Jak měřit na výkonové elektronice

Využití osciloskopu při návrhu a ověřování měničů frekvence a UPS.

Osciloskopy již dávno nejsou jen nástroji k pouhému zobrazování signálů, ale díky kombinaci s výkonnými procesory a operačními systémy se staly výpočetními středisky, jejichž použití přesahuje původně zamýšlený rámec zaměření těchto přístrojů. A tak je můžeme nalézt v laboratořích zemědělských či stavebních fakult, ale i na dalších místech, kde bychom si dříve jejich použitelnost jen těžko dokázali představit.

Teledyne Lecroy - leader v inovacích

Společnost LeCroy, součást konsorcia Teledyne, je právem považována za předního inovátora v oblasti osciloskopů. Tuto pozici v poslední době utvrdila představením laboratorních osciloskopů s dvanáctibitovými převodníky, osciloskopem s šířkou pásma 100 GHz a nyní též osmikanálovými dvanáctibitovými osciloskopy HDO8000 s šířkou pásma 350 MHz, 500 MHz a 1 GHz. Specializovanou úpravou těchto přístrojů je systém MDA800, který si představíme blíže.

MDA800 neboli Motor Drive Analyzer je v základu osciloskop s osmi kanály a dvanáctibitovými AD převodníky, jehož použití je stejně všestranné, jako tomu je i u ostatních osciloskopů LeCroy. Přesto existuje jeden obor elektrotechniky, kam je tento analyzátor primárně směrován – pohony a výkonová elektronika, tedy vývoj a testování řízených pohonů, zdrojů, usměrňovačů, střídačů, měničů. MDA800 je kombinací několika různých přístrojů:

• rychlého osciloskopu, schopného zaznamenat spínací impulzy a odměřit jejich tvar, amplitudu či rychlost náběžné hrany, nebo naopak dlouhodobě zaznamenávat tvary napětí a proudů s vysokou rychlostí vzorkování,
• analyzátoru výkonu, který v reálném čase měří všechny tři složky trojfázového výkonu, účinnost systému, včetně mechanického výkonu, který určí z měření otáček a momentu na motoru,
• dekodéru sběrnic, jenž zachytává a dekóduje příkazy z řídicí jednotky komunikující s pohonem přes různé typy sběrnic (I2C, SPI, CAN, UART).

Díky osmi analogovým kanálům a šestnácti digitálním kanálům je možné v jednom čase zpracovávat elektrické signály z mnoha míst obvodu pohonu a sledovat tak odezvy systému na různé podněty. Odezvy mohou být krátkodobé – sledy spínacích impulzů, záběrné momenty či reakce na mikrovýpadky napájení, ale i dlouhodobé – těžké rozběhy, brždění, změny účinnosti v závislosti na zatížení apod.

Navzorkované signály jsou pak zobrazeny na jedné obrazovce, kde je lze dále odměřovat, zvětšovat a počítat z nich odvozené elektrické a mechanické veličiny. Díky jedné časové ose je možné jednoznačně určovat následky různých typů vstupů, ať již to jsou chyby v povelech z řídicího systému, či v samotném obvodu měniče.

Na Teledyne Lecroy HDO8000 vše v jednom časovém měřítku a na jedné ploše

Jak ukazuje obr. 2, lze na jedné obrazovce osciloskopu sledovat měřené signály, výsledky výpočtů a měření, dekódování dat ze sběrnic či statistiky a dlouhodobé trendy. Celkově lze najednou zobrazit až šestnáct mřížek s až čtyřiceti průběhy signálů a několik tabulek pro měření a dekódování. To je samozřejmě i na obrazovku o úhlopříčce 12,1" (307 mm) poměrně hodně informací. Pomocí technologie Q-Scape Multi-tab Display si proto lze nastavit až čtyři obrazovky s různými typy informací a přepínat mezi nimi pomocí záložek. Navíc je osciloskop vybaven rozhraním DisplayPort 1.2 podporujícím zobrazení měření na externím monitoru v rozlišení až 3 840 × 2 160 bodů.

Systém Teledyne Lecroy  MDA800 umožňuje provádět:

• Výkonovou analýzu – zobrazovat hodnoty veličin v tabulkách po fázích i trojfázově, počítat účinnost, odměřovat sdružené a fázové veličiny, počítat efektivní hodnoty v reálném čase (perioda po periodě) a zobrazovat jejich statistické rozložení.
• Mechanickou analýzu – analogově nebo digitálně zpracovávat signály z čidel otáček, polohy a momentu umístěných na motoru a počítat mechanický výkon.
• Testování spínacích prvků typu IGBT a MOSFET – monitorování napětí na kolektoru a hradle a proudu kolektorem, spínacích a vodivostních ztrát.
• Analýzu řízení – trigrování a dekódování různých typů sériových sběrnic, monitorování řízení modulace, analýzu regulační smyčky.

A brzy přibude též harmonická analýza, která umožní sledovat obsah harmonických na vstupu a výstupu pohonu.

Nároky na měřicí sondy

Ačkoliv se jedná o elektroniku, výkony, které jsou v obvodech přenášeny, a napěťové hladiny, které se na různých místech obvodu mohou objevit, jsou již značně veliké a mohou ohrozit jak přístroj, tak i jeho obsluhu. Přísné nároky na bezpečnost a zároveň na elektrické parametry splňují vybrané měřicí sondy – diferenční napěťové sondy z řady HVD s šířkou pásma až 120 MHz a izolační pevností 1 000 VRMS v CAT III, proudové sondy z řady CP pro proudy od 30 A do 500 A s šířkou pásma od 2 MHz do 500 MHz a citlivostí od 1 mA na dílek. Všechny měřicí sondy jsou vybaveny rozhraním ProBus zajišťujícím jejich správnou detekci osciloskopem. Ten automaticky nastaví rozsahy mřížek a označení jednotky měřené veličiny a přizpůsobuje měřicí vstup charakteristice sondy. Osciloskop sondy skrz toto rozhraní rovněž napájí a umožňuje je ovládat (např. nulování či demagnetizaci).

Technologie HD4096

Jak již bylo zmíněno na počátku článku, základem osciloskopů z řady MDA800 jsou AD převodníky s hardwarovým rozlišením 12 bitů vzorkující každý z osmi analogových kanálů rychlostí až 2,5 GS/s. Oproti klasickým osmibitovým převodníkům tak poskytují šestnáctinásobně vyšší rozlišení ve vertikální ose, což přináší přesnější odměřování tvaru a amplitudy signálů. Vstupní zesilovače s 55dB odstupem signál-šum pak zajišťují nízký šum celého měřicího systému.

Všestranný pracovní nástroj

Osciloskopy Teledyne LeCroy MDA800 jsou ojedinělými nástroji pro měření na řízených pohonech a napájecích zdrojích. Ačkoliv v přesnosti nemohou, a popravdě ani nehodlají, konkurovat vysoce přesným třífázovým analyzátorům výkonů, jejich síla tkví především v tom, že umožňují komplexní analýzu obvodů výkonové elektroniky v časech od desítek pikosekund po stovky sekund. Na jedné straně tedy lze zobrazit extrémně krátké děje, ale také dlouhodobé trendy. K elektrickému výkonu přiřazují i výkon mechanický, což neumožňují ani některé analyzátory výkonů. Podtrženo a sečteno, MDA800 jsou nenahraditelnými pomocníky ve všech laboratořích a zkušebnách řízených pohonů i celých pohonných systémů.

Publikováno: časopis DPS ročník: 2015 číslo: 3

Online verze: Jak měřit na výkonové elektronice