Wie verhält es sich mit der elektrischen Leistung? Zunächst gilt allgemein, dass man die elektrische Leistungsaufnahme nur schwer direkt messen kann. Zudem ist entsprechend der Normvorgaben der DIN IEC 60034-2-3 eine hohe Messgenauigkeit gefordert.
Wir haben also zwei Messgrößen (Strom und Spannung) deren Fehler sich gemäß Fehlerfortpflanzungsgesetz bei der multiplikativen Berechnung der Leistung (U*I) addieren.
Beide Größen individuell (Strom und Spannung separat betrachtet) sind eine Verkettung von mindestens vier Fehlern:
- Amplitudenfehler (über alle Frequenzen)
- Phasenfehler bei der Abtastung (über alle Frequenzen)
- Bandbreiten-Begrenzung der Oberschwingungs-Anzahl (mindestens 29 Oberwelle für 0.1.% Genauigkeit von Spannung bzw. Strom)
- Fehler der zuführenden Leitungen und evtl. verwendeter Stromwandler
Die Summe dieser jeweils 4 Fehler bestimmt die Auflösung der beiden Messgrößen (Spannung und Strom). Wir haben also insgesamt 8 Fehlerquellen, deren Summe 0.3% nicht überschreiten darf. Wie oben erwähnt (Referenz zur Norm, Punkt 7.2) soll man sogar ein Stück besser sein.
Also darf im Durchschnitt jede Fehlerquelle nur grob 0.03% Fehler beitragen.
Damit muss man ein Rechtecksignal auf 53 Oberschwingungen mit einer Synchronität von besser als 3ns sauber erfassen.
Beim Betrieb eines E-Motors müssen die durch die PWM-Ansteuerung generierten Quasi‑Sinussignale ganz verschiedene Motordrehzahlen und somit Sinus-Frequenzen und Amplituden abbilden können. Dabei ist zu beachten, dass mit steigender Drehzahl nicht nur die benötigte Sinusfrequenz, sondern auch die Sinusamplitude ansteigt.
Wenn man also einen Drehzahlbereich von 1% bis 100% des Motors abdecken möchte, beträgt auch die Amplitude im langsamen Drehbereich nur 1% der Amplitude bei voller Drehzahl.
Somit muss der Messbereichsendwert nicht nur auf 1/0.03% = 3333 Schritte aufgelöst werden, sondern auf 333333. Das entspricht einer effektiven Auflösung eines AD-Wandlers von 18.3 Bit. Und zwar nach Abzug allen Rauschens und aller Verzerrung dieses AD-Wandlers.
Daraus ergeben sich die hohe Anforderungen an die Messgeräte, welche der LTTsmart Power-Analyzer erfüllt.
Mit seinem 24 Bit AD-Wandler und mit 4MHz Abtastrate genügt er den Anforderungen an die Leistungsmessung eines PWM betriebenen E-Motors. Seine Kanal-Synchronität ist besser als 1ns und seine galvanische Trennung der Kanäle bietet nicht nur Sicherheit, sondern auch eine sehr geringe Streukapazität gegenüber Gehäusemasse.
Wird nur eine dieser Anforderungen (Abtastrate, Auflösung, Synchronität, galvanische Trennung mit geringer Streukapazität) nicht perfekt umgesetzt, scheitert die Effizienzmessung gemäß Norm DIN IEC 60034-2-3.
Alle diese Punkte sind sorgfältig aufeinander abgestimmt im Messsystem LTTsmart der Firma Labortechnik Tasler GmbH. Der Messtechnik-Spezialist ist seit über 25 Jahren auf dem Markt etabliert und war schon hochauflösend in Megahertz-Bereichen aktiv, als der Messtechnik-Markt langsam von DOS auf Windows umgestiegen ist.
Die Anforderungen der E-Mobilität treiben nun den Markt aus zwei Richtungen in diese Nische der breitbandigen Präzisionsmessgeräte:
langsamer PC-Messtechnik fehlt die Bandbreite und schnellen Oszilloskopen fehlt die Amplitudenauflösung.
Zur Effizienzbestimmung müssen zusätzlich auch noch (langsame) mechanische Leistungsdaten erfasst werden.
Das kann natürlich auch hochsynchron durch den LTTsmart mit abgedeckt werden.
In vielen Fällen ist es aber sinnvoll, die vielen (langsamen) Zusatzinformationen, wie beispielsweise Temperaturen, durch zusätzliche Messgeräte der Firma Gantner Instruments zu erfassen, die nahtlos mit dem LTTsmart zusammenarbeiten.
Der Anwender profitiert davon, dass der LTTsmart perfekt auf die anspruchsvolle Messaufgabe der elektrischen Leistungsmessung abgestimmt ist und reibungslos mit anderen Messgeräten zusammenarbeitet.
Die umfangreiche Funktionalität des Power-Analyzers ist sowohl in der branchenübergreifenden Software-Lösung LTTpro, als auch in Gantner‘s GI.bench verfügbar und verbindet alle Frequenzwelten hochsynchron miteinander. Langsame, mittelschnelle und sehr schnelle Messsignale werden online zu den benötigten Analysegrößen zusammengeführt.
Die großen Datenmengen, die für die oben angedeutete Berechnung der elektrischen Leistungskennzahlen notwendig sind, bleiben dabei für den Anwender unbemerkt im Hintergrund. Gleichzeitig kann aber der Anwender oder aber ein per Software einstellbares Entscheidungskriterium ganze Abschnitte dieser schnellen Rohdaten mitschneiden und zu einem beliebigen Zeitpunkt analysieren, um etwaige Auffälligkeiten der protokollierten Kenngrößen erörtern zu können.
Egal ob für Forschungszwecke oder zur Prozess- und Qualitätsüberwachung: als Anwender haben Sie stets vollen Zugriff auf alle Signalwelten. Von der Übersicht bis hin zum feinsten Detail.
Das macht die Power-Analyzer-Lösung (neben vielen anderen Lösungen) von LTT zum perfekten – und sogar einzigartigen – Gesamtpaket, dank dem Sie auch mit der rasanten Entwicklung der Elektromobilität mithalten können.
