Prüfstand zur Bestimmung der quasistatischen elektromechanischen Kennlinien von Asynchronmotoren

In diesem Artikel wird ein Prüfstand zurBestimmung der quasistatischen elektromechanischen Kennlinien von Asynchronmotoren vorgestellt, die mit sinusförmigen Spannungen versorgt werden. Der Artikel enthält eine detaillierte Beschreibung des Prüfstands, der verwendeten Messtechnik und der Prüfungen zur Ermittlung der Kennlinien, die damit durchgeführt werden können.

Der zu prüfende Motor wird von einem anderen drehzahlgeregelten Motor angetrieben, der unter regelungstechnischen Gesichtspunkten besondere Aufmerksamkeit erfordert. Die „Online“-Arbeitsweise der vorgeschlagenen Messtechnik wird sowohl durch die hohe Dynamik des elektrischen Antriebs als auch durch die hohe Abtastrate, Präzision und die genauen Synchronisationsfunktionen des verwendeten Datenrekorder- und Datenerfassungssystems ermöglicht. Beispiele der quasistatischen elektromechanischen Kennlinien, die mit dem vorgeschlagenen Prüfstand ermittelt wurden, werden für einen 1,5 kW Drehstrom-Asynchronmotor sowie für einen 0,75 kW Einphasen-Induktionsmotor mit Anlauf- und Betriebskondensator dargestellt.

Einleitung

Die elektromechanischen Kennlinien von Induktionsmaschinen weisen, grob gesagt, eine mechanische Größe als Funktion einer elektrischen/mechanischen auf. Die bekanntesten Beispiele elektromechanischer Kennlinien unter allen möglichen Kombinationen sind sicherlich die Drehmoment-Drehzahl- oder die Drehmoment-Strom-Kennlinien. Eine elektromechanische Kennlinie vermittelt einen unmittelbaren visuellen Eindruck der Maschinenleistung, und ihre Nützlichkeit ist sowohl unter dem Gesichtspunkt der Lehre als auch der Anwendung unbestritten [1]. Die elektromechanischen Kennlinien eines Asynchronmotors können mittels seines bekannten Ersatzstromkreises mit mehr oder weniger komplexen Ansätzen zur Berücksichtigung der magnetischen Nichtlinearität, des Skin-Effekts (Stromverdrängung) in den Läuferstäben und der lastabhängigen Zusatzverluste berechnet werden [2], [3].

Andererseits kann die Bestimmung der elektromechanischen Kennlinien direkt durch Laborversuche (nach internationalen Normen [4], [5]) sehr zeitaufwändig und mit hohem Arbeitseinsatz verbunden sein und ist zudem relativ teuer, wenn die „reale“ Kennlinie gemessen werden muss. Ein typisches Beispiel ist die Beurteilung des Losbrechmoments und des maximalen Moments bei Bemessungsspannung, insbesondere bei großen Asynchronmotoren. Aufgrund der Begrenzung von installiertem Strom/installierter Leistung im Labor des Herstellers werden die direkten Prüfungen oft mit reduzierter Spannung durchgeführt. Infolgedessen wird die elektromechanische Kennlinie unter Nennbedingungen normalerweise extrapoliert, wobei eine quadratische Proportionalität zwischen Drehmoment und Versorgungsspannung zugrunde gelegt wird.

Um die gesamte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie zu untersuchen, wird üblicherweise die Beschleunigungsprüfung durchgeführt, wobei eine große träge Masse als mechanische Last für den zu prüfenden Motor („Motor Under Test“ – MUT) mit diesem verbunden wird [6]. Mit dieser Trägheitslast ist die Beschleunigung des Motors langsam genug, um den quasistatischen Betriebsmodus durchgängig während der gesamten Prüfung zu validieren. In [2] wird dieser Versuch ausführlich von den Autoren erörtert, wobei sie die Gleichungen bereitstellen, die für die Auswahl der mit der Motorwelle zu verbindenden optimalen trägen Masse verwendet werden sollte. Es leuchtet sofort ein, dass die Größe der verwendeten trägen Masse von der Motorgröße abhängt. Darüber hinaus ist während der Beschleunigungsprüfung die Gesamt-Massenträgheit konstant, und der Bediener kann das Drehzahlprofil nicht mehr ändern, nachdem er den Netzschalter, über den der MUT versorgt wird, betätigt hat.

Dank der modernen elektrischen Antriebe kann die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie heute bestimmt werden, indem der zu prüfende Asynchronmotor mit einer zweiten Maschine verbunden wird, die als aktive Bremse wirkt und im Folgenden als „Antriebsmotor“ (englisch „Driving Motor“, abgekürzt „DM“) bezeichnet wird [7]. Wenn der DM über einen bidirektionalen Stromrichter versorgt wird, können nämlich seine Drehzahl oder sein Drehmoment sowohl in Bezug auf ihre Amplitude als auch ihr Vorzeichen geregelt werden. Typischerweise wird für den DM ein regenerativer Betriebsmodus verwendet, um das gewünschte Lastmoment auf die Welle des zu prüfenden Motors zu übertragen. In diesem Fall können auf dem Prüfstand die Temperaturprüfung unter Nennlast sowie die Prüfungen unter veränderlicher Last durchgeführt werden, die in [4] beschrieben sind. Dies reicht jedoch nicht aus, um den Teil der Drehmoment-Kennlinie von der Losbrechbedingung bis zum Kippmoment zu untersuchen.

Aus diesem Grund stellen die Autoren in dieser Abhandlung einen Prüfstand zur Messung der elektromechanischen Kennlinien von Asynchronmaschinen vor, bei dem ein drehzahlgeregelter DM zum Einsatz kommt, der die Wellendrehzahl mit hoher Genauigkeit und hoher Dynamik von null bis hinauf zur Synchrondrehzahl vorgibt. Dank der für den DM vorgeschlagenen Regelungslösung und der gleichzeitigen Aufzeichnung aller elektrischen und mechanischen Größen mit einer beeindruckenden Abtastrate und Präzision an jedem Punkt des vorgegebenen Drehzahlprofils kann die gesamte Charakterisierung der Maschine rasch durchgeführt werden. Für die in dieser Untersuchung betrachteten Fälle reichten bereits 5 bis 10 Sekunden aus, um sehr gute Ergebnisse zu erzielen. Der vorgeschlagene Prüfstand konnte daher „Online“-Validierungsprüfungen am Ende der Produktionslinien durchführen, insbesondere für kleine und mittelgroße Asynchronmotoren.

Die Gliederung dieser Abhandlung ist wie folgt: Der vorgeschlagene Prüfstand wird ausführlich in Abschnitt II beschrieben, während die Regelungsstrategie des DM in Abschnitt III analysiert wird. Die Merkmale des vorgeschlagenen Prüfstands werden in den Abschnitten IV und V erörtert, wobei als Fallstudien ein Drehstrom-Asynchronmotor bzw. ein Einphasen-Induktionsmotor mit Anlauf- und Betriebskondensator betrachtet werden.

Beschreibung des Püfstandes

Der vorgeschlagene Prüfstand ist recht komplex und besteht aus mehreren Teilen, die in dem schematischen Block von Abb. 1 dargestellt sind. Der MUT und der DM sind mit Hilfe vertikaler Platten an mechanischen Halterungen montiert, und ihre Wellen sind über eine Drehmoment-Messwelle zusammengekoppelt, wie ebenfalls auf der linken Seite von Abb. 2 gezeigt. Die mechanische Struktur und die Kopplungselemente müssen selbstverständlich den während der Prüfungen erzeugten mechanischen Belastungen standhalten. Das gemessene Drehmomentsignal wird für die Zwecke der Messung aufgezeichnet, es wird aber auch, wie im nächsten Abschnitt beschrieben, an das Drehzahlregelungssystem des DM geliefert. Die wichtigsten Merkmale des verwendeten Drehmomentmessers (Vibrometer TM208) sind: Nennmoment 20 Nm, Überlastmoment 40 Nm, Genauigkeit 0,1 % und Bandbreite 1 kHz.

Als DM kann jede Maschine verwendet werden, die in der Lage ist, die für die Prüfungen benötigten Drehmoment- und Drehzahlwerte bereitzustellen. In dem vorgeschlagenen Prüfstand ist der DM ein Synchronreluktanz (SyncRel)-Motor mit 2,2 kW, 14 Nm bei 1500 U/min, der über einen pulsweitenmodulierten Wechselrichter mit Bremsfunktion gespeist wird. Die Drehzahl des DM wird mit Hilfe einer dSPACE DS1104 Steuereinheit geregelt. Der zu prüfende Motor wird über eine sinusförmige Stromquelle versorgt, damit die Spannung bei einigen Prüfungen reguliert werden kann.

Das Herzstück des Prüfstands ist das Datenerfassungssystem, das mit dem GEN3i Datenrekorder von HBM realisiert wurde, der in Abb. 2 (rechts) zu sehen ist. Der GEN3i Datenrekorder kann gleichzeitig 12 galvanisch getrennte Kanäle mit einer kontinuierlichen Datenerfassung von 2 MS/s aufzeichnen. Dank der beeindruckenden Dauerabtastrate und der hervorragenden Messgenauigkeit ist es möglich, Daten über lange Zeiträume vollkommen ohne Informationsverluste zu Kurzzeit- oder Transientenphänomenen aufzuzeichnen.

Die vom GEN3i Datenrekorder gemessenen Größen sind:

  • MUT-Phasenströme iUVW und MUT-Spannungen uUVW;
  • Drehmoment, Drehzahl und ein Synchronisationssignal sinα der Welle (die letzten beiden Signale werden vom dSpace-System bereitgestellt).

Um ein Beispiel für die Leistungsmerkmale zu geben, die dieses Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem bietet, werden in Abb. 3 einige erfasste elektrische und mechanische Größen bereitgestellt, die zur Bestimmung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Drehstrom-Asynchronmotors erforderlich sind.

Zusätzlich zu seiner Hochgeschwindigkeits-Erfassungsleistung stellt der Datenrekorder viele Vielzahl von Funktionen für Datenfilterung und mathematische Berechnungen bereit. In Anbetracht der Menge der zu verwaltenden Daten sind diese Leistungsmerkmale zwingend erforderlich, um die gewünschten gefilterten Größen direkt aus dem Erfassungssystem zu extrahieren [8]. Als Beispiel sind in Abb. 4 einige berechnete Größen während des Anlaufens eines Drehstrom-Asynchronmotors dargestellt. Um gute Ergebnisse zu erzielen, muss das Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem mit einer sehr guten dynamischen Leistung des DM-Systems kombiniert werden, das zum Belasten des MUT verwendet wird. Deshalb werden die Kenn- und Leistungsdaten des DM im nächsten Abschnitt ausführlich vorgestellt und erörtert.

Drehzahlregelung des Antriebsmotors

Wie bereits im vorhergehenden Abschnitt erwähnt, handelt es sich bei dem DM um einen drehzahlgeregelten SyncRel-Motor, dessen Regelungsverfahren in Abb. 5 dargestellt ist.

Der Drehzahl-Regelkreis bildet den äußeren Regelkreis einer Vektorregelung, die in dem synchronen läuferbezogenen (d,q)-Koordinatensystem implementiert ist. Die Referenzdrehzahl wird mittels eines speziellen Drehzahlprofils (das später noch erklärt wird) vorgegeben, während die Drehzahlrückführung mit Hilfe eines Drehgebers mit 512 Impulsen/U gemessen wird (Abb. 1).

Der Drehzahlregler ist ein Proportional-Integral (PI)-Regler, dessen Ausgang zu dem gemessenen Drehmoment addiert wird, um ein abschließendes Referenzmoment Tref in einem mit Vorsteuerung arbeitenden Verfahren zu erhalten. Das Referenzmoment dient als Eingabe in eine 2-D Lookup-Tabelle (LUT), deren Ausgaben der Referenzstrom der d-Achse und der Referenzstrom der q-Achse sind; sie werden von einer unterlagerten Stromregelung (Standardverfahren) verwendet, die im läuferbezogenen (d,q)-Koordinatensystem implementiert ist, wie in Abb. 5 dargestellt. Die LUT wird anhand eines Verfahrens zur Ermittlung eines magnetischen Modells des DM [9] berechnet und ergibt einen Betrieb des SyncRel-Motors mit maximalem Drehmoment pro Ampere (Maximum Torque per Ampere, MTPA).

Wie in Abb. 5 zu sehen, verwendet die Stromregelung die gemessenen DM-Phasenströme iabc und die gemessene Läuferlage ϑ. Die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters vdc wird ebenfalls gemessen, um die Schwankungen der Zwischenspannung in den berechneten Betriebszyklen Dabc des Wechselrichters zu berücksichtigen.

Um eine maximale dynamische Leistung des Drehzahl-Regelkreises zu erhalten, ist der durch das gemessene Drehmoment repräsentierte Vorsteuerungs-Term zwingend erforderlich. Darüber hinaus sollte die LUT so präzise wie möglich sein, um eine genaue Drehmomentregelung durch die (d,q)-Stromregelung zu erhalten.

Prüfen des Drehstrom-Asynchronmotors

Die Leistungsfähigkeit des Prüfstands wurde anhand der durchgeführten Prüfungen an einem kleinen Drehstrom-Asynchronmotor bewertet, dessen Nennparameter in Tabelle I aufgeführt sind. Nachfolgend werden die verschiedenen Prüfungen, die mit dem Drehstrom-Asynchronmotor durchgeführt wurden, ausführlich beschrieben.

A. Messung der quasistatischen Drehmomentkennlinien

Die Drehmomentkennlinien lassen sich leicht ermitteln, indem für die DM-Drehzahlregelung eine bestimmte Drehzahl-Referenzrampe vorgegeben wird, während der MUT mit der Bemessungsspannung versorgt wird. Für die Beschleunigung der Drehzahlrampe wird ein niedriger Wert gewünscht, um für den MUT eine quasistatische Betriebsbedingung vorzugehen, dadurch erhöht sich jedoch die Rampenzeit. Gleichzeitig sollte die Rampenzeit begrenzt werden, um einen starken Temperaturanstieg des MUT während der Prüfung zu vermeiden.

Leistung (W)1500
Spannung (V)400
Strom (A)3.8
Frequenz (Hz)50
Polzahl4
Drehzahl (rpm)1405
Drehmoment (Nm)10.2
Losbrechmoment (Nm)19.8
Spitzenmoment (Nm)26.4

Tabelle I. Nenndaten des geprüften Drehstrom-Asynchronmotors

Deshalb sollte die Länge der Drehzahlrampe so gewählt werden, dass sie einem vernünftigen Kompromiss zwischen der quasistatischen Bedingung und dem Anstieg der MUT-Temperatur während der Prüfung entspricht. Die Autoren haben daher ein Drehzahlprofil gewählt, das zwei verschiedene Abschnitte mit zwei verschiedenen Beschleunigungen enthält, wie in Abb. 6 gezeigt. Insbesondere wurde eine steilere Drehzahlrampe vom Null- bis zu einem Drehzahlwert verwendet, der dem Kippmoment entspricht, während zum Erreichen der Synchrondrehzahl eine flachere Rampe definiert wurde. Auf diese Weise erhält man eine bessere quasistatische Bedingung im stabilen Teil der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.

Es ist sehr wichtig, Drehzahloszillationen während der Prüfung zu vermeiden; dies ist, wie im vorhergehenden Abschnitt erklärt, nur mit einer hohen dynamischen Leistung der DM-Drehzahlregelung möglich.

Mit Bezug auf Abb. 6 sollte auch beachtet werden, dass der MUT zum Zeitpunkt t0 versorgt und während des Zeitintervalls Δt1 vom DM bei Nulldrehzahl blockiert wird. Dieses Zeitintervall ermöglich die Messung des „realen“ Losbrechmoments der Maschine, wenn die Transientenphänomene nach dem Einschalten der Versorgung ausgelöscht sind.
Die Drehmoment-Drehzahl- und die Drehmoment-Strom-Kennlinie für drei verschiedene Werte der Versorgungsspannung sind in Abb. 7 bzw. Abb. 8 dargestellt.

Die drei Anlaufprüfungen mit unterschiedlicher Versorgungsspannung wurden in rascher Folge durchgeführt, wobei sich die Maschine auf Umgebungstemperatur befand. An den in Abb. 7 und Abb. 8 dargestellten Kennlinien ist zu sehen, dass die quadratische Proportionalität zwischen dem Drehmoment und der Versorgungsspannung im Wesentlichen eingehalten wird.

B. Prüfung mit festgebremstem Läufer

Die Prüfung mit festgebremstem Läufer ist eine der Standardprüfungen, die zur Bestimmung der Ersatzstromkreis-Parameter des Asynchronmotors durchgeführt werden müssen. Mit dem vorgeschlagenen Prüfstand kann diese Prüfung durchgeführt werden, indem der Drehzahlregelung des DM eine Drehzahl gleich null vorgegeben wird. Da der zu prüfende Motor mit dem Drehmomentmesser verbunden ist, kann auch das Losbrechmoment bei reduzierter Spannung (die Spannung bei festgebremstem Läufer) gemessen werden.

C. Prüfung im lastfreien Zustand bei Synchrondrehzahl

Diese Prüfung ermöglicht die Bestimmung des Magnetisierungsstroms und der Eisenverluste mit hervorragender Genauigkeit, da die mechanischen und auch die Wicklungsverluste vom DM kompensiert werden. Zur Durchführung der Prüfung wird dem DM eine mechanische Drehzahl gleich der Synchrondrehzahl des MUT vorgegeben; in diesem Fall ist der Schlupf des MUT gleich null. Um für den MUT ein wirklich schlupffreies Verhalten zu erzielen, muss die DM-Versorgungsfrequenz gleich der Versorgungsfrequenz des zu prüfenden Motors sein. Diese Bedingung kann erreicht werden, indem die Ausgangsfrequenz des Antriebs über eine PLL-Schaltung mit der Netzfrequenz gekoppelt wird.

Jede andere Lösung, die keine Isofrequenzbedingung garantieren kann, darf nicht verwendet werden, denn wenn der Schlupf nicht absolut gleich null ist, führt dies zu Verlusten im Läufer, in deren Folge die Eisenverluste falsch bewertet werden.

D. Prüfung des Wirkungsgrads

Bei der Prüfung des Wirkungsgrads handelt es sich um eine Langzeitprüfung, mit der der Wirkungsgrad des Asynchronmotors bestimmt wird [4]. Während dieser Prüfung dient der DM als Bremse, um das Nenndrehmoment auf den MUT zu übertragen. Dank des auf dem Prüfstand genutzten regenerativen Antriebs kann die Leistung der Welle im Netz zurückgewonnen werden, sodass nur für die Gesamtverluste des Systems Vorsorge getroffen werden muss. Am Ende der thermischen Prüfungen kann der Antrieb so programmiert werden, dass er die Prüfung unter veränderlicher Last durchführt und dabei das Last/Drehmoment-Profil anwendet, das durch die Norm vorgegeben ist [10]-[12]. Die Prüfung unter veränderlicher Last wird für die Abschätzung der lastabhängigen Zusatzverluste benötigt.

Am Ende der Temperaturprüfungen unter Nennlast kann die Beschleunigungsprüfung kurz wiederholt werden, um die Auswirkungen der Temperatur auf die elektromechanischen Kennlinien im Vergleich zum kalten Zustand zu bewerten. Für den betrachteten Drehstrom-Asynchronmotor ist die temperaturabhängige Veränderung des Drehmoments in Abb. 9 für eine Ständerwicklungstemperatur von ca. 25 °C bzw. 105 °C angegeben (gemessen am Ende der Temperaturprüfung). Die durchgeführten Messungen belegen, dass der Motor sowohl im kalten als auch im heißen Zustand ein höheres Losbrechmoment bereitstellt als der vom Hersteller deklarierte Wert (angegeben in Tabelle I). Im heißen Zustand wird der Bemessungswert des Kippmoments durch die Messungen bestätigt.

Es wurde auch verifiziert, dass auf der Drehmoment-Drehzahl-Ebene der Betriebspunkt, der während der Temperaturprüfung unter Nennlast gemessen wurde (10,2 Nm bei 1402 U/min), mit angemessener Genauigkeit auf der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie liegt, die während der Anlaufprüfung im heißen Zustand gemessen wurde (10,2 Nm bei 1399 U/min); diese Ergebnisse bestätigen, dass es dank des vorgeschlagenen Prüfstands tatsächlich möglich ist, die quasistatischen elektromagnetischen Kennlinien von Asynchronmaschinen einzuschätzen.

E. Prüfung zur Bewertung der Läuferzeitkonstante

Die Zeitkonstante des Läufers ist ein entscheidender Parameter für die Schätzung des Läuferflusses in der Vektorregelung von Hochleistungs-Asynchronmotoren [13]. Diese Prüfung kann unter der gleichen Betriebsbedingung durchgeführt werden wie die Prüfung im lastfreien Zustand bei Synchrondrehzahl. Der DM ist drehzahlgeregelt und gibt für den MUT einen Schlupf von null vor. Während der zu prüfende Motor im synchronen Zustand läuft und mit seiner Bemessungsspannung versorgt wird, wird der Netzschalter ausgeschaltet.

Mit Hilfe des Datenerfassungssystems wird die Spannung an der Klemme des zu prüfenden Motors gespeichert. Wenn der Netzschalter in der eingeschalteten Stellung („ON“) steht, ist diese Spannung gleich der Versorgungsspannung, und wenn der Netzschalter in der ausgeschalteten Stellung („OFF“) steht, ist sie gleich der durch den Läuferfluss erzeugten elektromotorischen Kraft (EMK) des Ständers. Die EMK-Amplitude fällt als System erster Ordnung ab, das durch die Läuferzeitkonstante definiert ist. Die Hüllkurve der EMK-Wellenformen des Ständers ermöglicht eine Bewertung der Läuferzeitkonstante mit hervorragender Genauigkeit, da die Läuferzeitkonstante in einem elektromagnetischen Zustand bewertet wird, der dem Betriebszustand sehr nahe kommt. Die mit dieser Methode berechnete Zeitkonstante wird nämlich nicht von Skin-Effekten beeinflusst, was der Fall wäre, wenn sie unter Verwendung der aus der Prüfung mit festgebremstem Läufer stammenden Werten der Läuferparameter berechnet würde.

Für eine genaue Schätzung der Läuferzeitkonstante haben die Autoren den Abfall des Betrags des Ständerspannungsvektors verwendet, der als Quadratwurzel der vom Ständer induzierten Spannungskomponenten im stationären Koordinatensystem (alpha und beta) berechnet wird. Ein Beispiel der Daten, die nach der Durchführung der Prüfung zur Bewertung der Läuferzeitkonstante verfügbar sind, wird in Abb. 10 angegeben, wo der Abfall der EMK-Amplitude des Läufers deutlich zu sehen ist, wenn der Netzschalter ausgeschaltet wird. Für den geprüften Motor wurde eine Läuferzeitkonstante gleich 114 ms geschätzt.

F. Standardprüfung im lastfreien Zustand

Die klassische Prüfung im lastfreien Zustand ist eine der Standardprüfungen, die zur Bestimmung der Ersatzstromkreis-Parameter des Asynchronmotors durchgeführt werden müssen. Für diese Prüfung wird der vorgeschlagene Prüfstand nicht benötigt, da der Motor in der Lage sein muss, sich während der Prüfung ohne eine mit der Motorwelle verbundene mechanische Last frei zu drehen.

Prüfung des Einphasen-Induktionsmotors

Auf dem Prüfstand wurden auch die elektromechanischen Kennlinien von Einphasen-Induktionsmotoren gemessen. Bei den Maschinen handelte es sich insbesondere um einen Einphasen-Induktionsmotor mit Anlauf- und Betriebskondensator, dessen technische Daten in Tabelle II angegeben sind.

Für die Einphasenmotoren wurde eine Drehzahlrampe (0 bis 1500 U/min) mit einer Dauer von 10 Sekunden verwendet. Die für diese Drehzahlrampe gemessenen elektrischen und mechanischen Kennlinien sind in Abb. 11 dargestellt, Abb. 12 zeigt dagegen die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie und die Drehmoment-Strom-Kennlinie.

Beim Anlaufen des MUT ändert sich der Kapazitätswert des mit der Sekundärwicklung verbundenen Kondensators automatisch von 490 µF (beim Anlauf) auf 30 µF (normale Arbeitsbedingung).

Wie erwartet, führt die Kapazitätsänderung zu Änderungen in der Form der Drehmomentkennlinie, wie deutlich in Abb. 12 zu sehen ist; der Drehmomentübergang ist durch die Umschaltung vom Anlaufkondensator zum Betriebskondensator bedingt. Der Übergang erfolgt bei einer Drehzahl nahe am Kippmoment, das dem unteren Kapazitätswert entspricht.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass das Datenerfassungssystem in der Lage war, dieses plötzliche Phänomen ohne besondere Probleme zu erfassen und zufriedenstellende Ergebnisse über die Leistungsfähigkeit der einphasigen Maschine im gesamten Drehzahlbereich bereitzustellen.

Fazit

Die Abhandlung hat einen Prüfstand zur Bestimmung der quasistatischen elektromechanischen Kennlinien von Asynchronmotoren vorgestellt, die mit sinusförmigen Spannungen versorgt werden. Im Vergleich zu anderen in der Literatur vorgeschlagenen Lösungen bieten die Merkmale des vorgeschlagenen Prüfstands folgende Vorteile:

  • Die Datenerfassung wird bei Nulldrehzahl gestartet, und der MUT wird zu einer echten Bewertung des Losbrechmoments im Stillstand gehalten. Dies ist durch den Einsatz eines drehzahlgeregelten DM möglich, der über ein sehr gutes Drehzahlregelungsverhalten verfügt.
  • Der Einsatz des GEN3i Datenrekorders von HBM ermöglicht es, einen vollständigen Datenstrom ohne die sonst üblicherweise bei Leistungsmessgeräten auftretenden Synchronisationsprobleme zu erhalten. Zudem können mit dem verwendeten Daten-Logger Transientenphänomene erfasst werden, die mit herkömmlichen Leistungsmessgeräten nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Die Daten werden gespeichert und können anschließend mit speziellen Filter- und Berechnungsfunktionen aufbereitet werden, um sekundäre Größen (Wirkungsgrad, Leistungsfaktor, Leistung, Verluste usw.) zu ermitteln.

Die für die beiden geprüften Maschinen erhaltenen Ergebnisse sind sehr gut. Der Prüfstand ist in der Lage, eine vollständige elektromechanische Charakterisierung des MUT in weniger als zehn Sekunden durchzuführen. Aus diesem Grund bietet der vorgeschlagene Prüfstand eine gute Lösung für die Durchführung von „Online“-Validierungsprüfungen am Ende von Produktionslinien, insbesondere für kleine und mittelgroße Asynchronmotoren.

Dank

Die Autoren danken HBM Italia Srl und der HBM Deutschland GmbH für ihre Unterstützung bei der Realisierung des Datenerfassungssystems.

  • Eric Armando
    E-Mail: eric.armando@polito.it
  • Aldo Boglietti
    Fellow IEEE
    E-Mail: aldo.boglietti@polito.it
  • Radu Bojoi
    Senior Member IEEE
    E-Mail: radu.bojoi@polito.it
  • Andrea Cavagnino
    Senior Member IEEE
    E-Mail: andrea.cavagnino@polito.it
  • Alberto Tenconi
    Senior Member IEEE
    E-Mail: alberto.tenconi@polito.it

Politecnico di Torino
Dipartimento Energia
Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Italien

Literaturverzeichnis

[1] R. Buinac, V. Tomljenovic, “Determination of the torque-speed characteristic of induction motor in electric machinery education”, Conf. Rec IEEE MIPRO’13, 2013, pp. 765-769.
[2] I. Boldea, S. A. Nasar, “The induction Machine Handbook”, CRC Press, ISBN 0-8493-0004-5.
[3] A. Boglietti, A. Cavagnino, , L. Ferraris, M. Lazzari, “Induction Motor Equivalent Circuit Including the Stray Load Losses in the Machine Power Balance”, IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 23, No. 3, Sept. 2008, pp. 796-803.
[4] IEEE Standard, “Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators” (ANSI), IEEE Std. 112-2004.
[5] IEEE Standard, “Test Procedure for Single-Phase Induction Motors”, IEEE Std 114-201.0.
[6] R. Cipin, M. Patocka, J. Vondrus, “Acceleration method of the IM torque-speed characteristics measurement”, Conf. Rec. IEEE POWERENG’11 , 2011 , pp. 1-5.
[7] “Line Regen Motor Test Dynos”, Baldor technical literature, available on www.baldor.com/support/literature_load.asp= FL706.
[8] B. Szabados, J. H. Dableh, R. D. Findlay, G. M. Obermeyer, R. E. Draper, “Measurement of the torque-speed characteristics of induction motors using an improved new digital approach”, IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 5, Sep. 1990, pp. 565-571.
[9] E. Armando, I.R. Bojoi, P. Guglielmi, G. Pellegrino and M. Pastorelli, “Experimental Identification of the Magnetic Model of Synchronous Machines”, IEEE Tran. On Ind. Applicat., Vol. 49, Issue 5, 2013, 2116- 2125.
[10] A. Boglietti, A. Cavagnino, S. Vaschetto, “Induction motor EU standards for efficiency evaluation: The scenario after IEC 60034-2-1”, Conf. Rec. IEEE-IECON 2011, 2011, pp, 2786 – 2791.
[11] A. Boglietti, A. Cavagnino, M. Lazzari, M. Pastorelli, “Induction Motor Efficiency Measurements in Accordance to IEEE 112B, IEC 34-2, JEC 37 International Standards”, Conf. Rec. IEEE-IEMDC’03, 2003, ISBN 0-7803-7818-0, pp. 1599-1605.
[12] A. Boglietti, A.Cavagnino, M.Lazzari, M.Pastorelli, “International standards for the Induction Motor Efficiency Evaluation: A Critical Analysis of the Stray-Load Loss Determination”, IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol.40, No.5, September/October 2004, pp.1294-1301.
[13] D.W. Novotny and T.A. Lipo, “Vector Control and Dynamics of AC Drives”, Clarendon Press Oxford, 1996.

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