermöglicht eine höhere Systemleistung und beschleunigt maßgeblich den Entwicklungsprozess.

Bisher lag der Schwerpunkt der Entwicklungsingenieure auf der Reduzierung von Schalt- und Leitungsverlusten der Halbleiter. Um die Systemeffizienz weiter zu steigern, konzentrieren sie sich nun verstärkt auf die Spulen im WPT-System und analysieren deren Verluste unter Betriebsbedingungen. Dafür dienen landläufig Kalorimeter. Diese Methode ist sehr genau, hat aber einen großen Nachteil: Der Test dauert bis zu 30 min. Ein Leistungsanalysator dagegen bestimmt alle Parameter in Sekundenschnelle.

Mit dem Leistungsanalysator PW8001 in Kombination mit den Stromsensoren von Hioki und Spannungsteilern können der Gesamtsystemwirkungsgrad und die Spulenverluste genau bestimmt werden. Nachfolgend ist das elektrische Diagramm eines WPT-Systems für elektrische Autos dargestellt. Die Systemspulen sind rot eingekreist (Bild 6).

Präzise Ergebnisse bei hohen Frequenzen

Die Messergebnisse herkömmlicher Leistungsanalysatoren mit internem Shunt-Widerstand sind bei der Messung von Spulenverlusten ab 10 kHz extrem unzuverlässig. Unterhalb dieser Marke wirken sich Phasenfehler nur minimal aus. Überschreiten die Frequenzen jedoch diese Schwelle, liefern übliche Leistungsanalysatoren ungenaue Werte, da der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom ungenau bestimmt wird. Für Messungen höherer Ströme kommen stets Stromsensoren von Drittanbietern zum Einsatz. Diese wurden ursprünglich nicht für die Messung von Spulenverlusten konzipiert. Dies beeinträchtigt die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Spulenverlustmessung.

Um diese Herausforderung bei hohen Frequenzen zu meistern, kompensiert der Leistungsanalysator PW8001 den bekannten Phasenfehler von den Stromsensoren des Unternehmens und des Spannungsteilers VT1005 (Bild 7). Das geschieht sogar automatisch mit der automatischen Phasenverschiebungskorrektur.

Phasenverschiebungskorrektur

Die effektive Phasenverschiebungskorrektur unabhängig von der Frequenz korrigiert Messfehler durch Phasenfehler bei hohen Schaltfrequenzen. Damit diese zuverlässig funktioniert, sind zwei Dinge nötig:

• Ein Leistungsanalysator, der die Phasenkorrektur korrekt durchführt.
• Ein Zero-Flux Sensor mit einer bekannten Zeitverzögerung.

Die Korrektur der Phasenverschiebung ist vergleichbar mit der Deskew-Funktion in Oszilloskopen: Wenn zwei unterschiedliche Signale mit einer Zeitverschiebung durch Latenz am Oszilloskop ankommen sind, beseitigt die Deskew-Funktion den Signalversatz, indem sie die Latenz mit einem festen Zeitwert kompensiert. Der Phasenfehler steht in direktem Zusammenhang mit der Zeitverzögerung des Stromsensors. Für einen Stromsensor der Serie CT68xxA ist die Verzögerung in Bild 8 dargestellt. Man sieht eine Zeitverzögerung in ns in Abhängigkeit von der Frequenz.

Wichtig zu wissen: Eine Verzögerung von 100 ns bei 100 Hz hat nicht die gleiche Wirkung wie eine Verzögerung von 100 ns bei 1 MHz. Dies wird deutlich, wenn die Zeitverzögerung im Phasenfehler in Grad umgerechnet wird, wie in Bild 9 gezeigt.

Plug & Play

Hioki hat seine Zero-Flux-Sensoren so entwickelt, dass sie nahtlos mit den Leistungsanalysatoren des Unternehmens zusammenarbeiten. Um den Phasenfehler effektiv zu kompensieren, bleibt die Zeitverzögerung des Stromsensors unabhängig von der gemessenen Frequenz konstant. Die Zeitverzögerung der Stromsensoren ist dem Leistungsanalysator PW8001 bekannt, und das sofort per Plug & Play, sobald der Sensor angeschlossen wird. Dadurch wird der Phasenfehler des Sensors automatisch kompensiert und ermöglicht präzise und zuverlässig hochfrequente Spulenverlust-Messungen: genau und sekundenschnell. (bs)

(Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Hioki.)