Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Innovative Messlösung für die Leistungsmessung von Antriebssystemen : Ausgabe 08/2017, 10.05.2017

Ideal zur Beurteilung des statischen und dynamischen Betriebs

Die Leistungselektronik ist eines der am schnellsten wachsenden Marktsegmente in der Elektronik. Dies resultiert vor allem aus neuen Vorgaben, die Effizienz von Antrieben oder Motoren zu verbessern, was zu immer komplexeren Anforderungen an die Antriebssteuerungen führt. Leistungselektronikkomponenten findet man in Schaltnetzteilen, Gleichspannungswandlern, Umrichtern oder Wechselrichtern.

Autor: Ken Johnson, Director of Marketing, Product Architect, Gregor Hofferbert, Field Application Engineer, beide Teledyne LeCroy

Bilder: Teledyne LeCroy

Wandler für grosse Leistungen und/oder dreiphasige Leistungswandler nutzen sehr komplexe Steuerungen für die Leistungsregulierung. Diese Steuerungen können sehr schnelle Mikroprozessoren (mehrere 100 MHz Taktfrequenz) mit umfangreicher Mixed-Signal- Architektur (analoge, digitale Signale und serielle Schnittstellen) enthalten. Bis heute wurden überwiegend Power Analyzer eingesetzt, um den Leistungsbedarf und die Effizienz eines Systems zu messen. Oszilloskope wurden eher genutzt, um Fehler in der Steuerung oder der Leistungselektronik eines solchen Systems zu finden und zu beheben. Seit einigen Jahren gibt es ein Digitalspeicheroszilloskop von Teledyne LeCroy, den Motor Drive Analyzer MDA800A, das beide Komponenten in einem Gerät vereint (Bild 1).

12-Bit-Oszilloskoparchitektur bei hohen Bandbreiten

Der grösste Teil der Digitalspeicheroszillo­skope, die für den universellen Einsatz in der Elektronik eingesetzt werden, verwenden AD-Wandler mit 8-Bit-Vertikalauflösung. Diese Oszilloskope haben bis zu vier analoge Eingänge und optional 16 digitale Eingänge (MSO-Option). Dazu noch eine Vielzahl an Trigger und Dekodierlösungen für serielle Daten sowie weitere Analyseoptionen für gängige Anwendungen. Alle Anbieter von solchen Oszillo­skopen bieten ähnliche Lösungen bei den Tastköpfen für Spannungs- und Strommessungen an. Erfassungssysteme mit höherer Auflösung (10, 12, 14, 16 Bit oder mehr) verfügen über relativ niedrige Bandbreiten und sind daher nur für spezielle Anwendungen geeignet. Der MDA800A ist jedoch ein Oszilloskop, das acht analoge Eingänge, eine Vertikalauflösung von 12 Bit bei einer analogen Bandbreite von 1 GHz und einer Abtastrate von 2,5 GSa/s bietet. Diese Geräte verwenden Eingangsverstärker mit hohem Signalrauschabstand und die gesamte Gerätearchitektur ist als rauscharmes Design ausgelegt, um Nutzen aus der echten 12-Bit-Auflösung zu erzielen. Damit sind sie ideal für Messungen in der Medizintechnik oder eben bei Leistungswandlersystemen geeignet.

Neuer Messansatz für Leistungsmessungen mit einem DSO

Mit diesem Oszilloskop lassen sich dank acht analoger Eingänge Leistungs- und Effizienzanalysen an dreiphasigen Systemen durchführen. Es stehen genügend Kanäle zur Verfügung, um alle drei Spannungs- und Stromsignale eines dreiphasigen Systems zu erfassen. Dazu hat man noch zwei weitere analoge und die digitalen Eingänge, um z.B. Drehzahl und Drehmoment aufzunehmen, oder um weitere Signale an der Ansteuerelektronik oder den Gatetreibern zeitlich korreliert zu messen. Dadurch, dass der MDA800A zu den normalen Mess- und Analyseeigenschaften des Oszilloskops auch eine numerische Messwerttabelle für dreiphasige Netz- und Stromversorgungen eines Power Analyzers anzeigen kann, hat man ein Messgerät, das nahezu den Leistungsumfang eines Power Analyzers hat, ohne auf die Funktionen eines Oszilloskops verzichten zu müssen. Es ist darüber hinaus viel einfacher, die Zusammenhänge zwischen dem Verhalten der Leistungseinheit und Aktivitäten der Steuerelektronik zu erkennen. Dadurch lässt sich das komplette Antriebssystem viel schneller prüfen und Fehler schneller finden und beheben.

Ein Power Analyzer betrachtet die Leistungswandlereinheit als «Black Box» mit Ein- und Ausgängen. Diese Signale kann man messen und numerische Werte für z. B. Spannung, Strom, Leistung und Effizienz lassen sich anzeigen. Allerdings gibt es nur begrenzte bis keine Möglichkeiten, die gemessenen Signale anzuzeigen oder Messungen an der Steuerung oder der Leistungselektronik durchzuführen. Darüber hinaus verfügen viele Power Analyzer nicht über die Möglichkeit, Geschwindigkeits- oder Drehmomentsensoren in die Messung zu integrieren. Mit einem normalen 8-Kanal-Digitalspeicheroszilloskop mit Mixed-Signal-Option kann man an einem solchen Antriebssystem die dreiphasigen Ein- und Ausgangssignale, den DC-Bus oder sonstige analoge, digitale oder pulsbreitenmodulierte Signale oder auch Datensignale der Steuerelektronik anzeigen. Daneben lassen sich Schalt- und Leitungsverluste von IGBTs oder MOSFET-Leistungshalbleitern sehr einfach messen. Durch die Möglichkeit, unterschiedliche Signale in verschiedenen Teilen des kompletten Antriebssystems zu messen, können Probleme in einem Bereich des Antriebs mit anderen Bereichen korreliert werden, um dadurch die Fehlerursache einfacher zu finden. Man kann jedoch keine numerischen Werte für Leistung oder Effizienz in dreiphasigen Systemen berechnen und es gibt auch keine integrierte Möglichkeit, die Werte für Motordrehzahl oder Drehmoment in das Oszilloskop einzubinden. Man müsste also weiterhin zwei Messgeräte, einen Power Analyzer und ein Oszilloskop, verwenden, um eine Antriebseinheit komplett messen, prüfen oder Fehlersuche durchführen zu können.

Leistungsmessung dynamischer Vorgänge

Der MDA800A kombiniert diese beiden Messgeräte. Damit lassen sich sowohl die numerischen Messwerte eines Power Analyzers als auch die Messmöglichkeiten eines Oszillo­skops abdecken. Nun kann man sich ein ganzheitliches Bild eines Antriebs machen und Fehler schneller identifizieren und beheben.

Die vielleicht wichtigste Eigenschaft des MDA800A ist jedoch die Möglichkeit, über die statische Messung eines Antriebs hinaus auch dynamische Prozesse aufzuzeichnen und diese dynamischen Verläufe der erfassten Messparameter der Power-Analyzer-Tabelle zu berechnen und darzustellen. Die Messwerttabelle des MDA800A oder eines Power Analyzers zeigt immer einen Mittelwert über einen bestimmten Erfassungszeitraum an. Dieser Mittelwert ist aussagekräftig, wenn ein Antrieb oder Motor mit der gleichen Drehzahl oder Last betrieben wird, also bei statischen Bedingungen. Was jedoch, wenn man wissen möchte wie sich der Antrieb z. B. bei einer Last- oder Drehzahländerung verhält? Was geschieht beim Anlauf eines Motors mit Last oder wenn der Motor eine Überlastabschaltung durchführt?

Mit der MDA-Funktion des Motor Drive Analyzers ist eine solche Messung, die sehr aussagekräftige Ergebnisse über die Güte einer Regelung liefern kann, relativ einfach zu realisieren. In der MDA-Funktion stehen vier Eingangsbereiche zur Verfügung, in die man die Messungen aufteilt. Der erste Bereich ist der «AC-Input», den man für Geräte verwendet, die mit Netzspannung betrieben werden. Dann den «DC-Bus» für die Messungen am Zwischenkreis, den «Drive Output» für die PWM-Spannungen und Ströme, die an den Motor gehen und schliesslich den Bereich «Mechanical», in dem man verwendete Drehmoment-, Drehzahl- oder Winkelsensoren einbinden kann. Für jeden dieser Bereiche muss man ein Signal als Synch-Signal auswählen. Dies kann entweder eine gemessene Phasenspannung oder ein Phasenstrom sein. Für den Mechanikbereich kann man sogar digitale Signale als Synch auswählen, wenn man z. B. Hallsensoren als Drehzahlsensoren verwendet.

Die Signale sind auf vier Bereiche aufgeteilt

Für analoge Signale erzeugt man über einen einstellbaren Tiefpassfilter z. B. aus einer PWM-Phase-Phase-Spannung, ein sinusähnliches Signal. Damit hat man klare positive Nulldurchgänge in dem Synch-Signal. Diese markieren die einzelnen Signalperioden. Anhand dieser Nulldurchgänge kann man nun eine lange Aufzeichnung in einzelne Signalperioden aufteilen.

Der MDA800A berechnet nun für jeden Parameter, der in der Messwerttabelle definiert wurde, einen Messwert pro Signalperiode. Hat man also in einer Erfassung, wie in Bild 2, 372 Perioden aufgezeichnet, dann wird in der Tabelle der Mittelwert der 372 Perioden angezeigt, aber in der Parameterstatistik hat man Zugriff auf die 372 einzelnen Pro-Periode-Messwerte. Diese kann man wiederum als Track-Funktion darstellen und damit den Verlauf dieser Parameter in Relation zu den gemessenen Signalen anzeigen. Da die Signale auf vier Bereiche aufgeteilt sind, lassen sich Effizienzmessungen zwischen diesen Bereichen und die Gesamteffizienz berechnen. Damit hat man relativ schnell einen Überblick darüber, zwischen welchen Bereichen die meisten Verluste auftreten. Ausserdem kann man die Effizienz als Track-Funktion darstellen und sieht so sehr gut wie sich die Effizienz bei bestimmten Situationen verändert.

Fazit

Teledyne LeCroy bietet mit dem MDA800A ein ideales Tool für Entwickler von Antrieben, die ein Oszilloskop sowie einen Power Analyzer benötigen. Neben der statischen Messung eines Antriebs lassen sich damit auch dynamische Prozesse aufzeichnen und darstellen. 

Datenblatt: 08_17.50.pdf

Infoservice

Teledyne LeCroy
Im Breitspiel 11c, DE-69126 Heidelberg
Tel. 0049 6221 82 700, Fax 0049 6221 83 46 55
contact.gmbh@teledynelecroy.com
www.teledynelecroy.com

pcim Europe: Halle 7, Stand 442



Bild 1: Mit dem MDA800A lassen sich Antriebe oder Steuerungen nicht nur im statischen, sondern auch im dynamischen Betrieb beurteilen und die Regelalgorithmen optimieren


Bild 2: Anzeige der Parameterstatistik und der dynamischen Ausgangssignale Drehmoment (gelb), mechanische Leistung (rot), Geschwindigkeit (blau) und Gesamteffizienz (grün)