TEST & MESSTECHNIK APPLIKATIONEN

Elektrische Antriebe und Frequenzumrichter

Hybridantriebe für Fahrzeuge

Beleuchtung und Vorschaltgeräte

Transformatoren und Induktivitäten

Netzqualität und Netzrückwirkung

Erneuerbare Energien

Präzise Leistungsmessung

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.

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

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.

Die Messung des elektrisch-mechanischen Wirkungs-grades 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.

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.

Wirkungsgrade entscheidenDie Bestimmung elektrischer und mechanischer Wirkungsgrade von Elektromotoren und Frequenzumrichtern erfordert die simultane Messung aller Leistungen mit hoher Genauigkeit und guter Störunterdrückung.

Eingangssignal

Leistungsmessgerät

Ausgangssignal

Umrichter

Prinzipieller Aufbau einer Wirkungsgradmessung an Umrichter und Motor.

Typisches Ausgangssignal eines Umrichters. Dargestellt ist eine Phase mit pulsmodulierter Spannung (gelb) und sinusförmigem Strom (grün).

Trendanzeige von Drehmoment und Drehzahl (Motor Evaluation Function)

MotorLast

Drehmoment- und Drehzahlmesser

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 CO2 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 Spannun-gen bis 1000 V und Ströme bis 1000 A mit Bandbreiten bis 1 MHz.

Komplexes ZusammenspielDas komplexe Zusammenspiel verschiedener mechatronischer Systeme verlangt die Erfassung von mechanischen und elektrischen Parametern mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.

Wirkungsgrade eines Hybridantriebs in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment.

Bereich optimaler Effizienz

BELEUCHTUNG UND VORSCHALTGERÄTE

Glühlampen werden wegen ihrer schlechten Licht-ausbeute zunehmend durch effizientere Leuchtmittel wie Leuchtstoffröhren, Xenonlampen oder Hochleistungs-LEDs ersetzt. Diese Lampentypen benötigen elek-tronische 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.

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 Einschalt- bzw. Zündverhaltens von Gashochdrucklampen ist eine Domäne der transienten Leistungsmessung, wofür insbesondere der Leistungsanalysator PZ4000 von Yokogawa hervorragend geeignet ist.

Transiente VorgängeDie 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.

Messpunkte an einer Leuchtstoffröhre mit Vorschaltgerät.

Messung des Kathodenwiderstands in geheiztem Zustand mit dem Leistungsanalysator PZ000 von Yokogawa. Die Kurvenform von Spannung und Strom zeigt, dass das EVG die Vorheizung gezielt steuert.

Leistungsmessgerät

Netz

Vorschaltgerät Leuchtstoffröhre

Bildvorlage mit feundlicher Genehmigung der OSRAM GmbH, München

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.

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).

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.

Der Phasenwinkel zähltTransformatoren 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.

Beispiel für Verlust- und Impedanzmessung an einer Drossel für Leuchtstoffröhren. Die Bestimmung des Gleichstromwiderstandes Z1 (DC) = 19, Ω erlaubt auch Rückschlüsse auf die Wicklungstemperatur.

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

1 0 0° 0 % 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

0,001 1000,00 89,94° 2,6 % 0,500 W

Aufbau zur Messung von Kernverlusten.

variable Stromversorgung

Leistungsmessgerät

Strommessung Spannungsmessung

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NETZQUALITÄT UND NETZRÜCKWIRKUNG

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 61000-3-2 die Geräte in vier Klassen ein und legt entsprechende Grenzwerte der Oberschwingungsströme fest. Ströme bis 75 A werden in der EN 61000-3-4/EN 61000-3-12 behandelt. Grenzwerte für Spannungsschwankungen (Flicker) werden in EN 61000-3-3 und EN 61000-3-11 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 Sub- und Interharmonischen gemäß EN 61000-4-7.

Flicker und HarmonischeOberschwingungsströme (Harmonische) und Spannungs-schwankungen (Flicker) kennzeichnen die Netzqualität und ihre Beeinträchtigung durch Verbraucher. Die Messtechnik reicht vom einfachen Pre-Compliance-Tester bis zum normkonformen Messaufbau nach IEC/EN 61000.

Definitionen zu Spannungsschwankungen und Unterbrechungen.

PC Software zur Analyse von Oberschwingungsströmen.

transiente Über- spannung

Ueff

+10 %

100 %-10 %

1 %

10 ms bis 1 min <3 min

>3 min

einige s

1 µs bis einige ms

Spannungs- einbruch

<1 %

langsame Spannungs- änderungen

schnelle Spannungs- änderungen

Kurzzeit- unter- brechung

Langzeit- unter- brechung

Flicker zeitweilige Über- spannung

bis 6 kV

±10 % ±5 %

<90 % ... >1 %

bis Phase-Phase-Spannung

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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 61000-4-7 fordert. Der Yokogawa Leistungsmesser WT3000 hat sich dabei zum Referenzgerät für hochgenaue Wirkungsgradmessungen bei Herstellern und Prüfinstituten etabliert.

Phasengenau einspeisenSonnenschein und Wind schwanken – unvorhersehbar. Die Energie muss trotzdem zuverlässig ins Netz gelangen – phasengenau und oberschwingungsarm.

Prinzipieller Prüfaufbau für Solarwechselrichter.

Leistungsmesser

Solargenerator-Simulator

Umrichter Stelltransformator

Netz

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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.

Messpunkte an einer Windkraftanlage.

Power Link

DC-Link-System

Spannung und Frequenz schwanken mit der Rotationsgeschwindigkeit

Gleichrichter Wechselrichter, Netzfrequenz 50 oder 60 Hz

Transformator

Last

Schutzschaltung

Last

Transformator Schutzschaltung Power Link

Frequenz synchronisiert auf Netzfrequenz 50 oder 60 Hz, Spannung bis zu 700 V

AC-Link-System

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

1 2

5

3

6

4

7

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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. 1000 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 Schnittstellen- und 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 gefragtZuverlässigkeit ist nur eine Voraussetzung. Prüfstandtauglich wird ein Messgerät durch die Schnittstellenvielfalt für Sensorik, Steuerung und Messdatenabruf.

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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 17025 (in Zusammenarbeit mit dem Kalibrierdienst der Siemens AG, Transformatorenwerk Nürnberg, und der EADS Deutschland GmbH in Manching)• PTB-Prüfschein

DKD: Deutscher KalibrierdienstPTB: Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

Rückführbar bis zur PTBDie Kalibrierung aller Yokogawa-Messgeräte ist rückführbar auf anerkannte Standards. Die Reparatur dagegen ist häufig individuell und gelingt auch noch dort, wo Großunternehmen passen müssen.

Leistungsmesser-Kalibrierung bei Yokogawa MT Herrsching.

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 100.000 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.

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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: http://www.yokogawa-mt.de

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 verbindenYokogawa bietet ständig Seminare sowie individuelle Schulungen an.

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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.

Messgerätefür alle Anwendungen – für jedes Budget.

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

• 0,25 %, 50/60 Hz

• Programmierbare Verbrauchsalarme zur Energieüberwachung

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WT3000

Leistungsmesser höchster Genauigkeit und Stabilität

• 0,02%, DC bis 1 MHz

• Standardkonforme Analysen nach IEC (optional)

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)

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)

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

Genauigkeitsklasse (%)

Frequenzbereich

Service

Produktion, Qualitätssicherung

Forschung, Entwicklung, Prüfstand

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StromzangenFür 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.

ShuntsJe 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.

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.

Stromwandler (Transducer)Unter Verwendung einer aktiven Magnetflusskompensation sind Wandler bis 25000 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 Leis-tungsmesser mit bis zu 6 Stromkanälen geliefert werden.

Aktive AC/DC-Stromzange bis 10 A, Bandbreite DC bis 10 MHz.

Passive AC-Stromzange bis 00 A, Bandbreite 0 Hz bis 0 kHz.Präzisionswandler nach dem Zero-Flux-Prinzip von 00 A bis 1000 A. Linearitätsfehler 10 ppm, Offsetfehler 0 ppm, Bandbreite DC bis 1 MHz.

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Gerüstet für alle FälleEin 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.

Sternpunkt-AdapterBei dreiphasigen Messungen ohne Mittelpunktsleiter (z.B. Umrichterausgang) simuliert dieser aufsteckbare Adapter den fehlenden Sternpunkt und ermöglicht dadurch die Drei-Wattmeter/Vier-Leiter-Methode.

SoftwareDie 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 61000-3-2 und EN 61000-3-3) 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)

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WISSENSWERTES VON A BIS Z

AbtastrateLeistungsmessgeräte 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.

ACEngl. für Wechselanteil (Alternating Current).

AmplitudengenauigkeitDer 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 Frequenz-bänder oder durch eine Formel spezifiziert.

AronschaltungIn einem Dreileitersystem hat man mehrere Möglichkeiten der Leistungsmessung. André E. Blondel, ein französi-scher 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 elektro-magnetischen 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

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.

BandbreiteÜblicherweise 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.

BlindleistungIm 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

0

in Quadranten aufteilen. Für den sinusförmigen Fall ist folgender Ausdruck möglich:

((Formel-02))

Blondel-TheoremVerallgemeinerung 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 Veff werden Spitzen von ±300 V nicht abgeschnitten, im Bereich 5 Aeff 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-MessungIm 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).

DCEngl. für Gleichanteil (Direct Current).

Drei-Wattmeter-MethodeHat 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.

DSOAbkürzung 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).

DurchsteckwandlerStromwandler, 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.

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EffektivwertDer Effektivwert ist eng an den Begriff der Wirkleistung angelehnt. Man definiert den Effektivwert von Spannung oder Strom dergestalt, dass der Effektivwert eines Wechselsignals beliebiger Kurvenform die gleiche thermische Leistung an einem rein ohmschen Widerstand wie eine numerisch identische Gleichgröße hervorruft. Beispiel: Ueff = 1 V ruft an einem ohmschen Widerstand von 1 Ω die gleiche Leistung wie UDC = 1 V, nämlich 1 W hervor. Die allgemeingültigen Formeln für die Effektivwerte von Spannung und Strom lauten:

((Formel-07)) ((Formel-08))

Für die Integrationszeit T und die technische Realisierung mit AD-Wandlern gilt das unter Wirkleistung gesagte. Gelegentlich ist auch von einem „wahren“ Effektivwert (engl. TRMS = True Root Mean Square) die Rede. Damit ist gemeint, dass auch der Gleichanteil ( DC) berücksichtigt wird. In der Leistungsmesstechnik ist das aber ohnehin der Regelfall. Bei den meisten Geräten lässt sich der Gleichanteil (DC) und der Wechsel- anteil ( AC) rein rechnerisch ermitteln.

EingangsimpedanzSowohl Spannungs- als auch Stromeingang besitzen eine gewisse Eingangsimpedanz. Im Idealfall wäre die Impedanz auf der Spannungsseite unendlich hoch, die auf der Stromseite gleich Null. Die tatsächlichen Verhältnisse liegen je nach Messbereich bei ca. 1 MΩ bis 10 MΩ auf der Spannungsseite und 1 mΩ bis 1 Ω auf der Stromseite. Dazu kommen noch parasitäre Streukapazitäten mit ca. 5 pF bis 30 pF. Für hochgenaue Messungen < 0,1 % kann es angeraten sein, den Eigenverbrauch dieser Impedanzen zu kompensieren.

EigenverbrauchBedingt durch die endliche Eingangsimpedanz der Spannungs- und Stromeingänge ergibt sich durch den ohmschen Anteil ein geringfügiger Eigenverbrauch. Bei hochgenauen Wirkungsgradmessungen kann dies jedoch störend sein. Z.B. würde ein Eingangs- widerstand von 1 MΩ bei 1000 V bereits 1 W Verlust- leistung bedeuten, 30 A Strom an einem Shunt von 5 mΩ würden 4,5 W hervorrufen. Präzisionsleistungs-messer der obersten Klasse besitzen deshalb eine Kompensationsmöglichkeit des Eigenverbrauchs.

EnergiemessungIntegriert man die Wirkleistung über die Zeit, so erhält man den Energieinhalt dieses Intervalls. Die physikali- sche Einheit ist Wattstunden [Wh] oder Joule [J]. Diese Funktion ist vergleichbar mit der eines Elektrizitätszählers. Rein rechnerisch kann man auch Schein- und Blind- leistung integrieren mit den Einheiten [VAh] und [varh]. Mehr praktische Bedeutung hat jedoch die Integration des Stroms zur Ladungsmessung.

EN (Europäische Norm)Im europäischen Wirtschaftsraum regeln zahlreiche Normen mit technischen Vorschriften und Grenzwerten den Warenfluss ( CE-Kennzeichnung). Für elektronische Geräte und speziell Leistungsmessung sind besonders wichtig:

EN 61010-1 SicherheitsstandardsEN 61326 EMV Emission und ImmunitätEN 61000-3-2 OberschwingungsströmeEN 61000-3-3 Netzspannungsschwankung und Flicker

FFT (Fast Fourier Transformation)Da durch die AD-Wandlung der Zeitverlauf von Spannung und Strom digitalisiert vorliegt, kann durch eine diskrete Fourier-Transformation (DFT, eine Sonderform der FFT) das jeweilige Spektrum berechnet werden. Die FFT ist Ausgangspunkt für die Oberschwingungsanalyse (Harmonischen-Analyse).

FilterObwohl zunächst eine möglichst hohe Bandbreite des Leistungsmessers das Entwicklungsziel ist, kann es sinnvoll sein, die Bandbreite durch Tiefpassfilter zu begrenzen. Dies ist z.B. bei der Unterdrückung der Modulationsfrequenzen bei Umrichtern der Fall. Im allgemeinen sind verschiedene Eckfrequenzen einstellbar. Bei der FFT sollen Filter Aliasing-Effekte unterdrücken.Ein separat schaltbares Filter befindet sich vor dem Frequenzzähler, um aus einem komplexen Signal- gemisch die Grundschwingung herauszufiltern.

FlickerMessung und statistische Auswertung von Spannungs- schwankungen. Durch die Impedanz des Netzes werden bei Leistungsschwankungen des Verbrauchers Netzrückwirkungen erzeugt. Details dazu regeln die EN 61000-3-3 und weitere EN-Normen.

FormfaktorSiehe Mittelwertgleichrichtung

FrequenzzählerBedingt durch das Abtastverfahren besitzen Leistungs- messer einen oder mehrere separate Frequenzzähler, um eine hohe Frequenzauflösung zu erzielen. Die Frequenzmessung kann für beliebige Spannungen und Ströme eingesetzt werden. Ggf. ist das Zuschalten von Filtern erforderlich.

Gleichtaktspannung (max.)Maximal zulässiges Potential an Spannungs- und Stromeingängen gegenüber Gehäusemasse. Ein typischer Wert ist 1000 Veff bei 50/60 Hz.

GleichtaktunterdrückungEinfluss der Gleichtaktspannung auf die Mess- genauigkeit. Die Angabe erfolgt prozentual oder in Dezibel bezogen auf den Messbereich. Der Wert ist frequenzabhängig und beträgt typischerweise 0,01 % (-80 dB) des Bereichs bei 50/60 Hz. Die Gleichtaktunterdrückung bei höheren Frequenzen wird maßgeblich durch kapazitive Ableitströme beeinflusst.

Harmonischen-AnalyseSiehe Oberschwingungsanalyse.

ImpedanzAls abgeleitete Rechengrößen kann ein Leistungsmesser meist auch Impedanzen bzw. deren Kehrwerte (Leitwerte) bestimmen. Folgende Größen sind gebräuchlich:

(Scheinimpedanz) (Wirkimpedanz) (Blindimpedanz)

Interessant ist auch die Messung des Gleichstrom- widerstands selbst bei überlagertem Wechselstrom über die Formel

((Formel-12))

Für die Messung selbst ist noch die Eingangs- impedanz des Leistungsmessers wichtig, um das Messobjekt möglichst gering zu belasten.

IntegrationszeitFür die Berechnung der Leistung oder von Effektivwerten muss stets über eine gewisse Periode T integriert (gemittelt) werden. Minimum ist eine Periodendauer der Grundschwingung, in der Praxis werden ganzzahlige Vielfache davon angewendet, um für stabilere Messwerte zu sorgen. Die Messfolge (Update Rate) des Leistungsmessers kann nie kürzer als die Integrationszeit sein. Ist die Integrationszeit identisch mit der Messfolge, so entstehen keine Totzeiten, und man spricht von einer „nichtlückenden“ Messung.Eine zweite Bedeutung hat die Integrationszeit bei der numerischen Integration von Leistung ( Energiemessung) oder Strom ( Ladungsmessung). Hier kann die Integra- tionszeit bis zu mehreren Stunden oder Tagen reichen.

KalibrierungZur Aufrechterhaltung und Nachweisbarkeit der Genauigkeit eines Leistungsmessers ist eine Kalibrierung in bestimmten Zeitabständen nötig. Die Ebene des Zertifikats (Werk/DKD/PTB) und die Kalibrierintervalle bestimmt der Anwender durch seine Erfordernisse. Der Hersteller kann jedoch Kalibrierintervalle empfehlen, z. B. 24 Monate.

Künstlicher SternpunktFehlt in einem dreiphasigen System der neutrale Leiter (MP) oder ist dieser nicht oder sehr schwer zugänglich, so kann man unter Verwendung eines künstlichen Sternpunkts dennoch die Drei-Wattmeter-Methode anwenden. Der künstliche Sternpunkt ist im Wesentlichen ein eng toleriertes und spannungsfestes RC-Symmetrierglied, das auf die Spannungseingänge des Leistungsmessers aufgesteckt wird.

LadungsmessungIntegriert man den Strom über die Zeit, so erhält man die Ladung dieses Intervalles. Die physikalische Einheit ist [Ah]. Handelt es sich um DC-Ströme, so haben diese Ströme und die Ladung auch ein Vorzeichen. Man kann dadurch bei Akkus und Batterien Ladung und Entladung unterscheiden und eine Ladungsbilanz ziehen.

LeistungsfaktorIm allgemeinen Fall ist der Leistungsfaktor λ (engl. Power Factor, PF) definiert als der Quotient aus Wirkleistung P und Scheinleistung S. Die Formel λ = P/S ist kurvenformunabhängig und gilt breitbandig. Im besonderen Fall von Sinusspannung und Sinusstrom gleicher Frequenz kann man λ = cos φ setzen (Verschiebungsfaktor), wobei φ der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom ist.

MessfehlerDie Amplitudengenauigkeit für Spannung und Strom wird in % vom Messwert (MW) + % vom Messbereich (MB) angegeben. Bei der Leistung ist für den MB das Produkt aus MB Spannung und MB Strom einzusetzen.

% v. MW: Messwertfehler oder Linearität% v. MB: Messbereichsfehler oder Offset

Je nach Aussteuerung des Messbereichs geht der Offset unterschiedlich stark in den Gesamtfehler ein.

Beispiel: Die Angabe ±(0,1 % MW + 0,1 % MB) bedeutet bei 100 % Aussteuerung einen Fehler von ±0,2 %, bei nur 10 % Aussteuerung dagegen ±1,1 % Fehler bezogen auf den Messwert.Abhängig vom Hersteller kann der Messbereich als Spitzenwert oder Effektivwert mit definiertem Crestfaktor (z. B. CF = 3) angegeben sein.

Beispiel: Hersteller Y gibt seinen Fehler als ±(0,1 % MW + 0,1 % MB) an, wobei der MB als Effektivwert einzusetzen ist.Hersteller Z gibt seinen Fehler als ±(0,1 % MW + 0,05 % MB) an, wobei der MB als Spitzenwert einzusetzen ist.Welches Gerät ist bei gleichem CF der Bereiche und z.B. 50 % Aussteuerung genauer spezifiziert?Für Y ergibt sich ±(0,1 % + 0,2 %) = ±0,3 %,für Z ergibt sich ±(0,1 % + 0,1 % x 3) = ±0,4 %.

Für die Wirkleistungsmessung wichtig ist noch die Angabe des Phasenwinkelfehlers, der den zeitlichen Versatz zwischen Spannung und Strom beschreibt (auch cos φ = 0 Fehler genannt).

Alle Fehlerangaben sind i. A. frequenzabhängig, was in Tabellenform oder durch eine Formel ausgedrückt werden kann.

Messfolge (engl. Update Rate)Die Messfolge kann nur gleich oder größer als die Integrationszeit sein. Der technisch gebräuchliche Bereich ist einstellbar von 50 ms (20 Messungen pro Sekunde) bis zu 20 s. Eine Ausnahme bildet die Cycle-by-Cycle-Messung, bei der auch Zeiten < 1 ms auftreten können. Zur Messung extrem niedriger Frequenzen < 0,1 Hz kann durch Mittelwertbildung oder Integration die Messdauer praktisch beliebig verlängert werden.

Messwertspeicher (engl. Memory)Speichereinrichtung zur vorübergehenden oder perma- nenten Ablage von Messwerten. Je nach Gerätetyp kommen interne oder externe Speichermedien zum Einsatz (RAM, Festplatte, Flash-Karten, USB-Speicher, Netzlaufwerke, usw.). Besondere Bedeutung hat ein Transientenspeicher, der die direkten Abtastwerte von Spannung und Strom enthält.

Mittelwertbildung (engl. Averaging, AVG)Zur Erreichung einer höheren Stabilität bei schwankenden Messwerten können verschiedene Arten der Mittelwert- bildung aktiviert werden. Man unterscheidet zwischen linearer (ungewichteter) und exponentieller (gewichteter) Mittelwertbildung. Dabei lassen sich diverse Parameter optimieren. Die Wirkung ist vergleichbar einer viskosen Dämpfung bei analogen Zeigerinstrumenten.

MittelwertgleichrichtungStatt des Effektivwertes von Spannung und Strom wird gelegentlich auch der gleichgerichtete Mittelwert benutzt. Die Formeln lauten:

((Formel-13)) ((Formel-14)) Besondere Bedeutung hat bei magnetischen Vor- gängen, da die Integration der induzierten Spannung den magnetischen Fluss B liefert. Der Quotient Ueff/ bzw. Ieff/ wird auch Formfaktor genannt.Für einen reinen Sinus hat er den Wert 1,11.

Von einer sinuskalibrierten Mittelwertgleichrichtung spricht man bei den Ausdrücken Umean = 1,11 • bzw. Imean = 1,11 • . Der Formfaktor geht ein in die Formel für die korrigierte magnetische Verlustleistung Pc.

MotoreingängeSammelbegriff für zusätzliche Sensoreingänge am Leistungsmesser. Meist ist hier ein Analog- und/oder Puls-Eingang für Drehzahl (f) und Drehmoment (M) vorhanden, um die mechanische Leistung Pm eines Motors zu messen:

((Formel-17))

Die Einheit ist [Nm/s] = [W]. Man kann deshalb mechanische und elektrische Leistung direkt in Beziehung setzen und z.B. den mechanisch-elektrischen Wirkungsgrad bestimmen.

NullflussprinzipAktive Stromwandler verwenden meist im magnetischen Kern eine Kompensation, die den Gesamtfluss zu Null macht. Die Stärke des Kompensationsstroms ist direkt proportional zum (wesentlich höheren) Primärstrom. Ein Sensor (z.B. Hall-Element oder ähnlich) wird als Nulldetektor im Rückkopplungszweig verwendet. Die Nullflusswandler weisen eine hohe Bandbreite (DC bis 1 MHz), beste Linearität und geringe Offsetfehler auf.

Oberschwingungsanalyse (Harmonischen-Analyse)Ausgehend von der FFT wird ein Wechselstrom- parameter in Frequenzkomponenten hinsichtlich Grundschwingung und ganzzahlige Oberschwingungen (Harmonische) zerlegt. Man unterscheidet gerade und ungerade Oberschwingungen. Beispiel: Bei 50 Hz Grundschwingung sind 100 Hz, 200 Hz, usw. geradzahlige, dagegen 150 Hz, 250 Hz, usw. ungeradzahlige Harmonische. Diese werden dann einfach durchnummeriert. In der Praxis spielen 3., 5., 7. und 9. Oberschwingung die wichtigste Rolle. Die Darstellung erfolgt als Parameterliste oder grafisch als Balkendiagramm. Neuerdings sind auch Subharmonische und Interharmonische (nicht ganzzahlig) von Bedeutung.

Die Harmonischen lassen sich zu aussagekräftigen Kenndaten wie Klirrfaktor, Klirrleistung etc. umrechnen.Große kommerzielle Bedeutung haben Strom- oberschwingungen, da es hier für eine Reihe von Produkten gesetzlich geregelte Grenzwerte gibt ( EN-Normen, CE-Kennzeichnung).

PhasenwinkelfehlerBei der Wirkleistungsmessung geht in die Messung direkt der Winkel zwischen Spannung und Strom ein. Ein Eigenwinkelfehler des Messgeräts verfälscht die Phasenlage und führt zu Fehlmessungen. Ein Phasen- winkelfehler kann durch schlechten Phasengleichlauf im Analogteil, nicht synchrone Abtastung oder durch vorgeschaltete Wandler hervorgerufen werden. Da die eigentliche Ursache ein Laufzeitunterschied ist, steigt der Phasenwinkelfehler mit zunehmender Frequenz an. Die Fehlerrechnung zeigt, dass der Phasenwinkelfehler um so kritischer ist, je näher Spannung und Strom bei 90° Phasenverschiebung ( Leistungsfaktor λ = 0) liegen. Die Fehlerangabe erfolgt frequenzabhängig direkt in Winkeleinheiten oder als prozentualer Wert der Scheinleistung S bei λ = 0. Für alle anderen Fälle 0 < λ < 1 lässt sich der zusätzliche Fehler aus einer Formel bestimmen. Besondere Bedeutung hat der Phasenwinkelfehler bei nahezu rein kapazitiven oder induktiven Blindströmen, wie z.B. Leerlaufverlusten bei Transformatoren. In besonderen Fällen kann mit einer Kompensationsrechnung der Einfluss des Phasenwinkelfehlers vermindert werden.

RMS (engl. Root Mean Square)Siehe Effektivwert.

ScheinleistungIm Gegensatz zur Wirkleistung hat die Scheinleistung S kein direktes physikalisches Äquivalent, sondern ist eine reine Rechengröße. Die Einheit ist [VA]. Es gibt verschiedene Definitionen, deshalb ist es durchaus möglich, dass unterschiedliche Messgeräte auch eine unterschiedliche Scheinleistung anzeigen. Die gebräuchlichste Definition ist:

((Formel-18))

Für den sinusförmigen Fall kann man aussagen, dass S den Maximalwert von P bei nicht vorhandener Phasenverschiebung φ angibt, da hier die Formel

((Formel-18a))

mit der Annahme cos φ = 1 gilt. Ebenfalls für sinusförmige Verhältnisse gilt:

(Leistungsdreieck)

Shunt (-Widerstand)Engl. Bezeichnung für Messwiderstand zur Strommessung. Nahezu alle heutigen Leistungsmesser verwenden für die direkten Stromeingänge Shunt-Widerstände für bis zu ca. 50 A. Der Vorteil gegenüber früheren transformatorischen Wandlern liegt in der hohen Bandbreite (>1 MHz), der DC-Ankopplung und der kleinen Bauform. Die An- forderungen an diese Komponenten sind jedoch sehr hoch (geringste Induktivität, langzeit- und temperatur- stabil, überlastsicher). Es werden planare und koaxiale Bauformen in Vierleitertechnik eingesetzt. Bei Strömen über 50 A ist die Integration in das Messgerät wegen des Platzbedarfs und der Wärmeentwicklung schwierig. Hier empfehlen sich dann externe Shunts oder Stromwandler (Transducer).

SkalierungBei der Verwendung von Spannungs- und/oder Stromwandlern muss zur dimensionsrichtigen Anzeige der Wandlerfaktor berücksichtigt werden. Die multiplikativen Werte können auch zur Umrechnung in andere Einheiten verwendet werden.

Stromwandler (engl. Current Transducer, CT)Passiver oder aktiver Wandler, der einen hohen Primärstrom in einen bequemer messbaren Sekundärstrom wandelt, z.B. mit einem Wandlerverhältnis 1000:1. Siehe dazu auch Nullflussprinzip.

TemperatureinflussIn den allgemeinen Spezifikationen wird der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Messgenauigkeit angegeben. Üblich bei Yokogawa ist z. B. ein Bereich von 18 °C bis 28 °C, in dem die Spezifikationen ohne Zusatzfehler gelten. Außerhalb dieses Temperatur- bereichs ist zwar eine Messung möglich, aber es muss ein zusätzlicher Temperaturkoeffizient von 0,01 % bis 0,03 % pro °C eingerechnet werden. Manche Hersteller spezifizieren einen sehr engen Temperaturbereich von 23±0,5 °C oder weniger bei den Genauigkeitsangaben, so dass hier stets ca. 0,2 % Zusatzfehler für einen sinnvollen praktischen Einsatz addiert werden müssen.

TransducerSiehe Stromwandler.

Transienten (-Speicher)Messwertspeicher wie bei einem Digital-Speicheroszilloskop (DSO), der die unmittelbaren Abtastwerte von Spannnung und Strom (und ggf. weiterer Messgrößen) enthält. Siehe dazu DSO.

TrendfunktionAuch Recorder- oder Plot-Funktion genannte Eigenschaft, den zeitlichen Verlauf eines oder mehrerer Parameter grafisch über der Zeitachse anzuzeigen. Hilfreich bei der Langzeitmessung und Aufzeichnung.

Update RateSiehe Messfolge.

USBSchnittstelle für Peripheriegeräte, Speichermedien und PC-Ankopplung.

VektordarstellungDarstellung der Grundschwingung von Spannung und Strom in Polarkoordinaten. Die Länge der Vektoren entspricht der Amplitude, die Winkel zwischen den Vektoren zeigen die Phasenverhältnisse.

Voltage Transformer (VT)Wandler oder Tastköpfe, die vor den Spannungseingang des Leistungsmessers geschaltet werden ( Skalierung).

WirkleistungDie Wirkleistung ist der zentrale Begriff der Leistungs- messtechnik. Nur ihr kann ein physikalisches Phänomen, z.B. thermische Erwärmung oder Verrichtung von Arbeit pro Zeiteinheit zugeordnet werden. Die physi- kalische Einheit lautet Watt [W]. Die fundamentale und allgemeingültige Formel für die elektrische Wirkleistung lautet:

((Formel-20))

Die Rechenvorschrift besagt also: Man multipliziere die Augenblickswerte der Spannung u(t) mit denen des Stroms i(t) und bilde den zeitlichen Mittelwert (Integration) über eine „gewisse“ Zeit T. Bei periodi-schen Funktionen ist die Integrationszeit T leicht zu bestimmen (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon). Bei nichtperiodischen Signalen, sich rasch ändernden Frequenzen (Periodendauern) oder modulierten/rauschförmigen Signalen müssen für T vom Messgerät bzw. Anwender sinnvolle Werte gefunden werden. Das Ergebnis für P kann positiv oder negativ sein, was die Richtung des Energieflusses (Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme) anzeigt.Bei digitalen Leistungsmessgeräten werden u(t) und i(t) in Amplituden- und Zeitachse durch AD-Wandler diskretisiert. Die Integration geht dann in eine einfache Summation und Normalisierung der Abtastwerte über.

Wirkungsgrad (engl. Efficiency)Die Optimierung von Wirkungsgraden ist eine der ökologisch und ökonomisch vorrangigen Aufgaben der Leistungmesstechnik. Generell ist der Wirkungsgrad als Quotient zwischen abgegebener und aufgenommener (Wirk-) Leistung definiert. Die dimensionslose Zahl, ggf. normiert auf 100 %, wird mit dem griechischen Buchstaben η (Eta) bezeichnet. Man kann z.B. bei Umrichtern und Vorschaltgeräten einen elektrisch-elektri-schen oder bei Motoren einen elektrisch-mechanischen Wirkungsgrad berechnen, z.B. ηel-el = Paus/Pein • 100 %. Wichtig bei instationären Verhältnissen ist die simultane Messung der beiden Leistungen in identischen Zeitintervallen. Für höchste Genauigkeit kann in einer komplexeren Formel auch der Eigenverbrauch des Leistungsmessers berücksichtigt werden.

YokogawaRenommierter Messgerätehersteller mit Hauptsitz in Tokyo, Japan. Weltweit ca. 19.000 Mitarbeiter, gegründet 1916.

Zero-Flux PrinzipSiehe Nullflussprinzip.

Zwei-Wattmeter-MethodeSiehe dazu Aronschaltung. Sonderfall des Blondel-Theorems für Anzahl der Leitungen n = 3.

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