Leistungsanalysator

Viele Leistungen sind objektiv messbar und auf Grundlage der Messwerte bewertbar. Bei sportlichen Leistungen gilt beispielsweise in vielen Disziplinen der Leichtathletik das Motto höher, schneller, weiter. Die Geräte zur Messung der erreichten Zeiten und Distanzen im Training und in Wettkämpfen sind dabei prinzipiell auch Leistungsmesser. In vielen Bereichen geht es bei Angaben für die Leistung aber um Energie, die pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellt oder verbraucht wird. Bei den unterschiedlichen Energieformen, beispielsweise Wärmeenergie, mechanische Energie oder elektrische Energie werden verschiedene Größen zur Leistungsermittlung erfasst.

Die mechanische Leistung ergibt sich aus der pro Zeiteinheit verrichteten Arbeit: P = W / t
Die Wärmeleistung ergibt sich aus der pro Zeiteinheit abgegebenen Wärmemenge: P = Q / t
Die elektrische Leistung ergibt sich bei Gleichstrom als Produkt aus Spannung und Stromstärke: P = U x I

Die verschiedenen Leistungen können aber jeweils in Watt angegeben und verglichen werden. Dabei entspricht ein Watt einem Joule pro Sekunde bzw. einem Newtonmeter pro Sekunde. Die Wärmeleistung von Wärme- oder Kälteanlagen ist wichtig, um bestimmte Medien ausreichend aufwärmen oder kühlen zu können. Die mechanische Leistung wird dagegen oft für Fahrzeuge oder Maschinen angegeben, um deren Eignung für bestimmte Einsatzgebiete feststellen oder vergleichen zu können. In den folgenden Abschnitten wird speziell auf Leistungsmesser für elektrische Anlagen und Geräte eingegangen.

Mit einem geeigneten Leistungsanalysator können die Leistungsdaten elektrischer Netze und Verbraucher für unterschiedliche Zwecke erfasst werden. Egal ob in privaten Haushalten, öffentlichen Gebäuden, Krankenhäusern oder Industriebetrieben, Leistungsmesser ermöglichen die Überprüfung der Leistungsangaben von Netzbetreibern und Geräteherstellern. Zu den häufigen Anwendungen gehören außerdem Messungen zur Feststellung des Verbrauchs für Abrechnungs- oder Optimierungszwecke und Messungen zur Eingrenzung von Fehlerursachen an elektrischen Anlagen.

Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung
Bei Angaben zur elektrischen Leistung muss darauf geachtet werden, dass bei Wechselstrom zwischen Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung zu unterscheiden ist. Die Wirkleistung P in ist die Leistung, die vom Versorger an die Verbrauchsstelle geliefert und dort umgesetzt wird. Die Blindleistung Q entsteht durch Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Sie tritt bei induktiven und kapazitiven Verbrauchern auf und führt dazu, dass Anteile der Leistung nicht vom Verbraucher genutzt werden können. Zur Unterscheidung von der Wirkleistung können die Werte für die Blindleistung in der Einheit Voltampere reaktiv (Var) angegeben werden. Die Scheinleistung S setzt sich aus Wirkleistung und Blindleistung zusammen. Sie kann zur Abgrenzung von der Wirkleistung in Voltampere (VA) angegeben werden und ist stets größer oder gleich der Wirkleistung. Die Scheinleistung muss bei der Auslegung von der Leitungen und Bauteile berücksichtigt werden. Für die korrekte Zuordnung der ermittelten Messwerte ist es praktisch, wenn der Leistungsanalysator die Werte für die Blindleistung in Var und die Werte für die Scheinleistung in VA angibt.

Messung der Leistung an elektrischen Antrieben (Erfassung von Verlusten)
Die Leistungsangabe auf dem Typenschild einer Maschine beschreibt die abgegebene mechanische Leistung. Die Leistungsabgabe ist wegen unvermeidbarer Verluste beispielsweise durch Reibung, stets geringer als die von der Maschine aufgenommene elektrische Leistung. Das Verhältnis von abgegebener mechanischer Leistung zu aufgenommener elektrischer Leistung wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Bei fehlender oder zu geringer Leistungsabgabe, zum Beispiel bei zu geringer Drehzahl, zu langsamer Bewegung oder zu geringem Förderstrom, kann mit einem geeigneten elektrischen Leistungsanalysator festgestellt werden, ob die Versorgungsspannung ausreicht. Zum anderen kann gemessen werden, ob an den Anschlüssen und Leitungen die benötigten Spannungen und Stromstärken anliegen. Auf der Grundlage der Messergebnisse ist es möglich, elektrische Fehlerursachen zu klären oder auszuschließen. Im Zuge des Condition Monitoring können durch regelmäßige Messungen mit einem elektrischen Leistungsanalysator Abweichungen bei der Leistungsaufnahme von Maschinen eindeutig festgestellt werden. Ein Anstieg bei der Leistungsaufnahme einer Maschine ist ein deutlicher Hinweis auf geänderte Betriebsbedingungen zum Beispiel durch Verschleiß an Maschinenteilen, Leckagen oder zusätzliche Reibungsverluste und sollte stets Anlass zur Klärung der Ursache sein.

Erkennen von Einsparpotenzialen in ein- oder dreiphasigen Stromnetzen
Den Energieverbrauch zu reduzieren und Energie optimal einzusetzen hilft nicht nur dabei, Kosten zu senken. Oft lohnen sich finanzielle Investitionen schon nach relativ kurzer Zeit. Die Verringerung des Energieverbrauchs trägt aber auch dazu bei, Ressourcen zu schonen und negativen Auswirkungen auf das örtliche und globale Klima abzumildern. Deshalb fördert die Bundesregierung über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) die Energieberatung im bei kleineren und mittleren Unternehmen durch Übernahme von bis zu 80 Prozent der Beratungskosten. Auch ohne spezialisierten Energieberater lassen sich mit einem Leistungsanalysator die Leistungswerte von einzelnen Maschinen oder von komplexen Anlagen auch über längere Zeiträume erfassen und auswerten. Häufig können durch die Analyse der Messdaten Einsparpotentiale aufgedeckt und dann konkret geprüft werden. Die Wirksamkeit durchgeführter Maßnahmen zur Energieeinsparung ist durch anschließende Vergleichsmessungen überprüfbar.

Die Anforderungen an ein Leistungsanalysator unterscheiden sich je nach Einsatzzweck. Um das für die vorgesehenen Zwecke am besten geeignete Gerät zu finden, sollten vor der Geräteauswahl folgende Fragen geklärt werden:

- Soll der Leistungsanalysator stationär verbaut oder für mobile Messungen verwendet werden?
- Muss nur eine Phase gemessen werden oder gleichzeitig mehrere Phasen?
- Soll die Stromstärke direkt oder indirekt gemessen werden?
- Soll der Leistungsanalysator als Stromzähler verwendet werden?
- Welche Messfrequenz wird benötigt?
- Sollen Langzeitmessungen per Datenlogger detailliert erfasst werden?
- Welche Datenschnittstellen soll der Leistungsanalysator besitzen?
- Wird ein hoher IP-Schutzgrad gefordert?
- Ist ein Kalibrierzertifikat notwendig?

Mobiler oder stationärer Einsatz
Zur automatischen Steuerung von Produktionsanlagen können elektrische Leistungsdaten an wichtigen Stellen mit einem stationären Leistungsanalysator erfasst und zur Steuerung oder Auswertung weitergegeben werden. Ein stationärer Leistungsanalysator wird meist fest in die Anlage eingebaut und misst bei Betrieb der Anlage kontinuierlich die Stromstärke und die Spannung. Da die Daten über Schnittstellen direkt weitergegeben werden, haben die Geräte am Ort der Messung oft kein Display zur Anzeige der Werte. Mobile Leitungsmesser sind dagegen für gelegentliche Messungen an verschiedenen Stellen ausgelegt und verfügen über ein Anzeige- und Bedienteil an das die Messleitungen und Stromzangen angeschlossen werden.

Leistungsanalysator mit direkter Strommessung
Um Leitungsdaten zu ermitteln, muss der Leistungsanalysator Strom und Spannung messen. Da die direkte Spannungsmessung parallel zum Verbraucher erfolgt, kann der Verbraucher betriebsbereit bleiben. Bei der direkten Messung der Stromstärke muss der Leistungsanalysator aber in Reihe zum Verbraucher angeschlossen und der Stromkreis dafür unterbrochen werden. Die direkte Strommessung bietet sich an, wenn das Unterbrechen des Stromkreises kein Problem ist oder ein stationärer Leistungsanalysator fest in einer Anlage verbaut wird. Für Endverbraucher mit Schutzkontaktstecker oder CEE-Stecker gibt es spezielle Leistungsmesser mit Stecker und Kupplung, in die der Gerätestecker des Endverbrauchers einfach eingesteckt werden kann. Im Gegensatz zur indirekten Messung kann ein solcher Leistungsanalysator die Einzelleitungen messen, ohne dass das Kabel aufgetrennt werden muss.

Leistungsanalysator mit indirekter Strommessung
Ein zur indirekten Messung der Stromstärke geeigneter Leistungsanalysator ist mit mindestens einer Stromzange oder Rogowskispule ausgestattet, die die zu messende elektrische Leitung umschließen muss. Die Messung erfolgt induktiv. Stromzange und Rogowskispule unterscheiden sich schon äußerlich. Eine Stromzange ist starr und lässt sich überall dort gut einsetzen, wo die stromführenden Leistungen einer Maschine oder Anlage gut erreichbar sind. Stromzangen werden oft für Messungen eingesetzt, wenn die Ströme, die dar Leistungsanalysator messen soll, relativ gering sind. Stromzangen können meist bis maximal 1200 A pro Phase eingesetzt werden. Durch die starre Bauform lassen sich Stromzangen in Unterverteilungen und Schaltschränken eher schlecht einsetzen. Hier kommt dann ein Leistungsanalysator mit flexiblen Rogowskispulen zum Einsatz. Diese Stromschlaufen eignen sich hervorragend für Leistungsmessungen, bei dem der Platzbedarf für Stromzangen nicht ausreicht. Weiterhin sind die Spulen für wesentlich höhere Ströme je Phase einsetzbar. So können Rogowskispulen bis zu 10.000 A genau bestimmen.

Die indirekte Messung hat gegenüber der direkten Messung den Vorteil, dass die Versorgungsleitung nicht mit dem Leistungsanalysator verbunden werden muss. Sie kann also ohne Unterbrechung von Produktions- oder Betriebsabläufen durchgeführt werden, da die Versorgungsleitungen nicht aufgetrennt und somit die Anlage nicht heruntergefahren werden muss. Im Leistungsanalysator muss auch kein großer Leitungsquerschnitt verlegt werden, um größere Ströme messen zu können. Dadurch ist es für den Bediener oft praktischer, für mobile Messungen ein Leistungsanalysator mit indirekter Stromstärkemessung zu verwenden.

Leistungsanalysator als Stromzähler zur Erfassung des Energieverbrauchs
Ein Leistungsanalysator kann auch als Zähler zur Erfassung der bereitgestellten Elektroenergie eingesetzt werden. Auch die an der Übergabestelle zwischen Energieversorger und Endkunde eingesetzten Zähler sind Leistungsmesser. Für Abrechnungszwecke wird die gelieferte Leistung vom Leistungsanalysator noch mit der jeweiligen Zeit multipliziert. Zur Verwendung als Zähler gibt es sowohl geeichte Leistungsmesser als auch Modelle die nicht eichfähig sind. Vor der Anschaffung eines Gerätes zur Verbrauchsmessung sollte unbedingt geklärt werden, ob für die beabsichtigte Verwendung ein eichfähigen Leistungsanalysators vorgeschrieben ist.

Messfrequenzen beim Leistungsanalysator
Ein einfacher Leistungsanalysator hat eine Messfrequenz von ca. 1 Hertz. Solch ein Leistungsanalysator genügt, wenn nur einfache Leistungsdaten aufgenommen werden sollen. Sollen aber beispielsweise Einschaltströme korrekt erfasst werden, wird ein Leistungsanalysator mit deutlich höherer Messfrequenzbenötigt. Da der hohe Einschaltstrom beim Starten bestimmter Maschinen in der Regel nur wenige Millisekunden dauert, sollte die Messfrequenz bei einem dafür benutzten Leistungsanalysator 128 Hz betragen, um die Spitzenwerte erfassen zu können.

Schnittstellen bei einem Leistungsanalysator
Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die mit einem Leistungsanalysator aufgenommenen und ermittelten Werte sofort oder später auf Computer oder andere Geräte übertragen werden können. Häufig werden Gerätevarianten mit RS232 und USB-Schnittstellen eingesetzt. Einige Gerätemodelle verfügen dagegen über eine Bluetooth-Schnittstelle, über die die Daten ohne Kabel direkt an mobile Endgeräte gesendet werden können. Leistungsmesser mit Ethernet Schnittstelle lassen sich direkt in ein lokales Netzwerk integrieren. Dann können Verbindungen aus der Ferne aufgebaut werden, um die gemessenen Daten herunterzuladen oder um den Leistungsanalysator zu steuern. Dies kann über eine sichere VPN Verbindung erfolgen.

Datenloggerfunktion beim Leistungsanalysator
Für bestimmte Analysen müssen die Leistungsdaten über einen längeren Zeitraum in regelmäßigen Zeitabständen erfasst werden. Viele Modelle beim Leistungsanalysator bieten dafür eine Datenloggerfunktion bei der die Messdaten im gewählten Zeittakt aufgenommen und mit Datum und Uhrzeit gespeichert werden. Nach dem Einstellen der Parameter und dem Anschließen der Messleitungen arbeitet der Leistungsanalysator eigenständig. Die aufgenommenen Daten lassen sich nach Abschluss der Messung auf einen PC übertragen und analysieren. Beispielsweise kann mit den vom Leistungsanalysator aufgenommenen Daten festgestellt werden, ob die Leistungsaufnahme bzw. der Stromverbrauch stark schwankt und ob er zu bestimmten Zeiten besonders hoch ist.

ISO-Zertifizierung für ein Leistungsanalysator
Durch eine regelmäßige Kalibrierung nach ISO oder DAkkS kann nachgewiesen werden, dass ein Leistungsanalysator die angegebenen Spezifikationen für die Genauigkeit einhält. Neugeräte können auf Wunsch direkt mit einem aktuellen, auf den Nutzer ausgestellten Kalibrierzertifikat ausgeliefert werden. Falls die Rekalibrierung nicht im Anwenderbetrieb möglich ist oder die Qualitätssicherungsvorgaben eine externe Kalibrierung vorschreiben, muss der Leistungsanalysator dazu in ein geeignetes Kalibrierlabor eingeschickt werden.

Leistungsanalysator zur Erstellung eines Energieaudit
DIN EN ISO 50001 / DIN EN 16247-1 Die ISO 50001 ist eine internationale Norm zum Energiemanagement. Alle Jahre wieder werden neue Prognosen zum Energieverbrauch in der Zukunft erstellt. Natürlich soll der Energieverbrauch prognostisch steigen. Energie einzusparen ist eigentlich sehr einfach. Wenn man sich z.B. in seinem privaten Umfeld einmal überlegt, was wirklich unnötiger Energieverbrauch ist, so kann man schnell Einsparpotenziale erkennen.

Denken wir uns den Maßstab etwas größer, etwa im Bereich von Industrie, Gewerbe oder Organisationen, so kommen wir schnell zu viel größeren Energieeinspar-Potenzialen. Natürlich können sich z.B. Betriebe nach der Norm ISO 50001 zertifizieren lassen oder aber diese Norm auch nur als Denkanstoß betrachten, um sich wirtschaftlich zu verbessern. Denn klar ist, wer Energie einspart, der kann sofort positive Erfolge in finanzieller Hinsicht erreichen.

Und immer, wenn es um Geld geht, werden alle Leute hellhörig bzw. Geld ist die wahre Triebfeder für Innovationen oder wie bei diesem Thema der Anstoß zur Überprüfung von elektrischen Verbrauchern im Betrieb mittels eines Leistungsanalysators. Natürlich kann jedermann leicht die elektrischen Verbräuche von Typenschildern zusammenrechnen, aber das reicht in der Regel nicht aus. Wenn Sie etwa an Maschinen und Anlagen im Betrieb Energie einsparen möchten oder wenn Sie in Ihrem Hotel die Kosten für Klimatisierung und Kühlung reduzieren wollen, müssen Sie ein Leistungsanalysator verwenden. Haben Sie Fachpersonal, welches Messung, Auswertung und Analyse der Daten selbst vornehmen kann - gut. Sie können aber auch einen Energieberater beauftragen, der Ihre Problemstellung als Dienstleister bearbeitet.

Ein Leistungsanalysator, egal ob ein- oder dreiphasig messend, ist mit entsprechender Auswerte-Software ausgestattet als ein kleines Energiemanagementsystem zu bezeichnen. Der DIN ISO 16247-1 folgend, kann ein Betrieb als Einstieg in die Reduzierung des Energieverbrauchs ein erstes Energieaudit machen lassen. Es kann z.B. vom TÜV, von einem durch den TÜV zertifizierten Energieberater oder durchgeführt werden. Dieser Sachverständige verwendet immer ein Leistungsanalysator zur Erfassung der Daten. Das Energieaudit ist im Grunde genommen ein Teil der Norm ISO 50001. Mit diesem ersten Teil wird die Basis geschaffen, für die energetische Betrachtung der Verbraucher.

PCE Instruments stellt für jede Anwendung den geeigneten Leistungsanalysator zur Verfügung. Beginnen auch Sie schon heute mit der Identifizierung großer Einsparpotenziale und nutzen Sie ein solchen Leistungsanalysator oder engagieren Sie einen externen Energieberater zur Erstellung der ersten Stufe der ISO 50001, dem Energieaudit.