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Oberwellen-Frequenz-Kalibrierung für genaue
Leistungsmessungen
Die Kalibrierung von E-Metern ist von entscheidender Bedeutung, wenn sie bei hohen Frequenzen mit hohen Oberwellen arbeiten. Andernfalls kommt es zu fehlerhaften Messungen und Messwerten. Es gibt einfache Lösungen, um Oberschwingungen mit hoher Genauigkeit zu messen.
Beim Betrieb mit höheren Frequenzen sind elektronische Messgeräte nicht immer in der Lage, Strom und Spannung zuverlässig zu messen. Die klassische Kalibrierung erfolgt bei 50 Hz – höhere Oberschwingungen werden jedoch nicht kalibriert und daher schlecht gemessen. Die daraus resultierende Fehlerspanne ist bei höheren Oberschwingungen folglich größer.
Die Messung von Oberschwingungen stellt höhere Anforderungen an die Messgeräte (in unserem Fall Zähler). Eine höhere Abtastrate erfordert schnellere AD-Wandler und mehr Rechenleistung für die Datenverarbeitung. Diese Probleme sind bekannt und gut beschrieben. Was jedoch nie wirklich diskutiert wird, ist die Häufigkeit der Kalibrierung. Das ist nicht verwunderlich, denn die heutigen Standards haben keinen Einfluss auf den Zustand des Netzes.
Wie verhalten sich die Spannungs- und Stromsensoren bei höheren Frequenzen?
Um die elektrische Leistung und damit die elektrische Energie zu berechnen, müssen beide Signale – Spannung und Strom – genau gemessen und digitalisiert werden. Neben der Größe der Signale ist auch die Phasenverschiebung zwischen ihnen entscheidend. Beide Kanäle bestehen aus dem Sensor selbst (ohmscher Spannungsteiler, Stromwandler), gefolgt von Verstärkern, Tiefpassfiltern (LPF) und schließlich den Analog-Digital-Wandlern (ADCs).
Alle Komponenten verändern die Größe und Phase des Signals geringfügig – daher sollten die Kanäle als Gesamtsystem und nicht als einzelne Elemente geprüft werden.
Die Antwort des Stromkanals besteht aus Hochpass– (Stromwandler) und Tiefpass-Kennlinien (nach LPF). Die Antwort des Spannungskanals wird nur durch die Tiefpassfiltercharakteristik dargestellt.
Es ist offensichtlich, dass es eine erhebliche Phasenverschiebung des Signals innerhalb des Frequenzbereichs gibt. Daher muss eine Kalibrierung vorgenommen werden, um die elektrische Leistung korrekt zu berechnen.
Rationalisierung von Kalibrierungsprozessen
Die Kalibrierung während des Herstellungsprozesses des Energiezählers muss so schnell und einfach wie möglich erfolgen, und es ist daher nicht angebracht, sie über alle Punkte (30 Punkte) wie in den Abbildungen unten durchzuführen.
Die Beziehung zwischen den Kanalfehlern und der Frequenz kann leicht durch die Kombination der Übertragungsfunktionen von HPF und LPF beschrieben werden. Dann müssen wirklich nur einige wenige Punkte gemessen werden. Die durchgezogenen Linien in der Abbildung unten stellen die Ergebnisse eines Drei-Punkt-Kalibrierungsprozesses dar. Es wurden die Nennfrequenz (50 Hz) und die dezimalen Vielfachen – 500 Hz und 5000 Hz (10. und 100. Harmonische) – gewählt.
Die Unterschiede zwischen der gemessenen und der berechneten Frequenzabhängigkeit der Fehler bei der Dreipunktkalibrierung sind akzeptabel. Die Unterschiede betragen weniger als 0,2 Grad und 0,2 % der Phasen- bzw. Verhältnisfehler für Strom- und Spannungskanäle.
Nur acht Kalibrierungskonstanten sind für eine Beschreibung der Frequenzabhängigkeit der Fehler über beide Kanäle – Spannung und Strom – erforderlich. Alle diese Konstanten sind im FPGA gespeichert, das nach dem FFT-Prozess Korrekturen für alle diskreten Frequenzen berechnen kann. Die Anwendung der Korrekturen auf die Ergebnisse der FFT-Berechnungen stellt sicher, dass Betrag und Phasen der Frequenzkomponenten korrekt sind und die berechnete elektrische Leistung nicht beeinflusst wird.
Überlegungen zum Kanalverhalten und zu Beschränkungen
Die Anwendung der Korrekturmethode setzt das unveränderliche Verhalten der Kanäle in der Realität voraus Bedingungen. In diesem Artikel wurde ein linearer DC-toleranter Stromwandler verwendet. Diese Stromwandler haben einen erheblichen, aber nahezu konstanten Phasenfehler (etwa 4 Grad bei 50 Hz). Dieser Fehler ist auch bei Vorhandensein von Gleichstrom konstant.
Im Gegensatz dazu können die Doppelkern-Stromwandler, die auch in Energiezählern verwendet werden, bei vorhandenem Gleichstrom messen, aber der Phasenfehler ändert sich, wenn der Gleichstrom auftritt. Daher kann dieser Phasenfehler nicht korrigiert werden, da der Energiezähler keine Informationen über den Gleichstrom enthält.
Schlussfolgerung
Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, eine einfache Frequenzkalibrierung von Stromwandlern mit sehr geringen Fehlern durchzuführen. Alle Kalibrierungsberechnungen werden im FPGA durchgeführt. Diese Lösung bietet die Möglichkeit, die Energie der Hochfrequenz genau zu messen und als Nebenprodukt eine Frequenzanalyse von Spannung und Strom im Netz zu entwickeln.