Präzise Leistungsmessung bei hoher Spannung
Der Hochspannungsteiler VT1005 ermöglicht in Verbindung mit einem HIOKI Leistungsanalysator Leistungsmessungen bis 5000 V. Für Hochspannungs- und Hochfrequenzanwendungen mit SiC- und GaN-Halbleitern bietet er eine höhere Genauigkeit als bisher verfügbare Systeme mit differentiellen Tastköpfen. Und mit einer Bandbreite von 4 MHz ist er auch die optimale Lösung für Verlustmessungen an Hochfrequenzspulen und -transformatoren.
Mit der zunehmenden Elektrifizierung unserer Gesellschaft steigt der Bedarf an elektrischer Energie. Dieser erhöhte Bedarf lässt sich mit einer Erhöhung der Systemspannung decken. Beispiele für solche Anwendungen sind Schnellladestationen für Elektroautos sowie Stromrichter und Halbleitertransformatoren, welche die Flexibilität des Stromnetzes erhöhen und Verluste senken.
Für die Entwicklung und Qualitätssicherung solcher Anwendungen sind präzise Messgeräte wie der HIOKI Power Analyzer PW8001 erforderlich. Mit diesem Gerät lassen sich Gleichspannungen bis 1,5kV messen. Der Hochspannungsteiler VT1005 bietet nun auch die Möglichkeit, Spannungen zwischen 1500 V und bis zu 5000 V präzise zu messen.
Die Störfestigkeit der verwendeten Messtechnik ist essentiell
Hochfrequent taktende Maschinen wie Wechselrichter sind immer auch Störquellen. Deshalb ist die Störfestigkeit der verwendeten Messtechnik ein wichtiger Faktor, um den Wirkungsgrad genau zu bestimmen. Der VT1005 ist unempfindlich gegen Gleichtaktrauschen und gegen hochfrequentes Rauschen.
Damit ist selbst in einer stark gestörten Umgebung eine genaue Spannungsmessung möglich. Dies wird erreicht durch das Design des VT1005 mit einem potenzialfreien Differenzeingang. Gleichtaktstörungen werden eliminiert, indem das gleiche Störsignal an beiden Eingängen aufgenommen und im Differenzverstärker aufgehoben wird (Bild 1).
Elektronische Geräte mit Halbleitern auf SiC-Basis und noch mehr mit Halbleitern auf GaN-Basis zeichnen sich durch einen raschen Spannungsanstieg bzw. -abfall aus. Außerdem werden die Ausgangssignale von hochfrequenten Signalen (Oberwellen) überlagert. Vergleicht man die Ausgangsspannung des VT1005 mit der eines Konkurrenzproduktes, so fällt ein „Ringing-Effekt“ (Überschwingen) auf. Beim VT1005 ist das nicht der Fall (Bild 2).
Ein Überschwingen tritt auf, weil die HV-Eingangsimpulse parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten in der Schaltung mit ihrer charakteristischen Frequenz schwingen. Parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten werden durch die verwendeten Bauelemente und das Schaltungslayout verursacht. Der Effekt des Überschwingens muss vermieden werden, da er sich negativ auf die Genauigkeit der Spannungsmessung und schließlich auf die Genauigkeit der Leistungsmessung auswirkt.
Den Wirkungsgrad von Leistungssystemen weiter erhöhen
SiC- und GaN-Halbleiter sind beliebte Schaltelemente, um den Wirkungsgrad von Leistungssystemen weiter zu erhöhen. Die Schaltfrequenz von SiC-Halbleitern beträgt 50 kHz und mehr. GaN Halbleiter können sogar Werte von bis zu 1 MHz erreichen. Das erschwert allerdings eine präzise Berechnung des Wirkungsgrades, da die Messgenauigkeit über ein breites Frequenzspektrum von DC bis zu mindestens 1 MHz gewährleistet sein muss.
Um eine derart genaue Leistungsmessung zu erreichen, bieten HIOKI-Leistungsmesssysteme eine herausragende Frequenzlinearität. Diese ist von grundlegender Bedeutung für eine durchgehend genaue Messung, die wiederum essentiell ist, um anvisierte Steigerungen des Wirkungsgrades messbar und bewertbar zu machen. Beispielsweise sind zur Messung einer Wirkungsgradsteigerung von 0,01 % eine Verstärkungsgenauigkeit von 0,1 % und ein Phasenfehler von unter 0,1° erforderlich.
Die Graphen in Bild 3 zeigen die Verstärkung und Phasen-abweichung bei drei einzelnen VT1005 und eines 3-phasigen Hochspannungsteilers eines anderen Herstellers. Es fällt auf, dass beim Wettbewerbsgerät (punktierte Linien) Verstärkungs- und Phasenfehler in höheren Frequenzen zunehmen, was zeigt, dass dieses Gerät für Anwendungen mit SiC- oder GaN-Halbleitern ungeeignet ist.
Darüber hinaus sind die drei durchgezogenen Linien der VT1005 in beiden Diagrammen nahezu deckungsgleich während die drei punktierten Linien des Wettbewerberproduktes deutlich größere Abweichungen aufweisen und zu einer geringeren Genauigkeit führen.
HIOKI entwickelt und fertigt sowohl den Hochspannungsteiler VT1005 als auch die Stromsensoren, die für die Kombination mit den ebenfalls selbst entwickelten HIOKI Leistungsanalysatoren optimiert sind. So kann bei aktivierter Phasenverschiebungskorrektur des Power Analyzers über den gesamten Frequenzbereich eine hohe Genauigkeit sowohl bei der Verstärkung als auch bei der Phasengenauigkeit erreicht werden (Bild 4).
Effizienzmessung bei drahtlosen Energieübertragungssystemen (WPT)
Die Messung des Wirkungsgrades bei drahtlosen Energieübertragungssystemen (Wireless Power Transmission / WPT) ist eine Anwendung, die eine genaue Hochspannungsmessung erfordert. Die Ausgangsspannung beträgt in der Regel bis zu 3 kV, da die Übertragung der Leistung bei höherer Spannung die auftretenden Leistungsverluste reduzieren kann. Deshalb benötigt man für die Berechnung des Wirkungsgrads eine Hochspannungsmessung. Beim WPT wird die Leistung durch Spulen übertragen. Diese Sende- und Empfangsspulen haben meist einen sehr niedrigen Leistungsfaktor.
Da der Phasenfehler bei sehr niedrigem Leistungsfaktor einen großen Einfluss auf das Messergebnis hat, ist ein kleiner Phasenfehler für die Leistungsberechnung sehr wichtig.
Der Messbereich des VT1005 deckt den Bereich von DC bis zu 4 MHz ab und ermöglicht Spannungsmessungen im erforderlichen Hochfrequenzbereich. Zusätzlich ermöglichen die ausgezeichnete Linearität des Signals und die Phaseneigenschaften im gesamten Frequenzbereich eine hochgenaue Leistungsberechnung und damit eine ebenfalls sehr genaue Bewertung des Wirkungsgrades.
Verlustmessung an Hochfrequenz-Drosseln und -Transformatoren
Sowohl die hohe die Störfestigkeit als auch die Verstärkungs- und Phasengenauigkeit bei höheren Frequenzen machen die Kombination aus dem Hochspannungsteiler VT1005, dem Leistungsanalysator PW8001 und dem Stromsensor CT6904A zur optimalen Lösung zur Messung von Hochspannungsverlusten und zur Bewertung von Hochfrequenz-Drosseln und -Transformatoren.
Diese kommen zum Beispiel bei Wechselrichterantrieben und Stromrichtern zum Einsatz, die unter anderem in integrierten Ladespulen von Elektrofahrzeugen genutzt werden. Mit dieser Kombination können präzise Verlustmessungen auch bei Frequenzen von 300 kHz und mehr vorgenommen werden.
Mit dem zunehmenden Einsatz von SiC- und GaN-Halbleitern werden Hochfrequenz- und Hochspannungsanwendungen weiter an Bedeutung gewinnen. In diesen Anwendungen werden hochpräzise Messlösungen wie der VT1005 in Verbindung mit HIOKI Power Analyzern benötigt, um auch kleinste Effizienz-steigerungen nachweisen zu können.
PW8001
HIOKI PW8001 - Modularer hochpräzisiser 8 Kanal Leistungsanalysator
Hochpräziser modularer Leistungsanalysator, bis zu 8 Kanäle, ±0,03 % Grundgenauigkeit, 15 MHz Abtastrate, 18-Bit A/D-Wandlung, automatische Phasenkorrektur für Hioki-Stromsensoren, 1 ms Datenrate, CMRR 110 dB @ 100 kHz
CT6904A
HIOKI CT6904A - Hochpräziser AC/DC-Stromsensor, 500 A / 4 MHz
Hochpräziser Durchsteckwandler für AC/DC-Ströme, Zero-Flux-Technologie mit Flux-Gate, für Ströme bis 500 A, Frequenzbandbreite von DC bis 4 MHz, CMRR von 120 dB bei 100 kHz, ±5 ppm Linearität, extrem flacher Frequenzgang, 3 m Kabel mit ME15W-Anschluss
VT1005
HIOKI VT1005 - 5000 V AC/DC Spannungsteiler für präzise Leistungsanalysen
Technische Eckdaten:Maximale Eingangsspannung: 5 kVrms Bandbreite: DC bis 4 MHz (-3 dB) Genauigkeit: ±0,08 % (DC), ±0,04 % (50/60 Hz) Amplitudengenauigkeit ±0,1 % bis 200 kHz, Phasengenauigkeit ±0,1° bis 500 kHz Gleichtaktunterdrückung (CMRR): 80 dB bei 100 kHz Besondere Vorteile:Präzise Hochspannungsmessung bis 5 kVrms, ideal für Leistungsanalysen Konstante Amplituden- und Phasengenauigkeit bis 1 MHz Hohe Störunterdrückung mit 80 dB CMRR bei 100 kHz sorgt für stabile Messungen
auch in störbehafteten UmgebungenTypische Anwendungen:Verlustmessugen an Hochspannungstransformatoren, Induktivitäten und
Wickelgütern Wirkungsgradbewertung von SiC-/GaN-basierten Hochspannungswechselrichtern
und -umrichtern Leistungsbewertung von Systemen zur drahtlosen Energieübertragung (WPT) Leistungsanalysen in Bahnantrieben und großtechnischen Industrieenergiesystemen Prüfung und Wirkungsgradverifizierung von Hochspannungs-Solarwechselrichtern Detaillierte Produktübersicht:Der HIOKI VT1005 ist ein präziser AC/DC-Hochspannungsteiler zur Messung von Signalen
bis 5 kVrms. Er skaliert Eingangsspannungen mit einem festen Teilerverhältnis von 1000:1
und gibt das heruntergeregelte Signal über einen BNC-Ausgang aus. Dieses kann direkt an
Leistungsanalysatoren, Speicherrekorder, Oszilloskope oder jedes andere Messsystem mit
BNC-Eingang angeschlossen werden. Der VT1005 erreicht eine hohe Genauigkeit über einen weiten Frequenzbereich: ±0,08 % bei
Gleichspannung und ±0,04 % bei 50/60 Hz. Die Amplitudengenauigkeit beträgt ±0,1 % bis
200 kHz, die Phasengenauigkeit ±0,1° bis 500 kHz. Damit eignet sich das Gerät für präzise Leistungsanalysen auch in schnell schaltenden Systemen mit hohem Oberwellenanteil und
unterstützt Messungen bis 4 MHz (-3 dB). Vorteile gegenüber Differenzialtastköpfen Im Vergleich zu konventionellen Hochspannungs-Differenzialtastköpfen bietet der HIOKI
VT1005 klare Leistungsvorteile. Die meisten Differenzialtastköpfe erreichen nur etwa 2 %
Amplitudengenauigkeit und spezifizieren die Phasengenauigkeit in der Regel gar nicht.
Damit sind sie für präzise Leistungsanalysen ungeeignet, insbesondere in PWM-basierten
Systemen wie Hochspannungs-DC/DC-Wandlern oder Traktionsumrichtern. Der VT1005 ist
für hochgenaue AC/DC-Spannungsmessungen mit klar definierten Amplituden- und
Phasenspezifikationen konzipiert und ist speziell für solche anspruchsvollen Anwendungen
ausgelegt. Passive Architektur für stabile MessergebnisseDie passive Architektur des VT1005 verhindert typische Probleme aktiver
Differenzialtastköpfe wie die Belastung des Prüflings durch den Tastkopf, den thermischen
Drift oder zusätzliches Rauschen durch aktive Schaltungen. So entstehen stabile und
saubere Signale mit hoher Genauigkeit, die auch bei hohen Frequenzen zuverlässig erhalten
bleiben. Dank seiner Genauigkeit, des breiten Frequenzgangs und der hohen Störfestigkeit ist der
VT1005 ein unverzichtbares Werkzeug zur Messung von Verlusten an
Hochspannungstransformatoren und Induktivitäten, zur Wirkungsgradbewertung von SiC-
/GaN-basierter Leistungselektronik sowie zur Qualifizierung von Systemen zur drahtlosen
Energieübertragung (WPT).