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Aufbau der Rückführung für die elektrische Leistung mit periodischen nicht-sinusförmigen Strom- und Spannungssignalen

06.10.2022

Die Notwendigkeit des Aufbaus einer geeigneten messtechnischen Rückführung für Messgrößen nichtsinusförmiger Strom- und Spannungssignale ergibt sich aus zunehmend häufigen Anfragen aus Industrie und aus dem gesetzlichen Messwesen. Hierbei handelt es sich meist um die Klärung von Unstimmigkeiten, die bei entsprechenden Messungen unter Nutzung verschiedener Messgeräte auftreten.


Die Erzeugung und Messung der elektrischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung bei nicht-sinusförmigen Signalen stellen dabei besondere Anforderungen an die verwendeten Quellen und Sensoren. Betrachtet werden hierbei periodische nicht-sinusförmige Signalverläufe, die sich aus der Überlagerung diverser Sinussignale mit unterschiedlichen Frequenzen und festem Phasenbezug ergeben. Der letztere Punkt ist besonders wichtig, da sich bei der Überlagerung der Signale mit festem Phasenbezug die tatsächlich wirksamen Änderungen von Spannung U und Stromstärke I (also die zeitlichen Ableitungen dU/dt bzw. dI/dt) ergeben. Die bisherigen einschlägigen Erfahrungen und Ergebnisse der PTB weisen auf einen starken Einfluss dieser Größen auf sich ergebende Messwertunterschiede hin.

Als Basis für den Messaufbau dient der Leistungsmessplatz der PTB für Frequenzen bis 150 kHz, der hier für Untersuchungen der Signal-Frequenzanteile bis 150 kHz genutzt wird. Die maximalen Effektiv- und Scheitelwerte der Spannungen und Stromstärken sind stark von den Überlagerungen der individuellen spektralen Signalbestandteile abhängig. Der Scheitelfaktor (Crest-Faktor), also das Verhältnis zwischen Scheitelwert und Effektivwert, kann hierbei deutlich größer werden als der Wert von etwa 1,41, der sich für sinusförmige Signale ergibt.

Zu Verifizierung der mit diesem Messaufbau erzielten Messunsicherheiten ist die Teilnahme der PTB an den internationalen Vergleichen EM-K13 und CCEM-K13 für „Harmonics of voltage and current“ in 2023 geplant. Neben festgelegten synthetischen Testsignalen gemäß der Norm IEC 62053-21 kommen hier auch weitere, vom kanadischen nationalen Metrologieinstitut NRC gemessene Signale zur Anwendung. Die in der Abbildung gezeigte Grafik „NRC 0002“ (links) stellt den zeitlichen Spannungsverlauf, „NRC 0003“ den zeitlichen Stromverlauf eines typischen Testsignals im internationalen Vergleich dar. Gemessen werden alle Harmonischen bis 2500 Hz, wobei sowohl die einzelnen Amplituden als auch die Phasenwinkel der Frequenzanteile ermittelt werden.

 

Bild: Prinzipielle zeitliche Signalverläufe der Spannung (links, etwa 100 V Effektivspannung) und der Stromstärke (rechts, etwa 5A Effektivstromstärke) über eine 50 Hz-Periode für den geplanten Vergleich CCEM-K13 (nähere Erläuterungen siehe Text).

 

 

Ansprechperson:

Matthias Schmidt

Fachbereich 2.3 „Elektrische Energiemesstechnik“

matthias.schmidt@ptb.de