Messen des Spannungs-Frequenz

Messen des
Spannungs-FrequenzVerhältnisses von
Frequenzumrichtern
mit dem tragbaren 2-Kanal-Oszilloskop
Fluke ScopeMeter ® 190 II
Anwendungsbericht
Mit ihren einzigartigen Trigger- und Messfunktionen eignen sich
die tragbaren Oszilloskope Fluke ScopeMeter 190 II ideal für
die Analyse des Spannungs-Frequenz-Verhältnisses von pulsbreitenmodulierten Frequenzumrichtern.
Frequenzumrichter
Impulsbreitenmodulation
Frequenzumrichter sind ein einfaches und kostengünstiges Mittel,
um die Drehzahl robuster Wechselstrommotoren zu variieren. Wenn ein
Wechselstrommotor mit dem Netz
verbunden wird, steht die Drehzahl
des Motors in direktem Zusammenhang mit der Netzfrequenz und der
Anzahl der Motorpole. Bisher war
es nur mit einem externen Getriebe
möglich, mit verschiedenen Drehzahlen zu arbeiten. Dies änderte
sich mit der Einführung von Hochleistungshalbleitern. Jetzt konnte
auf elektronischem Wege eine
Versorgungsspannung mit variabler
Frequenz erzeugt werden, sodass
Frequenzumrichter gebaut werden
konnten. Dadurch entstand jedoch
der Bedarf nach neuen Messfunktionen, die das tragbare Oszilloskop
Fluke 190 II bietet.
Wechselstromantriebe mit
Impulsbreitenmodulation gibt es
inzwischen in vielen Geräten wie
Lüftern, Pumpen und Förderbändern,
die von asynchronen KäfigläuferWechselstrommotoren angetrieben
werden. Diese Motoren sind robust
und benötigen wenig Wartung, da
sie keine Bürsten haben, die regelmäßig ersetzt werden müssen.
Zum Grundaufbau eines Frequenzumrichters (Abbildung 1) gehört
ein Eingangsgleichrichter, der die
Netzspannung in eine Gleichspannung umwandelt, welche den
Gleichspannungs-Zwischenkreis
speist. Diese Gleichspannung wird
anschließend mithilfe elektronischer
Schalter in eine „Spannung mit variabler Frequenz“ umgewandelt. Da die
Drehzahl des Motors mit einem einfachen Potenziometer oder mit einem
Steuersignal einer externen Quelle
eingestellt werden kann, werden
diese Antriebe häufig anstelle von
Getrieben eingesetzt.
Netzversorgung
AC-DCWandlung
Wechselrichter
DC-Filter
und -puffer
+VDC
L1
Zwischenkreisspannung
T1
T2
T3
L2
L3
Masse
-VDC
Mechanischer
Ausgang
Motor (elektrische Last)
Motorleitungen
T3
T2
T1
Abbildung 1. Grundlegender Schaltplan eines Frequenzumrichters.
w w w. f l u k e . d e / S c o p e M e t e r S e r i e s I I
Das neue tragbare 2-kanalige
Oszilloskop Fluke ScopeMeter 190 II
eignet sich ideal für diese Zwecke,
da es das V/Hz-Verhältnis sofort
anzeigen kann, nachdem diese
Option gewählt wurde. Der Techniker kann sich voll auf seine Arbeit
konzentrieren, denn er muss die Einstellungen des tragbaren Oszilloskop
vom Typ ScopeMeter nicht weiter
optimieren. Abbildung 3 zeigt den
Einrichtungsbildschirm zum Auswählen des V/Hz-Verhältnisses.
Das tragbare Oszilloskop vom Typ
ScopeMeter bietet außerdem eine
Connect-and-View-Triggerung, die
automatisch ein stabiles Bild anzeigt.
Abbildung 2. Motortypenschild.
Der Motor
Wechselstrommotoren sind auf ein
rotierendes Magnetfeld konstanter
Stärke ausgelegt. Das Magnetfeld
wird durch die angelegte Spannung
erzeugt, und seine Stärke ist
proportional zum V/Hz-Verhältnis.
Normalerweise ist ein solcher
Motor auf die lokale Netzspannung
(230 V/400 V oder 120 V/208 V) und
die Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz)
ausgelegt. Die Nennwerte sind auf
dem Motortypenschild angegeben
(Abbildung 2). Ist der Motor mit
einem Frequenzumrichter verbunden,
ändert die Antriebseinheit die
Frequenz der Ausgangsspannung.
Dadurch wird die Drehzahl des
rotierenden Magnetfelds und somit
die Drehzahl des Motors geändert.
Wird jedoch nur die Frequenz
gesenkt, wird ein stärkeres Magnetfeld erzeugt, da das V/Hz-Verhältnis
größer wird. Dies führt zu einer magnetischen Sättigung, wodurch ein
instabiles Laufverhalten und höhere
Temperaturen im Motor hervorgerufen werden. Entsprechend führt eine
Erhöhung der Frequenz zu einer Verkleinerung des V/Hz-Verhältnisses
und damit zu einer Reduzierung des
Magnetfelds und des Drehmoments.
Um diese Probleme zu lösen, verändert der Frequenzumrichter neben
der Frequenz auch die Spannung,
damit das V/Hz-Verhältnis konstant
bleibt. Dies geschieht vorzugsweise
über den gesamten Arbeitsbereich des Frequenzumrichters. In
diesem Fall wird eine Regelung vom
Typ V/Hz verwendet, die in ihrer
einfachsten Form einen Drehzahlsollwertbefehl einer externen Quelle
verwendet und die an den Motor
angelegte Spannung und Frequenz
ändert.
2 Fluke Corporation
Durchführen von Messungen
Abbildung 3. Auswählen des V/Hz-Verhältnisses für Messungen am Eingang A.
Messanforderungen
Um prüfen zu können, ob das
V/Hz-Verhältnis über den
gesamten Arbeitsbereich des
Frequenzumrichters konstant ist,
müssen die Ausgangsspannung
und die Frequenz des Antriebs
gleichzeitig gemessen werden. Das
Problem besteht hierbei jedoch
darin, dass die Ausgangssignalform
eines Antriebs mit Impulsbreitenmodulation keineswegs eine
Sinuswelle ist, da sie aus Impulsen
variierender Breite besteht, um einen
Motorantriebsstrom zu erzeugen,
der einer Sinuswelle ähnelt. Dazu
wird der Tastgrad dieser Impulse
so variiert, dass der durch die
Motorwicklung fließende Strom
(nicht aber die Spannung) einer
sinusförmigen Signalform ähnelt.
In der Tat wirken die Motorwicklungen als Tiefpassfilter, wodurch
die impulsbreitenmodulierte Spannung einen Strom erzeugt, der einer
Sinuswelle ähnelt. Ein in diesem Fall
verwendetes Echteffektiv-Voltmeter
würde fehlerhafte Messwerte liefern,
da diese Messgeräte die Effektivspannung für die vollständige
Bandbreite des Signals anzeigen.
Diese Anwendung erfordert ein
Messgerät, das in der Lage ist, nur
die Effektivspannung der Grundkomponente zu messen, da diese
tatsächlich zum Motor gelangt.
Eine weitere Schwierigkeit besteht
darin, dass es wegen der komplexen
modulierten Signalformen häufig
nicht einfach ist, ein stabiles Bild
und die Messwerte des Signals zu
erhalten.
Das Messgerät Fluke ScopeMeter
190 II verfügt über die Sicherheitsspezifikation 600 V CAT IV/1000 V
CAT III. Das heißt, es handelt sich
um ein sehr sicheres Gerät für
professionelle und industrielle
Anwendungen.
Schließen Sie das tragbare Oszilloskop vom Typ ScopeMeter mit dem
zur Standardausstattung des Geräts
gehörenden 10:1-Tastkopf VPS410
direkt an die Motorklemmen an.
Wählen Sie im Menü „SCOPE READINGS“ (Messwerte des Oszilloskops)
den Messwert „V/Hz“ aus (Abbildung 3). Mit dieser neuen Option
lässt sich das Verhältnis direkt ablesen, sodass sich der Bediener nicht
mehr um die richtigen Einstellungen
kümmern muss. Die automatische
Triggerung des tragbaren Oszilloskops vom Typ ScopeMeter sorgt für
eine stabile Anzeige von Signalform
und Messwerten und ermöglicht die
Durchführung von Messungen über
den gesamten Betriebsbereich der
Antriebseinheit.
Abbildung 4. Messen von Vpwm sowie Hz und
Anzeigen des V/Hz-Verhältnisses.
Messen des Spannungs-Frequenz-Verhältnisses bei Frequenzumrichtern mit dem neuen tragbaren 2-Kanal-Oszilloskop Fluke ScopeMeter® 190 II
Abbildung 5. V-Hz-Kennlinie.
Abbildung 4 zeigt den Wert des
V/Hz-Verhältnisses, der anhand der
am Eingang A gemessenen Werte
berechnet wird. Die aktuellen Werte
werden dabei in der oberen Zeile
des Bildschirms angezeigt.
Die Messungen zeigen, dass
das V/Hz-Verhältnis im gesamten
Arbeitsbereich bei Frequenzen bis
50 Hz relativ konstant ist, wobei die
Spannung den Pegel der Eingangsspannung des Antriebs erreicht
(Abbildung 5). Die Messwerte
entsprechen den Nennwerten des
Motors, d. h. 220 V/50 Hz = 4,4.
Wenn die Frequenz auf über 50 Hz
erhöht wird, kann die Antriebseinheit die Ausgangsspannung nicht
mehr erhöhen, da sie durch die Eingangsspannung von 230 V begrenzt
wird. Dies führt zu einem kleineren
V/Hz-Verhältnis und damit zu einem
schwächeren Magnetfeld sowie
einem geringeren Drehmoment bei
hohen Drehzahlen.
Wenn die Drehzahl verringert
wird, erhöht die Antriebseinheit
das V/Hz-Verhältnis ein wenig,
um das Drehmoment bei niedrigen
Drehzahlen zu verbessern. Dieses
Verfahren wird üblicherweise als
Spannungsanhebung bezeichnet.
Normalerweise ist das Drehmoment
eines Motors bei niedrigeren Drehzahlen geringer. Dieser Effekt heißt
„Ohmscher Verlust“ und wird durch
den Widerstand der Motorwicklungen verursacht. Diese haben bei
niedrigeren Drehzahlen einen größeren Einfluss auf die Gesamtimpedanz,
da die Induktivität der Wicklungen
mit der Frequenz abnimmt, während
der Widerstand konstant bleibt. Der
Anteil der Spannung, der zur Induktivität beiträgt ist folglich kleiner,
sodass bei niedrigeren Drehzahlen
ein relativ schwächeres Magnetfeld
erzeugt wird.
Fazit
Das neue tragbare 2-Kanal-Oszilloskop Fluke ScopeMeter 190 II eignet
sich für diese Anwendung besonders
gut, da der gewünschte Messwert durch nur einen Tastendruck
abgerufen werden kann. Spezielle
Einstellungen müssen nicht mehr
vorgenommen werden.
Diese neue Funktion vereinfacht
die Analyse des V/Hz-Verhältnisses;
sie ermöglicht die Untersuchung
des Systemverhaltens und die
Suche nach möglichen Ursachen für
instabiles Verhalten bei Frequenzumrichtern.
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