15. díl -  Šestifázové pohony pod kontrolou Motor Drive Analyzeru Teledyne LeCroy

Analýza 6tifázového pohonu osmikanálovým osciloskopem, 16-kanálový osciloskop, komplexní náhled na celou elektromechanickou sestavu

Měření šestifázových pohonů pomocí Motor Drive Analyzeru Teledyne LeCroy

Šestifázové motory a pohony už nejsou jen laboratorní specialitou. Uplatňují se v trakčních systémech těžkých elektromobilů, v letectví i v aplikacích, kde výpadek jedné fáze nesmí znamenat odstavení celého systému. Při jejich vývoji je proto potřeba sledovat nejen celkový výkon motoru, ale také to, jak se o něj dělí dvě třífázová vinutí ve statickém režimu i při změnách zatížení. Právě tuto úlohu umožňuje řešit Motor Drive Analyzer Teledyne LeCroy.

Kam směřuje vývoj šestifázových pohonů

Vícefázové pohony se prosazují zejména tam, kde jsou požadovány vysoký výkon, spolehlivost a odolnost proti poruchám. Při stejném celkovém výkonu umožňují snížit proud připadající na jednu fázi, omezit momentové pulzace a zvýšit odolnost systému při poruše některé z fází.

Šestifázový motor lze realizovat jako dvě třífázová vinutí v jednom statoru a napájet je dvěma třífázovými střídači. Takové řešení usnadňuje návrh výkonové části a současně vytváří určitou provozní rezervu. Při poruše jedné fáze může pohon v závislosti na své konstrukci a řízení pokračovat v provozu se sníženým výkonem.

Mezi hlavní cíle současného vývoje patří vyšší hustota výkonu, nižší ztráty ve vinutí, omezení prostorových harmonických a spolehlivé chování při poruše. S tím ale roste složitost řízení a také nároky na měření. Nestačí znát pouze průměrný výkon motoru. Je potřeba současně měřit obě sady vinutí a sledovat jejich vzájemnou rovnováhu v čase.

Princip šestifázového motoru

Šestifázové uspořádání obvykle využívá dvě třífázová vinutí vzájemně prostorově posunutá. U asymetrického uspořádání se často používá posun 30°, u symetrického uspořádání 60°. Výsledná magnetomotorická síla může mít příznivější průběh, proud se rozloží do více větví a lze omezit momentové pulzace.

Nulové body obou třífázových vinutí mohou být podle konstrukce stroje oddělené nebo propojené. Oddělená vinutí poskytují větší možnosti při řízení motoru a při řešení poruchových stavů.

Z hlediska měření je důležitý především jeden praktický důsledek: každá sada vinutí se chová jako samostatný třífázový systém. Celkový elektrický výkon šestifázového motoru je proto součtem výkonů obou třífázových sad. Pokud se jejich zatížení při dynamických změnách začne lišit, vzniká nevyvážení, které samotná průměrná hodnota výkonu nemusí odhalit.

Teledyne LeCroy MDA pro měření výkonu motorových pohonů

Motor Drive Analyzer Teledyne LeCroy kombinuje funkce vysokorychlostního osciloskopu a analyzátoru výkonu. Osm analogových kanálů umožňuje při analýze šestifázového pohonu současně snímat obě třífázová vinutí. Pro každou sadu lze použít metodu dvou wattmetrů, tedy měření dvou napětí a dvou proudů.

Analyzátor následně vypočítá třífázový výkon první i druhé sady vinutí a umožní jejich hodnoty sčítat, odečítat a porovnávat. Vývojář tak může sledovat nejen celkový výkon motoru, ale také rozdělení výkonu mezi jednotlivá vinutí.

V dokumentované ukázce MDA vzorkuje rychlostí 10 MS/s a využívá 2 MS akviziční paměti. Krátký 200ms záznam slouží k vyhodnocení statických středních hodnot. Delší pětisekundový záznam naopak ukazuje, jak se výkon obou vinutí mění při dynamických provozních podmínkách.

Původní aplikační příklad Teledyne LeCroy byl vytvořen na analyzátoru MDA810. Stejný princip analýzy lze využít také u současné platformy MDA 8000HD, která nabízí osm analogových kanálů a 12bitové rozlišení. Pomocí technologie OscilloSYNC lze dva přístroje spojit a vytvořit systém až se 16 analogovými kanály. To umožňuje současně sledovat například výstup střídače, stejnosměrný meziobvod, řídicí signály nebo mechanické veličiny.

Statické měření výkonu obou vinutí

Motor Drive Analyzer zobrazuje v tabulce Numerics střední hodnotu třífázového výkonu první sady vinutí (Σabc) a druhé sady (Σrst). Součet obou hodnot představuje celkový elektrický výkon šestifázového motoru.

Hodnoty lze sečíst ručně nebo pomocí vestavěných matematických funkcí přímo v přístroji. Pro jednu ze sad vinutí je v publikovaném příkladu použito nastavení AC (line) Input. Výpočet třífázového výkonu obou sad probíhá metodou dvou wattmetrů.

Vývojář tak okamžitě vidí, zda jsou obě vinutí v ustáleném provozním stavu zatížena rovnoměrně. Nevyvážení šestifázového pohonu může znamenat vyšší elektrické ztráty, nerovnoměrné tepelné zatížení vinutí nebo horší využití výkonových polovodičových modulů.

Dynamické měření při změně zatížení

Výhodou Motor Drive Analyzeru není pouze měření průměrných hodnot výkonu. Z delšího záznamu dokáže vytvořit časové průběhy výkonu první sady vinutí, výkonu druhé sady, jejich součtu i jejich rozdílu. Rozdíl výkonů lze zároveň zobrazit jako podíl z celkového výkonu motoru.

V publikovaném příkladu činí průměrný rozdíl mezi oběma sadami přibližně 1 W. Při lehkém zatížení však rozdíl dosahuje přibližně 20 až 60 % celkového výkonu, zatímco při vyšším zatížení klesá přibližně na 5 až 10 %. Konkrétní hodnotu v libovolném okamžiku lze ověřit pomocí kurzorů nebo zvětšením příslušné části záznamu.

Právě zde se ukazuje význam dynamické analýzy motorového pohonu. Nevyvážení vinutí se může projevit pouze během rozběhu, změny otáček nebo skokové změny zatížení a v průměrné hodnotě výkonu může zůstat skryté.

Pro vývoj řízení šestifázového motoru je tato informace zásadní. Řídicí algoritmus musí udržovat požadovaný moment při změně otáček a zatížení a současně by neměl jednu sadu vinutí nepřiměřeně přetěžovat. MDA umožňuje sledovat vypočtené hodnoty výkonu společně s původními napěťovými a proudovými průběhy, takže je možné v jednom časově synchronizovaném záznamu hledat příčinu i důsledek.

Co měřit při vývoji šestifázového pohonu

Při vývoji šestifázového motorového pohonu je potřeba současně ověřovat zejména celkový elektrický výkon, rovnoměrnost zatížení obou sad vinutí a chování systému během dynamických dějů, například při rozběhu, změně otáček, skoku zatížení nebo odlehčení.

Motor Drive Analyzer umožňuje tyto veličiny sledovat v jednom přístroji. Osm analogových kanálů poskytuje dostatek vstupů pro použití metody dvou wattmetrů na obou třífázových sadách a vestavěná matematika umožňuje přímo vypočítat jejich součet a rozdíl.

Do analýzy lze dále zahrnout například otáčky, úhel hřídele nebo moment. Motor Drive Analyzer podporuje různé typy snímačů a rozhraní, například resolver, kvadraturní enkodér nebo Hallovy snímače. Elektrické chování pohonu je tak možné přímo korelovat s mechanickým chováním motoru.

Měření šestifázového motoru v praxi

V následujícím příkladu si ukážeme, jak pomocí Motor Drive Analyzeru Teledyne LeCroy měřit výkon dodávaný do dvou nezávislých třífázových vinutí šestifázového motoru. Naměřené hodnoty následně sečteme a porovnáme, abychom mohli vyhodnotit rovnoměrnost zatížení vinutí ve statických i dynamických provozních podmínkách.

Akvizice napětí a proudů

Obrázek 1 ukazuje krátký, 200ms záznam měřených signálů. Pro každé třífázové vinutí jsou současně snímána dvě napětí a dva proudy. První sada vinutí je zobrazena vlevo, druhá vpravo. Motor Drive Analyzer při tomto měření vzorkuje rychlostí 10 MS/s a využívá 2 MS akviziční paměti.

Výpočet a zobrazení třífázového výkonu

Obrázek 2 zobrazuje stejný záznam spolu s tabulkou Numerics obsahující průměrné hodnoty výkonu a souhrnným dialogovým oknem Motor Drive Analysis. Tabulka Numerics ukazuje průměrný celkový třífázový výkon vypočtený ze všech měřených period pro každou ze dvou sad vinutí.

MDA je v tomto příkladu nastaven tak, aby výkonové hodnoty počítal pouze ze základní frekvenční složky. Pro výpočet třífázového výkonu obou sad vinutí je použita metoda dvou wattmetrů. Pro jednu z nich je využito nastavení AC (line) Input.

Celkový elektrický výkon šestifázového motoru odpovídá součtu výkonů Σabc a Σrst. Hodnoty lze jednoduše sečíst ručně nebo využít parametrickou matematiku Motor Drive Analyzeru a součet vypočítávat automaticky, jak ukazuje obrázek 3.

Vyvážení vinutí při dynamických provozních podmínkách

U delšího, pětisekundového záznamu stejných signálů lze analyzovat, jak rovnoměrně si obě třífázová vinutí rozdělují celkový výkon během dynamických změn provozu.

Obrázek 4 zobrazuje vlevo napěťové a proudové signály obou sad vinutí a vpravo vypočítané výkonové průběhy. V pravé horní části jsou zobrazeny průběhy celkového třífázového výkonu v čase pro první a druhou sadu vinutí.

Červený průběh představuje součet výkonů obou vinutí, tedy celkový elektrický výkon motoru. Světle zelený průběh zobrazuje rozdíl třífázových výkonů obou sad vinutí a oranžový průběh vyjadřuje tento rozdíl jako podíl z celkového výkonu.

Tabulka Numerics ukazuje, že průměrný rozdíl činí přibližně 1 W. Při lehkém zatížení však rozdíl dosahuje přibližně 20 až 60 % celkového výkonu, zatímco při vyšším zatížení představuje pouze přibližně 5 až 10 %. Přesné hodnoty lze ověřit zvětšením příslušné části záznamu nebo pomocí kurzorů.

Závěr: analýza šestifázového pohonu v jednom záznamu

Teledyne LeCroy Motor Drive Analyzer umožňuje měřit celkový třífázový výkon každé ze dvou sad vinutí šestifázového motoru metodou dvou wattmetrů. Vestavěné matematické funkce následně umožňují vypočítat celkový výkon motoru i rozdíl mezi oběma sadami vinutí a sledovat jejich vyvážení během dynamického provozu.

Výhodou oproti samotnému analyzátoru výkonu je možnost současně zobrazit původní napěťové a proudové průběhy a časově je korelovat s vypočtenými výkonovými veličinami. Současnou platformu MDA 8000HD lze navíc pomocí OscilloSYNC rozšířit až na 16 analogových kanálů pro komplexnější analýzu motoru, střídače, řízení a dalších částí pohonného systému.

Řešíte měření výkonu elektromotoru, vývoj motorového pohonu nebo potřebujete zvolit vhodný osciloskop či Motor Drive Analyzer? Obraťte se na specialisty Blue Panther. Pomůžeme navrhnout měřicí sestavu podle konkrétní aplikace a signálů, které potřebujete sledovat.

Autor českého zpracování: Bohumil Vítovec, technický konzultant Blue Panther s.r.o. | Původní zdroj: Teledyne LeCroy – Six-phase Motor Analysis using the Motor Drive Analyzer | Datum původní publikace: 8. 12. 2019 | Aktualizace české verze: 15. 9. 2026 | Obrázky: Teledyne LeCroy

Fotografie