Motorantriebe und Leistungselektronik

Einfach gemessen – Oszilloskop und Leistungsanalyse vereint

| Autor / Redakteur: Matthias Preß * / Hendrik Härter

Das Precision Power Scope PX8000: Es vereint Oszilloskop und Leistungsmessung und verfügt über modular aufgebaute Messeinschübe für Spannungen und Ströme sowie Universalmodule für mechanische Größen wie Drehzahl und Drehmoment. Alle Eingänge sind voll isoliert ausgeführt. Buchsen für Spannungen und Stecker für Ströme verhindern Schäden durch versehentliches Vertauschen der Kabel.
Das Precision Power Scope PX8000: Es vereint Oszilloskop und Leistungsmessung und verfügt über modular aufgebaute Messeinschübe für Spannungen und Ströme sowie Universalmodule für mechanische Größen wie Drehzahl und Drehmoment. Alle Eingänge sind voll isoliert ausgeführt. Buchsen für Spannungen und Stecker für Ströme verhindern Schäden durch versehentliches Vertauschen der Kabel. (Yokogawa)

Das PX8000 verbindet die Vorteile eines Oszilloskops mit denen eines Leistungsanalysators. Was muss beim Messen beachtet werden? Unser Beitrag stellt einige Funktionen des Gerätes vor.

Sowohl in der Elektronikentwicklung als auch der –fertigung ist das Oszilloskop das tägliche Arbeitsmittel der Entwickler. Inzwischen ist unsere elektronische Umwelt in alle Bereiche des Lebens vorgedrungen und erfordert es, dass die Energieaufnahme sinkt. Sei es, um bei batteriebetriebenen Geräten die Laufzeiten zu erhöhen, um Bedingungen für Energielabel zu erfüllen oder um einfach der Konkurrenz voraus zu sein.

Bei der Entwicklung der Hardware ist es notwendig, präzise alle Parameter zu messen. Dazu gehören die elektrische und auch die mechanische Leistung. Zwar ist das Oszilloskop ein universelles Werkzeug, aber für die Leistungsmessung ist ein Leistungsanalysator wesentlich besser geeignet. Wir zeigen im folgenden Text, welche Vorteile das Precision Power Scope PX8000 bietet.

Die Besonderheit der Leistungsmessung

Bei einer Leistungsmessung müssen zunächst Spannung und Strom ermittelt werden. Das Oszilloskop verfügt über Spannungseingänge, die nur für wenige Volt ausgelegt und in der Regel geerdet sind. Elektrische Leistungen werden oft an hohen Spannungen gemessen, was einen Tastkopf erforderlich macht. Wegen der direkten Masseverbindung der Eingänge müssen Differenztastköpfe verwendet werden, die Fehler in der Größenordnung 1% einbringen.

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Sollen beispielsweise Leistungsaufnahmen an Kleinspannungen innerhalb von PCs gemessen werden, herrschen dort niedrige Spannungen wie 5 oder 12 V vor. Allerdings führt der geerdete Eingang des Oszilloskops zu Kurzschlüssen oder Gleichtaktproblemen. Deshalb muss auch hier ein Differenztastkopf eingesetzt werden.

Zwar isolieren Stromzangen, bringen aber wieder Fehler in der Größenordnung von 2 bis 3% ein. Außerdem brauchen sie eine eigene, sehr gut isolierte und sehr gut entkoppelte Stromversorgung, weshalb hierbei oft Batterien eingesetzt werden. Das führt zu bekannten Nachteilen wie einer kurzen Lebensdauer, hohe Kosten oder regelmäßigem Wechsel. Die präzise Strommessung mit einem Shunt scheidet aus, da es an ausreichender Isolation mangelt. Auch ist der geringe Spannungsabfall mit einem Differenztastkopf von 10:1 nicht mehr messbar.

Das PX8000 bietet hier Abhilfe: Isolierte Eingänge können Spannungen bis 1000 Veff und Ströme bis 5 Aeff direkt aufnehmen. Funktionsfehler einer Schaltung lassen sich durch Kurzschlüsse oder Massekapazitäten sowie Gleichtaktstörungen ausschließen. Isolationsspannungen bis 1000 Veff für präzise Messungen können mit der ISOpro-Technik erreicht werden. Zusätzliche Fehler von Tastköpfen und Stromzangen entfallen. Das PX8000 misst Spannungen und Ströme mit kalibrierten und garantierten Genauigkeiten. Sogar die Leistungswerte sind kalibriert und garantiert.

Zunächst ist die Leistungsmessung simpel: Strom und Spannung messen und miteinander multiplizieren. Doch bei näherer Betrachtung tun sich einige Fragen auf. Unter welchen Rahmenbedingungen ist die genannte Definition gültig? So einfach ist es im Gleichstromkreis und im Wechselstromkreis, solange wir Sinusschwingungen haben und die Phasenverschiebung cosφ kennen. Allerdings meinen wir die Effektivwerte von Spannung und Strom:

Bild: VBM-Archiv
Bild: VBM-Archiv

Viele elektrische Verbraucher ziehen ihren Strom im Scheitelbereich der Spannung. Das hat zur Folge, dass die Kurve abgeflacht wird und ihre Sinusform verlässt. Das ist in unserem Stromversorgungsnetz zu sehen und wir behandeln es noch wie einen Sinus. Mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern wird die Sinuswelt vollständig verlassen. Sie ermöglichen eine präzise Steuerung und Regelung von Antrieben und verringern dadurch den erforderlichen Energieeinsatz. Dass dies nicht nur in der Industrie, sondern auch in Haushaltsgeräten geschieht, beweisen moderne Waschmaschinen, Geschirrspüler oder Kühlschränke. Der Frequenzumrichter simuliert zwar immer noch ein Sinussignal, erzeugt jedoch nur Rechteckpulse. Damit lässt sich in der oben genannten Formel nicht mehr anwenden.

Eine andere Definition der Leistung lässt sich in den Produkten der Momentanwerte von u und i und deren Integration über ganze Perioden finden.

Bild: VBM-Archiv
Bild: VBM-Archiv

Schaut man sich den Vorgang an, wird deutlich, dass ein Phasenfehler, wie er gestrichelt in Bild 1 dargestellt ist, zwangsläufig zu einem Fehler der Leistung führt. Deshalb ist es sehr wichtig, dass die Elektronik in den Messeingängen eines Leistungsanalysators zum einen selber keine Phasenfehler erzeugt und zum anderen alle A/D-Wandler absolut synchron arbeiten. Und hier ist wirklich jeder Strom, jeder Spannungs- und jeder mechanische Kanal gemeint.

Dazu ist spezielle Hardware notwendig. Hierbei ist von Vorteil, dass Spannungen und Ströme ohne Tastköpfe direkt angeschlossen werden. Es entfallen Laufzeit- und Phasendifferenzen zwischen Tastköpfen und Stromzangen. Für hohe Ströme sind externe Stromwandler erforderlich, in einigen Anwendungen müssen auch Stromzangen eingesetzt werden, weil die Leiter nicht unterbrochen werden können. Dazu wurde die De-Skew-Funktion in das Precision Power Scope integriert, damit die Fehler für jeden Kanal individuell korrigiert werden.

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Es gibt auch Stromzangen die genauer sind als 2-3% Fehler... also bitte nicht...  lesen
posted am 01.10.2014 um 14:02 von Unregistriert


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