Ströme mit dem Nullfluss-Prinzip messen Wirkungsgrad von Umrichtern und Antrieben exakt ermitteln

Das exakte Messen von Wirkungsgraden ist in industriellen Anwendungen wie Umrichtern oder elektrischen Antrieben besonders anspruchsvoll, da hoch präzise Messwandler nötig sind. Alternativ ist der Einsatz von Nullfluss-Wandlern, die Ströme mit Unsicherheiten von wenigen Dutzend ppm messen. Wie‘s funktioniert beschreibt dieser Tipp.

Anbieter zum Thema

Schulz-Electronic GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Bicker Elektronik GmbH

Yokogawa Deutschland GmbH

Moderne Frequenzumrichter für die Antriebstechnik sind durch zwei Eigenschaften gekennzeichnet: Sie erreichen Wirkungsgrade von 98% oder mehr, und sie produzieren Oberschwingungen bis 10 kHz oder darüber hinaus. Beides macht die Wirkungsgradmessung schwierig.

Zunächst der hohe Wirkungsgrad. Es mag einfach scheinen, die Verluste eines Umrichters oder Elektromotors auf 10% genau zu bestimmen. Doch dazu muss die Eingangs- und Ausgangsleistung messen und die Differenz beider Leistungen berechnet werden. Wenn die beiden absoluten Leistungsmessungen jeweils auf 0,1% genau sind, ergibt sich bei einem Wirkungsgrad von 98% eine Unsicherheit von 10% bezogen auf die tatsächlichen Verluste. Die Genauigkeitsforderung von 0,1% bezieht sich dabei auf die gesamte Messkette. Spannung und Strom müssen jeweils mit ca. 0,05% Unsicherheit gemessen werden. Das ist eine Größe, die das Leistungsmessgerät meist selbst ausschöpft, so dass für die Messwandler oft nur wenige Promille bleiben.

Die zweite Herausforderung stellt der hohe Oberschwingungsanteil dar. Die Ausgangsspannung eines Umrichters ist bei genauer Betrachtung eine Folge rechteckiger Spannungsblöcke mit unterschiedlicher Dauer und konstanter Amplitude, die durch die Induktivität und Kapazität der Motorwicklungen zu einem annähernd sinusförmigen Strom geglättet werden. Dennoch enthält der Strom noch Frequenzanteile von einigen 10 kHz. Das verlangt eine Bandbreite der gesamten Messkette von rund 100 kHz.

Kriterien für Messgerät und Wandler

Der Amplitudengang bestimmt, bei welcher Frequenz das Signal mit welcher Genauigkeit messbar ist. Weiterhin ist der Phasengang zu beachten. Denn jeder Phasenwinkelfehler zwischen Strom- und Spannungsmessung führt zwangsläufig zu einer Fehlberechnung der Leistung. Bei Messungen an getakteten Signalen ist darüber hinaus auf die Gleichtaktunterdrückung des gesamten Messsystems zu achten. Diese gibt an, wie groß der Fehler durch kapazitive Ableitströme über das Messgerät werden kann. Während mit Leistungsmessgeräten die Spannungsmessung bis ungefähr 1000 V noch direkt und mit guter Genauigkeit möglich ist, sind für die Strommessung geeignete Wandler notwendig.

Shunts bieten zwar eine hohe Bandbreite sowie geringe Amplituden- und Winkelfehler, aber die galvanische Kopplung der Spannungsimpulse stellt fast unlösbare Forderungen an die Eingänge des Messgeräts. Transformatorische AC-Messwandler haben meist eine mäßige Amplitudengenauigkeit und arbeiten in einem Frequenzbereich von einigen 10 bis zu mehreren 100 Hz.

Eine Alternative sind Präzisions-Stromwandler nach dem Nullfluss-Prinzip. Sie messen Ströme bis zu mehreren tausend Ampere mit Unsicherheiten von wenigen ppm – ein ppm entspricht 0,0001% – und arbeiten von DC bis zu Frequenzen von mehreren hundert Kilohertz.

*Dipl.-Phys. Walter Huber ist Produktmanager für Power Meter bei Yokogawa.

(ID:237750)