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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.
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.
d/q-Transformation (Direct Quadrature Zero, DQ0)
Vektorregelungssysteme arbeiten mit der Clarke- und der Park-Transformation, um Dreiphasensignale in die Regelvektoren d und q zu vereinfachen. Wenn diese Vektoren gemessen werden können, kann damit bestätigt werden, dass das Regelungssystem erwartungsgemäß arbeitet. Leider werden diese wichtigen Variablen oft in Echtzeit tief im Regelungssystem berechnet und nicht als externe Signale ausgegeben.
Für DQ0-Messungen (Opt. IMDA-DQ0) auf Tektronix Oszilloskopen der Serie 5/6 Series werden die Vektoren D und Q basierend auf den Ausgangssignalen des Antriebs mittels Signalverarbeitung berechnet und gemessen, sodass die Ist- mit der erwarteten Leistung verglichen werden kann. Die Ergebnisse werden als Phasordiagramme, transformierte Signale und skalare Werte angezeigt.
Die DQ0-Ergebnisse werden als Phasordiagramme, transformierte Signale und skalare Werte angezeigt.
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.
Mechanische Analyse
Die IMDA-Gruppe für mechanische Analysen (Option IMDA-MECH) unterstützt Hall-, Resolver- und Quadrature Encoder Interface (QEI)-Sensoren, um Winkel, Drehzahl, Beschleunigung und Richtung eines Motors zu verfolgen. Messungen werden mit wenigen einfachen Einstellungen konfiguriert.
Messungen können mit passiven oder analogen Differentialtastköpfen durchgeführt werden. Hall- oder QEI-Sensoren können auch mit 8-Kanal-TLP58-Logiktastköpfen gemessen werden, um Analogkanäle zur Verwendung für andere Signale einzusparen.
Drehzahlmessungen können so dargestellt werden, dass sie die Anfahrsequenz oder die Verlangsamung des Motors über lange Aufzeichnungen zeigen. Histogramme bieten Einblicke in das Jitterprofil der gemessenen Drehzahl.
IMDA-MECH unterstützt zwei Methoden für die Echtzeit-Drehmomentmessung – Drehmomentsensoren oder Kraftaufnehmer und Ankerstrom. Wenn mit der Ankerstrommethode gearbeitet wird, wird das Drehmoment durch Anwenden einer Konstante auf den Effektivwert des Motorstroms berechnet. Die mechanische Leistung des Systems kann berechnet und mit den Drehmoment- und Drehzahlwerten angezeigt werden.
Die elektrische Leistung kann am Eingang des Antriebs mithilfe von Spannungs- und Strommessungen bestimmt werden. Mit den Drehmoment- und Drehzahlmessungen am Ausgang des Antriebs kann die Anwendung das Verhältnis der mechanischen Ausgangsleistung zur elektrischen Eingangsleistung messen und damit den Gesamtwirkungsgrad des Systems ermitteln.
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, 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
Featured Content
Durchführung von Messungen an 3-Phasen-Motorantrieben mit einem Oszilloskop
Einführungshandbuch
Erfahren Sie, wie sie die Software für die Analyse von Umrichtern, Motoren und Antrieben verwenden.