Kalibrierensemble für Messgeräte zur Bestimmung des Wirkungsgrades von HGÜ-Umrichtern

Mohns, Enrico

In der vorliegenden Arbeit wird über Möglichkeiten zur Kalibrierung der Messtechnik für die Bestimmung des Wirkungsgrades von Umrichtern für die Hochspannungsgleichstromübertra-gung berichtet. Ausgehend von einem kommerziellen Leistungsanalysator mit zugehörigen Wechsel- und Gleichstromsensoren wird gezeigt, welche Messgrößen mit zugehörigen Rand-bedingungen kalibrierbar sein müssen, um die gestellte Aufgabenstellung zu lösen. Dabei zeigte sich, dass sowohl Messsysteme zur Kalibrierung von Leistungsanalysatoren, als auch Messsysteme zur Kalibrierung von breitbandigen Wechselstrom- und Wechselspannungs-sensoren aufgebaut bzw. untersucht werden müssen. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Messtechnik zur Kalibrierung des Leistungsanalysators mit breitbandig verschmutzten Gleich- und Wechselstromsignalen. Es konnte gezeigt werden, dass diese vorteilhaft auf der, die Sekundärgrößen der Hochspannungssensoren emulierenden Kleinsignalebene durchgeführt werden kann. Die Anstrengungen konnten sich damit auf den Aufbau hochwertiger, und dem Anwendungszweck angemessen breitbandiger Komponenten konzentrieren. Der so aufgebaute Wirkungsgrad-Kalibrator integriert eine hochwertige multi-kanalige Signalerzeugung, Stromverstärker mit galvanisch isolierten Kanälen, breitbandige Messwiderstände mit zugehörigen Messverstärkern, sowie ein selbstkalibrierendes Messsys-tem. Auch auf dem Gebiet der Messwandler werden genaue Messmöglichkeiten mit hohen Wech-selspannungen und Wechselströmen im Bereich der Netzfrequenz einerseits, als auch an-gemessen breitbandige Messmöglichkeiten für die eingesetzten Hochspannungssensoren an-dererseits notwendig. Nach Erläuterung der Theorien und der Messtechnik zur Kalibrierung konventioneller Messwandler, wurden die Änderungen und Anpassungen der existierenden, wie auch der Aufbau neuer Messtechnik dargestellt. Im Ergebnis dieser Arbeit können nun analoge Spannungs- und Stromsensoren mit praktisch beliebigen Sekundärpegeln im Bereich der Netzfrequenz kalibriert werden. Zusätzlich wurden entsprechend breitbandige Messsys-teme und zugehörige Referenzen aufgebaut. Messunsicherheitsbudgets weisen die erreichten Genauigkeiten nach.

In this work, suitable calibration equipment for measuring instruments for the determination of the conversion efficiency of converters for high-voltage direct current transmission is shown. A commercially available modular ac and dc power measurement system is used in the introduction to identify the required measurement quantities. It was found that calibration systems for calibrating multi-channel power analyzers as well as measurement systems for the calibration of wideband alternating current and voltage sensors need to be developed or test-ed. One focus of this work was the calibration of the power analyzer with wideband polluted ac and dc signals. It is shown that this can be carried out using emulated secondary voltage and current signals of the high-voltage sensors as calibration signals. These emulate typical wave-forms of modern multi-level voltage source converters. The efforts could thus focus on build-ing high quality components for a small-signal reference measurement system with reasonable wideband behavior. This new power and efficiency calibrator integrates a high-quality multi-channel signal generator, a transconductance amplifier with electrically isolated channels, wideband measuring resistors with associated instrumentation amplifiers, as well as a self-calibrating sampling system. In the field of instrument transformers, accurate measurement capabilities for high-voltage wideband sensors with high ac voltages and currents at mains frequencies on the one hand, and their assessment in the audio frequency range using frequency response measurement capabilities on the other hand are necessary. After explaining the theories and the existing measurement systems for conventional transformers, the necessary changes and the adaptation of the existing equipment, as well as the development of new measurement equipment are shown. As a result of this work, analogue voltage and current sensors with virtually any sec-ondary voltage or current level can be calibrated at the mains frequency. In addition, a wide-band measurement system for high-voltage sensors with associated references was developed. Uncertainty budgets demonstrate the accuracies reached.

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Mohns, Enrico: Kalibrierensemble für Messgeräte zur Bestimmung des Wirkungsgrades von HGÜ-Umrichtern. 2013.

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