Prüfstand zur Bestimmung der quasistatischen elektromechanischen Kennlinien von Asynchronmotoren

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 i_UVW und MUT-Spannungen u_UVW;
• 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.

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.

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.

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.