Leistungsmessung & Analyse an E-Motoren und...
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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
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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)
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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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1-phasige Leistungsmessung (1φ 2L)
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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 4L)
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
3-phasige Leistungsmessung (3φ 4L)
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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L)
.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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L)
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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L)
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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L)
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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L)
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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3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L)
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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23
Kapitel 2
GrundlagenGrundlagen derder mechanischenmechanischenLeistungsmessungLeistungsmessung
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24
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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Mechanische Leistungsmessung
Pm =2 x π x Drehzahl
60x Drehmoment
Drehzahl in UpM
Drehmoment in Nm
Pm = Mechanische Leistung in Watt
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26
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 =
Mechanische Leistungsmessung
120 x Grundschwingungsfrequenz
Anzahl der Pole
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27
Schlupf – Die prozentuale Differenzzwischen Rotorgeschwindigkeit (RS) und Synchrongeschwindigkeit (SS).
Schlupf = x 100 %
Mechanische Leistungsmessung
SS - RS
SS
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28
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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29
Kapitel 3
PraktischePraktische, , elektrischeelektrischeLeistungsmessungLeistungsmessung amam3 3 –– PhasenPhasen AC MotorAC Motor
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30
3-Phasen AC Motor
LastMotor
3-phasige AC Einspeisung
(ohne MP)
3-phasiger Leistungsmesser
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31
Typische Leistungsmessung
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3ph-3L Leistungsmessung
+
Gesamtleistung mit der Zweiwattmeter Methode
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33
3ph-3L Spannungen und Ströme
Kurvenformder
Außenleiter-Spannungen
Kurvenformder Ströme
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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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35
Stern-Dreieck Umrechnung (Δ Messung)
V
Ph-Ph
V
Ph-Mp
Leck- Strom
Stern-Dreieck Umrechnung (und umgekehrt) und Leckstrom-Messung
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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
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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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38
Kapitel 4
PraktischePraktische, , mechanischemechanischeLeistungsmessungLeistungsmessung amam3 3 –– PhasenPhasen AC MotorAC Motor
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39
LastMotor
Mechanische Leistungsmessung
3-phasige AC
Einspeisung
(ohne MP)
Signal-aufbereitung
3-phasiger Leistungsmessermit Motoreingängen
Drehzahl/Drehmoment
Sensoren
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40
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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41
Honeywell Sensotec Sensorsand Lebow Productswww.honeywell.com/sensing
Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren
Signal Conditioner
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42
Magtrol Inc70 Gardenville ParkwayBuffalo, NY 14224www.magtrol.com
In-Line Torque Transducers
Dynamometer Controllers
Test Benches
Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren
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43
Mechanische Leistungsmessung
System #1
DrehzahlSensor
DrehmomentSensor
Signalaufbereitungmit Elektronik des Sensorherstellers
PC
Applikations-Software
Verwendung derSignalaufbereitung des
Sensor Herstellers
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44
z.B. Magtrol Speed/Torque Transducer, Bremse und Dynamometer Controller
Testaufbau mechanische Leistungsmessung
Motor BremseDrehzahl- und Drehmoment
Sensoren
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45
Mechanische Leistungsmessung
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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46
Vorteile von System #2
Verarbeitung analoger oder pulsförmigerSensorsignale
Simultane Messung elektrischer und mechanischer Leistungen (wichtig beidynamischen Vorgängen)
Direkte elektrische/mechanischeWirkungsgradmessung
Mechanische Leistungsmessung
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Mechanische Leistungsmessung
Pulses/Revolution
Motor Setup Menu am Leistungsmesser
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Drehzahl- und Drehmoment-Messung
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49
Kapitel 6
WirkungsgradWirkungsgrad-- und und VerlustleistungsVerlustleistungs--MessungMessung
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50
Umrichter mit Motor und Leistungsmesser
Umrichter
1-phasige Einspeisung3-phasiger Ausgang
Demonstrationsmodell
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51
Umrichter-Kurvenformen
UmrichterSpannungund Strom
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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.
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53
Elektrischer Wirkungsgrad des Umrichters
UmrichterWirkungsgrad
P AusgangP Eingang
Wirkungsgrad Setup Menu
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54
UmrichterWirkungsgrad
Gesamt-Wirkungsgrad
Motor Wirkungsgrad
Mechanischer- und Gesamt-Wirkungsgrad
Wirkungsgrad Setup Menu
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55
Zusätzlich zum Wirkungsgrad interessieren oft die absoluten elektrischen Verluste.
Die “Benutzerspezifischen Mathematikfunktionen”erlauben die direkte Berechnung:
Verlustleistung = Eingangsleistung – Ausgangsleistung
Umrichter Verlustleistung
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56
Umrichter Verlustleistung
Wirkungsgrad
Verlustleistung
Eingangs-Leistung
Ausgangs-Leistung
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57
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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58
Volt pro Hertz Messung
RMS
Fundamental
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59
Volt pro Hertz Messung
RMS V/Hz Grundschwingung
V/Hz
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