BEMF… ? ke-Wert… ?Was ist das?Wie messe ich das?

Der Synchronmotor im generatorischen Betrieb

Wenn sich ein permanent- oder fremderregter Synchronmotor im generatorischen Betrieb befindet, erzeugt er an den drei Motoranschlussleitungen eine für den Motor typische dreiphasige Spannung. Die Spannungshöhe der Maschine ergibt sich aus:

den magnetischen Eigenschaften
den Wicklungseigenschaften
der Drehzahl

Die Frequenz der Spannung ist von der Drehzahl und der Polzahl der Maschine bestimmt.

Drehzahlabhängige Spannungshöhe

Diese generierte Spannung wird oft zur Spezifikation und qualitativen Beurteilung der Maschine verwendet. Da die Spannungshöhe drehzahlabhängig ist, wird die Drehzahl als Bedingung für die Prüfung definiert. Die Prüfdrehzahl beträgt in der Regel 1000 min^-1. Logischerweise sollten die drei Phasenspannungen nur eine sehr geringe Abweichung untereinander aufweisen.

k_e-Wert – Spannungskonstante

Die gemessene Spannung wird häufig als k_e-Wert oder Spannungskonstante bezeichnet. Einige Hersteller geben diesen Wert auch auf dem Typenschild des Motors mit an. In den technischen Daten ist diese Angabe so gut wie immer zu finden.

Die Einheit des k_e-Werts ist V/rpm oder V/Krpm. Man findet aber auch Angaben wie mV · min oder V · s. Diese Eingaben haben alle eine Beziehung zueinander und lassen sich untereinander umrechnen.

Von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich, kann die Messung entweder zwischen den Phasen oder von einer Phase zum Sternpunkt erfolgen. Da Synchronmaschinen meistens keinen ausgeführten Sternpunkt haben, lässt sich zur Messung ein künstlicher externer, virtueller Sternpunkt verwenden.

Temperaturabhängigkeit des k_e-Werts

Achtung! Der k_e-Wert ist temperaturabhängig. Bei Bedarf erfolgt deshalb auch eine Temperaturkompensation des k_e-Wertes unter Berücksichtigung des magnetischen Rotormaterials.

Die drei Messprinzipien

Die Basis der Messung des k_e-Werts ist eine vom Hersteller definierte Motordrehzahl, z. B. von 1000 min^-1. Im einfachsten Fall ist zur Prüfung das Prüfobjekt von einer Antriebsmaschine mit der gewünschten Drehzahl anzutreiben.

❶ Im Detail kann die Lösung hierzu derartig aussehen, dass ein per Umrichter gesteuerter Antriebsmotor exakt auf eine Drehzahl von 1000 min^-1 eingestellt wird. Mittels entsprechender Messtechnik erfolgt die Messung der drei Spannungen am Prüfobjekt und somit die Bestimmung der k_e-Werte.
Der Nachteil dieser Lösung ist es, dass zur Prüfung eine mechanische Kopplung zwischen dem Antriebsmotor und dem Prüfobjekt herzustellen ist. Das kann in der Produktion zu zeitaufwendig und damit zu kostenintensiv sein.

Bei dieser Art Messung mit konstanter Drehzahl zeigt sich der typische Spannungsverlauf am Prüfobjekt:

❷ Deutlich eleganter ist die Lösung, bei der ein Umrichter den zu prüfenden Synchronmotor auf eine gewünschte Drehzahl bringt, ihn anschließend vom Umrichter trennt und danach während des Austrudelns den k_e-Wert bestimmt.
Beim Austrudeln verändern sich sowohl die Spannungshöhe als auch die Frequenz kontinuierlich. Eine stationäre Messung bei einer festen Drehzahl ist beim Austrudeln nicht möglich – mit Hilfe eines speziellen SCHLEICH-Verfahrens können diese beiden Effekte jedoch mathematisch kompensiert werden!
Das Prüfergebnis ist dabei wieder eine auf die gewünschte Drehzahl bezogene Spannung. Mit diesem Messverfahren erhält man nicht nur sehr genaue, sondern auch gut reproduzierbare Messergebnisse.

Da die mechanische Kopplung zwischen einer Antriebsmaschine und dem Prüfobjekt nicht nötig ist, hat diese Lösung einen immensen Vorteil. Sie hat keinen Nebenaufwand für den Bediener und ist zeitlich äußerst effizient.

Je nach verwendetem Umrichter könnte das Prüfobjekt sowohl sensorlos, also ohne Encoder, aber auch mit Encoder betrieben werden.

❸ Im Labor und/oder zur Reparatur sowie schnellen Fehlersuche kommt an kleineren Synchronmotoren noch eine weitere interessante Messvariante von SCHLEICH zum Einsatz. Hierzu wird um die Welle des Prüfobjekts ein Zugfaden gewickelt. Anschließend wird der Zugfaden in die gewünschte Rotationsrichtung gezogen, sodass sich der Rotor beginnt zu drehen. Dabei wird der Spannungsverlauf an allen 3 Phasen gemessen und mathematisch sehr genau der k_e-Wert bestimmt.

Der typische dreiphasige Spannungsverlauf bei dieser Vorgehensweise zeigt den Beschleunigungsvorgang und das anschließende Austrudeln des Prüfobjekts.

Zusammenfassung

HIGH PERFORMANCE
Effektivität und kurze Prüfzeiten stehen in der Produktion immer im Vordergrund und sind anzustreben. Einzelne Prüfschritte sollen natürlich so genau wie möglich, aber mit möglichst wenig Nebenaufwand gemessen und bewertet werden. Dadurch hat sich die zweite vorgestellte Lösung im industriellen Produktionsalltag sehr bewährt. Die Messergebnisse sind äußerst genau und lassen eine klare Qualifizierung und Beurteilung des k_e-Wertes zu.

EncoderAnalyzer
Messtechnisch kommt in unseren Motorprüfständen häufig der EncoderAnalyzer zum Einsatz. Er bietet – neben vielen anderen wertvollen Funktionen – eine hochpräzise sowie zeitsynchrone Messung der drei generierten EMF-Spannungen. Diese bietet eine hohe Abtastrate und eine hohe Auflösung – hier zählt nur Präzision. Anschließend erfolgt die automatische mathematische Analyse. Basis der Bewertung ist die von Ihnen im Prüfplan vorgegebene ±-Toleranz.

Aber nicht nur für die Messung der drei k_e-Werte ist der EncoderAnalyzer wie kein zweites Gerät geeignet. Mit ihm wird auch die Prüfung von Encodern oder Resolvern durchgeführt.
Das Motor-Feedback-System nimmt beim Betreiben eines Synchronmotors eine besondere Stellung ein. Hierbei ist die Messung sowie die Justage des Winkelfehlers zwischen Rotor und Encoder von herausragender Bedeutung.
Der EncoderAnalyzer bietet dazu Lösungen, sowohl für automatische als auch manuelle Prüfplätze.

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