Präzise Leistungsmessung
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Präzise Leistungsmessung
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TEST & MESSTECHNIK<br />
APPLIKATIONEN<br />
<strong>Präzise</strong> <strong>Leistungsmessung</strong><br />
Elektrische Antriebe und<br />
Frequenzumrichter<br />
Hybridantriebe für<br />
Fahrzeuge<br />
Beleuchtung und<br />
Vorschaltgeräte<br />
Transformatoren und<br />
Induktivitäten<br />
Netzqualität und<br />
Netzrückwirkung<br />
Erneuerbare<br />
Energien
Messtechnik für<br />
Stromerzeuger,<br />
Wandler und<br />
Verbraucher<br />
<strong>Leistungsmessung</strong> ist so vielfältig wie<br />
die Technik selbst: Die Technik der<br />
Stromerzeugung und des Stromtransports,<br />
der Spannungstransformation und<br />
Frequenzumrichtung, der Nutzung für<br />
Antriebe, Beleuchtung und andere<br />
Verbraucher.<br />
<strong>Leistungsmessung</strong> ist eine Domäne von<br />
Yokogawa. Das Unternehmen nutzt seine<br />
langjährige Erfahrung, um praxisgerechte<br />
Messtechnik nach neuestem Stand<br />
anzubieten. Diese Broschüre gibt einen<br />
Überblick.
INHALT<br />
ELEKTRISCHE ANTRIEBE UND<br />
FREQUENZUMRICHTER 4<br />
Wirkungsgrade entscheiden<br />
HYBRIDANTRIEBE FÜR FAHRZEUGE 6<br />
Komplexes Zusammenspiel<br />
BELEUCHTUNG UND VORSCHALTGERÄTE 7<br />
Transiente Vorgänge<br />
TRANSFORMATOREN UND INDUKTIVITÄTEN 8<br />
Der Phasenwinkel zählt<br />
NETZQUALITÄT UND NETZRÜCKWIRKUNG 10<br />
Flicker und Harmonische<br />
ERNEUERBARE ENERGIEN 11<br />
Phasengenau einspeisen<br />
PRÜFSTÄNDE UND SYSTEME 13<br />
Vielseitigkeit ist gefragt<br />
KALIBRIERUNG UND SERVICE 14<br />
Rückführbar bis zur PTB<br />
SEMINARE UND SCHULUNGEN 15<br />
Theorie und Praxis miteinander verbinden<br />
PRODUKTÜBERSICHT 16<br />
Für alle Anwendungen – für jedes Budget<br />
ZUBEHÖR 18<br />
Gerüstet für alle Fälle<br />
WISSENSWERTES VON A BIS Z 20
ELEKTRISCHE ANTRIEBE UND<br />
FREQUENZUMRICHTER<br />
Die <strong>Leistungsmessung</strong> an Frequenzumrichtern und<br />
Elektromotoren gehört zu den anspruchvollsten Aufgaben.<br />
Hier treffen konträre Anforderungen aufeinander:<br />
Große Bandbreiten, ein weiter Dynamikbereich und<br />
nicht zuletzt hohe Messgenauigkeiten müssen auch<br />
in stark belasteteter EMV-Umgebung erreicht werden.<br />
Insbesondere die Messung von elektrischen und<br />
mechanischen Wirkungsgraden erfordert ein hohes Maß<br />
an Störunterdrückung, Absolutgenauigkeit und Linearität.<br />
Zur Wirkungsgradbestimmung an einem Umrichter mit<br />
dreiphasiger Einspeisung sind bei Anwendung der<br />
Drei-Wattmeter-Methode sechs simultan arbeitende<br />
Leistungsmesskreise erforderlich. Bei DC-Einspeisung,<br />
wie sie z.B. bei Wechselrichtern für Solarenergie oder<br />
hybride Fahrzeugantriebe vorkommt, werden i.A. vier<br />
Leistungsmodule benötigt. Bei den Messfunktionen<br />
ist es wichtig, dass breitbandige Wirkleistung und<br />
Effektivwerte sowie Grundschwingungswerte simultan<br />
ohne Umschaltung erfasst werden können.<br />
Die Messung des elektrisch-mechanischen Wirkungsgrades<br />
bei Elektromotoren erfordert zusätzlich die<br />
Bestimmung der abgegebenen mechanischen<br />
Leistung. Spezielle Eingänge der Leistungsmesser<br />
für Drehzahl- und Drehmomentsensoren erlauben<br />
die Verarbeitung analoger und pulsförmiger<br />
Sensorsignale. Über einen Formeleditor können diverse<br />
Wirkungsgrade direkt im Gerät errechnet werden.<br />
Wirkungsgrade entscheiden<br />
Die Bestimmung elektrischer und mechanischer<br />
Wirkungsgrade von Elektromotoren und Frequenzumrichtern<br />
erfordert die simultane Messung aller Leistungen mit<br />
hoher Genauigkeit und guter Störunterdrückung.<br />
Alle mehrphasigen Leistungsmesser von Yokogawa<br />
sind „umrichtertauglich“ und haben sich bei dieser<br />
Anwendung als zuverlässig und präzise bewährt.<br />
Dank des modularen Aufbaus der Leistungmesser<br />
und deren Kaskadierbarkeit ist eine Anpassung der<br />
Kanalzahl an die Erfordernisse jederzeit möglich.<br />
Ein umfangreiches Zubehörprogramm unterstützt<br />
die Adaption an unterschiedliche Spannungs- und<br />
Stromverhältnisse. Die Produktserie aktiver Präzisions-<br />
Stromwandler z.B. erweitert den Strom-Messbereich bis<br />
hin zu mehreren tausend Ampere bei extremer Linearität<br />
und Bandbreiten von etlichen hundert Kilohertz.<br />
Ausgangssignal<br />
Eingangssignal<br />
Leistungsmessgerät<br />
Umrichter
Motor<br />
Drehmoment- und<br />
Drehzahlmesser<br />
Last<br />
Trendanzeige von Drehmoment und Drehzahl<br />
(Motor Evaluation Function)<br />
Prinzipieller Aufbau einer Wirkungsgradmessung<br />
an Umrichter und Motor.<br />
Typisches Ausgangssignal eines Umrichters. Dargestellt ist eine Phase<br />
mit pulsmodulierter Spannung (gelb) und sinusförmigem Strom (grün).
HYBRIDANTRIEBE<br />
FÜR FAHRZEUGE<br />
Durch die Klimaschutzdebatte ist der Hybridantrieb in<br />
den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Er soll helfen, bis<br />
zum Jahre 2012 die klimawirksamen Emissionen beim<br />
Kraftfahrzeug auf 120 Gramm CO 2 pro Kilometer zu<br />
reduzieren. Unabhängig davon, ob es sich um „Mild<br />
Hybrid“, „One-Mode/Two-Mode Hybrid“ oder um die<br />
Rückgewinnung von Bremsenergie handelt: In jedem<br />
Fall ist die Optimierung von Wirkungsgraden und<br />
die Minimierung von Verlusten auf eine aufwendige<br />
Präzisionsmesstechnik angewiesen. Denn das komplexe<br />
Zusammenspiel verschiedener mechatronischer<br />
Systeme verlangt die Erfassung von mechanischen<br />
und elektrischen Parametern mit hoher Genauigkeit<br />
und Reproduzierbarkeit. Je näher man der magischen<br />
Grenze von 100 % Wirkungsgrad rückt, um so höher<br />
werden die Anforderungen an die gesamte Messkette.<br />
Bereich optimaler Effizienz<br />
Komplexes Zusammenspiel<br />
Das komplexe Zusammenspiel verschiedener<br />
mechatronischer Systeme verlangt die Erfassung<br />
von mechanischen und elektrischen Parametern mit<br />
hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.<br />
Beispiel: Bei einem Wirkungsgrad von 95 % bewirkt<br />
ein Messfehler von 0,1 % bereits einen Fehler von<br />
ca. 4 %, bezogen auf die zu messende Verlustleistung!<br />
Yokogawa bietet Systemlösungen für die DC/AC-<br />
<strong>Leistungsmessung</strong> höchster Präzision für Spannungen<br />
bis 1000 V und Ströme bis 1000 A mit<br />
Bandbreiten bis 1 MHz.<br />
Wirkungsgrade eines Hybridantriebs in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment.
BELEUCHTUNG UND<br />
VORSCHALTGERÄTE<br />
Glühlampen werden wegen ihrer schlechten Lichtausbeute<br />
zunehmend durch effizientere Leuchtmittel<br />
wie Leuchtstoffröhren, Xenonlampen oder Hochleistungs-<br />
LEDs ersetzt. Diese Lampentypen benötigen elektronische<br />
Vorschaltgeräte (EVG), um einen optimalen<br />
Betrieb hinsichtlich Lichtqualität, Energiebilanz und<br />
Lebensdauer zu erreichen. Die Taktfrequenzen für<br />
Leuchtstoffröhren erreichen mittlerweile mehrere<br />
hundert Kilohertz, wobei die Impedanzen der Lampen<br />
ein sehr breites Leistungsspektrum erzeugen.<br />
Vom Leistungsmessgerät werden hohe Bandbreite<br />
und Gleichtaktunterdrückung gefordert. Niedrige<br />
Eingangs- und Streukapazitäten sind nötig, um die<br />
kapazitive Belastung des EVGs möglichst gering<br />
zu halten. Um den Anteil des reinen Lampenstroms<br />
bei Leuchtstoffröhren zu ermitteln, ist eine vektorielle<br />
Differenzbildung aus Gesamtstrom und Kathodenstrom<br />
von Vorteil. Die Erfassung und Analyse des Einschalt-<br />
bzw. Zündverhaltens von Gashochdrucklampen<br />
ist eine Domäne der transienten <strong>Leistungsmessung</strong>,<br />
wofür insbesondere der Leistungsanalysator PZ4000<br />
von Yokogawa hervorragend geeignet ist.<br />
Messpunkte an einer Leuchtstoffröhre mit Vorschaltgerät.<br />
Netz<br />
Vorschaltgerät Leuchtstoffröhre<br />
Leistungsmessgerät<br />
Bildvorlage mit feundlicher Genehmigung der OSRAM GmbH, München<br />
Messung des Kathodenwiderstands in geheiztem Zustand mit dem<br />
Leistungsanalysator PZ 000 von Yokogawa. Die Kurvenform von<br />
Spannung und Strom zeigt, dass das EVG die Vorheizung gezielt steuert.<br />
Transiente Vorgänge<br />
Die hohen Taktfrequenzen und kurzen Zündvorgänge<br />
moderner Vorschaltgeräte lassen sich nur durch schnelle<br />
<strong>Leistungsmessung</strong> erfassen. Vektorielle Differenzbildung<br />
aus Gesamtstrom und Kathodenstrom trennt dabei den<br />
Anteil des reinen Lampenstroms vom Gesamtstrom.
TRANSFORMATOREN<br />
UND INDUKTIVITÄTEN<br />
Die Verlustleistungsmessung an Transformatoren erfordert<br />
eine Messkette höchster Präzision. Es handelt sich zwar<br />
meistens um sinusförmige Spannungen und Ströme<br />
bei 50 oder 60 Hz, jedoch stellt ein verlustarmer<br />
Transformator im Leerlaufbetrieb eine nahezu rein<br />
induktive Last dar. Dies bedeutet einen Phasenwinkel φ<br />
zwischen Spannung und Strom von fast 90° bzw.<br />
einen sehr geringen Leistungsfaktor λ von 0,01 oder<br />
weniger (hier gleichzusetzen mit cos φ). Entscheidend<br />
ist deshalb, dass der Eigenwinkelfehler des Messgeräts<br />
so klein wie möglich ist. Das Kalibrierprotokoll gibt<br />
Aufschluss darüber, wie groß dieser „cos φ = 0“-<br />
Fehler bei einer bestimmten Frequenz ist.<br />
Die gleichzeitige Messung des Effektivwertes und<br />
des gleichgerichteten Mittelwertes der Spannung<br />
kann zur direkten Berechnung des Formfaktors und<br />
entsprechender Korrekturformeln für die Leistung<br />
gemäß IEC 76-1 herangezogen werden.<br />
Hochfrequente Kernverluste an Ferriten können bis in<br />
den Megahertz-Bereich hinein durch Messung des<br />
Erregerstroms und der induzierten Sekundärspannung<br />
ermittelt werden. Die Integration der Spannung ergibt<br />
den magnetischen Fluss, und die Berücksichtigung<br />
der geometrischen Kerndaten erlaubt die direkte<br />
Darstellung der Hysteresiskurve (magnetischer<br />
Fluss B über der magnetischen Feldstärke H).<br />
Der Phasenwinkel zählt<br />
Transformatoren im Leerlaufbetrieb stellen eine nahezu rein<br />
induktive Last dar: Der Strom ist gegenüber der Spannung<br />
um fast 90° versetzt. Der Eigenwinkelfehler des Messgeräts<br />
beeinflusst deshalb wesentlich die Messgenauigkeit.<br />
Im Gegensatz zu RLC-Messbrücken können<br />
Leistungsmessgeräte Impedanzen von induktiven<br />
Komponenten unter wirklichkeitsnahen Bedingungen<br />
ermitteln. Da die Parameter von Filtern, Drosseln<br />
usw. stark nichtlinear von der Aussteuerung und der<br />
Frequenz abhängen, ist die Messung beim tatsächlichen<br />
Arbeitspunkt ratsam. Eine Reihe von vordefinierten<br />
Formeln für Wirk-, Blind- und Scheinwiderstand<br />
bzw. Leitwert gestatten die Impedanzmessung unter<br />
Betriebsbedingungen. Weitere Berechnungen können<br />
einfach durch einen Formeleditor hinzugefügt werden.<br />
Beispiel für Verlust- und Impedanzmessung an einer Drossel für Leuchtstoffröhren.<br />
Die Bestimmung des Gleichstromwiderstandes Z1 (DC) = 19, Ω<br />
erlaubt auch Rückschlüsse auf die Wicklungstemperatur.
Beispiel: WT3000 von Yokogawa<br />
Aus dem Kalibrierprotokoll ergibt sich im<br />
Referenzbereich 100 V / 5 A und 60 Hz bei<br />
500 W Vollausschlag ein Fehler von 0,013W.<br />
Der Fehler ε bezogen auf die Anzeige beträgt deshalb<br />
ε = 0,013 W / 500 W • 100 % = 0,0026 %.<br />
Aus der Fehlerrechnung für die Wirkleistung folgt<br />
der allgemeine Zusammenhang für den zusätzlichen<br />
Fehler Δ bezogen auf den Messwert bei einem<br />
beliebigen Phasenwinkel φ zwischen Spannung<br />
und Strom: Δ = ε • tan φ. Für einige ausgewählte<br />
Werte von cos φ ergeben sich folgende Werte:<br />
cos φ tan φ φ Δ Sollwert<br />
1 0 0° 0 % 500,000 W<br />
0,1 9,950 84,26° 0,026 % 50,000 W<br />
0,01 99,95 89,43° 0,26 % 5,000 W<br />
0,001 1000,00 89,94° 2,6 % 0,500 W<br />
variable Stromversorgung<br />
Leistungsmessgerät<br />
Strommessung Spannungsmessung<br />
Aufbau zur Messung von Kernverlusten.<br />
9
NETZQUALITÄT UND<br />
NETZRÜCKWIRKUNG<br />
Viele Arten von modernen Verbrauchern beeinträchtigen<br />
die Netzqualität, indem sie die Sinusschwingungen<br />
– manchmal bis zur Unkenntlichkeit – verformen. Die<br />
zwei wichtigsten Messungen zur Bestimmung der<br />
Netzqualität und Netzrückwirkung sind deshalb die<br />
Bestimmung der Oberschwingungsströme (Harmonischen-<br />
Analyse) sowie der Spannungsschwankungen (Flicker-<br />
Analyse). Eine Reihe von EN/IEC-Normen gibt zulässige<br />
Grenzwerte und Anforderungen an die Messgeräte<br />
und Prüfverfahren vor. Für Niederspannungsnetze mit<br />
Strömen bis 16 A teilt die EN 61000-3-2 die Geräte in<br />
vier Klassen ein und legt entsprechende Grenzwerte der<br />
Oberschwingungsströme fest. Ströme bis 75 A werden<br />
in der EN 61000-3-4/EN 61000-3-12 behandelt.<br />
Grenzwerte für Spannungsschwankungen (Flicker)<br />
werden in EN 61000-3-3 und EN 61000-3-11 fixiert.<br />
PC Software zur Analyse von Oberschwingungsströmen.<br />
10<br />
Flicker und Harmonische<br />
Oberschwingungsströme (Harmonische) und Spannungsschwankungen<br />
(Flicker) kennzeichnen die Netzqualität und<br />
ihre Beeinträchtigung durch Verbraucher. Die Messtechnik<br />
reicht vom einfachen Pre-Compliance-Tester bis zum<br />
normkonformen Messaufbau nach IEC/EN 61000.<br />
Yokogawa bietet eine Vielzahl von Messgeräten, die<br />
sich je nach Typ für so genannte Pre-Compliance-<br />
Messungen – Vorabmessungen – eignen, um bösen<br />
Überraschungen beim Compliance-Test vorzubeugen,<br />
oder aber absolut normkonforme Messungen<br />
ermöglichen, wie z.B. WT3000. Eine zusätzliche<br />
PC-Software erlaubt eine statistische Auswertung,<br />
Reportgenerierung sowie die Bestimmung von Sub-<br />
und Interharmonischen gemäß EN 61000-4-7.<br />
U eff<br />
Spannungs-<br />
einbruch<br />
1 %<br />
±10 % ±5 %<br />
10 ms bis 1 min
Solargenerator-Simulator<br />
ERNEUERBARE<br />
ENERGIEN<br />
Das deutsche „Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer<br />
Energien“, auch „Erneuerbare-Energie-Gesetz“ oder<br />
kurz „EEG“ genannt, trat in seiner jetzigen Form<br />
am 1. August 2004 in Kraft. Mit diesem Gesetz<br />
verfolgt das deutsche Bundesministerium für Umwelt,<br />
Naturschutz und Reaktorsicherheit das Ziel, den<br />
Einsatz fossiler Energieträger zu senken und damit<br />
die Atmosphäre weniger mit dem klimaschädlichen<br />
Kohlendioxid zu belasten. Von Bedeutung ist die<br />
Nutzung von Geothermie, Biomasse, Wasserkraft<br />
und vor allem von Solar- und Windenergie.<br />
Eine zentrale Komponente von Photovoltaik- oder<br />
Windkraftanlagen stellt der Wechselrichter dar. Seine<br />
Aufgabe ist es, aus einer stark fluktuierenden DC-<br />
Eingangsleistung mit hoher Zuverlässigkeit und optimalem<br />
Wirkungsgrad einen sauberen ein- oder dreiphasigen<br />
Wechselstrom zu erzeugen. Bei der Netzeinspeisung<br />
bestehen zudem sehr hohe Anforderungen an die<br />
Vermeidung von Oberschwingungsströmen, so wie<br />
sie die Europäische Norm EN 61000-4-7 fordert. Der<br />
Yokogawa Leistungsmesser WT3000 hat sich dabei zum<br />
Referenzgerät für hochgenaue Wirkungsgradmessungen<br />
bei Herstellern und Prüfinstituten etabliert.<br />
Prinzipieller Prüfaufbau für Solarwechselrichter.<br />
Leistungsmesser<br />
Umrichter Stelltransformator<br />
Netz<br />
Phasengenau einspeisen<br />
Sonnenschein und Wind schwanken – unvorhersehbar.<br />
Die Energie muss trotzdem zuverlässig ins Netz<br />
gelangen – phasengenau und oberschwingungsarm.<br />
11
Zitat aus dem Gesetz für den Vorrang<br />
Erneuerbarer Energien:<br />
Zweck dieses Gesetzes ist es, insbesondere im<br />
Interesse des Klima-, Natur- und Umweltschutzes eine<br />
nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu<br />
ermöglichen, die volkswirtschaftlichen Kosten der<br />
Energieversorgung auch durch die Einbeziehung<br />
langfristiger externer Effekte zu verringern, Natur und<br />
Umwelt zu schützen, einen Beitrag zur Vermeidung von<br />
Konflikten um fossile Energieressourcen zu leisten und<br />
die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung<br />
von Strom aus Erneuerbaren Energien zu fördern.<br />
Zweck dieses Gesetzes ist ferner, dazu beizutragen, den<br />
Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung<br />
bis zum Jahr 2010 auf mindestens 12,5 Prozent und bis<br />
zum Jahr 2020 auf mindestens 20 Prozent zu erhöhen.<br />
DC-Link-System<br />
Spannung und Frequenz<br />
schwanken mit der<br />
Rotationsgeschwindigkeit<br />
Messpunkte an einer Windkraftanlage.<br />
1<br />
AC-Link-System<br />
Frequenz synchronisiert auf<br />
Netzfrequenz 50 oder 60 Hz,<br />
Spannung bis zu 700 V<br />
1 2<br />
Gleichrichter Wechselrichter,<br />
5<br />
Netzfrequenz<br />
50 oder 60 Hz<br />
Last<br />
3<br />
Transformator<br />
Last<br />
Schutzschaltung<br />
Power Link<br />
6<br />
7<br />
Transformator Schutzschaltung Power Link<br />
4<br />
Messaufgaben eines Präzisions-Leistungsmessers<br />
DC-Link-System<br />
1 Signalform, Fluktuation von Spannung und Frequenz<br />
2 Gleichspannungswert<br />
3 Wechselspannungswert und Stabilität<br />
4 Stabilität der Ausgangsspannung, Beobachtung unvorhergesehener Phänomene<br />
AC-Link-System<br />
5 Wechselspannungswert<br />
6 Stabilität der Ausgangsspannung<br />
7 Spannung, Harmonische
PRÜFSTÄNDE UND<br />
SYSTEME<br />
Vielfach werden in Testsystemen für elektromechanische<br />
Komponenten Leistungsmessgeräte eingesetzt, um<br />
Leistungsbedarf, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit des<br />
Prüflings zu ermitteln. Am Beispiel für Motorprüfstände<br />
wird deutlich, worauf es hier ankommt:<br />
• Flexible analoge Eingänge für Spannungen und<br />
Ströme, z.B. 1000 V, 1000 A, bis 1 MHz<br />
• Direkter Anschluss mechanischer Sensoren<br />
z.B. für Drehmoment und Drehzahl<br />
• Variable Schnittstellen, z.B.<br />
IEEE-488, RS-232, USB, Ethernet<br />
• Höchste Zuverlässigkeit der Messgeräte<br />
für Dauerbetrieb<br />
• Zeitnaher Support für Schnittstellen-<br />
und Software-Anbindungen<br />
• Kundenspezifische Lösungen für optimales<br />
Preis-/Leistungs-Verhältnis<br />
Yokogawa-Messgeräte finden sich in Prüfständen bei<br />
• AUDI<br />
• AVL<br />
• BMW Motorsport<br />
• BOSCH<br />
• Conti VDO<br />
• Deutronic<br />
• Elabo<br />
• Hochschule der Bundeswehr (Neubiberg)<br />
• John Deere<br />
• Kratzer<br />
• Lenze<br />
• Loher<br />
• Lust Antriebstechnik<br />
• Mercedes McLaren<br />
• OSRAM<br />
• Porsche<br />
• Staiger-Mohilo<br />
• VDE Offenbach<br />
• Vestas Nacelles<br />
• Visteon<br />
• Vogelsang & Benning<br />
• ZF Sachs<br />
Vielseitigkeit ist gefragt<br />
Zuverlässigkeit ist nur eine Voraussetzung. Prüfstandtauglich<br />
wird ein Messgerät durch die Schnittstellenvielfalt<br />
für Sensorik, Steuerung und Messdatenabruf.<br />
1
KALIBRIERUNG<br />
UND SERVICE<br />
Grundsätzlich werden alle Yokogawa-Leistungsmesser<br />
mit einem werkseitigen Kalibrierzertifikat und<br />
einer CE-Konformitätsbescheinigung ausgeliefert.<br />
Die Kalibrierung geschieht an einer Vielzahl von<br />
Messpunkten, ausgewiesen im Zertifikat; sie ist<br />
rückführbar auf nationale und internationale Standards.<br />
Das empfohlene Kalibrierintervall beträgt zwei Jahre,<br />
wobei nach Ablauf dieser Periode verschiedene<br />
Ebenen der Rekalibrierung zur Verfügung stehen:<br />
• Werkskalibrierschein;<br />
Kalibrierung rückführbar auf Normalien<br />
des DKD und der PTB<br />
• DKD-Kalibrierzertifikat<br />
gemäß DIN EN ISO/IEC 17025<br />
(in Zusammenarbeit mit dem Kalibrierdienst der<br />
Siemens AG, Transformatorenwerk Nürnberg,<br />
und der EADS Deutschland GmbH in Manching)<br />
• PTB-Prüfschein<br />
DKD: Deutscher Kalibrierdienst<br />
PTB: Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig<br />
Leistungsmesser-Kalibrierung bei Yokogawa MT Herrsching.<br />
1<br />
Rückführbar bis zur PTB<br />
Die Kalibrierung aller Yokogawa-Messgeräte ist<br />
rückführbar auf anerkannte Standards. Die Reparatur<br />
dagegen ist häufig individuell und gelingt auch noch<br />
dort, wo Großunternehmen passen müssen.<br />
Wenn eine Reparatur nötig ist, dann tauscht Yokogawa<br />
in Herrsching nicht einfach nur defekte Platinen aus. Die<br />
Reparatur geht häufig bis aufs Bauteil herunter, auch wenn<br />
es die kleinsten SMDs sind. Rund 100.000 Ersatzteile<br />
lagern in der Abteilung: ICs, Transistoren, Laufwerke,<br />
Festplatten, mechanische Bauteile. So manche Rarität ist<br />
dabei, die es auf dem Markt nicht mehr gibt. Deshalb<br />
kann Yokogawa manchmal auch noch „Museumsstücke“<br />
reparieren, von denen der Kunde sich nicht trennen mag.<br />
Prüfschein der PTB Braunschweig über ein Yokogawa-Leistungsmessgerät.
SEMINARE UND<br />
SCHULUNGEN<br />
Yokogawa Measurement Technologies pflegt ständig<br />
ein Programm zur Weiterbildung – für die Teilnehmer<br />
meist kostenlos. Das Seminar „Arbeiten mit digitalen<br />
Leistungsmessern“ hat bereits viele Anwender<br />
angesprochen und mit Basiswissen sowie praktischen<br />
Messtipps versorgt. Das aktuelle Programm finden Sie<br />
auf unserer Website: http://www.yokogawa-mt.de<br />
Alternativ zu diesen Seminaren bieten wir Ihnen<br />
individuelle Schulungen an. Die Vorteile:<br />
• Schulung in entspannter und ruhiger Atmosphäre<br />
• Effektives Lernen in kleinen Gruppen<br />
• Individuelles Training direkt am Gerät<br />
• Arbeiten an und mit Ihrer persönlichen Aufgabenstellung<br />
• Erlernen der erforderlichen Grundlagen<br />
mit sofortiger praktischer Umsetzung<br />
Theorie und Praxis miteinander verbinden<br />
Yokogawa bietet ständig Seminare sowie<br />
individuelle Schulungen an.<br />
1
PRODUKTÜBERSICHT<br />
Yokogawa pflegt ein umfangreiches Spektrum an<br />
Leistungsmessgeräten, vom einfachen Einbau-Panelmeter<br />
bis hin zum Präzisions-Leistungsanalysator. Ob für<br />
Service, Produktionsüberwachung oder Forschung &<br />
Entwicklung: ein für die Anwendung geeignetes und<br />
ins Budget passendes Gerät ist mit Sicherheit dabei.<br />
Anwendung/Modell PR300 CW120/240 WT210/230 WT500 WT1600S WT1600 WT3000 PZ4000<br />
Schalttafel X<br />
Service X X X<br />
Umrichter X X X X X X<br />
Antriebe X X X X<br />
Beleuchtung X X X X X X<br />
Vorschaltgeräte X X X X X<br />
Consumer Elektronik X X X<br />
Automotive X X X X<br />
Transformatoren X X<br />
Oberschwingung X X X X X X<br />
Flicker X<br />
Transienten X X<br />
Messgeräte<br />
für alle Anwendungen – für jedes Budget.<br />
1<br />
PR300<br />
Panelmeter zur Schalttafelmontage<br />
• 0,25 %, 50/60 Hz<br />
• Programmierbare Verbrauchsalarme<br />
zur Energieüberwachung
Service<br />
Produktion, Qualitätssicherung<br />
CW240<br />
WT210<br />
WT230<br />
WT500<br />
WT1600<br />
WT3000<br />
Leistungsmesser höchster Genauigkeit und Stabilität<br />
• 0,02%, DC bis 1 MHz<br />
• Standardkonforme Analysen nach IEC (optional)<br />
PZ4000<br />
Leistungsanalysator mit weitem Frequenzbereich<br />
• 0,1 %, DC bis 1 MHz<br />
• Motoreingänge (Drehzahl und Drehmoment,<br />
optional)<br />
Leistungsmesser mit Signalform- und Vektordarstellung<br />
• 0,1 %, DC bis 1 MHz<br />
• Motoreingänge (Drehzahl und Drehmoment, optional)<br />
Kompakter Leistungsmesser mit Signalformdarstellung<br />
• 0,15 %, DC bis 100 kHz<br />
Kompakter dreiphasiger Leistungmesser<br />
• 0,15 %, DC bis 100 kHz<br />
Preiswertes Leistungsmessgerät, einphasig<br />
• 0,15 %, DC bis 100 kHz<br />
• Vielseitige Filter- und Auswertefunktionen<br />
Tragbarer Leistungsmesser, batteriebetrieben<br />
• 0,3 %, 45 Hz bis 2,5 kHz<br />
Forschung, Entwicklung, Prüfstand<br />
• Oberschwingungsanalyse bis zur 50. Harmonischen<br />
• Oberschwingungsanalyse (optional)<br />
• Komparator-Ausgang für Gut/Schlecht-Entscheidung (optional)<br />
• Oberschwingungsanalyse (optional)<br />
Genauigkeitsklasse (%)<br />
Frequenzbereich<br />
1
ZUBEHÖR<br />
Die Adaptierung von Strömen an die Leistungsmessgeräte<br />
durch zusätzliche Stromwandler wird dann erforderlich,<br />
wenn die internen Messbereiche (bis 50 A) nicht<br />
ausreichen oder z.B. Stromleiter nicht aufgetrennt<br />
werden können. Diverse Shunts, Stromzangen<br />
und Stromwandler werden den unterschiedlichsten<br />
Anforderungen an Stromstärke, Grenzfrequenz,<br />
Genauigkeit und mechanischer Ausführung gerecht.<br />
Stromwandler (Transducer)<br />
Unter Verwendung einer aktiven Magnetflusskompensation<br />
sind Wandler bis 25000 A und 1 MHz Grenzfrequenz<br />
bei ausgezeichneter Linearität verfügbar. Die Sensoren<br />
können entweder einzeln oder als komplettes, kalibriertes<br />
System mit Stromversorgung und Anpassung an die Leistungsmesser<br />
mit bis zu 6 Stromkanälen geliefert werden.<br />
Präzisionswandler nach dem Zero-Flux-Prinzip von 00 A bis 1000 A.<br />
Linearitätsfehler 10 ppm, Offsetfehler 0 ppm, Bandbreite DC bis 1 MHz.<br />
1<br />
Stromzangen<br />
Für mobile und nichtstationäre Anwendungen<br />
steht eine Reihe von passiven (AC) und aktiven<br />
Zangen (AC/DC) zur Verfügung. Die Stromstärken<br />
reichen von wenigen mA bis zu 9000 A, die<br />
Grenzfrequenz von 500 Hz bis zu 100 MHz.<br />
Aktive AC/DC-Stromzange bis 1 0 A, Bandbreite DC bis 10 MHz.<br />
Passive AC-Stromzange bis 00 A, Bandbreite 0 Hz bis 0 kHz.<br />
Shunts<br />
Je nach Anwendung kommen preisgünstige<br />
Niederfrequenz-Shunts (DC bis 1 kHz) oder koaxiale<br />
Hochfrequenz-Shunts (DC bis 1 MHz) zum Einsatz.<br />
Entsprechend Widerstandswert und Baugröße sind<br />
Stromstärken von 15 A bis 15 kA realisierbar.
Sternpunkt-Adapter<br />
Bei dreiphasigen Messungen<br />
ohne Mittelpunktsleiter (z.B.<br />
Umrichterausgang) simuliert<br />
dieser aufsteckbare Adapter<br />
den fehlenden Sternpunkt und<br />
ermöglicht dadurch die Drei-<br />
Wattmeter/Vier-Leiter-Methode.<br />
Software<br />
Die Standardsoftware WTViewer unterstützt alle<br />
Leistungsmesser der WT-Serie mit Online-Datentransfer<br />
über alle verfügbaren Schnittstellen (IEEE-488, RS-<br />
232, USB und Ethernet). Am PC ist die Darstellung<br />
in numerischer oder grafischer Form möglich. Alle<br />
Geräteeinstellungen lassen sich über das Setup-Menü<br />
parametrieren. Für IEC-konforme Messungen und<br />
Grenzwertüberwachungen (z.B. nach EN 61000-3-2<br />
und EN 61000-3-3) ist eine spezielle Harmonischen/<br />
Flicker-Software verfügbar. Für anspruchsvolle<br />
Logger-Anwendungen empfiehlt sich die universelle<br />
Software MCPS, die auch die Einbindung weiterer<br />
Messgeräte, wie z.B. Yokogawa-Datenlogger für<br />
vielkanalige Temperaturmessung, gestattet.<br />
Simultane Messdatenerfassung mit dem<br />
Multi Channel Process System (MCPS)<br />
• Strom [A]<br />
• Spannung [V]<br />
• Leistung [W, VA, var]<br />
• Arbeit [+/-Wh, +/-Ah]<br />
• Frequenz [Hz]<br />
• mechanische Größen<br />
(Drehzahl, Drehmoment, Kraft)<br />
• Temperaturen<br />
• Kräfte (DMS)<br />
Numerische und grafische Messdaten auf dem PC mit WTViewer.<br />
Gerüstet für alle Fälle<br />
Ein umfangreiches Zubehörprogramm ergänzt die<br />
Produktfamilie der Yokogawa-Leistungsmesser.<br />
Die wichtigsten Themen sind hier Spannungs- und<br />
Strom-Messbereichserweiterungen, Adapter für<br />
ein- und dreiphasige Netze sowie Software.<br />
19
WISSENSWERTES<br />
VON A BIS Z<br />
Abtastrate<br />
Leistungsmessgeräte arbeiten meist mit einer festen<br />
Abtastrate, z. B. 200 kS/s. Wegen des Prinzips<br />
der Unterabtastung ist dies kein Widerspruch zur<br />
▶ Bandbreite, die z. B. 1 MHz betragen kann.<br />
Durch Integration über viele Perioden des Signals<br />
werden Amplituden und Phasen korrekt erfasst.<br />
Eine Ausnahme bildet der PZ4000, bei dem die<br />
Abtastrate wie bei einem Oszilloskop variabel ist.<br />
AC<br />
Engl. für Wechselanteil (Alternating Current).<br />
Amplitudengenauigkeit<br />
Der Amplitudenfehler für Spannung und Strom<br />
wird in Prozent des Messwertes plus Prozent des<br />
Messbereiches angegeben: ± (% MW + % MB).<br />
Als Messbereich ist der Effektivwert bei 100 % Sinus-<br />
Aussteuerung anzusetzen, also z. B. 100 V oder<br />
5 A, wie er auch am Messgerät eingestellt wird. Bei<br />
der Leistung ergibt sich der Messbereich als Produkt<br />
aus Spannungs- und Strombereich, also im obigen<br />
Beispiel zu 100 V • 5 A = 500 W. Der Fehler bei<br />
der <strong>Leistungsmessung</strong> ist jedoch nicht einfach die<br />
Summe aus Spannungs- und Stromfehler, sondern<br />
wird gesondert angegeben, da die Leistungsbereiche<br />
separat kalibriert werden. Der Amplitudenfehler ist<br />
frequenzabhängig und wird für mehrere Frequenzbänder<br />
oder durch eine Formel spezifiziert.<br />
Aronschaltung<br />
In einem Dreileitersystem hat man mehrere Möglichkeiten<br />
der <strong>Leistungsmessung</strong>. André E. Blondel, ein französischer<br />
Ingenieur, formulierte Ende des 19. Jahrhunderts das<br />
seither nach ihm benannte Theorem: Zur <strong>Leistungsmessung</strong><br />
in einem Mehrleitersystem braucht man immer ein<br />
Wattmeter weniger, als Leitungen vorhanden sind.<br />
Die Schaltung hierzu wurde jedoch nicht nach Blondel,<br />
sondern nach Hermann Aron benannt, der 1894 den<br />
ersten Wattstundenzähler auf der Basis eines elektromagnetischen<br />
Pendels mit mechanischem Zählwerk<br />
entwickelte. So bestechend einfach die Lösung auch ist<br />
– sie setzt voraus, dass keine Leckströme oder kapazitiven<br />
Ableitströme auftreten. Bei heutigen Wechselrichtern<br />
0<br />
mit ihrer Flankensteilheit und den Wicklungskapazitäten<br />
der Elektromotoren gilt dies nur in Grenzen. Außerdem<br />
entsprechen die Einzelergebnisse der ▶ Zwei-Wattmeter-<br />
Methode nicht den Leistungen der einzelnen Phasen<br />
und lassen keine Rückschlüsse auf Unsymmetrien von<br />
Quelle und Last zu. Für Präzisionsmessungen empfiehlt<br />
sich deshalb auch im Dreileitersystem die ▶ Drei-<br />
Wattmeter-Methode. Drei Impedanzen erzeugen<br />
einen virtuellen Mittelpunkt oder ▶ künstlichen<br />
Sternpunkt, der den Wattmetern als Referenz dient.<br />
Das ermöglicht die Messung aller drei Phasenströme<br />
zur Beobachtung der Lastsymmetrie und der Leckströme<br />
sowie die Messung aller drei Phasenspannungen<br />
zur Beobachtung der Generatorsymmetrie. Für alle<br />
drei- und mehrphasigen Wattmeter von Yokogawa<br />
sind geeignete Sternpunkt-Adapter erhältlich.<br />
Bandbreite<br />
Üblicherweise wird in der Analogtechnik die Bandbreite<br />
bei einem 3-dB-Abfall der Amplitude angegeben. In<br />
der Leistungsmesstechnik ist diese Definition jedoch nicht<br />
sinnvoll, da ein Abfall von 30 % bei Spannung und Strom<br />
bereits einen Fehler von 50 % für die Leistung bedeutet.<br />
Nützlicher ist hier die Angabe einer Leistungsbandbreite,<br />
mit der z.B. ein Fehler von 5 % bei der Grenzfrequenz<br />
eingehalten wird. Die Anforderungen sind hier wesentlich<br />
höher als z.B. bei Oszilloskopen. Da nahezu alle<br />
modernen digitalen Leistungsmesser im Spannungs- und<br />
Stromkanal direkt gekoppelt sind, werden auch die<br />
Gleichanteile (DC) erfasst. Dennoch gibt es eine untere<br />
Grenzfrequenz, bei der noch stabile Werte zu erhalten<br />
sind. Grund ist die endliche ▶ Integrationszeit, über die<br />
▶ Effektivwerte und Leistungen berechnet werden.<br />
Blindleistung<br />
Im Gegensatz zur ▶ Wirkleistung hat die Blindleistung Q<br />
kein direktes physikalisches Äquivalent, sondern ist eine<br />
reine Rechengröße. Die Einheit ist [var]. Die übliche<br />
Formel ist:<br />
Zunächst ist Q als Resultat einer Quadratwurzel<br />
immer positiv. Man kann jedoch (mit unterschiedlichen<br />
Definitionen) Q ein Vorzeichen zuordnen, z.B. die<br />
Phasenlage zwischen Spannnung und Strom
in Quadranten aufteilen. Für den sinusförmigen<br />
Fall ist folgender Ausdruck möglich:<br />
((Formel-02))<br />
Blondel-Theorem<br />
Verallgemeinerung der ▶ Aronschaltung<br />
für beliebige Leiterzahlen n.<br />
Crest-Faktor (Scheitelfaktor)<br />
Der Ausdruck wird in zweierlei Bedeutung verwendet.<br />
Zum einen ist der Scheitelfaktor definiert als der Quotient<br />
zwischen Spitzenwert und Effektivwert eines Signals.<br />
Bei einem reinen Sinussignal hat der Faktor den Wert<br />
1,41, bei einem symmetrischen Rechteck den Wert 1.<br />
Stark impulsförmige oder pulsdauermodulierte Signale<br />
können bis zu Faktor 10 oder darüber haben.<br />
Die zweite Bedeutung beschreibt die Dynamik der<br />
Messeingänge des Geräts. Bei Yokogawa ist der<br />
Standardwert 3 üblich (umschaltbar auf 6), d.h. bei<br />
einem Messbereich mit 100 % Sinusaussteuerung<br />
können noch Amplitudenspitzen mit ±300 % ohne<br />
Beeinträchtigung verarbeitet werden (Beispiel:<br />
im Bereich 100 V eff werden Spitzen von ±300 V<br />
nicht abgeschnitten, im Bereich 5 A eff sind ±15 A<br />
zulässig). Der Vorteil eines hohen Crest-Faktors ist oft<br />
die Möglichkeit, in einem kleineren Messbereich mit<br />
geringeren Fehlern zu messen. Wird der Messbereich<br />
als Spitzenwert angegeben, so hat der Crest-Faktor<br />
den Wert 1 und eine Übersteuerung ist überhaupt<br />
nicht zulässig. Wird der Crest-Faktor nicht bei 100 %<br />
Aussteuerung, sondern z.B. nur bei 20 % angegeben,<br />
so ist er zum Vergleich linear zurückzurechnen. Ein<br />
Crest-Faktor von 10 bei 20 % Aussteuerung bedeutet<br />
tatsächlich nur einen Wert von 2 bei 100 %.<br />
CMRR (Common Mode Rejection Ratio)<br />
Siehe ▶ Gleichtaktunterdrückung.<br />
CMV (Common Mode Voltage)<br />
Siehe ▶ Gleichtaktspannung.<br />
Cycle-by-Cycle-Messung<br />
Im Gegensatz zu einem festen Messintervall bzw. einer<br />
festen ▶ Integrationszeit wird bei der Cycle-by-Cycle-<br />
Messung die Berechnung von Parametern exakt über<br />
die Periodendauer der Grundschwingung ausgeführt.<br />
Anwedungen sind bei sich rasch ändernden Frequenzen<br />
wie z.B. beim Anlauf oder beim Abbremsen von<br />
Antrieben gegeben. Eine ähnliche Methode wird bei<br />
Spannungsschwankungsmessung (▶ Flicker) angewendet,<br />
allerdings hier bei relativ konstanter Frequenz.<br />
Current Transducer (CT)<br />
Siehe ▶ Stromwandler.<br />
CE (Kennzeichnung)<br />
Sie besteht aus den Buchstaben CE und weist auf die<br />
Übereinstimmung mit allen EU-Richtlinien hin, von denen<br />
das gekennzeichnete Produkt erfasst wird (▶ EN).<br />
DC<br />
Engl. für Gleichanteil (Direct Current).<br />
Drei-Wattmeter-Methode<br />
Hat man in einem dreiphasigen System auch den<br />
neutralen Leiter zur Verfügung (MP), so können die drei<br />
Einzelleistungen zu einer Summenleistung addiert werden:<br />
(Summenwirkleistung)<br />
(Summenscheinleistung)<br />
(Summenblindleistung)<br />
(Summenleistungsfaktor)<br />
Bei Fehlen oder Nichtzugänglichkeit des MP kann dieser<br />
durch einen ▶ künstlichen Sternpunkt ersetzt werden.<br />
DSO<br />
Abkürzung für Digital-Speicheroszilloskop.<br />
Leistungsmesser mit Bildschirm können ähnlich wie<br />
ein DSO Kurvenformen anzeigen und auswerten.<br />
Weitere DSO-Funktionen sind Triggerung, Mathematik<br />
und Speicherung (▶ Transienten-Speicher).<br />
Durchsteckwandler<br />
Stromwandler, bei dem das stromführende Kabel durch<br />
eine (nicht zu öffnende) Kernöffnung gesteckt wird.<br />
Im Gegensatz dazu lässt sich bei Klappwandlern oder<br />
Stromzangen der Kern öffnen.<br />
1
Effektivwert<br />
Der Effektivwert ist eng an den Begriff der ▶ Wirkleistung<br />
angelehnt. Man definiert den Effektivwert von Spannung<br />
oder Strom dergestalt, dass der Effektivwert eines<br />
Wechselsignals beliebiger Kurvenform die gleiche<br />
thermische Leistung an einem rein ohmschen Widerstand<br />
wie eine numerisch identische Gleichgröße hervorruft.<br />
Beispiel: U eff = 1 V ruft an einem ohmschen Widerstand<br />
von 1 Ω die gleiche Leistung wie U DC = 1 V, nämlich<br />
1 W hervor. Die allgemeingültigen Formeln für die<br />
Effektivwerte von Spannung und Strom lauten:<br />
((Formel-07)) ((Formel-08))<br />
Für die Integrationszeit T und die technische Realisierung<br />
mit AD-Wandlern gilt das unter ▶ Wirkleistung gesagte.<br />
Gelegentlich ist auch von einem „wahren“ Effektivwert<br />
(engl. TRMS = True Root Mean Square) die Rede.<br />
Damit ist gemeint, dass auch der Gleichanteil (▶ DC)<br />
berücksichtigt wird. In der Leistungsmesstechnik ist das<br />
aber ohnehin der Regelfall. Bei den meisten Geräten<br />
lässt sich der Gleichanteil (DC) und der Wechsel-<br />
anteil (▶ AC) rein rechnerisch ermitteln.<br />
Eingangsimpedanz<br />
Sowohl Spannungs- als auch Stromeingang besitzen eine<br />
gewisse Eingangsimpedanz. Im Idealfall wäre<br />
die Impedanz auf der Spannungsseite unendlich hoch,<br />
die auf der Stromseite gleich Null. Die tatsächlichen<br />
Verhältnisse liegen je nach Messbereich bei ca. 1 MΩ<br />
bis 10 MΩ auf der Spannungsseite und 1 mΩ bis 1 Ω<br />
auf der Stromseite. Dazu kommen noch parasitäre<br />
Streukapazitäten mit ca. 5 pF bis 30 pF. Für hochgenaue<br />
Messungen < 0,1 % kann es angeraten sein, den<br />
▶ Eigenverbrauch dieser Impedanzen zu kompensieren.<br />
Eigenverbrauch<br />
Bedingt durch die endliche ▶ Eingangsimpedanz der<br />
Spannungs- und Stromeingänge ergibt sich durch<br />
den ohmschen Anteil ein geringfügiger Eigenverbrauch.<br />
Bei hochgenauen ▶ Wirkungsgradmessungen kann<br />
dies jedoch störend sein. Z.B. würde ein Eingangs-<br />
widerstand von 1 MΩ bei 1000 V bereits 1 W Verlust-<br />
leistung bedeuten, 30 A Strom an einem ▶ Shunt von<br />
5 mΩ würden 4,5 W hervorrufen. Präzisionsleistungsmesser<br />
der obersten Klasse besitzen deshalb eine<br />
Kompensationsmöglichkeit des Eigenverbrauchs.<br />
Energiemessung<br />
Integriert man die ▶ Wirkleistung über die Zeit, so erhält<br />
man den Energieinhalt dieses Intervalls. Die physikali-<br />
sche Einheit ist Wattstunden [Wh] oder Joule [J]. Diese<br />
Funktion ist vergleichbar mit der eines Elektrizitätszählers.<br />
Rein rechnerisch kann man auch Schein- und Blind-<br />
leistung integrieren mit den Einheiten [VAh] und [varh].<br />
Mehr praktische Bedeutung hat jedoch die Integration<br />
des Stroms zur ▶ Ladungsmessung.<br />
EN (Europäische Norm)<br />
Im europäischen Wirtschaftsraum regeln zahlreiche<br />
Normen mit technischen Vorschriften und Grenzwerten<br />
den Warenfluss (▶ CE-Kennzeichnung).<br />
Für elektronische Geräte und speziell <strong>Leistungsmessung</strong><br />
sind besonders wichtig:<br />
EN 61010-1 Sicherheitsstandards<br />
EN 61326 EMV Emission und Immunität<br />
EN 61000-3-2 Oberschwingungsströme<br />
EN 61000-3-3 Netzspannungsschwankung und Flicker<br />
FFT (Fast Fourier Transformation)<br />
Da durch die AD-Wandlung der Zeitverlauf von Spannung<br />
und Strom digitalisiert vorliegt, kann durch eine diskrete<br />
Fourier-Transformation (DFT, eine Sonderform der FFT)<br />
das jeweilige Spektrum berechnet werden. Die FFT ist<br />
Ausgangspunkt für die ▶ Oberschwingungsanalyse<br />
(Harmonischen-Analyse).<br />
Filter<br />
Obwohl zunächst eine möglichst hohe ▶ Bandbreite<br />
des Leistungsmessers das Entwicklungsziel ist, kann<br />
es sinnvoll sein, die Bandbreite durch Tiefpassfilter zu<br />
begrenzen. Dies ist z.B. bei der Unterdrückung der<br />
Modulationsfrequenzen bei ▶ Umrichtern der Fall. Im<br />
allgemeinen sind verschiedene Eckfrequenzen einstellbar.<br />
Bei der ▶ FFT sollen Filter Aliasing-Effekte unterdrücken.<br />
Ein separat schaltbares Filter befindet sich vor dem<br />
▶ Frequenzzähler, um aus einem komplexen Signal-<br />
gemisch die Grundschwingung herauszufiltern.<br />
Flicker<br />
Messung und statistische Auswertung von Spannungs-<br />
schwankungen. Durch die Impedanz des Netzes<br />
werden bei Leistungsschwankungen des Verbrauchers<br />
Netzrückwirkungen erzeugt. Details dazu regeln<br />
die EN 61000-3-3 und weitere ▶ EN-Normen.
Formfaktor<br />
Siehe ▶ Mittelwertgleichrichtung<br />
Frequenzzähler<br />
Bedingt durch das Abtastverfahren besitzen Leistungs-<br />
messer einen oder mehrere separate Frequenzzähler,<br />
um eine hohe Frequenzauflösung zu erzielen. Die<br />
Frequenzmessung kann für beliebige Spannungen und<br />
Ströme eingesetzt werden. Ggf. ist das Zuschalten<br />
von ▶ Filtern erforderlich.<br />
Gleichtaktspannung (max.)<br />
Maximal zulässiges Potential an Spannungs- und<br />
Stromeingängen gegenüber Gehäusemasse. Ein<br />
typischer Wert ist 1000 V eff bei 50/60 Hz.<br />
Gleichtaktunterdrückung<br />
Einfluss der ▶ Gleichtaktspannung auf die Mess-<br />
genauigkeit. Die Angabe erfolgt prozentual oder in<br />
Dezibel bezogen auf den Messbereich. Der Wert<br />
ist frequenzabhängig und beträgt typischerweise<br />
0,01 % (-80 dB) des Bereichs bei 50/60 Hz. Die<br />
Gleichtaktunterdrückung bei höheren Frequenzen wird<br />
maßgeblich durch kapazitive Ableitströme beeinflusst.<br />
Harmonischen-Analyse<br />
Siehe ▶ Oberschwingungsanalyse.<br />
Impedanz<br />
Als abgeleitete Rechengrößen kann ein Leistungsmesser<br />
meist auch Impedanzen bzw. deren Kehrwerte (Leitwerte)<br />
bestimmen. Folgende Größen sind gebräuchlich:<br />
(Scheinimpedanz) (Wirkimpedanz) (Blindimpedanz)<br />
Interessant ist auch die Messung des Gleichstrom-<br />
widerstands selbst bei überlagertem Wechselstrom<br />
über die Formel<br />
((Formel-12))<br />
Für die Messung selbst ist noch die ▶ Eingangs-<br />
impedanz des Leistungsmessers wichtig, um das<br />
Messobjekt möglichst gering zu belasten.<br />
Integrationszeit<br />
Für die Berechnung der Leistung oder von Effektivwerten<br />
muss stets über eine gewisse Periode T integriert<br />
(gemittelt) werden. Minimum ist eine Periodendauer der<br />
Grundschwingung, in der Praxis werden ganzzahlige<br />
Vielfache davon angewendet, um für stabilere<br />
Messwerte zu sorgen. Die ▶ Messfolge (Update<br />
Rate) des Leistungsmessers kann nie kürzer als die<br />
Integrationszeit sein. Ist die Integrationszeit identisch<br />
mit der Messfolge, so entstehen keine Totzeiten, und<br />
man spricht von einer „nichtlückenden“ Messung.<br />
Eine zweite Bedeutung hat die Integrationszeit bei der<br />
numerischen Integration von Leistung (▶ Energiemessung)<br />
oder Strom (▶ Ladungsmessung). Hier kann die Integra-<br />
tionszeit bis zu mehreren Stunden oder Tagen reichen.<br />
Kalibrierung<br />
Zur Aufrechterhaltung und Nachweisbarkeit der<br />
Genauigkeit eines Leistungsmessers ist eine Kalibrierung<br />
in bestimmten Zeitabständen nötig. Die Ebene des<br />
Zertifikats (Werk/DKD/PTB) und die Kalibrierintervalle<br />
bestimmt der Anwender durch seine Erfordernisse.<br />
Der Hersteller kann jedoch Kalibrierintervalle empfehlen,<br />
z. B. 24 Monate.<br />
Künstlicher Sternpunkt<br />
Fehlt in einem dreiphasigen System der neutrale Leiter (MP)<br />
oder ist dieser nicht oder sehr schwer zugänglich, so kann<br />
man unter Verwendung eines künstlichen Sternpunkts<br />
dennoch die ▶ Drei-Wattmeter-Methode anwenden.<br />
Der künstliche Sternpunkt ist im Wesentlichen ein eng<br />
toleriertes und spannungsfestes RC-Symmetrierglied,<br />
das auf die Spannungseingänge des Leistungsmessers<br />
aufgesteckt wird.
Ladungsmessung<br />
Integriert man den Strom über die Zeit, so erhält man<br />
die Ladung dieses Intervalles. Die physikalische Einheit<br />
ist [Ah]. Handelt es sich um DC-Ströme, so haben diese<br />
Ströme und die Ladung auch ein Vorzeichen. Man kann<br />
dadurch bei Akkus und Batterien Ladung und Entladung<br />
unterscheiden und eine Ladungsbilanz ziehen.<br />
Leistungsfaktor<br />
Im allgemeinen Fall ist der Leistungsfaktor λ (engl.<br />
Power Factor, PF) definiert als der Quotient aus<br />
▶ Wirkleistung P und ▶ Scheinleistung S. Die Formel<br />
λ = P/S ist kurvenformunabhängig und gilt breitbandig.<br />
Im besonderen Fall von Sinusspannung und Sinusstrom<br />
gleicher Frequenz kann man λ = cos φ setzen<br />
(Verschiebungsfaktor), wobei φ der Phasenwinkel<br />
zwischen Spannung und Strom ist.<br />
Messfehler<br />
Die Amplitudengenauigkeit für Spannung und Strom wird<br />
in % vom Messwert (MW) + % vom Messbereich (MB)<br />
angegeben. Bei der Leistung ist für den MB das Produkt<br />
aus MB Spannung und MB Strom einzusetzen.<br />
% v. MW: Messwertfehler oder Linearität<br />
% v. MB: Messbereichsfehler oder Offset<br />
Je nach Aussteuerung des Messbereichs geht der<br />
Offset unterschiedlich stark in den Gesamtfehler ein.<br />
Beispiel: Die Angabe ±(0,1 % MW + 0,1 % MB)<br />
bedeutet bei 100 % Aussteuerung einen Fehler<br />
von ±0,2 %, bei nur 10 % Aussteuerung dagegen<br />
±1,1 % Fehler bezogen auf den Messwert.<br />
Abhängig vom Hersteller kann der Messbereich<br />
als Spitzenwert oder Effektivwert mit definiertem<br />
Crestfaktor (z. B. CF = 3) angegeben sein.<br />
Beispiel: Hersteller Y gibt seinen Fehler als ±(0,1 % MW<br />
+ 0,1 % MB) an, wobei der MB als Effektivwert<br />
einzusetzen ist.<br />
Hersteller Z gibt seinen Fehler als ±(0,1 % MW + 0,05 % MB)<br />
an, wobei der MB als Spitzenwert einzusetzen ist.<br />
Welches Gerät ist bei gleichem CF der Bereiche<br />
und z.B. 50 % Aussteuerung genauer spezifiziert?<br />
Für Y ergibt sich ±(0,1 % + 0,2 %) = ±0,3 %,<br />
für Z ergibt sich ±(0,1 % + 0,1 % x 3) = ±0,4 %.<br />
Für die Wirkleistungsmessung wichtig ist noch<br />
die Angabe des ▶ Phasenwinkelfehlers, der den<br />
zeitlichen Versatz zwischen Spannung und Strom<br />
beschreibt (auch cos φ = 0 Fehler genannt).<br />
Alle Fehlerangaben sind i. A. frequenzabhängig,<br />
was in Tabellenform oder durch eine Formel<br />
ausgedrückt werden kann.<br />
Messfolge (engl. Update Rate)<br />
Die Messfolge kann nur gleich oder größer als die<br />
▶ Integrationszeit sein. Der technisch gebräuchliche<br />
Bereich ist einstellbar von 50 ms (20 Messungen pro<br />
Sekunde) bis zu 20 s. Eine Ausnahme bildet die<br />
▶ Cycle-by-Cycle-Messung, bei der auch Zeiten < 1 ms<br />
auftreten können. Zur Messung extrem niedriger<br />
Frequenzen < 0,1 Hz kann durch ▶ Mittelwertbildung<br />
oder ▶ Integration die Messdauer praktisch beliebig<br />
verlängert werden.<br />
Messwertspeicher (engl. Memory)<br />
Speichereinrichtung zur vorübergehenden oder perma-<br />
nenten Ablage von Messwerten. Je nach Gerätetyp<br />
kommen interne oder externe Speichermedien zum<br />
Einsatz (RAM, Festplatte, Flash-Karten, USB-Speicher,<br />
Netzlaufwerke, usw.). Besondere Bedeutung hat ein<br />
▶ Transientenspeicher, der die direkten Abtastwerte<br />
von Spannung und Strom enthält.<br />
Mittelwertbildung (engl. Averaging, AVG)<br />
Zur Erreichung einer höheren Stabilität bei schwankenden<br />
Messwerten können verschiedene Arten der Mittelwert-<br />
bildung aktiviert werden. Man unterscheidet zwischen<br />
linearer (ungewichteter) und exponentieller (gewichteter)<br />
Mittelwertbildung. Dabei lassen sich diverse Parameter<br />
optimieren. Die Wirkung ist vergleichbar einer viskosen<br />
Dämpfung bei analogen Zeigerinstrumenten.<br />
Mittelwertgleichrichtung<br />
Statt des ▶ Effektivwertes von Spannung und<br />
Strom wird gelegentlich auch der gleichgerichtete<br />
Mittelwert benutzt. Die Formeln lauten:<br />
((Formel-13)) ((Formel-14))<br />
Besondere Bedeutung hat bei magnetischen Vor-<br />
gängen, da die Integration der induzierten Spannung den<br />
magnetischen Fluss B liefert. Der Quotient U eff /<br />
bzw. I eff / wird auch ▶ Formfaktor genannt.<br />
Für einen reinen Sinus hat er den Wert 1,11.
Von einer sinuskalibrierten Mittelwertgleichrichtung spricht<br />
man bei den Ausdrücken U mean = 1,11 • bzw.<br />
I mean = 1,11 • . Der Formfaktor geht ein in die Formel<br />
für die korrigierte magnetische Verlustleistung P c .<br />
Motoreingänge<br />
Sammelbegriff für zusätzliche Sensoreingänge am<br />
Leistungsmesser. Meist ist hier ein Analog- und/oder<br />
Puls-Eingang für Drehzahl (f) und Drehmoment (M)<br />
vorhanden, um die mechanische Leistung P m eines<br />
Motors zu messen:<br />
((Formel-17))<br />
Die Einheit ist [Nm/s] = [W]. Man kann deshalb<br />
mechanische und elektrische Leistung direkt in<br />
Beziehung setzen und z.B. den mechanischelektrischen<br />
▶ Wirkungsgrad bestimmen.<br />
Nullflussprinzip<br />
Aktive Stromwandler verwenden meist im magnetischen<br />
Kern eine Kompensation, die den Gesamtfluss zu Null<br />
macht. Die Stärke des Kompensationsstroms ist direkt<br />
proportional zum (wesentlich höheren) Primärstrom.<br />
Ein Sensor (z.B. Hall-Element oder ähnlich) wird als<br />
Nulldetektor im Rückkopplungszweig verwendet. Die<br />
Nullflusswandler weisen eine hohe Bandbreite (DC bis<br />
1 MHz), beste Linearität und geringe Offsetfehler auf.<br />
Oberschwingungsanalyse (Harmonischen-Analyse)<br />
Ausgehend von der ▶ FFT wird ein Wechselstrom-<br />
parameter in Frequenzkomponenten hinsichtlich<br />
Grundschwingung und ganzzahlige Oberschwingungen<br />
(Harmonische) zerlegt. Man unterscheidet gerade und<br />
ungerade Oberschwingungen. Beispiel:<br />
Bei 50 Hz Grundschwingung sind 100 Hz, 200 Hz,<br />
usw. geradzahlige, dagegen 150 Hz, 250 Hz, usw.<br />
ungeradzahlige Harmonische. Diese werden dann<br />
einfach durchnummeriert. In der Praxis spielen 3., 5.,<br />
7. und 9. Oberschwingung die wichtigste Rolle. Die<br />
Darstellung erfolgt als Parameterliste oder grafisch als<br />
Balkendiagramm. Neuerdings sind auch Subharmonische<br />
und Interharmonische (nicht ganzzahlig) von Bedeutung.<br />
Die Harmonischen lassen sich zu aussagekräftigen<br />
Kenndaten wie Klirrfaktor, Klirrleistung etc. umrechnen.<br />
Große kommerzielle Bedeutung haben Strom-<br />
oberschwingungen, da es hier für eine Reihe von<br />
Produkten gesetzlich geregelte Grenzwerte gibt<br />
(▶ EN-Normen, ▶ CE-Kennzeichnung).<br />
Phasenwinkelfehler<br />
Bei der ▶ Wirkleistungsmessung geht in die Messung<br />
direkt der Winkel zwischen Spannung und Strom ein.<br />
Ein Eigenwinkelfehler des Messgeräts verfälscht die<br />
Phasenlage und führt zu Fehlmessungen. Ein Phasen-<br />
winkelfehler kann durch schlechten Phasengleichlauf<br />
im Analogteil, nicht synchrone Abtastung oder durch<br />
vorgeschaltete Wandler hervorgerufen werden. Da die<br />
eigentliche Ursache ein Laufzeitunterschied ist, steigt<br />
der Phasenwinkelfehler mit zunehmender Frequenz an.<br />
Die Fehlerrechnung zeigt, dass der Phasenwinkelfehler<br />
um so kritischer ist, je näher Spannung und Strom bei<br />
90° Phasenverschiebung (▶ Leistungsfaktor λ = 0)<br />
liegen. Die Fehlerangabe erfolgt frequenzabhängig<br />
direkt in Winkeleinheiten oder als prozentualer<br />
Wert der ▶ Scheinleistung S bei λ = 0. Für alle<br />
anderen Fälle 0 < λ < 1 lässt sich der zusätzliche<br />
Fehler aus einer Formel bestimmen. Besondere<br />
Bedeutung hat der Phasenwinkelfehler bei nahezu rein<br />
kapazitiven oder induktiven Blindströmen, wie z.B.<br />
Leerlaufverlusten bei Transformatoren. In besonderen<br />
Fällen kann mit einer Kompensationsrechnung der<br />
Einfluss des Phasenwinkelfehlers vermindert werden.<br />
RMS (engl. Root Mean Square)<br />
Siehe ▶ Effektivwert.
Scheinleistung<br />
Im Gegensatz zur ▶ Wirkleistung hat die Scheinleistung<br />
S kein direktes physikalisches Äquivalent, sondern ist<br />
eine reine Rechengröße. Die Einheit ist [VA]. Es gibt<br />
verschiedene Definitionen, deshalb ist es durchaus<br />
möglich, dass unterschiedliche Messgeräte auch eine<br />
unterschiedliche Scheinleistung anzeigen.<br />
Die gebräuchlichste Definition ist:<br />
((Formel-18))<br />
Für den sinusförmigen Fall kann man aussagen, dass<br />
S den Maximalwert von P bei nicht vorhandener<br />
Phasenverschiebung φ angibt, da hier die Formel<br />
((Formel-18a))<br />
mit der Annahme cos φ = 1 gilt. Ebenfalls für sinusförmige<br />
Verhältnisse gilt:<br />
(Leistungsdreieck)<br />
Shunt (-Widerstand)<br />
Engl. Bezeichnung für Messwiderstand zur Strommessung.<br />
Nahezu alle heutigen Leistungsmesser verwenden für die<br />
direkten Stromeingänge Shunt-Widerstände für bis zu ca.<br />
50 A. Der Vorteil gegenüber früheren transformatorischen<br />
Wandlern liegt in der hohen Bandbreite (>1 MHz),<br />
der DC-Ankopplung und der kleinen Bauform. Die An-<br />
forderungen an diese Komponenten sind jedoch sehr<br />
hoch (geringste Induktivität, langzeit- und temperatur-<br />
stabil, überlastsicher). Es werden planare und koaxiale<br />
Bauformen in Vierleitertechnik eingesetzt. Bei Strömen<br />
über 50 A ist die Integration in das Messgerät wegen des<br />
Platzbedarfs und der Wärmeentwicklung schwierig.<br />
Hier empfehlen sich dann externe Shunts oder<br />
▶ Stromwandler (Transducer).<br />
Skalierung<br />
Bei der Verwendung von Spannungs- und/oder<br />
Stromwandlern muss zur dimensionsrichtigen Anzeige<br />
der Wandlerfaktor berücksichtigt werden. Die<br />
multiplikativen Werte können auch zur Umrechnung<br />
in andere Einheiten verwendet werden.<br />
Stromwandler (engl. Current Transducer, CT)<br />
Passiver oder aktiver Wandler, der einen hohen<br />
Primärstrom in einen bequemer messbaren Sekundärstrom<br />
wandelt, z.B. mit einem Wandlerverhältnis 1000:1.<br />
Siehe dazu auch ▶ Nullflussprinzip.<br />
Temperatureinfluss<br />
In den allgemeinen Spezifikationen wird der Einfluss<br />
der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit<br />
angegeben. Üblich bei Yokogawa ist z. B. ein Bereich<br />
von 18 °C bis 28 °C, in dem die Spezifikationen ohne<br />
Zusatzfehler gelten. Außerhalb dieses Temperatur-<br />
bereichs ist zwar eine Messung möglich, aber es muss<br />
ein zusätzlicher Temperaturkoeffizient von 0,01 % bis<br />
0,03 % pro °C eingerechnet werden. Manche Hersteller<br />
spezifizieren einen sehr engen Temperaturbereich von<br />
23±0,5 °C oder weniger bei den Genauigkeitsangaben,<br />
so dass hier stets ca. 0,2 % Zusatzfehler für einen<br />
sinnvollen praktischen Einsatz addiert werden müssen.<br />
Transducer<br />
Siehe ▶ Stromwandler.<br />
Transienten (-Speicher)<br />
Messwertspeicher wie bei einem Digital-<br />
Speicheroszilloskop (DSO), der die unmittelbaren<br />
Abtastwerte von Spannnung und Strom (und ggf.<br />
weiterer Messgrößen) enthält. Siehe dazu ▶ DSO.<br />
Trendfunktion<br />
Auch Recorder- oder Plot-Funktion genannte Eigenschaft,<br />
den zeitlichen Verlauf eines oder mehrerer Parameter<br />
grafisch über der Zeitachse anzuzeigen. Hilfreich<br />
bei der Langzeitmessung und Aufzeichnung.<br />
Update Rate<br />
Siehe ▶ Messfolge.<br />
USB<br />
Schnittstelle für Peripheriegeräte,<br />
Speichermedien und PC-Ankopplung.<br />
Vektordarstellung<br />
Darstellung der Grundschwingung von Spannung<br />
und Strom in Polarkoordinaten. Die Länge der Vektoren<br />
entspricht der Amplitude, die Winkel zwischen<br />
den Vektoren zeigen die Phasenverhältnisse.<br />
Voltage Transformer (VT)<br />
Wandler oder Tastköpfe, die vor den Spannungseingang<br />
des Leistungsmessers geschaltet werden (▶ Skalierung).
Wirkleistung<br />
Die Wirkleistung ist der zentrale Begriff der Leistungs-<br />
messtechnik. Nur ihr kann ein physikalisches Phänomen,<br />
z.B. thermische Erwärmung oder Verrichtung von<br />
Arbeit pro Zeiteinheit zugeordnet werden. Die physi-<br />
kalische Einheit lautet Watt [W]. Die fundamentale<br />
und allgemeingültige Formel für die elektrische<br />
Wirkleistung lautet:<br />
((Formel-20))<br />
Die Rechenvorschrift besagt also: Man multipliziere<br />
die Augenblickswerte der Spannung u(t) mit denen<br />
des Stroms i(t) und bilde den zeitlichen Mittelwert<br />
(Integration) über eine „gewisse“ Zeit T. Bei periodischen<br />
Funktionen ist die Integrationszeit T leicht<br />
zu bestimmen (oder ein ganzzahliges Vielfaches<br />
davon). Bei nichtperiodischen Signalen, sich rasch<br />
ändernden Frequenzen (Periodendauern) oder<br />
modulierten/rauschförmigen Signalen müssen für T<br />
vom Messgerät bzw. Anwender sinnvolle Werte<br />
gefunden werden. Das Ergebnis für P kann positiv<br />
oder negativ sein, was die Richtung des Energieflusses<br />
(Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme) anzeigt.<br />
Bei digitalen Leistungsmessgeräten werden u(t) und<br />
i(t) in Amplituden- und Zeitachse durch AD-Wandler<br />
diskretisiert. Die Integration geht dann in eine einfache<br />
Summation und Normalisierung der Abtastwerte über.<br />
Wirkungsgrad (engl. Efficiency)<br />
Die Optimierung von Wirkungsgraden ist eine der<br />
ökologisch und ökonomisch vorrangigen Aufgaben der<br />
Leistungmesstechnik. Generell ist der Wirkungsgrad als<br />
Quotient zwischen abgegebener und aufgenommener<br />
(Wirk-)Leistung definiert. Die dimensionslose Zahl,<br />
ggf. normiert auf 100 %, wird mit dem griechischen<br />
Buchstaben η (Eta) bezeichnet. Man kann z.B. bei<br />
Umrichtern und Vorschaltgeräten einen elektrisch-elektrischen<br />
oder bei Motoren einen elektrisch-mechanischen<br />
Wirkungsgrad berechnen, z.B. η el-el = P aus /P ein • 100 %.<br />
Wichtig bei instationären Verhältnissen ist die simultane<br />
Messung der beiden Leistungen in identischen<br />
Zeitintervallen. Für höchste Genauigkeit kann in einer<br />
komplexeren Formel auch der ▶ Eigenverbrauch<br />
des Leistungsmessers berücksichtigt werden.<br />
Yokogawa<br />
Renommierter Messgerätehersteller mit<br />
Hauptsitz in Tokyo, Japan. Weltweit ca.<br />
19.000 Mitarbeiter, gegründet 1916.<br />
Zero-Flux Prinzip<br />
Siehe ▶ Nullflussprinzip.<br />
Zwei-Wattmeter-Methode<br />
Siehe dazu ▶ Aronschaltung. Sonderfall des<br />
▶ Blondel-Theorems für Anzahl der Leitungen n = 3.
VeRtRiebSzentRAle DeutSchlAnD<br />
Yokogawa Deutschland Gmbh<br />
Niederlassung Herrsching<br />
Test- und Messtechnik<br />
Gewerbestr.17<br />
D-82211 Herrsching<br />
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Fax 0 81 52 / 93 10 60<br />
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YOKOGAWA ist mit über 18 Produktionsstätten, 81 Konzerngesellschaften und mehr als 650 Vertriebs-<br />
und Engineering-Büros weltweit vertreten. Seit der Gründung 1915 in Tokyo zählt der Konzern - mit seinen<br />
heute ca. 19.000 Mitarbeitern und einem jährlichen Umsatz von über 3 Mrd. Euro - zu einem der innova-<br />
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