Messen unter Betriebsbedingungen

Impedanzmessungen werden in der Regel mit digitalen LCR-Messgeräten durchgeführt. Dabei werden Strom, Spannung und Phasenwinkel am Prüfling gemessen. Aus den Werten lassen sich die Impedanzparameter bestimmen. Die so gewonnenen Kleinsignal-Impedanzwerte sind für viele nachrichtentechnische Anwendungen brauchbar. Für Prüflinge der Energietechnik und Leistungselektronik werden hingegen Präzisions-Leistungsmessgeräte eingesetzt, die ebenfalls Strom, Spannung und den Phasenwinkel über Wirk- und Scheinleistung ermitteln.

Präzisions-Leistungsmessgeräte arbeiten entsprechend den zu messenden Produkten der Energietechnik und Leistungselektronik von DC bis zu einigen MHz. Die genaue phasenrichtige Messung bis zu einigen MHz wird durch die Anforderung der Leistungselektronik bei frequenzumsetzenden Verfahren (PWM) und Ansteuerungen moderner Leuchtmittel benötigt. Müsste nur der Gleichstromwiderstand gemessen werden, dann genügte ein Ohmmeter. Es müssen zusätzlich die vorhandenen induktiven und kapazitiven Anteile mit ihren frequenzabhängigen Wechselstromverlusten gemessen werden.

Die LCR-Impedanzmessgeräte der Nachrichtentechnik arbeiten im Kleinsignalbereich mit einer sinusförmigen Messspannung bei einer oder mehreren festen Frequenzen. Die so gewonnenen Kleinsignalimpedanzwerte werden z.B. in der Fertigungskontrolle zum Vergleich mit Gut-Mustern genutzt. Für den Einsatz unter Betriebsbedingung ist damit meist keine Aussage zu machen. Auch die bei hochwertigen Impedanzmessgeräten zuschaltbaren DC-Bias-Ströme und -Spannungen bringen nur in Ausnahmefällen eine hinreichende Annäherung an den tatsächlichen Betrieb.

Die Gründe sind vielfältig

Das Großsignalverhalten (Großsignal-Impedanzwerte) und insbesondere der Realteil (entsprechend den Wirkverlusten) unterscheidet sich aufgrund vielfältiger nichtlinearer Einflüsse deutlich vom Kleinsignalverhalten. Aussteuerungsabhängige Eisenverluste, temperaturabhängige Eisenverluste sowie temperaturabhängige Kupferverluste beeinflussen das Verhalten zusätzlich.

Der Betrieb erfolgt mit nicht sinusförmigen Spannungen und Strömen, d.h. mit Frequenzgemischen. Schon deshalb ist eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung nicht möglich, da sich der Phasenwinkel nur auf eine bestimmte Frequenz bezieht. Auch das übliche Ersatzschaltbild bestehend aus Verlustwiderstand und Reaktanz ist nicht mehr zutreffend. Einzig ein Betragswert der Impedanz, berechnet aus Effektivspannung und Effektivstrom, unter Berücksichtigung eines bestimmten Leistungsfaktors beschreibt den Prüfling. Da die Verlustanteile je nach physikalischer Ursache mit verschiedenen Potenzen der Frequenz ansteigen, ist die Umrechnung der Verluste auf andere Frequenzen und Frequenzgemische kaum möglich.

Mehrphasige Betriebsmittel als Prüfling

Dreiphasendrosseln, Drehstromtrafos und Mehrphasenmotoren können wegen der Verkopplung der Phasen über gemeinsame Eisenwege nicht Phase für Phase nacheinander gemessen werden. Die Kleinsignal-Impedanz ist aussagefähig, wenn nur eine vernachlässigbare Eigenerwärmung des Bauteiles erfolgt und die Strom- und Spannungswerte so gering sind, dass keine nennenswerten Verzerrungen durch Oberwellen und damit neue Frequenzanteile auftreten. Die Großsignal-Impedanz ist jedoch in allen anderen Fällen aussagefähig. Insbesondere bei Messungen unter den geplanten Betriebsbedingungen sind wichtige Informationen über die Wirkverluste und deren Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen ermittelbar.

Messverfahren für die Großsignal-Impedanz

Typisch ist hier die Trennung zwischen speisender Quelle und Messgerät. Als Quelle kommen einstellbare Strom- und Spannungswerte fester Frequenz oder auch nicht sinusförmige Signale ausreichender Leistung zum Einsatz. Als Messgerät ist ein modernes Leistungsmessgerät (z.B. Serie LMG von ZES Zimmer) allen Multimetern überlegen, weil die wichtigsten Anforderungen der Applikation auch den Grundanforderungen an moderne Leistungsmessgeräte entsprechen. Dies sind insbesondere ein weiter Messbereich für Spannung und Strom, die Messung der Wirkleistung, das mehrphasige Messen, falls es aufgrund des Prüflings erforderlich ist, die Trennung zwischen den Spannungs- und Stromeingängen sowie ein weiter Frequenzbereich und eine hohe Messgenauigkeit. Gefordert wird außerdem eine Anzeige des Betrags der Impedanz als Quotient aus Effektivspannung und Effektivstrom, komfortable Darstellungs- und Kommunikationsmöglichkeiten sowie hohe Sicherheitsstandards der Geräte einschließlich des Zubehör zum Messen von Spannungen und Strömen im kV- und kA-Bereich.

Ein Beispiel

So wurden Beispielmessungen mit sinusförmigen Größen durchgeführt, weil damit der direkte Vergleich der Messergebnisse mit den Daten einer LCR-Messung möglich ist. Der Leistungsfaktor l entspricht dann dem cos w und bei geringen Verlusten näherungsweise dem Verlustwinkel tan d. Die Güte Q wird über den Formeleditor des LMG 500 errechnet und im user defined menue angezeigt. Die Messung soll die Aussteuerungsabhängigkeit der Impedanzwerte zeigen. Bei nicht sinusförmiger Aussteuerung ist die Abweichung zwischen Kleinsignal- und Großsignal-Impedanz im allgemeinen noch ausgeprägter.

Es bleibt festzustellen, dass die Messung der Großsignal-Impedanz handelsübliche LCR-Messgeräte vor große Probleme stellt. Der Einsatz moderner Präzisions-Leistungsmessgeräten hingegen ermöglicht verblüffend einfache Lösungen.

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