Waar is al die kracht gebleven?
Energie-efficiëntie is essentieel voor het realiseren van een emissiearme of zelfs koolstofneutrale toekomst. Het speelt een cruciale rol bij de overgang van verbrandingsmotoren naar elektrische voertuigen en bij het minimaliseren van de impact van energieverslindende AI-toepassingen op het energieverbruik van datacenters. Inzicht in waar energie verloren gaat – of dat nu in omvormers, motoren of datacenters is – is essentieel om aanzienlijke efficiëntiewinst te realiseren en op een duurzame manier tegemoet te komen aan de groeiende vraag naar energie.
Werkvermogen is het deel van het elektrisch vermogen dat daadwerkelijk wordt gebruikt voor nuttig werk – bijvoorbeeld voor het aandrijven van motoren, het laten draaien van machines of het voeden van elektronische apparaten. Het grootste deel van dit bruikbare vermogen wordt gedragen door de grondfrequentie van de stroom of de spanning. Harmonischen dragen daarentegen doorgaans niet direct bij aan het verrichten van werk, maar veroorzaken verliezen – bijvoorbeeld in de vorm van warmte, ruis (noise) of ongewenste trillingen.
Voor ingenieurs is het daarom van cruciaal belang om harmonischen tot een minimum te beperken om energieverliezen te verminderen.
Harmonisch vermogen nauwkeurig meten
Een vermogensanalysator berekent het rendement van een elektrisch systeem, zoals een motor of transformator, door zowel de grondfrequentie als de harmonischen van het elektrisch vermogen te meten. Dit is echter vooral bij hoge frequenties en hoge stromen een uitdaging, omdat voor grote stromen stroomsensoren nodig zijn. Deze sensoren moeten niet alleen over het gehele frequentiebereik nauwkeurig werken – de vermogensanalysator moet ook de faseverschuiving van de sensor kennen om een correcte vermogensberekening te kunnen uitvoeren. Wat het nog moeilijker maakt: de faseverschuiving van een stroomsensor is frequentieafhankelijk. Zonder een bij alle frequenties consistente tijdvertraging in de sensor zijn exacte vermogensanalyses nauwelijks mogelijk – zelfs met de beste analysator.
Stroomsensoren en vermogensanalysator – Een op elkaar afgestemde oplossing
Wat gebeurt er als de combinatie van vermogensanalysator en stroomsensor niet is geoptimaliseerd voor hoogfrequente metingen? Bij het meten van het rendement van een omvormer met SiC-halfgeleiders en een draaggolffrequentie van 50 kHz of hoger kan het voorkomen dat het meetresultaat een te hoog rendement aangeeft: in sommige gevallen zelfs meer dan 100 %. Een dergelijk resultaat is een duidelijk waarschuwingssignaal voor een meetfout. Problematischer is het wanneer de vermogensanalysator een rendement van 96 % aangeeft, terwijl de werkelijke waarde slechts 94 % bedraagt – of wanneer hij 96 % aangeeft bij een werkelijk rendement van 98 %. Een dergelijke afwijking zou niet onmiddellijk als fout herkenbaar zijn. Hoe kan men er dan zeker van zijn dat het meetresultaat correct is? Men kan niet alleen vertrouwen op de gespecificeerde nauwkeurigheid van de vermogensanalysator – ook de invloed van de stroomsensoren moet in aanmerking worden genomen.
Laten we een voorbeeld uit de motortechniek bekijken: in een motor worden harmonischen van de grondfrequentie omgezet in stoorsignalen (ruis) en trillingen – deze verliezen zijn vaak al waarneembaar zonder directe vermogensanalyse. Maar hoogfrequent harmonisch vermogen wordt voornamelijk omgezet in warmte. Het meten van deze hoogfrequente vermogensverliezen is moeilijk, omdat motoren inductief gedrag vertonen. Bij hoge frequenties benadert de fasehoek tussen spanning en stroom 90°. Aangezien het actief vermogen wordt berekend volgens de formule vermogen = spanning × stroom × cos(θ), leidt elke onnauwkeurige fasecompensatie ertoe dat de fasehoek verder dan 90° wordt verschoven. Het resultaat: het vermogensverlies verschijnt als een valse vermogenswinst – een ernstige meetfout!
De oorzaak van deze foutieve meting is een niet-gecompenseerde fasefout van de stroomsensor. Dergelijke fasefouten verstoren de meting en kunnen leiden tot onjuiste conclusies over het energieverlies van een systeem. Er is echter een oplossing voor dit probleem: met een optimaal op elkaar afgestemde combinatie van vermogensanalysator en stroomsensor kunnen fasefouten correct worden gecompenseerd, zodat exacte vermogensmetingen ook bij hoge stromen en frequenties mogelijk zijn. Hierdoor kan nauwkeurig worden bepaald hoeveel vermogen er in het systeem verloren gaat. De volgende cruciale vraag is dan: waar treden deze energieverliezen precies op, en hoe kun je ze opsporen?
Verliesbronnen nauwkeurig vaststellen – over het gehele frequentiebereik
Vermogensanalysatoren bieden verschillende analysemethoden om vast te stellen bij welke frequenties vermogensverliezen optreden. Een klassieke aanpak is de harmonische analyse, die uitgaat van de grondfrequentie van de motor als basis. Aangezien motortoerentallen en hun grondfrequenties doorgaans laag zijn, is de harmonische analyse meestal beperkt tot frequenties onder de 100 kHz. Ter vergelijking: bij een grondfrequentie van 50 Hz ligt de 2000e harmonische al bij 100 kHz – en precies daar eindigt bij de meeste apparaten de praktische grens voor een harmonische vermogensanalyse.
Voor een uitgebreidere analyse van de vermogensverliezen over het gehele relevante frequentiespectrum is daarom een verdergaande methode nodig: de Power Spectrum Analysis (PSA). In tegenstelling tot de conventionele harmonische analyse, die zich alleen richt op de grondfrequentie en de bijbehorende harmonischen, maakt PSA gebruik van de Fast Fourier-transformatie (FFT) en is deze niet afhankelijk van de grondfrequentie van de motor. Hierdoor maakt PSA een gedetailleerde analyse mogelijk over het gehele frequentiebereik van de vermogensanalysator – in het geval van de HIOKI PW8001 zelfs tot 6 MHz. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor het opsporen van vermogensverliezen die met conventionele methoden mogelijk onopgemerkt blijven.
Om de analyse met de PSA-functie (Power Spectrum Analysis) effectief te kunnen toepassen, moeten twee zaken worden gewaarborgd:
- De fasefout van de stroomsensoren moet nauwkeurig worden gecompenseerd door de analysator.
- De stroomsensoren moeten over het gehele frequentiebereik een constante amplitudekarakteristiek hebben.
Als aan beide voorwaarden is voldaan, kunnen vermogensverliezen nauwkeurig over alle relevante frequenties worden gemeten.
Op zoek naar het vermogen: vermogensanalysator en stroomsensoren uit één hand
Omdat HIOKI zowel vermogensanalysatoren als stroomsensoren zelf ontwikkelt en produceert, zijn beide componenten optimaal afgestemd op hoogfrequente vermogensmetingen. De daaruit voortvloeiende hoge meetnauwkeurigheid maakt het mogelijk om vermogensverliezen nauwkeurig vast te stellen en precies te achterhalen waar de energie verloren gaat – een cruciale stap in de verbetering van de energie-efficiëntie in motoren, omvormers en andere toepassingen op het gebied van vermogenselektronica.
Productgalerij overslaan
Normale prijs:
€ 1.788,00
PW8001
HIOKI PW8001 - Modulaire, uiterst nauwkeurige vermogensanalysator met 8 kanalen
Modulaire, uiterst nauwkeurige vermogensanalysator, tot 8 kanalen, basisnauwkeurigheid van ±0,03%, 15 MHz
bemonsteringsfrequentie, 18-bits A/D-conversie, automatische faseverschuivingscorrectie voor Hioki-stroomsensoren
, gegevensvernieuwingsfrequentie van 1 ms, CMRR 110 dB bij 100 kHz
CT6877A
CT6877A - AC/DC-stroomsensor, 2000 A / 1 MHz
De pass-through AC/DC-stroomsensoren van Hioki zijn hoogwaardige apparaten voor gebruik in combinatie met vermogensmeters, HiCorders met geheugen en hoogwaardige oscilloscopen.
CT6875A
CT6875A - AC/DC-stroomsensor, 500 A / 2 MHz
De CT6875 AC/DC-stroomsensor is ontworpen voor nauwkeurige stroommetingen over een breed frequentiebereik, van gelijkstroom tot 2 MHz (model CT6875-01: gelijkstroom tot 1,5 MHz). Met een nominale stroomsterkte van 500 A is hij ideaal voor R&D, kwaliteitsbeoordeling, productie en onderhoud in sectoren zoals draadloze oplaadsystemen, motoren met omvormer, PV-stroomomvormers en snellaadinstallaties voor elektrische voertuigen. In combinatie met de vermogensanalysator PW8001 maakt de sensor nauwkeurige metingen bij hoge frequenties en lage vermogensfactoren mogelijk. Technische gegevens: Nominale stroom: 500 A Frequentiebandbreedte: CT6875: DC tot 2 MHzBasisnauwkeurigheid: Amplitude: ±0,04 % van de aflezing ±0,008 % van het volledige bereik, Fase: ±0,08° Maximale geleiderdiameter: 36 mm Maximale nominale spanning ten opzichte van aarde: 1000 V CAT III Bedrijfstemperatuur: -40 °C tot 85 °C Vereiste ingangsimpedantie: 1 MΩ of hoger Uitgangsaansluiting: ME15W Kabellengte: 3 mMeer dan alleen specificaties – bekijk hier meer details:Vermogen nauwkeurig meten – voor alle toepassingen
CT6904A
HIOKI CT6904A - Zeer nauwkeurige AC/DC-stroomsensor, 500 A / 4 MHz
Zeer nauwkeurige doorvoertype AC/DC-stroomsensor met fluxgate zonder flux, tot 500 A, bandbreedte DC–4 MHz, CMRR van 120 dB bij 100 kHz, lineariteit van ±5 ppm, vlakke frequentierespons, kabel van 3 m met ME15W-connector.