Měřte na frekvenčních měničích dříve, než bude pozdě

Kontrola provozního stavu řízeného pohonu sestává na jedné straně z měření a vyhodnocení kvality elektrické energie napájející pohon, a na druhé straně z kontrol a měření na mechanické části pohonu.
V tomto článku se dovíte, co je důležité kontrolovat na frekvenčním měniči.

Starat se o měniče v podobě pravidelných kontrolních měření se zdá většině manažerů údržby zbytečné a řeší se jen situace, kdy měnič přestane plnit svou funkci.

Protože velká část pracovníků údržeb nemá žádnou nebo jen minimální představu o tom, co se v měniči při provozu děje nebo dokonce kde a jak měřit pro kontrolu jeho provozního stavu, řeší se až havárie výměnou kus za kus.

Při pravidelné kontrole provozního stavu, lze snadno předejít velkým haváriím i finančním ztrátám.

Kontrola provozního stavu řízeného pohonu sestává na jedné straně z měření a vyhodnocení kvality elektrické energie napájející pohon, a na druhé straně z kontrol a měření na mechanické části pohonu.

Mezi těmito dvěma stranami problematiky leží frekvenční měnič a elektromotor. 

O elektromotor je většinou při údržbě postaráno pouze kontrolou ložisek a mazání.

Zjišťování jeho elektrického stavu přijde většíhou na řadu a při jeho selnání. 

V případě frekvenčního měniče je to většinou ještě horší. Netočí se, tak jako by nebyl.

Povíme si tedy něco málo o tom, co je nutné měřit a kontrolovat, kromě napájecího napětí a proudu odebíraného měničem pro představu o jeho stavu.

 

Obr. 1

Na obrázku 1 vidíme průběh napětí na vstupu měniče, který je zde sinusový. Obecně sinusový není a má různou úroveň zkreslení.

Tvar proudu odebíraného ze sítě je nesinusový, v případě obrázku 1 je vidět typický dvojpuz šestipulzního usměrňvače.

Tuto situaci je třeba ověřit pro správný provoz měniče. Velikost a tvar napájecího napětí má zásadní vliv na stability provozu měniče.

 

Obr. 2

Proč je důležité kontrolovat velikost a stav stejnosměrného napětí na mezi obvodu měniče a jakým způsobem jeho stav ověřit?

Meziobvod je část měniče (obr. 1) za usměrňovačem. Je zde vytvářeno stejnosměrné napětí, které slouží k napájení následujících spínacích obvodů měniče.

Ty pak produkují například šířkově modulované impulzy, které napájí cívky motoru a  vytváří krouticí moment motoru.

Kvalita stejnosměrného napětí v této části měniče tedy zásadním způsobem ovlivňuje správnou činnost měniče.

Pokud velikost tohoto napětí klesne pod požadovanou hodnotu, spínače měniče pracují ve špatném režimu a generují nižší napětí na svorkách motoru.

Proto napětí na meziobvodu musí být v čase stabilní a může obsahovat jen minimální střídavou složku.

Při usměrnění napětí usměrňovačem je velikost výsledného stejnosměrného napětí, jak již bylo řečeno, ovlivněna i tvarem napětí přiváděného na usměrňovač.

Navíc může obsahovat i jisté střídavé zvlnění (obr. 2).

Může zde nastat mnoho různých situací, které ovlivní velikost a stabilitu stejnosměrného napětí i jeho zvlnění.

Pokud je napájecí napětí nesinusové, jako například je na obr. 3, a jeho spektrum má tvar jako na obr. 4, pak výsledné napětí na meziobvodu je nižší,

než by bylo v případě čistého sinusového napětí.

Proto je třeba velikost napětí meziobvodu kontrolovat.

K tomu by bylo zdánlivě možné použít běžný multimetr.

Protože však, jak již bylo řečeno, napětí meziobvodu není nikdy čistě stejnosměrné a obsahuje určitou složku pulzujícího střídavého napětí,

je tedy třeba ověřit i velikost a tvar  této pulzující složky.

K tomuto měření je nejvhodnější použít průmyslový osciloskop, kterým kromě velikosti DC ověřímě i velikosti střídavé složky i její tvar.

Obr. 3

Obr. 4

Pokud velikost zvlnění dosahuje více jak několik procent, dochází k ovlivnění stability provozu měniče, neb se střídavá složka přenese až na spínací obvody.

To je tedy zásadní důvod proč ověřit nejen velkost DC napětí, ale i velikost a tvar střídavé složky (obr. 5).

Obr. 5

Kontrolou osciloskopem navíc můžeme zjistit další informace o stavu usměrňovače, kdy se například poškození některé s usměrňovacích diod projeví na tvaru pulsů střídavé složky napětí na meziobvodu.

Pro toto měření je zásadně třeba doporučit průmyslový osciloskop, který má nejen potřebné měřicí schopnosti,

ale je konstrukčně řešen skutečně pro měření v průmyslových „silnoproudých“ podmínkách.

Běžné ruční i stolní osciloskopy jsou pro tato měření nevhodné z pohledu bezpečnosti měření, neb nejsou dostatečně elektricky odolné proti špičkám napětí.

Jako vhodný osciloskop lze pro tato měření doporučit přístroje Fluke řady Scopemeter Fluke 190-XXX (obr. 6), které momentálně patří mezi jediné vyhovující pro tato měření.

Obr. 6

Dalším místem, kde je třeba kontrolovat stav měniče měřením, jsou jeho výstupné svorky.

Výstupní napětí přiváděné z měniče na motor má, na rozdíl od napětí napájecí sítě, odlišný tvar i frekvenci.

To samozřejmě určuje, jaké přístroje lze k měření parametrů na výstupu měniče použít. 

Výstupní napětí měniče není sinusové a vzniká spínáním stejnosměrného napětí z meziobvodu a má tvar, který je patrný z obr. 1.

Průběh napětí je obdélníkový s měnící se střídou podle amplitudy generované sinusovky, a měnící se frekvencí, odpovídající změně nosné frekvence,

jejíž změnou jsou řízeny otáčky.

Frekvence nosné současných měničů v závislosti od konstrukce se pohybují v řádu od kilohertzů až po stovky kilohertzů.

Protože účinnost spínací části měniče je zásadně závislá na rychlosti spínání, tedy době, po kterou jsou jednotlivé spínací prvky v „analogovém režimu“,

je snahou výrobců maximalizovat rychlost spínání a zkrátit tak čas přechodného stavu na minimum.

Náběžné a sestupné hrany napětí na výstupu měniče jsou tak velmi rychlé a odpovídající frekvence je pak řádově až desítky megahertzů.

Z tohoto stavu plyne, že na měření napětí na výstupu měniče nelze použít žádný běžný přístroj, který jsme používali při měřeních na vstupu měniče.

Je třeba si uvědomit, že na výstupu měniče jsme v naprosto jiném světě než na jeho vstupu.

Pokusy, například měřit napětí, či výkon na výstupu měniče analyzátorem kvality sítě nebo wattmetrem, který je určen pro síť 50 Hz je předem odsouzen k neúspěchu, a získané výsledky jsou naprostá „hausnumera“.

Abychom byli schopni na výstupu měniče zobrazit skutečný průběh napětí, časování a ověřit velikost napětí, tak se bohužel neobejdeme opět bez průmyslového osciloskopu s rozsahem alespoň 100 MHz se čtyřmi kanály.

Vzhledem k velikosti napětí, zkratovým poměrům na výstupu a možnosti vzniku napěťových špiček, nelze použít pro tato měření běžné stolní osciloskopy, které nemají dostatečný stupeň odolnosti proti přepětí, bezpečnosti, a jejich kanály mají společnou zem.

Obr. 7

Osciloskopy vhodnými a bezpečně použitelnými pro měření na výstupu měniče jsou dnes opět již zmiňované přístroje Fluke řady Scopemeter Fluke 190-XXX.

Jsou vybaveny čtyřmi navzájem izolovanými kanály, a jejich vstupy jsou galvanicky oddělené v kategorii IV 600 V (obr. 7).

Při pokusu použít zde běžný osciloskop, který sice měřicími parametry vyhoví potřebnému frekvenčnímu rozsahu,

má čtyři kanály a tudíž se zdá naprosto dostatečný pro takovéto měření, vytvoříme mezi-fázový zkrat.

Situace je následovná - při připojení prvního kanálu osciloskopu přivedeme napětí výstupu měniče na kostru osciloskopu.

Pokud máme takovýto osciloskop napájen z baterie nebo přes izolační transformátor nemusí ještě být problém.

Připojením kostry druhého kanálu osciloskopu však propojíme první a třetí fázi přes kostru osciloskopu a vytvoříme tvrdý zkrat.

Nelze tedy pro tato měření použít žádný přístroj, který má pro všechny kanály společnou zem.

Mnozí mohou namítnout, že použijí oddělovací adaptery na vstupech takovéhoto osciloskopu.

I v tomto případě máme problém.

Většina takovýchto adapterů je konstruována, stejně jako běžné stolní nebo přenosné osciloskopy,

v bezpečnostní kategorii CAT II 300 V, tedy naprosto nedostatečné pro měření na silových částech.

Použitím takovéhoto řešení tedy riskujeme napěťový průraz, zkrat mezi fázemi výstupu měniče, poškození měniče i problém na měřeném zařízení.

Protože měříme většinou za provozu, riskujeme i odstavení výrobního zařízení a tím i velké ztráty.

Obr. 8

 

Pre správnu funkciu motora napájaného z meniča, rovnako ako pri motore napájanom priamo zo siete, je potrebné overiť aj napäťovú symetriu všetkých troch fázových napätí.

Vďaka vysokej frekvencii, ako už bolo povedané, nie je možné použiť funkcie ponúkané analyzátormi kvality siete.

Musíme vystačiť s výpočtom nesymetrie uvedeným na obr. 8 a meraním napätia fáz bezpečným osciloskopom.

Treba samozrejme overiť aj prúdovú nesymetriu, pretože aj v prípade symetrického výstupného napätia nemusí byť prúd odoberaný z meniča vo všetkých fázach rovnaký,

napríklad z dôvodu problému na motore, ktorý takto ľahko zistíme.

Na meranie prúdu s výhodou využijeme tri vstupy osciloskopu a troje prúdové kliešte (obr. 9).

Obr. 9

 

Průběh proudu na výstupu měniče je odlišný od průběhu napětí a má téměř sinusový průběh.

To je způsobeno integrující činností vinutí motoru. Zde lze tedy využít běžný klešťový ampérmetr s funkcí měření skutečné efektivní hodnoty (TRMS).

Na obr. 10 vidíme průběh napětí na výstupu měniče zobrazený na Scopemetru Fluke 190-204.

Obr. 10

 

Autor: Ing. Jaroslav Smetana

Publikováno: časopis ElektroPrůmysl ročník: 2016 číslo: 9

Elektronická verze: Měřte na frekvenčních měničích dříve, než bude pozdě

 

Scopemetry Fluke 190 řady III

Konfigurace modelu 190 řady III na 60 MHz a 100 MHz zahrnují sondy VPS421 100:1 pro vysoké napětí.

Průmyslový multimetr FLUKE 87V

rozlišení 3 3/4 místa s bargrafem s filtrem pro měření napětí na měničích frekvence, TRMS, AC+DC, odpor, kapacita,

Fluke řady 1770 třífázové analyzátory kvality elektřiny

Automatické měření a vyhodnocení všech parametrů kvality elektrické energie podle EN 50160. Zachycení krátkých přechodových jevů až do 8 kV. Monitoring spotřeby energie.

Analyzátor kvality sítě Kyoritsu KEW 6315

Analyzátor kvality elektrické energie nově s ovládáním v českém jazyce.