Ein digitales Einbaumessgerät im Schaltschrank soll häufig dauerhaft Spannung oder Strom eines Antriebs anzeigen. Bei einem direkt am sinusförmigen Netz betriebenen Motor ist diese Aufgabe vergleichsweise übersichtlich. Wird der Motor dagegen von einem Frequenzumrichter gespeist, verändert sich die elektrische Messaufgabe grundlegend.
Auf der Netzseite des Frequenzumrichters liegt weiterhin die Netzgrundfrequenz an. Der aufgenommene Strom kann durch Gleichrichter, Zwischenkreis und weitere Leistungselektronik allerdings deutlich von einer Sinusform abweichen. Auf der Motorseite entsteht dagegen eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung. Ihre Grundschwingung besitzt die für den Motor gewünschte variable Frequenz, gleichzeitig enthält die Spannung schnelle Schaltvorgänge und hochfrequente Anteile.
Ein True-RMS-Messgerät ist grundsätzlich dafür ausgelegt, den Effektivwert auch bei nichtsinusförmigen Signalen zu bestimmen. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass jedes mit „TRMS“ bezeichnete Einbaumessgerät jeden Frequenzumrichterausgang korrekt messen kann.
Entscheidend sind zusätzlich die Frequenzbandbreite des Messeingangs, das Filterverhalten, die zulässige Signalform, der Messbereich und die Frage, welcher Effektivwert überhaupt benötigt wird. Soll der gesamte PWM-Effektivwert einschließlich relevanter Schaltanteile erfasst werden oder interessiert primär die Grundschwingung, die für den Motorbetrieb maßgebend ist?
Zwei technisch einwandfrei arbeitende Messgeräte können deshalb am gleichen Frequenzumrichter unterschiedliche Spannungswerte anzeigen, wenn ihre Bandbreiten oder Filterkonzepte unterschiedlich sind.
Die zentrale Aussage lautet: True RMS beschreibt die Art der Effektivwertbildung – nicht automatisch die vollständige Eignung für PWM-Ausgangssignale. Am Frequenzumrichter müssen Messort, Signalform, Grundfrequenz, Schaltfrequenz und Messbandbreite gemeinsam betrachtet werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Zuerst klären: Netzseite oder Motorseite?
2. Was bedeutet True RMS tatsächlich?
3. Warum die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters besonders ist
4. Grundschwingung und gesamter PWM-Effektivwert unterscheiden
5. Warum die Frequenzbandbreite entscheidend ist
6. Ausgangsfrequenz und Schaltfrequenz nicht verwechseln
7. Warum Ausgangsstrom und Ausgangsspannung unterschiedlich aussehen
8. Spitzenwert und Crest-Faktor zusätzlich berücksichtigen
9. Welche Rolle ein Tiefpass beziehungsweise VFD-Filter spielt
10. RMS-Messung und Frequenzmessung sind zwei verschiedene Funktionen
11. Messzeit ist nicht dasselbe wie Eingangsbandbreite
12. Anschluss eines Einbaumessgeräts richtig planen
13. Spannungs- und Stromwandler nicht ungeprüft am PWM-Ausgang einsetzen
14. EMV im Schaltschrank berücksichtigen
15. Warum Umrichteranzeige und Panelmeter voneinander abweichen können
16. Typische Fehlanzeigen systematisch diagnostizieren
17. Auswahlkriterien für ein True-RMS-Einbaumessgerät
18. Passende Einbaumessgeräte von ICS Schneider
20. Häufige Fragen zu True-RMS-Einbaumessgeräten am Frequenzumrichter
1. Zuerst klären: Netzseite oder Motorseite?
Die Formulierung „Messung am Frequenzumrichter“ ist technisch zu ungenau. Ein Frequenzumrichter besitzt mehrere elektrisch sehr unterschiedliche Bereiche.
Für die Auswahl des Messgeräts muss mindestens zwischen Netzeingang und Motorausgang unterschieden werden.
| Messort | Typische Signalform | Besonderheit |
|---|---|---|
| Netzeingang | Spannung überwiegend sinusförmig mit Netzfrequenz | Strom kann durch den Gleichrichter stark verzerrt sein |
| DC-Zwischenkreis | Gleichspannung mit überlagerten Welligkeiten | Keine klassische AC-TRMS-Messaufgabe |
| Motorausgang | PWM-Spannung mit variabler Grundfrequenz | Hohe Schaltanteile und steile Spannungsflanken |
Auf der Netzseite liegt beispielsweise weiterhin ein 50-Hz- beziehungsweise 60-Hz-Spannungssystem vor. Für eine Spannungsanzeige ist diese Messung daher wesentlich näher an einer klassischen Netzspannungsmessung.
Der Eingangsstrom kann dagegen deutlich verzerrt sein. Gerade hier bietet die True-RMS-Messung gegenüber einer einfachen gleichrichtenden Mittelwertmessung einen großen Vorteil.
Auf der Motorseite ist die Situation grundlegend anders. Die Spannung wird dort durch schnelle Halbleiterschalter aus der Zwischenkreisspannung erzeugt. Ein direkt angeschlossenes Panelmeter sieht daher keine saubere Sinusspannung, sondern eine Folge von PWM-Impulsen.
Die Frage „Ist das Gerät True RMS?“ ist deshalb auf der Motorseite lediglich der Beginn der Geräteauswahl.
2. Was bedeutet True RMS tatsächlich?
Der Effektivwert einer Spannung beschreibt diejenige Gleichspannung, die an einem rein ohmschen Widerstand die gleiche Wärmeleistung erzeugen würde wie die betrachtete zeitlich veränderliche Spannung.
Mathematisch gilt für eine periodische Spannung:
URMS = √[(1/T) · ∫ u²(t) dt]
Bei einem reinen Sinus ergibt sich daraus der bekannte Zusammenhang zwischen Scheitelwert und Effektivwert.
Bei einer verzerrten Signalform reicht eine einfache Mittelwertbildung mit sinusbezogenem Korrekturfaktor dagegen nicht aus. Ein echtes True-RMS-Verfahren bewertet die tatsächliche Signalform innerhalb seines zulässigen Arbeitsbereichs.
Genau der letzte Teil ist entscheidend: innerhalb seines Arbeitsbereichs.
Jedes reale Messgerät besitzt eine endliche Bandbreite. Sehr hohe Frequenzanteile werden abhängig vom Eingangsschaltkreis gedämpft beziehungsweise gar nicht mehr vollständig verarbeitet.
Die Aussage „True RMS“ bedeutet daher nicht, dass ein Messgerät theoretisch Frequenzanteile von 0 Hz bis unendlich berücksichtigt.
3. Warum die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters besonders ist
Ein moderner Frequenzumrichter erzeugt die Motorspannung üblicherweise über Pulsweitenmodulation.
Die Ausgangshalbleiter schalten die Zwischenkreisspannung mit hoher Geschwindigkeit. Durch das zeitliche Verhältnis der einzelnen Pulse entsteht für den Motor eine Grundschwingung mit der gewünschten Spannung und Frequenz.
Vereinfacht kann eine Motorphase daher gleichzeitig besitzen:
- eine Grundfrequenz entsprechend der gewünschten Motordrehzahl,
- eine PWM-Schaltfrequenz,
- Seitenbänder und weitere hochfrequente Anteile,
- steile Spannungsflanken und
- abhängig von Leitung und Motor zusätzliche Überschwinger.
Ein Einbaumessgerät muss deshalb nicht nur die Amplitude des Signals verkraften. Es muss auch festgelegt sein, welchen Frequenzbereich sein Effektivwertverfahren bewertet.
4. Grundschwingung und gesamter PWM-Effektivwert unterscheiden
Bei einer verzerrten periodischen Spannung kann der gesamte Effektivwert vereinfacht als Zusammensetzung von Grundschwingung und weiteren Frequenzanteilen betrachtet werden.
Unter entsprechenden mathematischen Voraussetzungen gilt:
URMS,total2 = U12 + U22 + U32 + …
Dabei ist U1 die Grundschwingung und die weiteren Terme repräsentieren zusätzliche Frequenzanteile.
Bei einem PWM-Ausgang entsteht deshalb eine wichtige Frage:
Soll der gesamte Effektivwert einschließlich der erfassten Schaltanteile angezeigt werden oder soll eine motorbezogene Grundschwingung bewertet werden?
Beides kann eine technisch sinnvolle Messaufgabe sein. Es sind jedoch nicht dieselben Messgrößen.
Bei der Inbetriebnahme eines Antriebs interessiert häufig die für den Motor wirksame Grundschwingung. Bei einer Untersuchung von elektrischer Beanspruchung, Verlusten oder EMV können dagegen auch höhere Frequenzanteile relevant sein.
Deshalb existieren für Frequenzumrichtermessungen Messgeräte mit speziellen Tiefpass- beziehungsweise VFD-Funktionen. Diese unterdrücken einen Teil der hochfrequenten PWM-Anteile, damit die Grundschwingung besser bewertet werden kann.
5. Warum die Frequenzbandbreite entscheidend ist
Die Eingangsbandbreite legt fest, welche Frequenzanteile eines Signals die Messschaltung überhaupt ausreichend verarbeitet.
Ein einfaches Beispiel zeigt die Problematik.
Ein Frequenzumrichter liefert eine Motorausgangsgrundfrequenz von:
50 Hz
und arbeitet beispielsweise mit einer PWM-Schaltfrequenz von:
4 kHz
Diese Werte dienen hier nur zur Veranschaulichung.
Ein Messgerät mit sehr niedriger Eingangsbandbreite kann im Wesentlichen die Grundschwingung beziehungsweise niederfrequente Signalanteile erfassen.
Ein deutlich breitbandigeres Gerät kann dagegen zusätzliche PWM-Anteile in seine Effektivwertbildung einbeziehen.
Die beiden Geräte können deshalb unterschiedliche RMS-Werte anzeigen, obwohl keines zwangsläufig defekt ist.
Bei der Produktauswahl muss der Hersteller deshalb einen ausreichend klar definierten zulässigen Frequenzbereich beziehungsweise eine Eingangsbandbreite angeben, wenn das Gerät direkt an einem PWM-Ausgang eingesetzt werden soll.
6. Ausgangsfrequenz und Schaltfrequenz nicht verwechseln
Bei einem Frequenzumrichter werden häufig mehrere völlig unterschiedliche Frequenzen gleichzeitig genannt.
| Frequenz | Bedeutung |
|---|---|
| Netzfrequenz | Typischerweise 50 oder 60 Hz am Umrichtereingang |
| Ausgangs- beziehungsweise Grundfrequenz | Bestimmt wesentlich die elektrische Drehfeldfrequenz des Motors |
| PWM-/Schaltfrequenz | Frequenz, mit der die Leistungshalbleiter geschaltet werden |
| Weitere Frequenzanteile | Harmonische, Seitenbänder und Störungen |
Wenn im Datenblatt eines Einbaumessgeräts beispielsweise nur „50/60 Hz“ bei der Spannungsversorgung angegeben ist, beschreibt dies nicht automatisch die zulässige Frequenz des Messeingangs.
Versorgungsfrequenz und Messbandbreite sind zwei unterschiedliche technische Daten.
Genau dieser Punkt ist bei der Auswahl eines Panelmeters für einen Frequenzumrichter besonders wichtig.
7. Warum Ausgangsstrom und Ausgangsspannung unterschiedlich aussehen
Die Motorinduktivität glättet einen erheblichen Teil der hochfrequenten Stromanteile. Deshalb ist der Motorstrom typischerweise wesentlich näher an einer sinusförmigen Kurve als die unmittelbar geschaltete PWM-Ausgangsspannung.
Das bedeutet jedoch nicht, dass der Strom vollkommen sinusförmig ist.
Auch hier können abhängig von Motor, Last, Regelverfahren und Schaltfrequenz hochfrequente Anteile auftreten.
Ein True-RMS-Strommessgerät kann deshalb für die Ausgangsstrommessung sehr sinnvoll sein, sofern seine Bandbreite, sein Strombereich und seine Eingangstechnik zur Anwendung passen.
Spannung und Strom sollten dennoch nicht mit derselben pauschalen Aussage bewertet werden.
Ein Messverfahren, das für den Motorstrom gute Ergebnisse liefert, muss nicht automatisch denselben Aussagewert für die PWM-Spannung besitzen.
8. Spitzenwert und Crest-Faktor zusätzlich berücksichtigen
Der Effektivwert allein beschreibt nicht alle Eigenschaften eines verzerrten Signals.
Ein wichtiges zusätzliches Kriterium ist der Scheitel- beziehungsweise Spitzenwert.
Der Crest-Faktor wird definiert als:
CF = Upeak / URMS
Für einen idealen Sinus beträgt dieser Wert ungefähr:
√2 ≈ 1,414
Bei stark verzerrten Signalen kann das Verhältnis davon abweichen.
Ein True-RMS-Gerät kann nur dann einen Signalverlauf korrekt erfassen, wenn sowohl der Effektivwert als auch auftretende Signalspitzen innerhalb seines zulässigen Eingangsbereichs liegen.
Bei der Messung direkt am Frequenzumrichterausgang sollte deshalb nicht nur geprüft werden, ob beispielsweise „600 VAC“ im Datenblatt steht. Ebenso wichtig sind die Angaben zu zulässigen Signalformen, Spitzenwerten und gegebenenfalls Crest-Faktor.
Werden solche Angaben vom Hersteller nicht spezifiziert, sollte eine PWM-Eignung nicht einfach aus dem TRMS-Aufdruck abgeleitet werden.
9. Welche Rolle ein Tiefpass beziehungsweise VFD-Filter spielt
Ein Tiefpass lässt niedrige Frequenzen passieren und schwächt höhere Frequenzanteile ab.
Bei einem Frequenzumrichter kann dies gezielt genutzt werden, um die hochfrequenten PWM-Schaltanteile gegenüber der Grundschwingung zu unterdrücken.
Dadurch kann ein Messwert entstehen, der besser mit der für den Motor relevanten Grundspannung beziehungsweise mit der Anzeige des Frequenzumrichters vergleichbar ist.
Ein Tiefpass verändert jedoch die Messgröße.
Der gefilterte Wert ist nicht mehr identisch mit dem breitbandigen Gesamt-RMS-Wert des ungefilterten PWM-Signals.
Deshalb muss bereits vor der Geräteauswahl entschieden werden, welcher Wert betrieblich benötigt wird.
Eine dauerhafte Schaltschrankanzeige für die Bedienung einer Maschine verfolgt möglicherweise ein anderes Messziel als ein Leistungsanalysator zur Entwicklung eines Frequenzumrichters.
10. RMS-Messung und Frequenzmessung sind zwei verschiedene Funktionen
Ein AC-True-RMS-Einbaumessgerät berechnet einen Effektivwert.
Ein Frequenzmessgerät bestimmt dagegen die zeitliche Wiederholrate beziehungsweise Periodendauer eines geeigneten Eingangssignals.
Bei einer sauberen Sinusspannung können beide Funktionen einfach miteinander kombiniert werden.
Bei einer PWM-Ausgangsspannung muss das Frequenzmessgerät jedoch unterscheiden können, welche Signalstruktur als relevante Frequenz betrachtet wird.
Ohne entsprechende Filterung kann eine einfache Frequenzmessung beispielsweise durch Schaltflanken beeinflusst werden, obwohl eigentlich die Motorgrundfrequenz gesucht wird.
Eine Angabe wie:
Ausgangsfrequenz 37,5 Hz
ist deshalb eine andere Messgröße als:
TRMS-Ausgangsspannung 310 V
Für beide Messgrößen gelten unterschiedliche Anforderungen an den Eingang.
11. Messzeit ist nicht dasselbe wie Eingangsbandbreite
Auch die Messzeit eines digitalen Einbaugeräts darf nicht mit seiner elektrischen Eingangsbandbreite verwechselt werden.
Eine einstellbare Messzeit von beispielsweise 0,1 bis 10 Sekunden beeinflusst, wie häufig beziehungsweise wie stark gemittelt ein neuer Anzeigewert bereitgestellt wird.
Sie beantwortet jedoch nicht automatisch die Frage, bis zu welcher Frequenz das Eingangssignal für die RMS-Berechnung verarbeitet wird.
Ein Gerät kann einen neuen Anzeigewert nur einmal pro Sekunde aktualisieren und intern trotzdem ein wesentlich höherfrequentes Signal erfassen.
Umgekehrt kann ein sehr schnell aktualisiertes Display eine begrenzte analoge Eingangsbandbreite besitzen.
Bei einem Frequenzumrichter müssen daher mindestens zwei unterschiedliche Daten geprüft werden:
- Mess- beziehungsweise Aktualisierungszeit und
- Frequenzbereich beziehungsweise Eingangsbandbreite.
12. Anschluss eines Einbaumessgeräts richtig planen
Für eine permanente Schaltschrankmessung muss zunächst eindeutig festgelegt werden, welche elektrische Größe erfasst werden soll.
Auf der Netzseite eines dreiphasigen Frequenzumrichters kann beispielsweise eine Leiterspannung zwischen zwei Außenleitern überwacht werden.
Auf der Motorseite ist ebenfalls festzulegen, ob eine Außenleiterspannung U-V, V-W beziehungsweise W-U gemessen werden soll.
Eine beliebige Messung einer Motorphase gegen Schutzleiter darf nicht mit einer normalen Leiter-Leiter-Spannungsmessung gleichgesetzt werden. Frequenzumrichter erzeugen Gleichtaktspannungen, sodass der Bezug gegen PE ein anderes Signal darstellt.
Messbereich, Isolationskonzept und zulässige Eingangsspannung müssen deshalb exakt zur vorgesehenen Anschlussart passen.
Zusätzlich muss geprüft werden, ob das Panelmeter eine eigene Hilfsspannung benötigt und ob diese Hilfsspannung elektrisch vom Messkreis getrennt ist beziehungsweise wie die Potentiale laut Hersteller verschaltet werden dürfen.
13. Spannungs- und Stromwandler nicht ungeprüft am PWM-Ausgang einsetzen
Soll ein Messbereich über einen Strom- oder Spannungswandler erweitert werden, wird ein weiteres Übertragungsglied in die Messkette eingefügt.
Auch dieser Wandler besitzt einen begrenzten Frequenzbereich.
Ein klassischer Spannungswandler für 50-Hz-Netzanwendungen ist deshalb nicht automatisch dafür geeignet, eine pulsweitenmodulierte Umrichterausgangsspannung korrekt auf einen Sekundärwert zu übertragen.
Magnetisierung, Verluste und Übertragungsfehler ändern sich mit der Frequenz.
Das gleiche Grundprinzip gilt für Stromwandler. Die Kombination aus:
Umrichter → Messwandler → Panelmeter
ist immer nur so genau wie die komplette Übertragungskette.
Wenn eine direkte Messung nicht möglich ist, müssen deshalb sowohl Wandler als auch Einbaumessgerät für die tatsächlich vorhandene Signalform freigegeben sein.
14. EMV im Schaltschrank berücksichtigen
Ein Frequenzumrichter ist gleichzeitig eine leistungsstarke Quelle elektromagnetischer Störungen.
Hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeiten und schnelle Stromänderungen können in benachbarte Mess- und Signalleitungen einkoppeln.
Dadurch kann auch ein grundsätzlich geeignetes Einbaumessgerät unruhige beziehungsweise fehlerhafte Anzeigen liefern, wenn die Installation ungünstig ausgeführt ist.
Mess-, Versorgungs- und Signalleitungen sollten deshalb entsprechend den Geräte- und Anlagenvorgaben geführt werden.
Besonders zu vermeiden sind unnötige parallele Leitungswege von empfindlichen Messsignalen unmittelbar neben Umrichter-Motorleitungen.
Je nach Signalart können verdrillte Leitungen, geeignete Schirmung und eine klare Trennung zwischen Leistungs- und Messverdrahtung sinnvoll beziehungsweise erforderlich sein.
Wichtig ist dabei, Schirme und Potentialausgleich nicht beliebig anzuschließen. Maßgeblich sind das EMV-Konzept der Maschine und die Herstellerangaben der eingesetzten Geräte.
15. Warum Umrichteranzeige und Panelmeter voneinander abweichen können
In der Praxis entsteht häufig folgende Situation:
Der Frequenzumrichter zeigt beispielsweise eine Ausgangsspannung von 320 V an, während ein externes True-RMS-Messgerät einen deutlich anderen Wert liefert.
Dies bedeutet nicht automatisch, dass eines der Geräte defekt ist.
Mögliche Ursachen sind:
| Mögliche Ursache | Auswirkung |
|---|---|
| Unterschiedliche Messbandbreiten | PWM-Anteile werden unterschiedlich stark berücksichtigt |
| Internes Tiefpassfilter | Anzeige orientiert sich stärker an der Grundschwingung |
| Umrichter berechnet statt direkt misst | Displaywert kann aus Modulationsgrad und Zwischenkreisspannung abgeleitet sein |
| Unterschiedlicher RMS-Begriff | Gesamt-RMS und Grundschwingungs-RMS werden verglichen |
| Messgerät außerhalb seiner Bandbreite | Wert besitzt nicht mehr die spezifizierte Genauigkeit |
| EMV-Störeinfluss | Unruhige oder systematisch verschobene Anzeige |
Vor einem Vergleich muss deshalb geklärt werden, was beide Geräte tatsächlich anzeigen.
Die beste Übereinstimmung zwischen zwei Zahlen ist nicht automatisch das wichtigste Qualitätskriterium. Entscheidend ist, ob beide dieselbe physikalische Größe messen.
16. Typische Fehlanzeigen systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Panelmeter zeigt am Umrichterausgang deutlich mehr Spannung als erwartet | Hochfrequente PWM-Anteile fließen in die RMS-Berechnung ein | Messbandbreite und Filterkonzept prüfen |
| Anzeige ist deutlich niedriger als Referenzwert | Bandbreite möglicherweise zu klein oder Eingang ungeeignet | Mit geeignetem Referenzmessgerät vergleichen |
| Wert stimmt auf Netzseite, nicht auf Motorseite | Panelmeter nicht für PWM-Ausgang spezifiziert | Eignung für Umrichterausgang beim Hersteller prüfen |
| Anzeige ändert sich mit PWM-Schaltfrequenz | Schaltanteile liegen innerhalb beziehungsweise nahe der Messbandbreite | Messung bei verschiedenen Umrichterparametern vergleichen |
| Anzeige ist trotz konstanter Drehzahl sehr unruhig | EMV, Signalspitzen oder ungeeignete Eingangsfilterung | Verdrahtung und Referenzmessung prüfen |
| Frequenzwert springt auf unrealistische Werte | PWM-Flanken werden statt Grundfrequenz ausgewertet | Geeignete Frequenzfilterung beziehungsweise separate Frequenzquelle verwenden |
| Panelmeter und Frequenzumrichter unterscheiden sich konstant | Unterschiedliche Definition der Ausgangsspannung | Dokumentation beider Geräte vergleichen |
| Nur bei langen Motorleitungen auffällige Werte | Zusätzliche hochfrequente Leitungseffekte | Signalform mit dafür geeigneter Messtechnik untersuchen |
Referenzmessung vor der dauerhaften Installation
Gerade bei einer dauerhaft eingebauten Anzeige ist es sinnvoll, die geplante Messstelle zunächst mit einem für Frequenzumrichter geeigneten Referenzgerät zu untersuchen.
Dabei können:
- Grundfrequenz,
- Signalform,
- RMS-Wert,
- relevante Frequenzanteile und
- mögliche Störsignale
bewertet werden.
Erst danach lässt sich zuverlässig entscheiden, welche Anforderungen das dauerhafte Einbaumessgerät erfüllen muss.
17. Auswahlkriterien für ein True-RMS-Einbaumessgerät
Für die Auswahl reicht die Angabe „True RMS, 0…600 V“ nicht aus.
Bei einer Anwendung im Umfeld eines Frequenzumrichters sollten mindestens folgende Punkte festgelegt werden:
| Kriterium | Warum es relevant ist |
|---|---|
| Messort | Netzeingang und PWM-Motorausgang stellen unterschiedliche Anforderungen |
| Messgröße | Spannung, Strom und Frequenz benötigen unterschiedliche Eingänge |
| Messbereich | Effektivwert muss innerhalb des spezifizierten Eingangsbereichs liegen |
| Spitzenwert / Crest-Faktor | Verzerrte Signale können deutlich höhere Peaks besitzen |
| Grundfrequenz | Variable Umrichterausgangsfrequenz muss im zulässigen Bereich liegen |
| Eingangsbandbreite | Bestimmt, welche PWM- und Oberwellenanteile berücksichtigt werden |
| Filterfunktion | Entscheidet mit, ob Gesamt-RMS oder eher Grundschwingung angezeigt wird |
| Messzeit | Beeinflusst Reaktion und Anzeigeberuhigung |
| Potentialtrennung | Relevant für sichere Einbindung in Schaltschrank und Ausgänge |
| EMV-Festigkeit | Frequenzumrichter erzeugen hohe Störpegel |
| Ausgangsschnittstellen | Analogausgang, Relais oder RS485 können für SPS und Überwachung benötigt werden |
Der wichtigste Punkt lautet dabei: Die zulässige Messbandbreite muss für die konkrete Anwendung bekannt sein.
Ist sie nicht im Datenblatt angegeben, sollte sie vor einem direkten Einsatz am Umrichterausgang beim Hersteller beziehungsweise Lieferanten geklärt werden.
18. Passende Einbaumessgeräte von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet zahlreiche analoge und digitale Einbaumessgeräte für den Anlagen- und Schaltschrankbau. Eine Übersicht finden Sie unter Messgeräte für den Anlagen- und Schaltschrankbau sowie unter Digitale Einbaumessgeräte / Digitalanzeiger.
IM3 96 × 48 mm – True-RMS-Einbaumessgerät
Das IM3 in 96 × 48 mm verarbeitet Wechselspannungs- und Wechselstromsignale als echten Effektivwert.
Für die Hochspannungsvariante stehen Messeingänge bis 300 beziehungsweise 600 VAC sowie 1 und 5 AAC zur Verfügung. Das Gerät bietet eine fünfstellige Anzeige, optionale Analog- und Relaisausgänge sowie RS232 beziehungsweise RS485.
Für eine klassische AC-Überwachung im Schaltschrank und insbesondere für die Netzseite eines Frequenzumrichters kann diese Geräteklasse interessant sein.
Für einen direkten Anschluss an den PWM-Motorausgang muss dagegen zusätzlich die zulässige Eingangsbandbreite beziehungsweise ausdrückliche Eignung für die vorhandene PWM-Signalform geklärt werden. Die aktuell zugänglichen technischen Unterlagen spezifizieren zwar TRMS-Messbereiche, Messfehler und Messzeit, nennen jedoch keine eindeutige Messbandbreite für diesen Eingang.
IM3 96 × 24 mm – kompakte Bauform
Das IM3 in 96 × 24 mm bietet eine kompaktere Bauform für Schaltschrankanwendungen.
Auch diese Variante arbeitet mit True-RMS-Wechselspannungs- beziehungsweise Wechselstromeingängen und ist unter anderem mit 300-VAC- und 5-AAC-Messeingängen verfügbar.
Wie bei jeder TRMS-Anzeige gilt auch hier: Die Eignung für einen direkten Umrichter-PWM-Ausgang darf nicht allein aus der Bezeichnung „True RMS“ abgeleitet werden.
Weitere TRMS-Einbaumessgeräte
Weitere Ausführungen finden Sie unter Wechselspannung / Wechselstrom hoch.
Dort stehen verschiedene Frontformate, Messbereiche und Funktionsausstattungen für die permanente AC-Anzeige zur Verfügung.
CA 8345 zur Referenz- und Inbetriebnahmemessung
Wenn die reale Signalform beziehungsweise die Netz- oder Antriebsqualität zunächst untersucht werden muss, kann ein geeigneter Leistungs- und Netzqualitätsanalysator sinnvoll sein.
Der CA 8345 eignet sich für detaillierte elektrische Analysen und kann beispielsweise zur Inbetriebnahme und Plausibilisierung einer späteren permanenten Anzeige eingesetzt werden.
Für anspruchsvolle Messungen direkt auf der PWM-Motorseite muss jedoch auch bei einem Analysegerät die konkrete Eignung für die jeweilige Messaufgabe und erforderliche Bandbreite geprüft werden.
19. Fazit
True RMS ist bei verzerrten elektrischen Signalen eine wichtige Voraussetzung für belastbare Effektivwertmessungen. Bei einem Frequenzumrichter reicht der Begriff allein jedoch nicht für die Auswahl eines geeigneten Einbaumessgeräts aus.
Zunächst muss eindeutig festgelegt werden, ob auf der Netz- oder Motorseite gemessen wird.
Auf der Netzseite liegt weiterhin die Netzgrundfrequenz an. Insbesondere der Strom kann jedoch deutlich verzerrt sein, sodass eine echte Effektivwertmessung hier große Vorteile bietet.
Auf der Motorseite liegt dagegen eine pulsweitenmodulierte Spannung mit variabler Grundfrequenz und zusätzlichen hochfrequenten Schaltanteilen an.
Welchen Effektivwert ein Panelmeter dort anzeigt, hängt deshalb entscheidend von seiner Eingangsbandbreite und Filterung ab.
Ein breitbandiger Gesamt-RMS-Wert ist nicht automatisch identisch mit dem Effektivwert der Grundschwingung. Beide können je nach Messziel sinnvoll sein.
Auch Ausgangsfrequenz, PWM-Schaltfrequenz und Messbandbreite dürfen nicht miteinander verwechselt werden.
Für eine technisch belastbare Auswahl müssen deshalb mindestens:
Messort → Signalform → Messgröße → Messbereich → Frequenzbereich → Bandbreite → Filterung → Anschluss
gemeinsam betrachtet werden.
Ist die Eingangsbandbreite eines True-RMS-Einbaumessgeräts nicht spezifiziert, sollte ein direkter Einsatz am PWM-Ausgang eines Frequenzumrichters nicht pauschal angenommen werden.
Eine vorherige Referenzmessung unter realen Betriebsbedingungen verhindert, dass ein dauerhaft eingebautes Panelmeter später zwar einen stabilen, aber physikalisch anders definierten Wert als erwartet anzeigt.
20. Häufige Fragen zu True-RMS-Einbaumessgeräten am Frequenzumrichter
Kann jedes True-RMS-Messgerät an einem Frequenzumrichter eingesetzt werden?
Nein. True RMS beschreibt das Berechnungsverfahren für den Effektivwert. Zusätzlich müssen Messbereich, Frequenzbandbreite, zulässige Signalform und gegebenenfalls Crest-Faktor für die Anwendung geeignet sein.
Warum ist die Frequenzbandbreite so wichtig?
Ein PWM-Ausgang enthält neben der Motorgrundfrequenz auch deutlich höhere Frequenzanteile. Welche davon in die RMS-Berechnung eingehen, hängt von der Bandbreite des Messgeräts ab.
Ist die Frequenzangabe 50/60 Hz bei der Spannungsversorgung gleichzeitig der Messfrequenzbereich?
Nein. Die Angabe 50/60 Hz bei der Geräteversorgung beschreibt zunächst die zulässige Netzfrequenz der Hilfsenergie. Die Frequenzbandbreite des Messeingangs ist ein eigener technischer Parameter.
Warum zeigt das True-RMS-Gerät mehr Spannung als der Frequenzumrichter?
Eine mögliche Ursache ist, dass das externe Messgerät zusätzliche PWM-Schaltanteile in seinen Effektivwert einbezieht, während die Umrichteranzeige eine gefilterte beziehungsweise berechnete Grundschwingungsgröße darstellt. Die Definitionen beider Anzeigen müssen verglichen werden.
Kann ein True-RMS-Gerät auch zu wenig anzeigen?
Ja. Liegen relevante Frequenzanteile außerhalb der Eingangsbandbreite, werden sie möglicherweise gedämpft und der angezeigte Gesamt-RMS-Wert kann kleiner ausfallen.
Was ist der Unterschied zwischen Grundschwingungs-RMS und Gesamt-RMS?
Der Grundschwingungs-RMS berücksichtigt nur die Grundfrequenz. Der Gesamt-RMS kann zusätzlich harmonische und andere Frequenzanteile enthalten, soweit sie innerhalb der Messbandbreite des Geräts liegen.
Was bewirkt ein VFD- beziehungsweise Tiefpassfilter?
Ein solcher Filter unterdrückt hochfrequente Schaltanteile des PWM-Signals. Dadurch wird eine Messung möglich, die stärker auf die Grundschwingung beziehungsweise die motorrelevante Spannung ausgerichtet ist.
Ist der Ausgangsstrom eines Frequenzumrichters ebenfalls PWM-förmig?
Der Motorstrom enthält zwar ebenfalls Schaltanteile, wird durch die Induktivität des Motors jedoch deutlich geglättet. Er ist typischerweise wesentlich näher an einer sinusförmigen Kurve als die Ausgangsspannung.
Kann ich ein normales AC-Einbaumessgerät an den Umrichterausgang anschließen?
Nur wenn der Hersteller das Gerät für die vorhandene Spannung, Signalform und Frequenzanteile spezifiziert. Ein reiner 50/60-Hz-Netzmessbereich reicht für eine PWM-Anwendung nicht automatisch aus.
Kann ein 600-V-TRMS-Eingang immer einen 400-V-Motor am Frequenzumrichter messen?
Nicht automatisch. Der Effektivwertbereich ist nur ein Auswahlkriterium. Zulässige Spitzenwerte, Eingangsbandbreite, Isolation und PWM-Eignung müssen ebenfalls berücksichtigt werden.
Was bedeutet Crest-Faktor?
Der Crest-Faktor beschreibt das Verhältnis zwischen Spitzenwert und Effektivwert eines Signals. Stark verzerrte Signale können andere Spitzenwertverhältnisse besitzen als ein idealer Sinus.
Warum ist eine Frequenzmessung am PWM-Ausgang schwierig?
Das Signal enthält neben der Grundfrequenz zahlreiche Schaltflanken mit wesentlich höherer Frequenz. Ohne geeignetes Filter- beziehungsweise Auswerteverfahren kann ein Frequenzmesser diese Signalbestandteile falsch interpretieren.
Kann ein normaler 50-Hz-Spannungswandler vor dem Panelmeter verwendet werden?
Nicht ungeprüft am PWM-Ausgang. Ein Spannungswandler besitzt einen definierten Frequenzbereich und kann hochfrequente PWM-Signale anders übertragen als eine sinusförmige Netzspannung.
Warum ist der Messort so wichtig?
Netzeingang, Zwischenkreis und Motorausgang eines Frequenzumrichters besitzen völlig unterschiedliche Signalformen. Ein Messgerät, das an einer Stelle hervorragend funktioniert, muss an einer anderen Stelle nicht dieselbe Eignung besitzen.
Ist eine hohe Messgeschwindigkeit dasselbe wie eine hohe Bandbreite?
Nein. Messzeit beziehungsweise Display-Aktualisierung und elektrische Eingangsbandbreite sind unterschiedliche Eigenschaften. Ein schnell aktualisiertes Display kann trotzdem eine begrenzte Signalfrequenz verarbeiten.
Warum sollte ich das geplante Panelmeter vorher mit einem Referenzgerät vergleichen?
Dadurch lässt sich unter realen Umrichterbedingungen feststellen, welcher Wert tatsächlich angezeigt wird und ob Filterung und Messbandbreite zur gewünschten Messgröße passen.
Ist das ICS IM3 automatisch für einen direkten Frequenzumrichterausgang geeignet?
Das IM3 ist als True-RMS-Einbaumessgerät für entsprechende AC-Spannungs- und Strombereiche spezifiziert. In den aktuell zugänglichen technischen Angaben ist jedoch keine eindeutige Frequenzbandbreite für den TRMS-Messeingang veröffentlicht. Für den direkten Einsatz an einem PWM-Motorausgang sollte diese Eignung daher für die konkrete Umrichteranwendung vorab technisch bestätigt werden.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl eines geeigneten Einbaumessgeräts?
Hilfreich sind Messort am Frequenzumrichter, Messgröße, maximale Spannung beziehungsweise maximaler Strom, minimale und maximale Ausgangsgrundfrequenz, PWM-Schaltfrequenz, gewünschte Anzeigegröße, Frage nach Gesamt-RMS oder Grundschwingung, benötigte Analog- beziehungsweise Schaltausgänge, Schnittstellen, Hilfsspannung, Einbaumaß und vorhandene EMV-Umgebung.