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Messungen an Antrieben mit regelbarer Drehzahl mithilfe des Digitalmultimeters Fluke 87V

Früher ging es bei Motorreparaturen um die Ausfälle von herkömmlichen Dreiphasen-Motoren, die im Wesentlichen auf Wasser, Staub, Fett, defekte Lager, falsch ausgerichtete Motorwellen oder einfach Überalterung zurückzuführen waren. Durch die Einführung von frequenzumrichtergespeisten Motoren bzw. Motoren mit regelbarer Drehzahl (Adjustable Speed Drives, ASDs) haben sich Motorreparaturen tiefgreifend geändert. Bei diesen Antrieben treten Messprobleme auf, die selbst für erfahrene Experten eine Herausforderung darstellen. Dank einer neuen Technologie können Sie jetzt zum ersten Mal mit einem Digitalmultimeter zuverlässige und genaue elektrische Messungen bei der Installation und Instandhaltung eines Antriebs vornehmen und defekte Bauteile oder andere Bedingungen, die einen vorzeitigen Ausfall verursachen können, diagnostizieren.

Verbesserte Fehlersuche

Techniker setzen viele verschiedene Verfahren ein, um Fehler in elektrischen Stromkreisen zu suchen, und ein guter Techniker findet das Problem letztendlich auch immer. Die Kunst besteht darin, den Fehler schnell zu finden und Stillstandszeiten so auf ein Minimum zu reduzieren. Das effizienteste Verfahren für die Fehlersuche besteht darin, beim Motor selbst zu beginnen und sich dann systematisch bis zur Spannungsquelle vorzuarbeiten und dabei zunächst nach den offensichtlichsten Fehlerquellen zu suchen. Der Austausch einwandfrei funktionierender Teile, wenn das Problem einfach nur eine lose Verbindung ist, kann eine Menge Zeit und Geld kosten. Achten Sie auch sorgfältig darauf, genaue Messungen zu machen. Natürlich macht niemand absichtlich ungenaue Messungen, aber trotzdem kann es schnell dazu kommen, besonders wenn Sie in energiereichen und störungsbehafteten Umgebungen wie bei einem Umrichterantrieb arbeiten. Die Auswahl der richtigen Messgeräte für den Antrieb, den Motor und die Anschlüsse ist ebenso äußerst wichtig. Dies gilt besonders für Spannungs-, Frequenz- und Strommessungen an der Ausgangsseite des Motorantriebs. Bis jetzt war jedoch kein Digitalmultimeter erhältlich, mit dem hinreichend zuverlässige Messungen an Frequenzumrichtern vorgenommen werden konnten. Die neue, verbesserte Version des beliebten Digitalmultimeters Fluke 87, das 87 V, enthält einen zuschaltbaren Tiefpassfilter, der richtige Messergebnisse am Ausgang des Antriebs liefert, die mit der Anzeige an der Antriebssteuerung übereinstimmen. Jetzt erhalten Techniker präzise Informationen, ob der Antrieb korrekt funktioniert und für eine bestimmte Steuereinstellung die richtigen Spannungs-, Frequenz- oder Stromwerte liefert, und sind nicht mehr auf Vermutungen angewiesen.

Antriebsmessungen

Eingangsseitige Messungen

Mit jedem Qualitätsmultimeter mit Echteffektivwertmessung kann man korrekte Messungen der Eingangsspannungen zu einem Antrieb mit regelbarer Drehzahl durchführen. Die Messwerte der Eingangsspannung sollten Phase zu Phase ohne Last nicht mehr als 1 % voneinander abweichen. Wenn eine stärkere Abweichung festgestellt wird, sollte diese korrigiert werden, da sie zu einem unregelmäßigen Betrieb des Antriebs führen kann.

Signal eines pulsbreitenmodulierten Motorantriebssignals (aufgenommen mit einem Oszilloskop)

Ausgangsseitige Messungen

Ein normales Echteffektiv-Multimeter kann die ausgangsseitigen Signale eines pulsbreitenmodulierten Motorantriebs (PWM) nicht zuverlässig messen, da der Antrieb mit regelbarer Drehzahl pulsbreitenmodulierte, nicht sinusförmige Spannung an die Motorklemmen liefert. Ein Echteffektiv-Digitalmultimeter misst den Effektivwert der gesamten nicht sinusförmigen Spannung, die am Motor anliegt, während die Ausgangsspannungsanzeige des Motors nur den Effektivwert der Grundwelle anzeigt (typischerweise 30 bis 60 Hz). Der Grund für diese Abweichung liegt in der Bandbreite und der Abschirmung. Viele moderne Echteffektiv-Digitalmultimeter haben Bandbreiten bis zu 20 kHz, wodurch sie nicht nur die Grundwelle messen, die den Motor tatsächlich steuert, sondern auch alle hochfrequenten Signalanteile, die durch den PWM-Antrieb erzeugt werden. Und wenn das Digitalmultimeter nicht gegen hochfrequentes Rauschen abgeschirmt ist, können die hochfrequenten Signale der Antriebsstörungen sogar noch extremere Messabweichungen verursachen. Aufgrund dieser Probleme mit Bandbreite und Abschirmung zeigen viele Echteffektiv-Digitalmultimeter Werte an, die bis zu 20 oder 30% über den Anzeigen der Antriebssteuerung liegen. Das neue Fluke Multimeter 87V mit dem neu integrierten wählbaren Tiefpassfilter kann Spannung, Strom und Frequenz auf der Ausgangsseite des Antriebs an den Antriebs- oder Motorklemmen richtig messen. Wenn der Filter aktiv ist, sollten die Messungen des 87V sowohl für Spannung als auch für Frequenz (Motordrehzahl) mit den zugehörigen Anzeigen der Antriebssteuerung (falls verfügbar) übereinstimmen. Der Tiefpassfilter ermöglicht auch bei Verwendung von Hall-Effekt-Stromzangen präzise Strommessungen. All diese Messungen sind besonders hilfreich, wenn Sie Messungen direkt am Motor vornehmen und die Anzeige des Antriebs nicht zu sehen ist.

Sichere Messungen durchführen

Bevor Sie elektrische Messungen durchführen, vergewissern Sie sich, dass Sie wissen, wie Sie diese Messungen sicher durchführen können. Kein Messgerät ist 100-prozentig sicher, wenn es nicht ordnungsgemäß verwendet wird, und viele Messgeräte sind für Messungen an Antrieben mit regelbarer Drehzahl nicht geeignet. Stellen Sie auch sicher, dass Sie die für Ihre spezielle Arbeitsumgebung und die speziellen Messungen geeignete persönliche Schutzausrüstung verwenden. Arbeiten Sie nach Möglichkeit nie allein.

Sicherheitsspezifikationen für elektrische Messgeräte

Die wichtigsten unabhängigen Organisationen, die Sicherheitsnormen für die Hersteller von Messgeräten herausgeben, sind die ANSI und die IEC (International Electrotechnical Commission). Die zweite Ausgabe der Norm IEC 61010 für Messgerätesicherheit gibt zwei Grundparameter an: eine Spannungsspezifikation und Überspannungskategorien. Die Spannungsspezifikation entspricht der maximalen Dauerarbeitsspannung, die das Gerät messen kann. Die Kategoriespezifikationen geben die für eine bestimmte Kategorie erwarteten Messumgebungen an. Die meisten Drei-Phasen-Anlagen mit Frequenzumrichtern werden als CAT III-Messumgebung angesehen, die von Strom von einer 480-V- oder 600-V-Verteilung gespeist werden. Achten Sie beim Einsatz eines Digitalmultimeters für Messungen an Systemen mit so hohen Spannungen darauf, dass es mindestens für CAT III 600 V und vorzugsweise für CAT IV 600 V/CAT III 1.000 V spezifiziert ist. Die Überspannungskategorien und das Spannungslimit finden Sie normalerweise auf der Frontplatte an den Eingangsklemmen. Das neue Fluke 87V ist spezifiziert nach CAT IV 600 V und nach CAT III 1.000 V. Im Anwendungsbericht "Das ABC der Digitalmultimeter" finden Sie weitere Informationen zu Kategoriespezifikationen und der Durchführung sicherer Messungen.

Durchführen der Messungen

Stellen wir nun das neue Digitalmultimeter Fluke 87V auf die Probe. Die Messungen in der folgenden Vorgehensweise wurden mithilfe des 87V an einer 3-Phasen-Antriebssteuerung mit 480 V an der Klemmenleiste der Steuerung durchgeführt. Diese Vorgehensweise gilt jedoch auch für andere dreiphasige Antriebe mit niedrigerer Spannung, die durch einphasige oder dreiphasige Versorgungsspannungen angetrieben werden. Für diese Tests läuft der Motor mit 50 Hz.

Abb. 1. Ausgangsspannungsanzeige ohne Tiefpassfilter

Eingangsspannung

So messen Sie die Wechselspannungsversorgung zur Eingangsseite des Antriebs am Antrieb selbst:

  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an eine der drei Phaseneingangsklemmen an. Diese Phase dient als Referenzphase.
  • Schließen Sie die rote Messleitung an eine der beiden anderen Phaseneingangsklemmen an und notieren Sie den Messwert.
  • Lassen Sie schwarze Messleitung an die Referenzphase angeschlossen. Schließen Sie nun die rote Messleitung an die dritte Phaseneingangsklemme an und notieren Sie den Messwert.
  • Vergewissern Sie sich, dass der Unterschied zwischen diesen beiden Messwerten nicht mehr als 1 % beträgt.

Eingangsstrom

Zur Messung des Eingangsstroms ist normalerweise eine Stromzange erforderlich. In den meisten Fällen übersteigt entweder der Eingangsstrom den maximalen Stromwert, der mit der Strommessfunktion des 87V gemessen werden kann, oder es ist praktisch nicht möglich, den Stromkreis zu unterbrechen, um eine Reihenmessung der Stromwerte durchzuführen. Vergewissern Sie sich unabhängig vom Stromzangentyp, dass alle Messwerte nicht mehr als 10 % voneinander abweichen.

Transformatorzange (i200, 80i-400, 80i-600A)

  • Legen Sie die Zange an die Eingangsbuchsen für Masse und für 400 mA an.
  • Wählen Sie die mA/A-Wechselstromfunktion.
  • Legen Sie die Zange nacheinander um jede Phasenleitung der Eingangsspannung und notieren Sie die entsprechenden Messwerte. Da diese Stromzangen ein Milliampere pro Ampere ausgeben, zeigen die Milliampere-Messwerte auf dem Display des 87V die tatsächlichen Phasenströme in Ampere an.
Abb. 2. Ausgangsspannungsanzeige mit aktiviertem Tiefpassfilter.

Hall-Effekt-Zange (AC/DC) (i410, i-1010)

  • Legen Sie die Zange an die Eingangsbuchsen für Masse und für V/W an.
  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Drücken Sie die gelbe Taste, um den Tiefpassfilter zu aktivieren. Dadurch kann das Messgerät das hochfrequente Rauschen, das durch die Antriebssteuerung erzeugt wird, herausfiltern. Sobald der Tiefpassfilter aktiviert ist, ist das Messgerät im Modus des manuellen 600-mV-Bereichs.
  • Legen Sie die Zange nacheinander um jede Phasenleitung der Eingangsspannung und notieren Sie die entsprechenden Messwerte. Da diese Stromzangen ein Millivolt pro Ampere ausgeben, zeigen die Millivolt-Messwerte auf dem Display des 87V die tatsächlichen Phasenströme in Ampere an.

Ausgangsspannung

So messen Sie die Wechselspannung am Ausgang der Antriebssteuerung oder an den Motorklemmen:

  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an der Masse-Eingangsbuchse und die rote Messleitung an der V/W-Buchse an.
  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an eine der drei Phasen am Steuerungsausgang oder den Motorklemmen an. Diese Phase dient als Referenzphase.
  • Schließen Sie die rote Messleitung an eine der anderen zwei Phasen am Steuerungsausgang oder den Motorklemmen an.
  • Drücken Sie die gelbe Taste, um den Tiefpassfilter zu aktivieren. Notieren Sie jetzt den Messwert.
  • Lassen Sie schwarze Messleitung an die Referenzphase angeschlossen. Schließen Sie nun die rote Messleitung an die dritte Phasenausgangs- oder Motorklemme an und notieren Sie den Messwert.
  • Vergewissern Sie sich, dass der Unterschied zwischen diesen beiden Messungen nicht mehr als 1 % beträgt (siehe Abb. 2). Die Messungen sollten außerdem mit der Anzeige der Steuerung übereinstimmen (sofern vorhanden).
  • Wenn der Tiefpassfilter nicht aktiviert ist, können die gemessenen Werte für die Ausgangsspannung 10 bis 30 % höher liegen, genau wie bei einem normalen Digitalmultimeter (siehe Abb. 1).

Motordrehzahl (Frequenz der Ausgangsspannung)

Abb. 3. Ausgangsfrequenz (Motordrehzahl) ohne Tiefpassfilter
  • Um die Motordrehzahl zu bestimmen, messen Sie einfach die Frequenz unter Verwendung des Tiefpassfilters. Die Messung kann zwischen zwei beliebigen Phasenspannungs- oder Motorklemmen vorgenommen werden.
  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an der Masse-Eingangsbuchse und die rote Messleitung an der V/W-Buchse an.
  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an eine der drei Phasen am Steuerungsausgang oder den Motorklemmen an. Diese Phase dient als Referenzphase.
  • Schließen Sie die rote Messleitung an eine der anderen zwei Phasen am Steuerungsausgang oder den Motorklemmen an.
  • Drücken Sie die gelbe Taste, um den Tiefpassfilter zu aktivieren.
  • Drücken Sie die Hz-Taste. Der angezeigte Messwert in Hertz ist die Motordrehzahl (siehe Abb. 3). Diese Messung könnte ohne den Tiefpassfilter des 87V nicht hinreichend zuverlässig durchgeführt werden (siehe Abb. 4).
Abb. 4. Ausgangsfrequenz (Motordrehzahl) mit Tiefpassfilter

Ausgangsstrom

Wie für die Messung des Eingangsstroms ist auch für die Messung des Ausgangsstroms normalerweise eine Stromzange mit Zubehör erforderlich. Vergewissern Sie sich noch einmal unabhängig vom Typ der Stromzange, dass alle Messwerte nicht mehr als 10 % voneinander abweichen.

Transformatorzange (i200, 80i-400, 80i-600A)

  • Legen Sie die Zange an die Eingangsbuchsen für Masse und für 400 mA an.
  • Wählen Sie die mA/A-Wechselstromfunktion.
  • Legen Sie die Zange nacheinander um jede der Ausgangsphasenleitungen und notieren Sie die entsprechenden Messwerte. Da diese Stromzangen ein Milliampere pro Ampere ausgeben, zeigen die Milliampere-Messwerte auf dem Display des 87V die tatsächlichen Phasenströme in Ampere an.
Abb. 5. Ausgangsstromanzeige ohne Tiefpassfilter

Hall-Effekt-Zange (AC/DC) (i410, i-1010)

  • Legen Sie die Zange an die Eingangsbuchsen für Masse und für V/W an.
  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Drücken Sie die gelbe Taste, um den Tiefpassfilter zu aktivieren. Dadurch kann das Messgerät das hochfrequente Rauschen, das durch die Antriebssteuerung erzeugt wird, herausfiltern. Sobald der Tiefpassfilter aktiviert ist, ist das Messgerät im Modus des manuellen 600-mV-Bereichs.
  • Legen Sie die Zange nacheinander um jede Ausgangsphasenleitung und notieren Sie die entsprechenden Messwerte (siehe Abb. 6). Da diese Stromzangen ein Millivolt pro Ampere ausgeben, zeigen die Millivolt-Messwerte auf dem Display des 87V die tatsächlichen Phasenströme in Ampere an. Diese Messung wäre ohne den Tiefpassfilter des 87V nicht möglich (siehe Abb. 5).

Motordrehzahl (Frequenz der Ausgangsspannung)

Für Motoren mit einem Betriebsstrom von mindestens 20 A kann die Motordrehzahl über eine Frequenzmessung mit Stromzangen durchgeführt werden. Bisher haben Rauschprobleme genaue Messungen mit Hall-Effekt-Stromzangen verhindert. Mithilfe des Tiefpass-Filters wird diese Anwendung endlich möglich.

Motordrehzahl mit einer Hall-Effekt-Zange (AC/DC) (i410, i-1010)

  • Legen Sie die Zange an die Eingangsbuchsen für Masse und für V/W an.
  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Drücken Sie die gelbe Taste, um den Tiefpassfilter zu aktivieren. Dadurch kann das Messgerät das hochfrequente Rauschen, das durch die Antriebssteuerung erzeugt wird, herausfiltern. Sobald der Tiefpassfilter aktiviert ist, ist das Messgerät im Modus des manuellen 600-mV-Bereichs.
  • Legen Sie die Stromzange um eine der Ausgangsphasenleitungen. Vergewissern Sie sich, dass das 87V einen Strom von mindestens 20 A misst (20 mV im Display).
  • Drücken Sie die Hz-Taste. Die Anzeige gibt nun die Motordrehzahl als Frequenzmessung wieder.
Abb. 6. Ausgangsstromanzeige mit aktiviertem Tiefpassfilter

Motordrehzahl mit Transformatorzange (i200, 80i-400, 80i-600A)

  • Legen Sie die Zange an die Eingangsbuchsen für Masse und für 400 mA an.
  • Wählen Sie die mA/A-Wechselstromfunktion.
  • Legen Sie die Stromzange um eine der Ausgangsphasenleitungen. Vergewissern Sie sich, dass das 87V einen Strom von mindestens 20mA misst (20 mV im Display).
  • Drücken Sie die Hz-Taste. Die Anzeige gibt nun die Motordrehzahl als Frequenzmessung wieder.

DC-Bus-Messungen

Ein stabiler DC-Bus ist Voraussetzung für einen ordnungsgemäß funktionierenden Motorantrieb. Wenn die Busspannung inkorrekt oder instabil ist, können die Umrichterdioden oder Kondensatoren ausfallen. Die DC-Busspannung sollte etwa 1,414 mal die Phase-zu-Phase-Eingangsspannung betragen. Für einen Eingang von 480 V sollte die Spannung des DC-Bus etwa 679 V DC betragen. Der DC-Bus wird normalerweise auf der Antriebsklemmenleiste mit DC+, DC- oder B+, B- angegeben. So messen Sie die DC-Busspannung:

  • Wählen Sie die Gleichspannungsfunktion des 87V.
  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an die Klemme DC- oder B- an.
  • Schließen Sie die rote Messleitung an die Klemme DC+ oder B+ an.
    Die Busspannung sollte dem Beispiel oben entsprechen und relativ stabil sein. Um den Wechselspannungsanteil am Bus zu messen, stellen Sie den Funktionsschalter des 87V auf die V AC-Funktion. Bei einigen kleinen Antrieben ist ein Zugang zu den DC-Bus-Messungen ohne Demontage des Antriebs nicht möglich. Wenn der DC-Bus nicht zugänglich ist, verwenden Sie die Peak/Min/Max-Funktion des 87V, um die DC-Busspannung im Vergleich zum Ausgangsspannungssignal zu messen.
  • Die schwarze Messleitung an der Masse-Eingangsbuchse und die rote Messleitung an der V/½-Buchse einstecken.
  • Wählen Sie die Wechselspannungsfunktion des 87V.
  • Schließen Sie die schwarze Messleitung an eine der drei Phasen am Steuerungsausgang oder den Motorklemmen an. Diese Phase dient als Referenzphase.
  • Schließen Sie die rote Messleitung an eine der anderen zwei Phasen am Steuerungsausgang oder den Motorklemmen an.
  • Drücken Sie die Taste MIN MAX.
  • Drücken Sie die Taste (Peak/Min/Max).
  • Die nach Drücken der Taste Peak/Min/Max angezeigte Spannung ist die DC-Busspannung.