Leistungmesstechnik Isoliermessverstärker helfen bei der Antriebsauslegung

Autor / Redakteur: Florian Rothe, Helmut Rohrer * / Gerd Kucera

Beim Entwurf elektrischer Antriebslösungen übernehmen dedizierte Isoliermessverstärker bei der Leistungsmessung grundlegende Aufgaben. Drei Anwendungen zeigen worauf es ankommt.

Firmen zum Thema

Der Isoliermessverstärker Arcus T303 zum Einsatz z.B. an getakteten Antrieben, Umrichtern, Versorgungsnetzen, Bordnetzsimulation u.a.m.
Der Isoliermessverstärker Arcus T303 zum Einsatz z.B. an getakteten Antrieben, Umrichtern, Versorgungsnetzen, Bordnetzsimulation u.a.m.
( )

Wo werden Isoliermessverstärker gebraucht und welche Eigenschaften sind dafür von Bedeutung um präzise und damit brauchbare Messergebnisse zu erzielen? Die Betrachtungen der folgenden drei Anwendungen des Messverstärkers T303A zeigen, welche Eigenschaften besonders wichtig sind, um möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen.

Das erste Beispiel betrachtet den Einsatz des Messsystems bei Mittelspannungsumrichtern; Bild 1 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise. Die Genauigkeit der Wirkungsgradbestimmung hängt von der Genauigkeit der Leistungsmessungen ab und diese wiederum von den Genauigkeiten von Strom- und Spannungsmessung. Da nun diese Größen floatend, d.h. schwebend, also nicht erdgebunden sind und zudem noch mit Oberwellen behaftet, kommt dem potenzialfreien Messen sowie dem Phasengleichlauf der Strom- und Spannungsmessungen höchste Priorität zu.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Anwendung 2 beschäftigt sich mit der Messung des Kontaktprellens von Schützen, um die Standzeiten zu verlängern bzw. die Anzahl der Schaltzyklen unter Last zu optimieren. Schließlich betrachtet das dritte Beispiel Kurzschlussversuche, wie sie bei Bahn- oder U-Bahnnetzen nötig sind, um das Ansprechen der Sicherheitseinrichtungen zu überprüfen; insbesondere dann, wenn Netze aufgerüstet oder erweitert werden.

Widmen wir uns zunächst der Spannungs- und Strommessungen und somit der Leistungs- und Wirkungsgradbestimmung an Mittelspannumrichtern zu. Die Bestimmung der Leistungsaufnahme des Antriebes bzw. der Last ist hier eine zentrale Aufgabe. Ziel ist es, erstens sehr präzise Messwerte zu erhalten und zweitens aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung zu haben.

Die Zwischenkreisspannung wird mittels der gesteuerten Halbleiter pulsförmig an die Phasen des Motors so weitergegeben, dass mit der Pulsbreite und der Pulsfrequenz die Drehzahl und die Leistung des Motors bzw. Antriebs gesteuert werden kann. Nun sind diese Kurven leider alles andere als ideale Rechteckimpulse, sondern insbesondere durch die Induktivität der Last bzw. des Antriebes sehr verzerrte Signalverläufe.

Zur Leistungsbestimmung müssen folglich die Augenblickswerte von Strom und Spannung multipliziert werden. Die dynamischen Anforderungen sind hierbei sowohl durch die zu berücksichtigenden Oberwellen als auch vom erforderlichen Phasengleichlauf von Strom-und Spannungsmessung bestimmt. Nehmen wir für die Grundfrequenz etwa 2 bis 10 kHz und für das Puls-Pausen-Verhältnis 1:20 an, so empfiehlt sich für die Messungen eine Bandbreite von DC > 300 kHz. Da die zu messenden Ströme und Spannungen floatend (d.h. schwebend) sind, muss die Gleichtaktspannung eliminiert werden. Die Gleichtaktspannung ist die Spannung, um die das zu messende Signal vom Bezugspotenzial (z.B. Erde) abweicht.

Dieses Gleichtaktsignal wird zumeist vom Frequenzumrichter bzw. Antrieb selbst hervorgerufen, wobei das Frequenzspektrum ebenfalls bis >300 kHz reicht, dabei wird die Amplitude der hohen Frequenzen (Oberwellen) geringer. Nun gibt es zwei praktische Möglichkeiten diese Gleichtaktspannung zu eliminieren: entweder mit Hochspannungsteilern oder mit Isoliermessverstärkern.

Für die Methode mit Hochspannungsteilern benötigt man einen HV-Teiler je Phase, um die zu messende Spannung zu bestimmen (U = Uhv1– Uhv2). Des Weiteren benötigt man einen entsprechenden Isolier-Differenzverstärker mit einer Bandbreite >300 kHz. Als Laufzeiten sind die der HV-Teiler und des Isolierdifferenzverstärkers zu berücksichtigen.

Bei der Messung kleiner Spannungen ist vor allem die Tatsache interessant, dass mit den HV-Teilern nicht nur das Gleichtaktsignal, sondern auch das zu messende Signal mit dem Teilerverhältnis des HV-Teilers dividiert und somit immer ungenauer wird. Auch durch den Temperatur- und Gleichtaktfehler wird das zu messende Signal immer ungenauer und für Genauigkeitsanforderungen von ca. 0,1% unbrauchbar. Detaillierte Fehlerbetrachtungen sind auf den Einzelfall abzustimmen.

Die Methode mit Isolier-Messverstärkern ist in den folgenden Punkten der HV-Teiler-Methode überlegen: Das zu messende Signal wird dem Eingang des Isoliermessverstärkers zugeführt und dort sofort auf den optimalen Pegel ±10 V zur Weiterverarbeitung gebracht. Kleine Pegel ab dem Messbereich von ±10 mV werden entsprechend verstärkt, hohe Spannungen bis Messbereich ±5 kV entsprechend mit einem präzisen, frequenzkompensierten Dünnfilm-Differenzteiler auf den Übertragungsbereich ±10 V gebracht. Die wählbaren Messbereiche sind ±10 mV in den Stufen 1-2-5-10-20 usw. bis 5000. Jetzt wird das Messsignal in 16 Bit Auflösung digitalisiert und mit 10 kV isoliert auf das Potenzial der Auswertung (meist Erde) übertragen.

(ID:43620318)