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Multimeter-Ergänzungen, Teil 1: Fehlersuche bei einem Antrieb mit variabler Frequenz mit einem Multimeter und einem Oszilloskop

Ein Digitalmultimeter gehört zur Grundausrüstung bei der Fehlersuche in der Elektrik und ist das Messgerät, auf das wir alle zuerst zurückgreifen. In „Multimeter-Ergänzungen“ untersuchen wir fünf Beispiele, bei denen die zusätzliche Verwendung eines Oszilloskops eine Fehlersuche schneller, einfacher und effektiver gestalten kann.

In Teil 1 beschreiben wir die Fehlersuche bei einem Antrieb mit variabler Frequenz (VFD).

Was stimmt nicht mit dem VFD?

Für den reibungslosen Ablauf vieler industrieller Prozesse müssen die Antriebe mit regelbarer Drehzahl immer intakt sein. Wenn eine Fehleranzeige aufleuchtet, muss das Problem schnell diagnostiziert und behoben werden.

In diesem Beispiel tritt bei einem Antrieb mit regelbarer Drehzahl in einem wichtigen System eine Fehleranzeige auf. Der Fehlercode wird entsprechend des Antriebs mit variabler Frequenz mit „F4“ angegeben. Sie überprüfen den Fehlercode und erfahren, dass bei dem Antrieb die Spannungsbedingung „Unterspannung“ erkannt wurde. Der Antrieb wurde abgeschaltet.

Liegt der Fehler im Antrieb, im Motor oder an einer verzerrten Netzspannung?

Fehlersuche mit dem Multimeter

Abbildung 1. Messung der Netzspannung am Eingang eines pulsbreitenmodulierten Motorantriebs. Die Spannung erscheint normal.
Abbildung 2. Eine Zwischenkreisspannung unter dem Nominalwert weist auf ein mögliches Problem hin

Prüfen Sie die Netzspannung am Eingang

  • Auf einem herkömmlichen Multimeter werden entweder Mittelwerte oder Effektivwerte der Spannung angezeigt (Abbildung 1)
  • Je nach Art der Verzerrung ist anhand des Multimeters nicht erkennbar, ob ein Problem vorliegt.

Mit einem Digitalmultimeter können Sie die Eingangsspannung prüfen, aber je nach Verzerrung weist der Spannungswert nicht immer auf ein Problem hin. Mit einem Multimeter können Verzerrungen oder transiente Ausfälle nicht immer erkannt werden.

Prüfen Sie die VFD-Zwischenkreisspannung

  • Die Zwischenkreisspannung ist direkt proportional zum Spitzenwert der Netzspannung am Eingang
  • Prüfen Sie auf Verzerrungen oder Fehler der Netzspannungs-Spitzenamplitude, bei der ein Fehler bei der Über- oder Unterspannung auftreten kann (Die Antriebs-Zwischenkreisspannung in Abbildung 2 zeigt einen Wert von ca. 20 % unter dem Nominalwert von 160 V an.)

In diesem Beispiel liegt die Zwischenkreisspannung 20 % unter dem Nominalwert. Dies ist ein Problem. Müssen Antriebssteuerung, Motor oder beides ausgetauscht werden? Sie brauchen weitere Informationen.

Fehlersuche mit einem Oszilloskop

Abbildung 3. Das Oszilloskopsignal zeigt die Netzspannung am Eingang mit abgeflachter Wellenform
Abbildung 4. Ideale Netzspannung: Sinuswelle

Prüfen Sie die Netzspannung am Eingang

  • Verbinden Sie das Digitaloszilloskop mit der Phase und die Masseleitung mit Neutral
  • In diesem Beispiel verdeutlicht die Signalform Sinuswellenspitzen, die untypisch runder und beinahe „abgeflacht“ sind (Abbildung 3).
  • Verzerrte Signale wie die in Abbildung 3 haben kein Verhältnis von Spitzenspannung zu Effektivspannung von 1,4, was einer gut ausgeformten Sinuswelle entspricht.
  • Abbildung 4 verdeutlicht einen Schaltkreis mit einer idealen Netzspannungs-Signalform (eine Sinuswelle mit einem Verhältnis von Spitzenspannung zum Effektivspannung von 1,4).

Ein Oszilloskop kann die Dinge besser verdeutlichen. Schließen Sie an der Stromeinspeisung des Antriebs das Oszilloskop an die Phasen L1, L2 oder L3 und die Erdleitung an Neutral an. In diesem Beispiel lässt ein kurzer Blick auf die Signalform beinahe flache Sinuswellen erkennen (Abbildung 3). Wenn Sie dies mit der idealen Signalform aus Abbildung 4 vergleichen, wird der Unterschied deutlich.

Flache Signale werden oft durch nicht-lineare Lasten erzeugt, die am gleichen Versorgungskreis angeschlossen sind. Mit dem Oszilloskop können Sie erkennen, dass das Problem nicht mit dem VFD oder dem Motor zusammenhängt. Neben der Amplitude zeigt das Oszilloskop grafisch Informationen zu Verzerrungen, Störungen und Rauschen, wodurch die Signalform zwar beeinträchtigt werden kann, aber Sie erhalten alle Informationen für die Fehlersuche, Diagnose und Problembehebung.

Fazit

Die Signalform-Verzerrung in diesem Beispiel wurde durch eine nicht-lineare Last erzeugt, die am gleichen Versorgungskreis wie das VFD aber nicht an den VFD oder an den Motor angeschlossen war.

Ein Digitalmultimeter ist in der Lage, exakte Effektiv- oder Amplituden-Scheitelwerte wiederzugeben. Ein Oszilloskop stellt grafisch die Amplitude (Effektivwert oder Spitzenwert) sowie jede Verzerrung, Störung und jedes Rauschen dar, das auf der Signalform vorhanden sein kann.

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte!

Tragbare Oszilloskope werden zur Störungssuche in vielen Bereichen im Außendienst eingesetzt, angefangen bei elektrischen oder elektromechanischen Systemen bis hin zu elektronischen und industriellen Regelsystemen.