Stromwandler und Spannungsteiler testen

Leistungskalibrator LS3300 (oben) und Leistungsanalysator WT1800E in einem Rack

Signaltec und Yokogawa ergänzen sich seit vielen Jahren im Bereich der Leistungsmesstechnik perfekt. Yokogawa liefert Messgeräte und Signaltec unterstützt die Kunden u.a. mit Messbereichserweiterungen und Know-how. Diese Erweiterungen muss Signaltec natürlich auch selbst prüfen.


Messbereichserweiterungen werden benötigt, wenn Spannungen oder Ströme gemessen werden sollen, die den maximalen Eingangswert des Messgeräts überschreiten. Dies ist meist ab 50 Ampere oder 1000 Volt der Fall. Dann kommen Stromwandler oder Spannungsteiler zum Einsatz. Signaltec liefert seit vielen Jahren Stromwandlersysteme und arbeitet auch an der Entwicklung breitbandiger und genauer Spannungswandler.

Signaltec verfügt über ein eigenes Messtechniklabor, das auch mit Yokogawa Messgeräten ausgestattet ist. Die Messgeräte werden neben der Anwendungsberatung im Besonderen für die Prüfung und Charakterisierung der eigenen Produkte verwendet. Zudem werden mit ihnen als fehlerhaft von Kunden zurückgeschickte Produkte geprüft und die Fehlerursache ermittelt.

 

 

Horst Bezold (links) und Andreas Maushammer (Yokogawa) beim Test eines Bürdenwiderstands (liegt vor dem PX8000 auf dem Tisch). Der Funktionsgenerator und Leistungsverstärker sind im Rack ganz oben zu sehen.     

                 

Der Leistungskalibrator LS3300 (oben) erzeugt eine Spannung von 100 V und einen Strom von 50 A bei einer Frequenz von 1 kHz und einem Leistungsfaktor von 0,1 (entspricht 84,26 Grad Verschiebung). Der WT1800E misst über den Stromsensor 99,99 V und 50,00 A.

Wie aber testet man einen hochgenauen Nullfluss-Stromwandler oder Bürdenwiderstand für Ströme von mehreren 100 Ampere oder einen Spannungsteiler für mehr als 1000 Volt? Schließlich müssen derartige Tests nicht nur realitätsnah, sondern auch genau und zuverlässig sein. Realitätsnah bedeutet in diesem Fall mit ausreichend hohen Spannungen, Strömen und Frequenzen. Der zu testende Frequenzbereich reicht beim Strom von DC bis zu wenigen Kilohertz beim Grundschwingungsstrom und oft einigen 10 Kilohertz bei Wechselrichterschaltfrequenz, bei der Spannung liegt er sogar noch höher, wenn auch Spannungsflanken analysiert werden sollen. Da es sich um Sensoren für die Messbereichserweiterung von Leistungsmessgeräten handelt, liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Winkelfehler der eingesetzten Wandler und Bürden. Ein Winkelfehler eines Messgeräts oder Signalwandlers ändert die tatsächliche Phasenlage zwischen Spannung und Strom und resultiert damit in einem falschen Leistungsmesswert.

Hochgenaue Stromwandler testen

Ein Stromwandler für hohe Ströme lässt sich am besten mit einem hohen Strom realitätsnah prüfen. Das geschieht meist in geeigneten Kalibrierlabors mit Messnormalen für Amplitude und Phasenwinkel und Stromquellen im Bereich von einigen Kiloampere. Für die Analyse der Wandlerlinearität, des Offsets und des Winkelfehlers reichen oft wenige Ampere. Für die Leistungsmessung bietet Signaltec Stromwandler der höchsten Amplitudengenauigkeit von wenigen ppm (parts per million, 1 ppm entspricht 0,0001 %) und einem Winkelfehler im Minutenbereich (1 Winkelminute entspricht 1/60-tel Grad) an. Nur mit derartigen Wandlern ist eine genaue Verlustmessung an Antriebssystemen möglich. Solch genaue Stromsensoren sollten also auch bei geringer Aussteuerung schon gute Ergebnisse liefern.

„Der PX8000 ist perfekt, um Komponenten
bei hohen Spannungen und Strömen zu prüfen.“

Die Prüfung erfolgt mit dem Leistungskalibrator LS3300 und einem Präzisions-Leistungsanalysator WT1800E, beide von Yokogawa. Der LS3300 ist extrem genau und kann AC-Spannungen bis 1250 V und AC-Ströme bis 62,5 A mit Frequenzen von bis zu 1200 Hz sowie einem Leistungsfaktor von -1 bis +1 ausgeben. Noch höhere Ströme lassen sich durch die Parallelschaltung von drei Gerä ten erzeugen. „In unserem Beispiel simulieren wir mit dem LS3300 eine Leistungsmessung mit 100 V und 50 A bei 1 kHz und einem Leistungsfaktor von 0,1. Mit der Kombination aus Stromwandler und Leistungsanalysator messen wir dann 99,99 V, 50,00 A, 499 Watt und Leistungsfaktor 0,0997, was bei dieser Frequenz fantastische Werte sind“, sagt Horst Bezold, Geschäftsführer von Signaltec. „Der AC-Kalibrator von Yokogawa ist damit eine ideale Lösung für uns, um die Funktion und Genauigkeit von Stromwandlern zu überprüfen. Und durch die hohe Genauigkeit sowie die integrierten Messfunktionen des LS3300 können wir auf Vergleichsmessungen mit Normalstromwandlern verzichten. Der LS3300 ist unser Messnormal, mit einigen Primärwindungen durch den Wandler sogar bis zum mehrfachen Maximalausgangsstrom des Kalibrators.“

Test von Bürdenwiderständen

Eine weitere Produktgruppe von Signaltec sind Bürdenwiderstände mit Nennwerten von 1 bis 50 Ohm, die für Strommessungen bei Spannungseingängen genutzt werden. Die Bauteile sind mit einer Fertigungstoleranz von 0,01 bzw. 0,02 % für Frequenzen bis zu 100 kHz spezifiziert. Für die Messung des Amplituden- und Phasengangs eines Bürdenwiderstands ist ein deutlich geringer Messstrom notwendig, die Frequenz beim Bürdentest reicht aber bis in den Megahertzbereich. Signaltec verwendet hierfür den folgenden Messaufbau: Mit einem zweikanaligen Funktionsgenerator werden zwei synchrone sinusförmige Spannungssignale erzeugt. Eine der beiden Ausgangsspannungen wird mit einem analogen Leistungsverstärker in einen Strom umgewandelt. Der verwendete Verstärker liefert Ausgangsströme bis 20 A bei Frequenzen von bis zu 100 kHz. Da aber nur deutlich geringere Ströme benötigt werden, kann der Leistungsverstärker bis zu einer Frequenz von 1 MHz genutzt werden. Die Kombination dieser beiden Geräte ergibt eine Art Leistungskalibrator für hohe Frequenzen, der allerdings nicht sehr genau ist. Da aber relative Messungen durchgeführt werden, ist die absolute Genauigkeit nicht relevant. Dafür lassen sich aber Ströme von einigen Ampere mit sehr hohen Frequenzen erzeugen. Mit dem AC-Leistungskalibrator LS3300 sind zwar höhere Ströme möglich, aber nur bis zu einer Frequenz von 1,2 KHz.

Der PX8000 zeigt am Bürdenwiderstand bei einer Frequenz von 1 MHz eine Phasendifferenz von 0,51 Grad (= 39,77-39,26).   

   

Die simulierte „Leistung“ aus Strom und Spannung wird mit einem Leistungsmesskanal des Precision Power Scopes PX8000 von Yokogawa direkt gemessen. Der zweite Leistungsmesskanal des PX8000 misst die Spannung ebenfalls direkt, den Strom jedoch als Spannungsabfall am Bürdenwiderstand über den Sensoreingang des Leistungskanals. Die Abweichungen aus den beiden Strommessungen und die Winkelverzögerung zwischen beiden Strömen können mit Hilfe der Mathematikfunktionen des PX8000 berechnet und am Display angezeigt werden. „Mit dem PX8000 habe ich ein kalibriertes Messgerät zur Verfügung, das die Eingangssignale mit 100 MS/s und 12 Bit abtastet. Außerdem verfügt es über bis zu vier galvanisch getrennte Eingänge für Ströme bis 5 A und Spannungen bis 1000 V und ich kann die Phasenbeziehung zwischen zwei Kanälen ermitteln“, erklärt Horst Bezold. „Damit ist dieses Messgerät ideal für die Charakterisierung und Prüfung dieser Bauteile.“

Test von Spannungswandlern bis 1000 V

Die galvanisch isolierten Eingänge des PX8000 und die Möglichkeit direkt Spannungen bis zu 1000 V messen zu können, sind natürlich auch optimale Voraussetzungen, um Spannungsteiler zu untersuchen. „Der PX8000 ist kalibriert. Damit kann ich mich auf die Messergebnisse verlassen. Wenn ich die Messungen mit einem normalen Oszilloskop durchführen möchte, müsste ich einen Tastkopf mit Spannungsteiler verwenden. Dieser ist aber in der Regel weder kalibriert, noch kenne ich das genaue Frequenzverhalten. Außerdem haben die meisten Oszilloskope nur eine Vertikalauflösung von 8 Bit und keine galvanisch isolierten Eingänge, was auf Grund der hohen Spannungen gefährlich werden kann“, meint Horst Bezold. „Für die Prüfung verwenden wir einen Tastkopf-Kalibrator von natronic, mit dem man steilflankige Rechteckspannungen bis zu ±1000 V ausgeben kann. Aus den Messergebnissen lassen sich dann die Bandbreite und der Winkelfehler ermitteln. Der PX8000 ist somit für uns ein perfektes Werkzeug um Komponenten, wie Bürdenwiderstände und Spannungsteiler, bei hohen Spannungen und Strömen zu prüfen und zu charakterisieren.“

 

Signaltec GmbH Nürnberg
Nürnberg/Deutschland
www.signaltec.com

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