In diesem Artikel befassen wir uns mit der Leistungsanalyse und den bei ihrer Durchführung verwendeten Werkzeugen. Dabei werden Sie:

  • sehen, was elektrische Leistung tatsächlich ist;
  • lernen, warum Leistungsanalysen erforderlich sind und wie sie berechnet werden;
  • verstehen, wie eine Leistungsanalyse durchgeführt wird und was ein Leistungsanalysator ist.

Sind Sie bereit? Los geht‘s!

Was ist Leistungsanalyse?

Leistung ist die Rate, mit der Arbeit verrichtet wird, bzw. die pro Zeiteinheit umgesetzte Energie. In einem elektrischen System ist Leistung das Produkt aus Spannung und Stromstärke, integriert über einen bestimmten Zeitraum und dann dividiert durch die Periodendauer. Die (der Frequenz entsprechende) Periodendauer muss bekannt sein, um die Leistung eines elektrischen Systems berechnen zu können. Die „Leistungsanalyse“ ist die Methode, mit der Leistung geprüft und untersucht wird. Dazu wird üblicherweise ein Leistungsanalysator verwendet.

Was ist ein Leistungsanalysator?

Ein Leistungsanalysator ist ein Gerät, das die Energieübertragungsrate (Leistung) in elektrischen Systemen misst und quantifiziert. Diese Energieübertragungsrate wird in Joule pro Sekunde (J/s) oder auch Kilowatt (kW) ausgedrückt. Elektrische Leistung ist also die Rate pro Zeiteinheit, mit der elektrische Energie in einem elektrischen System zwischen zwei Punkten übertragen wird.

SIRIUS XHS LeistungsanalysatorSIRIUS XHS Power Analyzer mit 4 Hochspannungs- und 4 Niederspannungsverstärkern zum Anschluss von Stromwandlern

Was ist elektrische Leistung?

Wenn wir einen Stromkreis betrachten, können wir nicht sehen, ob eine Spannung anliegt oder ein Strom fließt. Wir dürfen auch nicht einfach die Hand ausstrecken, um das herauszufinden, denn das ist extrem gefährlich und möglicherweise sogar tödlich. Stattdessen müssen wir zur Messung der Elektrizität ein geeignetes Instrument verwenden.
Wie können wir uns den Strom, der durch einen Stromkreis fließt, vorstellen? Nun, wir sind in der Lage, fließendes Wasser zu sehen, also lassen Sie es uns als Analogie verwenden, um die Funktionsweise elektrischer Schaltkreise zu erläutern. Es ist wohl bekannt, dass Wasser, damit es aus einem Rohr fließt, von Schwerkraft oder von einer mechanischen Pumpe angetrieben werden muss. 

Wasserpumpenkreis als Vergleich für Stromkreis

Elektrischer Schaltplan im Vergleich zu einer Wasserpumpe

In unserer Analogie gilt:

  • Spannung ist der Druck, der das Wasser durch das Rohr drückt. Je höher dieser Druck ist, desto schneller fließt das Wasser. Elektrische Spannung wird in Volt (V) gemessen.
  • Strom ist das für den Fluss des Wassers verfügbare Volumen. Je größer dieses Volumen ist, desto mehr Wasser kann fließen. Elektrischer Strom wird in Ampere (A) gemessen.
  • Widerstand ist eine Engstelle im Rohr, die den Wasserdurchfluss einschränkt. Der elektrische Widerstand wird in Ohm (R oder Ω) gemessen.

Wasserdurchfluss als bildliche Darstellung für Strom

Wenn sich der Strom nur in eine Richtung bewegt, ist er mit Wasser vergleichbar, das durch ein Rohr oder einen Schlauch fließt. In unserer Analogie ist das ein Gleichstrom (DC). Bewegt sich der Wasserstrom jedoch hin und her, dann verhält er sich analog zu einem Wechselstrom (AC)

Wechselstrom wird verwendet, um Elektrizität über weite Strecken zu transportieren, z. B. vom Kraftwerk zu unseren Häusern und Unternehmen.

Gleichstrom kommt bei moderner Elektronik und Batterien zum Einsatz. 

Der Bürocomputer, an dem Sie vielleicht gerade sitzen und diesen Text lesen, ist zwar an Wechselstrom angeschlossen, verfügt aber über eine Art Transformator, ein sogenanntes Schaltnetzteil (SMPS), das Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und die Gleichspannung auf den gewünschten Wert bringt. Wenn Sie ein Notebook verwenden, befindet sich das SMPS wahrscheinlich im externen „Power-Brick“ im Kabel, das die Wechselstrom-Wandsteckdose und das Gleichstromsystem im Notebook verbindet. Wenn Sie diesen Text auf einem Handy oder Tablet lesen, handelt es sich dabei ebenfalls um ein Gleichstromgerät, dessen interner Akku über ein externes Schaltnetzteil geladen wird.

Die Quantifizierung elektrischer Leistung

In der Physik ist elektrische Leistung die Rate, mit der eine Arbeit verrichtet wird. Sie entspricht der Menge der umgesetzten Energie pro Zeiteinheit. Die Maßeinheit für Leistung ist Joule pro Sekunde (J/s) oder Watt (W).

Was ist elektrische Leistung?

Elektrische Leistung ist die Rate pro Zeiteinheit, mit der elektrische Energie in einem elektrischen System zwischen zwei Punkten übertragen wird. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie in einem geschlossenen System weder aus dem Nichts erzeugt noch vernichtet werden kann. Sie kann lediglich von einer Energieform in eine andere umgewandelt bzw. übertragen werden. 

Da kein ideales elektrisches System existiert, ist eine Energieübertragung immer mit Verlusten verbunden. Die häufigste Form des Energieverlustes innerhalb eines elektrischen Systems ist Wärme. Wenn sich ein Stromkreis physikalisch erwärmt, bedeutet dies, dass ein Teil der transportierten Energie in Wärme umgewandelt wird und somit nicht für Arbeit genutzt werden kann. 

Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des betreffenden elektrischen Systems. Es ist kein Zufall, dass auch mechanische Systeme Wärme erzeugen. Sie sollten Ihre Hand zum Beispiel nicht an eine brennende Glühlampe legen, sonst erleben Sie die Energieumwandlung in Wärme direkt. Elektrische Leistung ist nur eine Ausweitung der physikalischen Grundlagen von Leistung im Allgemeinen.

Wie wird elektrische Leistung berechnet?

Zur Berechnung der Leistungsmenge in einem Stromkreis wird die Spannung (V) mit der Stromstärke (A) multipliziert, was nach der folgenden Gleichung Watt (W) ergibt: 

\[P(t) = I(t) \cdot U(t)\]

Diese Grundgleichung kann mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes umgewandelt werden, das besagt, dass die Stärke eines durch einen linearen Widerstand fließenden Stroms direkt proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand eines elektrischen Stromkreises bei konstanter Temperatur ist. Das Ohmsche Gesetz lässt sich auf verschiedene Weise darstellen:

\[U = I \cdot R\]

\[P = U \cdot I\]

\[P = I^2 \cdot R\]

\[P = \frac{U^2} {R}\]

Das Ohmsche Gesetz gilt jedoch nur für Gleichstrom (DC), bei dem die Spannung und die Stromstärke konstant sind. 

Bei Wechselstrom (AC) hingegen lässt sich mit den Gleichungen des Ohmschen Gesetzes nur die Leistung zu einem bestimmten Zeitpunkt ermitteln. Für die Wechselstrommessung benötigen wir also eine andere Methode.

Wenn wir die Eigenschaften elektrischer Leistung analysieren wollen, brauchen wir eine Gleichung, die sie genau beschreibt. Glücklicherweise gibt es eine solche Gleichung:

\[P=\frac{1}{T}\int_{t=0}^T u(t)\cdot i(t)\;dt\]

Dabei gilt:

  • P ist die Leistung in Watt (W);
  • i ist der Strom in Ampere (A);
  • u ist die Spannung in Volt (V);
  • T ist die Periodendauer in Sekunden (s).

In einem Graphen sieht diese Gleichung folgendermaßen aus: 

Leistungsberechnungsgleichung auf einer kartesischen Ebene mit Darstellung von Spannung, Stromstärke und Leistungskurve nach der IntegrationLeistungsberechnungsgleichung auf einer kartesischen Ebene mit Darstellung von Spannung, Stromstärke und Leistungskurve nach der Integration

Wenn wir uns die Krümmung der Wellenformen ansehen, erkennen wir, dass die elektrische Leistung in einem Wechselstromsystem nicht einfach dem Produkt von Spannung und Stromstärke entspricht, wie es in einem Gleichstromsystem der Fall ist. Sie ist vielmehr durch den zeitlichen Mittelwert der momentanen Leistung über einen Zyklus definiert. Dies bedeutet, dass wir zur Berechnung der Leistung eines Wechselstromsystems die Frequenz kennen müssen.

Zum Verständnis der Leistungsmessung

Grundsätzlich werden in elektrischen Wechselstromsystemen (AC) drei Arten von Leistung gemessen, nämlich:

  1. Wirkleistung (P)
  2. Blindleistung (Q)
  3. Scheinleistung (S)

Für die Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen ihnen gibt es ein praktisches Werkzeug: das auf dem Satz des Pythagoras basierende Leistungsdreieck. 

Leistungsdreieck, Zusammenhang zwischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung, einschließlich des Winkels phi und des auch als Cosinus phi (cos phi) bezeichneten WirkfaktorsDas Leistungsdreieck verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung, einschließlich des Winkels phi und des auch als Cosinus phi (cos phi) bezeichneten Wirkfaktors

Schauen wir uns diese Begriffe und ihre Bedeutung einmal genauer an:

Was ist Wirkleistung (P)?

Die Wirkleistung (P), auch bekannt als „Realleistung“, ist die in einem Wechselstromkreis maximal erzielbare Nutzleistung. 

Was ist Blindleistung (Q)?

Die Blindleistung (Q) wird nicht genutzt, aber zwischen der Stromquelle (z. B. einem Kraftwerk) und der Last transportiert. Dabei dient sie im Wesentlichen dem Aufbau der für den Transport der Wirkleistung über das Netz erforderlichen Spannung. 

Was ist Scheinleistung (S)?

Die Scheinleistung (S) ist die vektorielle Summe aus Wirk- und Blindleistung in einem Wechselstromnetz. 

Was ist der Wirkfaktor (PF)?

Der Wirkfaktor (PF) ist das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung und kann zwischen 1 und -1 liegen. 

Der Wirkfaktor ist ein Maß für die Menge an in der Übertragungsleitung vorhandener Wirkleistung im Vergleich zur Scheinleistung, die sich aus der Wirkleistung und der Blindleistung zusammensetzt. In anderen Worten handelt es sich um den Faktor, um den die Nutzleistung in der Übertragungsleitung geringer ist als die theoretisch mögliche Maximalleistung. Bei einer Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom kommt es zur Verminderung des theoretisch idealen Wirkfaktors.

Der Wirkfaktor wird oft als „cos phi“, „Cosinus phi" oder „cos φ“ angegeben.

Die Blindleistung kann positiv oder negativ sein, was durch das positive oder negative Vorzeichen des Winkels phi (φ) angezeigt wird. An diesem Vorzeichen lässt sich erkennen, ob der Strom der Spannung in der Übertragungsleitung voraus- oder nacheilt. 

Bei einem positiven Blindleistungswert ist er nacheilend, was auf eine induktive Last hinweist, die Blindleistung aufnimmt. 

Ist der Blindleistungswert hingegen negativ, dann ist der Strom vorauseilend, was auf eine kapazitive Last hinweist, die Blindleistung liefert.

Bei rein ohmschen Lasten, wie z. B. herkömmlichen Glühlampen, liegt der Wirkfaktor sehr nahe an 1. Das bedeutet, dass Spannung und Strom in Phase sind, so dass in der Übertragungsleitung nur sehr wenig Blindleistung vorhanden ist. 

Bei einem positiven Wirkfaktor ist die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom umso größer und es ist umso mehr Blindleistung in der Übertragungsleitung vorhanden, je näher er gegen Null geht. Bei einem negativen Wirkfaktor verhält es sich umgekehrt: bei PF = -1 beträgt die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom 180°.

Was ist der Unterschied zwischen Leistung und Energie?

Die Begriffe „elektrische Energie“ und „elektrische Leistung“ sind nicht austauschbar, da sie nicht dasselbe bezeichnen. Anhand der bereits eher von uns verwendeten Wasseranalogie lässt sich der Unterschied leicht verdeutlichen:

Elektrische Leistung und Energie bildlich als Wasser dargestellt

Leistung repräsentiert die Kapazität und Energie den Durchsatz über Zeit.  

Leistung ist hier also im Wesentlichen die auf dem Druck und dem Leitungsquerschnitt basierende Durchflussrate des Wassers zu einem gewissen Zeitpunkt. Elektrische Leistung wird in Watt (W), Kilowatt (kW) und Megawatt (MW) gemessen.

Energie ist die Wassermenge, die die Leitung innerhalb eines bestimmten Zeitraums passiert. Dementsprechend wird der Verbrauch auf Ihrer Stromrechnung auch in Kilowattstunden (kWh) angegeben.

Warum messen wir Leistung?

Der weltberühmte Unternehmensberater Peter Drucker sagte einmal: „Was man nicht messen kann, kann man nicht lenken“. 

Die Messung von Spannung und Stromstärke ist bei der Analyse eines elektrischen Systems nur der erste Schritt und kann mit jedem handelsüblichen Leistungsmessgerät einfach durchgeführt werden. 

Um etwas erfolgreich lenken zu können, benötigt man jedoch so viel Information wie möglich. Genau dafür sind Leistungsanalysatoren gedacht. Sie ermöglichen es dem Anwender, problemlos und mit wenig Aufwand komplexe Analysen beliebiger elektrischer Systeme durchzuführen.

Da elektrische Leistung immer wichtiger wird, ist es von wesentlicher Bedeutung, dass bei ihrer Messung und Nutzung strengstmögliche Standards erfüllt werden, um die Versorgungssicherheit und die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz der eingesetzten Geräte zu gewährleisten. Während des gesamten Prozesses von der Energieerzeugung bis hin zu ihrer Übertragung zu unseren Häusern und Unternehmen sind Leistungsanalysatoren entscheidend, wenn es um die Durchführung genauer und umfassender Messungen geht. 

Höchstmögliche Präzision bei der Leistungsmessung ist aus verschiedenen Gründen wichtig: 

  • in Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der Produkt- und Dienstleistungsperformance;
  • zur Steigerung der Energieeffizienz;
  • zur Reduzierung des Kosten- und Zeitaufwands;
  • für die Einhaltung nationaler und internationaler Normen;
  • zur Gewährleistung der Sicherheit von Produkten und Bedienern.

Was machen Leistungsanalysatoren?

Leistungsanalysatoren kommen bei einer Vielzahl von Prüfungen und Messungen an elektrischen Komponenten, Schaltungen und Systemen zum Einsatz. Häufig verwendet werden sie zum Beispiel für die folgenden Analysen:

Die Lastflussberechnung dient der Analyse von Energieversorgungsnetzen zur Ermittlung von Parametern wie der Spannungsgröße, der Stromgröße, des Phasenwinkels phi des Systems, der Wirkleistung, der Blindleistung, der Scheinleistung und des Wirkfaktors im stationären Betrieb. 

Zusätzlich müssen bei nichtlinearen Lasten die Verzerrungs- und die Verschiebungsblindleistung gemessen und analysiert werden. Theoretisch folgen Spannung und Strom in Europa einer perfekten 50-Hz-Sinuskurve (in Nord- und Südamerika in der Regel 60 Hz). Dies ist tatsächlich dann der Fall, wenn nur rein ohmsche lineare Lasten an das Netz angeschlossen sind (z. B. Glühlampen, elektrische Heizungen, Wechselstrom-Elektromotoren usw.). 

Das oben gezeigte Leistungsdreieck gilt nur für ohmsche Lasten, heutzutage werden allerdings immer mehr nichtlineare Lasten und Erzeuger an das Netz angeschlossen. Dies hat dazu geführt, dass das Leistungsdreieck um eine neue Dimension, bestehend aus Verzerrungs- und Verschiebungsblindleistung, ergänzt werden musste. Diese Phänomene werden im separaten Artikel Was ist Netzqualität? [*DEMNÄCHST VERFÜGBAR] behandelt. 

Lassen Sie uns einen Blick auf das neue Leistungsdreieck werfen:  

Leistungsdreieck, Wirk-, Blind- und Scheinleistung unter Einbeziehung der Verzerrungs- und VerschiebungsblindleistungDas neue Leistungsdreieck veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung unter Einbeziehung der neuen Dimension der Verzerrungs- und Verschiebungsblindleistung

Im folgenden Beispiel wird die vom Netz bereitgestellte Wechselspannung im Schaltnetzteil in die für die LED benötigten Gleichspannung umgewandelt. Hier die schematische Darstellung eines Messaufbaus: 

Schematische Darstellung, Leistungsmessaufbau für LED-Tests mit den AC- und DC-Strom- und Spannungsverläufen, wird vom Dewesoft-Leistungsmodul gemessen

Schematische Darstellung eines Leistungsmessaufbaus für LED-Tests mit den AC- und DC-Strom- und Spannungsverläufen, die vom Dewesoft-Leistungsmodul gemessen werden

Heutzutage werden immer mehr nichtlineare Lasten (Vorschaltgeräte, Gleichrichter, Wechselrichter, Personal Computer usw.) und nichtlineare Erzeuger (Wind-, Solar- und andere Energiegeneratoren) an das Netz angeschlossen. Dabei weisen die Strom- und Spannungsverläufe keine ideale sinusförmige Wellenform auf, sondern sind verzerrt, und zur Bestimmung der Auswirkungen der nichtlinearen Lasten auf die Stromstärke und die Spannung in einem elektrischen System ist eine Oberschwingungsanalyse erforderlich.

Eine Kurzschlussanalyse wird durchgeführt, um Informationen über alle möglichen Betriebsszenarien des elektrischen Systems zu erhalten und die stromabhängigen Eigenschaften einzelner Systemkomponenten zu ermitteln.

Die Koordinationsanalyse wird zur Unterstützung der Entwicklung eines Überstromschutzes durchgeführt. Sie berücksichtigt die Eigenschaften der Schutzeinrichtung, einschließlich ihrer Dimensionierung und Konfiguration, um den idealen Betriebsbereich zu ermitteln.

Dewesoft-Leistungsanalysatoren

Die Leistungsanalysatoren von Dewesoft sind nicht nur die kompaktesten Leistungsanalysatoren der Welt, sondern auch die leistungsfähigsten. Ihre flexible Hardwareplattform kombiniert mit leistungsstarken Softwarefunktionen bietet einzigartige Möglichkeiten für elektrische Messungen aller Art. Mit unseren Leistungsanalysatoren können mehr als 100 Leistungsparameter berechnet werden, darunter P, Q, S, PF, cos phi und viele andere. 

Darüber hinaus bieten sie mehrere Funktionen, für die sonst zusätzliche Instrumente benötigt werden:

  • Rohdatenaufzeichnung,
  • Oszilloskop,
  • FFT-Analyse,
  • Oberschwingungsanalyse
  • usw.

Alle diese Berechnungen können online in Echtzeit und/oder im Rahmen der Nachverarbeitung durchgeführt werden.

Alles in einem Gerät: Leistungsanalysator, FFT-Analysator, Rohdatenaufzeichnung, Oszilloskop, Oberschwingungsanalysator, Temperaturschreiber, SchwingungsschreiberDer Dewesoft Power Analyzer vereint mehrere Instrumente und Funktionen in einem einzigen Gerät: Leistungsanalysator, FFT-Analysator, Rohdatenaufzeichnung, Oszilloskop, Oberschwingungsanalysator, Temperaturschreiber, Schwingungsschreiber und viele mehr

Die Leistungsanalysatoren der Reihe Dewesoft R8 erlauben es, für Spannungs- und Strommessungen bis zu 64 High-Speed-Analogeingänge (bis zu 1 MS/s bei 16-Bit und 2 MHz Bandbreite pro Kanal) im selben Gehäuse zusammenzufassen.

Der Leistungsanalysator Dewesoft R8DB erlaubt es, im selben Messgerät 64 Kanäle zu konfigurierenDer Leistungsanalysator Dewesoft R8DB erlaubt es, im selben Messgerät 64 Kanäle zu konfigurieren, die dann passend zur jeweiligen Messanwendung ausgewählt werden können

Das System bietet nicht nur volle Kanal-zu-Masse- (Sensorseite) und Kanal-zu-Kanal-Isolation, sondern sogar eine isolierte Sensorversorgung. Echte galvanische Trennung bedeutet weniger Rauschen, Vermeidung von Masseschleifen und bestmögliche Signalqualität.

Die Hochspannungseingänge sind für direkte Messungen entsprechend den Messkategorien 1600 V DC/CAT II 1000 V/CAT III 600 V ausgelegt. Ströme können mit hochpräzisen Stromsensoren, wie Nullfluss-Stromwandlern, AC/DC-Stromzangen, Rogowsky-Spulen oder Shunts, gemessen werden.

Dewesoft bietet eine breite Palette von Stromwandlern und Stromsensoren für alle Strommessbereiche und GenauigkeitenDewesoft bietet eine breite Palette von Stromwandlern und Stromsensoren für alle Strommessbereiche und Genauigkeiten

Und obwohl es sich bei dem Gerät in erster Linie um einen Leistungsanalysator handelt, ist es auch in der Lage, Daten diverser anderer Signalquellen zu erfassen, einschließlich Beschleunigungsmessern, Dehnungsmessstreifen, Kraft- und Lastsensoren, Thermoelementen, Widerstandsthermometern, Zählern und Encodern, GPS, CAN BUS, XCP, FlexRay und sogar Video. Dabei werden alle Kanäle miteinander synchronisiert.

Typischer 3-Phasen-Delta-Messbildschirm der DewesoftX-LeistungsanalysesoftwareTypischer 3-Phasen-Delta-Messbildschirm der DewesoftX-Leistungsanalysesoftware

SIRIUS XHS - Leistungsanalysator der nächsten Generation

Der Leistungsanalysator SIRIUS XHS  ist das neueste Modell in der SIRIUS-Reihe. Es handelt sich um ein High-Speed-Datenerfassungssystem, das in der Lage ist, jeden seiner acht Analogeingänge mit bis zu 15 MS/s/Kanal und 5 MHz zu erfassen. 

Das SIRIUS XHS mit vier HV- und vier LV-VerstärkernDas SIRIUS XHS mit 4 Hoch- und 4 Niederspannungs-Verstärkern

Das System ist mit der komplett neuen HybridADC-Technologie ausgestattet, die eine Transientenaufzeichnung mit hoher Bandbreite und eine höchst dynamische, aliasing-freie Datenerfassung ermöglicht. Die aliasing-freie Filterung erlaubt die Erfassung von Signalen mit einem Dynamikbereich bis zu 160 dB. Die hohe Kanal-zu-Kanal- und Kanal-zu-Masse-Isolation verhindert Überspannungsschäden und Masseschleifen.

Die neue HybridADC-Technologie im Leistungsanalysator SIRIUS XHS

Für die meisten Leistungsanwendungen wird der SIRIUS XHS mit je vier Hochspannungs- und vier Niederspannungsverstärkern (HV/LV) konfiguriert: 

  • SIRIUS XHS HV: Hochisolierter Hochspannungs-Analogeingang (CAT II 1000V). Dieser Verstärker kann Bereiche zwischen 20 V und 2000 V (Spitze) mit einer Bandbreite von 5 MHz und einer Genauigkeit von 0,03 % direkt messen. Er ist ideal für den direkten Anschluss von Hochspannungssignalen. Alle Anschlüsse sind mit isolierten Sicherheits-Bananenbuchsen (rot/schwarz) ausgestattet.
  • SIRIUS XHS LV: Hochisolierter Niederspannungs-Analogeingang. Dieser Verstärker kann Bereiche zwischen 0,05 V und 100 V mit einer Bandbreite von 5 Mhz und einer Genauigkeit von 0,03 % messen und ist in der Lage, bestimmte Sensoren mit einer Erregerspannung zu versorgen (für die Sensorerregung werden DSUB9-Buchsen benötigt). Er ist ideal für den direkten Anschluss von Niederspannungssignalen und Stromwandlern und ist mit DSUB9- oder BNC-Buchsen erhältlich. Beachten Sie, dass bei Verwendung von DSUB9-Buchsen auch Erregerspannungen für Sensoren und TEDS für die intelligente Sensorkonfiguration zur Verfûgung stehen. 

Bei Verwendung von DSUB9-Buchsen kann der LV Verstärker auch mit Smart-Interface-Adaptern der DSI-Serie ausgestattet werden, die den Anschluss anderer Sensortypen an die einzelnen LV-Kanäle erlauben, zum Beispiel:

  • DSI-ACC für IEPE-Beschleunigungssensoren und Mikrofone
  • DSI-CHG für Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang
  • DSI-RTD für RTD-Temperatursensoren
  • DSI-TH für Thermoelemente (J, K, T usw.)
  • DSI-LVDT für LVDT-Weg-/Abstandssensoren

Wird ein beliebiges DSI-Modell an einen LV-Kanal angeschlossen, dann erkennt die Datenerfassungssoftware DewesoftX dies automatisch (mithilfe des TEDS-Sensorstandards) und konfiguriert den Kanal entsprechend, indem sie den Eingangstyp, die Verstärkung, den Bereich und die Skalierung passend einstellt. Der Benutzer kann selbst weitere Einstellungen vornehmen und diese in der integrierten Sensordatenbank speichern.

Das Grundrauschen, die Gleichtaktunterdrückung, die Verstärkung und die Offset-Drifts beider Verstärker sind bei geringerer Bandbreite mit denen der Standard-Gerätereihe SIRIUS DualCoreADC vergleichbar.

Diese Verstärker sind perfekt für E-Mobilitäts-Messungen geeignet, bei denen höchste Präzision in der Leistungsanalyse eine absolute Notwendigkeit ist.

Leistungsanalysator mit integriertem FFT-Analysator

Herkömmliche Leistungsanalysatoren bestimmen die Periodendauer durch Nullpunkterfassung. Das bedeutet, dass sie auswerten, wann die Spannung oder der Strom die x-Achse kreuzt, und die Periodendauer dann anhand dieses Wertes berechnen. 

Dewesoft hingegen verwendet zur Bestimmung der Periodendauer (Frequenz) einen speziellen FFT-Algorithmus (Schnelle Fourier-Transformation).

Auf Grundlage der vorher bestimmten Periodendauer kann dann eine FFT-Analyse von Spannung und Strom für eine definierbare Anzahl von Perioden (bei einer Basisfrequenz des Systems von 50 Hz üblicherweise 10) und mit wählbarer Abtastrate durchgeführt werden. Die FFT-Analyse liefert eine Spannungs- und Stromamplitude sowie den Leistungsfaktor für jede Harmonische. 

Das Dewesoft-Leistungsmodul verfügt zusätzlich zu den anderen visuellen Anzeigen über einen integrierten FFT-AnalysatorDas Dewesoft-Leistungsmodul verfügt zusätzlich zu den anderen visuellen Anzeigen über einen integrierten FFT-Analysator

Mehrphasige Leistungsanalysatoren

Im DewesoftX-Leistungsmodul stehen mehrere vordefinierte Systemkonfigurationen zur Auswahl. Die gängigsten sind:

  • Gleichstrom 
  • 1-phasig
  • 2-phasig (wird z. B. bei speziellen Motortypen verwendet) 
  • 3-phasig Stern
  • 3-phasig Dreieck
  • Aron- und V-Schaltung (Hierbei handelt es sich im Prinzip um eine Stern- bzw. Dreiecksschaltung, bei der jedoch nur zwei statt drei Ströme gemessen werden. Diese Schaltungen werden in der Regel verwendet, um Platz oder Kosten zu sparen.)

Für spezielle Konfigurationen wie 6-, 7-, 9- oder 12-phasige Motormessungen können mehrere ein- oder dreiphasige Systeme kombiniert und die Leistungswerte in der Mathematik-Bibliothek aufsummiert werden. Das bedeutet, dass es möglich ist, die Leistung vollständig synchron an verschiedenen Stellen zu messen. 
In der Mathematik-Bibliothek können die Leistungsmodule weiter verfeinert werden; möglich ist zum Beispiel die automatische Berechnung des Wirkungsgrads. Dies ist auch bei der Messung mehrphasiger Motoren (6 bis 12 Phasen) sehr hilfreich.

Das Dewesoft-Leistungsmodul kann für 1-, 2- und 3-phasige Systeme konfiguriert werden, die sich zu 6-, 7-. 9- oder sogar 12-phasigen Systemen kombinieren lassenDas Dewesoft-Leistungsmodul kann für 1-, 2- und 3-phasige Systeme konfiguriert werden, die sich zu 6-, 7-. 9- oder sogar 12-phasigen Systemen kombinieren lassen

Messtechniker können einfach eines oder mehrere der zu messenden Systeme aus dieser Liste auswählen:

  • 1-phasig 
  • 2-phasig
  • 3-phasig Stern
  • 3-phasig Dreieck
  • 3-phasig Aron
  • 3-phasig V
  • 3-phasig 2-Wattmeter-Methode

Darüber hinaus stehen zahlreiche weitere Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung, wie z. B. Netzfrequenz, Ausgabeeinheiten, Frequenzquelle (der zur genauen Frequenzbestimmung auszuwertende Kanal), Phase usw.

Dank des modularen Aufbaus der Dewesoft-Messgeräte ist der Anwender nie auf die ausschließliche Messung von Leistungswerten beschränkt. An die Datenerfassungssysteme von Dewesoft können praktisch alle Arten von Sensoren angeschlossen werden, was bedeutet, dass die auch zur Messung von Temperatur, Kraft, Vibration, Schall, GPS, Video, Geschwindigkeit, Drehzahl, Drehmoment usw. verwendet werden können.

Der Dewesoft-Leistungsanalyseschaltplan

Der Dewesoft-Leistungsanalyseschaltplan für den Test von Wechselrichtern und Elektromotoren

Techniker, die Tests an Elektro- oder Hybridfahrzeugen durchführen, möchten möglicherweise auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Batterietemperatur, CAN-Bus-Daten und die GPS-Position oder sogar die genaue Position des Fahrzeugs auf einer Teststrecke erfassen und aufzeichnen. 

Statt zwei, drei oder noch mehr unterschiedliche Messgeräte zu verwenden, bietet Dewesoft die Möglichkeit, alle Messwerte gleichzeitig mit einem einzigen Gerät aufzuzeichnen. Dies bringt mehrere entscheidende Vorteile mit sich:

  • Die Daten brauchen nach der Messung nicht manuell zusammengeführt werden.
  • Die Daten sind bis hinunter auf die Sample-Ebene voll synchronisiert.
  • Alle Daten können auf demselben Bildschirm betrachtet und in dieselbe Datei geschrieben werden.
  • Durch die Konfiguration und Verwendung nur eines Messsystems und einer Software lässt sich bei der Testvorbereitung viel Zeit sparen.

Live-Demonstration des Dewesoft Power Analyzer auf der Battery Show Expo

Verbesserung der Strom- und Spannungsmessgenauigkeit durch Sensordatenbank

Es ist zu beachten, dass jeder Verstärker, Strom- und Spannungswandler eine gewisse Ungenauigkeit oder Nichtlinearität aufweist. Mit den Leistungsanalysatoren von Dewesoft können diese Fehler jedoch im Voraus gemessen und in eine XML-Sensordatenbank eingegeben werden. Die Software DewesoftX bringt dann entsprechende Korrekturfaktoren in Echtzeit zur Anwendung und gewährleistet so genauere Messwerte und Ergebnisse.

Die Analogsensor-Datenbank von DewesoftXDie Analogsensor-Datenbank von DewesoftX

Die integrierte Sensordatenbank eliminiert auch das Fehlerrisiko durch manuelle Dateneingabe. Die Auswahl eines Transducers aus der Liste anstelle der manuellen Parametereingabe spart nicht nur Zeit, sondern hilft auch, Tippfehler zu vermeiden, die zu einer falschen Skalierungs- oder Verstärkungswahl führen können.

In der Sensordatenbank kann die Skalierung mithilfe von Formeln für lineare Funktionen (y=mx+b), Nachschlagetabellen, Polynomen und sogar Übertragungskennlinien konfiguriert werden. Dies muss für die meisten Sensoren nur einmal geschehen. Techniker können Sensoren hinzufügen, bearbeiten und löschen und ihre Kalibrierungsinformationen, einschließlich der Kalibrierungsfälligkeitsdaten usw., jederzeit aktualisieren.

Die in der Sensordatenbank verwendeten Einheiten basieren auf den definierenden Konstanten der sieben SI-Basisgrößen und sind von diesen abgeleitet:

  • Länge - Meter (m)
  • Zeit - Sekunde (s)
  • Stoffmenge - Mol (mol)
  • Stromstärke - Ampere (A)
  • Thermodynamische Temperatur - Kelvin (K)
  • Lichtstärke - Candela (cd)
  • Masse - Kilogramm (kg)

Während sie also an sich metrisch sind (wie z. B. m/s2 als Einheit der Beschleunigung), steht es dem Anwender frei, andere Einheiten (in diesem Fall zum Beispiel G oder g) zu wählen. In anderen Worten lassen sich die ausgegebenen technischen Einheiten so anpassen, dass sie für alle Benutzer weltweit bequem zu handhaben sind. 

Die Dewesoft-Software umfasst auch Sensordatenbanken für Zähler/Encoder/Drehzahlsensoren.

Strommessung mit Dewesoft

Die Strommessung wird üblicherweise in zwei Hauptgruppen unterteilt:

  • direkte Strommessung 
  • indirekte Strommessung 

Bei der „direkten“ Strommessung wird der Leiter abgeklemmt und ein Sensor in Reihe in den Stromkreis geschaltet. Diese Methode funktioniert ohne zusätzliche Schaltungen. 

Das gebräuchlichste Gerät für die direkte Strommessung ist ein Shunt- oder Nebenwiderstand, der in Reihe in den Stromkreis geschaltet wird. Ein Shunt hat einen sehr geringen und vom Hersteller sehr genau bestimmten Widerstand und funktioniert nach dem Prinzip, dass es beim Stromfluss durch diesen Widerstand zu einem sehr kleinen Spannungsabfall kommt, der gemessen und dann mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes in eine Stromstärke umgerechnet wird.

Typische Shunt-Strommessanordnung
Typische Shunt-Strommessanordnung

Wir können diesen Abfall messen und das Ohmsche Gesetz anwenden, um die Stromstärke zu berechnen.

Ohmsches Gesetz als Dreieck dargestellt
Grafische Darstellung des Ohmschen Gesetzes

Darüber hinaus ist die Genauigkeit des Widerstands ein wichtiger Faktor, da sie sich direkt auf die Genauigkeit der Messung selbst auswirkt.

Stromshunt Dewesoft DSIi-10AStromshunt Dewesoft DSIi-10A

Dewesoft bietet mehrere kompakte Stromshunts an, von denen jeder einen anderen Strommesswiderstand enthält, so dass sie für die Messung unterschiedlicher Strombereiche geeignet sind. Diese Shunts wurden so konstruiert, dass sie die Schaltung selbst so wenig wie möglich beeinflussen. 

DSI-Adapter können an praktisch alle Dewesoft-Datenerfassungsgeräte angeschlossen werden. Die isolierten Analogeingänge der Dewesoft-Verstärker sind ein entscheidender Faktor für die Gewährleistung genauer Messungen, da der Shunt direkt mit der zu messenden Schaltung verbunden wird und eine Isolierung zwischen der Schaltung und dem Messsystem immer wichtig ist. Isolierte Eingänge bedeuten, dass Sie Ihren Shunt an der Low-Side (Masseleitung) oder der High-Side (Versorgungsspannungsleitung) der Schaltung platzieren können und sich keine Sorgen über Erdschleifen- oder Gleichtakt-Messfehler zu machen brauchen.

Wenn man sich noch einmal das Ohmsche Gesetz und die gegenseitige Abhängigkeit von Spannung, Strom und Widerstand vor Augen führt, wird absolut deutlich, dass ein DAQ-System in der Lage sein muss, Spannung und Widerstand sehr präzise zu messen, um eine genaue Strommessung durchführen zu können.

Bei der „indirekten“ Strommessung hat der Stromsensor keinen direkten Kontakt mit dem Stromkreis. Stattdessen misst er das magnetische Feld, das induziert wird, wenn Strom durch einen Leiter fließt, und wandelt es dann in einen Strommesswert um (elektrische Ladungen erzeugen elektrische Felder).

Der Vorteil der indirekten Strommessung liegt in der galvanischen Trennung des Sensors vom Leiter und in der Tatsache, dass der Stromkreis selbst nicht gestört oder unterbrochen werden muss. Die indirekte Strommessung ist auch für sehr hohe Ströme geeignet.

Dewesoft unterstützt fast alle heute auf dem Markt erhältlichen Stromwandler. Einige davon können direkt vom Messgerät gespeist werden, während andere eine externe Stromversorgung benötigen, da das Messgerät nicht in der Lage ist, die erforderliche Erregungsleistung zu liefern. 

Dewesoft hat hierfür eine Lösung: Das SIRIUS PWR-MCTS2 ist ein Netzteil, mit dem diese Stromwandler ohne die Erfordernis externer Stromversorgungsgeräte von Drittanbietern direkt über Dewesoft-Geräte betrieben werden können. Das SIRIUS PWR-MCTS2 ist im kompatiblen SIRIUS- oder SIRIUS XHS-Modulchassis oder im SIRIUS-basierten Rack-Gehäuse, integriert in ein Datenerfassungssystem wie R2DB, R3, R4, oder R8 erhältlich.

Datenerfassungssystem SIRIUS R8 und SIRIUS-PWR-MCTS2 und SIRIUS 4xHV 4XLVOben: Datenerfassungssystem SIRIUS R8 mit mehreren Messsmodulen, einschließlich dem rackkompatiblen SIRIUS-PWR-MCTS2; unten: SIRIUS-PWR-MCTS2 und SIRIUS 4xHV 4XLV im Modulchassis

Erfahren Sie mehr über Dewesoft und die Verwendung der TEDS-Sensortechnologie:

Dewesoft-PRO-Online-Training: Strommessung

Strommessung mit Stromsensoren

Was ist der TEDS-Sensorstandard IEEE 1451.4?

SIRIUS XHS-PWR für Tests von Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Eine weitere Innovation ist das SIRIUS XHS-PWR, eine neue, speziell für die Prüfung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen entwickelte Variante des klassischen SIRIUS-Datenerfassungssystems. Das SIRIUS XHS-PWR ist mit der patentierten DC-CT-Stromwandlertechnologie ausgestattet, die sehr präzise Strommessungen auch in anspruchsvollsten Anwendungen, wie z.B. bei sehr hohen Stromspitzen sowie bei Ableitstromprüfungen, ermöglicht.

Das SIRIUS XHS-PWR mit integriertem DC-CT-StromwandlerDas SIRIUS XHS-PWR mit integriertem DC-CT-Stromwandler

Dieses neue Messgerät ist perfekt für E-Mobilitäts-Messungen geeignet, bei denen höchste Präzision in der Leistungsanalyse, eine absolute Notwendigkeit ist. Der Stromwandler nutzt die patentierte, auf dem Platiše-Fluxsensor basierende DC-CT®-Technologie. Er ist in ein sehr kleines Gehäuse eingebaut und bietet Messbereiche von 100 A, 500 A und 1000 A, eine Bandbreite von 1 MHz, Unempfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern, geringe Offsets und eine ausgezeichnete Linearität.

Typische Leistungsprüfung im Fahrzeug, mit zusätzlichen Eingangssignalen wie CAN-Bus, Videokamera und synchronen GPS-DatenTypische Leistungsprüfung im Fahrzeug, mit zusätzlichen Eingangssignalen wie CAN-Bus, Videokamera und synchronen GPS-Daten

Die Verstärker sind auch in der Lage, Spannungen bis 2000 V Spitze (CAT II 1000V) mit einer Bandbreite bis zu 5 MHz zu messen.

SIRIUS XHS-PWR mit integriertem DC-CT StromwandlerSIRIUS XHS-PWR

Dieses Gerät hat zwei Eingänge:

Diese Eingänge werden direkt an die Stromleitung des Fahrzeugs angeschlossen und bieten so ultimative Bequemlichkeit, Bandbreite und Genauigkeit bei E-Mobilitäts-Tests. Das Gerät bietet Schutzart IP65 und ist somit auch für den Einsatz in rauen Umgebungen und bei Fahrten in unwegsamem Gelände geeignet.

Vergleichstabelle DC-CT-Stromwandler vs. andere Stromsensortypen

  Typ Isoliert Bereich Bandbreite Linearität Genauigkeit Temp.-Drift Verbrauch
DC-CT DC/AC Ja Groß Groß Ausgezeichnet Sehr hoch Sehr niedrig Mittel
Fluxgate DC/AC Ja Groß Groß Ausgezeichnet Ausgezeichnet Gering Hoch
Hall DC/AC Ja Groß Mittel Mittel Mittel Groß Niedrig/mittel
Shunt DC/AC Nein Mittel Mittel Gut Groß Mittel Hoch
Rogowsky AC Ja Groß Groß Gut Mittel Gering Klein
Stromwandler AC Ja Groß Mittel Mittel Mittel Gering Klein

Kompatible Stromwandler 

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die verfügbaren Stromwandlertypen, ihre Eigenschaften und Anwendungsbereiche.  

Übersicht der Stromwandler und ihrer Anwendungsbereiche

Eigenschaften Applications
Typ AC DC Bereich Genauigkeit Bandbreite Vorteile Nachteile Leistungs-
analysator
E-Mobilität Netz-überwachung
Eisenkern-Strom-zangen Ja Nein 5 kA 0,5 - 4 % 10 kHz Preisgünstig Schwer
Unflexibel
Geringe Bandbreite
Nein Nein Ja
Billige Rogowsky-Spule Ja Nein 10 kA 1 % 20 kHz Robust
Flexibel
Linear
Keine magnetische Beeinflussung
Überlastsicher
Keine DC-Messung
Große Positionsfehler
Nein Nein Ja
Gute Rogowsky-Spule Ja Nein 50 kA 0,3 % bis 20 MHz Robust
Flexibel
Linear
Keine magnetische Beeinflussung
Überlastsicher
Keine DC-Messung
Große Positionsfehler
Teilweise Teilweise Ja
Hall-kompensierte AC/DC-Stromzange Ja Ja 300 A 1,5 % 100 kHz AC/DC-Messung
Hohe Genauigkeit
Hohe Bandbreite
Kann geöffnet werden
Kleiner Messbereich Ja Ja Ja
Fluxgate-AC/DC-Stromzange Ja Ja 700 A 0,3 % 500 kHz AC/DC-Messung
Hohe Genauigkeit
Hohe Bandbreite
Kann geöffnet werden
Externe Spannungsquelle erforderlich Ja Ja Ja
Nullfluss-wandler Ja Ja 2000 A 0,002 % bis 300 kHz AC/DC-Messung
Hohe Genauigkeit
Hohe Bandbreite
Geringer Phasenfehler
Geringer Offset
Kann nicht geöffnet werden
Externe Spannungsquelle erforderlich
Ja Ja Ja

Dewesoft entwickelt und produziert weltweit geschätzte Mess- und Datenerfassungsgeräte für verschiedenste Branchen und Anwendungen. Ein Schwerpunkt liegt dabei seit den frühen 2000er-Jahren auf der Leistungs- und der Netzqualitätsanalyse. 

Damals ahnten wir noch nicht, dass sich die Elektromobilität in einem so rasanten Tempo entwickeln würde, wie es inzwischen der Fall ist. Und das ist nur eine der Anwendungen, bei der tragbare, leistungsstarke Leistungsanalysatoren und Netzqualitätsanalysatoren unverzichtbar sind.

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