Präzise Leistungsmessung bei hoher Spannung
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 Strom-netzes 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).
Bild 1: Das Gleichtaktrauschen wird mithilfe des Differenzeinganges unterdrückt.
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).
Bild 2: Ringing-Effekt-Die Wellenform der Ausgangsspannung eines Wechselrichters mit SiC Halbleitern bei einer Trägerfrequenz von 50 kHz.
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.
Bild 3: Verstärkung und Phasendrift des Hochspannungsteilers VT1005 (durchgezogene Linien) und des Geräts eines Mitbewerbers (punktierte Linie).
Bild 4: Stabile Phaseneigenschaften des VT1005: nach der Phasenkorrektur mittels HIOKI Power Analyzer (gelb) im Vergleich zu vorher (rot). Stabile Verstärkung (blau) bis 1 MHz.
Bild 5: Bei WPT werden Spulen zur Leistungsübertragung verwendet, was zu einem geringen Leistungsfaktor führt.
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 (s. Bild 4).
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.
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.
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.
Bild 6: Hochfrequenz- und Spannungstransformator in einem Stromrichter auf SiC-Basis.
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.
