Oszilloskop Messen der Wellenspannung und der Lagerströme an einem Motor

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Spannungsimpulse bei einem Antrieb, dessen Drehzahl und Leistung durch einen Frequenzumrichter gesteuert werden, können von einem Motorstator an dessen Rotor gekoppelt werden, wodurch

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Geriffelte Oberfläche an einem Laufring, verursacht durch Lagerströme <em id="ForP_99542840-A1DB-2A71-AB11BDFA0006B6C9">Bild: Electro Static Technology</em>
Geriffelte Oberfläche an einem Laufring, verursacht durch Lagerströme <em id="ForP_99542840-A1DB-2A71-AB11BDFA0006B6C9">Bild: Electro Static Technology</em>
( Archiv: Vogel Business Media )

Spannungsimpulse bei einem Antrieb, dessen Drehzahl und Leistung durch einen Frequenzumrichter gesteuert werden, können von einem Motorstator an dessen Rotor gekoppelt werden, wodurch die Spannung an der Rotorwelle auftritt. Damit die Lager der Elektromotoren deshalb nicht verschleißen und so vorzeitig ausfallen, lässt sich ein Oszilloskop und eine Wellenspannungssonde zur Messung der Motorspannung und von Lagerströmen einsetzen.

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Die kapazitive Kopplung zwischen den Motorwicklungen und dem Rotor kann zu einer Spannung an einer Motorwelle führen. Aus diesem Grund können die Lager der Elektromotoren nicht nur auf Grund der Wellenrotation, sondern auch Grund von elektrischen Strömen, die über die Lager von der Motorwelle gegen Masse fließen, verschleißen. Motoren, die mit sinusförmiger Wechselspannung versorgt werden, haben möglicherweise eine Spannung zwischen Welle bzw. Lager gegen das Motorgehäuse von ca. 1 bis 2 V. Bei Motoren, die von schnell schaltenden Frequenzumrichtern versorgt werden, können diese Spannungen hingegen bis zu 8 bis 15 V betragen. Spannungen dieser Größenordnung können die Isolierungseigenschaften der Lagerschmierung überwinden und so entstehende Funken können zu Lochfraß, geriffelter Oberfläche, Fusionskratern und schließlich zum vorzeitigen Ausfall der Lager und des Motors führen.

Per Wellenspannungssonde sicher messen

Das Messen der Spannung einer sich schnell drehenden Motorwelle kann schwierig und gefährlich sein. Über eine Wellenspannungssonde können Messungen der Wellenspannung sicherer und komfortabler durchgeführt werden, indem die elektrische Verbindung zum Motor über eine kleine leitende Bürste hergestellt wird. Der Referenzkontakt der Sonde ist am Motorgehäuse an Masse gelegt.

Das geeignete Messinstrument

Wellenspannung und Stromspitzen, die vom pulsweitenmodulierten Signal am Ausgang des Frequenzumrichters verursacht werden, können äußerst kurz sein - sie liegen oft im Mikrosekunden-Messbereich. Die hohe Bandbreite (von bis zu 200 MHz) und die schnelle Abtastrate (bis zu 2,5 Gigasamples/Sekunde) des Fluke ScopeMeters der Serie 190 II machen es zur optimalen Lösung zum Messen von sich schnell veränderlichen Spannungen und Strömen — die einem digitalen Multimeter bei Weitem überlegen ist.

Die automatische Connect-and-View-Triggerung zeigt stabile Kurven von praktisch jedem Signal an, während man mit ScopeRecord Kurven im Speicher zur späteren Betrachtung ablegen kann. Und da die ScopeMeter vier Signale erfassen und anzeigen können, lassen sich gleichzeitig sowohl Strom als auch Spannung von mehr als einer Quelle sehen.

Messergebnisse

Am Oszilloskop-Bildschirm werden drei Messungen angezeigt, die mit einem Fluke ScopeMeter der Serie 190 II an einem Motor und einem Antrieb vorgenommen wurden.

  • Kanal A (rote Kurve) zeigt die Spannung an der Motorwelle. Die Spannungsspitzen sind anhand der Funkenüberschläge an der Welle durch das Lager deutlich zu sehen.
  • Kanal B (blaue Kurve) zeigt den Gleichtaktstrom, der zu einem gewissen Anteil durch das Lager fließt. Die Stromspitzen zeigen klar an, wenn eine Spannungsspitze auftritt und bestätigen so einen Funkenüberschlag oder einen Funken.
  • Kanal C (schwarze Kurve) zeigt das Signal am Ausgang des Frequenzumrichters für die Motorsteuerung. Die Qualität dieses Signals bestimmt den Wirkungsgrad des Motors. Eine schnelle Anstiegszeit in Verbindung mit einer hohen elektrischen Kapazität des Stators/Rotors trägt zu den Funkenüberschlägen bei.

Das ScopeMeter ist bei einer Vielzahl von zusätzlichen Tests an Motoren und Antrieben hilfreich, u.a. auch bei der Analyse der Oberschwingungen in der Versorgungsspannung mit der integrierten FFT (Fast Fourier Transform)-Funktion. Da Oberwellen eine wesentliche Rolle bei der Leistung und dem Wirkungsgrad des Motors spielen, ist es nützlich, über ihr Vorhandensein Bescheid zu wissen und ihre Amplituden zu kennen.

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