DW500UB-2V mit großer Bandbreite für die Leistungsanalyse
Einführung
Energieumwandlungsprodukte, die auf Halbleitertechnologien mit breiter Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) basieren, arbeiten heute mit deutlich höheren Schaltfrequenzen, die nahezu perfekte Sinuswellenformen erzeugen können. Filterelemente wie Drosseln und Kondensatoren können kleiner und leichter gebaut werden, da die Induktivitätswerte der Drosseln und die Kapazitäten der Kondensatoren umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz sind. In Zukunft werden sich SiC- und GaN-basierte Komponenten in immer mehr Anwendungen durchsetzen. Danisense stellt das neue Modell DW500UB-2V vor, das die jetzt erforderlichen großen Bandbreiten bewältigen kann.
Hintergrund-Leistungsanalysatoren
Leistungsanalysatoren verwenden in der Regel die folgende Grundformel zur Berechnung der Wirkleistung.
So werden die digitalisierten Momentanwerte der Spannung v(t) und des Stroms i(t) miteinander multipliziert und die Ergebnisse über ein definiertes Zeitfenster aufsummiert. Grundsätzlich werden Gleichstromkomponenten, alle harmonischen und nichtharmonischen Komponenten bis zur Bandbreitengrenze oder Filtergrenzfrequenz des Netzanalysators berücksichtigt. Leistungsanalysatoren im Premiumsegment arbeiten bereits bis zu einer Frequenz von 10 MHz. In den meisten Fällen wird das Spannungssignal direkt vom Leistungsanalysator verarbeitet, so dass die gesamte Bandbreite des Leistungsanalysators genutzt werden kann.
Für Strommessungen von mehr als 30 A werden oft galvanisch getrennte Stromwandler verwendet, die das Primärsignal mit hoher Genauigkeit an die Sekundärseite übertragen müssen. Diese Stromsensoren haben als Hauptbestandteile eine Kupferdrahtwicklung und einen Eisenkern. Auch Rogowski-Spulen bestehen aus einem mit Kupferdraht gewickelten Spulenkörper. Dieser Aufbau führt zu einer Wicklungsinduktivität und auch zu unerwünschten Kapazitäten, die sich immer zwischen den einzelnen Wicklungen und zwischen den einzelnen Wicklungsschichten bilden. Dementsprechend stellt jede Kupferdrahtwicklung einen potenziellen Schwingkreis dar. Mit der Thomson’schen Schwingungsgleichung ist es möglich, die Resonanzfrequenz zu berechnen.
Das bedeutet, dass Stromwandler oft eine begrenzte Bandbreite haben. Interne Filter im Power Analyzer werden aktiviert, um die Bandbreite für die Leistungsberechnung entsprechend zu reduzieren. Andernfalls werden höhere Frequenzkomponenten in der Leistungsanalyse manchmal stark durch den Stromwandler verzerrt, wie die folgende Abbildung 1 zeigt.
Die Kompensation dieser chaotisch anmutenden Fehlerkurven im Messgerät ist nur begrenzt möglich, da die Schwingungseigenschaften stark von der Kapazität der Kupferwicklung abhängen, so dass sich die Kurven bei Temperaturschwankungen verschieben.
Hohe Schaltfrequenzen in der Leistungselektronik der nächsten Generation
Insbesondere bei der Verwendung von Frequenzumrichtern mit hoher Schaltfrequenz zur Steuerung von Motoren sind auch im dreistelligen kHz-Bereich Wirkanteile der Leistung zu finden, da sich Vielfache der Schaltfrequenz im Strom- und Spannungssignal gemäß der folgenden Gleichung zeigen.
Die Schaltfrequenz und ihre Oberschwingungen bestehen aus Wirk- und Blindleistungskomponenten. Um diese Komponenten mit ausreichender Genauigkeit messen zu können, muss neben dem Amplitudenfehler auch der Phasenfehler sehr genau sein.
Phasenverschiebung
Insbesondere bei induktiven Lasten wie Motoren steigt der induktive Anteil der Last mit der Frequenz. Entsprechend sinkt der Leistungsfaktor mit zunehmender Frequenz. Dies wiederum führt zu einem zunehmenden Einfluss des Phasenfehlers auf die Leistungsberechnung. Diese Korrelation ist in Abbildung 3 dargestellt.
Der gleiche Phasenfehler führt zu einem höheren Fehler bei der Berechnung der Wirkleistung (rot eingefärbt). Genauere Werte für verschiedene Phasenfehler finden Sie in der folgenden Abbildung 4.
DW500UB-2V
Der DW500UB-2V hat bis 10 MHz keine Resonanzstörungen. Dies ist eine Grundvoraussetzung für ein lineares Übertragungsverhalten bis zu 10 MHz. Der Phasenfehler besteht aus einer festen Zeitverzögerung, die hauptsächlich durch ein 2 m langes Koaxialkabel verursacht wird. Diese Zeitverzögerung wird im Testprotokoll erwähnt. Wenn das Messgerät eine feste Zeitverzögerung kompensieren kann, lässt sich der Phasenfehler erheblich verringern. Dies wird in der folgenden Abbildung 5 veranschaulicht.
Im Auswahlmenü des LMG671 von ZES ZIMMER gibt es z.B. eine entsprechende Eingabemaske, in der die Zeitverzögerung eingegeben werden kann.
Neben der Genauigkeit muss auch die Strombelastbarkeit bei höheren Frequenzen berücksichtigt werden, nicht nur für den Primärleiter. Auch der Stromwandler mit seinen Kupferwicklungen muss entsprechend ausgelegt sein. Der DW500UB-2V kann den gesamten Nennstrom bis zu 100 kHz bei 25°C aufnehmen. Die vollständige Spezifikation finden Sie im Datenblatt, das auf https://danisense.com/ verfügbar ist .