Immer höhere Frequenzen sind der Trend in vielen Bereichen der Elektrotechnik. Festkörpertransformatoren zum Beispiel machen die Energienetze flexibler und robuster. Sie regulieren die Netze, wenn diese durch die dezentrale Einspeisung von erneuerbaren Energiequellen stark belastet sind, oder wenn nach Feierabend alle E-Autos gleichzeitig geladen werden. Diese auch Solid State Transformers (SST) genannten Transformatoren sind viel kleiner und leichter als herkömmliche Netztransformatoren, denn sie arbeiten mit Frequenzen jenseits von 10 kHz.
In der Elektromobilität haben inzwischen ultraschnelle Wechselrichter auf Basis von SiC- und GaN-Halbleitern eine herausragende Stellung, weil sie aufgrund der hohen Frequenzen sehr viel kleiner und leichter gebaut werden können. Man braucht sie zum Wandeln der 11-kW-Ladespannung AC in DC für die Batterie, zum Wandeln auf eine Drei-Phasen-Spannung AC für den Elektromotor oder zum Wandeln auf 12 V beziehungsweise 24 V für die Hilfsstromkreise. Dabei ist klar: Je weniger Verlustleistung in allen verwendeten Spulen, desto mehr Energieeffizienz im Allgemeinen ist zu erwarten – bei EVs zum Beispiel trägt dies zu deutlich höheren Reichweiten bei.
Zur Bestimmung der Verluste in Spulen wird die Zwei-Spulen-Verlustmessung angewandt; so lassen sich der Gesamtverlust der Spule und der Kern- oder Spulenverlust bestimmen. Dabei werden in der Primärspule (N1) der Strom und die Spannung gemessen, in der Sekundärspule (N2) nur die Spannung. Die Messung ist in Bild 1 mit Hiokis Leistungsanalysator «PW8001», einem Stromsensor «CT6904» und dem Hochspannungsteiler «VT1005» vereinfacht dargestellt. Die Werte für Spannungen, Strom oder Phasenwinkel bilden die Grundlage zur Berechnung der Verluste in den jeweiligen Spulen. Diese Berechnung erfolgt mithilfe der User Defined Calculation Functions (UDFs), die der Anwender im PW8001 vorgeben kann. Der Kupferverlust ergibt sich, indem man den Spulenverlust vom Gesamtverlust abzieht. Spulenverluste genau zu messen ist eine grosse Herausforderung. Für aussagekräftige und reproduzierbare Ergebnisse sollte die Messung unter realen Bedingungen erfolgen. Sobald die Spannung mehr als 1000 V beträgt, ist ein Hochspannungsteiler wie der VT1005 erforderlich, um die genaue Messung mit einem Leistungsanalysator zu ermöglichen. Weil der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom der Spule fast 90° beträgt, ist der Einfluss des Phasenfehlers auf das Messergebnis ebenfalls sehr hoch, wie Bild 2 zeigt.
Im Trend: Wireless Power Transfer
Eine weitere wichtige Rolle spielt die Zwei-Spulen-Verlustmessung beim Wireless Power Transfer (WPT). Das wird zunehmend wichtig, denn schon bald werden Elektrofahrzeugbatterien kabellos über Ladegeräte aufgeladen, die unter Parkplätzen oder Strassen installiert sind. Ähnliches kennt man bereits von Mobiltelefonen oder elektrischen Zahnbürsten. Durch WPT entfällt das lästige Verbinden von Ladekabeln. Diese neue Technologie wird den Komfort und die Akzeptanz von Elektroautos weiter erhöhen. Ihre Entwicklung läuft bei Herstellern von E-Autos und Ladegeräten auf Hochtouren. Dabei geht es um maximale Effizienz durch geringstmög-liche Verluste bei der Übertragung von Energie zwischen der Sende- und der Empfangsspule.
Kritisch sind hier Messungen mit Leistungsanalysatoren. Sie messen Parameter wie Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Oberwellenverzerrung. Mit diesen Daten entwickeln Ingenieure sowohl die Effizienz als auch die Zuverlässigkeit der Energieübertragung zwischen den Sende- und Empfangsspulen ständig weiter. Die genaue und schnelle Bewertung von Verlusten bei der Eingangs- und Ausgangsleistung einer kontaktlosen Übertragung beschleunigt massgeblich den Entwicklungsprozess.
Bislang lag der Schwerpunkt der Entwicklungsingenieure auf der Reduzierung von Schalt- und Leitungsverlusten der Halbleiter. Um die Systemeffizienz weiter zu steigern, konzentrieren sie sich nun verstärkt auf die Spulen im WPT-System und analysieren deren Verluste unter Betriebsbedingungen. Bisher verwenden sie dazu ein Kalorimeter. Diese Methode ist sehr genau, hat aber einen grossen Nachteil: Der Test dauert bis zu 30 Minuten. Ein Leistungsanalysator dagegen bestimmt alle Parameter in Sekundenschnelle.
Mit dem Leistungsanalysator PW8001 von Hioki in Kombination mit den Hioki-Stromsensoren und -Spannungsteilern lassen sich der Gesamtsystemwirkungsgrad und die Spulenverluste dank einzigartiger Funktionen hochgenau bestimmen. Beispielhaft zeigt Bild 3 das elektrische Diagramm eines WPT-Systems für elektrische Autos. Die Systemspulen sind rot eingekreist.
Die Messergebnisse herkömmlicher Leistungsanalysatoren sind bei der Messung von Spulenverlusten bei einer Frequenz ab 10 kHz wegen des ansteigenden Phasenfehlers extrem unzuverlässig. Bis zu 10 kHz wirken sich Phasenfehler nur minimal aus. Jenseits dieser Schwelle jedoch liefern übliche Leistungsanalysatoren ungenaue Werte, weil der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom ungenau bestimmt wird. Für Messungen höherer Ströme kommen stets Stromsensoren von Drittanbietern zum Einsatz – die aber ursprünglich nicht für die Messung von Spulenverlusten konzipiert wurden. Das beeinträchtigt die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Spulenverlustmessung.
Um diese Herausforderung bei hohen Frequenzen zu meistern, kompensiert der Leistungsanalysator PW8001 den bekannten Phasenfehler von Hioki-Stromsensoren und des Spannungsteilers VT1005. Das geschieht mit dem PW8001 und den abgestimmten Stromsensoren von Hioki sogar automatisch mit der automatischen Phasenverschiebungskorrektur (Bild 4).
Einzigartige Phasenverschiebungskorrektur
Zur Korrektur von Messfehlern durch Phasenfehler bei hohen Schaltfrequenzen hat Hioki eine effektive Phasenverschiebungskorrektur unabhängig von der Frequenz entwickelt. Damit diese zuverlässig funktioniert, sind zwei Dinge nötig:
- ein Leistungsanalysator, der die Phasenkorrektur korrekt durchführt;
- ein Zero-Flux-Sensor mit einer bekannten Zeitverzögerung.
Die Korrektur der Phasenverschiebung ist vergleichbar mit der bekannten Deskew-Funktion in Oszilloskopen: Wenn zwei unterschiedliche Signale mit einer Zeitverschiebung aufgrund von Latenz am Oszilloskop ankommen, beseitigt die Deskew-Funktion den Signalversatz, indem sie die Latenz mit einem festen Zeitwert kompensiert. Der Phasenfehler steht in direktem Zusammenhang mit der Zeitverzögerung des Stromsensors. Für einen Stromsensor der Serie «CT68xxA» von Hioki ist die Verzögerung in Bild 5 dargestellt. Man sieht eine Zeitverzögerung in Nanosekunden in Abhängigkeit von der Frequenz.
Wichtig zu wissen: Eine Verzögerung von 100 ns bei 100 Hz hat nicht die gleiche Wirkung wie eine Verzögerung von 100 ns bei 1 MHz. Das wird deutlich, wenn die Zeitverzögerung im Phasenfehler in Grad umgerechnet wird, wie in Bild 6 gezeigt.
Hioki hat seine Zero-Flux-Sensoren so entwickelt, dass sie nahtlos mit Hiokis Leistungsanalysatoren zusammenarbeiten. Um den Phasenfehler effizient zu kompensieren, bleibt die Zeitverzögerung des Stromsensors unabhängig von der gemessenen Frequenz konstant. Diese Zeitverzögerung des Stromsensors von Hioki ist dem Leistungsanalysator PW8001 von Hioki bekannt. Und das sofort per Plug-and-play, sobald der Sensor angeschlossen wird. Dadurch wird der Phasenfehler des Sensors automatisch kompensiert und ermöglicht hochfrequente Spulenverlustmessungen präzise und zuverlässig – in Sekundenschnelle.
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