Vermogensanalyse voor hoogfrequente toepassingen
Het toenemende gebruik van SiC- en GaN-halfgeleiders in vermogenselektronica leidt tot hogere schakelfrequenties. Hierdoor kunnen kleinere en lichtere spoelen worden gebruikt in vermogensomvormers. Dit vormt ook een grote uitdaging voor de meettechnologie, die moet worden verbeterd om de efficiëntie te verhogen. Conventionele vermogensanalysatoren leveren inconsistente en zelfs onjuiste meetresultaten op bij het analyseren van spoelverliezen bij hoge schakelfrequenties. De sleutel tot het eenvoudig verkrijgen van nauwkeurige en herhaalbare resultaten is automatische faseverschuivingscorrectie. HIOKI maakt dit mogelijk door de vermogensanalysator perfect te synchroniseren met onze stroomsensoren en hoogspanningsverdelers.
Hogere frequenties – kleinere omvormers
Steeds hogere schakelfrequenties zijn een algemene trend in veel takken van de elektrotechniek. Halfgeleidertransformatoren maken bijvoorbeeld onze elektriciteitsnetten flexibeler en robuuster. Ze stabiliseren de netten wanneer deze zwaar worden belast door de gedecentraliseerde teruglevering van hernieuwbare energiebronnen, of wanneer elektrische auto’s tijdens piekuren allemaal tegelijk worden opgeladen. Deze transformatoren, ook wel ‘Solid State Transformers’ (SST) genoemd, zijn veel kleiner en lichter dan conventionele vermogenstransformatoren omdat ze werken bij frequenties boven de 10 kHz.
Hoe lager het vermogensverlies, hoe hoger de energie-efficiëntie
Met name op het gebied van elektromobiliteit spelen ultrasnelle omvormers op basis van SiC- en GaN-halfgeleiders inmiddels een leidende rol, omdat ze dankzij hun hoge werkfrequenties veel kleiner en lichter kunnen worden gebouwd. Ze zijn onmisbaar voor het omzetten van de 11 kW-laadspanning van wisselstroom naar gelijkstroom voor de accu, voor het omzetten naar driefasige wisselstroom voor de elektromotor, of voor het omzetten naar 12 V of 24 V voor hulpcircuits. Spoelen spelen bij al deze omzettingen een centrale rol. Het spreekt voor zich dat hoe lager het vermogensverlies in alle gebruikte spoelen is, hoe groter de algehele energie-efficiëntie – en bij elektrische voertuigen vertaalt zich dit direct in aanzienlijk grotere actieradiussen.
De meting van het verlies in twee spoelen met een vermogensanalysator
Om de verliezen in spoelen te bepalen, wordt de zogenaamde “verliesmeting met twee spoelen” gebruikt. Met deze methode kunnen zowel het totale verlies van de spoel als het kernverlies of spoelverlies worden bepaald. In de primaire spoel (N1) worden zowel de stroom als de spanning gemeten, terwijl in de secundaire spoel (N2) alleen de spanning wordt gemeten. Figuur 3 toont een vereenvoudigde meetopstelling met de PW8001-vermogensanalysator in combinatie met een CT6904-stroomsensor en een VT1005-hoogspanningsdeler. De gemeten waarden voor spanningen, stroom, fasehoek enz. vormen de basis voor de berekening van de respectieve verliezen in de spoelen. Deze berekeningen worden uitgevoerd met behulp van de door de gebruiker gedefinieerde berekeningsfuncties (UDF’s). Het koperverlies wordt berekend door het spoelverlies af te trekken van het totale verlies.
Nauwkeurige meting van spoelverliezen
Het is een hele uitdaging om het verlies van een spoel nauwkeurig te meten. Om bruikbare resultaten te garanderen, wordt aanbevolen om de verliezen onder werkelijke bedrijfsomstandigheden te meten; voor WPT betekent dit bij stromen tot 500 A en een spanning aan de ontvangstspoel van 3 kV. Het gebruik van een hoogspanningsdeler is noodzakelijk om deze hoge spanningen te kunnen verwerken. De vermogensfactor van de spoelen is extreem laag. Door deze eigenschap is de invloed van de fasefout op het meetresultaat extreem groot, zoals te zien is in figuur 4 hieronder.
Elektrische auto’s worden binnenkort draadloos opgeladen
Een belangrijke toepassing van verliesmeting met twee spoelen is draadloze energieoverdracht (WPT). Naar verwachting zullen de accu's van elektrische voertuigen binnenkort draadloos worden opgeladen, net als elektrische tandenborstels of mobiele telefoons, via oplaadapparatuur die onder parkeerplaatsen of zelfs in het wegdek is geïnstalleerd.
Dankzij nauwkeurige metingen van parameters zoals spanning, stroom, vermogensfactor en harmonische vervorming kunnen ingenieurs de prestaties van zend- en ontvangstspoelen in een WPT-systeem beter begrijpen, waardoor een efficiënte en betrouwbare energieoverdracht wordt gewaarborgd. Een nauwkeurige, snelle beoordeling van het ingangs- en uitgangsvermogen en van de verliezen tijdens contactloze overdracht verhoogt de systeemprestaties en versnelt het ontwikkelingsproces.
De oplossing: nauwkeurige meting van spoelverliezen in enkele seconden
Tot nu toe lag de focus van ontwikkelingsingenieurs bij het ontwerp van WPT op het minimaliseren van de schakel- en geleidingsverliezen van de halfgeleiders in het systeem. Om de efficiëntie van het systeem nog verder te verhogen, is het ook belangrijk om de optimale spoelen in het systeem te gebruiken. Het is daarom belangrijk om de spoelverliezen onder bedrijfsomstandigheden te analyseren. Een veelgebruikte methode om spoelverliezen te meten is de calorimeter. Deze methode is nauwkeurig, maar heeft één groot nadeel: de test kan tot een half uur duren.
Als alternatief kan een vermogensanalysator worden gebruikt om spoelverliezen in slechts enkele seconden te bepalen. Maar dit is makkelijker gezegd dan gedaan, aangezien het een uitdagende meting is. Hieronder is het elektrische basisschema van een EV WPT-systeem weergegeven, waarbij de systeemspoelen rood zijn omcirkeld (figuur 6). Met behulp van de PW8001-vermogensanalysator in combinatie met HIOKI-stroomsensoren en spanningsdelers kunnen de algehele systeemefficiëntie en de spoelverliezen nauwkeurig worden bepaald dankzij verschillende unieke functies.
Boven 10 kHz leveren conventionele vermogensanalysatoren onnauwkeurige meetresultaten op
De testresultaten van traditionele vermogensanalysatoren met een interne shuntweerstand worden onbetrouwbaar voor het meten van spoelverliezen boven de drempelwaarde van 10 kHz. Fasefouten hebben een minimale invloed tot schakelfrequenties van ongeveer 10 kHz. Boven deze drempel leveren veel vermogensanalysatoren echter onnauwkeurige verliesresultaten op vanwege een onnauwkeurige bepaling van de fasehoek tussen de spanning en de stroom. Voor metingen bij hogere stroomsterktes maken ze bovendien gebruik van stroomsensoren van derden die nooit specifiek zijn ontworpen voor het meten van spoelverliezen, wat de slechte nauwkeurigheid en herhaalbaarheid nog verder verergert.
Om deze uitdaging bij hoge frequenties het hoofd te bieden, compenseert de PW8001-vermogensanalysator de bekende fasefout van HIOKI-stroomsensoren en van de VT1005-spanningsdeler (zie afb. 6). Voor stroomsensoren wordt deze compensatie van de fasefout zelfs automatisch uitgevoerd door de PW8001 wanneer deze wordt gebruikt in combinatie met de bijbehorende HIOKI-sensoren – deze unieke functie noemen we ‘Automatic Phase Shift Correction’.
Uniek: automatische faseverschuivingscorrectie minimaliseert fouten
Om meetfouten in het faseverschil bij hoge schakelfrequenties te corrigeren, heeft HIOKI een bijzonder effectieve faseverschuivingscorrectie ontwikkeld voor de PW8001-vermogensanalysator. Er moet aan twee voorwaarden worden voldaan om dit betrouwbaar te laten functioneren:
- een vermogensanalysator die de fasecorrectie correct uitvoert,
- een nulflux-stroomsensor met een bekende tijdvertraging.
De faseverschuivingscorrectie is vergelijkbaar met de bekende deskew-functie in oscilloscopen: als twee verschillende signalen met een tijdsverschuiving als gevolg van latentie bij de oscilloscoop aankomen, elimineert de deskew-functie de signaalverschuiving door de latentie te compenseren met een vaste tijdswaarde. De fasefout hangt rechtstreeks samen met de tijdvertraging van de stroomsensor. Voor een stroomsensor uit de CT68xxA-serie van HIOKI wordt de vertraging bijvoorbeeld weergegeven in figuur 8. Hierin is de tijdvertraging in nanoseconden te zien, afhankelijk van de frequentie.
Belangrijk om te weten: een vertraging van 100 ns bij 100 Hz heeft niet hetzelfde effect als een vertraging van 100 ns bij 1 MHz. Dit wordt duidelijk wanneer de tijdvertraging wordt omgerekend naar de fasefout in graden, zoals weergegeven in figuur 8.
De ideale weg naar maximale precisie
HIOKI heeft zijn stroomsensoren met nulflux samen met zijn vermogensanalysatoren ontwikkeld en daar is een goede reden voor: het is de oplossing voor precisie en betrouwbaarheid. Om fasevertraging efficiënt te compenseren, moet de tijdvertraging van de stroomsensor constant blijven, ongeacht de frequentie. Bovendien worden de belangrijkste kerncijfers van de stroomsensoren automatisch naar de vermogensanalysator verzonden zodra de stroomsensor is aangesloten, en wordt de fasefout van de stroomsensor automatisch gecompenseerd. En voilà: meting van spoelverliezen. Nauwkeurig. Binnen enkele seconden.
Productgalerij overslaan
Normale prijs:
€ 1.788,00
Normale prijs:
€ 2.128,00
Normale prijs:
€ 2.388,00
PW8001
HIOKI PW8001 - Modulaire, uiterst nauwkeurige vermogensanalysator met 8 kanalen
Modulaire, uiterst nauwkeurige vermogensanalysator, tot 8 kanalen, basisnauwkeurigheid van ±0,03%, 15 MHz
bemonsteringsfrequentie, 18-bits A/D-conversie, automatische faseverschuivingscorrectie voor Hioki-stroomsensoren
, gegevensvernieuwingsfrequentie van 1 ms, CMRR 110 dB bij 100 kHz
Niet langer beschikbaar
CT6875A
HIOKI CT6875A - AC/DC-stroomsensor, 500 A / 2 MHz
De HIOKI CT6875 AC/DC-stroomsensor is ontworpen voor nauwkeurige stroommetingen over een breed frequentiebereik, van gelijkstroom tot 2 MHz (model CT6875-01: gelijkstroom tot 1,5 MHz). Met een nominale stroomsterkte van 500 A is deze sensor ideaal voor R&D, kwaliteitsbeoordeling, productie en onderhoud in sectoren zoals draadloze oplaadsystemen, motoren met omvormer, PV-stroomomvormers en snellaadfaciliteiten voor elektrische voertuigen. In combinatie met de vermogensanalysator PW8001 maakt de sensor nauwkeurige metingen bij hoge frequenties en lage vermogensfactoren mogelijk. Technische gegevens: Nominale stroom: 500 A Frequentiebandbreedte: CT6875: DC tot 2 MHzBasisnauwkeurigheid: Amplitude: ±0,04 % van de aflezing ±0,008 % van het volledige bereik, Fase: ±0,08° Maximale geleiderdiameter: 36 mm Maximale nominale spanning ten opzichte van aarde: 1000 V CAT III Bedrijfstemperatuur: -40 °C tot 85 °C Vereiste ingangsimpedantie: 1 MΩ of hoger Uitgangsaansluiting: ME15W Kabellengte: 3 mMeer dan alleen specificaties – bekijk hier meer details: Nauwkeurig vermogen meten – voor alle toepassingen
Model
Nominale stroom
Bandbreedte
Basisnauwkeurigheid
Max. geleiderdiameter
CT6877A
2000 A
DC – 1 MHz
0,04 % van de aflezing
Ø 80 mm
CT6876A
1000 A
DC – 1,5 MHz
0,04 % van de aflezing
Ø 36 mm
CT6875A
500 A
DC – 2 MHz
0,04 % van de aflezing
Ø 36 mm
CT6904A
500 A
DC – 4 MHz
±0,025 % van de aflezing
Ø 32 mm
CT6873
200 A
DC – 10 MHz
±0,03 % van de aflezing
Ø 24 mm
CT6872
50 A
DC – 10 MHz
±0,03 % van de aflezing
Ø 24 mm
CT6863-05
200 A
DC – 500 kHz
±0,05 % van de aflezing
Ø 24 mm
CT6862-05
50 A
DC – 1 MHz
±0,05 % van de aflezing
Ø 24 mm
CT6845A
HIOKI CT6845A - AC/DC-stroomtang, fluxgate, 500 A / 200 kHz
AC/DC-stroomtang met geavanceerde fluxgate-technologie, nominale stroomsterkte 500 A, basisnauwkeurigheid ±0,2 % van de aflezing, breed temperatuurbereik van -40 °C tot 85 °C, bandbreedte van DC tot 200 kHz, maximale geleiderdiameter 50 mm, kabellengte 3 m
CT6876A
HIOKI CT6876A - AC/DC-stroomsensor, 1000 A / 1,5 MHz
Productbeschrijving voor de CT6876 AC/DC-stroomsensor De CT6876 AC/DC-stroomsensor is ontworpen voor nauwkeurige stroommetingen met een breed frequentiebereik van DC tot 1,5 MHz. Met een nominale stroomsterkte van 1000 A is hij ideaal voor veeleisende toepassingen in sectoren zoals omvormermotoren, elektrische voertuigen en vermogenselektronica.De sensor biedt een uitstekende ruisbestendigheid en hoge precisie, waardoor hij de beste keuze is voor metingen bij hoge stroomsterktes en hoge snelheden. In combinatie met de vermogensanalysatoren van Hioki garandeert hij nauwkeurige metingen van de vermogensomzettingsrendement, met name in hoogfrequente omgevingen.Technische gegevens:Model: CT6876 Nominale stroom: 1000 A Frequentiebandbreedte: DC tot 1,5 MHzBasisnauwkeurigheid: Amplitude: ±0,04% van de aflezing ±0,008% van het volledige bereik. Fase: ±0,1° Maximale geleiderdiameter: 36 mm Maximale nominale spanning ten opzichte van aarde: 1000 V CAT III Bedrijfstemperatuur: -40 °C tot 85 °CVereiste ingangsimpedantie: 1 MΩ of hoger Uitgangsaansluiting: ME15W
Model
Nominale stroomsterkte
Bandbreedte
Basisnauwkeurigheid
Max. geleiderdiameter
CT6877A
2000 A
DC – 1 MHz
0,04 % van de aflezing
Ø 80 mm
CT6876A
1000 A
DC – 1,5 MHz
0,04 % van de aflezing
Ø 36 mm
CT6875A
500 A
DC – 2 MHz
0,04 % van de aflezing
Ø 36 mm
CT6904A
500 A
DC – 4 MHz
±0,025 % van de aflezing
Ø 32 mm
CT6873
200 A
DC – 10 MHz
±0,03 % van de aflezing
Ø 24 mm
CT6872
50 A
DC – 10 MHz
±0,03 % aflezing
Ø 24 mm
CT6863-05
200 A
DC – 500 kHz
±0,05 % van de aflezing
Ø 24 mm
CT6862-05
50 A
DC – 1 MHz
±0,05 % van de aflezing
Ø 24 mm
VT1005
HIOKI VT1005 - Zeer nauwkeurige 5000 V AC/DC-spanningsdeler voor geavanceerde vermogensanalyse
AC/DC-hoogspanningsdeler tot 5 kVrms, bandbreedte DC tot 4 MHz (–3 dB), verdelingsverhouding 1000:1, DC-nauwkeurigheid ±0,08%, nauwkeurigheid ±0,04% bij 50/60 Hz, amplitudevlakheid ±0,1% tot 200 kHz, fasevlakheid ±0,1° tot 500 kHz, CMRR 80 dB bij 100 kHz, BNC-uitgang
CT6904A
HIOKI CT6904A - Zeer nauwkeurige AC/DC-stroomsensor, 500 A / 4 MHz
Zeer nauwkeurige doorvoertype AC/DC-stroomsensor met fluxgate zonder flux, tot 500 A, bandbreedte DC–4 MHz, CMRR van 120 dB bij 100 kHz, lineariteit van ±5 ppm, vlakke frequentierespons, kabel van 3 m met ME15W-connector.