Präzise Leistungsmessung bei hoher Spannung

Roy Hali · 16.12.2024

Leistungselektronik · 4 Min. Lesedauer

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.

Präzise Leistungsmessung bei hoher Spannung

Roy Hali

Senior Application Engineer, HIOKI Europe

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.

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.

CT7822

CT7822 - AC/DC-Stromzange

Hauptattribute: Hohe Genauigkeit ±0,3 %Messbarer Strom bis 20 A Ultrakleine Zange mit Schiebe-Verschlussmechanismus Großer Temperaturbereich -40 bis 85°C Bandbreite von DC bis 5 kHz mit Datenlogger LR8450 USPs: Einfache Installation, auch bei engen Platzverhältnissen Genaue Messung von kleinsten Strömen Ermöglicht stabile Messungen von Alaska bis zur Sahara Applikationen: Entwicklungs- und Analysewerkzeug zur Verbesserung der Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen (EV) Verbrauchsüberwachung von EV-Schaltkreisen mit geringem Stromverbrauch wie Motorsteuergeräte (ECUs), Innenbeleuchtung usw. Optimierung des Gesamtenergieverbrauchs von Stromkreisen mit geringer Leistung in EVs, um die Reichweite zu erhöhen Optimierung des Gesamtenergieverbrauchs von Stromkreisen mit geringer Leistung in elektrischen Baufahrzeugen oder landwirtschaftlichen Fahrzeugen, um die Zeit zwischen den Ladevorgängen zu verlängern Im Detail:Die ultrakompakte Stromzange CT7822 mit ihrem Schiebe-Verschlussmechanismus ist eine der kleinsten hochpräzisen Zangen auf dem Markt. Die berührungslose Messung von Strömen bis 20 A AC/DC ist selbst auf engstem Raum mit einer Genauigkeit von ±0,3 % und einer beeindruckenden Auflösung von 1 mA (Messbereich 2 A) möglich. Sie bietet Entwicklungsingenieuren von EVs, Elektro-LKWs, Bussen, Bau und Landwirtschaftsfahrzeugen die Möglichkeit, den Energieverbrauch selbst unter extremsten Temperaturbedingungen genau zu überwachen. Exklusiv für die Verwendung mit der Datenlogger-Serie LR8450 konzipiert, können bis zu 55 Stromsignale gleichzeitig auf einem Gerät mit einer Bandbreite von bis zu 5 kHz aufgezeichnet werden. Die Anwendungen reichen von der Bereitstellung eines detaillierten Einblicks in den Energieverbrauch eines zu prüfenden Fahrzeugs bis hin zu anderen komplexen elektrischen Systemen. Die CT7822 mit ihrem PL14-Anschluss kann mit dem Datenlogger LR8450 entweder in Kombination mit dem Strommodul U8556 oder alternativ mit dem drahtlosen Strommodul LR8536 verwendet werden (erfordert LR8450-01).

1.268,00 €*

CT6904A

CT6904A - Hochpräziser AC/DC-Stromsensor, 500 A / 4 MHz

Hauptattribute: AC/DC-Ströme bis 500 A Frequenzbandbreite: DC bis 4 MHz (Amplitude), DC bis 1 MHz (Phase) Grundgenauigkeit 0,027 % Gleichtaktunterdrückung (CMRR) von 120 dB bei 100 kHz Ausgangssignal: 4 mV/A USPs: Unterstützt Phasenverschiebungskorrektur bei Verwendung mit HIOKI Leistungsanalysatoren Applikationen: Prüfung und Analyse von Elektromotoren (EV) in Wechselrichtern Messung von Verlusten in Induktivitäten und Transformatoren Bewertung von drahtlosen Ladesystemen Messung des Stromverbrauchs in erneuerbaren Energiesystemen Im Detail:Der HIOKI CT6904A AC/DC-Durchsteckwandler ermöglicht hochpräzise Strommessungen bis 500 A und deckt dabei eine große Bandbreite von DC bis 4 MHz ab. Der CT6904A basiert auf dem Zero-Flux-Messprinzip mit Flux-Gate-Technologie und erreicht eine außergewöhnliche Linearität von ±5 ppm sowie ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von 120 dB bei 100 kHz. Dies gewährleistet präzise und zuverlässige Messergebnisse selbst in störbehafteten Umgebungen. Der CT6904A kann direkt mit HIOKI-Leistungsanalysatoren und -Speicherrekordern verwendet werden, die den Sensor über den ME15W-Anschluss mit Strom versorgen. In Kombination mit einem HIOKI-Sensor-Netzteil (CT9555, CT9556 oder CT9557) kann er auch mit Oszilloskopen oder anderen DAQ-Systemen verwendet werden und bietet dabei ein Ausgangssignal von 4 mV/A. Seine robuste Konstruktion, ein Kerndurchmesser von 32 mm (1,26 Zoll), eine Kabellänge von 3 Metern und die Messkategorie 1000 V CAT III ermöglichen eine flexible Installation und einen sicheren Betrieb in entsprechenden Umgebungen. Der CT6904A überzeugt durch eine herausragende Messgenauigkeit und ist damit ideal für Anwendungen, bei denen Präzision entscheidend ist. Bei Gleichstrommessungen erreicht er eine Grundgenauigkeit von ±0,025 % vom Messwert zuzüglich ±0,007 % vom Endwert (full scale). Für Wechselstrommessungen beträgt die Grundgenauigkeit ±0,02 % vom Messwert plus ±0,007 % full scale. Zusammen mit seiner großen Bandbreite liefert der CT6904A zuverlässige Ergebnisse über einen weiten Frequenzbereich hinweg – von niedrigen bis hin zu hohen Frequenzen. Ein weiterer Vorteil des CT6904A ist seine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Im Gegensatz zu vielen anderen Stromsensoren auf dem Markt minimiert er den Einfluss der Leiterposition, der insbesondere bei höheren Frequenzen typischerweise zunimmt. Durch die effektive Reduzierung dieses Effekts liefert der CT6904A stabile und zuverlässige Messergebnisse – eine entscheidende Eigenschaft, insbesondere bei der Analyse von Verlusten mehrerer Induktivitäten oder Transformatoren. Darüber hinaus unterstützt der CT6904A die Phasenverschiebungskorrektur von HIOKILeistungsanalysatoren, einschließlich der automatischen Phasenverschiebungskorrektur des PW8001-Leistungsanalysators. Diese Funktionen gewährleisten präzise Leistungsanalysen in dynamischen Hochfrequenzanwendungen und machen den Sensor ideal für die Bewertung von Verlusten in HF-Spulen und -transformatoren, drahtlosen Ladesystemen sowie EV-Wechselrichtermotoren