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  6. Wohin verschwindet die Leistung?
  1. Harmonische Leistung präzise messen
  2. Stromsensoren und Leistungsanalysator – Eine abgestimmte Lösung
  3. Verlustquellen exakt bestimmen – über den gesamten Frequenzbereich
  4. Der Leistung auf der Spur: Sensoren & Analysator aus einer Hand

Wohin verschwindet die Leistung?

Kai Scharrmann, Roy Hali, Ryuji Nishizawa · 03.06.2025
Leistungselektronik · 4 Min. Lesedauer

Energieeffizienz ist entscheidend für eine emissionsarme oder sogar klimaneutrale Zukunft. Sie spielt eine zentrale Rolle beispielsweise bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen oder bei der Reduzierung des Energieverbrauchs in Rechenzentren, insbesondere durch energie-hungrige KI-Anwendungen. Um den steigenden Energiebedarf nachhaltig zu decken, ist es essenziell, Energieverluste gezielt zu identifizieren und zu reduzieren – sei es in Umrichtern, Motoren oder digitalen Infrastrukturen.

Wohin verschwindet die Leistung?
Kai Scharrmann, Roy Hali, Ryuji Nishizawa
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Wirkleistung ist der Anteil der elektrischen Leistung, der tatsächlich für nützliche Arbeit verwendet wird – etwa zum Antrieb von Motoren, zum Betrieb von Maschinen oder zur Versorgung elektronischer Geräte. Der Großteil dieser nutzbaren Leistung wird von der Grundschwingung des Stroms bzw. der Spannung getragen. Oberschwingungen (harmonics) hingegen tragen in der Regel nicht direkt zur Arbeit bei, sondern verursachen Verluste – zum Beispiel in Form von Wärme, Störgeräuschen (noise) oder unerwünschten Vibrationen.

Für Ingenieure ist es daher von zentraler Bedeutung, Oberschwingungen zu minimieren, um Energieverluste zu reduzieren.

Harmonische Leistung präzise messen

Ein Leistungsanalysator berechnet den Wirkungsgrad eines elektrischen Systems, etwa eines Motors oder Transformators, indem er sowohl die Grundschwingung als auch die Oberschwingungen der elektrischen Leistung erfasst. Besonders bei hohen Frequenzen und hohen Strömen ist das jedoch eine Herausforderung, denn für große Ströme werden Stromsensoren benötigt. Diese Sensoren müssen nicht nur über den gesamten Frequenzbereich hinweg präzise arbeiten – der Leistungsanalysator muss auch die Phasenverschiebung des Sensors kennen, um eine korrekte Leistungsberechnung durchführen zu können. Erschwerend kommt hinzu: Die Phasenverschiebung eines Stromsensors ist frequenzabhängig. Ohne eine auf allen Frequenzen konsistente Zeitverzögerung im Sensor sind exakte Leistungsanalysen kaum möglich – selbst mit dem besten Analysator.

Bild 1: Wirkleistung und deren Oberschwingungen über den Frequenzbereich

Stromsensoren und Leistungsanalysator – Eine abgestimmte Lösung

Was passiert, wenn die Kombination aus Leistungsanalysator Stromsensor nicht für hochfrequente Messungen optimiert ist? Beim Messen des Wirkungsgrads eines Wechselrichters mit SiC-Halbleitern und einer Trägerfrequenz von 50 kHz oder höher kann es vorkommen, dass das Messergebnis einen zu hohen Wirkungsgrad aufzeigt: In manchen Fällen sogar über 100 %. Ein solches Ergebnis ist ein offensichtliches Warnsignal für einen Messfehler. Problematischer ist es, wenn der Leistungsanalysator 96 % Wirkungsgrad anzeigt, obwohl der reale Wert nur 94 % beträgt – oder er zeigt 96 % bei einem realen Wirkungsgrad von 98 % an. Eine solche Abweichung wäre nicht sofort als Fehler erkennbar. Wie kann man also sicher sein, dass das Messergebnis korrekt ist? Man kann sich nicht nur auf die spezifizierte Genauigkeit des Leistungsanalysators zu verlassen – auch der Einfluss der Stromsensoren muss mitberücksichtigt werden.

Betrachten wir ein Beispiel aus der Motorentechnik: In einem Motor werden Oberschwingungen der Grundfrequenz in Störsignale (Noise) und Vibrationen umgewandelt – diese Verluste können oft bereits ohne direkte Leistungsanalyse wahrgenommen werden. Doch hochfrequente harmonische Leistung wird hauptsächlich in Wärme umgewandelt. Die Messung dieser hochfrequenten Leistungsverluste ist schwierig, da Motoren ein induktives Verhalten aufweisen. Bei hohen Frequenzen nähert sich der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom an 90°. Da die Wirkleistung nach der Formel Leistung = Spannung × Strom × cos(θ) berechnet wird, führt jede ungenaue Phasenkompensation dazu, dass der Phasenwinkel über 90° hinaus verschoben wird. Das Ergebnis: Der Leistungsverlust erscheint als falscher Leistungsgewinn – eine gravierende Fehlmessung!

Der Grund für diese fehlerhafte Messung ist ein nicht kompensierter Phasenfehler des Stromsensors. Solche Phasenfehler verzerren die Messung und können zu fehlerhaften Aussagen über den Energieverlust eines Systems führen. Doch es gibt eine Lösung für dieses Problem: Mit einer optimal abgestimmten Kombination aus Leistungsanalysator und Stromsensor lassen sich Phasenfehler korrekt kompensieren, sodass exakte Leistungsmessungen auch bei hohen Strömen und Frequenzen möglich sind. Dadurch kann genau bestimmt werden, wie viel Leistung im System verloren geht. Die nächste entscheidende Frage ist dann: Wo genau treten diese Energieverluste auf, und wie kommt man ihnen auf die Spur?

Verlustquellen exakt bestimmen – über den gesamten Frequenzbereich

Leistungsanalysatoren bieten verschiedene Analysemethoden, um festzustellen, bei welchen Frequenzen Leistungsverluste auftreten. Eine klassische Vorgehensweise ist die Oberschwingungsanalyse oder Harmonische Analyse, die sich auf die Grundfrequenz des Motors als Basis bezieht. Da Motordrehzahlen bzw. deren Grundfrequenzen in der Regel niedrig sind, ist die Harmonische-Analyse meist auf Frequenzen unterhalb von 100 kHz begrenzt. Zum Vergleich: Bei einer Grundfrequenz von 50 Hz liegt die 2000. Harmonische bereits bei 100 kHz – und genau dort endet bei den meisten Geräten die praktische Grenze für eine harmonische Leistungsanalyse.

Für eine umfassendere Analyse der Leistungsverluste über das gesamte relevante Frequenzspektrum ist daher eine weitreichendere Methode erforderlich: die Power Spectrum Analysis (PSA). Im Gegensatz zur herkömmlichen Oberschwingungsanalyse, die sich nur auf die Grundfrequenz und deren Harmonische konzentriert, nutzt PSA die Fast Fourier Transformation (FFT) und ist nicht von der Grundfrequenz des Motors abhängig. Dadurch ermöglicht PSA eine detaillierte Analyse über den gesamten Frequenzbereich des Leistungsanalysators – im Fall des HIOKI PW8001 sogar bis zu 6 MHz. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Identifikation von Leistungsverlusten, die mit herkömmlichen Methoden möglicherweise unentdeckt bleiben.

Bild 2: Power Spectrum Analysis (PSA) ermöglicht Leistungsverluste über den Frequenzbereich zu erkennen

Um die Analyse mit PSA-Funktion (Power Spectrum Analysis) effektiv einzusetzen, müssen zwei Dinge gewährleistet sein:

1. Der Phasenfehler der Stromsensoren muss durch den Analysator präzise kompensiert werden.

2. Die Stromsensoren müssen eine konstante Amplitudencharakteristik über den gesamten Frequenzbereich aufweisen.

Sind beide Bedingungen erfüllt, lassen sich Leistungsverluste präzise über alle relevanten Frequenzen hinweg erfassen.

Bild 3: Leistungsanalysator und Stromsensoren von HIOKI – entwickelt aus einer Hand

Der Leistung auf der Spur: Leistungsanalysator und Stromsensoren aus einer Hand

Da HIOKI sowohl Leistungsanalysatoren als auch Stromsensoren selbst entwickelt und fertigt, sind beide Komponenten optimal auf hochfrequente Leistungsmessungen abgestimmt. Die daraus resultierende hohe Messgenauigkeit ermöglicht es, Leistungsverluste präzise zu ermitteln und genau nachzuvollziehen, wo die Energie verloren geht – ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der Energieeffizienz in Motoren, Wechselrichtern und anderen leistungselektronischen Anwendungen.

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PW8001 - Hochpräziser Leistungsanalysator PW8001 - Hochpräziser Leistungsanalysator
PW8001
PW8001 - Hochpräziser Leistungsanalysator
Hochpräziser Leistungsanalysator zur Analyse der Effizienz von Invertern und Wechselrichtern mit einer Grundgenauigkeit von ±0,03%, einer Abtastrate von 15 MHz, 18-Bit-AD-Wandlern, einer automatischen Phasenverschiebungskorrektur für HIOKI-Stromsensoren, einer Datenaktualisierungsrate von 1 ms und einer erstklassigen Rauschunterdrückung von 110 dB @ 100 kHz.Technische Details:Grundgenauigkeit der Leistung: ±0,03%8 Leistungskanäle kombinierbar mit MotoranalyseErstklassige Rauschunterdrückung von 110 dB @ 100 kHz5 MHz Messfrequenzbereich für LeistungStabile und präzise Messung bei einer Datenaktualisierungsrate von 1 msFunktionen:8 Leistungskanäle in Kombination mit Motoranalyse zur Analyse von Antriebssystemen mit zwei MotorenEinzigartiger Leistungsbereich mit hochgenauen HIOKI-Stromsensoren von 2 A bis 2 kAPlug & Play-Konnektivität mit HIOKI-StromsensorenAutomatische Phasenverschiebungskorrektur gewährleistet exakte Leistungsmessungen bei hohen FrequenzenVisualisierung von Hochfrequenzverlusten dank Leistungsspektrumanalyse Anwendungen:Tests von hocheffizienten Invertern und Wechselrichtern in Entwicklung und ProduktionVerlustmessung von Transformatoren und anderen induktiven Komponenten unter Last Motoreffizienzmessung Im Detail: Der HIOKI PW8001 Leistungsanalysator wurde für anspruchsvolle Messaufgaben in der Leistungsanalyse entwickelt, um präzise Ergebnisse bei Effizienzmessungen hochgenauer elektrischer Geräte und Systeme zu liefern. Der PW8001 verfügt über 8 Steckplätze für Leistungsmodule, die alle in Kombination mit der Motoranalysefunktion verwendet werden können. Für die Konfiguration des PW8001 stehen zwei Arten von Leistungsmodulen zur Verfügung, die je nach Anwendungsanforderungen frei in einem Gerät kombiniert werden können. Das U7005 Hochfrequenz-Leistungsmodul bietet höchste Präzision mit einer Grundgenauigkeit von ±0,03%, einer Abtastrate von 15 MHz mit 18-Bit A/D-Wandlern und einer maximalen Eingangsspannung von 1000 V AC. Das Modul ist besonders für Anwendungen wie Effizienzmessungen von SiC- und GaN-basierten Wechselrichtern, Motorantrieben und präzisen Verlustmessungen von Induktivitäten unter Last geeignet. Dank der hervorragenden Rauschunterdrückung von 110 dB bei 100 kHz werden auch bei Messungen in der Nähe von in Hochfrequenz schaltenden Leistungshalbleitern stabile und genaue Ergebnisse erzielt. Für Hochspannungsanwendungen bietet das U7001-Leistungsmodul eine Grundgenauigkeit von ±0,07%, eine maximale Eingangsspannung von 1500 V DC, eine Abtastrate von 2,5 MHz mit 16-Bit A/D-Wandlern und ein maximales Potential gegen Erde von 1500 V DC CAT II. Dieses Modul ist für Anwendungen geeignet, die weniger Bandbreite erfordern, wie z.B. Effizienztests von industriellen Motorantrieben mit IGBTs oder Windturbinen und PV-Invertern. In Kombination mit HIOKIs umfangreichem Sortiment an hochgenauen und breitbandigen Stromsensoren, Stromzangen sowie Strommessboxen für den Direktanschluss bietet der PW8001 eine einzigartige und umfassende Lösung für die zuverlässige Messung von Anwendungen, die von kleinsten elektronischen Geräten bis hin zu großen Stromsystemen reichen. Der PW8001 Leistungsanalysator und die dazu gehörenden Stromsensoren werden von HIOKI entwickelt und produziert, was eine automatische Phasenverschiebungskorrektur ermöglicht. Diese gewährleistet eine äußerst genaue Messung des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom, selbst bei hohen Frequenzen und niedrigen Leistungsfaktoren. Der PW8001 bietet die einzigartige Funktion der Leistungsspektrumanalyse. Während die traditionelle FFT-Funktion die Harmonischen auf der Grundlage der Grundfrequenz bestimmt und den Frequenzbereich damit stark einschränkt, deckt diese neue Funktion das gesamte Frequenzspektrum des Analysators ab. Die Leistungsspektrumanalyse liefert schnelle Einblicke zur Verlustleistung im hochfrequenten Bereich und stellt Entwicklern wertvolle Daten für die weitere Verbesserung der Systemeffizienz zur Verfügung. Weitere Funktionen wie die Breitband-Oberschwingungsanalyse und die Motoranalyse gewährleisten präzise und zuverlässige Ergebnisse bei der Analyse einer Vielzahl von Anwendungen in der Leistungselektronik, wie z. B. die Entwicklung hocheffizienter Inverter, elektrischer Antriebsstränge und Elektromotoren. Die kleinste Aktualisierungsrate von nur 1 ms erlaubt eine präzise Erkennung und Analyse schneller Leistungsschwankungen, wie sie beispielsweise beim Laden oder Entladen von Batterien in Elektrofahrzeugen auftreten. Datenaktualisierungen auch in dieser höchsten Geschwindigkeit beeinträchtigen dabei nicht die Messgenauigkeit.Eine optische Verbindung ermöglicht die Synchronisation von zwei PW8001 Leistungsanalysatoren, um die maximale Anzahl der Messkanäle auf 16 zu erhöhen. Diese synchronisierte Leistungs- und Effizienzmessung vereinfacht die Messkonfiguration und eliminiert Zeitunterschiede bei der Datenerfassung, da die Abtastung aller Eingänge zeitgleich erfolgt.
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CT6877A - AC/DC-Stromsensor
Die Durchgangs-AC/DC-Stromsensoren von Hioki sind erstklassige Geräte für den Einsatz mit Leistungsmessern, Speicherekorder und Hochleistungsoszilloskopen.
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CT6875A
CT6875A - AC/DC Stromsensor
Der CT6875 AC/DC Stromsensor ist für präzise Strommessungen über einen breiten Frequenzbereich ausgelegt, von DC bis 2 MHz. Mit einem Nennstrom von 500 A eignet sich der Sensor ideal für F&E, Qualitätsbewertungen, Fertigung und Wartung in Branchen wie drahtlose Ladesysteme, Wechselrichtermotoren, PV-Stromrichter und Schnellladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge. In Kombination mit dem Power Analyzer PW8001 ermöglicht der Sensor präzise Messungen von Hochfrequenz- und Niedrigleistungsfaktoren. Technische Details: Nennstrom: 500 A Frequenzbandbreite: DC bis 2 MHz Grundgenauigkeit: Amplitude: ±0,04 % v.E. ±0,008 % v.E., Phase: ±0,08° Maximaler Leiterdurchmesser: 36 mm Maximale Nennspannung gegen Erde: 1000 V CAT III Betriebstemperatur: -40°C bis 85°C Anforderung an den Eingangswiderstand: 1 MΩ oder höherAusgangsanschluss: ME15W Kabellänge: 3m

1.698,00 €*
CT6904A - Hochpräziser AC/DC-Stromsensor, 500 A / 4 MHz CT6904A - Hochpräziser AC/DC-Stromsensor, 500 A / 4 MHz
CT6904A
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, 3 m Kabellänge mit ME15W-Anschluss
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