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Multimeter-Ergänzungen, Teil 2: Verwendung von Multimeter und Oszilloskop zur Fehlersuche bei Transientenspannungen in Antriebsausgängen mit variabler Frequenz

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 2 wird die Fehlersuche bei transienten Reflexionen am Ausgang des pulsbreitenmodulierten Motorantriebs eines Antriebs mit variabler Frequenz (VFD) beschrieben.

Führen Reflexionen zu Schäden an der Motorwicklung?

Ein Antrieb mit variabler Frequenz steuert die Drehzahl bei Maschinen und Prozessen durch die Änderung („Modulation“) der Breite der an den Motor geleiteten Spannungsimpulse. Diese Spannungsimpulse (die eigentlich aus rechteckigen Wellen bestehen) verfügen über steil ansteigende Kanten, die zu Reflexionen der Transientenspannungen („Transienten“) im Kabel zwischen dem VFD und dem Motor führen können. Die Größe der reflektierten Wellen wird u. a. von Faktoren wie Kabellänge, Motorlast, die Überspannungsimpedanz von Kabel und Motor sowie Anstiegszeit, Abstand und Stärke der Antriebsimpulse beeinflusst.

Mit der Zeit können die reflektierten Wellenspannungen zu einer überhöhten Belastung und dadurch zu Ausfällen bei Kabel oder Motor führen.

Fehlersuche mit dem Multimeter

Spannungsmessungen mit einem Digitalmultimeter können Überspannung an den Motorklemmen anzeigen, wenn Transienten vorhanden sind.

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Abbildung 1. Mit einem Digitalmultimeter gemessene Spitzenspannung eines pulsweitenmodulierten Signals ohne Reflexionen.
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Abbildung 2. Mit einem Digitalmultimeter gemessene Spitzenspannung eines pulsweitenmodulierten Signals mit Reflexionen, die zu hohen Spannungstransienten führen.

Schließen Sie zur Spannungsmessung das Multimeter an den Motorklemmen zwischen den Phasen L1, L2 oder L3 an.

Der am Multimeter angezeigte Wert in Abbildung 1 entspricht der Spitzenspannung einer Kombination von VFD und Motor ohne Reflexionen.

Ein Wert, der über dem Normalwert wie in Abbildung 2 liegt, deutet auf die Auswirkungen von Reflexionen hin.

Sie können ein Digitalmultimeter zur Messung der Spitzenspannung eines pulsweitenmodulierten Signals verwenden. Die eingeschränkte Bandbreite eines herkömmlichen Multimeters führt jedoch zu Problemen bei der Messung von Impulsen mit kurzen Anstiegszeiten und deshalb ergeben die Messwerte nicht unbedingt ein umfassendes Bild über das Vorhandensein – oder die vollständige Amplitude – jeglicher Reflexionen oder Transienten. Und sogar die modernsten Digitalmultimeter können nicht darstellen, wie die Signale eigentlich aussehen.

Wenn Sie in Abbildung 2 die am Motor angelegte pulsweitenmodulierte Spitzenspannung prüfen, ist nicht ersichtlich, wie dicht die Transientspitzen an dem für den Motor spezifizierten Höchstwert liegen, oder ob die Motorisolierung möglicherweise Gefahr läuft zu versagen. Sie brauchen weitere Informationen.

Fehlersuche mit einem Oszilloskop

Digitaloszilloskop mit der Anzeige eines pulsweitenmodulierten Signals und normalen Spitzenspannungswerten.
Abbildung 3. Digitaloszilloskop mit der Anzeige eines pulsweitenmodulierten Signals und normalen Spitzenspannungswerten.
Oszilloskopanzeige mit hohen Spannungstransienten aufgrund von Reflexionen.
Abbildung 4. Digitaloszilloskopanzeige eines pulsweitenmodulierten Signals mit hohen Spannungstransienten aufgrund von Reflexionen.
Oszilloskopanzeige mit Spannungstransienten.
Abbildung 5. Detailansicht der pulsweitenmodulierten Signalform mit einem Pfeil, der die Größe des Spannungstransienten darstellt.

Ein Oszilloskop stellt Signale in einer Linienform dar, die sich von links nach rechts über die Anzeige bewegt. Je stärker die Spannung, desto höher erscheint das Signal auf dem Bildschirm des Oszilloskops. Messungen, die mit einem Oszilloskop durchgeführt werden, verdeutlichen nicht nur Überspannung an den Motorklemmen, sie vermitteln auch einen klaren Eindruck über Größe, Anordnung und Dauer von beliebigen Spannungstransienten.

Schließen Sie für die Messung das Oszilloskop an die Motoranschlüsse zwischen den Phasen L1, L2 oder L3 entsprechend dem Multimeter im vorangegangenen Beispiel an.

Abbildung 3 verdeutlicht ein ideales pulsweitenmoduliertes Signal mit normaler Spitzenspannung.

Abbildungen 4 und 5 zeigen hohe Spannungstransienten aufgrund von Spannungsreflexionen. Vergleichen Sie die Signalform, bei der die Auswirkungen von Reflexionen hohe Spannungstransienten erzeugen, mit der Form eines Signals ohne Transienten in Abbildung 3.

Spannungsreflexionen sind oft das Resultat von schlechter Verkabelung. Ein Oszilloskop mit großer Bandbreite und schneller Abtastrate kann Spitzenspannungen aufgrund von Kabelreflexionen genau erfassen.

Fazit

Ein Digitalmultimeter ist hilfreich, wenn Sie Überspannungen bei einem Antriebssignal suchen, ein Oszilloskop kann Ihnen jedoch das eigentliche Signal darstellen und damit können Sie entscheiden, ob es sich um ein gesundes Signal oder um schädigende Transienten handelt. Ein tragbares Oszilloskop vereinfacht Messverfahren, wo immer Sie sich befinden.

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte!