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Messtechnik zur Bestimmung von Wirkungsgraden an HGÜ - Umrichtern

07.12.2011

Im Bild 1 ist eine mögliche Messanordnung zur Bestimmung des Wirkungsgrades eines Hochspannungsumrichters zu sehen. Geeignete breitbandige und ggf. gleichstromfähige Spannungs- (VT) und Stromwandler (CT) adaptieren die Hochspannungs- bzw. Hochstromsignale auf die Signalpegel von einigen Volt bzw. einigen 10… 100 mA eines Multikanal-Leistungsanalysators. Dieser bestimmt getrennt über die kalibrierten Wandlerübersetzungen die jeweilige Ein- und Ausgangsleistung des Umrichters und berechnet seinen Wirkungsgrad.

 

 

Bild 1:
Übersicht eines Messsystems zur Bestimmung des integralen Wirkungsgrades eines Hochspannungsumrichters (HVDC)

 

Hier ergeben sich jedoch erweiterte Anforderungen an die Messplätze zur Kalibrierung der VT’s, der CT’s und des Leistungsanalysators bezüglich Signalform (AC und DC Mischströme), der Bandbreite (DC bis etwa 20 kHz) und der Signalpegel, mit der die Komponenten kalibriert werden müssen. In einem ersten Schritt wurde ein Messplatz zur präzisen Wechselstromkalibrierung der VT’s und CT’s bei den technischen Frequenzen (50 / 60 Hz) entwickelt und untersucht.
Der Messplatz benutzt ein in der PTB verbreitet eingesetztes Verfahren zur Bestimmung ratiometrischer Wechselspannungs-
verhältnisse. Bei dem hier untersuchten Messsystem wird eine Kurvenform synchronisiert zur Abtastfrequenz im Voltbereich erzeugt und einem geeigneten Leistungsverstärker mit einer Bandbreite von 15 kHz zugeführt. Die Ausgangspegel des Leistungsverstärkers liegen im Bereich bis max. 270 Vrms bzw. 100 Arms, entsprechend einer max. Leistungsabgabe von 30 kVA. Daher sind entsprechende Erzeugertransformatoren zur Anpassung an die gewünschten Messgrößen, beispielsweise 20 kV oder 200 A, notwendig. Über geeignete Normalwandler kann nun ein VT bzw. CT durch ratiometrischen Vergleich der Ausgangsspannungen charakterisiert werden. Im Gegensatz zu den üblicherweise im Messwandlerbereich eingesetzten Brückenverfahren besteht jedoch an die Stabilität und Qualität der erzeugten Signale eine erhöhte Anforderung.

Daher wurde der Leistungsverstärker bezüglich seiner Stabilität und Signaltreue bei 50 und 60 Hz untersucht. Im Bild 2 ist im linken Teil des Bildes die ratiometrische Stabilität des Verstärkungsfaktors von G = 50 sowie der Phase bei Uout = 240 V (entsprechend 4,8 V Eingangsspannung) über einen Zeitraum von etwa drei Stunden dargestellt. Die Driftrate liegt bei etwa 30 ppm / h bzw. 2 µrad / h. Die über einen Zeitraum von einigen zehn Sekunden (typ. Messzeit einer Kalibrierung) erreichbare Stabilität kann entsprechend dem Bild mit etwa ± 10 ppm angenommen werden. Dies ist ausreichend, da die nachgeordnete Kalibrieranordnung eine Quellendrift stark unterdrückt (ca. 10… 20 mal). Die erreichbare Standardabweichung liegt damit im Bereich von typisch 0,5 … 1 ppm bzw. µrad, was auch durch entsprechende Messungen nachgewiesen wurde. Im rechten Teil des Bildes sind die Verzerrungen des Verstärkers dargestellt. Die Gesamtverzerrung liegt bei etwa -90 dBc (THD+N). Im Vergleich zu den heutzutage üblicherweise aus Kostengründen eingesetzten digitalen, auf Pulsweitenmodulation basierten Digitalverstärkern hoher Leistung ist das hier gezeigte Klirrspektrum deutlich besser. Die Rauschauflösung des Messsystems betrug ‑140 dBc.

 

 

Bild 2:
Kurzzeitstabilität von Betrag und Phase des analogen Leistungsverstärkers Rohrer „PA3120A“ (15/30kVA) bei 240 V Ausgangsspannung und 53 Hz (linkes Bild). Im rechten Bild ist das gemessene Klirrspektrum zu sehen.

 

 

 

Ansprechpartner: E.  Mohns
Fachbereich 2.3 : Elektrische Energiemesstechnik