Korrektur der Phasenverschiebung: Es gehören immer zwei dazu

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Mit der Korrektur der Phasenverschiebung bei der Leistungsanalyse ist es wie beim Tango – es gehören immer zwei dazu: der Leistungsanalysator und ein geeigneter Sensor mit bekannter Phasenverzögerung.

In der Leistungsanalyse lassen sich kleine Ströme durchaus mit Shunt-Widerständen vermessen. Bei Strömen über 50 A kommen in der Regel allerdings Stromsensoren ins Spiel. Zu beachten ist, dass jeder Stromsensor der Welt einen allmählich zunehmenden Phasenfehler im Hochfrequenzbereich aufgrund von Gruppenlaufzeiten im Schaltkreis erzeugt.

Darüber hinaus führen Unterschiede im Design der verschiedenen Sensormodelle dazu, dass die Größe dieses Fehlers variiert. Mit einer speziellen Funktion zur Korrektur der Phasenverschiebung kann dieser Fehler kompensiert werden.

Damit eine solche Korrektur der Phasenverschiebung ordnungsgemäß funktioniert, sind allerdings zwei Dinge erforderlich: ein Leistungsanalysator, dessen Software die richtigen Berechnungen durchführt, und ein Stromsensor mit bekannter Phasenverschiebung.

Zeitliche Verzögerung zweier Signale

Die Berechnungen in der Software des Leistungsanalysators sind vergleichbar mit der Deskew-Funktion eines Oszilloskops: Wenn zwei unterschiedliche Signale aufgrund von Latenzen zu unterschiedlichen Zeiten an den Eingängen des Oszilloskops eintreffen, dann können diese Signale mit der Deskew-Funktion einander angeglichen werden, indem die Latenz mit einem festen Zeitwert kompensiert wird.

Wird der Korrekturwert für die Phasenverschiebung in einem Leistungsanalysator wie dem PW6001 von Hioki eingegeben, dann geschieht im Prinzip das Gleiche, da es sich bei der Phasenverschiebung im Wesentlichen um eine Zeitverzögerung zwischen Strom und Spannung handelt.

Wenn ein Stromsensor ins Spiel kommt

Als Beispiel zeigt Bild 1 die Verzögerung eines Stromsensors aus der Serie CT68 von Hioki. Die Zeitverzögerung wird dabei in Nanosekunden gegenüber der Frequenz angezeigt. Eine Verzögerung von 100 ns bei einer Frequenz von 100 Hz hat nicht dieselben Auswirkungen wie eine Verzögerung von 100 ns bei 1 MHz. Das wird deutlich, wenn man die im Bild 1 dargestellte Zeitverzögerung in Phasenverschiebungswerte überträgt, die in Grad angegeben werden wie im Bild 2.

Um die Dinge so einfach wie oben zu gestalten, ist ein Stromsensor notwendig, bei dem die Zeitverzögerung unabhängig von der Frequenz stets gleich ist. Die Stromsensoren von Hioki sind dazu in der Lage, wie bei der Serie CT68. Genau wie bei der Deskew-Funktion, wird dann nur ein Wert benötigt, um die Phasenverschiebung des Sensors zu kompensieren. Das ist bei derzeit auf dem Markt erhältlichen Stromsensoren keineswegs Standard, weshalb die Sensoren von Hioki hier eine Sonderstellung einnehmen. Folgendes würde bei einem typischen Stromsensor passieren (Bild 3).

Ein Sensor, bei dem die Zeitverzögerungswerte je nach Frequenz unterschiedlich sind, erschwert die Kompensation der Phasenverschiebung in einem Leistungsanalysator erheblich. Denn welchen Wert soll man dann als Parameter für die Deskew-Funktion verwenden? Eine weitere Besonderheit der erwähnten Stromsensoren besteht darin, dass es für die Phasenverschiebung nicht relevant ist, wo sich die stromführende Leitung innerhalb des Sensors bei der Messung befindet (Bild 4).

Im Diagramm ist nur eine einzige Linie zu sehen, da die Phasenverzögerungskurven für alle fünf Messpositionen gleich sind. Auch das ist bei derzeit auf dem Markt erhältlichen Stromsensoren kein Standard. Denn üblicherweise macht die Position der Leitung innerhalb des Sensors durchaus einen Unterschied, wie das Bild 5 zeigt.

Leistungsanalysator und geeigneter Stromsensor

Es ist zu sehen, dass es keine Kompensation der Phasenverschiebung ohne einen Leistungsanalysator gibt, der diese Funktion auch unterstützt. Es gilt aber auch festzuhalten, dass eine ordnungsgemäße Korrektur der Phasenverschiebung bei Messungen erst durch die Kombination aus Leistungsanalysator und geeignetem Stromsensor möglich wird.

Hioki legt seit vielen Jahren den Schwerpunkt auf die Herstellung von Sensorik für die Leistungsmessung, wobei die Eigenschaften hinsichtlich der Zeitverzögerung ein zentrales Anliegen der Ingenieure waren. Gleichzeitig sind Sensoren anderer Hersteller in der Regel nur für genaue (DC-) Strommessungen ausgelegt, wobei die Eigenschaften hinsichtlich der Phasenverzögerung dann weniger relevant sind.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

* Kai Scharrmann ist Business Development Manager bei Hioki Europe in Eschborn.

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