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Prinzip der Stoßspannungsprüfung mit Parallelschwingkreis Bild: Gossen Metrawatt
Diagnosegerät

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Elektromotor im Feld prüfen

Text: Klaus Leibold, Gossen Metrawatt
Diagnose, Wartung und Service an elektrischen Maschinen erfordern das Messen verschiedener elektrischer Größen sowie Funktions- und Sicherheitstests. Dafür werden mehrere Mess- und Prüfgeräte benötigt, die zum Teil nur bedingt mobil und deshalb für den Feldeinsatz nicht geeignet sind. Abhilfe schafft hier ein Handgerät, das sogar einen Windungsschluss messen kann.

Die elektrische Sicherheit und Funktion von Elektro­maschinen wird mit diversen Methoden geprüft. Gemessen wird dabei der Schutzleiter- und Isolationswiderstand, der Ableitstrom sowie die Rest- und Hochspannung. Wobei Probleme an Elektromotoren entweder elektrische oder mechanische Ursachen haben können. Letztere werden hier nicht weiter betrachtet. Elektrisch bedingt sind Fehler an den Wicklungen oder der Ansteuerung beziehungsweise der Elektronik. Isolations­fehler oder Windungsschlüsse in Wicklungen werden durch einen Vergleich der elektrischen Eigenschaften der Wicklungen mehrphasiger Motoren erkannt, dies sowohl für Ständer- als auch für Läuferwicklungen. Bei Einphasenmotoren wird mit bekannten Gut-Werten verglichen, die zum Beispiel beim neuen Motor erfasst wurden.

Elektronik ist schwer zu prüfen

Zu beachten ist, dass die elektrischen Eigenschaften von der Motortemperatur abhängen und Fehler oft nur bei Anliegen der Betriebsspannung auftreten. Das Überprüfen der Elektronik – zum Beispiel eines Frequenzumrichters –, ist im Feld nicht praktikabel. Deshalb wird die Elektronik nach Prüfen des Motors auf Isolationsfehler und Windungsschluss meist ausgetauscht.

Stand der Technik ist, Vielfachmessgeräte (zum Beispiel Multimeter), Isolationstester und Motorwicklungstester zum Überprüfen zu verwenden. Letztere sind bislang nur in der Ausführung als Tischgerät verfügbar und für den Feldeinsatz nur bedingt einsetzbar.

Mit einfachen Multimetern kann der Widerstand der Wicklungen zum Gehäuse und zwischen den Anschlüssen gemessen werden. Ist ein Widerstand zum Gehäuse messbar, liegt ein Isolationsschaden vor. Jedoch ist der Umkehrschluss, dass bei einem Overload die Isolation intakt ist, nicht zulässig. Dies ist nur mit einem Isolationstester mit einer Prüfspannung größer als die Betriebsspannung messbar.

Ein Windungsschluss ist durch Messen der Wicklungs­widerstände zwischen den Anschlüssen erkennbar. Sind diese nahezu gleich, liegt wahrscheinlich kein Windungsschluss vor. Diese Prüfung ist aber nicht geeignet 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 Stoßspannungsprüfung, ausgenommen für permanenterregte Motoren deren Magnetfeld abhängig von der ­Läuferstellung die Messung beeinflusst. Beim Vergleich der Wicklungen ist zu berücksichtigen, dass auch bei guten Motoren die Messwerte einzelner Wicklungen durch Fertigungs­toleranzen streuen.

Erwähnt werden muss, dass bereits die Prüfung mit den Sinnesorganen eventuelle Probleme offenbart: Elektrische Fehler sind häufig riechbar oder zu sehen.

Am Markt verfügbare Geräte lassen sich klassifizieren in elektrische Sicherheit und Funktionsprüfung. Zur elektrischen Sicherheit gehören elektrische Prüfgeräte für Schutzleiterwiderstand, Isolationswiderstand und Ableitstrom sowie Hochspannungsprüfgeräte. Zur Funktionsprüfung gehören Motor-Checker zur Messung von (Isolations-)Widerstand und Induktivität, Messgeräte für Isolationswiderstand mit hoher Prüfspannung und Stoßspannungsprüfgeräte zur Erkennung von Windungsschlüssen.

Handgerät misst auch Windungsschluss

Alle wichtigen Mess- und Prüffunktionen für elektrische Maschinen gibt es aber auch in nur einem Handgerät: das Metrahit Coil – ein Digitalmultimeter, Isolationsmessgerät und Motorwicklungstester. Besonders dabei ist: Das Erkennen eines Windungsschlusses mit einem feldtauglichen Handgerät ist eine Weltpremiere. Die Messung erfolgt mit 1 kV, dadurch werden auch Fehler erkannt die nur unter Betriebsbedingungen auftreten. Ein Windungsschluss wird bei einer mehrphasigen Maschine durch den Vergleich der Messwerte erkannt, dies gilt für Maschinen mit Dreieck- oder Sternschaltung. Für einphasige Maschinen wird mit einem bekannten Sollwert verglichen.

Das Messverfahren: Gemessen wird die Zeitkonstante eines Parallelschwingkreises, gebildet aus der Wicklung (L) und dem Kondensator (C) im Testadapter. Der Induktivitätsmessbereich von zirka 10 μH (Mikro-Henry) bis 50 mH kann durch Ändern der Kapazität angepasst werden. Nach dem Aufladen des Kondensators auf 1 kV erfolgt die Entladung über den LC-Kreis. Die Abklingzeit zwischen den ersten beiden Nulldurchgängen wird gemessen und angezeigt. Die Zeitkonstante ist direkt proportional zur Induktivität der Wicklung. Nach­einander werden alle Wicklungen vermessen. Die Abweichung der Messwerte wird in Prozent auf der Analogskala angezeigt. Bei guten Motoren liegt die Abweichung im Bereich einiger Prozent. Ist sie größer als 10 Prozent ist von einem Windungsschluss auszugehen. Ein exakter Wert kann nicht angegeben werden, da die Güte des Motors das Messergebnis beeinflusst.

Anwendung, Vor- und Nachteil

Erster Kunde des Handmessgeräts Metrahit Coil ist ein international führender Hersteller von elektrischen Gabelstaplern. Bei Gabelstaplern ist die Ursache von Motorfehler überwiegend der Frequenzumrichter, der deshalb bislang zuerst ausgetauscht wurde. War das Problem in der Motorwicklung, konnte dies vor Ort nicht sofort erkannt werden, sondern erst nach dem unnötigen Austausch des Umrichters in mehreren teuren Arbeitsstunden. Die Investition in ein Metrahit Coil amortisiert sich daher meist, wenn nur ein unnötiger Austausch eines Umrichters vermieden wird. Nachteilig ist allerdings, dass die Windungsschlusserkennung mit der Stoßspannungsprüfung für permanenterregte Motoren keine eindeutigen Ergebnisse liefert.

Die Anwendungsbereiche des Handmessgeräts sind die elektrische Antriebstechnik sowie der Elektromaschinen- und -fahrzeugbau, insbesondere Wartung und Service für die Fehlerdiagnose sowie die Prüfung der elektrischen Sicherheit.

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