Strommessung mit Sensoren - H. Bezold/Signaltec GmbH

Power Seminar
HS Nürnberg
10.02.2011
10.02.2011
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Messbereichserweiterung mittels Präzisionsstromwandlern
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Arbeitsweise
Abtastwert i(t)
Abtastwert u(t)
Rechenwert p(t)
P = 1/T • 0T p(t) dt
mit p(t) = u(t) • i(t)
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Arbeitsweise
1/
PT
versus Phase Angle Phi
PActive
= Power
T 0∫ u(t) • i(t) dt
1,2
1
P
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Phi
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Arbeitsweise
P = 1/T 0∫T u(t) • i(t) dt
Außenleiterspannung u(t)
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Strangstrom i(t)
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Messwert- und Messbereichsfehler (Abtastwerte)
Die Amplitudengenauigkeit wird meist in % vom MW + % vom MB
angegeben.
% v. MW: Messwertfehler
% v. MB:
Messbereichsfehler
Je nach Aussteuerung des Messbereichs geht der MB-Fehler
stärker in den Gesamtfehler ein.
Je nach Hersteller kann der Messbereich als Spitzenwert oder
Effektivwert mit Crestfaktor definiert sein.
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Messwert- und Messbereichsfehler (Abtastwerte)
peak range
rms range
0
DC
Sinus
Puls
Es werden alle Samplewerte mit gleicher (hoher)
Genauigkeit abgetastet.
Genauigkeit der Abtastwerte im Bereich
Nulldurchgang gering.
Der größte Teil der
Abtastwerte werden mit
hohem Fehler abgetastet.
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Messwert- und Messbereichsfehler (Effektivwerte)
Beispiel: MB-Fehler 0,1 % resultiert in
Gesamtfehler bei Effektivwertbildung.
Urms = √ 1/T 0∫T u2(t) dt
• 0,11 % bei DC mit 90 % Aussteuerung
• 0,20 % bei DC mit 50 % Aussteuerung
• 1,00 % bei DC mit 10 % Aussteuerung
• 0,14 % bei Sinus (90 % Peak)
• 0,25 % bei Sinus (50 % Peak)
• 1,28 % bei Sinus (10 % Peak)
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Messwert- und Messbereichsfehler
Praktische Messung 1:
Überprüfen der Messbereichsgenauigkeit eines Wattmeters
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Frequenzbereich & Bandbreite
Frequenzbereiche typischer Applikationen
Transformatoren:
Grundfrequenz (50/60 Hz) … 20 Oberschwingung (ca. 1 kHz)
Wind, Solar (netzseitig):
50 Hz … 200 Oberschwingung (ca. 10 kHz)
Antriebstechnik:
Grundfrequenz (wenige Hz) … Schaltfrequenz (ca. 20 kHz)
Ein Leistungsmessgerät für Frequenzumrichteranwendungen sollte einen
Frequenzbereich (≠ Bandbreite) von > 50 kHz haben.
Vorsicht !
Bandbreitenangabe gilt meistens für -3 dB (30 % Amplituden-, 45° Phasenfehler)
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Winkelfehler
Abtastwert i(t)
Abtastwert u(t)
Rechenwert p(t)
Zwei unabhängige Signale
müssen im Messgerät
absolut zeitsynchron
abgetastet und
multipliziert werden.
P = 1/T • 0T p(t) dt
mit p(t) = u(t) • i(t)
Spannung und Strom müssen absolut zeitgleich abgetastet werden.
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Winkelfehler
Problem: Je niedriger der Leistungsfaktor, umso größer der Einfluss des
Winkelfehlers
Bereich 1 (PF = 1, φ = 0°):
Winkelfehler von 1° verschiebt P von
0° auf 1°
Active Power P versus Phase Angle Phi
1
1,2
cos (1°) = 0,9998
1
2
P
0,8
Leistungsfehler: 0,2%
0,6
Bereich 2 (PF = 0,01, φ = 89,427°):
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
Phi
60
70
80
90
Winkelfehler von 1 min (1/60° oder
0,0167°) verschiebt P von 89,427° auf
89,444°
cos (89,444°) = 0,0097
Leistungsfehler: 3%
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Winkelfehler
Einfluss von Winkelfehler und Leistungsfaktor auf den Leistungsfehler:
1°
0.1°
Winkelfehler 0,1° zwischen
U und I resultiert in:
0.01°
• 0,3% Leistungsfehler bei
Leistungsfaktor 0,9
0.001°
• 10% Leistungsfehler bei
Leistungsfaktor 0,05
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PF ↓
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Winkelfehler
Praktische Messung 2:
Überprüfen von Bandbreite und Winkelfehler eines Leistungsmessgerätes
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Gleichtaktunterdückung – Common Mode Rejection (CMR)
Typische Kurvenform von Spannung und
Strom am Frequenzumrichter.
0.8
0.8
0.3
0.3
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
-0.2
-0.2
-0.7
-0.7
-1.2
-1.2
Dabei treten Spannungsflanken von bis zu
10kV/μs auf.
du
dt
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Gleichtaktunterdückung – Common Mode Rejection (CMR)
Durch die parasitären Kapazitäten im Messgerät kommt es zu hochfrequenten
kapazitiven Ableitströmen (Gleichtaktstörung).
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Gleichtaktunterdückung – Common Mode Rejection (CMR)
Beispiel Leistungsmessung mit externen Hochstromshunts:
• Spannungsabfall an Shunt meist nur wenige mV
• Strom durch Shunt zwar annähernd sinusförmig doch liegt Shunt auf springendem Umrichterpotenzial
Stromkanal
SHUNT
Bei einer typischen Anstiegszeit
von du/dt von 5kV/µs und einer
typischen Kanalkapazität gegen
Gehäuse von 0,2 nF resultiert ein
Gleichtaktstrom von:
I=C•du/dt
I=0,2•10-9•5000/(1•10-6)
I = 1 Apk
C
Der Spannungsabfall des Gleichtaktstroms
verfälscht das Messergebnis
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Gleichtaktunterdückung – Common Mode Rejection (CMR)
Abhilfe:
• Früher – Zusätzlicher Schirm (GUARD-Technik)
Stromkanal
SHUNT
GUARD
C
Der Gleichtaktstrom fließt über den Triaxial-Schirm ab und
verursacht keinen Spannungsabfall auf den Leitungen des
OP‘s. Er beeinflusst das Ergebnis nicht.
• Heute – Einsatz von galvanische getrennten und präzisen Stromwandlern (DCCT)
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Verluste & Wirkungsgrad
Verlustberechnung ist eine differenzielle Messung und erfordert eine Messkette
höchster Präzision
PV = PE - PA
Beispiel: Genauigkeit der Verlustmessung bei
- 95 % Wirkungsgrad
- Eingangsleistung 100 W
- Messgenauigkeit 0,1 %
Eingang
100 ± 0,1W
Ergebnis (Worst Case):
Wahrer Wert:
5W
Messergebnis:
5,195 W bzw. 4,805 W
Fehler:
3,9 %
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Ausgang
95 ± 0,095W
Last
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Grundlagen Leistungsmesstechnik
• Verluste & Wirkungsgrad
Genauigkeit der Verlustmessung in Abhängigkeit von Wirkungsgrad und
Messgerätefehler:
Kl. 0,5%
Kl. 0,1%
Kl. 0,05%
Kl. 0,02%
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Stromwandlertechnologien
Transformatorischer Wandler:
• mittlere Genauigkeit > 0,1 %
• geringe Bandbreite
• nicht DC - fähig
Nicht Umrichtertauglich
Rogowskispule:
• geringe Genauigkeit > 1 %
• hohe Bandbreite > 1 MHz
• nicht DC - fähig
Zu ungenau für die Leistungsmessung
Impulsstromwandler:
• geringe Genauigkeit > 1 %
• hohe Bandbreite > 10 MHz
• nicht DC - fähig
Zu ungenau für die Leistungsmessung
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Stromwandlertechnologien
Hallsensorwandler:
• mittlere Genauigkeit > 0,5 %
• mittlere Bandbreite > 100 kHz
• AC + DC - fähig
Zu ungenau für die Leistungsmessung
Koaxialshunt:
• hohe Genauigkeit
• hohe Bandbreite > 1 MHz
• AC + DC – fähig
I = C • du/dt = 1A
• keine galvanische Trennung, CMR ! bei 0,2 nF und 5 kV/µs
Nur in der Niederspannung
Nur als Triaxialshunt für Leistung geeignet
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Nullflusswandler
• Hohe Bandbreite DC bis einige 100kHz
• Höchste Amplitudengenauigkeit im ppm Bereich
• Geringer Phasenwinkelfehler
• Geringster Offset
• Galvanische Trennung  hohe Gleichtaktunterdrückung
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Nullflusswandler
DC Sense Schaltung
Primärstrom
Kompensationswicklung
Bürdenwiderstand für Messgeräte mit
Spannungseingängen
AC Sense Wicklung
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Nullflusswandler
Spezifikation 1000 A Wandler
Amplituden- und Winkelfehler über
Frequenz
Amplitudenfehler über Wandleraussteuerung bei DC
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Nullflusswandler
Praktische Messung 3:
Darstellung von Amplituden und Winkelfehler eines Präzisionsnullflussstromwandlers
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Nullflusswandler
Fehlerrechnung
für I und P:
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Nullflusswandler
Mehrkanalsysteme MCTS 60 … MCTS 1000
• Messbereichserweiterung < 1000 A
• 3- bis 6-kanalig für Wandler:
 IT 60-S – 60 Arms
 IT 200-S – 200 Arms
 IT 400-S – 400 Arms
 IT 700-S – 700 Arms
 IT 1000-S/SP1 – 1000Arms
• Standard Stromausgang für YOKOGAWA
Niederstromeingänge (bevorzugt)
• Optionale YOKOGAWA-Bürdenwiderstände
(zum Anschluss an mV-Sensoreingänge, Vorsicht – EMV-empfindlich)
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Nullflusswandler
Kalibrierprotokoll für Wandlersystem MCTS 1000 bzw. Wandler
IT 1000-S/SP1 aus dem SIEMENS
DKD Kalibrierlabor in Nürnberg.
Aussteuerung:
5 % … 110 %
Amplitudenfehler: < 0,008 % v. MW
Winkelfehler:
< 0,08 Minuten
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Nullflusswandler
ITP 2000-S/SP1
• Messbereichserweiterung bis 2000 Arms
• Wandler mit externer Elektronik in 19“ Rack
• Standard Stromausgang 2 Arms für YOKOGAWA 2 A- bzw. 5 A-Eingänge
• Optionaler interner 10 V Spannungsverstärker für mV-Sensoreingänge
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Nullflusswandler
Kalibrierprotokoll für Wandlersystem ITP 2000-S/SP1.
Aussteuerung:
5 % … 110 %
Amplitudenfehler: < 0,005 % v. MW
Winkelfehler:
< 0,05 Minuten
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Nullflusswandler
ITP 5000-SPR
• Messbereichserweiterung bis 5000 Arms
• Wandler mit externer Elektronik in 19“ Rack
• Standard Stromausgang 2 Arms für YOKOGAWA 2 A- bzw. 5 A-Eingänge
• Optionaler interner 10 V Spannungsverstärker für mV-Sensoreingänge
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Nullflusswandler
Kalibrierprotokoll für Wandlersystem ITP 5000-SPR.
Aussteuerung:
5 % … 110 %
Amplitudenfehler: < 0,022 % v. MW
Winkelfehler:
< 0,61 Minuten
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Nullflusswandler
Kalibrierprotokoll für Wandler-system
ITP 5000-SPR.
0,2 % … 2 %
10 A … 100 A
Amplitudenfehler: < 0,17 % v. MW
Aussteuerung:
Hintergrund:
Prüfstände für Nieder- und Mittelspannungsantriebe benötigen größtmögliche Eingangsdynamik (A … kA)
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Nullflusswandler
Messung von verzerrtem Stromsignal mit ITP 5000-SPR
2 CH –
Funktionsgenerator
ITP 5000SPR mit 10
Windungen
Stromverstärker
Wattmeter
WT1600S
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Nullflusswandler
ITP 5000- S: Messung 50 Arms,
10 Hz Grundschwingungsstrom
überlagert mit 1 kHz Oberschwingung
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Nullflusswandler
ITP 5000- S: Messung 50 Arms,
10 Hz Grundschwingungsstrom
überlagert mit 5 kHz Oberschwingung
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Nullflusswandler
Praktische Messung 4:
Messung eines 50 A Mischstromes mit ITP 5000-SPR
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Nullflusswandler
Einkanal Powersupply TPS
• Einkanalige Messbereichserweiterung < 1000A
für Wandler:
 IT 60-S – 60 Arms
 IT 200-S – 200 Arms
 IT 400-S – 400 Arms
 IT 600-S – 600 Arms
 IT 700-S – 700 Arms
 IT 1000-S/SP1 – 1000 Arms
• Standard Stromausgang für YOKOGAWA
Niederstromeingänge (bevorzugt)
• Optionale YOKOGAWA-Bürdenwiderstände
(zum Anschluss an mV-Sensoreingänge, Vorsicht – EMV-empfindlich)
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Fragen ?
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LEM/SIGNALTEC - Artikel zu den
Wandler in Bodo‘s Power Systems
Oktober 2010
Download unter www.signaltec.com
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Artificial Mains
Neu - Mehrphasige Hochleistungsquellen
• frequenzvariables künstliches Netz für
 Bahn - 16 2/3 Hz
 Luftfahrt - 400 Hz … 800 Hz
 US Netznachbildung - 60 Hz
 …
1
~ und 3~ belastbar
 bis 800 Hz
 bis 800 KVA
 geringer THD (lastabhängig)
Vorstellung bei den praktischen Messungen
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Artificial Mains
40 V, 16 2/3 Hz
115 V, 60 Hz
130 V, 800 Hz
115 V, 60 Hz
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