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TET-Watt: Ein neues Konzept zur hochgenauen Darstellung elektrischer Leistung

24.11.2010

Zur Prüfung und Kalibrierung von Energiemesszählern werden hochgenaue Leistungsnormale benötigt. In Zusammenarbeit des Institutes für theoretische Elektrotechnik (TET) der Universität Hannover und der PTB wurde ein neuartiges Konzept zur hochgenauen Darstellung elektrischer Leistung entwickelt, das auf dem am TET entwickelten ZePoC-Algorithmus aufbaut (ZePoC: Zero Position Coding).
Die Erzeugung des Ausgangssignals erfolgt in drei Schritten: Zunächst wird die Form der Wechselgröße innerhalb eines Signalprozessors digital erzeugt, in Pulsbreiten kodiert und als binäres Pulsweitensignal ausgegeben (Digital-to-Time Conversion, DTC). Dieses wird einer Klasse-D Schaltstufe zugeführt und mit einer auf ein Spannungsnormal referenzierten Gleichspannung multipliziert. Die Rekonstruktion des Wechselsignals und die Abtrennung der hochfrequenten Schaltanteile im Spektrum des Pulsweitensignals erfolgen mit einem verlustlosen Tiefpassfilter. Die Implementierung eines solchen DC-AC-Präzisionswandlers in Klasse-D-Schaltungstechnik hat gegenüber linearen Topologien den Vorteil geringerer Verluste, hoher thermischer Stabilität und guter Skalierbarkeit der Ausgangsleistung.
Das Verfahren ist ein reines Open-Loop-Verfahren, die Amplitude der kodierten Wechselgröße ist also direkt auf die Referenzspannung bezogen und hängt im weiteren nur noch von einer stabilen, jitterarmen Zeitbasis des ZePoC-Kodierers ab.
Gegenüber anderen untersuchten Verfahren zur Erzeugung von Wechselspannung 
und -strom aus einer Gleichspannungsreferenz – wie dem Sigma-Delta-Verfahren - erlaubt der  ZePoC-Algorithmus eine deutlich niedrigere Takt- und Schaltrate des Gesamtsystems. Bei geringeren Anforderungen an das analoge Schaltverhalten kann somit eine höhere Genauigkeit erreicht werden. Simulationen zeigen, das bereits mit geringen Schaltraten von wenigen kHz und einem mit 200 MHz getakteten DTC eine Unsicherheit von besser als 10-5 erreicht werden kann.
Zur weiteren Untersuchung des Verfahren wurde ein Prototyp aufgebaut, die ersten Messungen damit sind viel versprechend.
Das Projekt TET-Watt ist ein Projekt des Fachbereichs 2.3 der PTB und des Instituts für theoretische Elektrotechnik der Universität Hannover.

 

 

Ansprechpartner: Jan Wellmann
Institut für theoretische Elektrotechnik (TET), Universität Hannover