Frequenzumrichter und Oszilloskop Besonderheiten bei der Messung der Motoransteuerung

Anbieter zum Thema

Tektronix GmbH

ET System electronic GmbH

dataTec AG

Keysight Technologies Deutschland GmbH

Mit dem Oszilloskop und passenden Probes für Strom lassen sich Frequenzumrichter und damit die Motoransteuerung ausmessen. Doch bevor man mit den Messungen startet, sind einige Vorbereitungen notwendig. Auch bei der Verdrahtung gibt es einiges zu beachten.

Die Pulsweitenmodulation am Ausgang von Motorsteuerungen erschwert die stabile Messung der Signale. Die geeignete Kombination von Filtern und Triggern für stabile Signalformen manuell zu bestimmen, ist nicht einfach. Allerdings ist sie eine Voraussetzung für konsistente Messungen.

Wichtig ist, nicht nur den Ausgang des Umrichters zu messen, sondern auch die Leistung der Eingangsstufen des Umrichters zu bewerten. Das können Oberwellen, Leistung und Leistungsfaktor sein. Die Rohdaten lassen sich in eine Tabellenkalkulation oder eine andere Analysesoftware exportieren, was jedoch zeitaufwändig ist und eine sorgfältige Vorbereitung der Berechnungen erfordert.

Häufige Fehlerquellen, einen Motor messtechnisch zu untersuchen

Diese Art der Messung erfordert zahlreiche Verbindungen zum Prüfling. Eine falsche Abtastung des Antriebssystems und eine schlechte Signalqualität gehören zu den häufigsten Fehlerquellen bei der messtechnischen Untersuchung von Motoren.

Die mechanischen Messungen sind ebenfalls wichtig und lassen sich mit Sensoren umsetzen. Allerdings kann es schwierig oder unmöglich sein, Messungen in technischen Einheiten der Geschwindigkeit, Beschleunigung oder des Drehmoments ohne spezielle Aufbereitung und Skalierung zu erhalten. Für eine gute Übersicht über ein Antriebssystem mit einem Oszilloskop sind ein sorgfältiger Aufbau, stabile Signalformen und robuste Messalgorithmen erforderlich.

Das Prinzip der Vektorregelung und ihre Vorteile

Moderne Antriebe für Drehstrom-Asynchronmotoren und Synchronmotoren arbeiten nach dem Prinzip der Vektorregelung. Die Antriebe sind flexibler und effizienter als skalare Antriebe, aber auch komplexer.

Vektorsteuerungen sind skalaren Steuerungen insofern ähnlich, als sie den Motor mit einem sinusförmigen Strom steuern, aber einen gleichmäßigeren Betrieb, eine schnellere Beschleunigung und eine bessere Drehmomentsteuerung bieten. Solche Regelsysteme verwenden häufig eine feldorientierte Regelung (FOC) und sind wesentlich komplexer als skalare Antriebe. Die Vektoren d und q sind orthogonale Vektoren, deren Werte sich auf das Drehmoment und den magnetischen Fluss im Motor beziehen.

Um das System zu synchronisieren, muss die Steuerung die Position des Rotors messen. Das erfolgt oft mit Hallsensoren oder einem Drehgeber. Es gibt auch sensorlose Systeme, bei denen die Steuerung die Gegen-EMK des Motors verwendet, um die Rotorposition zu bestimmen. Der Regler berechnet mit der d/q-Transformation oder auch Park-Transformation die Werte von d und q und setzt diese als Sollwerte für den Regelkreis.

Messungen am Frequenzumrichter und die Auswahl des Tastkopfes

Zur Messung der Leistung eines Frequenzumrichters werden Spannungs- und Stromsonden benötigt. Bei der Auswahl von Oszilloskop-Spannungstastköpfen für Messungen an Motorantrieben sind einige Punkte zu beachten:

• Messungen an Motorantrieben erfolgen unter hohen Spannungen. Beispielsweise beträgt die DC-Busspannung in einem 480-V_AC-Drehstromantrieb typischerweise etwa 680 V_DC. Die Nennspannung an der Sondenspitze und für das zum Anschluss der Sonde verwendete Zubehör ist zu überprüfen.

• Gleichtaktspannungen können ebenfalls hoch sein. Messungen erfolgen oft ohne Potenzial, so dass keine geerdeten Sonden verwendet werden sollten. Es ist wichtig, dass die Signale nicht höher sind als die angegebene Gleichtaktspannung der Sonde.

• Die meisten relevanten Frequenzen liegen unter 200 MHz, so dass Prüfköpfe mit dieser Bandbreite für die meisten üblichen Messungen ausreichen sollten.

• Prüfköpfe sollten ein breites Spektrum von Messaufgaben abdecken.

Deshalb eignen sich Hochspannungs-Differentialtastköpfe generell als universell einsetzbare Spannungstastköpfe für Messungen an Wechselrichter-Subsystemen, Ein- und Ausgangssignalen von Wechselrichtern und Regelsystemen in der Leistungselektronik. Passive, auf Masse bezogene Tastköpfe sollten nicht zur Messung von Phase-zu-Null-Spannungen verwendet werden. Der Neutralleiter liegt wahrscheinlich nicht auf Erdpotenzial, so dass erhebliche Ströme durch den Tastkopf und die Masse des Oszilloskops fließen können. Dies ist gefährlich und kann zu einem elektrischen Schlag oder zur Beschädigung des Prüflings oder des Oszilloskops führen.

Passive, geerdete Tastköpfe sollten nicht für die Messung von Phase-Phase-Spannungen verwendet werden. Der Neutralleiter liegt möglicherweise nicht auf Massepotenzial, so dass erhebliche Ströme durch den Tastkopf und die Masse des Oszilloskops fließen können. Das ist gefährlich und kann zu einem Stromschlag oder zur Beschädigung des Prüflings oder des Oszilloskops führen.

Wie man den Tastkopf am Oszilloskop korrekt einrichtet

Vor einer Leistungsmessung müssen einige wichtige Schritte unternommen werden. Die Probes (Tastkopf) für Ströme müssen entmagnetisiert und alle weiteren Tastköpfe einem Deskewing unterzogen werden, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Entmagnetisierte Probes sind wichtig, damit jegliche Restmagnetisierung aus dem Magnetkern des Tastkopfes entfernt ist. Eine Restmagnetisierung führt zu Messfehlern. Dazu werden alle Kabel aus der Probe entfernt und der Vorgang wird per Knopfdruck gestartet. Die Probes von Tektronix fordern den Benutzer auf, die Zange vor dem Gebrauch zu entmagnetisieren. Dies trifft beispielsweise auf das Probe-Modell TCP0030A zu.

Das Deskewing-Verfahren korrigiert die unterschiedlichen Laufzeitverzögerungen zwischen zwei verschiedenen Kanälen des Oszilloskops, einschließlich Tastkopf und Tastkopfverdrahtung. Dies ist wichtig, da die Phasenverhältnisse für viele Messungen an Frequenzumrichtern von entscheidender Bedeutung sind. Das Prinzip besteht darin, die Kanäle mit einem synchronisierten Signal zu versorgen und die Laufzeitverzögerungen für jeden Kanal so einzustellen, dass sie übereinstimmen. Ein spezieller Deskewing-Adapter für Leistungsmessungen hilft bei dieser Aufgabe.

Beim Anschluss eines Stromtastkopfes ist es wichtig, auf den Pfeil zu achten. Wenn die Probe auf der Leitungsseite der Last angeschlossen wird, sollte der Pfeil in Richtung der Last zeigen. Ansonsten sollte der Pfeil von der Last weg zeigen.

Verschiedene Möglichkeiten der Verdrahtung

Häufig werden sowohl am Eingang als auch am Ausgang von Frequenzumrichtern drei Phasen verwendet. Einige Frequenzumrichter in kommerziellen, privat genutzten oder Fahrzeug-Antriebssystemen können mit einphasigem Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden. Darüber hinaus können dreiphasige Systeme in zwei Konfigurationen verdrahtet und modelliert werden: Stern oder Y und Dreieck. Die Verdrahtungskonfiguration bestimmt die für die Leistungsanalyse verwendeten Berechnungen. Daher ist es wichtig, die richtige Verdrahtungskonfiguration zu verstehen und auszuwählen, um die erwarteten Ergebnisse zu erhalten. Diese Konfigurationen gelten sowohl für die Eingänge als auch für die Ausgänge der Motorsteuerung.

Obwohl zur Messung der Gesamtleistung in einem Dreileitersystem nur zwei Leistungsmesser notwendig sind, sind drei Leistungsmesser von Vorteil. Die Konfiguration mit drei Leistungsmessern verlangt sechs Oszilloskopkanäle: drei Spannungen und drei Ströme. Diese 3V3I-Konfiguration liefert einzelne Phase-Neutral-Spannungen und die Leistung in jeder einzelnen Phase, was bei der Konfiguration mit zwei Leistungsmessern nicht möglich ist.

Für Dreileitersysteme, die mit 3V3I gemessen werden, bietet die IMDA-Software eine Option, um Spannungen von Phase zu Phase (L-L) in Spannungen von Phase zu Neutralleiter (L-N) umzuwandeln. Obwohl es in diesem System keinen physischen Neutralleiter gibt, lassen sich die momentanen Spannungen von Phase zu Neutralleiter aus den momentanen Spannungen von Phase zu Phase bestimmen.

Bei dieser punktuellen LL-LN-Umwandlung werden alle Spannungen auf einen einzigen Bezugspunkt bezogen und die Phasenbeziehungen zwischen Spannung und Strom für jede Phase korrigiert. Man erkennt die Phasenkorrektur der LL-LN-Umwandlung, wenn man die Phasenbeziehungen im Phasordiagramm bei ein- und ausgeschalteter Umwandlung betrachtet. Bei eingeschalteter LL-LN-Umwandlung kann die Momentanleistung durch Multiplikation der Phase-Nulleiterspannungen und der Phasenströme berechnet werden. So lässt sich beispielsweise die gesamte an die Last abgegebene Wirkleistung (STrPwr) bestimmen.

Für die Messung der Gesamtleistung in einem System mit Neutralleiter zwischen Netz und Umrichter oder Umrichter und Motor sind drei Spannungskanäle und drei Stromkanäle erforderlich. Alle Spannungen werden relativ zum Neutralleiter gemessen. Die Phase-Phase-Spannungen können mithilfe der Vektormathematik aus den Phase-Nulleiter-Spannungsamplituden und den Phasen genau berechnet werden. Die Gesamtleistung beträgt:

Es empfiehlt sich, die im Oszilloskop integrierte Software zu verwenden, die eine 3-Phasen-Autoset-Funktion enthält. Damit lassen sich die Spannungen und Stromquellen auf der Grundlage der gewählten Verdrahtungskonfiguration automatisch konfigurieren. Mit dieser Funktion können die vertikalen und horizontalen Parameter sowie die Erfassungs- und Triggerparameter des Oszilloskops bestmöglich eingestellt werden.

* Lee Morgan ist Senior Technical Marketing Manager EMEA bei Tektronix.

(ID:49662569)