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Eine Branche im Aufbruch


Bei der rasanten Entwicklung der Elektromobilität können nur wenige Messtechnik-Hersteller mithalten.


Effizienz von E-Motoren

Vor ziemlich genau 135 Jahren begann die Geschichte der sich ständig wandelnden Automobiltechnologie. Schritt für Schritt führte die Entwicklung zu immer effizienteren und leistungsfähigeren Verbrennungsmotoren. Durch die abrupte Forderung zum Umstieg auf Elektromobilität muss der Fortschritt nun aber nicht mehr in kleinen Schritten, sondern in großen Sprüngen stattfinden – durch dieses rasante Tempo stehen die Entwickler oftmals am Rande ihrer eigenen Erfahrungen. Bei den hohen Anforderungen der E-Mobilität können nur wenige Messtechnik-Hersteller mithalten. An der Spitze der Entwicklung steht die Labortechnik Tasler GmbH.

Um die Effizienz eines Elektromotors zu bestimmen, muss man die abgegebene mechanische Leistung in Relation zur aufgenommenen elektrischen Leistung stellen. Beide Messgrößen haben ihre eigenen Tücken.
Glücklicherweise kann man das Problem auf elektrische Messgrößen reduzieren, da durch die lange Geschichte der Verbrennungsmotoren schon viel Erfahrung und auch geeignete Messtechnik für die mechanische Leistungserfassung vorhanden ist.

Herausforderung Messgenauigkeit

Wie verhält es sich mit der elektrischen Leistung?
 Zunächst gilt allgemein, dass man die elektrische Leistungsaufnahme nur schwer direkt messen kann. Zudem ist entsprechend der Normvorgaben der DIN IEC 60034-2-3 eine hohe Messgenauigkeit gefordert:

Die nominale Genauigkeit der Leistungsmessgeräte muss 0.3% oder besser betragen, bezogen auf die Scheinleistung im Bemessungspunkt des zu prüfenden Motors. Dies gilt für die Gesamtunsicherheit von Leistungsmessgerät einschließlich möglicher Wandler.“

Unter Punkt 7.2 dieser Norm „Zusätzliche Verluste aufgrund des Spannungsfalls im Frequenzumrichter“ werden noch weitere Verschärfungen definiert, so dass man eigentlich sogar besser als 0.3% sein muss."

Wir haben also zwei Messgrößen (Strom und Spannung) deren Fehler sich gemäß Fehlerfortpflanzungsgesetz bei der multiplikativen Berechnung der Leistung (U*I) addieren.
Beide Größen individuell (Strom und Spannung separat betrachtet) sind eine Verkettung von mindestens vier Fehlern:


  1. Amplitudenfehler (über alle Frequenzen)


  2. Phasenfehler bei der Abtastung (über alle Frequenzen)


  3. Bandbreiten-Begrenzung der Oberschwingungs-Anzahl (mindestens 29. bzw. 7. Oberwelle für 0.1% Genauigkeit von Spannung bzw. Strom)


  4. Fehler der zuführenden Leitungen und evtl. verwendeter Stromwandler

Die Summe dieser jeweils 4 Fehler bestimmt die Auflösung der beiden Messgrößen (Spannung und Strom).
Da sich alle 4 Fehler von allen beiden Messgrößen gemäß Fehlerfortpflanzungsgesetz addieren, haben wir also insgesamt 8 Fehlerquellen, deren Summe 0.3% nicht überschreiten darf. Wie oben erwähnt (Referenz zur Norm, Punkt 7.2) soll man sogar ein Stück besser sein.
Also darf im Durchschnitt jede Fehlerquelle nur grob 0.03% Fehler beitragen.
Das ist echt sportlich!
Damit muss man ein Rechtecksignal auf 53 Oberschwingungen und ein Dreieckssignal auf 9 Oberschwingungen sauber erfassen.
Gleichzeitig darf der Amplitudenfehler nicht größer als 0.03% über dieses Frequenzband sein und die Synchronität muss besser sein als 3ns.

Wegen dieser hohen Synchronitätsanforderungen und wegen der Notwendigkeit, U(t) und I(t) mit jedem Sample ohne zusätzliche Phasenfehler multiplizieren zu können, müssen beide Messgrößen (U und I) mit derselben Abtastrate erfasst werden.

Beim Betrieb eines E-Motors müssen aber auch Frequenz und Amplitude des sinusförmigen Versorgungssignals zueinander passen: kleine Drehzahl entspricht einer kleinen Amplitude. Große Drehzahl entspricht einer großen Amplitude.
Wenn man also einen Drehzahlbereich von 1% bis 100% des Motors abdecken möchte, beträgt auch die Amplitude im langsamen Drehbereich nur 1% der Amplitude bei voller Drehzahl.
Somit muss der Messbereichsendwert nicht nur auf 1/0.03% = 3333 Schritte aufgelöst werden, sondern auf 333333. Das entspricht einer effektiven Auflösung eines AD-Wandlers von 18.3 Bit. Und zwar nach Abzug allen Rauschens und aller Verzerrung dieses AD-Wandlers.

Hohe Anforderungen an die Messgeräte

Damit kommen wir zum Kern dieses Artikels: Wer nicht mindestens einen 20 Bit AD-Wandler, oder besser einen 24 Bit AD-Wandler mit mindestens 1MHz (besser 2MHz oder 4MHz) Abtastrate hat, braucht erst gar nicht mit der Leistungsmessung eines PWM betriebenen E-Motors zu beginnen.
Gleichzeitig muss die Synchronität über alle Messkanäle besser als 3ns (besser 1ns) sein!
Außerdem kommen hohe Signalspannungen ins Spiel, die neben einem erheblichen Sicherheitsrisiko auch extreme Anforderungen an die Eingangskapazitäten der Messtechnik stellen.

Stellen Sie sich einen 400V batteriegetriebenen E-Motor vor, der mit 10kHz Pulsrate die Spannung von 0V auf 400V hochreißt (und sofort danach wieder runterzieht auf 0V). Wenn Sie im Signalgang nur 10pF Streukapazität haben, dann müssen diese 10pF 
20000 Mal in der Sekunde um 400V auf- oder entladen werden.
Im gemächlichsten Fall ist der Kondensator gerade erst voll aufgeladen, wenn er wieder entladen wird. Dann hat man bei 50% Pulsbreite genau 50µs Zeit, den Kondensator zu laden.
In der Realität sind die Flanken viel steiler. Der Kondensator wir in ca. 500ns komplett aufgeladen. Dann beträgt der Ladestrom dieser angenommenen Streukapazität schon 8mA.
Harmlos?
Nein, leider nicht! Für langsame Drehzahlen wurde weiter oben die Faustformel für den maximalen Messfehler gegeben: „Messbereich / 333333“.
Die 8mA Fehler-Ladestrom entsprechen einem gerade noch erträglichen Fehler wenn der Messstrom in der Größenordnung von 2.7kA (oder größer) läge.
Kurzum: die erlaubte Streukapazität der Messkanäle muss extrem niedrig sein!
Und gepaart mit dem notwendigen Schutz vor Hochspannung und der unbedingten Notwendigkeit, Stromschleifen komplett auszuschließen (weil diese empfindliche Störungen durch das Magnetfeld des E-Motors erleiden würden), müssen die Kanäle unbedingt gegeneinander galvanisch getrennt sein und gleichzeitig eine extrem niedrige Streukapazität gegenüber dem Gehäuse aufweisen.

Wird nur eine dieser Anforderungen (Abtastrate, Auflösung, Synchronität, galvanische Trennung mit geringer Streukapazität) nicht perfekt umgesetzt, scheitert die Effizienzmessung gemäß Norm DIN IEC 60034-2-3.
Alle diese Punkte sind sorgfältig aufeinander abgestimmt im Messsystem LTTsmart der Firma Labortechnik Tasler GmbH realisiert worden. Der Messtechnik-Spezialist ist seit fast 25 Jahren auf dem Markt etabliert und war schon hochauflösend in Megahertz-Bereichen aktiv, als der Messtechnik-Markt langsam von DOS auf Windows umgestiegen ist.
Die Anforderungen der E-Mobilität treiben nun den Markt aus zwei Richtungen in diese Nische: langsame PC-Messtechnik reicht nun in Punkte Bandbreite bei Weitem nicht mehr aus. Und schnelle Oszilloskope reichen mit der Auflösung bei Weitem nicht in die benötigten Details hinein.

Doch die Effizienzbestimmung benötigt die Verbindung zwischen zwei Signalwelten:
Die (schnelle) elektrische und die (langsame) mechanische Leistungsmessung.
Letztere kann natürlich auch hochsynchron durch den LTTsmart mit abgedeckt werden.
In vielen Fällen ist es aber sinnvoll, die vielen (langsamen) Zusatzinformationen, wie beispielsweise Temperaturen, durch zusätzliche Messgeräte der Firma Gantner Instruments zu erfassen, die nahtlos mit dem LTTsmart zusammenarbeiten.

Fazit

Der Anwender profitiert davon, dass der LTTsmart perfekt auf die anspruchsvolle Messaufgabe abgestimmt ist und reibungslos mit anderen Messgeräten zusammenarbeitet.

Die umfangreiche Funktionalität des Power-Analyzers ist sowohl in der branchenübergreifenden Software-Lösung LTTpro, als uch in der Gantner GI.bench verfügbar und verbindet die beiden Welten hochsynchron miteinander. Langsame, mittelschnelle und sehr schnelle Messsignale werden online zu den benötigten Analysegrößen zusammengeführt.

Die großen Datenmengen, die für die oben angedeutete Berechnung der elektrischen Leistungskennzahlen notwendig sind, bleiben dabei für den Anwender unbemerkt im Hintergrund. Gleichzeitig kann aber der Anwender oder aber ein per Software einstellbares Entscheidungskriterium ganze Abschnitte dieser schnellen Rohdaten mitschneiden und zu einem beliebigen Zeitpunkt analysieren, um etwaige Auffälligkeiten der protokollierten Kenngrößen erörtern zu können.

Egal ob für Forschungszwecke oder zur Prozess- und Qualitätsüberwachung: als Anwender haben Sie stets vollen Zugriff auf alle Signalwelten. Von der Übersicht bis hin zum feinsten Detail.
Das macht die Power-Analyzer-Lösung (neben vielen anderen Lösungen) von LTT zum perfekten – und sogar einzigartigen – Gesamtpaket, dank dem Sie auch mit der rasanten Entwicklung der Elektromobilität mithalten können.
Kontaktieren Sie uns gerne direkt für ein Beratungsgespräch!