Leistungsmessung & Analyse an E-Motoren und...

Leistungsmessung & Analysean E-Motoren und Antrieben

Walter HuberProduktsupportLeistungsmessungYokogawa MTG, Herrsching

© 2009 Yokogawa Measurement Technologies GmbH

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Seminar Seminar LeistungsmessungLeistungsmessung& & AnalyseAnalyse an an UmrichternUmrichtern, , EE--MotorenMotoren und und AntriebenAntrieben

Walter HuberProduktsupportLeistungsmessung© 2009 Yokogawa MTG

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3 Schritte für einen kompletten Test an drehzahlvariablen E-Motoren

Das Meßobjekt

Drehzahlund Dreh-moment

BremseMotor

DC bzw. 1-phasige oder3-phasige AC Einspeisung

Umrichter

Leistungsmesser

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Grundlagen der LeistungsmessungÜberblick elektrische Leistungsmessung

Überblick mechanische Leistungsmessung

Anforderungen an Geräte und Stromsensoren(Signaltec)

3-phasige Leistungsmessung an AC Motoren2- und 3-Wattmeter-Methoden

Tipps für die Praxis

Mechanische LeistungsmessungDrehzahl- und Drehmoment-Sensoren

Wirkungsgradmessung am Motor

Seminar Übersicht

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Messungen am UmrichterMessung der Eingangs- und Ausgangsleistung

Umrichter Verluste und Wirkungsgrad

Weitere typische Mess-Parameter

Das Gesamtsystem: Motor + UmrichterGesamtwirkungsgrad

Motor Effizienz-Messung

Jederzeit willkommen: Ihre Fragen

Seminar Übersicht

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Kapitel 1

GrundlagenGrundlagen derder elektrischenelektrischenLeistungsmessungLeistungsmessung

7

Leistungsmessung

Was ist ein (elektrisches)Watt ?

Gleichstrom (DC) :

Wechselstrom (AC) :Allgemein

P(W) = Udc (V) x Idc (A)

P(W) = Ueff(V) x Ieff (A) x λ

Wechselstrom (AC) :Nur Sinus !!!

P(W) = Ueff(V) x Ieff (A) x cos(φ)

8

Leistungsmessung

Was ist ein (mechanisches)Watt ?

F

Distanz = L

Arbeit (Energie) wirdverrichtet, wenn ein Objekt über die Distanz L mit der Kraft F verschobenwird.

Arbeit = F x L [Nm] = [J]

Newton x Meter = Joule

[ ] [ ]WWattsJ

sNmLxF

tP ==⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡≡=

=Zeit

ArbeitLeistung

Leistung ist die pro Zeiteinheit verrichtete ArbeitBei Rotation: Leistung prop. Drehmoment * Drehzahl

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Yokogawa Leistungsmesser und DSO´s verwendenfolgende grundlegende Formel zurWirkleistungsberechnung:

Pavg = 1/T ∫0 u(t) * i(t) dt

Für die digitalisierten Meßwerte bedeutet dies:Multipliziere den Momentanwert der Spannung u(t) mitdem Momentanwert des Stromes i(t) und integriere übereine “gewisse” Zeit T.

T

Leistungsmessung

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Diese Berechnungsmethode ermittelt den wahren, kuvenform-unabhängigen Effektivwert von Spannung und Strom. Eingeschlossen sind DC, alle harmonischen und nicht-harmonischen Anteile bis zur Bandbreitengrenze bzw. Filtereckfrequenz des Leistungsmessers.

TPavg = 1/T ∫0 v(t) * i(t) dt

“Echte” Effektivwert-Messung (RMS)

URMS = √1/T ∫0 v(t)2 dtT

TIRMS = √1/T ∫0 i(t)2 dt

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1-phasige Leistungsmessung (1φ 2L)

Wattmeter

Einphasige2-Leiter

Last(1φ 2L)

u(t)i(t)

.

A +-

V

-+

AC/DCQuelle

Ein-Wattmeter Methode

u(t)

u(t) : spannungrichtige Messung (bezogen auf die Last)u(t) : stromrichtige Messung (bezogen auf die Last)

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Einphasiges 2-Leiter System

Die Spannung wird auf der Last- oder Generatorseitegemessen. Der Strom wird in einem der beiden Leitergemessen (auf Polarität achten !)

Die vom PM angezeigte Leistung ist der Verbrauch derLast bzw. die erzeugte Generatorleistung.

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a

b

c

n

Uan

Ubn Ucn

3φ 4LLast

Pa

Pb

Pc

. . .

Quelle

Drei-Wattmeter 4 Leiter Methode

ia

ib

ic

Pges = Pa + Pb + Pc

AC

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Leistungsmessung


Die drei Wattmeter benutzen den neutralen Leiter (MP)als gemeinsame Spannungsreferenz.

Jedes Wattmeter zeigt die Leistung pro PHASE an.

Die Gesamtleistung aller 3 Phasen ist die algebraischeSumme der 3 einzelnen Wattmeter.

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.a

b

c

Uab

Ucb

Uca 3φ 3LLast

Pa

Pb

Pc

..

.AC

QuelleUmrichter

ia

ib

ic

Drei-Wattmeter 3 Leiter Methode

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3φ 3L System mit 3 Wattmetern

Pa = Ua-b * Ia * Cos φa

Pb = Ua-c * Ib * Cos φb

Pc = Uc-b * Ic * Cos φc

Pges = Pa + Pc

• Bei dieser Konfiguration erhält man die Gesamtleistung aus derSumme von zwei Wattmetern in Phase A und C.

• Man beachte, daß keines der Wattmeter die korrekte Einzelleistung jePhase anzeigt !!!

• Statt MP ist hier Phase B die Referenz (zyklisch vertauschbar).

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3φ 3L System mit 2 Wattmetern (Aaronschaltung)

a

b

c

Uab

Ucb

Uca 3φ 3LLast

Pa

Pc

. .-+

V

V

2 Wattmeter Methode

ia

ic

ib

entfällt !

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Herleitung der Aaronschaltung

PT = Pa + Pb + Pc = Ua*Ia + Ub*Ib + Uc*Ic (3φ 4L)

Es gelte die Bedingung Ia + Ib + Ic = 0, d.h. kein Leckstrom !Daraus z.B.: Ib = -Ia – Ic, oben eingesetzt:PT = Ua*Ia - Ub*(Ia + Ic) + Uc*Ic = (Ua-Ub)*Ia + (Uc-Ub)*Ic

PT = Uab*Ia + Ucb*Ic

Es werden 2 Wattmeter für 2 Spannungen und 2 Strömebenötigt.

Problem: Ist die Bedingung Ia + Ib + Ic = 0 wirklich erfüllt ?

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Warum sollte man in einem 3φ 3L System dennoch die 3 Wattmeter-Methode (3V3A) anwenden ?

1. Direkte Messung aller 3 Phasenströme zur Beobachtung der Last-Symmetrie und Leckströme Δi = i1 + i2 + i3

2. Direkte Messung aller 3 Phasenspannungen zur Beobachtung derGenerator-Symmetrie.

3. Genauere Berechnung von Scheinleistung und Leistungsfaktor

λTotal = ( P1 + P2 ) / (√ 3/2)( S1 + S2) 2-Wattmeter-Methode

λ Total = ( P1 + P2 ) / (√ 3/3)( S1 + S2 + S3 ) 3-Wattmeter-Methode

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3-phasige Leistungsmessung (3φ 4L mit Sternpunkt-Adapter)

Verwendung eines künstlichen Sternpunktes(virtuelle Masse), um den MP zu simulieren und mit der gewohnten 3φ 4L Methode zu messen.

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3-phasige Leistungsmessung (3φ 4L mit Sternpunkt-Adapter)

a (U1)

b (U2)

Uan

Ubn Ucn

3φ 3LLast

Pa

Pb

Pc

. .

ACQuelle

ia

ib

ic

Pges = Pa + Pb + PcDrei-Wattmeter Methode mit künstlichem

Sternpunkt, gebildet aus3 gleichen R//C Elementen

.R//C

R//C

R//C

.

..

.Virtuelle Masse (KSTP)

z.B.Umrichter

z.B.Motor

c (U3)

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Blondel´s Theorem besagt, daß stets ein Wattmeter weniger als vorhandene Leitungen genügt, um die Gesamtwirkleistung eines Systems zu ermitteln.

1φ 2L benötigt 1 Wattmeter

3φ 3L benötigt 2 Wattmeter (sog. Aronschaltung)

3φ 4L benötigt 3 Wattmeter

Etc.

Blondel Theorem

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Kapitel 2

GrundlagenGrundlagen derder mechanischenmechanischenLeistungsmessungLeistungsmessung

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Mechanische Leistungsmessung

Beim Motor gilt:Pm = Drehzahl x Drehmoment

Die Einheit der mechanischen Leistung istWatt (veraltet: PS, z.B. 100 kW = 136 PS)

1 Watt = Joule/Sekunde= Newton-Meter/Sekunde (Nm/s)

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Pm =2 x π x Drehzahl

60x Drehmoment

Drehzahl in UpM

Drehmoment in Nm

Pm = Mechanische Leistung in Watt

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Drehzahl des AC Induktionsmotors :

Tatsächliche Drehzahl – die Winkelgeschwin-digkeitdes Rotors. Messung mit einem Tachometer.

Synchrone Geschwindigkeit – die Umlaufge-schwindigkeit des Magnetfeldes im Stator. Maximal mögliche Drehzahl des Rotors, in der Praxis stets geringer (Schlupf).

Synchrongeschwindigkeit =


120 x Grundschwingungsfrequenz

Anzahl der Pole

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Schlupf – Die prozentuale Differenzzwischen Rotorgeschwindigkeit (RS) und Synchrongeschwindigkeit (SS).

Schlupf = x 100 %


SS - RS

SS

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Wirkungsgrad-Messung (Effizienz)

Der Wirkungsgrad (in einfacher Form) ist dasVerhältnis von mechanischer Ausgangsleistung zurelektrischen Eingangsleistung (vor oder nach demUmrichter). Abgekürzt mit dem griechischen Eta.

η = Ausgangsleistung

Eingangsleistung

Pm

Pel=

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Kapitel 3

PraktischePraktische, , elektrischeelektrischeLeistungsmessungLeistungsmessung amam3 3 –– PhasenPhasen AC MotorAC Motor

30

3-Phasen AC Motor

LastMotor

3-phasige AC Einspeisung

(ohne MP)

3-phasiger Leistungsmesser

31

Typische Leistungsmessung

32

3ph-3L Leistungsmessung

+

Gesamtleistung mit der Zweiwattmeter Methode

33

3ph-3L Spannungen und Ströme

Kurvenformder

Außenleiter-Spannungen

Kurvenformder Ströme

34

3-phasige Leistungsmessung (3ph-3L)

60°60°

Ua

Ub

Uc

IcIa

Ib

Uab

Uac

Ubc

Uac

Ubc

Uab

IcIa

Ib

Der Phasenwinkel zwischenden Spannungsvektorenbeträgt 60° (nicht 120°) wenndie Spannungen Phase gegenPhase gemessen werden.

Der Phasenwinkel zwischenden Stromvektoren beträgt120°.

Im Beispiel rechts haben die Ströme einen zusätzlichenPhasenwinkel von 30° (cos φ = 0,866).

N

Phasendifferenzvon 60° zwischenden Differenzvektorenin einemsymmetrischenSystem.

Spannungs- und Stromvektoren in einem 3φ-3L System bei3V3A Verschaltung.

N

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Stern-Dreieck Umrechnung (Δ Messung)

V

Ph-Ph

V

Ph-Mp

Leck- Strom

Stern-Dreieck Umrechnung (und umgekehrt) und Leckstrom-Messung

3636

3ph-3L und 3ph-4L Messung im VergleichP3ph-3L = P3ph-4L

3ph-3L

Spannungen

Ströme

3ph-4L

Spannungen

Ströme

Typische Kurvenformen

3ph-4L

KünstlicherSternpunkt

3737

3ph-3L und 3ph-4L Messung im Vergleich

U ph-Mp x √ 3 = U ph-ph 55.20 V x √ 3 = 95.60 V

3ph-3L 3ph-4L KSTP

P3ph-3L = P3ph-4L

3V3A Schaltung und 3ph-4L mit Sternpunkt-Adapter

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Kapitel 4

PraktischePraktische, , mechanischemechanischeLeistungsmessungLeistungsmessung amam3 3 –– PhasenPhasen AC MotorAC Motor

39

LastMotor


3-phasige AC

Einspeisung

(ohne MP)

Signal-aufbereitung

3-phasiger Leistungsmessermit Motoreingängen

Drehzahl/Drehmoment

Sensoren

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Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren

Diverse Hersteller:

Hottinger (HBM)KistlerMagtrol IncHoneywell Sensotechweitere

Unterschiedliche Typen je nach Anwendung

Meß-Signale analog oder pulsförmig

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Honeywell Sensotec Sensorsand Lebow Productswww.honeywell.com/sensing


Signal Conditioner

42

Magtrol Inc70 Gardenville ParkwayBuffalo, NY 14224www.magtrol.com

In-Line Torque Transducers

Dynamometer Controllers

Test Benches


http://www.magtrol.com/torquesensors/torquemeter_transducers.htm

http://www.magtrol.com/tensioncontrol/compressed-air-brakes.htm

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System #1

DrehzahlSensor

DrehmomentSensor

Signalaufbereitungmit Elektronik des Sensorherstellers

PC

Applikations-Software

Verwendung derSignalaufbereitung des

Sensor Herstellers

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z.B. Magtrol Speed/Torque Transducer, Bremse und Dynamometer Controller

Testaufbau mechanische Leistungsmessung

Motor BremseDrehzahl- und Drehmoment

Sensoren

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System #2

DrehzahlSensor

DrehmomentSensor

Signalaufbereitungmit Elektronik des Sensorherstellers

Falls nötig

PC

Applikations- Software

Verwendung des Leistungsmessers für

mechanische Leistungsmessung

Drehmo-mentSignal

DrehzahlSignal

Leistungsmesser mitMotoreingängen

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Vorteile von System #2

Verarbeitung analoger oder pulsförmigerSensorsignale

Simultane Messung elektrischer und mechanischer Leistungen (wichtig beidynamischen Vorgängen)

Direkte elektrische/mechanischeWirkungsgradmessung


47


Pulses/Revolution

Motor Setup Menu am Leistungsmesser

48

Drehzahl- und Drehmoment-Messung

49

Kapitel 6

WirkungsgradWirkungsgrad-- und und VerlustleistungsVerlustleistungs--MessungMessung

50

Umrichter mit Motor und Leistungsmesser

Umrichter

1-phasige Einspeisung3-phasiger Ausgang

Demonstrationsmodell

51

Umrichter-Kurvenformen

UmrichterSpannungund Strom

52

Meßproblematik bei Umrichtersignalen

Das (ungefilterte) Spannungs-Signal enthälthohe Amplituden des Taktsignales

Komplexes Frequenzgemisch von DC bis einige kHzÜberlagerte Taktimpulse mit hoher FlankensteilheitVariable Frequenz der Grundschwingung von DC biseinige Hundert Hz.

Das (ungefilterte) Strom-Signal enthält hoheAmplituden eines Gleichtaktsignales

Der Leistungsmesser benötigt eine hohe Gleichtakt-unterdrückung auch bei hohen FrequenzenGeeignete Stromsensoren verbessern die Gleichtaktunterdrückung erheblich.

Eine variable Filterung der Signale ist erwünscht.

53

Elektrischer Wirkungsgrad des Umrichters

UmrichterWirkungsgrad

P AusgangP Eingang

Wirkungsgrad Setup Menu

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UmrichterWirkungsgrad

Gesamt-Wirkungsgrad

Motor Wirkungsgrad

Mechanischer- und Gesamt-Wirkungsgrad

Wirkungsgrad Setup Menu

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Zusätzlich zum Wirkungsgrad interessieren oft die absoluten elektrischen Verluste.

Die “Benutzerspezifischen Mathematikfunktionen”erlauben die direkte Berechnung:

Verlustleistung = Eingangsleistung – Ausgangsleistung

Umrichter Verlustleistung

56

Umrichter Verlustleistung

Wirkungsgrad

Verlustleistung

Eingangs-Leistung

Ausgangs-Leistung

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Umrichter sollen ein konstantes Verhältnis von Spannung zu Frequenz aufrechterhalten.

Die Größe U/f (V/Hz) kann für die Spannung den gesamten Effektivwert oder die Amplitude derGrundschwingung verwenden.

Die “Benutzerspezifischen Mathematikfunktionen”erlauben die direkte Berechnung von U/f.

Volt pro Hertz Messung

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RMS

Fundamental

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RMS V/Hz Grundschwingung

V/Hz

60

Weitere Informationen erhalten Sie von :

Walter HuberYOKOGAWA MeasurementTechnologies GmbHGewerbestraße 1782211 HerrschingTelefon 0 81 52 / 93 10 - 40Telefax 0 81 52 / 93 10 - 60eMail: [email protected]: http://www.yokogawa-mt.de

… und natürlich von den Vertriebsingenieurenunserer 10 Außenbüros.

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