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Oberschwingungen mit einem ScopeMeter 123 von Fluke und der FlukeView ScopeMeter Software auswerten

8. Sep 2020 | Forschung

Auswertung mit einem ScopeMeter 123 von Fluke und FlukeView® von Oberschwingungen, die zur Überhitzung und dem Abflachen der Signalform in Transformatoren, Schaltanlagen und Verkabelung führen.

von Chuck Newcombe

Bei Energieverteilungssystemen für nichtlineare elektronische Lasten treten häufig Symptome auf, die typisch für vorhandene Oberschwingungsströme sind. Sind diese Oberschwingungsströme groß, dann können Transformatoren, Schaltanlagen und Verkabelungen überhitzen. Sie können Verzerrung der Spannungssignalformen herbeirufen, was zu geringeren als den normalen Spitzenspannungen führt. Dies wird auch als Abflachen bezeichnet.

Was Signalformen aussagen und Spektrumanalysen ergänzen können

Spektrumdatenblock
Spektrumdatenblock

Man kann sich natürlich ausschließlich mit der punktuellen Größenordnung von Spannung oder Strom über einen Zeitraum befassen. Die Signalform, die man sieht, wird dem Zeitbereich zugeordnet. Man kann unter Umständen die hohen Spitzenströme und abgeflachten Spannungen erkennen, die darauf hindeuten, dass Oberschwingungen vorhanden sind. Oder man kann die FlukeView® ScopeMeter Softwareverwenden und den Oberschwingungen, die die Signalform verzerren, Zahlen zuordnen. undDies ist hilfreich bei der Beurteilung, ob Korrekturmaßnahmen ergriffen werden müssen oder nicht. Hierfür müssen zuerst die Signalformdaten über die Schaltfläche „Signalform A“ auf der Menüleiste von FlukeView hochgeladen werden. Wechseln Sie dann zum Menü „Extras“ und wählen Sie die einzige Möglichkeit aus: Spektrum. Es erscheint eine Tabelle mit waagerechten Balken für die Oberschwingung der Amplituden. Diese Analyse gilt als dem Frequenzbereich zugehörig.

Bei einer von mir gemessenen Test-Sinuswelle sagt uns der Spektrumdatenblock (rechts), dass die gesamte harmonische Verzerrung (THD) 0,57 % beträgt. Die Cursor-Einstellungen zeigen, dass die zweiten und dritten Oberschwingungen jeweils 0,3 % der 60,0 Hz Spannungs-Grundschwingung von 4,13 V RMS (Effektivwert) betragen.

Dieser Test wurde unter idealen Signalbedingungen durchgeführt. Die Amplitude der Signalform verwendet fast sechs vertikale Unterteilungen und es werden drei Fünftel der vorhandenen 255 A/D-Wandler-Ebenen zur klaren Beschreibung der Signalform verwendet. Für unsere Spektrumanalyse waren außerdem drei vollständige Signalformzyklen verfügbar.

Worin bestehen die Einschränkungen der Spektrum-Analysesoftware, wenn die Bedingungen nicht optimal sind?

Signalform
Datenblock
Spektrum (Spectrum)
Bildschirm 50 mV/div
Bildschirm 50 mV/div

Testbedingungen vor Ort lassen in der Regel keine idealen Signalformen zu und deshalb beschloss ich, die vorhandene Sinuswellenspannung zu reduzieren, um herauszufinden, was passiert, wenn das Signal schwächer wird. Ich verwendete präzise ohmsche Dämpfungsglieder für den Ausgang meines Signalformgenerators und verminderte die Amplitude des Eingangssignals für das ScopeMeter, ohne die Qualität der erzeugten Signalform zu beeinflussen.

Bei einer Abschwächung von 60 dB wurde das Signal um 4 mV reduziert und das ScopeMeter 123 befand sich in seinem niedrigsten verfügbaren Bereich: 5 mV/div.

Beim Fokus auf einen Teil der dreizyklischen Signalform und unter der Verwendung der Y-Cursor konnte ich einige Rauschimpulse des Signals von 4,0 mV RMS hervorheben und verdeutlichen, dass starkes Rauschen (fast 2 mV p-p Impulse) auf dieser niedrigen Ebene vorhanden war.

Überraschenderweise konnte die Spektrumsfunktion der FlukeView Software immer noch eine angemessene Auswertung der Sinuswelle bewerkstelligen, wobei das Rauschen als leicht erhöhter Klirrfaktor dargestellt wurde. Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) betrug nun etwa 3 % und bei der zweiten Oberschwingung handelte es sich um die größte einzelne Oberschwingung mit fast 2 %, aber die gemessene Signalformfrequenz wich nur 0,1 Hz von dem erzeugten Nominalwert von 60,0 Hz ab.

Ich hielt den Signalausgang des Funktionsgenerators konstant, um dann das ScopeMeter zu einem Bereichswechsel nach oben zu veranlassen und somit die Signalgröße in Display und die Anzahl der verfügbaren A/D-Bits zu reduzieren, um das Signal zu messen.

Im Bereich von 50 mV/div bei 4,0 mV RMS, der immer noch genau wiedergegeben wurde, ist der Trigger der Signalform aufgrund des Signalrauschens instabil.

Auch die FlukeView Spektrumanalyse ist an ihre Grenzen gestoßen.

Die Frequenz von 60,0 Hz wird nun mit 63,1 Hz gemeldet, der Gesamtklirrfaktor (THD) beträgt etwa 18 % und die 3. und die 5. Oberschwingung werden mit ca. 4 % angezeigt. Außerdem erscheinen eine Reihe von größeren, geradzahligen Oberschwingungskomponenten der Anzeige.

Da wir zuvor das gleiche Signal mit dem Zehnfachen dieser Auflösung im Bereich von 5 mV/div bewerten konnten, wissen wir, dass sowohl die Repräsentation der Frequenz als auch der Oberschwingung auf diesem Bildschirm ungenau sind.

Spektrum 50 mV/div
Spektrum 50 mV/div

Fazit

Ich empfehle bei der Verwendung von FlukeView die Verwendung von Signalformen mit mindestens zwei vertikalen Unterteilungen als Quelle für eine genaue Spektrumanalyse.

Was kann man noch in FlukeView über eine Signalform und ihr Spektrum erfahren?

Das ScopeMeter 123 verwendet Überabtastung bei 25 MHz zur Anzeige aller dargestellten Abtastungen. Was man auf dem Bildschirm zu sehen bekommt, wird Hüllkurvendarstellung genannt. Jede der 250 horizontalen Positionen zeigt den Maximal- und den Minimalwert der vielen Proben an, die während jedes angezeigten Probenzeitraums genommen wurden. Werden die Daten aus der Signalform über „Bearbeiten – Daten kopieren“ ausgelesen, kann man diese in eine Tabellenkalkulation aufnehmen, in der Spalten für die maximalen und die minimalen Spannungen an jeder Stelle in der dargestellten Signalform dargestellt werden.

Wenn „Bearbeiten – Daten kopieren“ für das angezeigte Spektrum verwendet wird, finden Sie Spalten für Oberschwingungsfrequenz, Oberschwingungsamplituden und von deren Phase bis 40. Nachdem ich ein wenig in der Tabellenkalkulation gearbeitet hatte, gelang es mir, die auf dem ‚Scope‘ angezeigte Signalform über eine Umkehr-Transformation solcher Daten neu zu erzeugen.

Wie man aus dem oben Gesagtem sieht, ist es möglich, eine Menge nützlicher Informationen über das zuverlässige ScopeMeter zu erhalten, aber es ist gut, wenn man die Möglichkeiten und Grenzen kennt, damit man keine falschen Rückschlüsse zieht.