Präzise Leistungsmessung

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1 TEST & MESSTECHNIK APPLIKATIONEN Präzise Leistungsmessung Elektrische Antriebe und Frequenzumrichter Hybridantriebe für Fahrzeuge Beleuchtung und Vorschaltgeräte Transformatoren und Induktivitäten Netzqualität und Netzrückwirkung Erneuerbare Energien

2 Messtechnik für Stromerzeuger, Wandler und Verbraucher Leistungsmessung ist so vielfältig wie die Technik selbst: Die Technik der Stromerzeugung und des Stromtransports, der Spannungstransformation und Frequenzumrichtung, der Nutzung für Antriebe, Beleuchtung und andere Verbraucher. Leistungsmessung ist eine Domäne von Yokogawa. Das Unternehmen nutzt seine langjährige Erfahrung, um praxisgerechte Messtechnik nach neuestem Stand anzubieten. Diese Broschüre gibt einen Überblick.

3 inhalt ELEKTRISCHE ANTRIEBE UND FREQUENZUMRICHTER 4 Wirkungsgrade entscheiden HYBRIDANTRIEBE FÜR FAHRZEUGE 6 Komplexes Zusammenspiel BELEUCHTUNG UND VORSCHALTGERÄTE 7 Transiente Vorgänge TRANSFORMATOREN UND INDUKTIVITÄTEN 8 Der Phasenwinkel zählt NETZQUALITÄT UND NETZRÜCKWIRKUNG 10 Flicker und Harmonische ERNEUERBARE ENERGIEN 11 Phasengenau einspeisen PRÜFSTÄNDE UND SYSTEME 13 Vielseitigkeit ist gefragt KALIBRIERUNG UND SERVICE 14 Rückführbar bis zur PTB SEMINARE UND SCHULUNGEN 15 Theorie und Praxis miteinander verbinden PRODUKTÜBERSICHT 16 Für alle Anwendungen für jedes Budget ZUBEHÖR 18 Gerüstet für alle Fälle WISSENSWERTES VON A BIS Z 20

4 ELEKTRISCHE ANTRIEBE UND FREQUENZUMRICHTER Die Leistungsmessung an Frequenzumrichtern und Elektromotoren gehört zu den anspruchvollsten Aufgaben. Hier treffen konträre Anforderungen aufeinander: Große Bandbreiten, ein weiter Dynamikbereich und nicht zuletzt hohe Messgenauigkeiten müssen auch in stark belasteteter EMV-Umgebung erreicht werden. Insbesondere die Messung von elektrischen und mechanischen Wirkungsgraden erfordert ein hohes Maß an Störunterdrückung, Absolutgenauigkeit und Linearität. Zur Wirkungsgradbestimmung an einem Umrichter mit dreiphasiger Einspeisung sind bei Anwendung der Drei-Wattmeter-Methode sechs simultan arbeitende Leistungsmesskreise erforderlich. Bei DC-Einspeisung, wie sie z.b. bei Wechselrichtern für Solarenergie oder hybride Fahrzeugantriebe vorkommt, werden i.a. vier Leistungsmodule benötigt. Bei den Messfunktionen ist es wichtig, dass breitbandige Wirkleistung und Effektivwerte sowie Grundschwingungswerte simultan ohne Umschaltung erfasst werden können. Alle mehrphasigen Leistungsmesser von Yokogawa sind umrichtertauglich und haben sich bei dieser Anwendung als zuverlässig und präzise bewährt. Dank des modularen Aufbaus der Leistungmesser und deren Kaskadierbarkeit ist eine Anpassung der Kanalzahl an die Erfordernisse jederzeit möglich. Ein umfangreiches Zubehörprogramm unterstützt die Adaption an unterschiedliche Spannungs- und Stromverhältnisse. Die Produktserie aktiver Präzisions- Stromwandler z.b. erweitert den Strom-Messbereich bis hin zu mehreren tausend Ampere bei extremer Linearität und Bandbreiten von etlichen hundert Kilohertz. Die Messung des elektrisch-mechanischen Wirkungsgrades bei Elektromotoren erfordert zusätzlich die Bestimmung der abgegebenen mechanischen Leistung. Spezielle Eingänge der Leistungsmesser für Drehzahl- und Drehmomentsensoren erlauben die Verarbeitung analoger und pulsförmiger Sensorsignale. Über einen Formeleditor können diverse Wirkungsgrade direkt im Gerät errechnet werden. Eingangssignal Umrichter Wirkungsgrade entscheiden Die Bestimmung elektrischer und mechanischer Wirkungsgrade von Elektromotoren und Frequenzumrichtern erfordert die simultane Messung aller Leistungen mit hoher Genauigkeit und guter Störunterdrückung. Ausgangssignal Leistungsmessgerät

5 Typisches Ausgangssignal eines Umrichters. Dargestellt ist eine Phase mit pulsmodulierter Spannung (gelb) und sinusförmigem Strom (grün). Motor Last Prinzipieller Aufbau einer Wirkungsgradmessung an Umrichter und Motor. Drehmoment- und Drehzahlmesser Trendanzeige von Drehmoment und Drehzahl (Motor Evaluation Function)

6 Komplexes Zusammenspiel Das komplexe Zusammenspiel verschiedener mechatronischer Systeme verlangt die Erfassung von mechanischen und elektrischen Parametern mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. HYBRIDANTRIEBE FÜR FAHRZEUGE Durch die Klimaschutzdebatte ist der Hybridantrieb in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Er soll helfen, bis zum Jahre 2012 die klimawirksamen Emissionen beim Kraftfahrzeug auf 120 Gramm CO 2 pro Kilometer zu reduzieren. Unabhängig davon, ob es sich um Mild Hybrid, One-Mode/Two-Mode Hybrid oder um die Rückgewinnung von Bremsenergie handelt: In jedem Fall ist die Optimierung von Wirkungsgraden und die Minimierung von Verlusten auf eine aufwendige Präzisionsmesstechnik angewiesen. Denn das komplexe Zusammenspiel verschiedener mechatronischer Systeme verlangt die Erfassung von mechanischen und elektrischen Parametern mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Je näher man der magischen Grenze von 100 % Wirkungsgrad rückt, um so höher werden die Anforderungen an die gesamte Messkette. Beispiel: Bei einem Wirkungsgrad von 95 % bewirkt ein Messfehler von 0,1 % bereits einen Fehler von ca. 4 %, bezogen auf die zu messende Verlustleistung! Yokogawa bietet Systemlösungen für die DC/AC- Leistungsmessung höchster Präzision für Spannungen bis 1000 V und Ströme bis 1000 A mit Bandbreiten bis 1 MHz. Wirkungsgrade eines Hybridantriebs in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment. Bereich optimaler Effizienz

7 BELEUCHTUNG UND VORSCHALTGERÄTE Glühlampen werden wegen ihrer schlechten Lichtausbeute zunehmend durch effizientere Leuchtmittel wie Leuchtstoffröhren, Xenonlampen oder Hochleistungs- LEDs ersetzt. Diese Lampentypen benötigen elektronische Vorschaltgeräte (EVG), um einen optimalen Betrieb hinsichtlich Lichtqualität, Energiebilanz und Lebensdauer zu erreichen. Die Taktfrequenzen für Leuchtstoffröhren erreichen mittlerweile mehrere hundert Kilohertz, wobei die Impedanzen der Lampen ein sehr breites Leistungsspektrum erzeugen. Bildvorlage mit feundlicher Genehmigung der OSRAM GmbH, München Vom Leistungsmessgerät werden hohe Bandbreite und Gleichtaktunterdrückung gefordert. Niedrige Eingangs- und Streukapazitäten sind nötig, um die kapazitive Belastung des EVGs möglichst gering zu halten. Um den Anteil des reinen Lampenstroms bei Leuchtstoffröhren zu ermitteln, ist eine vektorielle Differenzbildung aus Gesamtstrom und Kathodenstrom von Vorteil. Die Erfassung und Analyse des Einschaltbzw. Zündverhaltens von Gashochdrucklampen ist eine Domäne der transienten Leistungsmessung, wofür insbesondere der Leistungsanalysator PZ4000 von Yokogawa hervorragend geeignet ist. Messpunkte an einer Leuchtstoffröhre mit Vorschaltgerät. Messung des Kathodenwiderstands in geheiztem Zustand mit dem Leistungsanalysator PZ4000 von Yokogawa. Die Kurvenform von Spannung und Strom zeigt, dass das EVG die Vorheizung gezielt steuert. Netz Vorschaltgerät Leistungsmessgerät Leuchtstoffröhre Transiente Vorgänge Die hohen Taktfrequenzen und kurzen Zündvorgänge moderner Vorschaltgeräte lassen sich nur durch schnelle Leistungsmessung erfassen. Vektorielle Differenzbildung aus Gesamtstrom und Kathodenstrom trennt dabei den Anteil des reinen Lampenstroms vom Gesamtstrom.

8 TRANSFORMATOREN UND INDUKTIVITÄTEN Die Verlustleistungsmessung an Transformatoren erfordert eine Messkette höchster Präzision. Es handelt sich zwar meistens um sinusförmige Spannungen und Ströme bei 50 oder 60 Hz, jedoch stellt ein verlustarmer Transformator im Leerlaufbetrieb eine nahezu rein induktive Last dar. Dies bedeutet einen Phasenwinkel φ zwischen Spannung und Strom von fast 90 bzw. einen sehr geringen Leistungsfaktor λ von 0,01 oder weniger (hier gleichzusetzen mit cos φ). Entscheidend ist deshalb, dass der Eigenwinkelfehler des Messgeräts so klein wie möglich ist. Das Kalibrierprotokoll gibt Aufschluss darüber, wie groß dieser cos φ = 0 - Fehler bei einer bestimmten Frequenz ist. Im Gegensatz zu RLC-Messbrücken können Leistungsmessgeräte Impedanzen von induktiven Komponenten unter wirklichkeitsnahen Bedingungen ermitteln. Da die Parameter von Filtern, Drosseln usw. stark nichtlinear von der Aussteuerung und der Frequenz abhängen, ist die Messung beim tatsächlichen Arbeitspunkt ratsam. Eine Reihe von vordefinierten Formeln für Wirk-, Blind- und Scheinwiderstand bzw. Leitwert gestatten die Impedanzmessung unter Betriebsbedingungen. Weitere Berechnungen können einfach durch einen Formeleditor hinzugefügt werden. Die gleichzeitige Messung des Effektivwertes und des gleichgerichteten Mittelwertes der Spannung kann zur direkten Berechnung des Formfaktors und entsprechender Korrekturformeln für die Leistung gemäß IEC 76-1 herangezogen werden. Hochfrequente Kernverluste an Ferriten können bis in den Megahertz-Bereich hinein durch Messung des Erregerstroms und der induzierten Sekundärspannung ermittelt werden. Die Integration der Spannung ergibt den magnetischen Fluss, und die Berücksichtigung der geometrischen Kerndaten erlaubt die direkte Darstellung der Hysteresiskurve (magnetischer Fluss B über der magnetischen Feldstärke H). Beispiel für Verlust- und Impedanzmessung an einer Drossel für Leuchtstoffröhren. Die Bestimmung des Gleichstromwiderstandes Z1 (DC) = 19,6 Ω erlaubt auch Rückschlüsse auf die Wicklungstemperatur. Der Phasenwinkel zählt Transformatoren im Leerlaufbetrieb stellen eine nahezu rein induktive Last dar: Der Strom ist gegenüber der Spannung um fast 90 versetzt. Der Eigenwinkelfehler des Messgeräts beeinflusst deshalb wesentlich die Messgenauigkeit.

9 Beispiel: WT3000 von Yokogawa Aus dem Kalibrierprotokoll ergibt sich im Referenzbereich 100 V / 5 A und 60 Hz bei 500 W Vollausschlag ein Fehler von 0,013W. Der Fehler ε bezogen auf die Anzeige beträgt deshalb ε = 0,013 W / 500 W 100 % = 0,0026 %. Aus der Fehlerrechnung für die Wirkleistung folgt der allgemeine Zusammenhang für den zusätzlichen Fehler Δ bezogen auf den Messwert bei einem beliebigen Phasenwinkel φ zwischen Spannung und Strom: Δ = ε tan φ. Für einige ausgewählte Werte von cos φ ergeben sich folgende Werte: cos φ tan φ φ Δ Sollwert % 500,000 W 0,1 9,950 84,26 0,026 % 50,000 W 0,01 99,95 89,43 0,26 % 5,000 W 0, ,00 89,94 2,6 % 0,500 W Aufbau zur Messung von Kernverlusten. variable Stromversorgung Strommessung Spannungsmessung Leistungsmessgerät 9

10 NETZQUALITÄT UND NETZRÜCKWIRKUNG Flicker und Harmonische Oberschwingungsströme (Harmonische) und Spannungsschwankungen (Flicker) kennzeichnen die Netzqualität und ihre Beeinträchtigung durch Verbraucher. Die Messtechnik reicht vom einfachen Pre-Compliance-Tester bis zum normkonformen Messaufbau nach IEC/EN Viele Arten von modernen Verbrauchern beeinträchtigen die Netzqualität, indem sie die Sinusschwingungen manchmal bis zur Unkenntlichkeit verformen. Die zwei wichtigsten Messungen zur Bestimmung der Netzqualität und Netzrückwirkung sind deshalb die Bestimmung der Oberschwingungsströme (Harmonischen- Analyse) sowie der Spannungsschwankungen (Flicker- Analyse). Eine Reihe von EN/IEC-Normen gibt zulässige Grenzwerte und Anforderungen an die Messgeräte und Prüfverfahren vor. Für Niederspannungsnetze mit Strömen bis 16 A teilt die EN die Geräte in vier Klassen ein und legt entsprechende Grenzwerte der Oberschwingungsströme fest. Ströme bis 75 A werden in der EN /EN behandelt. Grenzwerte für Spannungsschwankungen (Flicker) werden in EN und EN fixiert. Yokogawa bietet eine Vielzahl von Messgeräten, die sich je nach Typ für so genannte Pre-Compliance- Messungen Vorabmessungen eignen, um bösen Überraschungen beim Compliance-Test vorzubeugen, oder aber absolut normkonforme Messungen ermöglichen, wie z.b. WT3000. Eine zusätzliche PC-Software erlaubt eine statistische Auswertung, Reportgenerierung sowie die Bestimmung von Subund Interharmonischen gemäß EN U eff <90 %... >1 % ±10 % ±5 % bis Phase-Phase-Spannung <1 % >3 min einige s bis 6 kv +10 % 100 % -10 % 1 µs bis einige ms 10 ms bis 1 min <3 min 1 % Spannungs- einbruch langsame Spannungs- änderungen schnelle Kurzzeit- Spannungs- unteränderungen brechung Langzeit- unter- brechung Flicker zeitweilige Über- spannung transiente Überspannung Definitionen zu Spannungsschwankungen und Unterbrechungen. PC Software zur Analyse von Oberschwingungsströmen. 10

11 ERNEUERBARE ENERGIEN Das deutsche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien, auch Erneuerbare-Energie-Gesetz oder kurz EEG genannt, trat in seiner jetzigen Form am 1. August 2004 in Kraft. Mit diesem Gesetz verfolgt das deutsche Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit das Ziel, den Einsatz fossiler Energieträger zu senken und damit die Atmosphäre weniger mit dem klimaschädlichen Kohlendioxid zu belasten. Von Bedeutung ist die Nutzung von Geothermie, Biomasse, Wasserkraft und vor allem von Solar- und Windenergie. Eine zentrale Komponente von Photovoltaik- oder Windkraftanlagen stellt der Wechselrichter dar. Seine Aufgabe ist es, aus einer stark fluktuierenden DC- Eingangsleistung mit hoher Zuverlässigkeit und optimalem Wirkungsgrad einen sauberen ein- oder dreiphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Bei der Netzeinspeisung bestehen zudem sehr hohe Anforderungen an die Vermeidung von Oberschwingungsströmen, so wie sie die Europäische Norm EN fordert. Der Yokogawa Leistungsmesser WT3000 hat sich dabei zum Referenzgerät für hochgenaue Wirkungsgradmessungen bei Herstellern und Prüfinstituten etabliert. Solargenerator-Simulator Prinzipieller Prüfaufbau für Solarwechselrichter. Netz Phasengenau einspeisen Sonnenschein und Wind schwanken unvorhersehbar. Die Energie muss trotzdem zuverlässig ins Netz gelangen phasengenau und oberschwingungsarm. Umrichter Stelltransformator Leistungsmesser 11

12 Zitat aus dem Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien: Zweck dieses Gesetzes ist es, insbesondere im Interesse des Klima-, Natur- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen, die volkswirtschaftlichen Kosten der Energieversorgung auch durch die Einbeziehung langfristiger externer Effekte zu verringern, Natur und Umwelt zu schützen, einen Beitrag zur Vermeidung von Konflikten um fossile Energieressourcen zu leisten und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien zu fördern. Zweck dieses Gesetzes ist ferner, dazu beizutragen, den Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2010 auf mindestens 12,5 Prozent und bis zum Jahr 2020 auf mindestens 20 Prozent zu erhöhen. DC-Link-System Spannung und Frequenz schwanken mit der Rotationsgeschwindigkeit Last 1 2 Gleichrichter Wechselrichter, Netzfrequenz 50 oder 60 Hz 3 Transformator 4 Schutzschaltung Power Link AC-Link-System Transformator Schutzschaltung Power Link Frequenz synchronisiert auf Netzfrequenz 50 oder 60 Hz, Spannung bis zu 700 V Messpunkte an einer Windkraftanlage. Last Messaufgaben eines Präzisions-Leistungsmessers DC-Link-System 1 Signalform, Fluktuation von Spannung und Frequenz 2 Gleichspannungswert 3 Wechselspannungswert und Stabilität 4 Stabilität der Ausgangsspannung, Beobachtung unvorhergesehener Phänomene AC-Link-System 5 Wechselspannungswert 6 Stabilität der Ausgangsspannung 7 Spannung, Harmonische 12

13 PRÜFSTÄNDE UND SYSTEME Vielfach werden in Testsystemen für elektromechanische Komponenten Leistungsmessgeräte eingesetzt, um Leistungsbedarf, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit des Prüflings zu ermitteln. Am Beispiel für Motorprüfstände wird deutlich, worauf es hier ankommt: Flexible analoge Eingänge für Spannungen und Ströme, z.b V, 1000 A, bis 1 MHz Direkter Anschluss mechanischer Sensoren z. B. für Drehmoment und Drehzahl Variable Schnittstellen, z.b. IEEE-488, RS-232, USB, Ethernet Höchste Zuverlässigkeit der Messgeräte für Dauerbetrieb Zeitnaher Support für Schnittstellenund Software-Anbindungen Kundenspezifische Lösungen für optimales Preis-/Leistungs-Verhältnis Yokogawa-Messgeräte finden sich in Prüfständen bei AUDI AVL BMW Motorsport BOSCH Conti VDO Deutronic Elabo Hochschule der Bundeswehr (Neubiberg) John Deere Kratzer Lenze Loher Lust Antriebstechnik Mercedes McLaren OSRAM Porsche Staiger-Mohilo VDE Offenbach Vestas Nacelles Visteon Vogelsang & Benning ZF Sachs Vielseitigkeit ist gefragt Zuverlässigkeit ist nur eine Voraussetzung. Prüfstandtauglich wird ein Messgerät durch die Schnittstellenvielfalt für Sensorik, Steuerung und Messdatenabruf. 13

14 Rückführbar bis zur PTB Die Kalibrierung aller Yokogawa-Messgeräte ist rückführbar auf anerkannte Standards. Die Reparatur dagegen ist häufig individuell und gelingt auch noch dort, wo Großunternehmen passen müssen. KALIBRIERUNG UND SERVICE Grundsätzlich werden alle Yokogawa-Leistungsmesser mit einem werkseitigen Kalibrierzertifikat und einer CE-Konformitätsbescheinigung ausgeliefert. Die Kalibrierung geschieht an einer Vielzahl von Messpunkten, ausgewiesen im Zertifikat; sie ist rückführbar auf nationale und internationale Standards. Das empfohlene Kalibrierintervall beträgt zwei Jahre, wobei nach Ablauf dieser Periode verschiedene Ebenen der Rekalibrierung zur Verfügung stehen: Werkskalibrierschein; Kalibrierung rückführbar auf Normalien des DKD und der PTB DKD-Kalibrierzertifikat gemäß DIN EN ISO/IEC (in Zusammenarbeit mit dem Kalibrierdienst der Siemens AG, Transformatorenwerk Nürnberg, und der EADS Deutschland GmbH in Manching) PTB-Prüfschein Wenn eine Reparatur nötig ist, dann tauscht Yokogawa in Herrsching nicht einfach nur defekte Platinen aus. Die Reparatur geht häufig bis aufs Bauteil herunter, auch wenn es die kleinsten SMDs sind. Rund Ersatzteile lagern in der Abteilung: ICs, Transistoren, Laufwerke, Festplatten, mechanische Bauteile. So manche Rarität ist dabei, die es auf dem Markt nicht mehr gibt. Deshalb kann Yokogawa manchmal auch noch Museumsstücke reparieren, von denen der Kunde sich nicht trennen mag. Prüfschein der PTB Braunschweig über ein Yokogawa-Leistungsmessgerät. DKD: Deutscher Kalibrierdienst PTB: Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Leistungsmesser-Kalibrierung bei Yokogawa MT Herrsching. 14

15 SEMINARE UND SCHULUNGEN Yokogawa Measurement Technologies pflegt ständig ein Programm zur Weiterbildung für die Teilnehmer meist kostenlos. Das Seminar Arbeiten mit digitalen Leistungsmessern hat bereits viele Anwender angesprochen und mit Basiswissen sowie praktischen Messtipps versorgt. Das aktuelle Programm finden Sie auf unserer Website: Alternativ zu diesen Seminaren bieten wir Ihnen individuelle Schulungen an. Die Vorteile: Schulung in entspannter und ruhiger Atmosphäre Effektives Lernen in kleinen Gruppen Individuelles Training direkt am Gerät Arbeiten an und mit Ihrer persönlichen Aufgabenstellung Erlernen der erforderlichen Grundlagen mit sofortiger praktischer Umsetzung Theorie und Praxis miteinander verbinden Yokogawa bietet ständig Seminare sowie individuelle Schulungen an. 15

16 PRODUKTÜBERSICHT Yokogawa pflegt ein umfangreiches Spektrum an Leistungsmessgeräten, vom einfachen Einbau-Panelmeter bis hin zum Präzisions-Leistungsanalysator. Ob für Service, Produktionsüberwachung oder Forschung & Entwicklung: ein für die Anwendung geeignetes und ins Budget passendes Gerät ist mit Sicherheit dabei. Anwendung/Modell PR300 CW120/240 WT210/230 WT500 WT1600S WT1600 WT3000 PZ4000 Schalttafel X Service X X X Umrichter X X X X X X Antriebe X X X X Beleuchtung X X X X X X Vorschaltgeräte X X X X X Consumer Elektronik X X X Automotive X X X X Transformatoren X X Oberschwingung X X X X X X Flicker X Transienten X X PR300 Panelmeter zur Schalttafelmontage Messgeräte für alle Anwendungen für jedes Budget. 0,25 %, 50/60 Hz Programmierbare Verbrauchsalarme zur Energieüberwachung 16

17 Genauigkeitsklasse (%) WT3000 Leistungsmesser höchster Genauigkeit und Stabilität 0,02%, DC bis 1 MHz Standardkonforme Analysen nach IEC (optional) Forschung, Entwicklung, Prüfstand PZ4000 Leistungsanalysator mit weitem Frequenzbereich 0,1 %, DC bis 1 MHz Motoreingänge (Drehzahl und Drehmoment, optional) WT1600 Leistungsmesser mit Signalform- und Vektordarstellung 0,1 %, DC bis 1 MHz Motoreingänge (Drehzahl und Drehmoment, optional) Produktion, Qualitätssicherung WT500 Kompakter Leistungsmesser mit Signalformdarstellung 0,15 %, DC bis 100 khz Oberschwingungsanalyse (optional) WT230 Kompakter dreiphasiger Leistungmesser 0,15 %, DC bis 100 khz Komparator-Ausgang für Gut/Schlecht-Entscheidung (optional) Oberschwingungsanalyse (optional) Service WT210 Preiswertes Leistungsmessgerät, einphasig 0,15 %, DC bis 100 khz Vielseitige Filter- und Auswertefunktionen CW240 Tragbarer Leistungsmesser, batteriebetrieben 0,3 %, 45 Hz bis 2,5 khz Oberschwingungsanalyse bis zur 50. Harmonischen Frequenzbereich 17

18 ZUBEHÖR Die Adaptierung von Strömen an die Leistungsmessgeräte durch zusätzliche Stromwandler wird dann erforderlich, wenn die internen Messbereiche (bis 50 A) nicht ausreichen oder z.b. Stromleiter nicht aufgetrennt werden können. Diverse Shunts, Stromzangen und Stromwandler werden den unterschiedlichsten Anforderungen an Stromstärke, Grenzfrequenz, Genauigkeit und mechanischer Ausführung gerecht. Stromzangen Für mobile und nichtstationäre Anwendungen steht eine Reihe von passiven (AC) und aktiven Zangen (AC/DC) zur Verfügung. Die Stromstärken reichen von wenigen ma bis zu 9000 A, die Grenzfrequenz von 500 Hz bis zu 100 MHz. Stromwandler (Transducer) Unter Verwendung einer aktiven Magnetflusskompensation sind Wandler bis A und 1 MHz Grenzfrequenz bei ausgezeichneter Linearität verfügbar. Die Sensoren können entweder einzeln oder als komplettes, kalibriertes System mit Stromversorgung und Anpassung an die Leistungsmesser mit bis zu 6 Stromkanälen geliefert werden. Aktive AC/DC-Stromzange bis 150 A, Bandbreite DC bis 10 MHz. Präzisionswandler nach dem Zero-Flux-Prinzip von 200 A bis 1000 A. Linearitätsfehler 10 ppm, Offsetfehler 40 ppm, Bandbreite DC bis 1 MHz. Passive AC-Stromzange bis 400 A, Bandbreite 20 Hz bis 20 khz. Shunts Je nach Anwendung kommen preisgünstige Niederfrequenz-Shunts (DC bis 1 khz) oder koaxiale Hochfrequenz-Shunts (DC bis 1 MHz) zum Einsatz. Entsprechend Widerstandswert und Baugröße sind Stromstärken von 15 A bis 15 ka realisierbar. 18

19 Sternpunkt-Adapter Bei dreiphasigen Messungen ohne Mittelpunktsleiter (z.b. Umrichterausgang) simuliert dieser aufsteckbare Adapter den fehlenden Sternpunkt und ermöglicht dadurch die Drei- Wattmeter/Vier-Leiter-Methode. Software Die Standardsoftware WTViewer unterstützt alle Leistungsmesser der WT-Serie mit Online-Datentransfer über alle verfügbaren Schnittstellen (IEEE-488, RS- 232, USB und Ethernet). Am PC ist die Darstellung in numerischer oder grafischer Form möglich. Alle Geräteeinstellungen lassen sich über das Setup-Menü parametrieren. Für IEC-konforme Messungen und Grenzwertüberwachungen (z.b. nach EN und EN ) ist eine spezielle Harmonischen/ Flicker-Software verfügbar. Für anspruchsvolle Logger-Anwendungen empfiehlt sich die universelle Software MCPS, die auch die Einbindung weiterer Messgeräte, wie z.b. Yokogawa-Datenlogger für vielkanalige Temperaturmessung, gestattet. Numerische und grafische Messdaten auf dem PC mit WTViewer. Simultane Messdatenerfassung mit dem Multi Channel Process System (MCPS) Strom [A] Spannung [V] Leistung [W, VA, var] Arbeit [+/-Wh, +/-Ah] Frequenz [Hz] mechanische Größen (Drehzahl, Drehmoment, Kraft) Temperaturen Kräfte (DMS) Gerüstet für alle Fälle Ein umfangreiches Zubehörprogramm ergänzt die Produktfamilie der Yokogawa-Leistungsmesser. Die wichtigsten Themen sind hier Spannungs- und Strom-Messbereichserweiterungen, Adapter für ein- und dreiphasige Netze sowie Software. 19

20 WISSENSWERTES VON A BIS Z Abtastrate Leistungsmessgeräte arbeiten meist mit einer festen Abtastrate, z. B. 200 ks/s. Wegen des Prinzips der Unterabtastung ist dies kein Widerspruch zur Bandbreite, die z. B. 1 MHz betragen kann. Durch Integration über viele Perioden des Signals werden Amplituden und Phasen korrekt erfasst. Eine Ausnahme bildet der PZ4000, bei dem die Abtastrate wie bei einem Oszilloskop variabel ist. mit ihrer Flankensteilheit und den Wicklungskapazitäten der Elektromotoren gilt dies nur in Grenzen. Außerdem entsprechen die Einzelergebnisse der Zwei-Wattmeter- Methode nicht den Leistungen der einzelnen Phasen und lassen keine Rückschlüsse auf Unsymmetrien von Quelle und Last zu. Für Präzisionsmessungen empfiehlt sich deshalb auch im Dreileitersystem die Drei- Wattmeter-Methode. Drei Impedanzen erzeugen einen virtuellen Mittelpunkt oder künstlichen Sternpunkt, der den Wattmetern als Referenz dient. Das ermöglicht die Messung aller drei Phasenströme zur Beobachtung der Lastsymmetrie und der Leckströme sowie die Messung aller drei Phasenspannungen zur Beobachtung der Generatorsymmetrie. Für alle drei- und mehrphasigen Wattmeter von Yokogawa sind geeignete Sternpunkt-Adapter erhältlich. AC Engl. für Wechselanteil (Alternating Current). Amplitudengenauigkeit Der Amplitudenfehler für Spannung und Strom wird in Prozent des Messwertes plus Prozent des Messbereiches angegeben: ± (% MW + % MB). Als Messbereich ist der Effektivwert bei 100 % Sinus- Aussteuerung anzusetzen, also z. B. 100 V oder 5 A, wie er auch am Messgerät eingestellt wird. Bei der Leistung ergibt sich der Messbereich als Produkt aus Spannungs- und Strombereich, also im obigen Beispiel zu 100 V 5 A = 500 W. Der Fehler bei der Leistungsmessung ist jedoch nicht einfach die Summe aus Spannungs- und Stromfehler, sondern wird gesondert angegeben, da die Leistungsbereiche separat kalibriert werden. Der Amplitudenfehler ist frequenzabhängig und wird für mehrere Frequenzbänder oder durch eine Formel spezifiziert. Aronschaltung In einem Dreileitersystem hat man mehrere Möglichkeiten der Leistungsmessung. André E. Blondel, ein französischer Ingenieur, formulierte Ende des 19. Jahrhunderts das seither nach ihm benannte Theorem: Zur Leistungsmessung in einem Mehrleitersystem braucht man immer ein Wattmeter weniger, als Leitungen vorhanden sind. Die Schaltung hierzu wurde jedoch nicht nach Blondel, sondern nach Hermann Aron benannt, der 1894 den ersten Wattstundenzähler auf der Basis eines elektromagnetischen Pendels mit mechanischem Zählwerk entwickelte. So bestechend einfach die Lösung auch ist sie setzt voraus, dass keine Leckströme oder kapazitiven Ableitströme auftreten. Bei heutigen Wechselrichtern Bandbreite Üblicherweise wird in der Analogtechnik die Bandbreite bei einem 3-dB-Abfall der Amplitude angegeben. In der Leistungsmesstechnik ist diese Definition jedoch nicht sinnvoll, da ein Abfall von 30 % bei Spannung und Strom bereits einen Fehler von 50 % für die Leistung bedeutet. Nützlicher ist hier die Angabe einer Leistungsbandbreite, mit der z.b. ein Fehler von 5 % bei der Grenzfrequenz eingehalten wird. Die Anforderungen sind hier wesentlich höher als z.b. bei Oszilloskopen. Da nahezu alle modernen digitalen Leistungsmesser im Spannungs- und Stromkanal direkt gekoppelt sind, werden auch die Gleichanteile (DC) erfasst. Dennoch gibt es eine untere Grenzfrequenz, bei der noch stabile Werte zu erhalten sind. Grund ist die endliche Integrationszeit, über die Effektivwerte und Leistungen berechnet werden. Blindleistung Im Gegensatz zur Wirkleistung hat die Blindleistung Q kein direktes physikalisches Äquivalent, sondern ist eine reine Rechengröße. Die Einheit ist [var]. Die übliche Formel ist: Zunächst ist Q als Resultat einer Quadratwurzel immer positiv. Man kann jedoch (mit unterschiedlichen Definitionen) Q ein Vorzeichen zuordnen, z.b. die Phasenlage zwischen Spannnung und Strom 20

21 in Quadranten aufteilen. Für den sinusförmigen Fall ist folgender Ausdruck möglich: ((Formel-02)) Blondel-Theorem Verallgemeinerung der Aronschaltung für beliebige Leiterzahlen n. Crest-Faktor (Scheitelfaktor) Der Ausdruck wird in zweierlei Bedeutung verwendet. Zum einen ist der Scheitelfaktor definiert als der Quotient zwischen Spitzenwert und Effektivwert eines Signals. Bei einem reinen Sinussignal hat der Faktor den Wert 1,41, bei einem symmetrischen Rechteck den Wert 1. Stark impulsförmige oder pulsdauermodulierte Signale können bis zu Faktor 10 oder darüber haben. Die zweite Bedeutung beschreibt die Dynamik der Messeingänge des Geräts. Bei Yokogawa ist der Standardwert 3 üblich (umschaltbar auf 6), d.h. bei einem Messbereich mit 100 % Sinusaussteuerung können noch Amplitudenspitzen mit ±300 % ohne Beeinträchtigung verarbeitet werden (Beispiel: im Bereich 100 V eff werden Spitzen von ±300 V nicht abgeschnitten, im Bereich 5 A eff sind ±15 A zulässig). Der Vorteil eines hohen Crest-Faktors ist oft die Möglichkeit, in einem kleineren Messbereich mit geringeren Fehlern zu messen. Wird der Messbereich als Spitzenwert angegeben, so hat der Crest-Faktor den Wert 1 und eine Übersteuerung ist überhaupt nicht zulässig. Wird der Crest-Faktor nicht bei 100 % Aussteuerung, sondern z.b. nur bei 20 % angegeben, so ist er zum Vergleich linear zurückzurechnen. Ein Crest-Faktor von 10 bei 20 % Aussteuerung bedeutet tatsächlich nur einen Wert von 2 bei 100 %. CMRR (Common Mode Rejection Ratio) Siehe Gleichtaktunterdrückung. CMV (Common Mode Voltage) Siehe Gleichtaktspannung. Cycle-by-Cycle-Messung Im Gegensatz zu einem festen Messintervall bzw. einer festen Integrationszeit wird bei der Cycle-by-Cycle- Messung die Berechnung von Parametern exakt über die Periodendauer der Grundschwingung ausgeführt. Anwedungen sind bei sich rasch ändernden Frequenzen wie z.b. beim Anlauf oder beim Abbremsen von Antrieben gegeben. Eine ähnliche Methode wird bei Spannungsschwankungsmessung ( Flicker) angewendet, allerdings hier bei relativ konstanter Frequenz. Current Transducer (CT) Siehe Stromwandler. CE (Kennzeichnung) Sie besteht aus den Buchstaben CE und weist auf die Übereinstimmung mit allen EU-Richtlinien hin, von denen das gekennzeichnete Produkt erfasst wird ( EN). DC Engl. für Gleichanteil (Direct Current). Drei-Wattmeter-Methode Hat man in einem dreiphasigen System auch den neutralen Leiter zur Verfügung (MP), so können die drei Einzelleistungen zu einer Summenleistung addiert werden: (Summenwirkleistung) (Summenscheinleistung) (Summenblindleistung) (Summenleistungsfaktor) Bei Fehlen oder Nichtzugänglichkeit des MP kann dieser durch einen künstlichen Sternpunkt ersetzt werden. DSO Abkürzung für Digital-Speicheroszilloskop. Leistungsmesser mit Bildschirm können ähnlich wie ein DSO Kurvenformen anzeigen und auswerten. Weitere DSO-Funktionen sind Triggerung, Mathematik und Speicherung ( Transienten-Speicher). Durchsteckwandler Stromwandler, bei dem das stromführende Kabel durch eine (nicht zu öffnende) Kernöffnung gesteckt wird. Im Gegensatz dazu lässt sich bei Klappwandlern oder Stromzangen der Kern öffnen. 21