Labor Messtechnik II Versuch 2 Prof. Dr.-Ing. D. Stolle

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1 Labor Messtechnik II Versuch 2 Prof. Dr.-Ing. D. Stolle Versuch 2: Leistungsmessung Einleitung Zur Durchführung des Versuchs 2 ist das vorherige Erarbeiten des Kapitels 8 des Vorlesungsskriptes Messtechnik erforderlich. Die Messung der Wechselstromleistung in der Energietechnik hat mehrere Einsatzgebiete. Zum einen wird das Verhalten elektrischer Betriebsmittel beurteilt. Dabei ist ein wichtiges Kriterium der Wirkungsgrad η: Pab mit Pab: abgegebene Wirkleistung; Pzu: zugeführte Wirkleistung P zu Zum anderen dient die Ermittlung der geleisteten Arbeit = Leistung Zeit der Abrechnung der Energieversorgungsunternehmen (EVU) mit den Abnehmern, bzw. den Energieversorgungsunternehmen untereinander. Dabei ist der Mittelwert der Wirkleistung P die beim Abnehmer umgesetzt wird, die zu messende Größe mit P = U I cos φ. Wirkverluste, die beim Transport der Leistung über Transformatoren, Freileitungen und Kabel entstehen, gehen zu Lasten des EVU. Deshalb soll der die Verluste Pv = I² Rv (Rv: Summe der Widerstände der Übertragungsstrecke) verursachende Strom I so gering wie möglich sein. Ein geringer Strom ist zu erreichen, wenn die Spannung U sehr hoch und der cos φ 1 ist. Aus diesem Grund erfolgt die Energieübertragung über große Strecken auf Hochspannungspotential. Der Leistungsfaktor cos φ ist jedoch nicht durch das EVU, sondern durch den Kunden bestimmt. Deshalb schreibt das EVU einen minimalen cos φ von etwa 0,96 vor. Dies ist für Haushaltskunden üblicherweise erfüllt. Industriekunden mit einem hohen Maschinenanteil erfüllen die Bedingung häufig nicht. Durch den geringeren Leistungsfaktor steigt der die Übertragungsverluste verursachende Strom, so dass das EVU die zusätzlichen Kosten dem Industrieunternehmen berechnet. Hierzu ist die Messung des Leistungsfaktors oder der Scheinoder Blindleistung beim Kunden erforderlich. Weiterhin tritt bei Einsatz elektronischer Leistungssteuerungen (z.b. Phasenanschnittsteuerung) der Effekt auf, dass sich an der Einspeisung ein Leistungsfaktor cos < 1 ergibt, obwohl die Last ein ohmscher Widerstand ist. Dieser Effekt ist ebenfalls unerwünscht, so dass die neuere Normung bei Lasten größer als 200 W Maßnahmen vorschreibt. Entsprechend der vertraglichen Gestaltung zwischen EVU und Kunden sind unterschiedliche technische Lösungen der Bestimmung des Blindleistungsbedarfs möglich. Beispielsweise berechnet die Avacon einigen Industriekunden bei Unterschreitung von cos = 0,9 den Betrag der Scheinleistung zum Preis der Wirkleistung. Zur Reduzierung der Kosten kann nun wiederum das Industrieunternehmen eine Kompensation der Blindleistung vornehmen. Hierzu werden bei induktiver Blindlast Kompensationskondensatoren erforderlich. Diese Investitionskosten müssen innerhalb der Abschreibungsdauer geringer sein, als die an das EVU zusätzlich zu zahlenden Kosten für die Blindleistung ohne Kompensation. Bei Abschreibungszeiten

2 Labor Messtechnik II Versuch 2 Prof. Dr.-Ing. D. Stolle von 20 bis 30 Jahren ist eine Prognose der zu erwartenden Blindleistung in diesem Zeitraum notwendig. Hieraus ist die Problematik einer derartigen Rechnung zu ersehen. Messung von Leistungen Bei der Messung der Wirkleistung in Wechsel- und Drehstromnetzen werden elektrodynamische Leistungsmesser oder neuerdings elektronische Leistungsmesser eingesetzt. Zu beachten ist dabei jedoch, dass die Innenwiderstände der angeschlossenen Geräte zu Messabweichungen führen. Bei der Verwendung von Spannungs- und Stromwandlern ist die absolute Messabweichung mit den Übersetzungsfaktoren der Wandler zu multiplizieren, so dass sich erhebliche absolute Messabweichungen ergeben können. Da die Messung der Leistung für Abrechnungszwecke verwendet wird, können so erhebliche Kosten aufgrund von Messabweichungen entstehen. Aus diesem Grund wird die Leistung bei großen Energiemengen, z.b. an der Übergabestelle zwischen der EON als Energieerzeuger und dem regionalen Verteiler der Energie z.b. der Avacon, zweimal gemessen. Sowohl von der EON als auch von der Avacon. 2. Versuchsdurchführung 2.1 Leistungsmessung im Wechselstromkreis Aufgabenstellung Bauen Sie einen Wechselstromkreis nach Bild 2.2 auf. Dabei kann dieser Wechselstromkreis auch als einphasige Modellanordnung für ein symmetrisches Drehstromsystem betrachtet werden. Der Unterschied zum Wechselstromsystem ist die Impedanz der Rückleitung, die im symmetrischen Drehstromsystem stromlos bzw. nicht vorhanden ist. Kombigerät R P Leit. Last K L 1 A el. Sich. k l Leistungsmessgerät U N V U L LAST Last a) Last b) R Last L Last C komp Last c) in Triac out R Last Bild 2.2: Versuchsaufbau zur Leistungsmessung im Wechselstromkreis mit Nachbildung eines Leitungswiderstandes und unterschiedlichen Lastfällen

3 Labor Messtechnik II Versuch 2 Prof. Dr.-Ing. D. Stolle Der Wechselstromkreis symbolisiert eine Netzeinspeisung mit einem Stromwandler und der Messung der abgegebenen Wirkleistung und des Leistungsfaktors cos φ. Die weitere Übertragung der elektrischen Energie erfolgt mittels eines Kabels oder einer Freileitung. In der Simulationsschaltung erfolgt die Nachbildung vereinfacht durch einen ohmschen Widerstand. Für ein Freileitungsseil aus Aldrey 25 mm² ergibt sich ein ohmscher Widerstand von r = 1,35 Ω/km bei ϑ = 20 o C. Die Strombelastbarkeit beträgt dabei I = 135 A. Die Länge der Freileitung ist mit l = 10 km angenommen. Es sind drei verschiedene Lastfälle zu untersuchen. Last a: Die Last besteht aus einem Festwiderstand und einer Parallelschaltung von Induktivitäten. Hierdurch soll der in der Praxis häufig auftretende Fall unterschiedlicher induktiver Lasten in Industrieunternehmen simuliert werden. Die Messungen sind für fünf Induktivitätswerte durchzuführen. Last b: Schalten Sie für den Fall der größten induktiven Last (Lmin = 705 mh) Kondensatoren derart zu, dass sich ein cos φ > 0,98 einstellt bzw. sich gerade ein kapazitiver Leistungsfaktor ergibt. Last c: Nun soll die Helligkeit einer Lampe variiert werden. Hierzu erfolgt die Ansteuerung der Lampe mit einer Triac-Schaltung. Es sind vier verschiedene Lastfälle (Ansteuerwinkel) einzustellen. Ermitteln Sie zu Ihren Einstellungen auch den Phasenanschnittswinkel mit dem Oszilloskop. Bestimmen Sie mit dem digitalen Leistungsmesser die von der Netzeinspeisung abgegebene Wirkleistung P1, den Strom I über einen Stromwandler, den Leistungsfaktor cos φ an der Netzeinspeisung und die von der Last umgesetzte Wirkleistung P2. Hierzu halten Sie dabei die Spannung UL auf konstant 200 V. Nehmen Sie für einen Lastfall in c einmal das Frequenzspektrum des Stromsignales auf und beschreiben Sie das Ergebnis in Ihrer Auswertung. Auswertung: Stellen Sie den Verlauf der vom Netz abgegebenen Wirkleistung P1, der Verbraucherwirkleistung P2 und des Leistungsfaktors cos φ als Funktion der veränderten Parameter für die verschiedenen Lastfälle dar. Erläutern Sie das Ergebnis. Ermittel Sie die Verlustleistung, die bei der Übertragung auf der Leitung verloren geht.

4 Labor Messtechnik II Versuch 2 Prof. Dr.-Ing. D. Stolle Leistungsmessung im Drehstromkreis Aufgabenstellung Bauen Sie einen Vierleiter Drehstromkreis nach Bild 2.3 auf. Dabei sind verschiedene Lastfälle einzustellen. R 1 L 1 C 1 L 2 3 phasiges Leistungsmessgerät R 2 C 2 R 3 L 3 N C 3 Bild 2.3: Versuchsschaltung zur Leistungsmessung in Drehstromsystemen Die Wirkleistung und die Blindleistung ist auf verschiedene Arten zu messen. a. Wirkleistung und Blindleistung mit drei Leistungsmessern und künstlichem Sternpunkt: a.1 Last: R1 = R2 = R3 mit und ohne Nullleiter a.2 Last: C1 = C2 = C3 mit und ohne Nullleiter a.3 Last: unsymmetrische Einstellung; z.b. 2 R1 = R2 = 3 R3 und gleichzeitig 2 C1 = C2 = C3 mit und ohne Nullleiter (Verwenden Sie für R2 den maximalen Wert und für C1 = 7 µf). Nehmen Sie jeweils alle erforderlichen Größen auf und Dokumentieren sie mind. ein Zeigerdiagramm (ein entsprechendes Programm steht im Labor zur Verfügung).

5 Labor Messtechnik II Versuch 2 Prof. Dr.-Ing. D. Stolle b. Wirkleistung und Blindleistung mit Aron-Schaltung: b.1 Last: unveränderte Last wie in a,3 mit und ohne Nullleiter Verwenden Sie bitte die selbe Einstellung wie bei a3, da Sie dann die unveränderte unsymmetrische Belastung haben und beide Messverfahren bei derselben unsymmetrischen Belastung direkt vergleichen können. b.2 Last: C1 = C2 = C3 mit und ohne Nullleiter b.3 Last: R1 = R2 = R3 mit und ohne Nullleiter Nehmen Sie jeweils alle erforderlichen Größen auf und Dokumentieren sie mind. ein Zeigerdiagramm (ein entsprechendes Programm steht im Labor zur Verfügung). Auswertung: Beschreiben Sie die Messungen und zeigen Sie eventuelle falsche Messergebnisse auf und erläutern Sie die Ursache.