Kalibrierungstechnologie Herausforderungen und Gegenmaßnahmen für DC-Elektronik-Stromwandler

In modernen Stromsystemen spielen Gleichstrom-Elektronenstromwandler eine entscheidende Rolle. Sie werden nicht nur für hochpräzise Strommessungen verwendet, sondern dienen auch als wichtige Werkzeuge zur Nettoptimierung, Fehlererkennung und Energiemanagement. Mit der schnellen Entwicklung der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungstechnologie (HVDC) und ihrer weltweiten Verbreitung sind die Leistungsanforderungen an Gleichstrom-Stromwandler immer strenger geworden, insbesondere in Bezug auf Messgenauigkeit und Systemkompatibilität. Daher ist die Kalibrierungstechnologie von Gleichstrom-Elektronenstromwandlern der Schlüssel zum sicherstellen des sicheren, stabilen und effizienten Betriebs von Stromsystemen.

1 Analyse der Kalibrierungstechnologie für Gleichstrom-Elektronenstromwandler
1.1 Grundlegende Prinzipien der Kalibrierung

Die Kalibrierung von Gleichstrom-Elektronenstromwandlern basiert auf dem Prinzip des magnetischen Modulations-Gleichstrom-Stromvergleichers und der optischen Faser-Digital-Synchronisationstechnologie. Dabei nutzt der magnetische Modulations-Gleichstrom-Stromvergleicher Magnetmodulationstechnologie, um die Größe des Gleichstroms zu messen. Diese Technologie beruht auf dem Einfluss des vom Strom erzeugten Magnetfeldes auf die magnetischen Eigenschaften des Eisenkerns. In der praktischen Anwendung wird, wenn der Strom durch den Hauptleiter fließt, der umgebende Eisenkern magnetisiert. Der magnetisierte Eisenkern beeinflusst den Strom in einer Sekundärspule durch seine Änderungen, und dieser Einfluss kann als Grundlage für die Messung der Größe des Stroms im Hauptleiter dienen.

1.2 Zusammensetzung des Kalibriersistems

Das Kalibriersistem für Gleichstrom-Elektronenstromwandler besteht hauptsächlich aus einer Gleichstromquelle, der Verbindung und Synchronisierungskonfiguration des Standardgeräts und des zu prüfenden Geräts sowie einer hochpräzisen Datenerfassungseinheit. Das Design und die Funktion jedes Teils spielen eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Kalibriervorgangs.

• Die Gleichstromquelle ist dafür verantwortlich, einen stabilen und einstellbaren Strom für die Kalibrierung bereitzustellen. Ihr Design muss den Anforderungen hoher Stabilität und geringer Rippelausgabe entsprechen, um die Leistung des Stromwandlers unter verschiedenen Strombedingungen zu simulieren. Um dieses Ziel zu erreichen, setzt die Stromquelle in der Regel präzise leistungselektronische Bauteile und ein geschlossenes Feedback-Kontrollsystem ein, um die Ausgabe in Echtzeit anzupassen und die Stromstabilität aufrechtzuerhalten. Selbst bei Laständerungen oder Spannungsschwankungen kann so die Genauigkeit des Ausgangsstroms gewährleistet werden.

• Wenn die Gleichstromquelle den Grundstrom bereitstellt, sind die korrekte Verbindung und Synchronisierung des Standardgeräts und des zu prüfenden Geräts entscheidende Schritte, um die Genauigkeit der Kalibrierergebnisse sicherzustellen. Das Standardgerät ist in der Regel ein hochpräzises Instrument, das durch den Staat zertifiziert ist und einen Stromwert mit bekannter Genauigkeit als Referenz bereitstellt; das zu prüfende Gerät ist der Stromwandler, der getestet werden soll. Während des Kalibriervorgangs müssen das Standardgerät und das zu prüfende Gerät strikt synchronisiert betrieben werden, um sicherzustellen, dass alle Messdaten unter denselben Betriebsbedingungen erfasst werden.

1.3 Kalibriermethoden

Im Kalibriervorgang von Gleichstrom-Elektronenstromwandlern spielt die Auswahl der Kalibriermethoden eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messergebnisse. Die Vor-Ort-Kalibrierung und die Laboratoriumskalibrierung haben jeweils einzigartige Vorteile und Nachteile. Die hochgenaue digitale Direktmessmethode bietet ein effizientes Kalibrierungsmittel. Die Kalibriermethoden für analoge und digitale Ausgänge werden speziell für Stromwandler verschiedener Ausgabetypen angepasst, um sich an verschiedene Anwendungsszenarien anzupassen.

(1) Vergleich zwischen Vor-Ort-Kalibrierung und Laboratoriumskalibrierung

Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den beiden in Bezug auf Methoden und Umgebungen:

• Vor-Ort-Kalibrierung: Sie wird direkt am Installationsort des Stromwandlers durchgeführt und kann den Einfluss von Umwelteinflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit und elektromagnetischer Störung widerspiegeln. Sie eignet sich für große Geräte, deren Installationsort schwer zu verschieben ist oder deren Leistung überprüft werden muss. Allerdings kann die Kalibriergenauigkeit beeinträchtigt sein, wenn es vor Ort viele ungünstige Faktoren gibt und die Umgebungsvariablen nicht effektiv kontrolliert werden können.

• Laboratoriumskalibrierung: Die Umgebung kann effektiv kontrolliert und die Testbedingungen präzise reguliert werden, was die Wiederholbarkeit und Genauigkeit der Kalibrierung verbessert. Allerdings kann die Laboratoriumsumgebung das Arbeitsumfeld vor Ort nicht vollständig simulieren, und es fällt schwer, den Einfluss der vor Ort vorhandenen Umgebung auf die Geräteleistung umfassend zu analysieren.

(2) Hochgenaue digitale Direktmessmethode

Mit Hilfe hochpräziser digitaler Messgeräte wird die Ausgabe des Stromwandlers direkt abgelesen und mit dem bekannten Standardwert verglichen, sodass das Kalibrierergebnis schnell und effizient ermittelt und Fehler in Zwischenschritten reduziert werden können.

(3) Kalibriermethoden für analoge und digitale Ausgänge

Der Vorteil dieser Methode liegt darin, die Ausgabecharakteristiken verschiedener Arten von Stromwandlern vollständig zu berücksichtigen:

• Analogausgangsmethode: Es wird ein hochpräzises Strommessgerät verwendet, um den Ausgabewert abzulesen, und dann mit dem Standardwert für die Kalibrierung verglichen, um die Genauigkeit der analogen Signalumwandlung und -messung sicherzustellen.

• Digitalausgangsmethode: Im Kalibriervorgang werden Analysesoftware und Synchronisationstechnologie kombiniert, um Datenübertragung und -verarbeitung sicherzustellen, sodass die Kalibriergenauigkeit den Anforderungen entspricht, was sich für die Kalibrierbedürfnisse von Stromwandlern mit digitalem Ausgang eignet.

2 Herausforderungen und Gegenmaßnahmen bei der Anwendung der Kalibrierungstechnologie für Gleichstrom-Elektronenstromwandler
2.1 Anti-Störung vor Ort

Bei der Anwendung der Kalibrierung von Gleichstrom-Elektronenstromwandlern vor Ort tritt starke elektromagnetische Störung auf. Sie stammt aus der elektromagnetischen Umgebung des Hochspannungsnetzes, einschließlich Strahlung von Kabeln/Geräten und systemgenerierten Rauschens. Solche Störungen beeinträchtigen die Messgenauigkeit, führen zu Abweichungen in den Kalibrierdaten in HVDC-Systemen und können sogar Komponenten beschädigen. Sie bringen sowohl sofortige Fehler als auch langfristige Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme mit sich.

Um dies zu bewältigen, ist die Optimierung der magnetischen Abschirmstruktur entscheidend. Das Prinzip besteht darin, hochpermeable Materialien zu verwenden, um eine Abschichtung um sensible Teile herum zu bilden, um externe Magnetfelder abzublocken. Bei der Gestaltung sollten die tatsächliche Umgebung (Störungsart, Intensität, Frequenz) berücksichtigt werden, da diese die Abschirmeffektivität beeinflussen. Eine geschichtete Struktur mit mehreren Schichten unterschiedlicher Permeabilität funktioniert besser. Zum Beispiel wird die äußere Schicht aus hochpermeablen Materialien verwendet, um die meisten Magnetfelder aufzunehmen, und die innere Schicht aus hochwiderstandsfähigen Materialien, um Restfelder abzublocken. Optimierte Daten zur magnetischen Abschirmkonstruktion finden sich in Tabelle 1.

2.2 Digitale Synchronisationsgenauigkeit

Bei der Kalibrierung von Gleichstrom-Elektronenstromwandlern ist die Synchronisationsgenauigkeit entscheidend. Die Kalibrierung erfordert oft die Synchronisierung mehrerer Geräte/Datenquellen an verschiedenen Orten. Die Präzision und Zuverlässigkeit der Daten hängen von der Zeitsynchronisation ab; kleine Abweichungen führen zu Ungenauigkeiten, die die Effizienz und Sicherheit des Stromsystems beeinträchtigen. Die Auswahl und Optimierung der Synchronisationstechnologien und der Vergleich zwischen Glasfaser- und GPS-Synchronisation sind entscheidend.

Bei der Auswahl und Optimierung besteht die Herausforderung darin, komplexe Stromumgebungen und weite geografische Verteilungen zu kontrollieren, um eine genaue Synchronisation zu ermöglichen. In stark gestörten Umgebungen scheitern traditionelle Methoden. Lösungen beinhalten die Einführung des IEEE1588 Precision Time Protocols und die Nutzung präziser Zeitstempel und moderner Kommunikation für die Synchronisation.

Glasfasersynchronisation, mit hoher Geschwindigkeit und Störfestigkeit, eignet sich für hochpräzise Szenarien (z.B. Rechenzentren). Sie wird von elektromagnetischer Störung nicht beeinträchtigt und gewährleistet reine Signale, hat jedoch hohe Einsatzkosten. GPS-Synchronisation ist kostengünstig, deckt weite Gebiete ab und passt zu verteilten Netzwerken. Sie verwendet Satellitensignale für Zeitstempel, ist aber bei starker Störung weniger stabil. Der Vergleich der Synchronisationsgenauigkeit unter verschiedenen Störungen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sollte je nach Anwendungsumgebung und Kalibrierbedarf die geeignete Synchronisationstechnologie ausgewählt werden. Bei geringer EMI und hohen Präzisionsanforderungen sollte Glasfasersynchronisation priorisiert werden. Für geografisch verteilte Stromnetze sollte GPS-Synchronisation in Betracht gezogen und die Positionierung der Empfänger optimiert werden, um die Signalstörung zu reduzieren. Die Kombination beider Technologien zur Erhöhung der Redundanz steigert auch die Synchronisationsgenauigkeit und die Systemzuverlässigkeit.

3 Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine eingehende Forschung zur Kalibrierungstechnologie von Gleichstrom-Elektronenstromwandlern und deren Anwendungen nicht nur von großer Bedeutung für die Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit der Stromwandler ist, sondern auch ein Schlüsselelement zur Förderung technologischer Innovation und nachhaltiger Entwicklung von Stromsystemen. In Zukunft sollte neben der Fortsetzung der Optimierung der Kalibrierungstechnologie auch auf die Leistung dieser Technologien in der praktischen Anwendung geachtet werden, um sicherzustellen, dass sie den hohen Anforderungen moderner Stromnetze gerecht werden.