Leistungsanalysatoren Hohe Präzision der Messergebnisse durch Gapless Sampling und optimierte Feldkompensation bei der Eingangsbeschaltung

Verschärfte Anforderungen an Energieeffizienz im laufenden Betrieb und Standby-Leistungen unterhalb 1 W lenken den Fokus auf die Genauigkeit von Power-Analysatoren. Diese Geräte müssen die tatsächliche elektrische Leistung noch präziser bestimmen können.Wie eine neue Methode das ermöglicht, zeigt dieser Beitrag

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Die gerade in den letzten Jahren ausgesprochen stark angestiegene Bedeutung der Leistungselektronik hat eine rasante Entwicklungsdynamik in diesem Umfeld ausgelöst. Getragen wird diese Dynamik hauptsächlich von neuen, alternativen Energiekonzepten und nicht zuletzt von den massiven Anstrengungen bei den alternativen Antrieben, Schlagwort: eCar.

Neue Technologien der Energieumwandlung kombiniert mit der Notwendigkeit zur besseren Effizienz erzeugen einen erhöhten Druck auf die Entwicklungs- und Test-Ingenieure bei der Verwirklichung neuer, moderner und innovativer Systeme für die Leistungselektronik. Dies hat neue Anforderungen zur Folge. Es muss die wahre elektrische Leistung noch präziser bestimmt und quantifiziert werden.

Für rotierende Systeme ist auch die mechanische Leistung an der Welle von Interesse. Durch die Ermittlung von Drehmoment und Drehzahl kann ein Zusammenhang von aufgenommener elektrischer Leistung zur abgegebenen mechanischen Leistung an der Welle hergestellt werden.

Alle Frequenzkomponenten müssen einbezogen werden

Diese Anforderungen lenken den Fokus auf die Genauigkeit der Leistungsmessgeräte (Power-Analysatoren). Daraus folgt, dass diffizile Leistungsmessungen in heutigen modernen Anwendungen hochfrequente Anforderungen zur Folge haben, die von konventionell entwickelten, herkömmlichen Leistungsanalysatoren nicht mehr abgedeckt werden können.

Diese Anforderungen zu verdeutlichen versucht das Bild 1. Es zeigt das Spannungssignal in Verbindung mit einem PWM-Wechselrichter. In letzter Konsequenz, wenn wir die genaue quantifizierbare Gesamtleistung erfassen wollen, dann müssen wir alle Frequenzkomponenten des Signals einschließen. Dies mag auf den ersten Blick trivial erscheinen, weil viele Leistungsmessgeräte einen angemessenen Frequenzbereich anbieten.

In den meisten Fällen aber wird eine hohe Genauigkeit der Leistungsmessung nur über einen begrenzten Frequenzbereich erreicht. Dies wird sehr deutlich durch den Kurvenverlauf 1 in der Grafik illustriert. Das ist der Bereich hoher Genauigkeit vieler gängiger Leistungsanalysatoren.

Im Vergleich dazu zeigt der Kurvenverlauf 2 der Grafik, wie ausgedehnt der Bereich der hohen Genauigkeit über den gesamten Frequenzbereich des Leistungsanalysators zu erfassen ist. Die Leistungsanalysatoren der Serie PPA5500 und PPA1500 von Newtons4th (N4L)/UK entsprechen einem neuen, modernen und innovativen Konzept und daher bieten diese Geräte die derzeit höchste Genauigkeit.

Die Herausforderung beginnt beim Hardware-Design

Keine Frage – eine der größten Herausforderungen, um bei der Leistungsmessung eine sehr gute Genauigkeit über einen großen Frequenzbereich zu erreichen, ist das Hardware-Design der Spannungs- und Stromeingänge. Der Spannungseingang ist im Frequenzgang weitgehend durch parasitäre Kapazität beeinflusst, und für den Stromeingang, für den ein niederohmiger Shunt Verwendung findet, wird der Frequenzgang weitgehend durch die parasitäre Induktivität bestimmt.

Daraus folgt, dass die Breitband-Performance eines Leistungsmessgerätes durch die Minimierung der kapazitiven Reaktanz der Eingangsbeschaltung für die Spannung und der induktiven Reaktanz der Eingangsbeschaltung für den Strom-Shunt optimiert werden kann.

Gewöhnlich ist die größte Herausforderung für ein Präzision-AC-Leistungsmessgerät das Erreichen eines Strom-Shunts niedrigster Induktivität. Dies ist bei Geräten zur Leistungsmessung besonders schwierig, weil der Shunt-Widerstand niedrig sein muss, damit die Belastung für die Schaltung minimal ausfällt.

Allerdings ist die parasitäre Induktivität einer Komponente eine Funktion ihrer Geometrie. Daraus folgt, dass ein Shunt irgendeiner bestimmten physikalischen Geometrie einen größeren Phasenfehler hat gegenüber einer Reduzierung des Shunt-Widerstandes, weil die gleiche Induktivität einen größeren Anteil der Gesamtimpedanz ausmacht.

Da die induktive Impedanz mit der Frequenz steigt, folgt daraus, dass der Fehler, hervorgerufen durch die parasitäre Induktivität, ebenfalls mit der Frequenz steigt.

Die bekannte Rechte-Hand-Regel (Bild 2) verdeutlicht das grundlegende Phänomen, bei dem der Stromfluss durch einen Leiter ein konzentrisches Magnetfeld um den stromführenden Leiter zur Folge hat. Das Vorhandensein dieses magnetischen Feldes stellt eine induktive Komponente dar. In Anbetracht des Fehlers in Betrag und Phase durch die parasitäre Induktivität des Shunt-Widerstandes verwenden Entwickler von Leistungsmessgeräten eine Reihe von Techniken und Methoden zur Minimierung dieses Magnetfeldes und damit zur Reduzierung des Wertes dieser Induktivität.

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