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Messungen und Analysen dreiphasiger Energiesysteme sind von Natur aus komplexer als es bei einphasigen Systemen der Fall ist. Auf Pulsbreitenmodulation (PBM) basierende Leistungswandler, wie Motorantriebe mit variabler Frequenz, erschweren die Messungen zusätzlich, da die Filterung und Triggerung der PBM-Signale eine Herausforderung darstellen.

Während der Fehlerbeseitungs- und Validierungsphasen sind Oszilloskope aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Schnelligkeit das Instrument der Wahl.  Sie können die Leistung von Schaltleistungswandlern und Steuerschaltkreisen präzise messen.  Mit den richtigen Tastköpfen können sie mit hoher Bandbreite über weite Bereiche Messungen durchführen. 

Eine spezielle Software zur 3-Phasen-Wechselrichter-Motorantriebsanalyse ermöglicht schnelle, wiederholbare Analysen.

Betrieb eines variablen Frequenzantriebs (Variable Frequency Drive, VFD)

Ein typisches Motorantriebssystem wird durch einen dreiphasigen Wechselstromeingang angetrieben, der einem Antriebs- oder Stromrichterteil zugeführt wird.

Der Antriebsbereich besteht aus drei Hauptblöcken:

  • Ein Gleichrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt
  • Ein Gleichstrombus
  • Ein Wechselrichter, der die Gleichspannung in ein Wechselstromsignal (in den meisten Fällen eine PBM-Wellenform) umwandelt

Obwohl nicht in diesem Diagramm dargestellt ist, überwachen Rückkopplungsschleifen und Steuerlogik die Motorlast und passen das Antriebssystem an, um Drehmoment und Geschwindigkeit zu steuern. Dadurch ist das System in der Lage, den Motor unter Bedingungen von Nulllast bis Höchstlast anzutreiben.

Datenblatt zur 3-Phasen-Wechselrichter-Motorantriebsanalyse

Functional diagram of a variable frequency drive (VFD) – Fluke Corporation
Oscilloscope screen images showing a phasor diagram and 3-phase harmonics compared to IEEE-519 limits

Drei-Phasenleitungsmessungen

Im Labor werden Netzqualitätsmessungen verwendet, um die Art und Weise zu verstehen, in der Geräte die von der Dreiphasen-Wechselstromleitung gelieferte Energie verbrauchen.

Für jede Phase werden typischerweise Messungen der Netzqualität durchgeführt:

  • Effektivwert und Größe von Spannung und Strom
  • Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung, Phasenwinkel und Leistungsfaktor
  • Frequenz

Zusätzlich zu den numerischen Anzeigen von Effektivspannung und -strom bieten Phasordiagramme (links abgebildet) die Möglichkeit, Spannungs- und Strombeziehungen schnell zu erkennen. Ungleichgewichte und Phasenverschiebungen, die sich auf den Leistungsfaktor auswirken, sind sofort erkennbar.

Der Leistungsfaktor ist eine wichtige Spezifikation für Industrieausrüstungen, da er sich direkt auf die Stromrechnungen der Endkunden auswirkt. Einige Antriebe enthalten eine aktive Schaltung zur Steuerung des Leistungsfaktors.

Oberschwingungen können sich auch auf die Gesamteffizienz und sogar auf die Zuverlässigkeit des Systems des Endkunden auswirken. Aus diesem Grund unterliegt die harmonische Verzerrung häufig einer Regulierung. Links ist ein Oberwellen-Balkendiagramm mit IEEE-519-Grenzwerten dargestellt. Für Margentests können benutzerdefinierte Grenzen verwendet werden.

Erfahren Sie mehr über die Verwendung von Phasordiagrammen auf einem Oszilloskop

Welligkeitsanalyse

Die Welligkeit ist definiert als die verbleibende oder unerwünschte Wechselspannung an einer konstanten Gleichstromkomponente. Sie wird typischerweise auf dem Gleichstrombus gemessen. Diese Messung fördert das Verständnis, wie effizient das Signal auf der Eingangsseite von Wechselstrom zu Gleichstrom umgewandelt wird und welchen Einfluss unerwünschte Komponenten auf das PBM-Signal auf der Ausgangsseite haben.

Eine Leitungswelligkeitsmessung gibt den Effektivwert bei der konfigurierten Leitungsfrequenz und Spitze-zu-Spitze der Zeitbereichskurve für die konfigurierten Phasen an, wohingegen eine Schaltwelligkeitsmessung den Effektivwert bei der konfigurierten Schaltfrequenz und Spitze-zu-Spitze der Zeitbereichskurve für die konfigurierten Phasen misst.

Ripple measurements on the DC bus of a variable frequency drive on an oscilloscope
Efficiency measurements on a variable frequency drive based on input power and PWM output power, using 2-wattmeter method on an 8-channel oscilloscope

Messungen der Antriebsleistung

Der Wirkungsgrad ist eine der wesentlichen Messungen des Motorantriebssystems und gilt als Indikator für die Gesamtleistung des Systems.

Der Wirkungsgrad misst das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung. Der Wirkungsgrad in jeder Phase sowie der Gesamtwirkungsgrad (Durchschnitt) des Systems werden berechnet und angezeigt. Für Messungen des Wirkungsgrads wird bei 8-Kanal-Oszilloskopen die 2V2I-Konfiguration (2-Wattmeter-Methode) verwendet.

Referenzsystem für 3-Phasen-VFD-Fehlerbehebung und -Charakterisierung

Ein oszilloskopbasiertes 3-Phasen-Testsystem ermöglicht Messungen auf Systemebene unter Überwachung der VFD-Schaltung.  Hohe Abtastraten und lange Aufzeichnungslängen ermöglichen detaillierte Ansichten von Hz bis GHz.  Es gibt zahlreiche alternative Tastköpfe für diese Anwendung, wobei das folgende System ein ausgezeichnetes Beispiel darstellt:

MSO der Serie 5
Empfohlen, da 8 Kanäle und 12-Bit-ADC

Option IMDA
Automatisiert 3-Phasen-Messungen mit MSO der Serie 5

THDP0200 x 3
Hochspannungs-Differenzspannungstastköpfe.  100 MHz und bis zu 1500 V

TCP003A x 3
Gleichstrom-Wechselstromtastkopf mit 30 A

Kurze Demo ansehen

A system for measurements on 3-phase variable frequency drives includes an 8-channel oscilloscope, analysis software, 3 high-voltage differential probes and 3 current probes