Jak měřením ověřit stav měniče

V současné době, díky stále stoupající snaze o automatizaci, snižování energetické náročnosti, ale často i prosté lenosti konstruktérů, je většina pohonů vybavována měniči frekvence. Současné výrobní podniky, velká obchodní a kancelářská centra jsou plná řízených pohonů, které jsou ve většině případů ponechány bez jakékoliv průběžné údržby v domnění, že když se v zařízení nic netočí, nemá se co opotřebovat. 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. Většinou jde o menší lokální firmy, které disponují jen minimálními znalostmi a téměř žádným technickým vybavením pro měření a kontrolu měniče. Situaci řeší výměnou kus za kus. To se může zdát na první pohled jako efektivní, ve skutečnosti opak je pravdou.

Kontrola provozního stavu řízeného pohonu sestává jak z měření parametrů napájecí elektrické sítě, tak také z měření na mechanické části pohonu. Mezi těmito dvěma póly problematiky leží měnič frekvence a důležitá oblast průběžné kontroly jeho stavu. O elektromotor je většinou při údržbě postaráno kontrolou ložisek a mazání. Elektrická část řízeného pohonu je však ponechávána stranou až do havárie.

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

Proč je důležité kontrolovat velikost a stav stejnosměrného napětí v meziobvodu 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 produkují např. šířkově modulované impulzy, které napájejí cívky motoru a vytvářejí krouticí moment motoru.

Obr. 1. Schéma měniče

Kvalita a velikost tohoto stejnosměrného napětí na meziobvodu měniče tedy zásadním způsobem ovlivňuje správnou činnost měniče. Jestliže 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 meziobvodu je zásadně ovlivňována velikostí a tvarem napětí na vstupu měniče, tedy napětí sítě. Při usměrnění napětí usměrňovačem je velikost výsledného stejnosměrného napětí dána i tvarem, tedy zkreslením napětí přiváděného na usměrňovač. Toto napětí obsahuje i jisté střídavé zvlnění (obr. 2). Může zde nastat mnoho různých situací, které ovlivní velikost a stabilitu stejnosměrného napětí i jeho zvlnění.

Obr. 2. Napětí za usměrňovačem

Jestliže je napájecí napětí nesinusové, jako např. na obr. 3, a jeho spektrum má tvar jako na obr. 4, díky téměř 50% podílu 5. harmonické bude výsledné napětí na meziobvodu nižší, než by bylo v případě čistého sinusového napětí. Další významný vliv na velikost napětí meziobvodu má nesymetrické napájení měniče. Vzhledem k dynamice provozu strojů a tím kolísání napětí sítě a kolísání nevyvážení dochází i ke kolísání napětí meziobvodu, které je samozřejmě podporováno změnou zátěže vlastního měniče. Stabilita DC napětí meziobvodu je také významně ovlivněna velikostí filtračního kondenzátoru za usměrňovačem. Čím je kapacita tohoto kondenzátoru menší, tím je vliv výše popsaných situací větší. Vzhledem k tomu, že kapacita kondenzátoru klesá v čase, mohou se výše popsané vlivy projevit po delší době a samozřejmě ne stejně. 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, mění se v čase a obsahuje určitou složku pulzujícího střídavého napětí, je třeba ověřit jak velikost této pulzující složky, tak i časové změny. K tomuto měření je nejvhodnější použít průmyslový osciloskop, který kromě velikosti DC ukáže velikost střídavé složky a lze jím ověřit i její tvar.

Obr. 3. Nesinusové napájecí napětí

Obr. 4. Frekvenční spektrum napájecího napětí

Jakmile velikost zvlnění dosahuje více než několik procent, je ovlivněna stabilita provozu měniče nebo se střídavá složka přenese až na spínací obvody. To je zásadní důvod, proč ověřit nejen velkost DC napětí, ale i velikost a tvar střídavé složky (obr. 5). Kontrolou osciloskopem navíc lze zjistit další informace o stavu usměrňovače.

Obr. 5. Střídavá složka napětí

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, protože 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. Scopemeter Fluke 190-XXX

Dalším místem, kde je třeba kontrolovat stav měniče měřením, jsou jeho výstupní 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 spínacími prvky a má tvar, který je patrný z obr. 1. Průběh napětí je obdélníkový s měnící se střídou a měnící se frekvencí, jejíž změnou jsou řízeny otáčky. Frekvence nosné současných měničů se v závislosti na konstrukci pohybují v řádu od kilohertzů až po stovky kilohertzů. Náběžné a sestupné hrany napětí na výstupu měniče jsou z důvodu efektivity měniče velmi rychlé a odpovídající frekvence je řádově až desítky megahertzů.

Z toho plyne, že pro měření napětí na výstupu měniče nelze použít žádný běžný přístroj, který byl používán při měřeních na vstupu měniče. Je třeba si uvědomit, že na výstupu měniče jsme v naprosto jiném světě než na jeho vstupu. Pokusy, např. měřit napětí či výkon analyzátorem kvality sítě nebo wattmetrem, který je určen pro síť 50 Hz, jsou předem odsouzeny k neúspěchu a získané výsledky jsou naprostá „hausnumera“.

Toto bude patrně špatná zpráva pro všechny příznivce superuniverzálních 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 naneštěstí neobejdeme opět bez průmyslového osciloskopu s rozsahem alespoň 100 MHz a 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. Vstupy Scopemetru

Osciloskopy vhodnými a bezpečně použitelnými pro měření na výstupu měniče jsou 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 mezifázový zkrat. Situace je následovná: při připojení prvního kanálu osciloskopu přivedeme napětí výstupu měniče na kostru osciloskopu. Jestliže 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 použít žádný přístroj, který má pro všechny kanály společnou zem.

Obr. 8. Zjednodušený výpočet nesymetrie

Mnozí mohou namítnout, že použijí oddělovací adaptéry na vstupech takovéhoto osciloskopu. I v tomto případě máme problém. Většina takovýchto adaptérů 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 se měří většinou za provozu, riskujeme i odstavení výrobního zařízení a tím i velké ztráty.

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 nelze použít funkce nabízené analyzátory kvality sítě. Musí se 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, např. z důvodu problému na motoru, který takto lze snadno zjistit.

Obr. 9. Průběh napětí na výstupu měniče

Na obr. 9 je vidět průběh napětí na výstupu měniče zobrazený na Scopemetru Fluke 190-204. Další podrobnosti o osciloskopech Scopemetr Fluke 190 získáte u zástupce Fluke pro ČR společnosti Blue Panther, s. r. o. Zde je možné získat i informace o školeních z oblasti měření na pohonech a auditech pohonů, organizovaných touto společností.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 6/2018 na straně 32. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde