Efficiëntiemetingen aan elektromotoren

Steeds vaker worden elektromotoren aangestuurd met frequentieregelaars. Dit om een hogere efficiëntie te bereiken in de aansturing. Maar hoe efficiënt is deze motoraansturing nu eigenlijk?
Voor nauwkeurige metingen van de gehele aandrijving dienen we gehele aandrijfketen te meten.
We gaan in dit voorbeeld uit van een drie fase AC voeding welke wordt gelijkgericht tot een DC voeding voor de frequentieregelaar. Vervolgens meten we de elektrische uitgang van de frequentieregelaar en de mechanische energie van de elektromotor om zo een totaal overzicht te krijgen van de verschillende verliezen c.q. de efficiëntie van het gehele systeem.

Bij EV-tractiesystemen vervalt de AC input en de rectifier en hebben we als input van de drie fase inverter de batterij van de auto.

Synchronisatie

Bij deze metingen is de synchronisatie van de metingen van vitaal belang, zodat het momentane rendement correct wordt berekend. Het is gebruikelijk dat een vermogensanalyzer de nominale updatefrequentie gebruikt die door de gebruiker is ingesteld (bijvoorbeeld 500 ms) als de grootte van het interne data-acquisitievenster, ongeacht de frequentie van de motor die wordt geëvalueerd. Voor een optimale meting moet het meetvenster echter worden gesynchroniseerd met de fundamentele tijdsperiode of “motorfrequentie” (ten opzichte van de tijd). Als het meetvenster correct is gedimensioneerd op een enkele of zelfs meerdere fundamentele tijdsperiodes, zullen de RMS-berekeningen van spanning, stroom en vermogen correct worden berekend. Als het acquisitievenster geen exact geheel getal van cycli bevat, zal dit een significante meetfout veroorzaken wanneer de updatefrequenties de tijdsperiode van de motorfrequentie naderen, figuur 1 illustreert het probleem. 

Harmonische

Naast de synchronisatie moet goed worden gekeken naar de specificaties van de vermogensanalyzer gezien de hogere harmonische die ontstaan door het gebruik van de frequentieregelaar.
Dit behoeft wat toelichting. Het toerental van de motor wordt geregeld met de frequentieregelaar. Dit gebeurd met behulp van IGBT’s en puls breedte modulatie. Door het blokgolf karakter van de pulse breedte modulatie (aan en uit schakelen van de maximale spanning met een bepaalde breedte) ontstaan hogere harmonische in het aanstuur signaal naar de motor.

Zoals we weten zullen de ‘in fase’ componenten van spanning en stroom resulteren in echt vermogen. Daarom kan het werkelijke vermogen van een PWM-systeem alleen worden vastgesteld met meetapparatuur die de vermogenssignalen nauwkeurig meet over een frequentiebereik dat alle frequentiecomponenten omvat.

We moeten ons dus afvragen of de bandbreedte en sample snelheid van de vermogensmeter voldoet om ook de bijdrage van de hogere harmonische mee te nemen in het totale vermogen en de systeemefficiëntie.

Nauwkeurigheid

Bij efficiëntieverbeteringen op het totale systeem praten we vaak in honderdste van procenten verbeteringen. Dit omdat de efficiëntie binnen de elektronica sowieso al behoorlijk hoog is. De efficiëntie van rectifiers ligt rond de 98 a 99%. Bij inverters zien we inmiddels efficiëntie van 94% á 95%. Wil je dit verbeteren dan is de nauwkeurigheid van de vermogensmeter van cruciaal belang.

Dit werken we uit met een voorbeeld.
Heb je een vermogensmeter met een basis nauwkeurigheid van 0,1% voor spanning en 0.1% voor stroom dan is de effectieve meetonzekerheid voor de vermogens meting 0.14%. Voor de tweede vermogens meting hebben we eenzelfde meetonzekerheid waarbij we effectief dus uitkomen op 0.2% voor de efficiëntie meting. Bij een nauwkeurigheid van 0.03% voor spanning en stroom komen we op 0.06%. Bij kritische efficiëntie bepalingen zouden we hier liever nog een kleiner percentage zien.

Dan even terug naar ons voorbeeld.

In deze opstelling maken we gebruik van een Newtons4th 6 kanaals power analyser  met een specifieke ingang voor een torque en speed sensor. Voor het ingangsvermogen gaan we uit van een drie fase twee wattmeter techniek voor de berekening van het totale vermogen van de AC input(PH1 + PH2). Daarnaast meten we het DC vermogen (met PH3), het uitgangsvermogen van de frequentie regelaar (PH4+PH5+PH6) en het mechanisch vermogen door middel van torque en speed sensoren. We hebben op deze wijze genoeg aan een 6 kanaals power analyser voor de complete testopstelling.

De phase 7 meting zoals hierboven genoemd is het berekende vermogen van de drie fase van de input.
Het totale vermogen van de AC input is dus 1590,91W (532,77 + 521,64 + 536,50). Het DC vermogen bedraagt 1569,0W en daarmee is de efficiëntie van de rectifier 98,62%. Het elektrische uitgangsvermogen van de frequentie regelaar is 1437,8W wat neer komt op een efficiëntie van 91,64% voor de frequentie regelaar en berekend 90,37% voor het totale elektrische vermogen (90,43% gemeten). Het mechanische vermogen wordt helaas in dit voorbeeld niet getoond. U ziet dat er bij de selectie van de juiste vermogensmeter voor uw applicatie nogal wat komt kijken voor wat betreft de verschillende specificaties. Laat u goed informeren door één van onze consultants zodat u de juiste keuze kunt maken voor wat betreft het aantal kanalen, de bandbreedte en de nauwkeurigheid van zowel de vermogensmeter als de benodigde accessoires voor uw applicatie.


Advies nodig? Neem contact met ons op