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  6. Phase Shift Correction: It takes two to tango

Phase Shift Correction: It takes two to tango

Roy Hali · 13.11.2024
Leistungselektronik · 4 Min. Lesedauer

Phase shift correction in power analysis is like dancing a tango: it takes two – the power analyzer supporting the function as well as a suitable sensor with a known phase delay. If one of them is missing… well… just imagine that tango…

Phase Shift Correction: It takes two to tango
Roy Hali
Senior Application Engineer, HIOKI Europe
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Using shunts to measure currents in power analysis might be an option for small currents, but when you look at measuring currents above 30A then typically current sensors come into play. 

However, every current sensor in the world produces a gradually increasing phase error in the high-frequency region due to group delays of the circuitry. Additionally, differences in the design of various sensor models cause the magnitude of this error to vary. A phase shift correction function allows to compensate this error. To make such a phase shift correction function work properly you need two things:

  • A power analyzer making the correct calculations in its software
  • A current sensor with a known phase shift

A good way to explain the calculations in the power analyzer software is by comparing it to the “deskew” function of an oscilloscope: If two different signals arrive at the oscilloscope at different times due to latencies then the “deskew” function lets you align those signals by compensating the latency with a fixed time value.

Figure 1: HIOKI PW8001 Power Analyzer.

When you connect a HIOKI Current sensor of the CT68xxA series to HIOKI’s PW8001 Power Analyzer the phase shift will be corrected automatically, which is basically the same concept because phase shift is essentially a time delay between current and voltage. As an example, here is how this delay looks for a HIOKI CT68xxA series current sensor. 

The time delay is shown in nanoseconds against the frequency:

Figure 2: Time delay of HIOKI CT68xxA sensors.

100ns delay at 100Hz doesn’t have the same impact as 100ns delay at 1MHz. This becomes clear when translating the above time delay into phase delay values described in degrees:

Figure 3: Phase delay vs frequency.

To make things as straight forward as above of course you need a current sensor where the time delay is the same regardless of the frequency. This is the case with HIOKI current sensors of the CT68xxA series. So, like with the deskew function you only need to connect the current sensor to the PW8001 Power Analyzer and the phase error will be compensated automatically. 

This is one of the aspects that makes HIOKI sensors unique – compared to other current sensors currently available on the market, for which the time delay over the frequency band would look like this:

Figure 4: Typical sensors compared to HIOKI CT68xxA series.

A sensor where the time delay values are different depending on the frequency will make the phase shift compensation in a power analyzer much more difficult. Because which value do you use as your “deskew” parameter?

Figure 5: HIOKI current sensors.

Another thing that makes HIOKI current sensors unique is that for the phase delay it is not relevant where your wire core is located within the sensor when you make the measurement:

Figure 6: HIOKI CT68xxA's phase delay and wire core position.

The reason why you can only see one single line in the chart is because the phase delay curves for all five measurement positions are the same. Again, this is not a standard feature for current sensors on the market. Typically, the position of the wire core within the sensor does make a difference as you can see in the below graph:

Figure 7: Typical sensor's phase delay and wire position.

As you can see there is no phase shift compensation without a power analyzer to support the feature. But as you can also see, only the combination of power analyzer and suitable current sensor allows you to perform a proper phase shift compensation in your measurements. 

HIOKI has been concentrating on making sensors for power measurement for many years so time delay characteristics have always been a focus point for HIOKI’s engineers. At the same time sensors from other manufacturers are typically only designed for accurate (DC) current sensing where phase delay characteristics are less important.

Figure 8: Power Analysis - it takes two....

Therefore, HIOKI power analyzers together with HIOKI current sensors are the perfect combination for your wide-band power analysis applications from DC to high frequency. Because like with a tango it takes two. 

Do you want to know more about current sensors – read our article “Current Sensors: How much is the drift?“.

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.
CT6875A - AC/DC Stromsensor CT6875A - AC/DC Stromsensor
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

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CT6845A - AC/DC-Präzisions-Stromzange, 500 A / 200 kHz CT6845A - AC/DC-Präzisions-Stromzange, 500 A / 200 kHz
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CT6845A - AC/DC-Präzisions-Stromzange, 500 A / 200 kHz
AC/DC-Stromzange mit Fluxgate-Technologie, 500 A Nennstrom, Grundgenauigkeit ±0,2% v. Mw., großer Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C, Bandbreite von DC bis 200 kHz, maximaler Leiterdurchmesser 50 mm, Kabellänge 3 m.

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CT6876A - AC/DC Stromsensor
Der CT6876 AC/DC Stromsensor wurde für präzise Strommessungen entwickelt und bietet einen Frequenzbereich von DC bis 1,5 MHz. Mit einem Nennstrom von 1000 A eignet er sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der Industrie, wie zum Beispiel Wechselrichtermotoren, Elektrofahrzeuge und Leistungselektronik. Der Sensor bietet eine hervorragende Rauschfestigkeit und hohe Präzision, was ihn zur besten Wahl für Hochstrom- und Hochgeschwindigkeitsmessungen macht. In Kombination mit Hioki Power Analyzern sorgt er für genaue Messungen der Leistungsumwandlungseffizienz, insbesondere in Hochfrequenzumgebungen. Technische Details: Modell: CT6876Nennstrom: 1000 A Frequenzbandbreite: DC bis 1,5 MHz Grundgenauigkeit: Amplitude: ±0,04% v.E. ±0,008% v.E. Phase: ±0,1° 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 höher Ausgangsanschluss: ME15W

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AC/DC-Stromzange mit Fluxgate-Technologie, 200 A Nennstrom, Grundgenauigkeit ±0,2% v. Mw., großer Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C, große Bandbreite von DC bis 700 kHz, maximaler Leiterdurchmesser 20 mm, Kabellänge 3 m.

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