Měření při údržbě pohonů a motorů (4)

Proč měřit na výstupu měniče a na svorkách motoru

V tomto pokračování seriálu o měření na pohonech přístrojem Fluke MDA550, případně verzí MDA510 si povíme, co a jak ověřovat na výstupních svorkách měniče, jaký vliv má kabel mezi měničem a motorem a co se děje na svorkách motoru a jak to vyhodnotit.

Pro správnou funkci motoru napájeného z měniče stejně jako u motoru napájeného přímo ze sítě je důležitá symetrie napájecího napětí a odebíraného proudu. Nesymetrie těchto parametrů může být způsobena jak poruchou měniče, tak i poruchou napájeného motoru. Zde je nutné upozornit, že při jakémkoliv měření na výstupu měniče se pohybujeme v oblasti vysokých frekvencí a nelze použít běžné přístroje použitelné při měřeních na elektrické síti 50 Hz. Nosná frekvence měničů je řádově desítky, dnes až stovky kilohertzů a díky velmi rychlým hranám šířkově modulovaného napětí měřicí přístroj musí být schopen pracovat s šíří pásma stovky megahertzů. Na obr. 1 je typický průběh napětí na výstupu měniče. Pro tato měření nelze tedy použít žádný běžný analyzátor sítě ani multimetr. Z hlediska bezpečnosti ani běžný osciloskop. Přístroj z pohledu bezpečnosti musí mít navzájem, a i proti zemi, izolované vstupy alespoň v CAT IV 600 V. Jinak hrozí poškození přístroje, měřeného měniče nebo obojího.

Tyto podmínky splňuje velmi málo přístrojů, i když v manuálech mnohých se lze dočíst leccos.

Obr. 1. Typický průběh napětí na výstupu měniče

Přístroj Fluke MDA 550 je konstruován speciálně pro tato měření nejen z hlediska bezpečnosti, ale i co se týče potřebných funkcí pro měření na výstupu měniče i na hřídeli motoru.

Měření začíná nastavením měření na výstupu měniče v hlavním menu přístroje (obr. 2). Po jeho volbě se objeví pod menu, kde je možné vybrat z volby měřit jmenovitou velikost napětí a proudu filtrované – při měření i zobrazení obou veličin je automaticky zapnut digitální filtr, který omezí šířku pásma měření do 10 kHz. Další volby jsou měření a zobrazení modulovaného napětí (PWM), nevyvážení napětí a nevyvážení proudu. Po volbě některé z těchto funkcí se zobrazí schéma připojení přístroje ke svorkám měniče a po stisku NEXT, přístroj zobrazí průběh napětí a proudu odpovídající efektivní hodnotě. Pro číselná měření, která jsou zobrazována na horní liště měřicího okna, lze zobrazit až čtyři číselné hodnoty měření (obr. 3). Při volbě V-A-Hz lze zobrazit napětí (V), proud (A – AC+DC), frekvenci (Hz) a poměr napětí a frekvence (V/Hz). Tedy čtyři, v této chvíli ověřování nejdůležitější parametry. Při volbě V peak nebo A peak lze zobrazit Peak max, Peak min, rozdíl Peak-Peak a Crest factor, vše pro proud nebo napětí snadno stiskem jednoho tlačítka.

Obr. 2. Nastavením měření na výstupu měniče v hlavním menu

Obr. 3. Lze zobrazit až čtyři číselné hodnoty měření

Další důležitou kontrolou je nevyvážení napětí a proudu. Pro tyto kontroly je přístroj vybaven funkcemi vypočtu procenta nevyvážení napětí (obr. 4) a proudu (obr. 5), označené jako % Unb. Stejně jako u předchozí funkce, tak i při volbě měření nesymetrie nejprve přístroj nabídne schéma připojení.

Obr. 4. Funkce výpočtu procenta nevyvážení napětí

Obr. 5. Funkce výpočtu procenta nevyvážení proudu

Hodnota nevyvážení větší než 2 % signalizuje buď problém na vnitřní elektronice měniče, nebo na vinutí motoru. Nevyváženost napětí způsobí nevyváženost proudu, které nakonec povede k nadměrnému zahřívání vinutí motoru. Nižší napětí některé fáze může být způsobeno větším odběrem proudu motorem díky zkratu ve vinutí. Pokud je odběr proudu vyvážený, problém bude v elektronice měniče. Pro ověření této situace je Fluke MDA 550 vybaven dalšími funkcemi o kterých bude zmíněno později.

Při procházení menu Fluke MDA 550 byla vynechána funkce měření a vyhodnocení modulace výstupního napětí měniče. Jednotlivé měřicí obrazovky této funkce jsou na obr. 6. Obrazovka v levé části obrázku je v režimu ZOOM1 a ukazuje časový průběh PWM napětí na výstupu měniče a v horní liště lze nastavit zobrazení číselných hodnot okamžitého měření, a to: napětí PWM (V), napětí špička – špička (V), frekvence (Hz) a poměr napětí a frekvence (V/Hz), důležitého parametru pro ověření charakteristiky měniče.

Obr. 6. Měření a vyhodnocení modulace výstupního napětí měniče

Tato měření lze provádět jednak při připojení přístroje mezi fázemi. Pro podrobnější ověření měniče je přístroj vybaven vyhodnocením dalších parametrů při měření proti zemi a proti stejnosměrnému meziobvodu DC+ a DC–. Při měření proti zemi, DC+ a i DC– je místo frekvence a poměru V/Hz zobrazováno napětí špička max a špička min. V tomto režimu lze funkcí SPEKTRUM zobrazit frekvenční spektrum PWM napětí výstupu měniče (obr. 7).

 
Obr. 7. Funkcí SPEKTRUM lze zobrazit frekvenční spektrum PWM napětí výstupu měniče, 
Obr. 8. Odražené vlny způsobující zákmity a špičky

Při přepnutí do režimu ZOOM2 se zobrazí detail průběhu napětí s případnými špičkami překmitů, jak je vidět na střední obrazovce na obr. 6. Při měření v mezifázovém zapojení je v horní části obrazovky zobrazeno napětí špička max a špička min a jejich rozdíl. Stejné parametry se zobrazují i při měření proti zemi, DC+ a DC–. Takto lze snadno ověřit, zda např. nedochází k překročení dovoleného izolačního napětí, kdy by mohlo dojít k poškození izolace motoru nebo výstupního obvodu měniče a způsobit jeho vypnutí. Měření fáze k zemi se používá hlavně k měření spínací frekvence a identifikaci špiček vysokého napětí vůči zemi. Měření fáze k DC+ nebo DC– se také používá k měření spínací frekvence, ale i k identifikaci problémů IGBT nebo pro kontrolu kolísání napětí, které může indikovat problém s uzemněním celého systému.

V režimu ZOOM3 přístroj zobrazí graficky tvar náběžné hrany a případné zákmity jednoho impulzu napětí PWM. Tato situace je patrná na obrazovce v pravé části obr. 6. V horní liště této obrazovky jsou zobrazovány opět čtyři parametry. Jsou to: velikost napětí špička max (V), změna napětí za sekundu (V/s), špičková hodnota rychlosti náběžné hrany a procento překročení špičky napětí (% ovr).

Tento parametr je vypočítáván u přístroje Fluke MDA 550 na základě nastavení podle evropské nebo americké normy (IEC 60034 nebo NEMA MG1). Podobná měření popsaná výše Fluke MDA 550 nabízí i pro měření na svorkách motoru za měničem.

Tato měření a veličiny jsou nezbytná k posouzení situace na výstupu měniče a vstupu motoru. Umožňují vyhodnotit vliv kabelu na bezpečný provoz měniče i motoru. Jedná se o vliv neznámý z běžné sítě podniků. Jde o vzájemné působení napěťových impulzů vysoké frekvence a impedance. Uplatňují se zde jevy, známé spíše z vysokofrekvenční techniky, a neznámé pro většinu pracovníků údržby. Díky měřicím schopnostem Fluke MDA 550 jsou však snadno měřitelné a vyhodnotitelné běžnými techniky.

Napětí s rychlými náběžnými hranami přiváděné na kabel vedoucí k motoru, který nemusí vždy být impedančně přizpůsoben k výstupní impedanci měniče a vstupní impedanci motoru, může vytvářet odražené vlny způsobující zákmity a špičky tak, jak je vidět na obr. 8. Hlavním problémem, který vznikem odrazů nastává, jak bylo řečeno, je nárůst špiček napětí jak na straně motoru, tak i měniče a možnosti poškození zařízení. Navíc tento stav přispívá ke vzniku hřídelového napětí, které zkracuje životnost ložisek a vytváří výrazné součtové unikající proudy.

Trend zvyšování efektivnosti měničů frekvence vede navíc ke stálému zvyšování spínací rychlosti a tím i růstu rychlosti náběžných hran impulzů výstupního napětí měniče a tím ke zvyšování nebezpečí odrazů a napěťových špiček.

Vztah mezi délkou kabelu, rychlostí náběžné hrany a výsledným nárůstem špičky napětí je na obr. 9.

  
Obr. 9. Vztah mezi délkou kabelu, rychlostí náběžné hrany a nárůstem špičky napětí, 
Obr. 10. Impulzy s rychlými hranami, přepěťové odrazy a situace na svorkách motoru či měniče

Velikost napětí odraženého na svorkách motoru zpět na měnič a přičteného ke špičce napětí a zpět odraženého na svorky motoru je určena něčím, co je nazýváno v technice vysokých frekvencí činitelem odrazu. Ten je závislý na vstupní impedance motoru a kabelu a samozřejmě na frekvenci i délce kabelu.

Impulzy s rychlými hranami se pohybují mezi svorkami motoru a měniče, a na motoru tak vznikají přepěťové odrazy, které mohou mít velikost dvoj, troj i více násobku stejnosměrného napětí na středním obvodu měniče. Situace na svorkách motoru či měniče je patrná z obr. 10.

Jak bylo popsáno výše, přístroj Fluke MDA 550 je vybaven schopnostmi situaci na výstupu měniče nejen změřit, ale i vyhodnotit nebezpečí plynoucí z případných napěťových špiček podle příslušných norem (obr. 11). Pomůže tak předejít jak ztrátám na zařízení, tak i ztrátám plynoucím z přerušení provozu, samozřejmě pokud je přístroj používán k pravidelnému ověřování stavu instalovaných pohonů.

Obr. 11. Měření a vyhodnocení nebezpečí plynoucí z případných napěťových špiček

V následujícím a posledním dílu seriálu se budeme zabývat hřídelovým napětím a ložiskovými proudy, a jejich zjišťováním a vyhodnocením.

Podrobnosti o analyzátor pohonů Fluke MDA 550 lze získat od zástupce firmy Fluke, společnosti Blue Panther, s. r. o.

Měření při údržbě pohonů a motorů (3) – Proč je důležité kontrolovat i stejnosměrný meziobvod