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Verbesserter Strom-Spannungswandler für das Leistungsnormal der PTB

07.12.2020

In der elektrischen Energieversorgung ist die richtige Messung der elektrischen Leistung und insbesondere der elektrischen Energie von herausragender Bedeutung, da über diese Größen die Abrechnung mit den Kunden erfolgt.

 

 

Die Referenzmesssysteme in den jeweiligen staatlich anerkannten Prüfstellen, Eichbehörden, Kalibrierlaboratorien oder Konformitätsbewertungsstellen sind direkt oder indirekt an das nationale Leistungsnormal der PTB angeschlossen. In den nächsten Jahren wird dieses Normal schrittweise modernisiert, um geringere Messunsicherheiten einerseits, aber auch ganz neue Messmöglichkeiten andererseits zu ermöglichen. Hierfür wird in einem ersten Schritt an der Komponente mit dem größten Einfluss auf die Genauigkeit – dem Strom-Spannungswandler – gearbeitet. Dieser sorgt für eine präzise Adaption der leistungsbildenden Prüfstromstärke an den Spannungseingang eines nachfolgenden Abtastvoltmeters, welches wiederum die so skalierte Spannung erfasst und in der Software auf den fließenden Prüfstrom umrechnet. Je präziser dabei die Übersetzung des Stromwandlers bekannt ist, umso genauer wird auch letztlich die elektrische Leistung ermittelt.

In der Abbildung ist das Ersatzschaltbild des von der PTB entwickelten Strom-Spannungswandlers dargestellt.

 

Ersatzschaltbild des Strom-Spannungswandlers für das Leistungsnormal

Bild: Ersatzschaltbild des Strom-Spannungswandlers für das Leistungsnormal

 

Der Strom-Spannungswandler besteht aus vier Hauptkomponenten. Diese sind ein Stromwandler, ein negativer Impedanzwandler (NIC), eine Fehlerkompensation (A1) und ein Strompuffer (A2), der den passiv zugänglichen Messwiderstand (Rm) enthält. Das gesamte System ist modular aufgebaut, sodass der Stromwandler und der Messwiderstand separat voneinander mit den jeweiligen rückgeführten Referenzmesssystemen kalibriert werden können.

Der Stromwandler arbeitet nach dem Zweikernwandlerprinzip und besteht aus den Kernen C1 und C2 mit einer Detektorwicklung („Det.“), sowie dem Kern C3 mit einer Kompensationswicklung („Komp.“). Um die drei Kerne sind sowohl die Sekundärwicklung („Sec.“) als auch die Primärwicklung („Prim.“) gewickelt. Der Kern C2 dient der Abschirmung von magnetischen Streufeldern, die durch die Primär- und Sekundärwicklungen verursacht werden. Aufgrund der Abschirmung detektiert die Detektorwindung („Det.“) nur den magnetischen Restfluss im Kerninneren (Θ=NI), der proportional zu dem Fehler des Stromwandlers ist.

Der passive Fehler des Stromwandlers ist von seinem sekundären Wicklungswiderstand (RS) abhängig. Der integrierte NIC emuliert einen negativen Widerstand vom RS, wodurch die Gesamtbelastung des Stromwandlers auf unter 5 % vom RS reduziert wird. Diese Reduzierung verringert somit den passiven Fehler des Stromwandlers um den gleichen Betrag. Der Restfehler des Stromwandlers wird mit der Wicklung „Det.“ erfasst. Der Verstärker A1 erzwingt mit seiner hohen Schleifenverstärkung einen Strom in die Wicklung „Comp.“, welcher wiederrum zum Sekundärstrom addiert wird, sodass der Fehler des Stromwandlers nahezu Null wird.
Der Stromwandler hat auf der Primärseite Strombereiche von 100 mA bis 5 A, die auf einen Sekundärstrom von 25 mA transformiert werden.

Der Messwiderstand wird aktiv mit einem Strompuffer (A2) betrieben. Damit wird eine zusätzliche Belastung der Sekundärseite des Stromwandlers verhindert und das Potential des „k“ - Anschlusses auf etwa 0 V gehalten. Der Ausgang Uout wird an den Sense-Anschlüssen vom Rm abgegriffen, welcher eine Nennspannung von 3 V liefert. Der Messwiderstand hat einen Nennwert von 120 Ω, welcher aus einer Zusammenschaltung von 20 einzelnen abgeglichenen 600 Ω Widerständen (Vishay VHP 101) besteht. Um eine Widerstandsänderung durch Eigenerwärmung durch den Betriebsstrom und Temperaturschwankungen im Labor zu unterdrücken, wird ein Thermostat mit einem analogen Temperaturregler eingesetzt, der den Kühlkörper des Messwiderstands auf (35,0 ± 0,1)°C regelt.

Der Stromwandler konnte mit einer Unsicherheit von 0,3 ppm bzw. 0,3 µrad kalibriert werden. Die Messabweichung aller Strombereiche liegen dabei unter 0,2 ppm (0,2 µrad). Der Messwiderstand wurde mit vernachlässigbaren Unsicherheiten gegen Quantenstandards kalibriert und weist eine Unsicherheit (inklusive Drift) von etwa 0,2 ppm pro Jahr auf. Damit ergibt sich eine Gesamtunsicherheit von etwa 0,4 ppm (pro Jahr) für den neuen Strom-Spannungswandler, welche um den Faktor drei besser ist als die Unsicherheit des bislang eingesetzten Wandlers im Leistungsnormal.

 

 

Fachbereich 2.3 „Elektrische Energiemesstechnik“

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