Leistungsmessung & Analyse an E-Motoren und Antrieben

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1 Leistungsmessung & Analyse an E-Motoren und Antrieben Walter Huber Produktsupport Leistungsmessung Yokogawa MTG, Herrsching 2009 Yokogawa Measurement Technologies GmbH

2 Seminar Leistungsmessung & Analyse an Umrichtern, E-Motoren und Antrieben Walter Huber Produktsupport Leistungsmessung 2009 Yokogawa MTG 2

3 Das Meßobjekt 3 Schritte für einen kompletten Test an drehzahlvariablen E-Motoren Umrichter Motor Bremse DC bzw. 1-phasige oder 3-phasige AC Einspeisung Leistungsmesser Drehzahl und Drehmoment 3

4 Seminar Übersicht Grundlagen der Leistungsmessung Überblick elektrische Leistungsmessung Überblick mechanische Leistungsmessung Anforderungen an Geräte und Stromsensoren (Signaltec) 3-phasige Leistungsmessung an AC Motoren 2- und 3-Wattmeter-Methoden Tipps für die Praxis Mechanische Leistungsmessung Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren Wirkungsgradmessung am Motor 4

5 Seminar Übersicht Messungen am Umrichter Messung der Eingangs- und Ausgangsleistung Umrichter Verluste und Wirkungsgrad Weitere typische Mess-Parameter Das Gesamtsystem: Motor + Umrichter Gesamtwirkungsgrad Motor Effizienz-Messung Jederzeit willkommen: Ihre Fragen 5

6 Kapitel 1 Grundlagen der elektrischen Leistungsmessung 6

7 Leistungsmessung Was ist ein (elektrisches)watt? Gleichstrom (DC) : Wechselstrom (AC) : Nur Sinus!!! Wechselstrom (AC) : Allgemein P(W) = U dc (V) x I dc (A) P(W) = U eff (V) x I eff (A) x cos(φ) P(W) = U eff (V) x I eff (A) x λ 7

8 Leistungsmessung Was ist ein (mechanisches)watt? Arbeit (Energie) wird verrichtet, wenn ein Objekt über die Distanz L mit der Kraft F verschoben wird. Arbeit = F x L [Nm] = [J] F Distanz = L Newton x Meter = Joule Leistung = Arbeit Zeit P F x L Nm J = = = t = s s [ Watt] [ W] Leistung ist die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit Bei Rotation: Leistung prop. Drehmoment * Drehzahl 8

9 Leistungsmessung Yokogawa Leistungsmesser und DSO s verwenden folgende grundlegende Formel zur Wirkleistungsberechnung: T P avg = 1/T 0 u(t) * i(t) dt Für die digitalisierten Meßwerte bedeutet dies: Multipliziere den Momentanwert der Spannung u(t) mit dem Momentanwert des Stromes i(t) und integriere über eine gewisse Zeit T. 9

10 Echte Effektivwert-Messung (RMS) T P avg = 1/T 0 v(t) * i(t) dt T U RMS = 1/T 0 v(t) 2 dt T I RMS = 1/T 0 i(t) 2 dt Diese Berechnungsmethode ermittelt den wahren, kuvenformunabhängigen Effektivwert von Spannung und Strom. Eingeschlossen sind DC, alle harmonischen und nichtharmonischen Anteile bis zur Bandbreitengrenze bzw. Filtereckfrequenz des Leistungsmessers. 10

11 1-phasige Leistungsmessung (1φ 2L) Wattmeter A + - AC/DC Quelle u(t) i(t) V. -+ u(t) Einphasige 2-Leiter Last (1φ 2L) Ein-Wattmeter Methode u(t) : spannungrichtige Messung (bezogen auf die Last) u(t) : stromrichtige Messung (bezogen auf die Last) 11

12 1-phasige Leistungsmessung (1φ 2L) Einphasiges 2-Leiter System Die Spannung wird auf der Last- oder Generatorseite gemessen. Der Strom wird in einem der beiden Leiter gemessen (auf Polarität achten!) Die vom PM angezeigte Leistung ist der Verbrauch der Last bzw. die erzeugte Generatorleistung. 12

13 3-phasige Leistungsmessung (3φ 4L) a i a P a AC Quelle b i b P b U an c i c P c 3φ 4L Last U bn U cn n... Drei-Wattmeter 4 Leiter Methode P ges = P a + P b + P c 13

14 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 algebraische Summe der 3 einzelnen Wattmeter. 14

15 3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L) a i a. P a AC Quelle U ab Umrichter b. i b P b. U ca 3φ 3L Last c U cb. i c P c Drei-Wattmeter 3 Leiter Methode 15

16 3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L) 3φ 3L System mit 3 Wattmetern P a = U a-b * I a * Cos φ a P b = U a-c * I b * Cos φ b P c = U c-b * I c * Cos φ c P ges = P a + P c Bei dieser Konfiguration erhält man die Gesamtleistung aus der Summe von zwei Wattmetern in Phase A und C. Man beachte, daß keines der Wattmeter die korrekte Einzelleistung je Phase anzeigt!!! Statt MP ist hier Phase B die Referenz (zyklisch vertauschbar). 16

17 3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L) 3φ 3L System mit 2 Wattmetern (Aaronschaltung) a i a V P a U ab b + -. entfällt! i b. U ca 3φ 3L Last U cb c V 2 Wattmeter Methode i c P c 17

18 3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L) Herleitung der Aaronschaltung P T = P a + P b + P c = U a *I a + U b *I b + U c *I c (3φ 4L) Es gelte die Bedingung I a + I b + I c = 0, d.h. kein Leckstrom! Daraus z.b.: I b = -I a I c, oben eingesetzt: P T = U a *I a -U b *(I a + I c ) + U c *I c = (U a -U b )*I a + (U c -U b )*I c P T = U ab *I a + U cb *I c Es werden 2 Wattmeter für 2 Spannungen und 2 Ströme benötigt. Problem: Ist die Bedingung I a + I b + I c = 0 wirklich erfüllt? 18

19 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 = i 1 + i 2 + i 3 2. Direkte Messung aller 3 Phasenspannungen zur Beobachtung der Generator-Symmetrie. 3. Genauere Berechnung von Scheinleistung und Leistungsfaktor λ Total = ( P 1 + P 2 ) / ( 3/2)( S 1 + S 2 ) λ Total = ( P 1 + P 2 ) / ( 3/3)( S 1 + S 2 + S 3 ) 2-Wattmeter-Methode 3-Wattmeter-Methode 19

20 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. 20

21 3-phasige Leistungsmessung (3φ 4L mit Sternpunkt-Adapter) a (U 1 ) AC Quelle z.b. Umrichter U an. R//C i a b (U 2 ) U bn P. a R//C U cn i b P b c (U 3 ). R//C.... Drei-Wattmeter Methode mit künstlichem Sternpunkt, gebildet aus 3 gleichen R//C Elementen i c Virtuelle Masse (KSTP) P c 3φ 3L Last z.b. Motor P ges = P a + P b + P c 21

22 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 benötigt1 Wattmeter 3φ 3L benötigt 2 Wattmeter (sog. Aronschaltung) 3φ 4L benötigt 3 Wattmeter Etc. Blondel Theorem 22

23 Kapitel 2 Grundlagen der mechanischen Leistungsmessung 23

24 Mechanische Leistungsmessung Beim Motor gilt: P m = Drehzahl x Drehmoment Die Einheit der mechanischen Leistung ist Watt (veraltet: PS, z.b. 100 kw = 136 PS) 1 Watt = Joule/Sekunde = Newton-Meter/Sekunde (Nm/s) 24

25 Mechanische Leistungsmessung P m = 2 x π x Drehzahl 60 x Drehmoment Drehzahl in UpM Drehmoment in Nm P m = Mechanische Leistung in Watt 25

26 Mechanische Leistungsmessung Drehzahl des AC Induktionsmotors : Tatsächliche Drehzahl die Winkelgeschwin-digkeit des Rotors. Messung mit einem Tachometer. Synchrone Geschwindigkeit die Umlaufgeschwindigkeit des Magnetfeldes im Stator. Maximal mögliche Drehzahl des Rotors, in der Praxis stets geringer (Schlupf). Synchrongeschwindigkeit = 120 x Grundschwingungsfrequenz Anzahl der Pole 26

27 Mechanische Leistungsmessung Schlupf Die prozentuale Differenz zwischen Rotorgeschwindigkeit (RS) und Synchrongeschwindigkeit (SS). SS - RS Schlupf = x 100 % SS 27

28 Wirkungsgrad-Messung (Effizienz) Der Wirkungsgrad (in einfacher Form) ist das Verhältnis von mechanischer Ausgangsleistung zur elektrischen Eingangsleistung (vor oder nach dem Umrichter). Abgekürzt mit dem griechischen Eta. η = Ausgangsleistung Eingangsleistung = P m P el 28

29 Kapitel 3 Praktische, elektrische Leistungsmessung am 3 Phasen AC Motor 29

30 3-Phasen AC Motor Motor Last 3-phasige AC Einspeisung (ohne MP) 3-phasiger Leistungsmesser 30

31 Typische Leistungsmessung 31

32 3ph-3L Leistungsmessung + Gesamtleistung mit der Zweiwattmeter Methode 32

33 3ph-3L Spannungen und Ströme Kurvenform der Außenleiter- Spannungen Kurvenform der Ströme 33

34 3-phasige Leistungsmessung (3ph-3L) Der Phasenwinkel zwischen den Spannungsvektoren beträgt 60 (nicht 120 ) wenn die Spannungen Phase gegen Phase gemessen werden. Der Phasenwinkel zwischen den Stromvektoren beträgt 120. Im Beispiel rechts haben die Ströme einen zusätzlichen Phasenwinkel von 30 (cos φ = 0,866). Ic Uac Uc Ib Uab Ic Ib U a N Ubc Uab Ia Ia N U b Uac Spannungs- und Stromvektoren in einem 3φ-3L System bei 3V3A Verschaltung. Phasendifferenz von 60 zwischen den Differenzvektoren in einem symmetrischen System. Ubc 34

35 Stern-Dreieck Umrechnung (Δ Messung) V Ph-Ph V Leck- Strom Ph-Mp Stern-Dreieck Umrechnung (und umgekehrt) und Leckstrom-Messung 35

36 3ph-3L und 3ph-4L Messung im Vergleich P 3ph-3L = P 3ph-4L 3ph-3L Spannungen Ströme 3ph-4L Künstlicher Sternpunkt 3ph-4L Spannungen Ströme Typische Kurvenformen 36

37 3ph-3L und 3ph-4L Messung im Vergleich 3V3A Schaltung und 3ph-4L mit Sternpunkt-Adapter 3ph-3L 3ph-4L KSTP P 3ph-3L = P 3ph-4L U ph-mp x 3 = U ph-ph V x 3 = V 37

38 Kapitel 4 Praktische, mechanische Leistungsmessung am 3 Phasen AC Motor 38

39 Mechanische Leistungsmessung Drehzahl/ Drehmoment Sensoren Motor Last 3-phasige AC Einspeisung (ohne MP) Signalaufbereitung 3-phasiger Leistungsmesser mit Motoreingängen 39

40 Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren Diverse Hersteller: Hottinger (HBM) Kistler Magtrol Inc Honeywell Sensotech weitere Unterschiedliche Typen je nach Anwendung Meß-Signale analog oder pulsförmig 40

41 Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren Honeywell Sensotec Sensors and Lebow Products Signal Conditioner 41

42 Drehzahl- und Drehmoment-Sensoren Magtrol Inc 70 Gardenville Parkway Buffalo, NY Dynamometer Controllers In-Line Torque Transducers Test Benches 42

43 Mechanische Leistungsmessung System #1 Drehzahl Sensor Signalaufbereitung mit Elektronik des Sensorherstellers PC Drehmoment Sensor Verwendung der Signalaufbereitung des Sensor Herstellers Applikations- Software 43

44 Testaufbau mechanische Leistungsmessung Motor Drehzahl- und Drehmoment Sensoren Bremse z.b. Magtrol Speed/Torque Transducer, Bremse und Dynamometer Controller 44

45 Mechanische Leistungsmessung System #2 Drehzahl Sensor Drehzahl Signal Leistungsmesser mit Motoreingängen Signalaufbereitung mit Elektronik des Sensorherstellers Drehmoment Sensor Falls nötig Drehmoment Signal PC Verwendung des Leistungsmessers für mechanische Leistungsmessung Applikations -Software 45

46 Mechanische Leistungsmessung Vorteile von System #2 Verarbeitung analoger oder pulsförmiger Sensorsignale Simultane Messung elektrischer und mechanischer Leistungen (wichtig bei dynamischen Vorgängen) Direkte elektrische/mechanische Wirkungsgradmessung 46

47 Mechanische Leistungsmessung Pulses/Revolution Motor Setup Menu am Leistungsmesser 47

48 Drehzahl- und Drehmoment-Messung 48

49 Kapitel 6 Wirkungsgrad- und Verlustleistungs- Messung 49

50 Demonstrationsmodell Umrichter 1-phasige Einspeisung 3-phasiger Ausgang Umrichter mit Motor und Leistungsmesser 50

51 Umrichter-Kurvenformen Umrichter Spannung und Strom 51

52 Meßproblematik bei Umrichtersignalen Das (ungefilterte) Spannungs-Signal enthält hohe Amplituden des Taktsignales Komplexes Frequenzgemisch von DC bis einige khz Überlagerte Taktimpulse mit hoher Flankensteilheit Variable Frequenz der Grundschwingung von DC bis einige Hundert Hz. Das (ungefilterte) Strom-Signal enthält hohe Amplituden eines Gleichtaktsignales Der Leistungsmesser benötigt eine hohe Gleichtaktunterdrückung auch bei hohen Frequenzen Geeignete Stromsensoren verbessern die Gleichtaktunterdrückung erheblich. Eine variable Filterung der Signale ist erwünscht. 52

53 Elektrischer Wirkungsgrad des Umrichters Umrichter Wirkungsgrad P Ausgang P Eingang Wirkungsgrad Setup Menu 53

54 Mechanischer- und Gesamt-Wirkungsgrad Umrichter Wirkungsgrad Motor Wirkungsgrad Gesamt- Wirkungsgrad Wirkungsgrad Setup Menu 54

55 Umrichter Verlustleistung Zusätzlich zum Wirkungsgrad interessieren oft die absoluten elektrischen Verluste. Die Benutzerspezifischen Mathematikfunktionen erlauben die direkte Berechnung: Verlustleistung = Eingangsleistung Ausgangsleistung 55

56 Umrichter Verlustleistung Eingangs-Leistung Wirkungsgrad Ausgangs- Leistung Verlustleistung 56

57 Volt pro Hertz Messung 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 der Grundschwingung verwenden. Die Benutzerspezifischen Mathematikfunktionen erlauben die direkte Berechnung von U/f. 57

58 Volt pro Hertz Messung RMS Fundamental 58

59 Volt pro Hertz Messung RMS V/Hz Grundschwingung V/Hz 59

60 Weitere Informationen erhalten Sie von : Walter Huber YOKOGAWA Measurement Technologies GmbH Gewerbestraße Herrsching Telefon / Telefax / huber@yokogawa-mt.de Web: und natürlich von den Vertriebsingenieuren unserer 10 Außenbüros. 60