Mehr Produktivität, Leistung und Datenanalyse bei Motor- und Antriebstests

Die Verbesserung des Motorwirkungsgrads hat in letzter Zeit große Bedeutung erlangt, um elektrische Maschinen und Antriebe effizienter zu machen. Kernpunkt hierbei ist ein beschleunigtes Verfahren, mit dem der Wirkungsgrad des Motors oder Antriebs für alle Arbeitspunkte sicher, genau und schnell bestimmt werden kann. Herkömmliche Prüfverfahren mit einem typischen Leistungsmessgerät bieten nur unzureichende numerische Ergebnisse. Um mehr als numerische Ergebnisse zu erhalten, müssen alle elektrischen, mechanischen und physikalischen Signale zeitgleich mit hohen Messraten erfasst werden, verbunden mit einer maßgeschneiderten erweiterten Echtzeitanalyse und schneller Ergebnisübertragung an das Automatisierungssystem, um so ein genaues und schnelles Erstellen von Wirkungsgradkennfeldern für elektrische Maschinen und Antriebe sowie nahezu jede Art von erweiterter Analyse zu ermöglichen.

Typisches versus neues Prüfverfahren

Der elektrische Antriebsstrang und zugehörige Signale

Elektrische Antriebe werden in vielen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören Elektrofahrzeuge, Schiffsmotoren, Hochgeschwindigkeitszüge, Radnabenmotoren und Aktuatoren in Flugzeugen, Gabelstapler, Elektrogeräte und Windenergieanlagen – im Grunde genommen jede elektrische Maschine, die über einen Inverter angetrieben ist oder einen Antrieb mit Drehzahlregelung hat. Der entscheidende Punkt beim Testen ist die genaue und schnelle Prüfung im Hinblick auf den höchsten Wirkungsgrad an allen Arbeitspunkten des gesamten Antriebsstrangs. Dies beinhaltet die Optimierung des Inverters, des Motors oder der elektrischen Maschine, und der optimalen Abstimmung von Inverter und Motor, sowie der Antriebsstrategie (siehe Abb. 1).

Je besser Inverter und Motor aufeinander abgestimmt sind, desto höher der Wirkungsgrad. Um die Abstimmung von Inverter und Motor zu verbessern, muss der Motor mit dem Inverter sorgfältig charakterisiert werden; bisweilen können Verbesserungen des Inverteralgorithmus erforderlich sein, um den Motor effizienter anzutreiben. Dies erfordert eine Analyse der Rohdaten an allen Arbeitspunkten des des Antriebsstrangs.

In elektrischen Antriebssträngen gibt es viele Signale, die aufgezeichnet werden müssen, um den Wirkungsgrad analysieren und verbessern zu können. Wie in Abb. 2 gezeigt, gehören zu diesen Signalen Batteriespannungen von bis zu 1000 Volt und Ströme von bis zu einigen Hundert Ampère. Die Inverter erzeugen pulsweitenmodulierte Spannungen von bis zu +/- 1000 Volt, häufig mit drei, manchmal mit mehr Phasen, und Ströme von bis zu einigen Hundert Ampère. Für erweiterte Analysen kann ein Drehmomentaufnehmer das Drehmoment und die Drehzahl sowie die Position eines Motors aufzeichnen. Die Messung all dieser Spannungen und Ströme ermöglichen die Berechnung der elektrischen Leistung der Batterien und des Inverters sowie der mechanischen Leistung des Motors. Daraus erhält man den Wirkungsgrad des Frequenzumrichters, des Motors und des gesamten elektrischen Antriebs.

Typisches Prüfverfahren

Üblicherweise werden Signale entlang des Antriebsstrangs mit dem in Abb. 3 dargestellten Aufbau gemessen.

Batteriespannung und -strom werden über einfache Messgeräte, im Extremfall ein Digitalmultimeter gemessen, während für die Inverterleistung häufig ein herkömmliches Leistungsmessgerät genutzt wird; zur Anzeige der Signale wird manchmal zusätzlich ein Oszilloskop verwendet. Ein Drehmomentaufnehmer / Drehzahlsensor und ein Datenerfassungssystem werden zum Messen der Maschinenleistung eingesetzt. Leider bringt dieser herkömmliche Aufbau einige Probleme mit sich:

  1. Es gibt keine zeitliche Synchronisation zwischen allen Aufzeichnungssystemen; daher ist es schwierig oder nahezu unmöglich, mechanische (Drehmoment/Drehzahl) und elektrische (Spannung/Strom) Signale zu einem bestimmten Zeitpunkt miteinander zu vergleichen.
  2. Es stehen keine Rohdaten zur Verfügung; daher können keine erweiterten Analysen durchgeführt werden.
  3. Typische Leistungsmessgeräte bieten nur wenige Berechnungen pro Sekunde, d.h. zu wenige Werte, um Automatisierungs-/Steuerungssystemen eine Rückmeldung zu geben.
  4. Leistungsmessgeräte sind bei dynamischen Lastwechseln nicht zuverlässig.
  5. Eine Verifizierung der Ergebnisse ist nicht möglich, da keine Rohdaten verfügbar sind; das erfordert nachträgliche Tests, wenn etwas unklar ist.

Daher müssen verschiedene Annahmen zu Problemen und Fehlern gemacht, auf diesen Annahmen basierende Veränderungen vorgenommen und erneut Tests durchgeführt werden, was zeitaufwändig und ziemlich kostspielig ist.

Neues Prüfverfahren

Abb. 4 zeigt die eDrive-Testing-Lösung von HBM, ein neues Werkzeug, das durch Einsatz eines Leistungsmessgeräts, das Datenerfassung mit hoher Geschwindigkeit bietet, die Einschränkungen typischer Prüfverfahren überwindet.

Die Vorteile sind:

  1. Synchrone Aufzeichnung aller Signale im Antriebsstrang, sodass mechanische und elektrische Leistungswerte genau verglichen werden können; plus Prüfung von 3-, 6- oder 12-Phasen-Maschinen und Erfassung weiterer Signale wie CAN, Temperatur, Schwingungen und Dehnung
  2. Erweiterte Echtzeitauswertung wie Motor-Mapping liefert sofort Ergebnisse, nicht erst nach Stunden oder Tagen
  3. Übertragung von in Echtzeit berechneten Ergebnissen an Automatisierungssysteme über EtherCAT mit 1000 Ergebnissen pro Sekunde
  4. Echtzeit-Leistungsberechnungen pro Halbwelle, sogar bei dynamischen Lastwechseln, bei Anfahr- oder Abwurfversuchen
  5. Die Verifizierung von Ergebnissen ist jederzeit möglich, da Rohdaten verfügbar sind; daher sind keine nachträglichen Tests erforderlich, wenn etwas unklar ist.

Arten des Signalanschlusses

Um Antriebsstränge mit höchstem Wirkungsgrad zu vermessen, ist höchste Messgenauigkeit erforderlich. Lassen Sie uns das vorteilhafteste und genaueste Verfahren für jede Signalart bestimmen.

Strommessungen

Bei der Strommessung treten häufig die meisten Fehler auf. Daher ist es äußerst wichtig, in ein genaues Verfahren für die Strommessung zu investieren, um bessere Wirkungsgradberechnungen zu erhalten. Stromzangen bieten nur eine geringe Genauigkeit, häufig nur +/-1%. Stromwandler sind genauer, oftmals +/- 0,2% oder sogar noch besser.

Spannungsmessungen

Zum Messen hoher Spannungen gibt es verschiedene Verfahren; dabei sollte jedoch der wichtigste Faktor die Sicherheit sein, gefolgt von der Genauigkeit. Auch wenn ein Trennverstärker oft mehr kostet, stellt er die sicherste Art und Weise dar hohe Spannungen zu messen, sowohl für den Anwender als auch für die Geräte und ist zudem genauer, typischerweise +/-0,02%.

Andere Methoden bieten nur eine geringe Genauigkeit und beeinträchtigen manchmal die Sicherheit; dazu gehören Spannungswandler mit ca. +/-1% Genauigkeit oder aktive Differenzialtastköpfe mit ca. +/-2% Genauigkeit.

Drehmoment-, Drehzahl- und Drehwinkelmessungen

Zum Messen von Drehmoment, Drehzahl und Drehwinkel sollte ein hochgenauer Drehmomentaufnehmer mit großem Dynamikbereich eingesetzt werden, mit einer Genauigkeit von mindestens 0,05% bis 0,01%. Alle Signale des Drehmomentaufnehmers sollten digital angeschlossen werden, um durch die raue Umgebung im Prüfraum verursachtes Rauschen zu beseitigen.

Der Drehzahlaufnehmer sollte möglichst hochauflösend sein, um bei späteren Berechnungen der Motorposition immer noch genügend Genauigkeit zu bieten.

Ergebnisse der Leistungsermittlung und schnelle erweiterte Analyse

Zykluserkennung

Um bei der Berechnung der Leistung korrekte Ergebnisse zu erhalten, muss das Leistungsmessgerät die „Zyklen“ des eingehenden Signals bestimmen. Mithilfe erweiterter Algorithmen können diese Zyklen erkannt und angezeigt werden (siehe Abb. 8). Typische Leistungsmesser nutzen eine PLL (Phasenregelschleife), die mit dynamischen Lastwechseln jedoch Probleme hat. Die digitale Zykluserkennung ermöglicht Messungen während der Inbetriebnahme, des Herunterfahrens oder bei Lastwechseln.

Abb. 9 zeigt Kurvenformen mit mehreren dynamischen Lastwechseln, die als deutliche Anstiege erscheinen. Dort kam es zu einer Bremsung oder Lasteinleitung im Antriebsstrang. Die Anzeige dieser Kurvenformen zusammen mit den Rohdaten ermöglicht weitere Auswertungen.

Erweiterte Analysen

Dank der Verfügbarkeit aller Rohdaten kann der Anwender jede Art von erweiterter, kundenspezifischer Formel auf diese anwenden, die für Berechnung, Anzeige und Datenübertragung an ein Automatisierungssystem in Echtzeit verwendet werden kann. Das System ist zudem leicht an eine Vielzahl von Anwendungen anpassbar, die ein herkömmlicher Leistungsmesser nicht bewältigen kann wie beispielsweise mehrphasige Motoren, Hybridantriebe und mehrstufige Inverter.

Schnelleres Erstellen von Wirkungsgradkennfeldern für elektrische Maschinen

Das Erstellen von Wirkungsgradkennfeldern für elektrische Maschinen kann deutlich schneller als mit einem herkömmlichen Leistungsmesser erfolgen, in ca. 500 Sekunden mit 1000 Schaltpunkten, anstelle von mehrern Stunden bei herkömmlicher Messung mit einem Leistungsmessgerät – eine deutliche Zeit- und Kosteneinsparung, wie Abb. 10 belegt. Wird so kurz getestet, spielt der Faktor Motortemperatur auch eine deutlich geringere Rolle.

Damit er stabile Ergebnisse liefert, braucht ein typischer Leistungsmesser einige Zeit, um sich auf die sich ändernde Grundfrequenz einzuschwingen; daher kann nur ein Schaltpunkt ungefähr alle 5-10 Sekunden vermessen werden. Die digitale Zykluserkennung ermöglicht die Berechnung pro Halbwelle, ohne jede Wartezeit.

Erweitertes Motor-Mapping kann bei Vorliegen des Maschinenwinkels und mit erweiterten Formeln erfolgen, um die Maschinencharakteristik besser zu verstehen. Dazu gehören Kupfer- oder Eisenverlustkennfelder in Abhängigkeit von Drehmoment und Drehzahl sowie eine Trajektorie, auch MTPA (max torque per amp - maximales Drehmoment pro Ampère) genannt, in dem die optimalen Betriebsbedingungen der Maschine abhängig von den Strömen i_d und i_q aufgezeichnet werden.

Raumzeiger-Transformation

Auch die Raumzeiger-Transformation kann in Echtzeit erfolgen. Raumzeiger, die die drei Größen a, b, c eines Dreiphasensystems darstellen, können in zwei lineare, unabhängige Größen α und β umgewandelt werden, die das erzeugte Drehmoment und den magnetischen Fluss darstellen. Die Anzeige der beiden Kurvenformen i_α und i_β als XY-Grafik ist ein gutes Mittel, um ganz einfach Ungleichgewichte im System und das Steuerverhalten aufzuzeigen.

dq0-Transformation (Park-Transformation)

Die dq0-Transformation oder Park-Transformation ermöglicht ein einfaches Verifizieren von Steueralgorithmen, benötigt jedoch oft viele Stunden oder manchmal Tage für die Berechnung in nachgeschalteten Offline-Analysepaketen wie MATLAB.

Mit dem neuen Prüfverfahren hingegen können Ergebnisse in Echtzeit berechnet und angezeigt werden, was deutliche Zeit- und Kosteneinsparungen bedeutet. Die Kurvenformen i_d und i_q repräsentieren die Stromkomponenten für Drehmoment und magnetischen Fluss. Die Komponente 0 (null) ist ein Maß für die Symmetrie und Abstimmung des Systems. Ist der Motor perfekt abgestimmt, ist der Wert der Komponente 0 (null) gleich null. Dadurch können Steueralgorithmen leichter verifiziert werden, da Inverter basierend auf den Ergebnissen für i_d und i_q Entscheidungen treffen und die Inverterelektronik diese in Spannungen und Ströme umwandelt, die an den mit dem Prüfwerkzeug gemessenen Motor gesendet werden.

Das hilft den mit Inverteralgorithmen befassten Ingenieuren zu verstehen, was sie an den Motor gesendet haben und wie der Motor dann tatsächlich reagiert hat. Sie können die Algorithmen nun verbessern, um genauere Ergebnisse zu erhalten und dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Fazit

Das oben beschriebene neue Verfahren zur Prüfung des Wirkungsgrads ist ein effektives Werkzeug, das zum einen deutliche Zeit- und Kosteneinsparungen ermöglicht und zum anderen die Analyse von Elektromotoren, Invertern und Antriebssträngen signifikant beschleunigt, und zwar durch verschiedenste Arten der schnellen Analyse – in Sekunden, anstelle von Stunden oder Tagen. Dadurch wird der Weg geebnet für Elektromotoren, Inverter und Antriebsstränge mit noch höherem Wirkungsgrad, also für mehr Produktivität und Leistungsfähigkeit.

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