Eine Einführung in die elektrische Leistungsprüfung

Sie kann sehr komplex sein und erfordert einen Echtzeit-Leistungsanalysator für hohe Kanalzahlen, dynamische Lastwechsel, Rohdatenerfassung und erweiterte Analysen. Prüfungen von Elektromotoren und Invertern finden sich in den Bereichen Automobil, Transport, Eisenbahn, Luft- und Raumfahrt, Industrie und Windenergie sowie in der Stromerzeugung. Typische Einsatzgebiete sind elektrische Schiffsmotoren, Elektrogabelstapler, Windkraftanlagen, Elektro- oder Hybridautos, Hochgeschwindigkeitszüge, Hochleistungspumpen, Elektroantriebe in Flugzeugen, industrielle VF-Inverter, Industriemotoren mit mehrphasigem Wechselstrom und vieles mehr.

Die Bedeutung von Tests

Hauptzweck der elektrischen Leistungsprüfung ist die Verbesserung des Wirkungsgrads des elektrischen Antriebsstrangs. Es gibt bestimmte Möglichkeiten, den Inverter, den Motor, die Abstimmung von Inverter und Motor zu verbessern und die Antriebsstrategie zu optimieren. Je besser Inverter und Motor aufeinander abgestimmt sind, desto höher der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs. Dies erfordert eine sorgfältige Charakterisierung von Motor und Inverter. Um dies zu erreichen, werden Rohdaten kontinuierlich gespeichert, damit zusätzlich zur Echtzeitanalyse im Nachgang beliebige weitere Untersuchungen durchgeführt werden können.

Das Testen elektrischer Antriebsstränge erfordert ein Highend-Datenerfassungssystem

Egal welcher Antriebsstrang zu testen ist, die zu messenden Spannungen, Ströme, Drehmoment, Drehzahl und Temperaturen sind ziemlich ähnlich. Die Aufgabe ist: Am Eingang des Inverters müssen Spannung und Strom der Batterie gemessen werden. Typischerweise existieren am Inverterausgang 3 oder mehr Phasen (zum Beispiel 6 Phasen in der Luft- und Raumfahrt) und pulsbreitenmodulierte Spannungen von bis zu +/-1000 Volt sowie Ströme bis zu einigen hundert Ampere, die gemessen werden müssen. Individuelle Messungen jeder dieser Spannungen und Ströme ermöglichen die Berechnung der elektrischen Leistung von Batterie und Inverter. Mit einem Drehmomentaufnehmer können die Motorausgangssignale Drehmoment, Drehzahl und Position gemessen werden, was die Berechnung der mechanischen Leistung des Motors erlaubt. Es wird das Verhältnis berechnet, in dem sie jeweils zueinander stehen. Dadurch ergibt sich der Wirkungsgrad des Frequenzumrichters und des Elektromotors und damit den Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Antriebsstrangs.

Häufig sieht ein installierter Testaufbau noch wie folgt aus: DMMs (Digitalmultimeter) werden zur Messung der Batteriespannung verwendet, ein Leistungsanalysator misst dreiphasige Spannung und Ströme, möglicherweise wird ein Oszilloskop verwendet, wenn die Signale so gesehen werden sollen, wie sie auftreten, und ein kleines DAQ (Datenerfassungssystem) dient zur Messung von Drehmoment, Drehzahl und Drehwinkel des Elektromotors.

Mit diesem Aufbau mit verschiedenen Messgeräten ist es jedoch fast unmöglich, zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Dafür gibt es mehrere Ursachen:

  1. Herkömmliche Leistungsanalysatoren liefern nur wenige Berechnungen und sind in Situationen mit dynamischen Lastwechseln nicht zuverlässig.
  2. Begrenzte Kanalanzahl für Leistung und Drehmoment/Drehzahl.
  3. Schwierige zeitliche Synchronisation zwischen unterschiedlichen Systemen
  4. Datensicherung in unterschiedlichen Systemen und Formaten unterliegt Einschränkungen.
  5. Keine Rohdaten zur Verifizierung oder Analyse verfügbar.

Daher ist die Nachfrage nach einer Lösung bestehend aus einem einzigen Highend-System größer denn je, da elektrische Antriebsstränge immer wichtiger werden.

Marktanforderung: Ein System für alle Aufgaben

Zur Vereinfachung der Prüfung von Elektromotoren benötigt der Markt ein System für alle Aufgaben, mit flexibler Systemkonfiguration für Rohdatenspeicherung und kontinuierliche Auswertung. Bei Bedarf können die Daten später für eine detaillierte Analyse verwendet werden.

Ein einziges System erfasst und visualisiert Batteriespannung und Batteriestrom (Invertereingang), dreiphasige (oder sechsphasige) pulsbreitenmodulierte Spannungen und Ströme (Inverterausgang) sowie Drehmoment, Drehzahl und Drehwinkel des Elektromotors.

Die Vorteile eines solchen Systems sind:

  • Skalierbarkeit von niedrigen bis hohen Kanalzahlen
  • Ein System für Strom, Mechanik, Steuerung und NVH
  • Schnelle Erfassung und Abtastung aller Signale ohne Phasenverschiebung
  • Echtzeit-Ergebnisse und Rohdatenspeicherung in einer Datei und einem Format
  • Gleichzeitige Erfassung und Aufzeichnung aller Signale
  • Einfache Systemintegration durch Software-Schnittstellen und offenes Datenformat
  • Echtzeit-Datentransfer zum Automatisierungssystem
  • Durchführung von Echtzeit-Leistungsberechnungen pro Halbwelle (sogar basierend auf Ihren eigenen Formeln für „spezielle“ Setups)
  • Live-Anzeige aller aufgezeichneten und berechneten Signale, sicher und bequem im Kontrollraum
  • Kontinuierliche Aufzeichnung oder Snapshots pro Arbeitspunkt für Mapping, Verifikation und Analyse
  • Erweiterte Analysefunktionen wie Raumzeiger, dq0-Transformation oder Luftspaltmoment

Das Ergebnis dieses Aufbaus: Rohdaten werden gespeichert und der Nutzer kann die Daten sorgfältig analysieren und Änderungen und Anpassungen vornehmen, unabhängig davon, was während des Testens passiert.

Durch Aufstellung des Datenerfassungssystems im Prüfraum und Anschluss über Glasfaser-Ethernet an einen Steuerungs-PC außerhalb kann zudem bei Bedarf maximale Sicherheit erreicht werden.

Weitere Vorteile der Speicherung von Rohdaten

Die Speicherung von Rohdaten hat weitere Vorteile. Die Daten können für eine zusätzliche, komplexe Analyse des elektrischen Antriebsstrangs verwendet werden. Alle Ergebnisse können gespeichert (CSV-Datei) oder an ein Automatisierungssystem gestreamt werden.

Einige Beispiele für die Inverteranalyse:

  • THD
  • Schaltfrequenz
  • Modulationsverfahren
  • Invertersteuerungsverhalten

Einige Beispiele für die Motoranalyse:

  • Ersatzschaltbild
  • Eisen- und Kupferverluste
  • Anlaufströme
  • Luftspaltmoment
  • Pendelmoment/Rastmoment
  • Sättigungseffekte

Einige Beispiele für die Antriebsanalyse:

  • WLPT-Tests

Zusammenfassung

Aufgrund der hohen Komplexität der elektrischen Leistungsprüfung trägt die Verwendung eines einzigen Systems zur Vereinfachung der Tests bei und ermöglicht eine detaillierte Auswertung von Daten. Ein Highend-Leistungsanalysator (wie der eDrive-Leistungsanalysator) kann alle Signale erfassen wie beispielsweise Spannung, Strom, Drehmoment, Drehzahl, Temperaturen, CAN, Schwingung, Schall, etc. Und alle Signale gleichzeitig mit hoher Abtastrate und hoher Auflösung abfragen.

Die Speicherung von Rohdaten für Mapping, Verifikation und Analyse erfolgt kontinuierlich oder als Snapshots pro Arbeitspunkt. Ein Test-Setup in einem einfachen Menü mit vorkonfigurierten Applikationen ist möglich. Leistungsergebnisse, Kurvenformen, FFTs und Mappings werden in Echtzeit berechnet. Der eDrive-Creator und benutzerdefinierte Formeln ermöglichen die Anpassung an komplexe Anwendungen. Eine Formeldatenbank erlaubt eine detaillierte Motor- und Inverteranalyse. Übertragung und Kontrolle der Ergebnisse können über Soft-/Hardware-Schnittstellen an das Automatisierungssystem erfolgen.