Měřte na frekvenčních měničích dříve, než bude pozdě

V současné době, díky stále stoupající snaze o automatizaci, snižování energetické náročnosti, ale často i díky prosté lenosti konstruktérů, je většina pohonů vybavována frekvenčními měniči. Současné výrobní podniky, velká obchodní a kancelářská centra jsou plná řízených pohonů, které jsou ve většině případů ponechány bez jakékoliv údržby v domnění, že když se v zařízení nic netočí, nemá se co opotřebovat.

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

U měničů větších výkonů se řeší až oprava při havárii, u menších výkonů je řešením výměna celého měniče.
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 a jak předejít drahé havárii, výpadku výroby a finančním ztrátám, přenechává se řešení na externích organizacích v podobě, ve většině případů, menších lokálních firem, které disponují jen minimálními znalostmi a téměř žádným technickým vybavením pro měření a kontrolu měniče. Situaci pak řeší výměnou kus za kus. To se může zdát na první pohled jako efektivní, ve skutečnosti tyto organizace, které se prezentují, jako servis, jsou bohapustým prodejcem měničů žijícím z prodejní marže měničů, tedy nemají žádný motiv starat se průběžně o měnící se parametry měniče a o včasnou nápravu stavu dříve, než dojde k havárii.

Obr. 1

Podobná situace je bohužel i přímo u servisních organizací i významných značek. Stav jejich vybavenosti a znalostí je, až na výjimky, velmi problematický. Nicméně managementy podniků, které najímají externí firmu pro potřebu řešit problematiku kolem údržby pohonů, věří, že tím, že najali „tak zvaně“ odbornou firmu, mají vše pod kontrolou a zvolili nejlepší možné řešení.
To, co zde uvádím, není nějaká povrchní povídačka sloužící k podpoře prodeje měřicí techniky, ale zkušenost někoho, kdo se 25 let pohybuje v průmyslu v oblasti měření v údržbě. Pro zlepšení si dovoluji dále uvést něco málo o měření na pohonech.
Kontrola provozního stavu řízeného pohonu není jednoduchá a sestává jak z měření parametrů elektrické sítě napájející pohon, tak i, na druhé straně, z měření na mechanické části pohonu.  Mezi těmito dvěma póly problematiky leží frekvenční měnič a elektromotor a důležitá oblast průběžné kontroly jejich stavu. O elektromotor je většinou při údržbě postaráno kontrolou ložisek a mazání. Elektrická část řízeného pohonu je však ponechávána stranou až do havárie.
Povíme si tedy něco málo o tom, co je nutné měřit, krom napájecího napětí a odebíraného proudu měničem pro představu o jeho stavu.

Obr. 2

Proč je důležité kontrolovat velikost a stav stejnosměrného napětí v mezi obvodu měniče a jakým způsobem jeho stav ověřit?
Meziobvod je část měniče (obr. 1) za usměrňovačem a 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.
Velikost stejnosměrného napětí na meziobvodu je především ovlivňována velikostí napětí na vstupu, tedy napětí sítě, ale bohužel nejen tím. Má na ní vliv i tvar tohoto napájecího napětí. Při usměrnění napětí usměrňovačem je velikost výsledného stejnosměrného napětí dána i tvarem napětí přiváděného na usměrňovač. Toto napětí pak obsahuje 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 na obr. 3, a jeho spektrum má tvar jako na obr. 4, 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 třeba ověřit i velikost této pulzující složky. K tomuto měření je nejvhodnější použít průmyslový osciloskop, který kromě velikosti DC ukáže velikosti střídavé složky a ověříme jím 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 analyzátorem kvality sítě nebo wattmetrem, který pro síť 50 Hz je předem odsouzen k neúspěchu, a získané výsledky jsou naprostá „hausnumera“.
Toto bude patrně špatná zpráva pro všechny příznivce super-univerzálních přístrojů nebo „šetřílky“, kteří očekávají možnost měřit na celém pohonu jedním přístrojem. 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

Pro správnou funkci motoru napájeného z měniče, stejně jako u motoru napájeného přímo ze sítě, je třeba ověřit také napěťovou symetrii všech tří fázových napětí. Díky vysoké frekvenci, jak již bylo řečeno, nelze použít funkce nabízené analyzátory kvality sítě. Musíme vystačit s výpočtem nesymetrie uvedeným na obr. 8 a měřením napětí fází bezpečným osciloskopem. Je třeba samozřejmě ověřit i proudovou nesymetrii, protože i v případě symetrického výstupního napětí nemusí být proud odebíraný z měniče ve všech fázích stejný, například z důvodu problému na motoru, který takto snadno zjistíme. Pro měření proudu s výhodou využijeme tři vstupy osciloskopu a troje proudové kleště (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

Další podrobnosti o osciloskopech Scopemetr Fluke 190 získáte od zástupce Fluke pro ČR společnosti Blue Panther s.r.o. Zde můžete získat i informace o školeních z oblasti měření na pohonech poskytovaných touto společnosti.

Autor: Ing. Jaroslav Smetana

Publikováno: časopis ElektroPrůmysl ročník: 2016 číslo: 9

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