Wirkungsgrad DC-AC Wandler (RMS oder Mean)

[KO (Gast)]

Hallo, wahrscheinlich eher eine Frage aus den Grundlagen 
Elektrotechnik..
Ich würde gerne einen DC-AC Wandler bzgl. Wirkungsgrad vermessen und 
habe Strom-Spannungs-Messwerte an Eingang und Ausgang bei verschiedenen 
Leistungsstufen einer AC-Last aufgenommen.

Jetzt bin ich mir bei Interpretation und Vorgehen etwas unsicher. Auf AC 
Seite angefangen, rechne ich:
S = Vrms*Irms     (Scheinleistung)
PF = cos(phi)*DPF (Leistungsfaktor mit Verschiebung und THD)
und dann P_out = S*PF?

oder besser erst das Volt-Ampere_Produkt in allen Abtastpunkten und dann 
den Mittelwert (oder RMS?)
P_out = mean(P) bzw. P_out = rms(P)

Auf DC Seite das selbe, unsicher ob RMS oder Mittelwert angewendet wird, 
also:
P_in = Vmean*Imean bzw. = mean(V*I)
oder
P_in = Vrms*Irms   bzw. = rms(V*I)?


Zudem fällt mir auf, dass die Messwerte von Strom- und Spannung auf DC 
Seite in den Spitzen gegenläufig sind; wie ist das zu erklären oder 
liegt ein Messfehler vor?

Und zuletzt allgemein, ist es für die Wirkungsgradbestimmung ratsam ein 
stetiges, möglichst langes Sample zu nehmen (10s) oder reichen nur 
wenige Perioden wie dargestellt?

Wäre dankbar für Hilfe.

[Achim S. (Gast)]

KO schrieb:
> erst das Volt-Ampere_Produkt in allen Abtastpunkten und dann den
> Mittelwert

das ist die Definition der Wirkleistung. wenn du dich für den 
Wirkungsgrad interessierst ist das die relevante Größe - auf der DC wie 
auf der AC Seite.

KO schrieb:
> Zudem fällt mir auf, dass die Messwerte von Strom- und Spannung auf DC
> Seite in den Spitzen gegenläufig sind; wie ist das zu erklären ode

wenn viel Strom aus dem Siebelko fließt sinkt dessen Spannung.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

KO schrieb:

> Ich würde gerne einen DC-AC Wandler bzgl. Wirkungsgrad vermessen und
> habe Strom-Spannungs-Messwerte an Eingang und Ausgang bei verschiedenen
> Leistungsstufen einer AC-Last aufgenommen.
>
> Jetzt bin ich mir bei Interpretation und Vorgehen etwas unsicher. Auf AC
> Seite angefangen, rechne ich:
> S = Vrms*Irms     (Scheinleistung)
> PF = cos(phi)*DPF (Leistungsfaktor mit Verschiebung und THD)
> und dann P_out = S*PF?

Das ist angesichts deiner Meßwerte Unsinn. Zwar kann man immer eine 
Schein- und Wirkleistung messen und hat dann einen Leistungsfaktor. Aber 
einen Winkel \phi und damit den Zusammenhang \lambda = cos \phi gibt es 
ausschließlich dann, wenn sowohl Spannung als auch Strom einen 
sinusförmigen Verlauf haben. Das ist bei dir nicht der Fall. Dein Strom 
ist ganz klar nicht sinusförmig.

> oder besser erst das Volt-Ampere_Produkt in allen Abtastpunkten und dann
> den Mittelwert (oder RMS?)
> P_out = mean(P) bzw. P_out = rms(P)

Das ist die Definition der Wirkleistung. Und angesichts deiner 
nichtlinearen Last bleibt dir gar nichts anderes übrig, als die 
Wirkleistung auf eben diese Weise zu berechnen.

> Auf DC Seite das selbe, unsicher ob RMS oder Mittelwert ...

Hier gilt das Vorgesagte analog. Bei einer DC-Spannung kann es ja 
ohnehin keine Phasenverschiebung zum Strom geben.

> Zudem fällt mir auf, dass die Messwerte von Strom- und Spannung auf DC
> Seite in den Spitzen gegenläufig sind; wie ist das zu erklären oder
> liegt ein Messfehler vor?

Das kann durchaus sein. Das ist am Ende ja ein Schaltregler. Wenn du 
eine konstante Leistung am Ausgang abnimmst, dann muß die 
Eingangsleistung ebenfalls konstant sein. Bei weniger Spannung am 
Eingang braucht der Wandler dann mehr Strom.

> Und zuletzt allgemein, ist es für die Wirkungsgradbestimmung ratsam ein
> stetiges, möglichst langes Sample zu nehmen (10s) oder reichen nur
> wenige Perioden wie dargestellt?

Wenn das System einen stabilen (eingeschwungenen) Zustand erreicht hat, 
reicht im Prinzip eine Periode der Ausgangsspannung.

> Wäre dankbar für Hilfe.

[Harlekin (Gast)]

Das Diagramm benötigt betreffend dem AC-Verlauf weitere Erklärungen. Was 
ist rot und was ist blau?
Wie kommt die blaue Kurvenform zustande? Dreiphasensystem?

KO schrieb:
> Zudem fällt mir auf, dass die Messwerte von Strom- und Spannung auf DC
> Seite in den Spitzen gegenläufig sind; wie ist das zu erklären oder
> liegt ein Messfehler vor?

Innenwiderstand der Quelle (ca. 1.3 Ohm)

[Harlekin (Gast)]

KO schrieb:
> reichen nur
> wenige Perioden wie dargestellt?

Eine ganze Periode reicht.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Harlekin schrieb:
> Das Diagramm benötigt betreffend dem AC-Verlauf weitere Erklärungen. Was
> ist rot und was ist blau?

Siehst du doch an der Beschriftung der y-Achse(n). Rot ist die Spannung, 
blau der Strom.

> Wie kommt die blaue Kurvenform zustande?

Würde mich auch interessieren. Muß eine komische Last sein, die nur in 
jeder dritten Halbwelle viel Strom zieht.

[KO (Gast)]

Danke für die zahlreichen Antworten, die Sache ist für mich jetzt 
klarer, hatte es mir schwieriger gemacht als es ist.

Achim S. schrieb:
> das ist die Definition der Wirkleistung. wenn du dich für den
> Wirkungsgrad interessierst ist das die relevante Größe - auf der DC wie
> auf der AC Seite.

Die so erhaltenen Wirkungsgrade über den Leistungsbereich kommt glaube 
ich ganz gut hin.


Axel S. schrieb:
> Würde mich auch interessieren. Muß eine komische Last sein, die nur in
> jeder dritten Halbwelle viel Strom zieht.
Das stimmt, das Verhalten der angeschossenen Last ist nicht optimal und 
es scheint eine interne Leistungsbegrenzung zu sein(wie auch immer?). 
Benutzt habe ich schlicht einen Heißluftfön, der in 3 Gebläsestufen + 7 
Heizstufen regelbar war und bis 1.8kW ziehen konnte. In der niedrigsten 
Stufe schneidet der Fön irgendwie jede dritte Halbwelle weg. Ab 
Gebläsestufe 3 zieht der im normalen Sinusverlauf.

Aber noch mal zu den Halbwellen:
Axel S. schrieb:
> Das ist angesichts deiner Meßwerte Unsinn. Zwar kann man immer eine
> Schein- und Wirkleistung messen und hat dann einen Leistungsfaktor. Aber
> einen Winkel \phi und damit den Zusammenhang \lambda = cos \phi gibt es
> ausschließlich dann, wenn sowohl Spannung als auch Strom einen
> sinusförmigen Verlauf haben. Das ist bei dir nicht der Fall. Dein Strom
> ist ganz klar nicht sinusförmig.

Könnte man nicht auch da eine Verschiebung feststellen, wenn auch im 
gezeigt Fall der PF nahezu 1 ist? Und reicht für die Auswertung der THD 
auch der Blick auf eine einzige Periode oder sollte das Sample länger 
sein?

[Achim S. (Gast)]

KO schrieb:
> Und reicht für die Auswertung der THD
> auch der Blick auf eine einzige Periode oder sollte das Sample länger
> sein?

Wenn das ganze wirklich periodisch ist, dann reicht im Prinzip immer die 
Betrachtung von exakt einer einzelnen Periode - in der folgenden Periode 
passiert ja eh wieder dasselbe.

Soweit zur prinzipiellen Seite. Auf der praktischen Seite kann es 
durchaus sinnvoll sein, die Messung über mehrere oder viele Perioden zu 
erstrecken. Wenn du so lustige Lasten dran hast wie deinen Heißluft ist 
ja schon mal die Periode der Stromaufnahme nicht identisch zu Periode 
der Spannungserzeugung - erst beim kleinsten gemeinsamen Vielfachen von 
beiden Kurven wird die Sache wirklich periodisch.

Außerdem ist keine Messung perfekt. Wenn du bei der einen Periode der 
Messwert ein bisschen zu klein ist, ist er bei der folgenden Periode 
vielleicht ein bisschen zu groß, und die Streuung mittelt sich weg.

Da es dir wohl um die THD deiner erzeugten Spannung geht: willst du zur 
Bestimmung der Amplituden von Grundschwingung und Oberschwingungen eine 
FFT nutzen? Dann würde ich das im Normalfall sicher über viele Perioden 
laufen lassen (und möglichst sicherstellen, dass die gesamte Messzeit 
wieder ein Vielfaches der Periodendauer ist).

KO schrieb:
> Könnte man nicht auch da eine Verschiebung feststellen, wenn auch im
> gezeigt Fall der PF nahezu 1 ist?

In deiner neuen Messung sind AC-Strom und AC-Spannung beide in erster 
Näherung sinusförmig. Da ist die Betrachtung einer Phasenverschiebung 
sinnvoll. Bei deiner ersten Messung mit dem "seltsamen" Stromverlauf war 
das nicht der Fall.