Die Herausforderungen der elektrischen Leistungsmessung an Wechselrichtern

Die rapide Entwicklung der Elektromobilität erfordert präzise Messgeräte, um die Effizienz von E-Motoren zu bewerten. Messsysteme von Labortechnik Tasler GmbH stehen dabei an der Spitze dieser Anforderungen. Die Herausforderung liegt in der genauen Messung der elektrischen Leistung unter strikten Normvorgaben. Lesen Sie, wie der LTTsmart die komplexen Anforderungen mit einer einzigartigen Kombination von hoher Genauigkeit, Synchronität und galvanischer Trennung erfüllt. Dieses Gerät ermöglicht nicht nur präzise Leistungsmessungen, sondern integriert auch verschiedene Signalwelten und bleibt dabei flexibel für verschiedene Anwendungen in der Elektromobilität.

Effizienz von E-Motoren

Um die Effizienz eines Elektromotors zu bestimmen, muss die abgegebene mechanische Leistung in Relation zur aufgenommenen elektrischen Leistung gestellt werden. Beide Messgrößen haben ihre eigenen Tücken. Glücklicherweise kann man das Problem auf elektrische Messgrößen reduzieren, da durch die lange Geschichte der Verbrennungsmotoren bereits viel Erfahrung und geeignete Messtechnik für die mechanische Leistungserfassung vorhanden ist.

Herausforderung Messgenauigkeit

Wie verhält es sich mit der elektrischen Leistung? Zunächst gilt allgemein, dass die elektrische Leistungsaufnahme nur schwer direkt gemessen werden kann. Zudem ist entsprechend der Normvorgaben der DIN IEC 60034-2-3 eine hohe Messgenauigkeit gefordert:

„Die nominale Genauigkeit der Leistungsmessgeräte muss 0,3 % oder besser betragen, bezogen auf die Scheinleistung im Bemessungspunkt des zu prüfenden Motors. Dies gilt für die Gesamtunsicherheit von Leistungsmessgerät einschließlich möglicher Wandler.“

Unter Punkt 7.2 dieser Norm („Zusätzliche Verluste aufgrund des Spannungsfalls im Frequenzumrichter“) werden noch weitere Verschärfungen definiert, sodass die Genauigkeit eigentlich sogar besser als 0,3 % sein muss.

Wir haben also zwei Messgrößen (Strom und Spannung) deren Fehler sich gemäß Fehlerfortpflanzungsgesetz bei der multiplikativen Berechnung der Leistung (U*I) addieren.
Separat betrachtet, sind beide Größen eine Verkettung von mindestens vier Fehlern:

• Amplitudenfehler (über alle Frequenzen)
• Phasenfehler bei der Abtastung (über alle Frequenzen)
• Bandbreiten-Begrenzung der Oberschwingungs-Anzahl (mindestens 29. bzw. 7. Oberwelle für 0,1 % Genauigkeit von Spannung bzw. Strom)
• Fehler der zuführenden Leitungen und evtl. verwendeter Stromwandler

Die Summe dieser jeweils 4 Fehler bestimmt die Auflösung der beiden Messgrößen (Spannung und Strom).
Da sich alle 4 Fehler von beiden Messgrößen gemäß Fehlerfortpflanzungsgesetz addieren, haben wir also insgesamt 8 Fehlerquellen, deren Summe 0,3 % nicht überschreiten darf. Also darf im Durchschnitt jede Fehlerquelle nur ungefähr 0,03 % Fehler beitragen. Wie oben erwähnt, soll die Genauigkeit sogar noch besser sein. Das ist echt sportlich!

Damit muss ein Rechtecksignal auf 53 Oberschwingungen und ein Dreieckssignal auf 9 Oberschwingungen sauber erfasst werden. Gleichzeitig darf der Amplitudenfehler nicht größer sein als 0,03 % über dieses Frequenzband. Auch die Synchronität muss besser sein als 3ns.

Wegen dieser hohen Synchronität-Anforderung und wegen der Notwendigkeit, U(t) und I(t) mit jedem Sample ohne zusätzliche Phasenfehler multiplizieren zu können, müssen beide Messgrößen (U und I) mit derselben Abtastrate erfasst werden.

Beim Betrieb eines E-Motors müssen aber auch Frequenz und Amplitude des sinusförmigen Versorgungssignals zueinander passen: kleine Drehzahl entspricht einer kleinen Amplitude. Große Drehzahl entspricht einer großen Amplitude.

Wenn also ei Drehzahlbereich von 1 bis 100 % des Motors abgedeckt werden soll, beträgt auch die Amplitude im langsamen Drehbereich nur 1 % der Amplitude bei voller Drehzahl.
Somit muss der Messbereichsendwert nicht nur auf 1/0.03 % = 3.333 Schritte aufgelöst werden, sondern auf 333.333. Das entspricht einer effektiven Auflösung eines AD-Wandlers von 18,3 Bit. Und zwar nach Abzug allen Rauschens und aller Verzerrung dieses AD-Wandlers.

Hohe Anforderungen an die Messgeräte

Damit kommen wir zum Kern dieses Artikels: Wer nicht mindestens einen 20 Bit AD-Wandler, oder besser einen 24 Bit AD-Wandler mit mindestens 1 MHz (besser 2 oder 4 MHz) Abtastrate hat, braucht erst gar nicht mit der Leistungsmessung eines PWM betriebenen E-Motors zu beginnen. Gleichzeitig muss die Synchronität über alle Messkanäle besser als 3ns (besser 1ns) sein. Außerdem kommen hohe Signalspannungen ins Spiel, die neben einem erheblichen Sicherheitsrisiko auch extreme Anforderungen an die Eingangskapazitäten der Messtechnik stellen.

Stellen Sie sich einen 400 V batteriegetriebenen E-Motor vor, der mit 10 kHz Pulsrate die Spannung von 0 auf 400 V hochreißt (und sofort danach wieder auf 0 V runterzieht). Wenn Sie im Signalgang nur 10 pF Streukapazität haben, dann müssen diese 10 pF 20.000 Mal in der Sekunde um 400 V auf- oder entladen werden.

Im gemächlichsten Fall ist der Kondensator gerade erst voll aufgeladen, wenn er wieder entladen wird. Dann hat man bei 50 % Pulsbreite genau 50 µs Zeit, den Kondensator zu laden. In der Realität sind die Flanken viel steiler. Der Kondensator wir in ca. 500 ns komplett aufgeladen. Dann beträgt der Ladestrom dieser angenommenen Streukapazität schon 8 mA.

Harmlos? Nein, leider nicht! Für langsame Drehzahlen wurde oben die Faustformel für den maximalen Messfehler gegeben: „Messbereich / 333.333“. Die 8 mA Fehler-Ladestrom entsprechen einem gerade noch erträglichen Fehler, wenn der Messstrom in der Größenordnung von 2,7 kA (oder größer) läge. Kurzum, die erlaubte Streukapazität der Messkanäle muss extrem niedrig sein!

Gepaart mit dem notwendigen Schutz vor Hochspannung und der unbedingten Notwendigkeit, Stromschleifen komplett auszuschließen (weil diese empfindliche Störungen durch das Magnetfeld des E-Motors erleiden würden), müssen die Kanäle unbedingt gegeneinander galvanisch getrennt sein und gleichzeitig eine extrem niedrige Streukapazität gegenüber dem Gehäuse aufweisen.

Wird nur eine dieser Anforderungen (Abtastrate, Auflösung, Synchronität, galvanische Trennung mit geringer Streukapazität) nicht perfekt umgesetzt, scheitert die Effizienzmessung gemäß Norm DIN IEC 60034-2-3. Alle diese Punkte sind sorgfältig im Messsystem LTTsmart der Firma Labortechnik Tasler GmbH aufeinander abgestimmt. Der Messtechnik-Spezialist ist seit über 25 Jahren auf dem Markt etabliert und war schon hochauflösend in Megahertz-Bereichen aktiv, als der Messtechnik-Markt langsam von DOS auf Windows umgestiegen ist.

Die Anforderungen der E-Mobilität treiben nun den Markt aus zwei Richtungen in diese Nische: Langsame PC-Messtechnik reicht nun in Punkte Bandbreite bei Weitem nicht mehr aus. Und schnelle Oszilloskope reichen mit der Auflösung bei Weitem nicht in die benötigten Details hinein.

Doch die Effizienzbestimmung benötigt die Verbindung zwischen zwei Signalwelten: Die (schnelle) elektrische und die (langsame) mechanische Leistungsmessung.

Letztere kann natürlich auch hochsynchron durch den LTTsmart mit abgedeckt werden. In vielen Fällen ist es aber sinnvoll, die vielen (langsamen) Zusatzinformationen, wie beispielsweise Temperaturen, durch zusätzliche Messgeräte der Firma Gantner Instruments zu erfassen, die nahtlos mit dem LTTsmart zusammenarbeiten.

Fazit

Der Anwender profitiert davon, dass der LTTsmart perfekt auf die anspruchsvolle Messaufgabe abgestimmt ist und reibungslos mit anderen Messgeräten zusammenarbeitet.

Die umfangreiche Funktionalität des Power-Analyzers ist sowohl in der branchenübergreifenden Software-Lösung LTTpro, als auch in der Gantner GI.bench verfügbar und verbindet die beiden Welten hochsynchron miteinander. Langsame, mittelschnelle und sehr schnelle Messsignale werden online zu den benötigten Analysegrößen zusammengeführt.

Die großen Datenmengen, die für die oben angedeutete Berechnung der elektrischen Leistungskennzahlen notwendig sind, bleiben dabei für den Anwender unbemerkt im Hintergrund. Gleichzeitig kann der Anwender oder ein per Software einstellbares Entscheidungskriterium ganze Abschnitte dieser schnellen Rohdaten mitschneiden und zu einem beliebigen Zeitpunkt analysieren, um etwaige Auffälligkeiten der protokollierten Kenngrößen erörtern zu können.

Egal ob für Forschungszwecke oder zur Prozess- und Qualitätsüberwachung: Der Anwender hat stets vollen Zugriff auf alle Signalwelten. Von der Übersicht bis hin zum feinsten Detail.
Das macht die Power-Analyzer-Lösung (neben vielen anderen Lösungen) von LTT zum perfekten, einzigartigen Gesamtpaket. Somit kann man mit der rasanten Entwicklung der Elektromobilität mithalten. .

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