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Mobile Fehlerprüfung von elektrischen Maschinen

Prinzip der Stoßspannungsprüfung mit Parallelschwingkreis

Zeitkonstante der abklingenden Spannung im Schwingkreis

Mit dem Coil-Test-Adapter ermöglicht das Metrahit Coil die Windungsschlussmessung im Feld

Diagnose, Wartung und Service an elektrischen Maschinen erfordern die Messung verschiedener elektrischer Größen sowie Funktions- und Sicherheitstests. Dafür wurden bisher mehrere Mess- und Prüfgeräte benötigt, die zum Teil nur bedingt mobil und deshalb für den Feldeinsatz nicht geeignet sind. Beim Metrahit Coil hat die GMC-I Messtechnik GmbH alle Mess- und Prüffunktionen für elektrische Maschinen in einem Handgerät vereint.
Elektrische Ursachen für Motorprobleme sind Fehler an den Wicklungen oder der Ansteuerung bzw. Elektronik. Um die elektrische Sicherheit und die Funktion von Elektromaschinen zu prüfen, sind verschiedene Messungen durchzuführen: Schutzleiter- und Isolationswiderstand, Ableitstrom sowie Rest- und Hochspannung. Dafür bieten sich verschiedene Geräte an. Die elektrische Sicherheit lässt sich mit Hochspannungsprüfgeräten sowie mit elektrischen Prüfgeräten für Schutzleiterwiderstand, Isolationswiderstand und Ableitstrommessung feststellen. Für die Funktionsprüfung bieten sich Stoßspannungsprüfgeräte zur Erkennung von Windungsschlüssen, Isolationswiderstandsmessgeräte mit hoher Prüfspannung sowie Motor-Checker mit den Funktionen Isolationswiderstandsmessung, Widerstandsmessung und Induktivitätsmessung an.
Vielfaltige Prüfaufgaben
Windungsschlüsse an Wicklungen erkennt man durch den Vergleich der elektrischen Eigenschaften der Wicklungen mehrphasiger Motoren – dies gilt sowohl für die Ständerwicklungen als auch für Läuferwicklungen von Kollektormotoren. Bei Einphasenmotoren vergleicht man die Messergebnisse mit bekannten Gut-Werten, die zum Beispiel beim neuen Motor erfasst wurden. Zu beachten ist, dass die elektrischen Eigenschaften von der Motortemperatur abhängen und Fehler oft nur bei Anliegen der Betriebsspannung auftreten. Die Überprüfung der Elektronik, zum Beispiel eines Frequenzumrichters, ist im Feld nicht praktikabel. Deshalb wird dieser nach der Prüfung des Motors auf Isolationsfehler und Windungsschluss meist ausgetauscht. Die Prüfungen werden in der Regel mit Vielfachmessgeräten (zum Beispiel Multimetern), Isolations- und Motorwicklungstestern vorgenommen. Letztere sind bislang nur in der Ausführung als Tischgerät verfügbar und für den Feldeinsatz nur bedingt geeignet. Mit einfachen Multimetern lässt sich der Widerstand der Wicklungen zum Gehäuse und zwischen den Anschlüssen messen. Ist damit ein Widerstand zum Gehäuse messbar, liegt ein Isolationsschaden vor. Jedoch ist der Umkehrschluss dass bei „Overload“ kein Isolationsschaden vorliegt nicht zulässig. Dies ist nur mit einem Isolationstester messbar bei dem die Prüfspannung grösser als die Betriebsspannung ist. Der Wicklungswiderstand zwischen den Anschlüssen liefert Aufschluss über einen Windungsschluss. Ein Windungsschluss lässt sich bei einer mehrphasigen Maschine durch den Vergleich der Messwerte erkennen. Dies gilt für Maschinen mit Dreieck- oder Sternschaltung. Für einphasige Maschinen erfolgt der Vergleich mit einem bekannten Sollwert. Sind die Durchlasswiderstände der Wicklungen von Ständer oder Läufer nahezu gleich, liegt wahrscheinlich kein Windungsschluss vor. Diese Prüfung eignet sich aber nicht für Wicklungen mit dicken Drähten und kaum messbaren Widerständen. Außerdem ist damit ein Windungsschluss der erst bei Betriebsspannung auftritt nicht feststellbar. Verlässliche Ergebnisse liefern Prüfgeräte mit Stoßpannungsprüfung – ausgenommen permanent erregte Motoren, bei denen das Permanentmagnetfeld die Messung in Abhängigkeit von der Läuferstellung beeinflusst. Beim Vergleich der Messergebnisse für die Wicklungen ist zu berücksichtigen, dass auch bei guten Motoren die elektrischen Werte der einzelnen Wicklungen durch fertigungsbedingte Toleranzen streuen. Außerdem kann bereits die Prüfung mit den Sinnesorganen Aufschluss über eventuelle Probleme liefern. Elektrische Fehler kann man häufig sehen oder riechen.
Einer für alles
Natürlich ist es umständlich mehrere Messgeräte mitzunehmen, um alle wichtigen Mess- und Prüffunktionen an elektrischen Maschinen durchführen zu können. Deswegen hat GMC-I Messtechnik, mit ihrer Marke Gossen Metrawatt, das Metrahit Coil entwickelt. Es ist Digitalmultimeter, Isolationsmessgerät und Motorwicklungstester in einem Handgerät. Mit 18 Multimeterfunktionen, Echteffektivwertmessung bis 10 kHz und einer beleuchteten Anzeige ist das Metrahit Coil universell einsetzbar. Das Spezialmultimeter verfügt zudem über einen Datenspeicher für bis zu 15.000 Messwerte und einer patentierten Data-Hold-Funktion. Die Messwerte können über die integrierte Infrarotschnittstelle über einen Adapter komfortabel an die Software Matrawin 10 übergeben werden.
Das Messverfahren
Metrahit Coil misst bei der Windungsschlusserkennung die Zeitkonstante eines LC-Parallelschwingkreises. Dieser besteht aus der Wicklung und dem Kondensator im Testadapter, der für Induktivitäten im Bereich von circa 10 μH bis 50 mH ausgelegt ist. Der Induktivitätsmessbereich kann durch Ändern der Kapazität einfach angepasst werden. Nach dem Aufladen des Kondensators mit 1.000 V erfolgt die Entladung über den LC-Kreis. Die Abklingzeit zwischen den ersten beiden Nulldurchgängen wird gemessen und am Display angezeigt. Die Zeitkonstante ist direkt proportional zur Induktivität der Wicklung. Nacheinander werden alle Wicklungen vermessen. Metrahit Coil zeigt die Abweichung der Messwerte in Prozent auf der Analogskala an. Bei guten Motoren liegt die Abweichung im Bereich einiger Prozent. Liegt die prozentuale Abweichung bei mehr als 10 %, ist von einem Windungsschluss auszugehen. Ein exakter Wert kann nicht angegeben werden, da die Güte des Motors das Messergebnis beeinflusst. Da die Messung mit 1 kV erfolgt, lassen sich auch Fehler erkennen, die nur unter Betriebsbedingungen auftreten. Ein Nachteil ist jedoch, dass sie der Windungsschlusserkennung mit der Stoßpannungsprüfung für permanent erregte Motoren keine eindeutigen Ergebnisse liefert. Das angewandte Messverfahren ermöglicht die kurvenformunabhängige Effektivwertmessung (TRMS) bei Wechselgrößen (AC) und Mischgrößen (AC und DC) für Spannungen und Ströme bis 10 kHz. Das Multimeter misst zudem den Isolationswiderstand bis 3,1 GΩ, mit einstellbarer Prüfspannung von 50 V bis 1.000 V und automatischer Fremdspannungserkennung. Bei Bedarf kann ein 1-kHz-Tiefpassfilter zugeschaltet werden, zum Beispiel für Messungen an Leitungen mit eingekoppelten Fremdsignalen. Das Eingangssignal wird während der Tiefpassfilterfunktion, von einem Spannungskomparator auf gefährliche Spannungen untersucht. Diese werden durch ein Gefahrensymbol im Display signalisiert.
In der Praxis
Als einer der ersten Kunden hat der Hersteller von elektrischen Gabelstaplern Still [1] das Metrahit Coil im Feldeinsatz benutzt. Bei Gabelstaplern ist die Ursache von Motorfehler überwiegend der Frequenzumrichter (Inverter), der deshalb bislang zuerst ausgetauscht wurde. War das Problem in der Motorwicklung, konnte man dies vor Ort nicht sofort erkennen, sondern erst nach dem unnötigen Austausch des Umrichters in mehreren teuren Arbeitsstunden. Dementsprechend schnell amortisierte sich die Investition in ein Metrahit Coil, nachdem nur ein unnötiger Austausch eines Umrichters vermieden wurde.
Literatur
[1] Still GmbH, Hamburg: www.still.de
www.gossenmetrawatt.com

Autor:
Dipl.-Ing. Klaus Leibold ist als Produktmanager Test & Measurement bei Gossen Metrawatt in Nürnberg tätig.

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