Leistungsmessung & Analyse an E-Motoren und Antrieben

Transkript

1 Leistungsmessung & Analyse an E-Motoren und Antrieben Walter Huber Produktsupport Leistungsmessung Yokogawa Deutschland Niederlassung Herrsching 2011 Yokogawa Deutschland GmbH

2 Seminar Leistungsmessung & Analyse an Umrichtern, E-Motoren und Antrieben Walter Huber Produktsupport Leistungsmessung 2011 Yokogawa Deutschland GmbH 2

3 Seminar Übersicht Grundlagen der Leistungsmessung Überblick elektrische Leistungsmessung Überblick mechanische Leistungsmessung 3-phasige Leistungsmessung an AC Motoren 2- und 3-Wattmeter-Methoden Tipps für die Praxis Instantane Leistungsmessung Grundlagen Momentanleistung Schnelle Leistungsmessung am Motor Messungen am Umrichter Messung der Eingangs- und Ausgangsleistung Umrichter Verluste und Wirkungsgrad 3

4 Kapitel 1 Kurze Grundlagen der elektrischen Leistungsmessung 4

5 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 5

6 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. 6

7 Leistungsmessung Funktions-Prinzip Digitalisierung P 1 T T 1 T k T/ t u( t). i( t) dt u( k). i( k). 0 k 1 t u(t): instantaneous voltage value at time t i (t) instantaneous current value at time t u (k): instantaneous voltage value at k-th sample i (k) instantaneous current value at k-th sample T : cycle 7

8 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 8

9 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 9

10 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). 10

11 3-phasige Leistungsmessung (3φ 3L) 3φ 3L System mit 2 Wattmetern (Aaronschaltung) a i U a ab V P a b + U - cb.. i b U ca 3φ 3L Last c V i c P c 2 Wattmeter Methode P ges = P a + P c 11

12 3-phasige Leistungsmessung (3ph-3L) Der Phasenwinkel zwischen den gemessenen Spannungsvektoren beträgt 60 (nicht 120 ) wenn die Spannungen Phase gegen Phase bestimmt werden. Ic Uac Ua N Uab Ia Spannungs- und Stromvektoren in einem 3φ-3L System bei 3V3A Verschaltung. Der Phasenwinkel zwischen den Stromvektoren beträgt 120. Im Beispiel rechts haben die Ströme einen zusätzlichen Phasenwinkel von ± 30. Uc Uab Ic Ib Ubc Ia N Ub Uac Phasendifferenz von 60 zwischen den Differenzvektoren in einem symmetrischen System. Ubc Ib 12

13 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. i a a (U 1 ) AC Quelle z.b. Umrichter U an R//C b (U 2 ) U bn P. a R//C U cn i b c (U 3 ). R//C P b.... 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 13

14 Kapitel 2 Grundlagen der mechanischen Leistungsmessung 14

15 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) 15

16 Mechanische Leistungsmessung P m = 2 x x Drehzahl 60 x Drehmoment Drehzahl in UpM Drehmoment in Nm P m = Mechanische Leistung in Watt 16

17 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 17

18 Kapitel 3 Praktische, elektrische Leistungsmessung am 3 Phasen AC Motor 18

19 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 19

20 3ph-3L Leistungsmessung + Gesamtleistung mit der Zweiwattmeter Methode 20

21 Stern-Dreieck Umrechnung (Δ Messung) V Ph-Ph V Leck- Strom Ph-Mp Stern-Dreieck Umrechnung (und umgekehrt) und Leckstrom-Messung 21

22 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 22

23 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 23

24 Kapitel 4 Instantane Leistungsmessung am 3 Phasen AC Motor 24

25 WT1800 /HS Option Schnelle Leistungsmessung mit WT1800 in der Antriebstechnik 25

26 3-phasige Leistungsmessung In einem 3-ph System entstehen 3 Einzelleistungen: Im Sinusfall mit je 120 versetzten Spannungen: 26

27 3-phasige Leistungsmessung Die Addition der 3 zeitabhängigen Terme cos(ωt +.) ergibt zu jedem Zeitpunkt den Wert Null, d.h. die Summen Wirkleistung ist konstant. Sie kann deshalb in beliebig kleinen Intervallen gemessen werden. 27

28 Anwendungen MCU Akku Motor Treiber Umrichter 1 DC Einspeisung 2 AC 3-ph Ausgang Umrichter Motor Akku MCU Umrichter Frequenz 1 2 IT Serie Drehzahl und Drehmoment Anzeigen und Speichern: 1 s Zyklus Pro Zyklus max Messungen WT1800 /HS option 28

29 Anwendungen Anlauf-Verhalten eines E-Motors Kurvenform-Daten von Spannung und Strom, je Phase Speicherung der Messdaten in 1 s Blöcken. Jeder Block kann bis zu 1000 Messungen enthalten (1 ms Messgeschwindigkeit) 29

30 Anwendungen Anlauf-Verhalten eines E-Motors Σ Strom (effektiv) Σ Wirkleistung (3-ph) Σ Spannung (effektiv) Grafische Auswertung der numerischen Daten mit EXCEL, Flexpro, FAMOS, etc. 30

31 WT1800 /HS Option Wie zuvor, jedoch zusätzliche Einblendung der Motordaten M, n, Pmech 31

32 WT1800 /HS Option 32

33 Leistung [W] WT1800 /HS Option 7,00E+01 3-ph Wirkleistung 6,00E+01 5,00E+01 4,00E+01 3,00E+01 2,00E+01 1,00E+01 0,00E+00-1,00E+01 Zeitachse: Δt = 5 ms (gesamt 5 s) 33

34 Kapitel 5 Wirkungsgrad- und Verlustleistungs- Messung 34

35 Umrichter-Kurvenformen Umrichter Spannung und Strom 35

36 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. 36

37 Mechanische Leistungsmessung Pulses/Revolution Motor Setup Menu am Leistungsmesser 37

38 Drehzahl- und Drehmoment-Messung 38

39 Umrichter Verlustleistung Eingangs-Leistung Wirkungsgrad Ausgangs- Leistung Verlustleistung 39

40 Elektrischer-, mechanischer- und Gesamt-Wirkungsgrad Umrichter Wirkungsgrad Motor Wirkungsgrad Gesamt- Wirkungsgrad Wirkungsgrad Setup Menu 40

41 Überblick Yokogawa Leistungsmesser PR, CW, WT & PZ Serie WT %, DC bis 1MHz Genauigkeitsklasse (%) F&E, Prüfstand PZ %,DC bis 5MHz WT %, DC bis 100kHz 0.1 Produktion, QA WT210/WT %, DC bis 100kHz WT %, DC bis 1MHz 1.0 Einbau PR300, 0,25% Service CW240, 0,2% Frequenzbereich 50/60Hz 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz 41

42 Weitere Informationen erhalten Sie von : Walter Huber YOKOGAWA Deutschland GmbH Gewerbestraße Herrsching Telefon / Telefax / Walter.Huber@de.yokogawa.com Web: und natürlich von den Vertriebsingenieuren unserer 9 Außenbüros. 42