15. diel – Šesťfázové pohony pod kontrolou Motor Drive Analyzera Teledyne LeCroy

Analýza šesťfázového pohonu pomocou osemkanálového osciloskopu, 16-kanálový systém a komplexný pohľad na celú elektromechanickú zostavu.

Meranie šesťfázových pohonov pomocou Motor Drive Analyzera Teledyne LeCroy

Šesťfázové motory a pohony už nie sú len laboratórnou špecialitou. Uplatňujú sa v trakčných systémoch ťažkých elektromobilov, v letectve aj v aplikáciách, kde výpadok jednej fázy nesmie znamenať odstavenie celého systému. Pri ich vývoji je preto potrebné sledovať nielen celkový výkon motora, ale aj to, ako sa oň delia dve trojfázové vinutia v statickom režime aj pri zmenách zaťaženia. Práve túto úlohu umožňuje riešiť Motor Drive Analyzer Teledyne LeCroy.

Kam smeruje vývoj šesťfázových pohonov

Viacfázové pohony sa presadzujú najmä tam, kde sa vyžaduje vysoký výkon, spoľahlivosť a odolnosť proti poruchám. Pri rovnakom celkovom výkone umožňujú znížiť prúd pripadajúci na jednu fázu, obmedziť momentové pulzácie a zvýšiť odolnosť systému pri poruche niektorej z fáz.

Šesťfázový motor možno realizovať ako dve trojfázové vinutia v jednom statore a napájať ich dvoma trojfázovými striedačmi. Takéto riešenie uľahčuje návrh výkonovej časti a súčasne vytvára určitú prevádzkovú rezervu. Pri poruche jednej fázy môže pohon v závislosti od svojej konštrukcie a riadenia pokračovať v prevádzke so zníženým výkonom.

Medzi hlavné ciele súčasného vývoja patrí vyššia hustota výkonu, nižšie straty vo vinutí, obmedzenie priestorových harmonických a spoľahlivé správanie pri poruche. S tým však rastie zložitosť riadenia aj nároky na meranie. Nestačí poznať iba priemerný výkon motora. Je potrebné súčasne merať obe súpravy vinutí a sledovať ich vzájomnú rovnováhu v čase.

Princíp šesťfázového motora

Šesťfázové usporiadanie zvyčajne využíva dve trojfázové vinutia vzájomne priestorovo posunuté. Pri asymetrickom usporiadaní sa často používa posun 30°, pri symetrickom usporiadaní 60°. Výsledná magnetomotorická sila môže mať priaznivejší priebeh, prúd sa rozloží do viacerých vetiev a možno obmedziť momentové pulzácie.

Neutrálne body oboch trojfázových vinutí môžu byť podľa konštrukcie stroja oddelené alebo prepojené. Oddelené vinutia poskytujú väčšie možnosti pri riadení motora a pri riešení poruchových stavov.

Z hľadiska merania je dôležitý predovšetkým jeden praktický dôsledok: každá súprava vinutí sa správa ako samostatný trojfázový systém. Celkový elektrický výkon šesťfázového motora je preto súčtom výkonov oboch trojfázových súprav. Ak sa ich zaťaženie pri dynamických zmenách začne líšiť, vzniká nevyváženie, ktoré samotná priemerná hodnota výkonu nemusí odhaliť.

Teledyne LeCroy MDA na meranie výkonu motorových pohonov

Motor Drive Analyzer Teledyne LeCroy kombinuje funkcie vysokorýchlostného osciloskopu a analyzátora výkonu. Osem analógových kanálov umožňuje pri analýze šesťfázového pohonu súčasne snímať obe trojfázové vinutia. Pre každú súpravu možno použiť metódu dvoch wattmetrov, teda meranie dvoch napätí a dvoch prúdov.

Analyzátor následne vypočíta trojfázový výkon prvej aj druhej súpravy vinutí a umožní ich hodnoty sčítavať, odčítavať a porovnávať. Vývojár tak môže sledovať nielen celkový výkon motora, ale aj rozdelenie výkonu medzi jednotlivé vinutia.

V dokumentovanej ukážke MDA vzorkuje rýchlosťou 10 MS/s a využíva 2 MS akvizičnej pamäte. Krátky 200 ms záznam slúži na vyhodnotenie statických stredných hodnôt. Dlhší päťsekundový záznam naopak ukazuje, ako sa výkon oboch vinutí mení pri dynamických prevádzkových podmienkach.

Pôvodný aplikačný príklad Teledyne LeCroy bol vytvorený na analyzátore MDA810. Rovnaký princíp analýzy možno využiť aj pri súčasnej platforme MDA 8000HD, ktorá ponúka osem analógových kanálov a 12-bitové rozlíšenie. Pomocou technológie OscilloSYNC možno dva prístroje prepojiť a vytvoriť systém až so 16 analógovými kanálmi. To umožňuje súčasne sledovať napríklad výstup striedača, jednosmerný medziobvod, riadiace signály alebo mechanické veličiny.

Statické meranie výkonu oboch vinutí

Motor Drive Analyzer zobrazuje v tabuľke Numerics strednú hodnotu trojfázového výkonu prvej súpravy vinutí (Σabc) a druhej súpravy (Σrst). Súčet oboch hodnôt predstavuje celkový elektrický výkon šesťfázového motora.

Hodnoty možno sčítať manuálne alebo pomocou vstavaných matematických funkcií priamo v prístroji. Pre jednu zo súprav vinutí je v publikovanom príklade použité nastavenie AC (line) Input. Výpočet trojfázového výkonu oboch súprav prebieha metódou dvoch wattmetrov.

Vývojár tak okamžite vidí, či sú obe vinutia v ustálenom prevádzkovom stave zaťažené rovnomerne. Nevyváženie šesťfázového pohonu môže znamenať vyššie elektrické straty, nerovnomerné tepelné zaťaženie vinutí alebo horšie využitie výkonových polovodičových modulov.

Dynamické meranie pri zmene zaťaženia

Výhodou Motor Drive Analyzera nie je iba meranie priemerných hodnôt výkonu. Z dlhšieho záznamu dokáže vytvoriť časové priebehy výkonu prvej súpravy vinutí, výkonu druhej súpravy, ich súčtu aj ich rozdielu. Rozdiel výkonov možno zároveň zobraziť ako podiel z celkového výkonu motora.

V publikovanom príklade predstavuje priemerný rozdiel medzi oboma súpravami približne 1 W. Pri malom zaťažení však rozdiel dosahuje približne 20 až 60 % celkového výkonu, zatiaľ čo pri vyššom zaťažení klesá približne na 5 až 10 %. Konkrétnu hodnotu v ľubovoľnom okamihu možno overiť pomocou kurzorov alebo zväčšením príslušnej časti záznamu.

Práve tu sa ukazuje význam dynamickej analýzy motorového pohonu. Nevyváženie vinutí sa môže prejaviť iba počas rozbehu, zmeny otáčok alebo skokovej zmeny zaťaženia a v priemernej hodnote výkonu môže zostať skryté.

Pre vývoj riadenia šesťfázového motora je táto informácia zásadná. Riadiaci algoritmus musí udržiavať požadovaný moment pri zmene otáčok a zaťaženia a súčasne by nemal jednu súpravu vinutí neprimerane preťažovať. MDA umožňuje sledovať vypočítané hodnoty výkonu spoločne s pôvodnými napäťovými a prúdovými priebehmi, takže je možné v jednom časovo synchronizovanom zázname hľadať príčinu aj dôsledok.

Čo merať pri vývoji šesťfázového pohonu

Pri vývoji šesťfázového motorového pohonu je potrebné súčasne overovať najmä celkový elektrický výkon, rovnomernosť zaťaženia oboch súprav vinutí a správanie systému počas dynamických dejov, napríklad pri rozbehu, zmene otáčok, skoku zaťaženia alebo odľahčení.

Motor Drive Analyzer umožňuje tieto veličiny sledovať v jednom prístroji. Osem analógových kanálov poskytuje dostatok vstupov na použitie metódy dvoch wattmetrov na oboch trojfázových súpravách a vstavaná matematika umožňuje priamo vypočítať ich súčet a rozdiel.

Do analýzy možno ďalej zahrnúť napríklad otáčky, uhol hriadeľa alebo krútiaci moment. Motor Drive Analyzer podporuje rôzne typy snímačov a rozhraní, napríklad resolver, kvadratúrny enkóder alebo Hallove snímače. Elektrické správanie pohonu je tak možné priamo korelovať s mechanickým správaním motora.

Meranie šesťfázového motora v praxi

V nasledujúcom príklade si ukážeme, ako pomocou Motor Drive Analyzera Teledyne LeCroy merať výkon dodávaný do dvoch nezávislých trojfázových vinutí šesťfázového motora. Namerané hodnoty následne sčítame a porovnáme, aby sme mohli vyhodnotiť rovnomernosť zaťaženia vinutí v statických aj dynamických prevádzkových podmienkach.

Akvizícia napätí a prúdov

Obrázok 1 ukazuje krátky, 200 ms záznam meraných signálov. Pre každé trojfázové vinutie sa súčasne snímajú dve napätia a dva prúdy. Prvá súprava vinutí je zobrazená vľavo, druhá vpravo. Motor Drive Analyzer pri tomto meraní vzorkuje rýchlosťou 10 MS/s a využíva 2 MS akvizičnej pamäte.

Výpočet a zobrazenie trojfázového výkonu

Obrázok 2 zobrazuje rovnaký záznam spolu s tabuľkou Numerics obsahujúcou priemerné hodnoty výkonu a súhrnným dialógovým oknom Motor Drive Analysis. Tabuľka Numerics ukazuje priemerný celkový trojfázový výkon vypočítaný zo všetkých meraných periód pre každú z dvoch súprav vinutí.

MDA je v tomto príklade nastavený tak, aby výkonové hodnoty počítal iba zo základnej frekvenčnej zložky. Na výpočet trojfázového výkonu oboch súprav vinutí sa používa metóda dvoch wattmetrov. Pre jednu z nich je využité nastavenie AC (line) Input.

Celkový elektrický výkon šesťfázového motora zodpovedá súčtu výkonov Σabc a Σrst. Hodnoty možno jednoducho sčítať manuálne alebo využiť parametrickú matematiku Motor Drive Analyzera a súčet vypočítavať automaticky, ako ukazuje obrázok 3.

Vyváženie vinutí pri dynamických prevádzkových podmienkach

Pri dlhšom, päťsekundovom zázname rovnakých signálov možno analyzovať, ako rovnomerne si obe trojfázové vinutia rozdeľujú celkový výkon počas dynamických zmien prevádzky.

Obrázok 4 zobrazuje vľavo napäťové a prúdové signály oboch súprav vinutí a vpravo vypočítané výkonové priebehy. V pravej hornej časti sú zobrazené priebehy celkového trojfázového výkonu v čase pre prvú a druhú súpravu vinutí.

Červený priebeh predstavuje súčet výkonov oboch vinutí, teda celkový elektrický výkon motora. Svetlozelený priebeh zobrazuje rozdiel trojfázových výkonov oboch súprav vinutí a oranžový priebeh vyjadruje tento rozdiel ako podiel z celkového výkonu.

Tabuľka Numerics ukazuje, že priemerný rozdiel predstavuje približne 1 W. Pri malom zaťažení však rozdiel dosahuje približne 20 až 60 % celkového výkonu, zatiaľ čo pri vyššom zaťažení predstavuje iba približne 5 až 10 %. Presné hodnoty možno overiť zväčšením príslušnej časti záznamu alebo pomocou kurzorov.

Záver: analýza šesťfázového pohonu v jednom zázname

Teledyne LeCroy Motor Drive Analyzer umožňuje merať celkový trojfázový výkon každej z dvoch súprav vinutí šesťfázového motora metódou dvoch wattmetrov. Vstavané matematické funkcie následne umožňujú vypočítať celkový výkon motora aj rozdiel medzi oboma súpravami vinutí a sledovať ich vyváženie počas dynamickej prevádzky.

Výhodou oproti samostatnému analyzátoru výkonu je možnosť súčasne zobraziť pôvodné napäťové a prúdové priebehy a časovo ich korelovať s vypočítanými výkonovými veličinami. Súčasnú platformu MDA 8000HD možno navyše pomocou OscilloSYNC rozšíriť až na 16 analógových kanálov na komplexnejšiu analýzu motora, striedača, riadenia a ďalších častí pohonného systému.

Riešite meranie výkonu elektromotora, vývoj motorového pohonu alebo potrebujete zvoliť vhodný osciloskop či Motor Drive Analyzer? Obráťte sa na špecialistov Blue Panther. Pomôžeme navrhnúť meraciu zostavu podľa konkrétnej aplikácie a signálov, ktoré potrebujete sledovať.

---

Autor odborného spracovania: Bohumil Vítovec, technický konzultant Blue Panther s.r.o. | Pôvodný zdroj: Teledyne LeCroy – Six-phase Motor Analysis using the Motor Drive Analyzer | Dátum pôvodného publikovania: 8. 12. 2019 | Aktualizácia slovenskej verzie: 15. 9. 2026 | Obrázky: Teledyne LeCroy

Fotografia