Umrichtertaugliche Leistungsmesssysteme€¦ · Der Spannungsabfall ist vergleichsweise groß und...

Umrichtertaugliche

Leistungsmesssysteme

Horst Bezold

SIGNALTEC GmbH, Nürnberg

1

Uni Wuppertal, 25.09.2013 2 Umrichtertaugliche Leistungsmesssysteme

• Entwicklung, Fertigung und Vertrieb von Stromwandlersystemen

• Projektierung von Leistungsmesssystemen

• Enge Partnerschaft mit YOKOGAWA und AKL Kalibrierlabor

Über SIGNALTEC

Zusammen bieten wir eine einzigartige Produkt-Service-Lösung für die Leistungs-

messung bis in den MW-Bereich.

SIGNALTEC Stromwandlersysteme AKL Kalibrierlabor YOKOGAWA Leistungsmessgeräte


Über SIGNALTEC

Warum ist SIGNALTEC

als Stromwandlerlieferant

so wichtig für die

Leistungsmesstechnik ?


Über SIGNALTEC

Die präzise Messung von

Strom und Leistung am

Frequenzumrichterausgang

ist ohne unsere

Nullflussstromwandler

(beinahe) unmöglich !


Über SIGNALTEC

Umrichterspannung u(t)

Zwischenkreisspannung ~ 500 V

Anstiegszeit ~ 10.000 V/μs

Motorstrom i(t), beinahe sinusförmig

-1.2

-0.7

-0.2

0.3

0.8

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

-1.2

-0.7

-0.2

0.3

0.8

du

dt

du/dt ~ 10kV/μs


Über SIGNALTEC

Probleme durch Gleichtaktstörungen (HF Ströme gegen Masse)

C

Stromkanal

SHUNT

Beispiel Leistungsmessung mit „externen“ Hochstromshunts:

• Spannungsabfall an Shunt meist nur wenige mV

• Strom durch Shunt zwar annähernd sinusförmig doch liegt Shunt auf springen-

dem Umrichterpotenzial

Der Spannungsabfall des Gleichtaktstroms

verfälscht das Messergebnis

Bei einer typischen Anstiegszeit

von du/dt von 10kV/µs und einer

typischen Kanalkapazität gegen

Gehäuse von 0,1 nF resultiert ein

Gleichtaktstrom von:

I= C • du / dt

I= 0,1 • 10-9 • 10000 / (1•10-6)

I = 1 Apk

Durch die parasitären Kapazitäten im

Messgerät kommt es zu hochfrequenten

kapazitiven Ableitströmen (Gleichtaktstörung).


Über SIGNALTEC

Der größte Teil des Gleichtaktstromes fließt über den Zusatzschirm direkt zum Messgerätegehäuse ab. Er beeinflusst das Ergebnis nicht.

• Heute – Verwendung von galvanisch

getrennten Präzisionswandlern

(DCCT) mit geringer Koppelkapazität

C

SHUNT

GUARD

Current channel

Die internen Shunts im Leistungsmessgeräte sind bezüglich des Gleichtakteinflusses wesentlich

unproblematischer. Der Spannungsabfall ist vergleichsweise groß und die Leitungen zwischen Shunt und

Eingangsverstärker nur wenigen Millimeter lang.

Abhilfe:

• Früher – Zusätzlicher Schirm (GUARD-Technik)


• Grundlagen Leistungsmesstechnik - Wirkungsgrad und Verluste

- Was ist ein elektrisches Watt?

- Winkelfehlereinfluss

- Frequenzbereich

•Messbereichserweiterung mittels Stromsensoren - Stromwandlertechnologien

- Nullflusswandler

• Power Meter Funktionen - Harmonischenanalyse

- FFT-Analyse

- Scope-Funktion

- Trend-Funktion

- Rechnen mit Messwerten

- Rechnen mit Abtastwerten

- Highspeed-Leistungsmessung

- Motor-Option

- Filterfunktionen

Agenda


Grundlagen

Leistungsmesstechnik


Wirkungsgrad und Verluste

Warum ist es so wichtig die Leistung mit größtmöglicher Genauigkeit zu messen?

1. Die Berechnung von Umrichter- und Motorverlusten ist eine differenzielle Messung.

Verluste können nicht direkt gemessen werden.

2. Die Wirkungsgrade von Umrichtern und Motoren sind meist sehr hoch (> 90 %)

M, n DC / 3~ AC 3~ AC

Verlustberechnung erfordert eine Messkette höchster Präzision

PV = PE - PA Ausgang

95 ± 0,095 W Last

Eingang

100 ± 0,1 W

Beispiel: Genauigkeit der Verlustmessung bei

- 95 % Wirkungsgrad

- Eingangsleistung 100 W

- Leistungsmessgenauigkeit 0,1 %

Ergebnis (Worst Case)

Wahrer Wert: 5 W

Messergebnis: 4,805 W … 5,195 W

Fehler für Verluste: 3,9 %


Wirkungsgrad und Verluste

Verlustberechnung erfordert eine Messkette höchster Präzision

WT1800 Kalibrierprotokoll (Rekalibrierung nach 2 Jahren)

Typischerweise 20 mal genauer als Datenblatt

MCTS 1000 Kalibrierprotokoll, Fehler -0,001 % bei

Vollaussteuerung, < 0,006 bei 5 % Aussteuerung

Ein störsicherer Aufbau des Prüfstandes ist oft wichtiger als die Genauigkeit der eingesetzten Messtechnik


Was ist ein elektrisches Watt?

P = 1/T • 0T p (t) dt

mit p (t) = u (t) • i (t) Abtastwert u (t) Abtastwert i (t) Rechenwert p (t)

Die beiden Signale u (t) und i (t)

müssen absolut zeitgleich

abgetastet und multipliziert

werden.

Die Genauigkeit der

Wirkleistung ist abhängig von:

• Genauigkeit der Abtastwerte

• Zeitverzug (Winkelfehler)

zwischen U- und I-Abtastung

• Fehler bei Bestimmung des

Mittelungsintervalls T

T


Winkelfehlereinfluss

Ein Winkelfehler des Messsystems resultiert in einem

falschen Phasenwinkel φ Wirkleistungsfehler

P = 1/T • 0T p (t) dt mit p (t) = u (t) • i (t)

u (t) i (t)

p (t)

Problem: Je niedriger der tatsächliche Leistungsfaktor, umso größer ist der

Einfluss des Winkelfehlers

Bereich 1 (PF = 1,0, φ = 0°):

Winkelfehler von 0,1° verschiebt φ von 0°

auf 0,1°

cos (0,1°) = 0,9999985

Leistungsfehler: 0,000015 %

Bereich 2 (PF = 0,1, φ = 84,261°):

Winkelfehler von 0,1 ° verschiebt φ von 84,261°

auf 84,361°

cos (84,361°) = 0,0983

Leistungsfehler: 1,7 %

Active Power P versus Phase Angle Phi

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Phi

P

1

2


Frequenzbereich

DC im Zwischen- bzw. Batteriekreis

< 1 Hz bis > 2 kHz Grundfrequenz

Einige kHz bis ca. 20 kHz Schaltfrequenz

Einige MHz in der Spannungsflanke

Wegen der Motorimpedanz ist I weniger

verzerrt als U


Frequenzbereich

Wegen der Motorimpedanz ist I weniger

verzerrt als U.

Nur Harmonische gleicher Ordnungszahl

(Frequenz) resultieren in Wirkleistung.

Die Grundfrequenzanteile der Leistung

liegen meist deutlich über 90 %.

Ein Leistungsmesssystem für FU‘s sollte

möglichst präzise im Bereich DC bis ca. 5

kHz messen und die Schaltfrequenz und

deren Harmonische bis ca. 50 kHz erfassen.

U

I

P

U

I


Messbereichserweiterung

mittels

Stromsensoren


Stromwandler

Stromwandlertechnologien

Transformatorischer Wandler:

• mittlere Genauigkeit > 0,1 %

• geringe Bandbreite

• nicht DC - fähig

Nicht Umrichtertauglich

Rogowskispule:

• geringe Genauigkeit > 1 %

• hohe Bandbreite > 1 MHz


Zu ungenau für die Leistungsmessung

Impulsstromwandler:

• geringe Genauigkeit > 1 %





Stromwandler

Stromwandlertechnologien

I = C • du/dt = 1A

bei 0,1 nF und 10 kV/µs

Hallsensorwandler:

• mittlere Genauigkeit > 0,5 %

• mittlere Bandbreite > 100 kHz

• AC + DC - fähig


Koaxialshunt:

• hohe Genauigkeit


• AC + DC – fähig

• keine galvanische Trennung, CMR !

Nur in der Niederspannung

Nur als Triaxialshunt für Leistung geeignet


Stromwandler

Anforderungen an einen Stromwandler für die Leistungsmessung am

Umrichterausgang:

• Hohe Bandbreite DC bis einige 100 kHz

• Höchste Amplitudengenauigkeit im ppm Bereich

• Geringer Phasenwinkelfehler

• Geringer Offset

• Galvanische Trennung hohe Gleichtaktunterdrückung

Nullflusswandler


Nullflusswandler

Primärstrom

AC Sense

Wicklung

DC Sense Schaltung

Kompensations-

wicklung

DC Messung beruht auf den

nichtlinearen Eigenschaften

eines gesättigten Magnetkerns

Rechteckspannung am Oszillatorausgang

Resultierender Strom Ipk+ = Ipk- (Vpk+ = Vpk-) im Fall

DC = 0

Asymmetrischer Strom Ipk+ ≠ Ipk- (Vpk+ ≠ Vpk-) wenn

DC ≠ 0 (Differenz proportional zum DC-Level)


Nullflusswandler

IT - Wandlerspezifikationen


Nullflusswandler

Einzelwandler und Mehrkanalsysteme

60 Arms … 1000 Arms

Hochstromsysteme

2000 Arms und 5000 Arms (24 kArms)


Nullflusswandler

Beispiel 1: Frequenzbereich Wandler IT 1000-S/SP1 (MCTS 1000)


Nullflusswandler

Beispiel 2: IT Wandler (MCTS) bei geringster Aussteuerung (AC)

5 A, Filter OFF

I1rms: Direkte Messung WT1800

I2rms: Wandlerausgang IT 60-S




I6rms: Wandlerausgang IT 1000-S/SP1

U1 … U6 synchronisiert zu I1 … I6


Nullflusswandler


1 A, Filter OFF 1 A, 1 MHz Filter ON


Nullflusswandler


100 mA, 100 kHz Filter ON


Nullflusswandler

Beispiel 3: Messung von verzerrtem Stromsignal mit 5000 A Wandler

2 CH

Funktions-

generator

Strom-

verstärker

CTS 5000

mit 10

Windungen

Wattmeter

WT1800


Nullflusswandler


CTS 5000: Messung 25 Arms, 25 Hz Grundschwingungsstrom

überlagert mit 15 kHz Oberschwingung mit WT1800 (2 MSamples)

Mischsingnal

Abweichung zwischen

direkter Strommessung

und Wandlerausgang

~ 0,1 %


Nullflusswandler


15 kHz Oberschwingung

Direkte Strommessung

und Wandlerausgang

absolut deckungsgleich

CTS 5000: Messung 25 Arms, 25 Hz Grundschwingungsstrom

überlagert mit 15 kHz Oberschwingung mit WT1800 (2 MSamples)


Nullflusswandler

Kalibrierprotokoll MCTS 1000

Amplitude: < 0.006 % v. MW, Range 5 … 100 %

Winkelfehler: < 0.33 min., Range 5 … 100 %

Kalibrierprotokoll CTS 5000

Amplitude: < 0.011 % v. MW, Range 5 … 100 %

Phase Shift: < 0.54 min., Range 5 … 100 %


Fachartikel zu den Wandlern in

Bodo‘s Power Systems

Oktober 2010

Download unter

www.signaltec.com

Nullflusswandler


Power Meter Funktionen

WT1800 & WT3000



Harmonischenanalyse

Die Harmonics-Funktion rechnet aus den Samplewerten und der genauen Grund-

frequenz (PLL-synchronisiert) die ganzheitlichen vielfachen Signalkomponenten.

Vorteil:

- schnell

- genau

Harmonischenanalyse von U1 und

I1 bis zur 20-ten Oberschwingung

gemessen mit WT3000

Nachteil:

- Interharmonische, wie Schaltfrequenzen werden nicht erfasst

Die Harmonischenanalyse über eine

genaue PLL-Synchronisierung erfordert

meist eine eigene Filterfunktion nur für

die Frequenzmessung.



Harmonischenanalyse

Ein Fehler in der Frequenzmessung (Periodendauer) resultiert in einem Fehler bei

der Harmonischenberechnung und damit zusätzlichen Spektralanteilen

(Abbruchfehler)

Extrembeispiel:

Berechnung zusätzlicher

Harmonischer bei Rechnung

über nur eine Signalperiode

(20 ms) und einer um tm

verkürzten Periodendauer.



Harmonischenanalyse

Da die Harmonischenanalyse geringeren Rechenaufwand hat als eine FFT über den

kompletten Frequenzbereich und weil sie auf die Grundschwingung synchronisiert ist,

ist die Harmonics viel schneller und genauer als eine FFT.

Darstellung numerisch, als Balkendiagramm oder als Vektordiagramm

Parameterliste U, I, P, φ. Vektor nützliches Tool zur

Überprüfung des Wirings.

Schaltfrequenzen am Umrichterausgang werden nur erfasst, wenn diese ein

ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind. FFT hier besser geeignet.



Harmonischenanalyse

Für Wirkleitung gilt: Nur Harmonische gleicher Ordnungszahl von U und I erzeugen

eine Wirkleistung.

PHn = UHn • IHn • cosφHn



Harmonischenanalyse

φ = 37,3°

Falsch

φH01 = -28,9°

Richtig

Anwendungsbeispiel: Phasenverschiebung φ (φH01) zwischen verzerrten Signalen

Eine Phasenverschiebung ist nur zwischen Sinus-

signalen definiert.

cosφH01 = λH01 = PH01 / SH01

φH01 = arccos PH01 / SH01

φ ≠ arccos λ

Messung von φ am Umrichter unbedeutend.



Harmonischenanalyse

WT1800

• Harmonischenanalyse bis H500

• Gleichzeitige Messung von breitbandi-

gen Werten und Rechnung von

Spektralanteilen.

• Numerisch, Balken, Vektor

• Einzigartige “Dual-Harmonics”

WT3000

• Harmonischenanalyse bis H100

• Gleichzeitige Messung von breitbandi-

gen Werten und Rechnung von

Spektralanteilen.

• List, Balken, Vektor



FFT-Analyse

• Die FFT-Analyse rechnet alle im Signal beinhalteten Frequenzanteile

• Die FFT ist nicht synchronisiert auf die Grundschwingung Abbruchfehler

• Die Genauigkeit nimmt mit Anzahl der Samplewerte zu

• Der Abbruchfehler nimmt mit der Anzahl der ausgewerteten Perioden ab

• Deutliche langsamer als Harmonischenanalyse, man sieht aber auch Zwischen-

harmonische und Schaltfrequenzen

FFT von U und I mit WT3000


Der Abbruchfehler kann durch Messung über mehrere

Perioden und durch “Fensterung” minimiert werden.

Triangle

Hanning

Rectangular

Fensterung:

Gewichtung von

Samplewerten

FFT eines Sinussignals.

Fensterung mit Rechteck

und Hanning.

Hamming

Blackman Lanczos


FFT-Analyse


WT1800

• Nicht verfügbar

WT3000

• FFT von U, I, P, M

• 20 kSamples – schneller, geringere Auflösung

• 200 kSamples – langsamer, höhere Auflösung

• Rechteck-, Hanning-, Flattop-Fensterung


FFT-Analyse



Scope-Funktion

WT1800

• 2 MSamples

• u, i, m

• Nicht zum Auslesen

WT3000

• 200 kSamples

• u, i, p (mit Math-Funktion), m

• Daten über Interface übertragbar



Trend-Funktion

WT1800

WT3000



Rechnen mit Messwerten

Ein Beispiel wäre die Berechnung des Grundschwingungswirkungsgrades. Wie

verhält sich eine Umrichtermaschine am 50 Hz-Netz?

η = PM / P aber ηH01 = PM / PH01 (Grundschwingungswirkungsgrad)

Die Variable ηH01 ist standardmäßig in den WT‘s nicht verfügbar, kann aber über die

Formeleditoren berechnet werden.

WT1800

WT3000



Rechnen mit Abtastwerten

Beispiel: Berechnung der einphasigen und dreiphasigen Leistung p (t) = u (t) • I (t)

Einphasenleistung

schwingt mit

doppelter Frequenz

von u (t) oder i (t).

Dreiphasenleistung

ist konstant



Rechnen mit Abtastwerten

WT1800

• Nicht verfügbar

WT3000

• Rechnen 200 kSamples-Werten von u (t), i (t) und m (t)

• Daten über Interface übertragbar



Highspeed-Leistungsmessung

Eine Mittelung der Abtastwerte p (t) = u (t) • i (t) über eine Zeit unterhalb einer

Periodendauer macht für Leistungs-, Verlust- und Wirkungsgradbetrachtungen

keinen Sinn.

In einem Dreiphasensystem dagegen schon.

pGesamt (t) = u1 (t) • i1 (t) + u2 (t) • i2 (t) + u3 (t) • i3 (t) = konstant

Abtastwert u1 (t)

Abtastwert i1 (t)

Rechenwert p1 (t)

Rechenwert pGesamt (t)



Highspeed-Leistungsmessung

WT1800

• Transiente Leistungsmessung

• Nur dreiphasig möglich

• Unabhängig von Frequenz

• Auflösung 1 ms

WT3000

• Cycle-by-Cycle Analyse

• Ein- und dreiphasig

• Abhängig von Frequenzmessung

• Maximal 3000 Messreihen

• U, I, P, S, Q, λ, n, M, PM

• Frequenzbereich: 1 Hz … 1 kHz

• Auflösung 1 ms



Motor-Option

WT1800

• Analog-/Frequenz-Eingänge für M und n

• Eingang für Drehrichtung

• Berechnung von positiver und negativer

mechanischer Leistung

• Z-Winkel-Messung

WT3000

• Analog-/Frequenz-Eingänge für M und n



Filterfunktionen

Lowpass-Filter im Meßkreis

Wahres Signal Messignalignal

Abtastwerte

Nach SHANNON:

fSamplingfrequenz > 2 fSignalfrequenz

Aliasing ist in der Antriebstechnik kein

Thema. Gut 95 % der Leistung steckt in

der Grundschwingung bis ca. 1 kHz. Die

Abtastfrequenz der Messgeräte liegt ca.

200 bis 2000 mal höher.

1. Begründung für Eingangsfilter: Aliasing (Spiegelfrequenzen)



Filterfunktionen


2. Begründung für Eingangsfilter: EMV-Probleme

Wir haben am Umrichterausgang immer

wieder Probleme mit Störungen im

Signal. Die direkte Messung mit den

internen Shunts ist „relativ“ problemlos.

Bei externen Stromsensoren mit

niedrigem Ausgangssignal kann ein

Eingangsfilter > 50 kHz eine gute

Problemlösung darstellen.

Zu niedrig gewählte Filterwerte

verfälschen das Ergebnis.

Keine Begründung für Filterung ist die

Erhöhung des Wirkungsgrades.



Filterfunktionen


WT1800

• Variable Eingangsfilter 100 Hz bis1

MHz in allen U-/I-Kanälen

WT3000

• Filterstufen 500 Hz, 5,5 kHz, 50 kHz in

allen U-/I-Kanälen


Die Bestimmung der Signalgrundfrequenz ist

Voraussetzung für eine genaue

Mittelwertbildung (Synchronisierung) und eine

möglichst genaue Harmonischenanalyse (PLL-

Synchronisierung)

Die genaue Synchronisierung auf die

Grundfrequenz erfordert am Umrichterausgang

einen eigenen Filterkreis für die

Frequenzmessung.

Eine Sychronisierung auf den Strom im

Normalfall einfacher als auf die Spannung.

Highend-Powermeter sollten

Frequenzfiltermöglichkeiten für Spannung und

Strom bieten.

T


Filterfunktionen

Frequenzmessung

WT3000 Messkanal



Filterfunktionen

Frequenzmessung

WT1800

• Dreistufige Frequenzfilterung 100 Hz,

1000 Hz, OFF in allen U-/I-Kanälen

WT3000

• Zweistufige Frequenzfilterung 100 Hz,

OFF in allen U-/I-Kanälen


WT1800, F < 0,03 bei PF > 0,1 MCTS 1000, F < 0,006 bei 5 %

Aussteuerung

Fazit

Mit den YOKOGAWA Wattmetern und SIGNALTEC Wandlersystemen erhält

man Messketten außerordentlich hoher Funktionalität, Präzision und

Störfestigkeit. Die Genauigkeiten sind in unserem Kalibrierlabor verifizierbar.

Scope Harmonics FFT Motor

Transient Power

C-b-C Power


Für weitere Informationen

SIGNALTEC GmbH

Johannisstraße 44

90419 Nürnberg

T. 0911/2550993-0

http://www.signaltec.com

Horst Bezold, T. 0911/2550993-10, [email protected]

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