Leistungsmessung
Ein Leistungsmessgerät dient der Messung elektrischer Leistung, dem Produkt aus elektrischer Spannung und Strom. Um diese zu messen und elektrische Verbraucher zu analysieren, werden Leistungsmessgeräte eingesetzt. Diese erfassen die Größen Strom und Spannung durch analoge sowie digitale Messtechniken.
Speziellere Leistungsmessgeräte, die über extrem hohe Genauigkeit und eine Vielzahl an zusätzlichen Analysefunktionen verfügen, werden auch Leistungsanalysatoren genannt. Diese werden zur Bestimmung des Wirkungsgrades bei der Entwicklung von elektrischen Antriebskomponenten wie Elektromotoren oder Leistungsinvertern eingesetzt.
Der Mehrkanal-Leistungsanalysator LK601 wurde speziell für den Einsatz an Antriebsprüfständen konzipiert. Entwicklung, Analyse und End-Of-Line-Testing wird damit deutlich vereinfacht. Mehr Informationen zu unserem Leistungsanalysator finden Sie hier.
Genauigkeitsangaben von Leistungsmessgeräten sind hochkomplex und umfassen meist mehrere Seiten der Produktdokumentation. Die Genauigkeit ist dabei abhängig von der Frequenz, dem Leistungsfaktor und der Aussteuerung der Messbereiche. Es ist gängig, die Genauigkeit der Leistung bei einem Wert von 50Hz anzugeben. Eine Genauigkeit von <0,05% gilt dabei als einer der Werte, die gute Leistungsanalysatoren dort schaffen.
Allerdings ist dies nur einer von vielen Werten, die die Genauigkeit eines Gerätes beschreiben. Es gibt zudem keine Standardisierung der Angaben. Welche Angaben gemacht werden ist Herstellerabhängig. Diese geben ihre eigenen Randbedingungen an.
Die Reputation einer Marke ist besonders wichtig, da Kunden sich auf die Angaben des Herstellers verlassen können müssen. Eine hohe Genauigkeit ist wichtig, da einzelne Änderungen am zu untersuchenden Prüfling oft nur marginal auffallen. In der Summe können Sie aber einen enormen Effekt auf die Gesamteffizienz haben.
Außerdem werden technische Änderungen am Produkt nur Schritt für Schritt vorgenommen. Dadurch kann der Einfluss auf das Gesamtergebnis genau dokumentiert und kontrolliert werden. Eine saubere und nachvollziehbare Dokumentation ist für die spätere Bearbeitung essenziell. So können zukünftige Entwickler auf diesen Erfahrungen aufbauen und sich diese in ihrer eigenen Arbeit zunutze machen.
Entwicklung von Elektroantriebssystemen: Gesamtwirkungsgrad Bestimmung von E-Maschine, Inverter, Kühlsystem, Getriebe
Entwicklung von E-Motoren: Wirkungsgradkennfeldbestimmung, Dauertest, Beanspruchungstests
Entwicklung von Leistungsinvertern für E-Motoren: Wirkungsgradkennfeldbestimmung, Dauertest, Beanspruchungstests
Entwicklung von Schaltnetzteilen: Wirkungsgrade, Leerlaufleistung, Oberwellenanalyse
Endkontrolle von E-Maschinen: Bei Abweichungen von den Normwerten können Fehler in der Produktion festgestellt werden. Stichwort: Qualitätskontrolle!
Zertifizierungsprozesse: Viele Normen verlangen Angaben über die elektrische Leistung, den Energieverbrauch oder die Effizienz von Produkten und Bauteilen
Verifizierung von FEM-Simulationen
Die wichtigste Eigenschaft eines Leistungsmessgeräts ist das Erfassen von Spannung und Stromstärke. Die Geschwindigkeit der Erfassung und Verarbeitung der Daten ist hierbei abhängig von der Dynamik der Anwendung.
Dazu ist es besonders wichtig, dass Leistungsanalysatoren dies auch bei kleinen Leistungsfaktoren höchst genau und reproduzierbar aufzeichnen. Das System muss in der Lage sein, kleinste Änderungen an der zu vermessenden Komponente (dem Prüfling) wahrzunehmen. Eine Wirkungsgradsteigerung von 0.5% kann so zum Beispiel in der Entwicklung von E-Motoren zu enormen Wettbewerbsvorteilen führen.
Das System sollte auch Fehlerrobust sein. Durch eine komplexe Bedienung, kann es gegebenenfalls zu falschen Einstellungen kommen die das Ergebnis der Messung verfälschen. Häufig wird der Bedienereffekt unterschätzt und es kommt zu Fehlmessungen.
Ein guter Leistungsanalysator sollte also die folgenden Eigenschaften aufweisen:
Die Leistungsmessung im 3-Phasensystem (3P) kann in Abhängigkeit von der Leiteranzahl (W) auf verschiedene Arten erfolgen. Je nach Konfiguration müssen für die korrekte Ermittlung der Leistungen, die gemessenen Werte unterschiedlich ausgewertet werden bzw. geben keinen direkten Aufschluss über die im System herrschenden Größen.
Für die Leistungsmessung in der 3P4W Variante steht neben den 3 Phasen L1, L2, L3 auch der Neutralleiter N als vierter Leiter zu Verfügung. Der Anschluss der drei benötigten Leistungsmesskanäle LMK1 bis LMK3 erfolgt nach der Abbildung. Ein Leistungsmesskanal misst die elektrische Leistung der jeweiligen Phase. Der Neutralleiter wird dazu als gemeinsame Spannungsreferenz genutzt. Die Gesamtleistung ist die Summe der gemessenen Einzelleistungen der jeweiligen Phasen.
Häufig steht der Neutralleiter in einem System nicht zur Verfügung. Dies ist beispielsweise in der Antriebstechnik der Fall, wenn der Motorsternpunkt nicht herausgeführt ist und dadurch nicht zugänglich ist. Durch die Verwendung eines künstlichen Sternpunktes, wird dieser fehlende Mittelpunkt extern erzeugt. Als Referenzpunkt genutzt, kann so wie im 3P4W System mit drei Leistungsmesskanälen die Leistung jeder Phase und die Gesamtleistung ermittelt werden. Die Gesamtleistung ist die Summe der gemessenen Einzelleistungen. Die folgende Abbildung zeigt das entsprechende Anschlussschema.
Steht der Sternpunkt nicht zu Verfügung, kann die Gesamtleistung mit Hilfe der Aronschaltung auch ohne künstlichen Sternpunkt ermittelt werden. Bei dieser Methode der Leistungsmessung reichen zwei Leistungsmesskanäle aus. Wenn die Summe der Augenblickswerte der Leiterströme Null ist, kann einer der Leiter als gemeinsamer Rückleiter aufgefasst werden. Die Abbildung zeigt den entsprechenden Messaufbau.
Zwei Strangströme werden von den beiden Stromsensoren erfasst. Die beiden Spannungseingänge der Messkarten messen Außenleiterspannungen. Dies hat zur Folge, dass die angezeigten Leistungen nicht den Einzelleistungen der jeweiligen Stränge entsprechen. Die Summenleistung kann jedoch aus der Addition dieser beiden Leistungen ermittelt werden. Dies gilt aber nur unter der Bedingung, dass die Summe aller momentanen Strangströme gleich Null ist. Bei dem Betrieb von elektrischen Maschinen an Frequenzumrichtern können durch kapazitive Kopplungen gegen Erde Ableitströme auftreten, welche das Messergebnis verfälschen. Die Summe der Strangströme ist in diesem Fall ungleich Null. Daher ist die Aronschaltung für eine Messung an einem Umrichter nicht empfehlenswert.
Bei der 3V3A Konfiguration werden 3 Leistungsmesskanäle verwendet. Da aber auch hier kein Neutralleiter, bzw. kein Sternpunkt zur Verfügung steht, wird eine Phase als Referenz benutzt. Die Abbildung zeigt das entsprechende Anschlussschema.
Der erste Leistungsmesskanal LMK1 misst den Strom der Phase L1 und die Spannung zwischen den Phasen L1 und L3. LMK2 misst den Strom IL2 und die Spannung zwischen L2 und L3. Phase 3 bildet für den ersten und den zweiten Leistungsmesskanal den Bezugspunkt. Der dritte Messkanal LMK3 misst den Phasenstrom IL3 und die Außenleiterspannung UL1-L2.
In der gezeigten Konfiguration erhält man die Gesamtleistung aus der Summe der beiden angezeigten Leistungen der Messkanäle LMK1 und LMK2. Wichtig zu beachten ist, dass keine der Einzelleistungen (LMK1 bis LMK3) der korrekten Einzelleistung der jeweiligen Phasen entspricht! Auch wenn für die Berechnung der Gesamtleistung zwei Leistungsmesskanäle ausreichen, ist es dennoch ratsam, die 3V3A Methode anzuwenden. Durch das Erfassen aller drei Phasenströme und Phasenspannungen, können Aussagen über Symmetrien und über ggf. auftretende Leckströme getroffen werden.
Nach längerer Benutzung kann es durch Alterung und Einschaltzyklen (Thermozyklen) zum Driften der Bauteile kommen. Hierbei ist es Aufgabe der Qualitätssicherung zu überprüfen, dass die geforderten Genauigkeiten eingehalten werden. Kam es zum Driften, so bedeutet das gegebenenfalls eine Veränderung der Messwerte.
Im Regelfall passiert dies im unteren ppm Bereich. Aber auch hier summieren sich kleine Abweichungen schnell und können zu falschen Ergebnissen führen. Um weiterhin eine möglichst genaue Messung sicher zu stellen ist es daher unumgänglich, dass Leistungsmessgeräte kalibriert werden müssen. Eine erneute Justierung der Geräte ist in der Regel nicht nötig.
Die Abstände zur Kalibrierung sind abhängig von Gerät und Einsatzfeld. Bei einem sehr stabilen Gerät ist ein Zeitraum von 2 Jahren möglich. Andere sollten bereits nach einem Jahr erneut kalibriert werden. Kalibrierungsintervalle sollten also immer dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Bei der Kalibrierung der Messgeräte wird zwischen einer DAkkS- und ISO-Kalibrierung unterschieden. ISO-Kalibrierungen werden nach DIN EN ISO 9001 durchgeführt. Eine DAkkS-Kalibrierung wird wiederum durch ein (akkreditiertes und) von einer Akkreditierungsstelle überwachtes Laboratorium durchgeführt wird.
Diese Akkreditierung garantiert, dass die Kalibrierung nach strengsten Regeln und einem validierten Verfahren abläuft. Die dabei erstellten DAkkS-Kalibrierscheine werden weltweit anerkannt. Ein weiterer Vorteil des DAkkS-Kalibrierscheines ist die darin enthaltene Formel zur Bestimmung der Messunsicherheit. Mit ihrer Hilfe kann der Verwender des Messgerätes die abgelesenen Messwerte korrekt bewerten.
Bei der Messung von Leistung unterscheidet man zwischen elektrischer und mechanischer Leistung.
Die Messgrößen
fallen unter elektrische Leistungen.
Für die Berechnung mechanischer Leistung ist ein Eingang für Drehmoment und Drehzahl
erforderlich. Die eigentliche Messung dieser Werte erfolgt mit einer
Drehmomentmesswelle.
Direkt gemessen werden elektrischer Strom und Spannung. Nach der analogen Messung werden die Signale digitalisiert. Diese Werte werden dann in Echtzeit multipliziert und gemittelt.
So wird die Wirkleistung errechnet. Das digitale Vorliegen der Messwerte ermöglicht auch die Berechnung anderer Messgrößen. Digitale Daten bieten auch die Möglichkeit der Filterung der Werte.
Das grundsätzliche Messverfahren ist nicht von AC oder DC abhängig. Bei AC ist die gesamte Signalperiode zu beachten, da bei einem Sinus z.B. die Leistung sinusähnlich aussieht.
Es ist aber unumgänglich die ganze Periode zu mitteln, da es sonst zu Schwebungen (Flackernde Messwerte) kommt. Das macht ein genaues Ablesen unmöglich. DC ermöglicht ein Ablesen der Leistung zu jeder Zeit.
Die Messwertübertragung zum PC erfolgt über Ethernet (LAN), USB oder andere gängige Kommunikations-Schnittstellen. Das Gerät ist in den meisten Fällen portabel.
Blindleistung: Blindleistung wirkt sich nicht auf die Energiebilanz des Systems aus. Sie muss aber trotzdem zur Verfügung gestellt werden. Es handelt sich um eine Pendelleistung, die auf Grund des wiederkehrenden Energieflusses nicht in der Energiebilanz verrechnet wird.
Es ist nicht zwingend nötig, die Blindleistung klein zu halten, allerdings ist dies wünschenswert. Je größer die Blindleistung ist, desto stärker müssen die elektrischen Bauteile ausgelegt werden.
Wirkleistung: Wirkleistung wirkt sich, anders als Blindleistung, tatsächlich auf die Energiebilanz aus. Es ist die Leistung, die "wirklich" erbracht wird. Es ist ein effektiver Gewinn oder Verlust an Energie.
Scheinleistung: Scheinleistung beschreibt die Summe aus Wirk- und Blindleistung. Die Angabe der Scheinleistung lässt keinen Aufschluss darüber zu, ob tatsächlich viel oder wenig "echte" Leistung vorhanden ist. Der Anteil der Blindleistung ist nicht zu entnehmen. So kann eine hohe Scheinleistung mit hoher Blindleistung eine geringere Wirkleistung aufweisen als eine niedrige Scheinleistung mit niedriger Blindleistung.
Messen/Messtechnik: Die Messtechnik beschreibt den reinen Vorgang des Beobachtens und Notierens der entsprechenden Werte. Es erfolgt kein Eingriff ins System.
Steuern/Steuerungstechnik: Beim Steuern wird aktiv ins System eingegriffen (bspw. durch die Aufschaltung einer Spannung für einen gewissen Zeitraum). Man erhält dabei allerdings keine Rückkoppelung, die Aufschluss über den Einfluss des Eingriffs liefert. Steuerungstechnik wird eingesetzt, wenn das Verhalten des Systems genau bekannt ist und keine nennenswerten Störeinflüsse zu erwarten sind.
Regelung/Regelungstechnik: Bei der Regelungstechnik wird, wie bei der Steuerungstechnik, aktiv ins System eingegriffen. Allerdings werden hier verschiedene Messgrößen zur Regelung rückgekoppelt, um die Auswirkungen des Eingriffs nachvollziehen zu können. Dementsprechend kann dann darauf reagiert werden und der Prozess präzise geregelt werden. Regelungstechnik ist eine Kombination von Steuerungs- und Messtechnik.
Im Bereich der Leistungsmessgeräte ist zu unterscheiden, in welchem Segment sie eingesetzt werden. Für den Endverbraucher sind "einfache" Leistungsmessgeräte, auch Wattmeter genannt, interessanter. Diese haben einen eingeschränkten Funktionsumfang und sind auch in ihrer Genauigkeit weniger präzise als hoch professionelle Geräte. Die Anwendungsbereiche für Wattmeter befinden sich besonders im Haushalt zum Aufspüren von "Energiefressern".
Sie sind recht simpel zu bedienen und eignen sich daher besonders für versierte Heimanwender, Elektriker oder Energieberater. Leistungsanalysatoren unterscheiden sich vom Wattmeter in der Genauigkeit, Komplexität und dem Funktionsumfang. Sie werden in professionellen Umgebungen zu FuE1-Tätigkeiten und dem EOL2-Testing eingesetzt.
Die Techniker und Ingenieure an Prüfständen sowie in Laboren, verlassen sich auf die hochpräzisen Ergebnisse der Leistungsanalysatoren. Daher sind die Daten von Wattmetern und Leistungsanalysatoren nicht vergleichbar. Besonders da in professionellen Anwendungsbereichen absolute Synchronizität und bestmögliche Genauigkeit gefordert werden. Dies kann durch "einfache" Leistungsmessgeräte nicht gewährleistet werden.
Elektromobilität
neu gedacht.
Matuschek Meßtechnik GmbH
Werner-Heisenberg-Str. 14
52477 Alsdorf
Deutschland