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Zeitlich aufgelöste Bestimmung des Drehzahl- und Drehmomentverlaufes

01.11.2011

Explosionsgeschütze elektrische Antriebe werden hinsichtlich des Erwärmungsverhaltens untersucht, damit keine kritischen Temperaturen erreicht werden, die oberhalb der festgelegten Temperaturklasse für den Explosionsschutz liegen. Um moderne Antriebssysteme hinsichtlich der Verluste untersuchen zu können, sind die mechanischen Größen Drehzahl und Drehmoment zur Festlegung der Ausgangsleistung relevant. Der zeitlich aufgelöste Verlauf gibt Aufschlüsse über die Charakteristik der Antriebe.
Die Spezifizierung der Antriebe im Explosionsschutz erfolgt über die einspeisende Spannung. Dabei wird sich in der Regel auf sinusförmige Größen bezogen, der Einfluss von Harmonischen wird nicht berücksichtigt. Daraus resultiert für die elektrische Maschine eine mechanische Leistung, die über die Drehzahl und Drehmoment bislang als konstante Größen bestimmt wurde.
Moderne Antriebssysteme werden über Umrichter eingespeist und die Asynchronmaschine kann durch permanenterregte Synchronmaschinen ersetzt werden, die einen höheren Wirkungsgrad haben. Desweiteren muss zukünftig durch die Umstellung der Energieversorgung durch dezentrale Einspeisung mit einer Zunahme der Harmonischen gerechnet werden.

Versuchsaufbau:
Zur Bestimmung der zeitaufge-lösten Größen Drehzahl und Drehmoment wurden verschiedene Aufbauten gewählt. In Abbildung 1 ist ein Motor-prüfstand dargestellt.
Dabei wird

Abb.1: Versuchsaufbau zur Bestimmung des Drehzahl- u. Drehmomentverlaufes

der Motor durch eine sinusförmige Spannung gespeist. Der Drehzahl- und Drehmomentverlauf wird in diesem Beispiel über eine Drehmomentwelle direkt in ein Oszilloskop eingelesen und über eine speziell dafür entwickelte Software ausgewertet. Die mechanische Leistung wird über den Generator zurück ins Netz gespeist und kann variiert werden.

Zeitaufgelöster Drehzahlverlauf

Die Drehzahl kann über Tachogeneratoren oder inkrementelle Drehgeber (Lochscheiben) bestimmt werden. Für den dargestellten Drehzahlverlauf wurde ein Drehgeber mit einer Lochzahl von 1200 gewählt, die pro Umdrehung als steigende oder fallende Flanken ausgewertet werden können. Beispielhaft ist der Drehzahlverlauf bei einer Mittelung über 50 Pulse in Abbildung 2 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass während der ca. 4 Umdrehungen die Drehzahl um ungefähr ± 3U/min schwankt.

Abb.2: Beispielhafter Drehzahlverlauf

Zeitaufgelöster Drehmomentverlauf

Das Drehmoment kann über eine Drehmomentwelle oder –flansch bestimmt werden. Die Messgeräte erzeugen üblicherweise eine von dem Drehmoment abhängige Frequenz in Form eines Rechtecksignals. Der zeitliche Frequenzverlauf kann direkt ausgelesen und das Drehmoment daraus berechnet werden. In Abbildung 3 ist ein Drehmomentverlauf einer Beispielmaschine mit einer Grundbelastung von ca. 30 Nm dargestellt. Deutlich erkennbar ist, dass während der ca. 2,5 Umdrehungen das Drehmoment um ca. ± 5 Nm schwankt und dass verschiedene Harmonische trotz der sinusförmigen Einspeisung entstehen.

Abb. 3: Beispielhafter Drehmomentverlauf

Ausblick

Die Änderung der Antriebskonzepte und die Auswirkungen der Harmonischen in der Netzeinspeisung haben einen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten der elektrischen Maschinen. Die ersten Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass trotz Einspeisung mit sinusförmiger Spannung erhebliche dynamische Größen der Drehzahl und des Drehmomentes gemessen werden können.
Um auch zukünftig explosionsgeschützte Antriebe zu bescheinigen, sind Grundsatzuntersuchungen hinsichtlich der zusätzlichen Verluste durch nicht sinusförmige Spannungen notwendig.

Kontakt

Dr.-Ing. Frank Lienesch, FB 3.7, frank.lienesch(at)ptb.de