Die gute Nachricht ist, dass man das Thema Phasenverschiebung weitgehend vernachlässigen kann, wenn sich die Frequenzen bei Schaltelementen unter 10kHz bewegen. Die schlechte Nachricht ist, dass bei der Leistungsanalyse neben der Grundfrequenz auch die Harmonischen berücksichtigt werden müssen, denn hochfrequente Schaltelemente erzeugen Harmonische höherer Ordnung. Es reicht also nicht aus, nur die Grundfrequenz zu betrachten.
Wirkung der Phasenverschiebung
Als Beispiel sei eine Schalteinheit auf Basis eines SiC-MOSFETs mit einer Schaltfrequenz von 20kHz genommen. Natürlich gibt es Anwendungen auf SiC-Basis, bei denen mit weit höheren Schaltfrequenzen gearbeitet wird – aber Ziel der Übung ist der Beleg, dass die Phasenverschiebung selbst bei Schaltfrequenzen von 20kHz Auswirkungen auf das Messergebnis hat.
Nicht dramatisch, aber relevant
In aktuellen Leistungsanalysatoren werden regelmässig bis zu 100 Harmonische bei Messungen einbezogen. Selbstverständlich ist der Einfl uss beispielsweise der 99. Harmonischen auf das Messergebnis nicht dramatisch – aber es wird dadurch Leistung im MHz-Bereich vermessen, bei denen das Thema Phasenverschiebung durchaus relevant ist.
Eine Frage der Genauigkeit
Bei der hochgenauen Vermessung von Leistungsanwendungen wird üblicherweise mit Stromsensorik zur Erfassung der Ströme gearbeitet. Ein Grund liegt darin, dass ShuntEingänge – über die manche Analysatoren verfügen – bei hohen Strömen und höheren Frequenzen nicht die notwendige Genauigkeit liefern und für hohe Ströme oft auch nicht dimensioniert sind.
Phasenfehler mit steigender Frequenz
Allerdings produziert jeder Stromsensor prinzipbedingt und herstellerunabhängig mit steigender Frequenz einen wachsenden Phasenfehler, was auf die induktive Charakteristik des magnetischen Kerns und dessen Verschaltung zurückzuführen ist. Zusätzlich sorgen die unterschiedlichen Designs der verschiedenen Sensoren dafür, dass dieser Fehler bei jedem Sensormodell unterschiedlich hoch ausfällt.
Einzigartige Funktion
HIOKI ist der einzige Anbieter von Lösungen für die Leistungsanalyse, der eine echte Kor rekturmöglichkeit des Phasenfehlers als Funktion anbietet. Möglich wird dies, da nur HIOKI sowohl die Leistungsanalysatoren als auch die passende Sensorik selbst entwickelt und herstellt. Die Analysatoren erkennen deshalb die Sensorik und beziehen deren bekannte Charakteristik in die Messungen mit ein.
Messung in hohen Frequenzbereichen begünstigt
Sowohl der HIOKI Leisungsanalysator PW6001 als auch der PW3390 können die sensortypischen Phasenfehler berücksichtigen und bei der Messung korrigieren. Die Genauigkeit der Messung in hohen Frequenzbereichen wird auf diese Weise entsprechend erhöht.
Vergleichsmessung mit und ohne Korrekturfunktion
Zur Verdeutlichung des Effekts soll folgende Vergleichsmessung beitragen, bei der die gleiche Messung jeweils mit und ohne der Korrekturfunktion des Phasenfehlers durchgeführt wurde. Grundlage der Messung ist ein weit verbreiteter Inverter-Aufbau mit einer DC-Phase am Eingang und drei AC-Phasen am Ausgang. Der Inverter basiert dabei auf dem erwähnten SiC-MOSFET-Schaltelement mit einer Grundfrequenz von 20kHz.
Klar ersichtliche Unterschiede
Betrachtet man die gemessene Inverter-Effi zienz und die Verlustleistung am Inverter in Abbildung 3, so erkennt man rasch den positiven Einfl uss der Phasenkorrektur-Funktion auf die Messergebnisse: Die gemessene Verlustleistung ist kleiner und die gemessene Effi zienz des Inverters ist grösser.
Selbst bei diesen niedrigen Frequenzen erhöht sich also die gemessene Ausgangsleistung des Inverters um einen Wert zwischen 0.1 Prozent und 0.15 Prozent. Das klingt auf den ersten Blick nicht dramatisch – aber jeder Ingenieur, der sich mit der Optimierung von Invertern befasst, weiss, dass dies ein signifi kanter Unterschied ist. Man kann sich leicht vorstellen, wie gross die Unterschiede sind, wenn Inverter mit höheren Schaltfrequenzen vermessen werden. «
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