EINLEITUNG    
Die Entwicklung effizienterer und kompakterer Motorantriebssysteme hat für Hersteller von Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie für die Bahnindustrie und andere Wirtschaftszweige höchste Priorität. Unternehmen setzen dort bereits SiC-Leistungshalbleiter ein, um die Effizienz zu steigern und die Größe von Wechselrichtern – den Hauptkomponenten von Motorantriebssystemen – zu reduzieren.[1][2][3] Zu den erwarteten Vorteilen von SiC-Leistungshalbleitern zählen kleinere passive Bauelemente aufgrund hoher Schaltfrequenzen und geringere Leistungsverluste durch niedrige Widerstandswerte. Eine präzise Leistungsmessung ist eine entscheidende Voraussetzung für die Bewertung von Motorantriebssystemen. Die Leistungsmessung von SiC-Wechselrichtern erfordert jedoch eine hochpräzise Messung über ein breiteres Frequenzband als bisher. Dieser Artikel behandelt verschiedene Themen, darunter wichtige Daten zu Leistungs-, Effizienz- und Verlustmessungen von SiC-Wechselrichtern und Motorantriebssystemen sowie konkrete Messergebnisse.

Blockdiagramm Abbildung 1Messung des Wirkungsgrads von Wechselrichtern und Motoren:
Bei der Bewertung von Motorantriebssystemen mit Wechselrichtern und Motoren lassen sich Wirkungsgrad und Verluste ermitteln, indem die Eingangs- und Ausgangsleistung von Wechselrichter und Motor gemessen und anschließend das Verhältnis bzw. die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangswerten berechnet wird. Abbildung 1 zeigt ein Messdiagramm zur Wirkungsgradmessung in einem Standard-Motorantriebssystem.

Die Leistung von Wechselrichtern und Motoren schwankt ständig. Daher werden genaue Messungen durch ungenaue Messzeitpunkte und unterschiedliche Berechnungsmethoden bei der Ermittlung von Wirkungsgrad und Verlusten erschwert, da die Messungen an verschiedenen Punkten mit unterschiedlichen Messgeräten durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, alle Messungen gleichzeitig mit demselben Messgerät oder durch synchronisierte Steuerung mehrerer Messgeräte durchzuführen. Diese Anforderung lässt sich mit einem Leistungsanalysator erfüllen. Standard-Leistungsanalysatoren bieten vier bis sechs Leistungsmesskanäle sowie eine Motoranalysefunktion und
ermöglichen so eine hochpräzise Messung von Wirkungsgrad und Verlusten.

Die Ergebnisse des Messprozesses variieren je nach Definition des Berechnungszeitraums für die Leistung. Leistungsanalysatoren bestimmen den Berechnungszeitraum durch die Erkennung von Nulldurchgängen in den Eingangssignalen. Vereinfacht ausgedrückt: Der Kanal, für den Nulldurchgänge erkannt werden, sowie die Synchronisationsquelle können nach Bedarf angepasst werden. Durch die optimale Synchronisationsquelle wird eine stabile Leistungsmessung ermöglicht, die hochpräzise Messungen von Wirkungsgrad und Verlusten erlaubt. Wird der Wechselrichter beispielsweise mit Gleichstrom versorgt, können die Berechnungszeiträume synchronisiert werden, indem für Eingangs- und Ausgangskanal dieselbe Synchronisationsquelle verwendet wird. Dies ermöglicht stabile Wirkungsgrad- und Verlustmessungen. Im Beispiel in Abbildung 1 werden die Leistung an zwei Punkten und die Motorleistung an einem Punkt stabil gemessen, indem die Synchronisationsquelle für alle Kanäle auf den Ausgangsstrom des Wechselrichters eingestellt wird.

Messung der Eingangsleistung eines Wechselrichters:
Zur Messung von Wirkungsgrad und Verlusten muss die Eingangsleistung des Wechselrichters gemessen werden. Diese Eingangsleistung dient als Grundlage für die Wirkungsgrad- und Verlustmessungen. Im Allgemeinen werden sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom aus dem Netz als Eingangsleistung für Wechselrichter verwendet. Enthält die aus den Eingangs- und Ausgangsmessungen ermittelte Leistungskomponente einen Fehler, hat dies einen erheblichen Einfluss auf die Wirkungsgrad- und Verlustwerte. Daher ist es notwendig, die Eingangsleistung des Wechselrichters mit hoher Genauigkeit zu messen. Beispielsweise führt ein Fehler von 0,5 % im gemessenen Leistungswert eines Wechselrichters mit 99 % Wirkungsgrad zu einem Fehler von 50 % bei den Verlusten. Obwohl die Leistungsberechnung mit einem universellen Wellenformschreiber möglich ist, muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass für den zu messenden Frequenzbereich eine ausreichende Genauigkeit definiert wurde.
Bei Gleichstrommessungen ist besondere Vorsicht geboten. Vorher sollten der Leistungsanalysator und der Gleichstrom-Offset der Stromsensoren justiert werden. Verfügt der Leistungsanalysator über eine Nullpunktkorrekturfunktion, führen Sie diese durch, nachdem Sie den Eingang des Leistungsanalysators und die Stromsensoren auf Null gestellt haben. Dies ermöglicht präzise Gleichstrommessungen durch Kompensation des Gleichstrom-Offsets der Messgeräte.

Messung der Ausgangsleistung eines Wechselrichters:
Wechselrichter erzeugen ein PWM-moduliertes Ausgangssignal, das die Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen enthält. Daher muss die Leistungsmessung über eine größere Bandbreite erfolgen als bei der Messung von Gleichstrom oder Netzfrequenz.

Motor Abbildung 2Betrachten wir die Bandbreite, die zur Leistungsmessung bei der Schaltfrequenz und ihren Harmonischen erforderlich ist. Abbildung 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für einen von einem Wechselrichter angetriebenen Motor. Da die Motorwicklungen eine induktive Komponente aufweisen, ist das Auftreten hochfrequenter Ströme im Motor unwahrscheinlich. Da die Spannung eine PWM-Wellenform aufweist, kann sie näherungsweise durch eine Rechteckwelle dargestellt werden. Der Strom hat in diesem Fall eine Dreieckwellenform. Bei der Berechnung der Effektivwerte einer Dreieckwellenform im Frequenzbereich lassen sich Effektivwerte mit einem Fehler von maximal 0,1 % erzielen, sofern die 5. Harmonische gemessen werden kann. Die Wirkleistung Pf kann als Funktion der Spannung Uf, des Stroms If und der Phasenverschiebung θf,wie folgt:
Pf = Uf · If · cos(θf1)


Sind Spannung und Stromstärke gleich null, so ist auch die Wirkleistung für diese Frequenzkomponente null. Bei einer Messgenauigkeit von 0,1 % kann der Strom mit Oberschwingungen 7. Ordnung und höher, wie bereits erwähnt, vernachlässigt werden. Daher genügt es, Spannung, Stromstärke und Phasendifferenz innerhalb eines Frequenzbandes vom 5- bis 7-Fachen der Schaltfrequenz genau zu messen, um die Leistung bei der Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen mit einem Fehler von maximal 0,1 % zu bestimmen. In einem realen Motor treten jedoch neben dem in Abbildung 2 dargestellten Widerstand auch Verluste auf, die durch magnetische Verluste im Kernmaterial sowie durch verschiedene Faktoren wie Oberflächeneffekte an den Leitungen bedingt sind. Folglich ist ein etwas größeres Frequenzband erforderlich, um die Leistung bei der Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen genauer zu messen. Das tatsächlich benötigte Frequenzband hängt unter anderem von den Frequenzcharakteristiken der jeweiligen Verluste ab.

fig3 FFT wAbbildung 3 zeigt die tatsächlichen Spannungs- und Stromverläufe eines von einem SiC-Wechselrichter angetriebenen Motors sowie die zugehörigen FFT-Ergebnisse. Tabelle 1 enthält detaillierte Informationen zu den Zielmessungen.
Da die Spannung einen PWM-Verlauf aufweist, zeigt die Analyse der FFT-Ergebnisse Frequenzkomponenten oberhalb von 1 MHz. Standard-Leistungsanalysatoren bieten keine ausreichende Messbandbreite, um die Spannungsverläufe mit der erforderlichen Genauigkeit zu messen.
Betrachtet man den Strom, so ist ersichtlich, dass die Stromkomponenten 200 kHz nicht überschreiten. Darüber hinaus ähnelt der Verlauf einer Sinuswelle. Diese Form ergibt sich daraus, dass die induktive Komponente des Motors, wie bereits beschrieben, das Fließen hochfrequenter Ströme unwahrscheinlicher macht.

Tabelle 1Daher ist es wünschenswert, einen Leistungsanalysator mit günstigen Kennlinien für Spannung, Strom und Phasendifferenz in einem Frequenzband zu verwenden, das mindestens dem 5- bis 7-Fachen der Schaltfrequenz entspricht, um eine genaue Leistungsmessung am Wechselrichterausgang zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang
erfordert die Verwendung zunehmend höherer Schaltfrequenzen für SiC-Wechselrichter ein breiteres Frequenzband.
 

Stromsensoren werden üblicherweise zur Strommessung in Motorantriebssystemen eingesetzt. Bei solchen Anwendungen stellt der Phasenfehler der Stromsensoren ein Problem dar. Alle Stromsensoren weisen bei hohen Frequenzen einen größeren Phasenfehler auf, was bei der Leistungsmessung in diesem Frequenzbereich zu Fehlern führt. Wie Abbildung 2 zeigt, ist die induktive Komponente der Motorwicklungen bei hohen Frequenzen dominant. Daher ist die Leistung bei der Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen durch einen niedrigen Leistungsfaktor gekennzeichnet. Gemäß Gleichung (1) hat der Phasenfehler bei niedrigen Leistungsfaktorwerten ( q- von ca. 90°) einen sehr großen Einfluss auf den Leistungsmessfehler. Eine hochpräzise Leistungsmessung ist daher nur möglich, wenn der Phasenfehler der Stromsensoren korrigiert wird. Der Leistungsanalysator Hioki PW6001 bietet eine Funktion zur Kompensation des Phasenfehlers von Stromsensoren (siehe Abbildung 4). Diese Phasenkompensationsfunktion ermöglicht genauere Leistungsmessungen am Wechselrichterausgang.
 
Abb. 4 Phasenkorrektur WMessung der Motorleistung
Um den Gesamtwirkungsgrad und die Verluste eines Motors oder Motorantriebssystems zu ermitteln, ist die Messung der Motorleistung erforderlich. Zur Berechnung der Motorleistung mithilfe von Gleichung (2) müssen Drehmoment und Drehzahl gemessen werden.

Pm = T · 2 · π · n / 60 (2)
Pm [W]: Motorleistung
T [N·m]: Drehmoment
n [U/min]: Motordrehzahl

Die Motordrehzahl wird mittels Tachometer oder Impulsgeber gemessen, das Drehmoment mit einem Drehmomentmesser. Zur Bestimmung von Wirkungsgrad und Verlusten müssen Leistung und Motorleistung gleichzeitig gemessen werden. Daher benötigen wir einen Leistungsanalysator, der Eingangssignale von Tachometer, Impulsgeber und Drehmomentmesser verarbeiten kann.

Abbildung 5 Wechselrichterwirkungsgrad wBeispiel zur Messung des Wirkungsgrads eines SiC-Leistungshalbleiter-Wechselrichters:
Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Wirkungsgradmessung eines SiC-Wechselrichters, der einen Motor antreibt.
Hierfür wurden ein Hioki PW6001 Leistungsanalysator und eine PW9100 Strommessbox verwendet. Die Abbildung zeigt die Messergebnisse bei Variation der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters (LPF) des PW6001 zwischen 1 kHz und 2 MHz. Die Messziele entsprechen denen in Tabelle 1. Die gemessenen Wirkungsgradwerte variieren deutlich im Bereich der Grenzfrequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz. Diese Variation spiegelt den Unterschied zwischen der Messung der Leistung bei der Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen wider. Bei Wirkungsgradwerten von 10 kHz und darunter wird lediglich die Leistung bei der Grundfrequenz, die mit der Motordrehzahl synchronisiert ist, sowie deren Oberschwingungen gemessen.
Wirkungsgradwerte von 50 kHz und darüber ermöglichen hingegen auch die Messung der Leistung bei der Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen. Bei und oberhalb von 50 kHz steigt der Wirkungsgrad proportional zur Grenzfrequenz. Diese Veränderung resultiert aus der Möglichkeit, Oberwellen bei der Schaltfrequenz zu messen.
Daher ist der Leistungsanalysator PW6001 in der Lage, hochpräzise und stabile Messungen von Wirkungsgrad und Verlusten in einem Motorantriebssystem durchzuführen, selbst im 2-MHz-Band. Dies zeigt, dass das Gerät Wirkungsgrad und Verluste auf Basis einer präzisen Messung der Leistung bei der Schaltfrequenz und ihrer Oberwellen bestimmen kann.

 

Abb. 6 Verdrahtung wAuswirkungen der Gleichtaktspannung:
Abbildung 6 zeigt ein Spannungsverdrahtungsschema zur Veranschaulichung der Leistungsmessung eines 3-Phasen-/3-Leiter-Wechselrichters. Da der Leistungsanalysator die Netzspannung misst, liegt an seinen Kanälen eine hohe Gleichtaktspannung an. Diese Gleichtaktspannung enthält die Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen. Daher müssen Messungen mit einem Leistungsanalysator durchgeführt werden, der für hohe Frequenzen ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) aufweist. Ein CMRR von 80 dB hat einen Einfluss der Gleichtaktspannung von 0,01 % auf die angezeigten Werte. Das heißt, bei einer Eingangsgleichtaktspannung von 100 V beträgt der Einfluss auf die angezeigten Werte 0,01 V.

Abb. 7 Gleichtakt wAbbildung 7 zeigt die Messungen der Netzspannung und der Gleichtaktspannung eines SiC-Wechselrichters. Die FFT-Ergebnisse ähneln denen in Abbildung 3 und zeigen deutlich, dass die Gleichtaktspannung die Schaltfrequenz und ihre Oberschwingungen enthält. Daraus lässt sich schließen, dass mit steigender Schaltfrequenz auch die Gleichtaktspannung zunimmt.
Wechselrichter mit SiC-Leistungshalbleitern werden zunehmend mit höheren Schaltfrequenzen entwickelt. Daher empfiehlt sich die Verwendung eines Leistungsanalysators mit hoher Gleichtaktunterdrückung (CMRR) für hohe Frequenzen.

 

 Reaktion auf Stromsensorrauschen:
Bei der Messung von Motoren oder Wechselrichtern mit hoher Nennleistung müssen hohe Ströme im Bereich von mehreren hundert Ampere gemessen werden.
Üblicherweise werden hierfür Stromsensoren eingesetzt. Da Wechselrichter ein hohes Rauschen erzeugen, ist es unerlässlich, Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkungen dieses Rauschens auf die Sensoren selbst und die Übertragungswege der Ausgangssignale der Stromsensoren zu minimieren und so genaue Leistungsmessungen zu gewährleisten. Hioki bietet eine Reihe hochpräziser Stromsensoren mit Eigenschaften, die ideal für den Einsatz mit Leistungsanalysatoren geeignet sind. Dadurch lassen sich Leistungsmessungen äußerst rauschunempfindlich durchführen, indem Leistungsanalysator und Stromsensoren einfach mit einem speziellen Stecker [4][5] verbunden werden.

fig8 Nyquist wFrequenzband und Abtastfrequenz in Leistungsanalysatoren.
Abbildung 8 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Abtastfrequenz und der analogen Bandbreite in einem Standard-Leistungsanalysator. Die analoge Bandbreite der Eingangsschaltungen der meisten Leistungsanalysatoren ist größer als die Hälfte der Abtastfrequenz fs (d. h. fs/2). In diesen Geräten erscheinen Spannungs- und Stromkomponenten, die bei Frequenzen größer als fs/2 auftreten, im Niederfrequenzbereich als gekoppeltes Rauschen. Dieses Phänomen ist allgemein als Aliasing bekannt.

Bei der Messung von Elementen mit Frequenzkomponenten über eine große Bandbreite, wie beispielsweise einer PWM-Wellenform, lässt sich eingekoppeltes Rauschen nicht mehr vom eigentlichen Signal unterscheiden. Dies führt zu zusätzlichen Messfehlern und verringerter Wiederholgenauigkeit bei der Leistungsmessung. Darüber hinaus ist es in der Oberwellenanalyse nicht mehr möglich, zwischen eingekoppeltem Rauschen und den tatsächlichen Oberwellen zu unterscheiden. Folglich ist eine genaue Analyse nicht mehr möglich, und beispielsweise die Detektion von Störoberwellen wird wahrscheinlicher.

Wie in Abb. 3 dargestellt, enthält die Ausgangsspannung eines Wechselrichters Komponenten oberhalb von 1 MHz. Standard-Leistungsanalysatoren arbeiten mit Abtastfrequenzen zwischen 100 kHz und ca. 5 MHz. Folglich treten Spannungskomponenten mit Frequenzen oberhalb von (fs/2) auf. In diesen Fällen ist eine genaue Messung nicht möglich, wenn die analoge Bandbreite und die Abtastfrequenz wie in Abb. 8 dargestellt zusammenhängen. Um eine genaue Messung zu ermöglichen, muss die analoge Bandbreite auf einen Wert kleiner als (fs/2) begrenzt werden. Anders ausgedrückt: Die tatsächlich nutzbare Bandbreite ist kleiner als die Hälfte der Abtastfrequenz.

Daher ist es für die Messung und Analyse der Ausgangsleistung eines Wechselrichters unerlässlich, ein nach dem Abtastprinzip entwickeltes Messgerät zu verwenden. Die Leistungsanalysatoren von Hioki sind genau so konzipiert. Beispielsweise verfügt der Leistungsanalysator PW6001 über eine Abtastfrequenz von 5 MHz bei einer analogen Bandbreite von 2 MHz/-3 dB. Dadurch ermöglicht das Gerät simultane Messungen über die gesamte Leistungsbandbreite, eine präzise Oberwellenanalyse und eine genaue FFT-Analyse.

 

ZUSAMMENFASSUNG
Dieses Dokument beschreibt die wichtigsten Aspekte der Messung von Wirkungsgrad und Verlusten von Wechselrichtern und Motoren. Es enthält Beispiele aus der Praxis und erörtert die Anforderungen an Messgeräte für diese Anwendungen. Besonderes Augenmerk liegt auf den Messkriterien für SiC-Wechselrichter, die in den letzten Jahren im Vergleich zu konventionellen Wechselrichtern immer häufiger eingesetzt werden. Anhand von Messergebnissen aus der Praxis wird gezeigt, wie Wirkungsgrad und Verluste von SiC-Wechselrichtern durch die Eliminierung verschiedener Fehlerquellen mit hoher Genauigkeit und Stabilität gemessen werden können. Der Autor beabsichtigt, dass diese Ausführungen als hilfreicher Leitfaden für die Messung von Leistung, Wirkungsgrad und Verlusten in Motorantriebssystemen mit SiC-Wechselrichtern dienen.


Referenzen:
[1] Thal, E., K. Masuda und E. Wiesner, „New 800A/1200V Full SiC Module“ Bodo's Power Systems, April 2015, S. 28-31.
[2] Fuji Electronic, „Gemeinsame Entwicklung eines Umrichter-Wechselrichters für die Tokaido-Shinkansen-Züge unter Verwendung von SiC-Leistungshalbleitermodulen“ http://www.fujielectric.com/company/news/2015/20150625120019879.html
[3] Mitsubishi Electric, „Mitsubishi Electrics Schienenfahrzeug-Traktionsumrichter mit All-SiC-Leistungsmodulen erzielt 40 % Energieeinsparung“ http://www.mitsubishielectric.com/news/2015/0622-a_print.html
[4] Yoda, H., H. Kobayashi und S. Takiguchi, „Strommessmethoden, die eine hochpräzise Leistungsanalyse im Bereich der Leistungselektronik ermöglichen“ Bodo's Power Systems, April 2016, S. 38–42.
[5] Ikeda, K., und H. Masuda, „Hochpräzise, ​​breitbandige, hochstabile Strommesstechnik“, Bodo's Power Systems, Juli 2016, S. 22-28.