Leitfaden zum Messen von Spannung, Stromstärke und Leistung

Überblick

Dieses Dokument ist ein umfassender Leitfaden zum Messen von Spannung, Stromstärke und Leistung mit Hilfe computergestützter Messtechnik. In dem Artikel werden gängige handelsübliche Sensoren, Messhardware von National Instruments für Spannungs- und Stromstärkemessungen sowie Softwarepakete für die Berechnung der Leistung vorgestellt. Durch Kombination der Sensoren und Hardware- sowie Softwareprodukte von National Instruments, die hier besprochen werden, können Sie vollständige benutzerdefinierte Mess-, Prüf-, Steuer- und Regelungssysteme zur Messung von Spannung, Stromstärke und Leistung zusammenstellen.

Inhalt

NI-Hardware zum Messen von Stromstärke

Stromstärkemessungen werden mit Hilfe von Front-End-Signalaufbereitung und Sensoren, wie z. B. Shunt-Widerständen, Stromwandlern, Hall-Sensoren und Rogowski-Spulen durchgeführt.  NI bietet eine Vielzahl von Hardwareoptionen für die direkte Messung mit einem Modul sowie das Anschließen von externen Sensoren und Geräten zur Signalaufbereitung.  In Tabelle 1 werden Module aufgelistet, die mit CompactRIO-Chassis und CompactDAQ-Chassis für die Messung der Stromstärke kompatibel sind.  

Alle Module in Tabelle 1 arbeiten mit Eingängen für die Simultanabtastung mit einem 24-Bit-A/D-Wandler mit einer Sample-Rate von 50kS/s pro Kanal.  Die Module für die Stromstärke- und Spannungsmessung aus den Tabellen 1 und 2 sind synchronisiert, wenn sie gemeinsam in einem CompactDAQ- oder CompactRIO-Chassis installiert sind. Die Kanalsynchronisation ist für eine genauere Phasen- und Leistungsmessung erforderlich.

 

Modellnummer Messbereich Methode der Strommessung
NI 9239 / NI 9229 ±10 V/±60 V Verbindung zu Stromsensoren mit ±10-V- oder ±60-V-Ausgängen
NI 9238 ±0,5 V Verbindung mit Stromsensoren mit 0,333-V(eff)-Ausgang und externen Shunt-Widerständen
NI 9227 5 A(eff) Direkte Verbindung zum Modul, das interne, kalibrierte Shunt-Widerstände hat
NI 9246 20 A(eff)  Direkte Verbindung zum Modul, das interne, kalibrierte Stromwandler hat ODER: Verbindung zu einer 1A- und 5A-Sekundärwicklung von Stromwandlern
NI 9247 50 A(eff) (100 A(eff) für 10 Sekunden) Direkte Verbindung zum Modul, das interne, kalibrierte Stromwandler hat ODER: Verbindung zu einer 1A- und 5A-Sekundärwicklung von Stromwandlern

 

Tabelle 1: NI bietet eine Vielzahl von Modulen der C-Serie für das Messen der Stromstärke.  Alle Module geben vollständige Signalverläufe aus, die in LabVIEW oder einer anderen Mess- und Analysesoftware verarbeitet werden können.

 

 

Abbildung 1: Die Module NI 9229, NI 9239, NI 9227 und NI 9238 haben einen zweipoligen Schraubklemmanschluss (links) für jeden Messkanal.  Abschirmungen sind verfügbar (rechts) und werden empfohlen (für Zugentlastung und zum Schutz des Operators vor Anschlüssen mit aktiven Schaltungen).

 

 

Abbildung 2: Die Module NI 9246 und NI 9247 haben integrierte Stromwandler, Überstromschutz für große Stromstärken und können Kabelabschirmungen für bis zu 10 AWG (2,58 mm) dicke Drähte für die Messung höherer Stromwerte enthalten.  Direkte Messungen mit diesem Modulen sind genauer und haben einen höheren Frequenzgang als die meisten externen Stromwandler/Sensoren.  Beide Module können 500 A(eff) 1 Sekunde lang und 1250 A(eff) 1 Periode lang standhalten.

 

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Herstellen der Verbindungen für die Strommessung

In der folgenden Abbildung ist dargestellt, wie Module mit einer Schaltung zum Messen der Stromstärke verbunden werden. Zu Anschauungszwecken ist eine Mehrfachsteckdose dargestellt, die an eine Steckdose angeschlossen ist. Dieses Konzept kann jedoch auch auf Geräte mit Haushaltsspannung (120 VAC/240 VAC) bis hin zu Geräten mit Übertragungs-und Verteilernetzspannungen angewendet werden.  HINWEIS:  Bei der industriellen Verteilung und Übertragung von Strom werden immer externe Sensoren verwendet (Stromwandler/Spannungswandler).

Abbildung 3: Bei der direkten Verbindung mit dem Modul wird der stromführende Draht (braun in Deutschland/schwarz in USA) herausgeschnitten und mit den Anschlüssen AI+ und AI- eines Kanals verbunden.  Es wird der Strom gemessen, der durch das Modul fließt.  In der Abbildung oben, in der ein Spleiß im Kabel gezeigt wird, misst das Modul den Strom, der durch alle Geräte fließt, die über die Mehrfachsteckdose angeschlossen sind.

Abbildung 4: Bei der Strommessung mit Hilfe von Modulen mit Stromwandler wird der stromführende Draht (braun in Deutschland/schwarz in USA) durch die Öffnung im Stromwandler geleitet, entweder über einen Klappkerntransformator oder über Aufschneiden/Spleiße im Kabel.  Die Drähte vom Stromwandler werden dann mit den Anschlüssen AI+ und AI- des Messmoduls verbunden.  Das Modul misst alle Stromstärken an der Leitung, die durch die Öffnung des Stromwandlers geleitet werden.  Die Skalierung erfolgt anschließend mit Hilfe der Software, wo die Volt/Ampere-Ausgaben des Sensors in Ampere-Angaben der Schaltung umgewandelt werden.

 

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Sensoren und Front-End-Komponenten für das Messen von Spannung und Strom

Stromwandler

Stromwandler sind Sensoren, mit deren Hilfe der Strom, der durch den Sensor fließt, graduell heruntergewandelt werden kann, damit die Stromstärke mit den Messgeräten kompatibel ist.  Das Kernstück eines Stromwandlers ist eine Toroidspule mit einer Öffnung in der Mitte.  Um das Kernstück herum ist Draht gewickelt, der die Sekundärwicklung bildet. Das ganze befindet sich in einem Plastikgehäuse.  Die Anzahl der Drahtwicklungen um den Kern bestimmt das Verhältnis zwischen dem Strom in der gemessenen Leitung (Primärwicklung) und der Stromausgabe, die mit dem Messgerät verbunden ist (Sekundärwicklung).  Der stromführende Draht, der gemessen werden soll, wird durch die Öffnung in der Mitte des Stromwandlers geführt.  Beispiel: Wenn ein Stromwandler das Verhältnis von 500:5 hat, bedeutet dies, dass eine Last von 500 A(eff) an der Hauptleitung zu einer Ausgabe von 5 A(eff) an der Sekundärwicklung des Stromwandlers führen wird.  Das Messgerät misst 5 A(eff) an den Anschlüssen und kann einen Skalierungsfaktor anwenden, der vom Benutzer eingegeben wird, um die vollen 500 A(eff) anzuzeigen.  Stromwandler haben einen Nennwert, aber oftmals wird die Genauigkeit mit über 100% des Nennwerts angegeben.  Stromwandler gibt es in der Ausführung als Wandler mit Klappkern (teilbarer Kern) und mit Festkern.  Stromwandler mit Klappkern lassen sich öffnen oder haben einen abnehmbaren Teil, so dass der Stromwandler um den stromführenden Draht herum installiert werden kann, ohne die Verbindung des Drahts, der gemessen werden soll, zu unterbrechen.

Sicherheitshinweis:  Auch wenn ein Stromwandler um eine Stromleitung herum installiert werden kann, sollte der Strom vor der Installation eines Stromwandlers abgeschaltet werden.  Offene Verbindungen der Sekundärwicklung mit Strom in der Primärwicklung können zu extrem gefährlichen Spannungspotenzialen führen.

Stromwandler gibt es in verschiedenen Ausführungen mit verschiedenen Optionen, z. B. Nennbereich, Öffnungsdurchmesser, Klappkern/Festkern, Ausgangstyp (Spannung/Strom) und Ausgangsbereich (0,333 V(eff), ±10 V, 1 A(eff), 5 A(eff), usw.).  Hersteller von Stromwandlern können einen Sensor oft für spezifische Bedürfnisse anpassen, wie z. B. Eingangs- und Ausgangsbereich.

 

 

 

Abbildung 5: Klappkern-Stromwandler haben in der Regel ein Gelenk oder einen abnehmbaren Teil, der die Installation um eine Stromleitung herum ermöglicht, ohne dass der Stromwandler dafür auseinandergebaut werden muss. Der Strom sollte jedoch ausgeschaltet werden. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Magnelab)

Abbildung 6: Festkern-Stromwandler sind preiswerter, erfordern aber mehr Aufwand bei der Installation in Schaltungen, die bereits einsatzbereit sind.
(Bild mit freundlicher Genehmigung von Magnelab)

Messbandbreite von Stromwandlern

Die Bandbreite von 1 kHz bis 2 kHz ist für die meisten Wechselstromanwendungen ausreichend. Bei Anwendungen mit höheren Frequenzen stellen Sie direkt eine Verbindung mit dem NI 9246 oder NI 9247 her, um eine Bandbreite von bis zu 24 kHz zu erhalten, oder Sie wählen Stromwandler mit höherer Frequenz, die jedoch weniger kostengünstig sind.  Alle in der Tabelle oben aufgelisteten Module haben eine Bandbreite von ungefähr 24 kHz für direkt angeschlossene Signale.  Stromwandler mit höherer Frequenz sind spezialisierter und haben Bandbreitenspezifikationen im Bereich von hunderten von MHz.  Die Sample-Raten der Messmodule NI 9215, NI 9222 und NI 9223 reichen von 100 kS/s pro Kanal bis zu 1 MS/s pro Kanal bei einer 16-Bit-Auflösung für Hochfrequenzmessungen.

Für Hochfrequenzmessungen, die über die Fähigkeiten des NI 9223 hinausgehen, empfiehlt National Instruments ein Oszilloskop oder einen Digitizer für PXI-basierte Labor-, Forschungs- und Testsysteme. 

 

Messen von Gleichstrom

Mit Stromwandlern können kein Gleichstrom und keine Gleichstromkomponenten eines Wechselstromsignals gemessen werden.  Für die meisten Wechselstromanwendungen ist dies auch nicht notwendig. Wenn Sie Gleichstrommessungen durchführen müssen, hat das NI 9227 integrierte, kalibrierte Shunt-Widerstände und kann Gleichstrom von bis zu 5 A messen.  Zum Messen von mehr als 5 A (DC) wird ein leistungsfähiger Shunt-Widerstand (siehe unten) oder ein Hall-Sensor (siehe unten) verwendet, der mit dem geeigneten Messmodul verbunden ist.

 

Rogowski-Spulen

Rogowski-Spulen sind eine weitere Option für das Messen von Strom in einer Leitung.  Rogowski-Spulen ähneln herkömmlichen Stromwandlern insofern, dass sie um den stromführenden Draht herum installiert sind. Sie sind jedoch flexibel, haben eine größere Öffnung als herkömmliche Stromwandler und die Funktionsweise der Messung ist anders.  Rogowski-Spulen induzieren eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate des Stroms ist. Daher benötigen sie ein Integrationsglied, das in einen proportionalen Strom umgewandelt wird.  Das Integrationsglied ist ein separates Bauelement, das in der Regel auf einer DIN-Schiene montiert ist, eine Gleichstromversorgung erfordert und geringe Spannungs- oder Stromsignale an die Messgeräte ausgibt.  Aufgrund ihrer Größe und Flexibilität sind Rogowski-Spulen sehr gut geeignet für das Umgehen von Stromschienen in kommerziellen Gebäuden oder Fabriken, besonders wenn diese bereits errichtet sind und die Leistungsmessung als Teil einer nachträglichen Installation hinzugefügt wird. Rogowski-Spulen sind jedoch teurer als ein Stromwandler mit einem vergleichbaren Eingangsbereich.

Abbildung 7: Rogowski-Spulen erfordern eine externe Stromzufuhr, integrierte Schaltkreise (in der Abbildung oben im schwarzen Kasten) und sind weniger kostengünstig als herkömmliche Stromwandler mit Klappkern/Festkern, bieten jedoch einen schnellen Phasengang und eigenen sich aufgrund ihrer großen flexiblen Öffnung gut für die Umwandlung bestehender Installationen und Stromschienenmessungen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Magnelab)

Hall-Sensoren

Hall-Sensoren basieren auf dem "Hall-Effekt", der nach Edwin Hall benannt ist, wobei der Strom, der durch einen Halbleiter fließt, der sich senkrecht zu einem magnetischen Feld befindet, ein Spannungspotenzial im gesamten Halbleiter erzeugt.  Lesen Sie den Artikel Lesson 6 – Magnetic Field Sensors für eine akademische Arbeit mit Hauptaugenmerk auf Hall-Sensoren, die als Tachometer verwendet werden.  Bei Strommessungen werden Hall-Schaltungen senkrecht zum Kern eines magnetischen Felds platziert und geben eine Spannung aus, die auf die Stromlast der gemessenen Leitung skaliert wird.  Hall-Stromwandler haben in der Regel einen besseren Frequenzgang und können Gleichstrom-Offset messen. Sie sind jedoch teurer und erfordern eine Stromzufuhr und können Temperaturdrift unterliegen.

 

Abbildung 8: Hall-Sensoren haben eine Schaltung senkrecht zum magnetischen Feld und erfordern eine Stromzufuhr.  Hall-Sensoren unterliegen keiner Sättigungsgrenze wie Stromwandler und können Gleichströme messen, sind aber kostenaufwändiger.

 

Shunt-Widerstände

Shunt-Widerstände sind Widerstände, die in eine Schaltung eingebaut werden mit dem Zweck, den Strom zu messen, der durch den Shunt-Widerstand hindurchfließt.  Shunt-Widerstände sind recht gängige elektrische Bauelemente und finden Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen.  Die Größe des Shunt-Widerstands richtet sich nach dem Bereich des zu messenden Stroms, dem Ausgangsbereich und der Leistung, die durch die Schaltung fließt.  Für eine bessere Messgenauigkeit stehen teurere Präzisionswiderstände zur Verfügung. Shunt-Widerstände sind nicht um die Schaltung herum gewickelt, sondern werden als Bauelement in Reihe geschaltet.  Damit wird die Schutzisolierung zwischen der gemessenen Schaltung und dem Messgerät eliminiert. Die Installation ist jedoch komplizierter als die eines Stromwandlers oder einer Rogowski-Spule.  Shunt-Widerstände können jedoch Gleichströme messen, haben einen besseren Frequenz- und Phasengang.  Das Modul NI 9238 für CompactRIO und CompactDAQ wurde mit einer geringen analogen Eingangsschaltung von ±0,5 V besonders für Shunt-Widerstände entworfen.  Darüber hinaus ist das Modul NI 9238 mit einer 250-Kanal-zu-Kanal-Isolierung ausgestattet.

 

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Hersteller für Stromsensoren und Stromwandler

Die folgenden Drittanbieter haben Strom- und Spannungswandler, Hall-Sensoren und/oder Rogowski-Spulen in ihrem Angebot.  Shunt-Widerstände werden oft von Firmen verkauft, die elektronische Bauelemente vertreiben, wie z. B. Digi-Key Electronics.

www.magnelab.com

Magnelab bietet eine Vielzahl von Produkten zur Spannungs- und Strommessung, einschließlich Spannungswandler, Rogowski-Spulen, Hochfrequenz-Stromwandler und mehr für eine Reihe von verschiedenen Größen von Ausgangssignalen.

 

www.verivolt.com

Verivolt bietet eine große Auswahl von Sensoren, Anschlüssen und Isolierungsprodukten für Anwendungen zur Leistungsmessung.  Darüber hinaus haben verschiedene Sensoren eine große Bandbreite und bieten BNC-Anschlüsse für das schnelle Anschließen von BNC-Messmodulen, wie z. B. das NI 9223, NI 9222 und NI 9215.

 

 

Abbildung 9: Verivolt bietet eine große Auswahl von Sensoren mit BNC-Anschlüssen, die direkt an ein NI-Modul mit BNC-Anschlüssen angeschlossen werden können.  Analogeingangsmodule mit BNC-Anschlüssen sind z. B. das NI 9229, NI 9239, NI 9215, NI 9222 und das NI 9223 (Bilder links/mitte mit freundlicher Genehmigung von Verivolt).

 

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NI-Hardware zum Messen von Spannung

Für den Zweck dieses Artikels beziehen sich Spannungsmessungen auf Wechselstromsysteme mit industriellen Spannungspegeln von 120 V(eff) für Wohnhäuser bis zu über 750.000 kV für Hochspannungssysteme in einem Übertragungssystem für ein Stromnetz.  Messgeräte, die für industrielle Hochspannungsanwendungen entwickelt wurden, haben besondere Anforderungen für Sicherheit, Anschlüsse für größere Kabeldicken, höhere Wärmeableitung und bestimmte Zertifizierungen.  Die meisten Messgeräte, die für Wechselstrommessungen gedacht sind, haben einen Eingangsbereich von mehreren hundert Volt.  Höhere Spannungen (über 1.000 VAC) erfordern in der Regel einen externen Spannungswandler, mit dem die zu messende Spannung in einen Bereich heruntergewandelt wird, der kompatibel mit den meisten Messgeräten ist.

Ähnlich wie die Module zur Strommessung arbeiten alle in Tabelle 2 aufgelisteten Module mit simultan abgetasteten Eingängen mit einem 24-Bit-A/D-Wandler mit einer Sample-Rate von 50kS/s pro Kanal.  CompactDAQ- und CompactRIO-Chassis synchronisieren die Module zur Spannungsmessung in der Tabelle unten mit dem Modulen zur Strommessung in Tabelle 1, was für genauere Phasen- und Leistungsmessungen notwendig ist.

 

Modellnummer Messbereich Verwendete Messtechnologie
NI 9242 400 V(eff) L-N Direkte Messung für 120/240-Wechselstromsysteme.  Verbindung mit externen Leistungswandlern mit einer 120/240-V(eff)-Sekundärwicklung für Hochspannungsmessungen.
NI 9244 400 V(eff) L-N Direkte Messung für Systeme mit bis zu 690 V(eff) L-L.
NI 9225 300 V(eff) AI+ bis AI- Direkte Messung für Systeme mit bis zu 300 V(eff).
NI 9238 ±0,5 V Verbindung mit 0,333-V-Sensoren
NI 9239 ±10 V Verbindung mit 10-V-Sensoren
NI 9229 ±60 V Verbindung mit 60-V-Sensoren

 

Tabelle 2: NI bietet eine Vielzahl von Modulen der C-Serie für alle Arten der Spannungsmessung.  Alle Module geben vollständige Signalverläufe aus, die in LabVIEW oder einer anderen Mess- und Analysesoftware verarbeitet werden können.

Abbildung 10: Die Module NI 9242 und NI 9244 haben große Eingangsanschlüsse und Überspannungsschutz für die Verwendung in Wechselstromanwendungen (gezeigt mit installiertem Schutzgehäuse).

 

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Berechnung der Leistung aus Signalverläufen für Spannung und Stromstärke

Messgeräte für die Hochgeschwindigkeitsmessung wie in diesem Artikel beschrieben geben Signalverlaufsdaten ähnlich der Abbildung unten aus.  In den mit LabVIEW aufgezeichneten Daten ist der Signalverlauf für die Spannung aus einer Steckdose in einem Büro 120 V(eff) grün dargestellt. Die rote Kurve ist die entsprechende Spannung für eine ältere Leuchtröhre.  Die Module für Strommessung und Spannungsmessung sind über gemeinsame Signale im CompactDAQ- oder CompactRIO-Chassis miteinander synchronisiert.  Dies ist wichtig für manche Anwendungen, da Phasenverschiebungen zwischen Spannungs- und Stromsignalverläufen ein Parameter der Qualität ist, der überwacht wird und ohne Simultanabtastung ist es schwer zu bestimmen, ob diese Verschiebung vom Messgerät oder der Schaltung herrührt.

Abbildung 11: LabVIEW-Frontpanel zur Darstellung von Signalverlaufsdaten und Ergebnissen von Leistungsberechnungen

 

Zu diesem Zeitpunkt im Messsystem werden die gewünschten Leistungsparameter mit Hilfe der Signalverlaufsdaten von den Modulen berechnet.  Manche dieser Berechnungen sind recht einfach, andere Berechnungen dagegen sind komplex mit Werten, die über mehrere Perioden, Sekunden oder Minuten hinweg angesammelt wurden, um die ultimative Qualität zu bestimmen.

In LabVIEW gibt es verschiedene Funktionenpaletten für Signalverläufe und die Signalverarbeitung. Darüber hinaus gibt es zusätzliche Toolkits für besondere spezialisierte Signalverarbeitung und -berechnungen.  Die NI LabVIEW Electrical Power Suite bietet Analysefunktionen für alle grundlegenden Leistungsberechnungen, die in diesem Artikel vorgestellt werden und kann auf der Website von NI heruntergeladen werden. Die folgenden Analysefunktionen sind in der Vollversion der NI LabVIEW Electrical Power Suite enthalten und entsprechen dem Standard IEC 61000-4-30:2008:

  • Netzfrequenz
  • Höhe der Versorgungsspannung
  • Flicker
  • Einbrüche/Überhöhungen der Versorgungsspannung
  • Spannungsunterbrechungen
  • Unsymmetrie der Versorgungsspannung
  • Oberschwingungen
  • Signalübertragung auf Versorgungsspannung
  • schnelle Spannungsänderungen
  • Messung von Werten für die Unter- und Überabweichung

 

Die folgenden Analysefunktionen entsprechen dem Standard EN 50160:2007:

  • Leistungsmessung
  • Energiemessung
  • Aggregation (Bedarf)

 

Lesen Sie den Artikel Creating a Power Quality Application Using the LabVIEW Electrical Power Suite, um mehr zu erfahren.

Programmierung mit Hilfe textbasierter Sprachen

Der NI-DAQmx-Treiber für CompactDAQ unterstützt LabVIEW, C, C++, Measurement Studio und bietet auch Unterstützung für das Speichern von Daten in offenen Dateiformaten zur Verwendung in Excel oder anderen Softwareprogrammiersprachen.  

Beachten Sie bitte, dass die Analyse-VIs der Electrical Power Suite nur in der Entwicklungsumgebung von LabVIEW zur Verfügung stehen, jedoch nicht für CVI, C, C++ oder Measurement Studio.

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Empfohlene Systemkomponenten nach Anwendung

Permanent installierte Motorüberwachung

Mit Hilfe von Systemen zur Überwachung von Betriebsmitteln (Assets) werden Fehler in kritischen Geräten, wie z. B. große Pumpen, Lüfter, Treibriemen usw. vermieden, indem physikalische und elektrische Parameter überwacht werden, um zu prognostizieren, wann eine Maschine gewartet werden muss.  Mit der Stromsignatur eines großen Motors können Schwächen wie mangelnde Balance oder mechanische Fehler wie kaputte Rotorstäbe erkannt werden. In Tabelle 3 unten werden die empfohlenen Produktkomponenten für eine Anwendung zur Motorüberwachung aufgelistet.

 

Komponente NI-Produkt Beschreibung
Spannungseingang

NI 9244 (bis zu 400 VAC L-N,690 VAC L-L)

NI 9242 (bis zu 250 VAC L-N, 400 VAC L-L)

Große Industriemotoren arbeiten in der Regel mit Verteilernetzspannungen und erfordern einen externen Spannungswandler, der mit dem NI 9242 verbunden wird.  Motoren mit geringerer Spannung unter 690 VAC können direkt an das NI 9244 angeschlossen werden
Stromeingang NI 9239 mit Stromwandler für Niedrigstrom Stromwandler für Niedrigstrom sind sicherer und bedienfreundlicher als 1-A-/5-A-Stromwandler.  Sie sollten bei der Ermittlung der Größe des Stromwandlers das ausgewählte Niedrigspannungsmodul und den Einschaltstrom bedenken, der das 10-fache der normalen Stromstärke betragen kann.
Chassis und Controller CompactRIO Der integrierte Prozessor sorgt dafür, dass das System kontinuierlich läuft.  Die verarbeiteten Daten können lokal gespeichert werden, an das SCADA-System zurückgesendet werden oder Alarme am SCADA-System oder an der lokalen speicherprogrammierten Steuerung auslösen.
Software (benutzerdefiniert) LabVIEW Electrical Power Suite Die LabVIEW Electrical Power Suite enthält alle Funktionen für die Stromqualitätsanalyse und zur Analyse von Motorstromsignaturen, die für die Zustandsüberwachung eines industriellen Motors notwendig sind.  Mit dieser Software können Sie selbst ein benutzerspezifisches System erstellen oder Sie können Kontakt mit einem NI-Alliance-Partner aufnehmen, der Ihnen beim Erstellen eines benutzerdefinierten Systems zur Seite steht.
Software (Enterprise) NI InsightCM NI InsightCM MMS (Motorüberwachungssystem) ist ein serverbasiertes System für die betriebsweite Überwachung von industriellen Motoren und Ausgabe von relevanten Daten an Experten. Mit NI InsightCM MMS wird der Bedarf für routenbasierte Wartungsprogramme eliminiert.  Wenden Sie sich an NI, um mehr zu erfahren.

 

Tabelle 3: Empfohlene Komponenten eines permanent installierten Motorüberwachungssystems

 

Testen von Haushaltsgeräten und Elektrogeräten

Computergestützte Testsysteme für Haushaltsgeräte oder industrielle Elektrogeräte erhöhen die Produktivität des Entwurfs und des Testteams, während die Qualität des Produkts verbessert wird.  Eine Klassifizierung von Tests im Hinblick auf Forschung und Entwicklung ist z. B. folgende:

  • Lebensdauertest (HALT - Highly Accelerated Life Test)
  • Validierung und Verifizierung
  • Zertifizierung und Vorzertifizierung
  • Ursachenforschung für Warenrücksendung

Darüber hinaus können Testsysteme für Haushaltsgeräte für Tests an automatisierten Fertigungsanalgen erstellt werden, mit denen sichergestellt wird, dass das Gerät eingeschaltet werden kann und LEDs funktionieren.  In Tabelle 4 unten werden empfohlene Komponenten für ein Testsystems für Haushaltsgeräte und elektrische Geräte aufgelistet.

 

Komponente NI-Produkt Beschreibung
Spannungseingang

NI 9244 (bis zu 690 VAC)

 

Die meisten Haushaltsgeräte und industriellen Elektrogeräte funktionieren mit dem 3-Phasenstrom (690 VAC) des NI 9244.
Stromeingang NI 9247 Das Strommessmodul NI 9247 hat integrierte, kalibrierte Stromwandler für kontinuierliche Messungen bis zu 50 A(eff) pro Phase und kann bis zu 100 A(eff) 10 Sekunden lang messen, um Ereignisse des Einschaltstroms aufzuzeichnen.
Chassis und Controller NI CompactDAQ & ein Multicore-PC. NI CompactDAQ hat 4, 8 und 14 Steckplätze mit USB- oder Ethernetverbindung an einen Host-PC.  Alle Module in dem Chassis werden synchronisiert. Es gibt 1 Steckplatz für Spannung, 1 Steckplatz für Stromstärke und darüber hinaus Steckplätze für Temperatur, Druck sowie Fluss und viele weitere Sensormodule für Gerätetests.
Software (graphisch) LabVIEW Electrical Power Suite Die LabVIEW Electrical Power Suite enthält Toolkits für PMU und IP-Schutzarten.  Darüber hinaus kann das PMU-Programm, das mit dem NI Grid Automation System geliefert wird, als LabVIEW-Projekt heruntergeladen werden.
Software (textbasiert) NI-DAQmx (Hardware und Treiber) Der NI-DAQmx-Treiber für CompactDAQ enthält Unterstützung für eine Vielzahl von textbasierten Programmiersprachen wie C/C++, C# oder Visual Studio .NET

 

Tabelle 4: Empfohlene Komponenten für Gerätetestsysteme oder andere Testsysteme mit verschiedenen Sensoren für Elektrogeräte

 

Intelligente elektronische Geräte (IEDs) für Utility-Anwendungen

Anwendungen für NI-Hardware in Stromversorgungsunternehmen decken die Messung, Steuerung und Sicherung von Geräten im Stromnetz ab, wie z. B.:

  • IEDs
  • Außenstationen (Remote Terminal Units, RTUs)
  • digitaler Fehlerrekorder
  • Wiedereinschalt-Controller, intelligente Schalter und Relais
  • Phasor-Messgeräte (PMUs)
  • Stromqualitätsanalyse und Frequenzanalyse
  • Microgrid-Controller und erneuerbare Controller (Energiespeicher, Glättung der Ausgangsenergie von PV-Anlagen, Microgrid-Controller)

In Tabelle 5 unten werden empfohlene Produktkomponenten für intelligente Systeme aufgelistet, die im Stromversorgungsnetz zur Steuerung von Umspannwerken, Schaltanlagen sowie Masttransformatoren oder Transformatorenstationen verwendet werden.

 

Komponente NI-Produkt

Beschreibung                

Spannungseingang NI 9242 Das Modul NI 9242 wurde so konzipiert, dass es an 120-V(eff)­ und 240-V(eff)-Spannungswandler angeschlossen werden kann, die in Umspannungswerken, Transformatoren und Leitungsschutzschalter Anwendung finden.  Für Spannungswandler mit geringer Spannung werden Sie entsprechend die Module NI 9238, NI 9239 oder NI 9229.

 

Stromeingang

NI 9247 Das Strommessmodul NI 9247 hat integrierte, kalibrierte Stromwandler für kontinuierliche Messungen bis zu 50 A(eff) und 100 A(eff) für 10 Sekunden.  Bereiche für die Spannungsfestigkeit sind 500 A(eff) für 1 Sekunde und 1250 A(eff) für 1 Periode.
Chassis
und Controller
NI CompactRIO Das Linux-RT-Betriebssystem, programmierbare FPGAs, Multicore-Prozessoren und robuste Spezifikationen machen das CompactRIO die ideale Wahl für die intelligente Entwicklung von Geräten für das Stromnetz.
Software (graphisch) LabVIEW LabVIEW ist die führende Testsoftware.  Darüber hinaus können die Electrical Power Suite und die Vibration Measurement Suite für weitere vordefinierte Messungen hinzugefügt werden.  Im Netzwerk für Gerätetreiber finden Sie Build-Protokolle und Dashboards. Außerdem finden Sie Möglichkeiten zur Speicherung von Daten in verschiedenen Dateiformaten und über 4.000 Messgeräte von Drittanbietern mit den entsprechenden Treibern.

Software 

(textbasiert)

C/C++ mit Eclipse Systementwickler, die bereits Algorithmen mit C oder C++ programmiert haben, können mit Hilfe der Entwicklungsumgebung Eclipse den Multicore-Prozessor von CompactRIO programmieren.  Der FPGA wird immer noch in LabVIEW programmiert.

Tabelle 5: Empfohlene Komponenten für Geräte zur intelligenten Messung und Steuerung, die im Stromnetz Verwendung finden

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Auswahl eines Sensors zur Stromstärkemessung

Die beste Qualität beim Erfassen von Messwerten für Spannung, Stromstärke und Leistung wird mit Hilfe von Modulen und Messgeräten erreicht, welche die direkte Messung ermöglichen, z. B. das NI 9227, NI 9246 und NI 9247.  Beachten Sie bei der Auswahl eines Eingangs-/Ausgangsbereichs für den Stromwandler und den Eingangsbereich des Messmoduls alle wichtigen Betriebsbereiche (stabiler Zustand, Einschaltstrom, Fehler, usw.) der Schaltung.  Unter dieser Voraussetzung dient die folgende Tabelle als grobe Richtlinie für andere Sensoroptionen (keine definitive Antwort, da viele Faktoren die Auswahl beeinflussen können).  Wenden Sie sich an Sensorhersteller wie Magnelab und Verivolt für weitere Informationen zur Auswahl eines Sensors.

Wenn Sie mit einer direkten Verbindung mit dem Modul als Standardlösung beginnen, dient die folgende Tabelle als grobe Richtlinie.

 

Anforderungen des Messsystems für Stromstärke Empfehlung
Größte Genauigkeit für Messungen unter 5 A (eff) NI 9227 (5 A)
Gleichstrommessung NI 9227 (5 A)
Überstromschutz (500 A(eff) für 1 Sekunde, 1250 A für 1 Periode) NI 9246 (20 A) oder NI 9247 (50 A)
Kontinuierlicher (stabiler Zustand) Messbereich von bis zu 50 A(eff), bei Messungen von 10 Sekunden bis zu 100 A(eff) NI 9247 (50 A)
Eingangsbereich größer als 50 A(eff) Externer Stromwandler mit Spannungsausgabe an ein Module zu Spannungserfassung
Messung ohne Kopplung/Spleißung des Messgeräts in die Schaltung Externer Stromwandler mit Spannungsausgabe an ein Module zu Spannungserfassung
Installation an einer Stelle, an der es schwierig ist, einen Stromwandler mit Festkern oder Klappkern zu installieren (Stromschienen, viele Kabel, usw.) Rogowski-Spule mit einem Modul zur Spannungsausgabe
Gleichstrommessung mit einem Bereich größer als 5 A Hall-Sensor oder Shunt-Widerstand
Gleichstrommessung ohne Kopplung/Spleißung des Messgeräts in die Schaltung Hall-Sonde
Eingangsbereich größer als 50 A(eff) mit Sensorausgaben von 1 A oder 5 A an der Sekundärwicklung (Anwendungen in der Stromversorgungsindustrie) Verbindung zu einer 1-A/5-A-Sekundärwicklung von Stromwandlern mit NI 9246 oder NI 9247.
Geringere Kosten pro Kanal und Kompromisse bei der Qualität der Auflösung und bei der dynamischen Messung Verwendung von Stromwandlern mit einer Ausgabe von weniger als ±10 V und Verbindung mit einem NI 9220, Eingangsmodul mit 16-Kanälen für die simultane Erfassung von Daten (100 kS/s pro Kanal)
Höhere Genauigkeit bei Gleichströmen Präzisions-Shunt-Widerstände oder ein PXI-Digitalmultimeter
Erfordert eine höhere Bandbreite? Bis zu 500 kHz Verwendung von Hochfrequenz-Stromwandlern mit einem Eingang von weniger als ±10 V und Verbindung mit NI 9215, NI 9222 oder NI 9223.
Erfordert eine noch höhere Bandbreite? >500 kHz PXI-Oszilloskop/Digitizer

Tabelle 6: Hinweise für die Auswahl einer geeigneten Strommesslösung

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Informationen zu CompactRIO und CompactDAQ

CompactRIO und CompactDAQ sind chassis-basierte Systeme für die Verwendung in Test-, Mess-, Steuer- und Überwachungsanwendungen.  Es stehen 100 Messmodule zur Verfügung, die es Ihnen ermöglichen, benutzerdefinierte Lösungen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Messungsarten, in einem Messsystem zusammenzustellen.  Für Anwendungen zur Messung der Leistung können Sie weitere Messkreise hinzufügen, indem Sie weitere Module in das Chassis einstecken oder Leistung mit anderen Messungen, wie z. B. Temperatur, Druck und Schwingung für vollständige Testsysteme in Forschung und Entwicklung oder umfangreiche Asset-Überwachungssysteme kombinieren.

NI-CompactDAQ-Chassis sind verfügbar mit 1, 4, 8 und 14 Steckplätzen und können über USB, WiFi oder ENET eine Kommunikationsverbindung mit einem Windows-Rechner herstellen.  CompactDAQ-Controller haben einen integrierten Computer, wodurch externe Rechner unnötig sind.  CompactDAQ-Controller sind für mobile, robuste Überwachungs- und Testsysteme ohne Benutzeroberfläche konzipiert.

Mehr zu CompactDAQ erfahren Sie hier. Informationen zu den ersten Schritten mit CompactDAQ finden Sie auf der Seite NI CompactDAQ – Inbetriebnahme und Dienste.

CompactRIO ist ein programmierbares Steuer- und Überwachungssystem mit einem Multicore-Prozessor, Echtzeit-Betriebssystem, programmierbarem FPGA, das kompatibel ist mit allen Modulen der C-Serie von NI und Drittanbietern.  Mit CompactRIO können Fachexperten Embedded-I/O-Controller und Überwachungssysteme zur Lösung ihrer Probleme erstellen.  Weitere Informationen dazu erhalten Sie im Video CompactRIO Out of the Box

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Weitere Informationsquellen

 

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