Měření při údržbě pohonů a motorů (6. část) Co se děje na výstupu měniče

Toto pokračování seriálu o měření na pohonech a motorech je věnováno výstupu měniče. Výstupní napětí přiváděné z měniče na pohon má na rozdíl od napětí napájecí sítě odlišný tvar i frekvenci. To určuje přístroje, které 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 se v závislosti na konstrukci pohybují v řádu od kilohertzů až po stovky kilohertzů. Protože účinnost spínací části měniče je zásadně závislá na době, po kterou jsou jednotlivé spínací prvky (obr. 1) v „analogovém režimu“ – tedy přecházejí ze stavu sepnutého do rozepnutého a naopak, je snahou výrobců maximalizovat rychlost tohoto přechodu, tj. zkrátit dobu toho přechodového stavu na minimum.

Obr. 1. Základní schéma měniče a průběhy napětí a proudů

Náběžné a sestupné hrany napětí na výstupu měniče jsou tak velmi rychlé a tomu odpovídající frekvence je řádově až desítky megahertzů. Z tohoto stavu plyne, že k měření napětí nelze použít žádný běžný přístroj, který byl používán k měření na vstupu měniče. Je třeba si uvědomit, že na výstupu měniče jsme v naprosto jiném světě než na jeho vstupu. Tedy pokusy, např. měřit napětí či výkon analyzátorem kvality nebo wattmetrem určeným pro síť 50 Hz jsou předem odsouzeny k neúspěchu a ten, kdo takto postupuje, získává jako výsledek měření naprostá „hausnumera“.

Toto bude patrně špatná zpráva pro všechny příznivce super-univerzálních přístrojů nebo „šetřílků“, kteří očekávají možnost měřit na celém pohonu jedním přístroje. Abychom byli schopni na výstupu měniče zobrazit skutečný průběh napětí, časování a ověřit jeho velikost, tak se rozhodně neobejdeme bez průmyslového osciloskopu s rozsahem alespoň 100 MHz se čtyřmi kanály.

Vzhledem k velikosti napětí, zkratovým poměrům na výstupu a možnosti vzniku napěťových špiček, o kterých si povíme příště, nelze použít pro tato měření běžné stolní osciloskopy, které nemají  dostatečný stupeň odolnosti proti přepětí, bezpečnosti, a jejich kanály mají společnou zem.  

Osciloskopy vhodnými a bezpečně použitelnými pro tato měření jsou nyní přístroje Fluke řady Scopemeter Fluke 190-XXX zmíněné v předcházející části seriálu. Jsou vybaveny čtyřmi navzájem izolovanými kanály, a jejich vstupy jsou v kategorii IV 600 V (obr. 2).

Obr. 2. Scopemetr Fluke 190-XXX

Na druhou stranu 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, vytváříme mezifázový zkrat v případě, že připojený motor není zapojen do hvězdy. Při pokusu měřit napětí mezi fázemi na výstupu měniče s motorem do trojúhelníka totiž 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 vzniknout problém. Ale připojením kostry druhého kanálu osciloskopu 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. I v případě použití oddělovacích adapterů na vstupech takovéhoto osciloskopu máme problém. Většina takovýchto adapterů je konstruována, stejně jako běžné stolní, nebo přenosné osciloskopy v bezpečnostní kategorii II CAT 300 V, tedy naprosto nedostatečné pro měření na  silových částech. Použitím takovéhoto řešení riskujeme napěťový průraz, zkrat mezi fázemi výstupu měniče, poškození měniče a problém na měřeném zařízení. Protože měříme většinou za provozu, riskujeme i odstavení výrobního zařízení, a tím i velké ztráty.

Obr. 3. Určení nesymetrie

Pro správnou funkci motoru napájeného z měniče stejně jako u motoru napájeného přímo ze sítě je třeba ověřit napěťovou symetrii všech tří fázových napětí. Díky vysoké frekvenci, jak již bylo řečeno nelze použít funkce nabízené analyzátory kvality sítě a metodu rozkladu, ale musíme vystačit s výpočtem nesymetrie uvedeným na obr. 3 a měřením napětí fází bezpečným osciloskopem. Je potřeba 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 snadno zjistíme. Pro měření proudu s výhodou využijeme tři vstupy osciloskopu a troje proudové kleště (obr. 4).

Obr. 4. Měření s pomocí proudových kleští

Průběh proudu na výstupu měniče, jak patrno z obr. 1, je odlišný od průběhu napětí a má téměř sinusový průběh. Je to způsobeno integrující činností vinutí motoru. Zde lze tedy využít běžný klešťový ampérmetr s funkcí měření skutečné efektivní hodnoty (TRMS). Je dobré upozornit na existenci speciálních multimetrů pro měření na pohonech, které jsou vybaveny funkcí filtru, který zajistí, že i velikost pulzujícího napětí na výstupu měniče lze ověřit a získat hodnotu odpovídající efektivní hodnotě napětí napájejícího motor. Jde např. o přístroje Fluke 87V nebo Kyoritsu KEW1062 (obr. 5).

Obr. 5. Multimetr Kyoritsu KEW1062

Obr. 6. Průběh napětí na výstupu měniče, zobrazený přístrojem Fluke 190-204

Ty jsou vybaveny speciálním tlačítkem (žluté tlačítko na obr. 5), které zařadí do měření filtr. Při použití běžného multimetru i altimetru TRMS přístroj zobrazí naprosto nesprávnou velikost napětí díky jeho tvaru. Protože však kromě velikosti napětí a proudu je třeba ověřit na výstupu měniče i jejich tvar, použití vhodného osciloskopu se ve vybavení pracovníků údržby nevyhneme. Na obr. 6 je vidět průběh napětí na výstupu měniče zobrazený na Scopemetru Fluke 190-204. V dalším díle seriálu si povíme, co může způsobit kabel, kterým je připojen motor k měniči, a probereme důležitost  bezpečnosti měřicích přístrojů, která byla tentokrát naznačena.