1. Die Generierung eines Zweiphasensystems aus dem vorhandenen Dreiphasensystem

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1 Über die Möglichkeit, Eigenschaften elektrischer Antriebe, insbesondere Aufzugantriebe, mittels der Oszillografentechnik auf einfache Weise beurteilen zu können. Dipl.Ing. Wolfgang Rösch, ascentronic Gerätebau GmbH, Ruhstorf a.d. Rott Telefon (08531) 3869 * Fax (08531)32520 * info@ ascentronic.com Es wird eine Methode beschrieben, wie aus einem Dreiphasen-Drehstromnetz ein Zweiphasen- System erzeugt werden kann, mittels dessen eine Kreisdarstellung auf einem Oszillografenschirm realisiert wird. Diese Kreisdarstellung liefert schnell eindeutige Beweise für die Funktion eines elektrischen Antriebes. Die hauptsächlichen Aussagen betreffen: den Motor, den Regler ( Steller oder Umrichter) und die Anlage selbst Notwendig für die schnelle Beurteilung ist, daß die Ströme und/oder die Spannungen gleichzeitig darzustellen sind, um Abweichungen zur Symmetrie sofort zu erkennen. Gerade die Symmetrie ist ein Maß für die Güte eines Antriebes. 1. Die Generierung eines Zweiphasensystems aus dem vorhandenen Dreiphasensystem Mathematische Betrachtungen Bei der Erzeugung des Zweiphasensystems aus dem Dreiphasennetz ist es wichtig, daß für den vorgesehenen Zweck des Meßvorganges - besser Beurteilungsvorganges - alle Informationen, die im Dreiphasensystem vorhanden sind, in das Zweiphasensystem transformiert werden. Dazu bedient man sich einer relativ einfachen Methode, durch die die drei um jeweils 120 versetzten Zeiger des Drehstromsystems in zwei, um 90 versetzte Zeiger, umgewandelt werden. Die Spannungen dieser beiden Zeiger werden auf den X- Kanal und den Y-Kanal eines Oszilloskopes gelegt und der Kreis erscheint. Abbildung 1 Die Generierung eines Zweiphasensystems aus dem vorhandenen Dreiphasensystem. In der Abbildung 1 sehen wir die drei Zeiger L1, L2 und L3, so wie sie uns das Drehstromsystem liefert. Wenn der Zeiger L2 invertiert wird, erhält man den Zeiger -L2. Aus -L2 und L3 erhält man durch vektorielle Addition den Zeiger L3+(-L2). Die absolute Länge dieses Zeigers ist natürlich länger als die absolute Länge der Referenzspannung L1. Für die Darstellung eines symmetrischen Kreises sollten die absoluten Längen der Spannungen für die X/Y-Darstellung gleich hoch sein. Deshalb muß die Spannung L3+(-L2) um den Faktor 0,58 verkürzt werden, und wir erhalten die resultierende Spannung Lres. Für die Erzeugung der drei Spannungen ist es im Grunde genommen gleichgültig, ob die Spannungen aus vorhandenen Spannungen selbst entnommen werden, oder aus Strömen mit entsprechenden Strom-Spannungswandlern. Es ist selbstredend, daß man hierbei mit potentialfreien Spannungen arbeiten muß. Seite 1 von 6

2 Teil 2: Anwendung in der Praxis Im folgenden sehen wir einige Diagramme, die von verschiedenen Objekten unter unterschiedlichen Bedingungen aufgenommen wurden. 2.1 Drehstromsteller Abbildung 2.11 Aus dem vorhandenen Drehstromnetz mit sinussolidaler Spannung geformter Kreis. Abbildung2.12 Symmetrischer Phasenanschnitt bei einer Ohmschen Last. Abbildung 2.13 Fehlerbild, falls eine Phase fehlt. Abbildung 2.14 Fehlerbild bei einem überbrückten Thyristorpaar. Seite 2 von 6

3 Abbildung 2.15 Phasenanschnitt einer Ohmsch-induktiven Last (Asynchronmotor) Abbildung 2.16 Fehlerbild bei einer fehlenden Phase beim Phasenanschnitt einer Ohmsch-induktiven Last (Asynchronmotor) 2.2 Umrichter Abbildung 2.21 Ausgangsstrom eines Umrichters bei Vollast (Mehrere Durchläufe). Abbildung 2.22 Ausgangsstrom eines Umrichters bei Leerlauf. Abbildung 2.23 Ausgangsstrom eines Umrichters beim Hochlauf und schiefsymmetrischer Last. Seite 3 von 6

4 Interessant und sehr aufschlußreich ist auch die Tatsache, daß bei einem fehlerhaften Motor eine Unsymmetrie in Form einer Deformation des Kreises auftritt. Bleibt die Lage dieser Deformation während des Betriebes zeitlich festgebunden stehen, so kann mit ziemlicher Sicherheit auf einen Fehler im Ständer geschlossen werden, z. B. auf einen Fehler in der Wicklung. Läuft die Deformation am Kreisumfang entlang, so liegt ein Fehler im rotierenden System vor, z.b. am Läufer. Die Umlaufgeschwindigkeit der Abweichung entspricht der Schlupffreqeunz. Auch defekte Drehzahlgeber konnten auf diese Weise detektiert werden. 3. Rückschlüsse auf die Mechanik Für die Messung und Beurteilung des mechanischen Teiles ist eine Strommessung notwendig. Der Durchmesser des abgebildeten Kreises ist ein Maß für den aufgenommen Strom. Bleibt der Kreisdurchmesser während des Fahrspieles konstant, so liegt keine mechanische Störung vor. Verändert sich der Kreisdurchmesser während des Fahrspieles, so ändert sich die Stromaufnahme infolge sich verändernder Lasten. Das kann mannigfaltige Ursachen haben und bedarf näherer Untersuchungen. Man muß dann unterscheiden zwischen Schwingungen des rotatorischen Systems oder zeitweilige Schwergängigkeiten im translatorischen System. Aber zumindest ist eine Aussage getroffen, an welcher Stelle die Ursache für das Fehlverhalten liegt. 4. Anhang: Winkelgerechte Abbildung Für eingehendere Untersuchungen, beispielsweise um die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung anzuzeigen, oder letzten Endes die Ortskurve des Ständerstromes darzustellen, kommen zwei Wandler zum Einsatz: einer für die Spannung und einer für den Strom. Es ist möglich, bei jedem Nulldurchgang eine Marke zu schreiben, vorzugsweise in Form eines Lichtpunktes, der über einen Z-Eingang, falls vorhanden, vorgegeben wird. Oder aber der Kreis wird ganz kurz unterbrochen. Das wird ebenfalls als Marke erkannt. In folgender Darstellung sind die Zeiger für die Spannung (links) und für den Strom (rechts) eingezeichnet. Abbildung 4.1 Der Spannungs- und Stromwandler. Die Phasenverschiebung ist direkt in der Abweichung der Winkel erkennbar. Über eine separate Maske, die vorzugsweise über den Oszillografenschirm gelegt ist, und in die die Winkelgrade eingezeichnet sind, kann man die Verschiebung ablesen. Es wird nur einer der Kreise, der Stromkreis, gezeigt, während der andere, der Spannungskreis, im Hintergrund latent vorhanden ist, und zur Erzeugung der Marke dient. Seite 4 von 6

5 Abbildung 4.2 Darstellung des Motorstromes und der Phasenlage. Motor im Leerlauf. Abbildung 4.3 Darstellung des Motorstromes und der Phasenlage. Motor geringfügig belastet. Der Unterschied ist deutlich zu sehen, und die Veränderung der Phasenlage wäre in Winkelgraden direkt ablesbar. Betrachtet und verfolgt man den Endpunkt eines dieser Zeiger während des Hochlaufes eines Asynchron-Motors, so erhält man die Ortskurve des Motors, weil schließlich alle Zustände vom Kurzschluß bis zum Leerlauf durchfahren werden. Voraussetzung ist natürlich, daß der Motor entsprechend langsam hochläuft, entweder mit verminderter Spannung oder mit großer Schwungmasse, damit aus dem zeitlichen Verlauf etwas ablesen kann. 5. Demo zur Darstellung des Spannungsverlaufes in der Zeitfunktion und in der Bildfunktion Abbildung 5 Nebenstehende Abbildung ist einer Demo entnommen und zeigt den Verlauf der Phasenströme, während die Stromaufnahme zeitlich zunimmt. Im unteren linken Diagramm ist zu erkennen, wie bei zunehmendem Strom der Radius des Kreises immer größer wird, sich zu einer Spirale ausbildet und letztendlich konstant auf der äußeren Peripherie verbleibt.. Seite 5 von 6

6 6. Das Werkzeug Abbildung 6.1 Zur Darstellung der spannungsabhängigen Bildfunktion benötigt man ein Oszilloskop mit x-y Darstellung einen Tastkopf wie z.b. Deltaprobe U Abbildung 6.2 Zur Darstellung der stromabhängigen Bildfunktion benötigt man ein Oszilloskop mit x-y Darstellung einen Tastkopf wie z.b. Deltaprobe I Die Strommessung liefert die besseren Resultate Abbildung 6.3 Die Anordnung zur Veranschaulichung der Phasenverschiebung Wohl kaum im Aufzugbau benötigt, wohl aber gut zum Überprüfen von Elektromotoren geeignet ist ein Gerät, das die Phasenverschiebung des Prüfling anzeigt. Anmerkung: Es wurde nicht untersucht, ob die beschriebene Methode frei von Patentrechten Dritter ist. Ruhstorf, im April 2004 Seite 6 von 6