Merajte na frekvenčných meničoch skôr, než bude neskoro

Kontrola prevádzkového stavu riadeného pohonu pozostáva na jednej strane z merania a vyhodnotenia kvality elektrickej energie napájajúcej pohon, a na druhej strane z kontrol a merania na mechanické časti pohonu.
V tomto článku sa dozviete, čo je dôležité kontrolovať na frekvenčnom meniči.

Starať sa o meniče v podobe pravidelných kontrolných meraní sa zdá väčšine manažérov údržby zbytočné a riešia sa len situácie, keď menič prestane plniť svoju funkciu.

Pretože veľká časť pracovníkov údržby nemá žiadnu alebo len minimálnu predstavu o tom, čo sa v meniči pri prevádzke deje alebo dokonca kde a ako merať na kontrolu jeho prevádzkového stavu, rieši sa až havária výmenou kus za kus.

Pri pravidelnej kontrole prevádzkového stavu, je možné ľahko predísť veľkým haváriám aj finančným stratám.

Kontrola prevádzkového stavu riadeného pohonu pozostáva na jednej strane z merania a vyhodnotenia kvality elektrickej energie napájajúcej pohon, a na druhej strane z kontrol a meraní na mechanické časti pohonu.

Medzi týmito dvoma stranami problematiky leží frekvenčný menič a elektromotor.

O elektromotor je väčšinou pri údržbe postarané iba kontrolou ložísk a mazanie.

Zisťovanie jeho elektrického stavu príde väčšou na rad a pri jeho selnání.

V prípade frekvenčného meniča je to väčšinou ešte horšie. Netočí sa, tak ako by nebol.

Povieme si teda niečo málo o tom, čo je potrebné merať a kontrolovať, okrem napájacieho napätia a prúdu odoberaného meničom pre predstavu o jeho stave.

Obr. 1

Na obrázku 1 vidíme priebeh napätia na vstupe meniča, ktorý je tu sínusový. Všeobecne sínusový nie je a má rôznu úroveň skreslenia.

Tvar prúdu odoberaného zo siete je nesinusový, v prípade obrázku 1 je vidieť typický dvojpuz šesťpulzného usmerňovača.

Túto situáciu je potrebné overiť pre správnu prevádzku meniča. Veľkosť a tvar napájacieho napätia má zásadný vplyv na stability prevádzky meniča.

Obr. 2

Prečo je dôležité kontrolovať veľkosť a stav jednosmerného napätia na medzi obvode meniča a akým spôsobom jeho stav overiť?

Medziobvod je časť meniča (obr. 1) za usmerňovačom. Je tu vytvárané jednosmerné napätie, ktoré slúži na napájanie nasledujúcich spínacích obvodov meniča.

Tie potom produkujú napríklad šírkovo modulované impulzy, ktoré napájajú cievky motora a vytvárajú krútiaci moment motora.

Kvalita jednosmerného napätia v tejto časti meniča teda zásadným spôsobom ovplyvňuje správnu činnosť meniča.

Pokiaľ veľkosť tohto napätia klesne pod požadovanú hodnotu, spínače meniča pracujú v zlom režime a generujú nižšie napätie na svorkách motora.

Preto napätie na medziobvode musí byť v čase stabilné a môže obsahovať len minimálnu striedavú zložku.

Pri usmernení napätia usmerňovačom je veľkosť výsledného jednosmerného napätia, ako už bolo povedané, ovplyvnená aj tvarom napätia privádzaného na usmerňovač.

Navyše môže obsahovať aj isté striedavé zvlnenie (obr. 2).

Môže tu nastať mnoho rôznych situácií, ktoré ovplyvnia veľkosť a stabilitu jednosmerného napätia aj jeho zvlnenie.

Pokiaľ je napájacie napätie nesinusové, ako napríklad je na obr. 3, a jeho spektrum má tvar ako na obr. 4, potom výsledné napätie na medziobvode je nižšie,

než by bolo v prípade čistého sínusového napätia.

Preto je potrebné veľkosť napätia medziobvodu kontrolovať.

Na to by bolo zdanlivo možné použiť bežný multimeter.

Pretože však, ako už bolo povedané, napätie medziobvodu nie je nikdy čisto jednosmerné a obsahuje určitú zložku pulzujúceho striedavého napätia,

je teda potrebné overiť aj veľkosť a tvar tejto pulzujúcej zložky.

Na toto meranie je najvhodnejšie použiť priemyselný osciloskop, ktorým okrem veľkosti DC overíme aj veľkosti striedavej zložky aj jej tvar.

Obr. 3

Obr. 4

Pokiaľ veľkosť zvlnenia dosahuje viac ako niekoľko percent, dochádza k ovplyvneniu stability prevádzky meniča, alebo sa striedavá zložka prenesie až na spínacie obvody.

To je teda zásadný dôvod prečo overiť nielen veľkosť DC napätia, ale aj veľkosť a tvar striedavej zložky (obr. 5).

 

Obr. 5

Kontrolou osciloskopom navyše môžeme zistiť ďalšie informácie o stave usmerňovača, kedy sa napríklad poškodenie niektorej z usmerňovacích diód prejaví na tvare pulzov striedavej zložky napätia na medziobvode.

Pre toto meranie je zásadne potrebné odporučiť priemyselný osciloskop, ktorý má nielen potrebné meracie schopnosti,

ale je konštrukčne riešený skutočne pre meranie v priemyselných „silnoprúdových“ podmienkach.

Bežné ručné aj stolné osciloskopy sú pre tieto merania nevhodné z pohľadu bezpečnosti merania, alebo nie sú dostatočne elektricky odolné proti špičkám napätia.

Ako vhodný osciloskop je možné pre tieto merania odporučiť prístroje Fluke radu Scopemeter Fluke 190-XXX (obr. 6), ktoré momentálne patria medzi jediné vyhovujúce pre tieto merania.

Obr. 6

Ďalším miestom, kde je potrebné kontrolovať stav meniča meraním, sú jeho výstupné svorky.

Výstupné napätie privádzané z meniča na motor má, na rozdiel od napätia napájacej siete, odlišný tvar aj frekvenciu.

To samozrejme určuje, aké prístroje je možné na meranie parametrov na výstupe meniča použiť.

Výstupné napätie meniča nie je sínusové a vzniká spínaním jednosmerného napätia z medziobvodu a má tvar, ktorý je viditeľný z obr. 1.

Priebeh napätia je obdĺžnikový s meniacou sa striedou podľa amplitúdy generovanej sínusovky, a meniacou sa frekvenciou, zodpovedajúcou zmene nosnej frekvencie,

ktorej zmenou sú riadené otáčky.

Frekvencia nosnej súčasných meničov v závislosti od konštrukcie sa pohybujú rádovo od kilohertzov až po stovky kilohertzov.

Pretože účinnosť spínacej časti meniča je zásadne závislá na rýchlosti spínania, teda dobe, počas ktorej sú jednotlivé spínacie prvky v „analógovom režime“,

je snahou výrobcov maximalizovať rýchlosť spínania a skrátiť tak čas prechodného stavu na minimum.

Nábežné a zostupné hrany napätia na výstupe meniča sú tak veľmi rýchle a zodpovedajúca frekvencia je potom rádovo až desiatky megahertzov.

Z tohto stavu vyplýva, že na meranie napätia na výstupe meniča nie je možné použiť žiadny bežný prístroj, ktorý sme používali pri meraniach na vstupe meniča.

Treba si uvedomiť, že na výstupe meniča sme v úplne inom svete ako na jeho vstupe.

Pokusy, napríklad merať napätie, či výkon na výstupe meniča analyzátorom kvality siete alebo wattmetrom, ktorý je určený pre sieť 50 Hz je vopred odsúdený na neúspech, a získané výsledky sú úplná „hausnumera“.

Aby sme boli schopní na výstupe meniča zobraziť skutočný priebeh napätia, časovania a overiť veľkosť napätia, tak sa bohužiaľ nezaobídeme opäť bez priemyselného osciloskopu s rozsahom aspoň 100 MHz so štyrmi kanálmi.

Vzhľadom k veľkosti napätia, skratovým pomerom na výstupe a možnosti vzniku napäťových špičiek, nie je možné použiť na tieto merania bežné stolné osciloskopy, ktoré nemajú dostatočný stupeň odolnosti proti prepätiu, bezpečnosti, a ich kanály majú spoločnú zem.

Obr. 7

Osciloskopy vhodnými a bezpečne použiteľnými na meranie na výstupe meniča sú dnes opäť už spomínané prístroje Fluke radu Scopemeter Fluke 190-XXX.

Sú vybavené štyrmi navzájom izolovanými kanálmi a ich vstupy sú galvanicky oddelené v kategórii IV 600 V (obr. 7).

Pri pokuse použiť tu bežný osciloskop, ktorý síce meracími parametrami vyhovie potrebnému frekvenčnému rozsahu,

má štyri kanály a teda sa zdá úplne dostatočný pre takéto meranie, vytvoríme medzi-fázový skrat.

Situácia je nasledovná - pri pripojení prvého kanála osciloskopu privedieme napätie výstupu meniča na kostru osciloskopu.

Pokiaľ máme takýto osciloskop napájaný z batérie alebo cez izolačný transformátor nemusí ešte byť problém.

Pripojením kostry druhého kanála osciloskopu však prepojíme prvú a tretiu fázu cez kostru osciloskopu a vytvoríme tvrdý skrat.

Nie je teda možné pre tieto merania použiť žiadny prístroj, ktorý má pre všetky kanály spoločnú zem.

Mnohí môžu namietnuť, že použijú oddeľovacie adaptéry na vstupoch takéhoto osciloskopu.

Aj v tomto prípade máme problém.

Väčšina takýchto adaptérov je konštruovaná, rovnako ako bežné stolné alebo prenosné osciloskopy,

v bezpečnostnej kategórii CAT II 300 V, teda úplne nedostatočné pre meranie na silových častiach.

Použitím takéhoto riešenia teda riskujeme napäťový prieraz, skrat medzi fázami výstupu meniča, poškodenie meniča aj problém na meranom zariadení.

Pretože meriame väčšinou za prevádzky, riskujeme aj odstavenie výrobného zariadenia a tým aj veľké straty.

Obr. 8

 

Pre správnu funkciu motora napájaného z meniča, rovnako ako pri motore napájanom priamo zo siete, je potrebné overiť aj napäťovú symetriu všetkých troch fázových napätí.

Vďaka vysokej frekvencii, ako už bolo povedané, nie je možné použiť funkcie ponúkané analyzátormi kvality siete.

Musíme vystačiť s výpočtom nesymetrie uvedeným na obr. 8 a meraním napätia fáz bezpečným osciloskopom.

Treba samozrejme overiť aj prúdovú nesymetriu, pretože aj v prípade symetrického výstupného napätia nemusí byť prúd odoberaný z meniča vo všetkých fázach rovnaký,

napríklad z dôvodu problému na motore, ktorý takto ľahko zistíme.

Na meranie prúdu s výhodou využijeme tri vstupy osciloskopu a troje prúdové kliešte (obr. 9).

Obr. 9

 

Průběh proudu na výstupu měniče je odlišný od průběhu napětí a má téměř sinusový průběh. To je způsobeno integrující činností vinutí motoru. Zde lze tedy využít běžný klešťový ampérmetr s funkcí měření skutečné efektivní hodnoty (TRMS). Na obr. 10 vidíme průběh napětí na výstupu měniče zobrazený na Scopemetru Fluke 190-204.

Obr. 10

Priebeh prúdu na výstupe meniča je odlišný od priebehu napätia a má takmer sínusový priebeh.

To je spôsobené integrujúcou činnosťou vinutia motora. Tu je možné využiť bežný kliešťový ampérmeter s funkciou merania skutočnej efektívnej hodnoty (TRMS).

Na obr. 10 vidíme priebeh napätia na výstupe meniča zobrazený na Scopemetri Fluke 190-204.

 

Autor: Ing. Jaroslav Smetana

Publikováno: časopis ElektroPrůmysl ročník: 2016 číslo: 9

Elektronická verze: Měřte na frekvenčních měničích dříve, než bude pozdě

 

Scopemetry Fluke 190 řady III

Konfigurácie modelu 190 série III na 60 MHz a 100 MHz zahŕňajú sondy VPS421 100: 1 pre vysoké napätie.

Priemyselný multimeter FLUKE 87V

Priemyselné multimetre 3 3/4 miesta s bargrafom s funkciou na meranie napätia na riadených pohonoch a meničoch frekvencie

Trojfázové analyzátory kvality elektrickej energie Fluke série 1770

Automatické meranie a vyhodnotenie všetkých parametrov kvality elektrickej energie podľa EN 50160. Zachytenie krátkych prechodových javov až do 8 kV. Monitoring spotreby energie.

Analyzátor kvality siete KEW 6315

Výkonný analyzátor kvality elektrickej energie unikátne malých rozmerov,pracuje v triede "S".