ScopeMeter de Fluke

Un examen del osciloscopio de mano y cómo se puede utilizar para solucionar problemas de un variador de frecuencia (VFD)

Los ingenieros y técnicos electrónicos suelen dedicar gran parte de su tiempo al modo de recopilación de información. Si el equipo eléctrico no funciona bien o mientras están armando un nuevo prototipo, es esencial saber qué está haciendo cada dispositivo, circuito y etapa, y cómo están trabajando juntos para formar un equipo funcional. Para ello, debemos realizar pruebas y tomar medidas. Junto con los diagramas de bloques y los esquemas, los profesionales expertos pueden averiguar qué está sucediendo y determinar qué acciones, si las hay, son necesarias. Al reparar equipos que funcionan mal, esta información puede llevar a reemplazar un componente defectuoso, mientras que al diseñar nuevos diseños, puede ser una cuestión de rediseñar un circuito o una etapa completa, o alterar el diseño para mitigar la interferencia de radiofrecuencia o resolver problemas de impedancia característica.

Para recopilar información, el multímetro y el amperímetro de pinza son las herramientas habituales del oficio. Pero, a veces, se necesitan medidas más avanzadas, y aquí es donde hace su aparición el osciloscopio, el multímetro listo cerca. Este es particularmente el caso cuando el trabajo del ascensor está en la agenda, porque el controlador de movimiento, el variador de frecuencia (VFD), los controles de cabina y piso, la conexión de alarma contra incendios, etc., pueden requerir un conocimiento de las formas de onda relevantes.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Diferentes aplicaciones para osciloscopios portátiles y de mesa
♦ Adquirir una señal en el Fluke ScopeMeter
♦ Función matemática en el Fluke ScopeMeter
♦ Entradas de osciloscopio y medidor en el Fluke 190-502
♦ Cómo solucionar problemas de un VFD

Un osciloscopio muy básico y esencial para todo tipo de resolución de problemas electrónicos es el instrumento de banco, como el Tektronix MDO3104. Este es un osciloscopio excelente, y se necesita este o un modelo similar en cualquier taller o laboratorio que realice trabajos avanzados. El osciloscopio portátil que funciona con baterías es más adecuado para el piso de la fábrica o en condiciones de campo difíciles, como en la sala de máquinas de un ascensor. Un ejemplo es el ScopeMeter Fluke 192-502.

El osciloscopio de mano carece de algunas de las funciones avanzadas que se encuentran en un modelo de banco, pero una clara ventaja es que no se requiere acceso a la alimentación de CA. El Fluke 190-502 ScopeMeter tiene una batería que se puede recargar a través de un cable de CA, ya sea durante el uso o entre sesiones. Si la batería está descargada, gastada o falta, el instrumento solo puede funcionar con CA. Cuando se opera únicamente con CC, sin el cable de carga, el ScopeMeter no es propenso a sufrir interferencias de la línea de alimentación de CA. En un modelo de banco alimentado por CA, esto puede generar ruido irrelevante en la pantalla, enmascarando anomalías en la señal que pueden necesitar ser identificadas y corregidas.

Otra ventaja de este osciloscopio de mano es que su carcasa está completamente reforzada para resistir las duras condiciones del suelo de la fábrica o al aire libre. Sin embargo, quizás el mayor beneficio es que todos los canales están aislados del suelo y entre sí. Los usuarios del osciloscopio de banco son conscientes en la documentación del instrumento que las mediciones de punto a punto en un circuito bajo investigación pueden ser problemáticas. Específicamente, si el cable de retorno a tierra de cualquier sonda está conectado a un circuito, cable o terminal que flota a algún potencial por encima o por debajo del nivel del suelo mientras el osciloscopio está enchufado a un receptáculo estándar de tres cables, habrá una falla de arco grave. . Esto podría dañar el equipo bajo investigación o el osciloscopio, o causar lesiones al operador. Esto puede suceder incluso cuando el osciloscopio está apagado y / o la punta de la sonda no está en contacto con parte del circuito. Tiene que ver exclusivamente con el cable de retorno a tierra. Al tomar medidas en muchos tipos de equipos, como los VFD, ambos lados de algunos circuitos flotan a un voltaje por encima o por debajo del suelo. Es por eso que el osciloscopio de banco convencional no es adecuado (a menos que esté equipado con una sonda diferencial).

Se utiliza una sonda diferencial con un osciloscopio de banco cuando se miden voltajes de tierra flotantes, pero es costosa y puede que no esté disponible. Sin embargo, el osciloscopio de mano puede volver al rescate. Algunos técnicos cortaron la punta de tierra del osciloscopio para asegurarse de que no se comete un error costoso, pero la dificultad de este recurso es que se pierde la protección proporcionada por la conexión a tierra del equipo. Por lo tanto, en el caso de una falla a tierra, el técnico, en lugar del cableado, puede perderse.

El ScopeMeter de mano Fluke 190-502, como su nombre lo indica, combina las funciones de un osciloscopio y un multímetro convencional. En el panel superior hacia el exterior hay dos puertos BNC para conectar dos sondas a las entradas de los canales analógicos. Entre ellos hay enchufes que aceptarán sondas de voltímetro ordinarias. Los botones del panel frontal permiten al usuario elegir entre los modos de osciloscopio y DVM. No es necesario llevar un multímetro por separado en el campo cuando se usa el ScopeMeter.

El funcionamiento del Fluke ScopeMeter es similar al uso de un instrumento alimentado por CA de tipo banco. En todo caso, es más simple, pero hay algunos aspectos del alcance portátil que son únicos. En cuanto a las similitudes, los usuarios primerizos pueden encontrar lo que consideran un comportamiento desconcertante. Esto generalmente se reduce a no poder obtener una buena visualización. Si esto sucede, es útil restaurar la configuración predeterminada. En la mayoría de los osciloscopios de banco, hay un botón etiquetado como "Configuración predeterminada" o algo similar. Simplemente presione el botón para eliminar cualquier configuración extraña que pueda persistir desde la última sesión de trabajo. En el Fluke ScopeMeter, el procedimiento es un poco más complejo:

1. Apague el instrumento.
2. Mantenga presionada la tecla "Usuario".
3. Presione y suelte el botón "Encendido".
4. Debería escuchar un doble pitido que indica que el instrumento ha vuelto a la configuración predeterminada de fábrica.
5. Suelta la tecla "Usuario".

Si una forma de onda no se muestra como se esperaba, nueve de cada 10 veces, aparecerá instantáneamente cuando presione el botón "Autoset". El osciloscopio es esencialmente un voltímetro de rango automático, y presionar "Autoset" facilita este proceso. Para cualquier osciloscopio, cuando hay dificultades para obtener una buena pantalla, la configuración predeterminada y el ajuste automático del instrumento generalmente resolverán el problema. (El botón de función "Autoset" del ScopeMeter está etiquetado como "Auto").

Para demostrar la capacidad del ScopeMeter para mostrar formas de onda, conecte la salida de un generador de funciones a la entrada del canal A analógico. El osciloscopio Tektronix MDO3104 tiene un generador de funciones arbitrarias (AFG) incorporado opcional que funciona bien en esta aplicación. Un extremo de un cable BNC se conecta al puerto de salida AFG en el panel posterior y el otro extremo va al puerto de entrada del canal A de Fluke Analog en la parte superior.

En el osciloscopio de banco Tektronix, presione "AFG". La forma de onda predeterminada es sinusoidal. Se puede seleccionar cualquiera de una docena de otros utilizando el mando multiusos a. En el Fluke ScopeMeter, presione “Scope” y asegúrese de que el canal A esté encendido. Los resultados se muestran en el ScopeMeter a medida que se desplazan las distintas salidas AFG en Tektronix. (Esto es apropiado, porque Tektronix y Fluke han sido adquiridos por la misma corporación, Danaher).

Nuevamente en el osciloscopio de banco Tektronix, presione la tecla programable que corresponde a "Configuración de forma de onda". Ahora, se pueden ajustar los parámetros de amplitud y frecuencia de la forma de onda, y los cambios se mostrarán en el ScopeMeter. Tenga en cuenta que cuando cambia la amplitud de la señal AFG en el Tektronix, la apariencia de esa señal como se muestra en el ScopeMeter cambia solo momentáneamente y luego se revierte cuando se activa la función de rango automático del ScopeMeter. Lo que sí cambia, sin embargo, es el número de voltios por división. , por lo que la señal se muestra correctamente.

Otro ejercicio muy instructivo que es útil para familiarizarse con el ScopeMeter es conectarlo a la fuente de alimentación de la red pública, a la que se accede desde un circuito derivado de las instalaciones. Se recomienda que un enchufe y un cable terminen en una caja de pared de plástico profunda para realizar esta operación de manera segura.

Recorte el conductor verde de conexión a tierra del equipo para que no estorbe y corte el cable negro vivo y el cable neutro blanco de diferentes longitudes para que no puedan entrar en contacto entre sí. Quite el aislamiento suficiente de estos cables para que la punta del gancho de la sonda del osciloscopio y la pinza de cocodrilo del cable de retorno puedan conectarse al cobre expuesto.

Desconecte el cable BNC utilizado en la demostración anterior del ScopeMeter. Conecte una sonda estándar 10: 1 que haya sido compensada al canal A y equipada con una punta de gancho al conductor negro (vivo) y la pinza de cocodrilo del cable de retorno a tierra al cable blanco (neutro). (Tenga en cuenta que, si bien es habitual realizar las conexiones de esta manera, con el osciloscopio portátil que funciona con baterías, las conexiones podrían invertirse y no habría ningún daño, porque ambos lados están aislados de tierra. Esto se opone a la osciloscopio tipo banco, donde, como se señaló anteriormente, si el cable de retorno a tierra está conectado a cualquier cable o terminal que flote sobre el nivel del suelo, habrá una corriente de falla peligrosa).

La onda sinusoidal de utilidad debe mostrarse cuando el instrumento está en modo osciloscopio y tiene el canal correcto encendido. Nuevamente, es posible que deba presionar "Auto" para obtener una buena visualización. Como experimento, puede conectar varias cargas al mismo circuito derivado de las instalaciones para ver si la forma de onda está recortada o distorsionada, o si presenta ruido. Esta medición de la calidad de la energía indicará la rigidez de la fuente de energía de la red pública y la idoneidad del cableado de las instalaciones.

Para la siguiente demostración, dejaremos la fuente de alimentación de la red pública conectada al canal A. Conecte una batería de radio de transistores de 9 V al canal B. Con ambos canales encendidos, la onda sinusoidal de la red pública y la señal de CC de 9 V se muestran juntas en la misma pantalla, compartiendo los mismos ejes X e Y. La señal de CC es una línea horizontal plana, ligeramente inferior a una división de 10 V, ya sea por encima o por debajo del eje X (según la polaridad de la conexión de la batería).

El propósito de este ejercicio es demostrar la funcionalidad "Matemática" del ScopeMeter. Al igual que los osciloscopios modernos de tipo banco, el ScopeMeter es capaz de representar el resultado como una forma de onda sintética cuando una señal opera sobre otra. Estas dos señales pueden ser idénticas o diferentes, pero se debe acceder a ellas a través de canales separados, ya sea a través de sondas o cableado BNC de uno o más generadores de funciones. Además, como veremos, algunas funciones “matemáticas” son aplicables a una sola señal a la que se accede a través de un canal analógico. Pueden operar con una o dos entradas.

Las operaciones de “sumar”, “restar” y “multiplicar” requieren dos operandos, designados como “Fuente uno” y “Fuente dos” y transmitidos a través de los canales A y B. (En los osciloscopios de banco, estos se denominan canales Uno y Dos). En todos los casos, cada canal tiene un color dedicado y la forma de onda asociada se representa en ese color. La forma de onda resultante se muestra en un color no utilizado por uno de los canales, como el gris.

"Sumar", "restar" y "multiplicar" requieren dos operandos, que se designan como "Fuente uno" y "Fuente dos". "Invertir", "integrar" y "filtrar" requieren un solo operando, denominado "Fuente uno". Las operaciones requieren que se elija un destino. Los pasos que se deben completar para realizar una operación "matemática" son:

1. Presione "Función especial" para abrir el menú "Funciones especiales".
2. Presione "F3" para abrir el menú "Matemáticas".
3. Comience la operación activando la función "Math".
4. Aparece un cuadro que enumera las operaciones "matemáticas" disponibles. Elija uno de estos y presione "F4" para seleccionar.
5. Utilice las flechas hacia arriba y hacia abajo para resaltar la (s) fuente (s) y el destino. Presione "F4" para abrir las casillas correspondientes. Elija fuente (s) y destino, y presione “F4” para seleccionar.
6. Ahora se puede elegir la operación "Math". “Sumar”, “restar” y “multiplicar” hacen que las dos formas de onda interactúen como se especifica, y el resultado se muestra como una tercera forma de onda con un código de color distintivo. En todos los casos, se muestra una correspondencia punto a punto con respecto a los ejes X e Y.

Se pueden realizar tres operaciones adicionales en una sola forma de onda. Son "invertir", donde la polaridad se invierte, e "integrar", donde la función calcula y muestra el área bajo la forma de onda seleccionada. Esta operación totaliza la forma de onda a lo largo del tiempo y es una medida de toda la disipación de potencia. Además, está el "Filtro", que permite modificar la forma de onda de formas específicas.

Una característica valiosa que el ScopeMeter comparte con otros osciloscopios modernos son los "cursores". Los primeros osciloscopios tenían una superposición transparente en la pantalla. Conocida como una "retícula", tenía divisiones horizontales con marcas intermedias que el técnico podía usar para determinar la amplitud de la forma de onda en el eje Y y los intervalos de tiempo en el eje X. Hoy en día, la retícula física ha sido reemplazada por una imagen electrónica en la pantalla, que se puede escalar y mover manipulando los controles del panel frontal, y el técnico puede usar estas líneas para estimar parámetros de forma de onda, como el voltaje pico a pico. .

Sin embargo, se puede lograr una precisión mucho mayor utilizando la función "Cursores". Para hacer esto usando el ScopeMeter Fluke 190-502, presione el “botón Cursor” (justo debajo de “F4”) después de encender el instrumento. El menú “Cursor” aparece debajo de la pantalla. “F1” permite al usuario alternar las configuraciones del cursor. Por ejemplo, las dos líneas verticales hacen que los cursores, indicados por líneas negras en la pantalla, se crucen con el eje X para que se mida el tiempo. Observe que el tiempo (en milisegundos u otra unidad apropiada) se muestra en la barra de información sobre la pantalla. De manera similar, alternar a las dos líneas horizontales hace que los cursores se crucen con el eje Y, mostrando milivoltios o voltios. Al presionar "F2" se cambia a la función "Mover", lo que permite al usuario mover el cursor superior o inferior. Una vez hecho esto, el valor de la barra de información sobre la pantalla cambia. La verdadera utilidad de los "cursores" se produce cuando se accede a una señal y se muestra su forma de onda. Los cursores se pueden mover para alinearse con los picos o cualquier característica de onda intermedia, y se mostrará el valor. Esto es mucho más preciso que estimar estos parámetros contando divisiones y tics en la retícula.

Estos ejercicios deberían darle una buena idea de cómo funciona el ScopeMeter. Ahora, veremos cómo se puede utilizar el instrumento para solucionar problemas de un sistema eléctrico que funciona mal. Primero, si está involucrado en el desarrollo o mantenimiento de equipos motorizados u otros equipos eléctricos, se recomienda que tome medidas eléctricas y capture formas de onda mientras el equipo está funcionando normalmente, antes de que se produzca una falla o un rendimiento irregular. Es mejor hacerlo periódicamente. Si un motor o la instalación en general son inusualmente costosos o el tiempo de inactividad es inaceptable, puede valer la pena mantener un registro con las capturas de pantalla del osciloscopio guardadas para que se puedan detectar tendencias dañinas antes de que ocurra una falla catastrófica.

El propósito de los VFD es controlar la velocidad y la dirección de los motores. Los objetos de especial interés en un VFD grande son la entrada de energía trifásica, medida en la desconexión; la potencia de salida medida en la salida del VFD y en los terminales del motor; y, entre el rectificador (que alimenta el bus de CC) y el inversor, el bus de CC. En la entrada de energía, la fuente de CA debe mostrar ondas sinusoidales bien formadas sin cortes, distorsión o desequilibrio de fase.

El bus de CC dentro del VFD debe mostrar líneas horizontales suaves y sin ondulaciones de igual amplitud. La salida debe consistir en pulsos bien formados con tiempos instantáneos de subida y bajada. Grandes picos en la descomposición son una mala señal. Debería ser posible ver y medir la variación en el ciclo de trabajo a medida que el motor acelera, reduce la velocidad o cambia el par. Si los parámetros eléctricos no son los ideales (como se describe arriba), el sistema puede estar funcionando satisfactoriamente, pero es probable que el motor se caliente y falle prematuramente.

En un VFD, aguas abajo del bus de CC, el inversor de modulación de ancho de pulso controla el voltaje y la frecuencia alimentados a los terminales de entrada del motor. Esto ocurre debido al comportamiento del interruptor de semiconductor. En el extremo de entrada, los diodos crean un búfer de CC que se necesita para el inversor de conmutación. El voltaje de CC es 1.414 veces el voltaje de entrada de CA. El condensador sirve como filtro para minimizar la ondulación en el bus de CC. El condensador y / o uno o más diodos pueden fallar, alterando las características del voltaje de CC, por lo que este es un objetivo esencial para la investigación de un osciloscopio.

En la sección del inversor, el control es proporcionado por transistores bipolares de puerta aislada capaces de suministrar cargas de motor de hasta 500 hp. Tomar estas medidas no es para los pusilánimes y requiere extrema precaución con respecto a los peligros de descargas eléctricas y arcos eléctricos.

Para examinar el voltaje en el bus de CC, se utiliza el osciloscopio con acoplamiento de CC para medir el valor absoluto. Utilice el acoplamiento de CA para ver la ondulación. Dado que el voltaje en el bus de CC es 1.414 veces el valor cuadrático medio de CA, para un variador de 480 VCA, el bus de CC debe medir 678 V. Si la cantidad es baja, el variador se disparará. Si ese es el caso, el voltaje de entrada de la red puede ser bajo o distorsionado por cortes, o puede haber un problema en la línea. Si los picos sucesivos en la ondulación del bus de CC tienen diferentes niveles, un diodo rectificador puede estar defectuoso. El voltaje de ondulación excesivo apunta a un condensador defectuoso o una falta de coincidencia entre el VFD y el motor. Incluso una pequeña cantidad de ondulación en un bus de CC de VFD puede evitar un funcionamiento satisfactorio.

Un problema muy importante en el rendimiento del VFD está en el cableado desde la salida del variador a los terminales del motor. Puede haber armónicos y reflejos dañinos causados ​​por tiempos rápidos de subida y bajada de las formas de onda de pulso moduladas. Si hay una discrepancia de impedancia, un pico de reflexión puede igualar el voltaje del bus de CC.

Si el sistema estaba funcionando correctamente y el problema (mostrado por el sobrecalentamiento del motor y el disparo) comenzó abruptamente, busque torceduras o daños en la línea de transmisión. Si el sistema nunca funcionó después de la instalación, puede ser necesario aumentar el tamaño del conductor o, si es posible, acortar el recorrido. Además, como siempre en este tipo de asuntos, verifique todas las terminaciones.

Muchos técnicos prefieren utilizar un osciloscopio portátil que funciona con baterías, en lugar del modelo de banco alimentado por línea, en entornos industriales. Además de ser más portátil y resistente para resistir la humedad y el manejo brusco, es inmune a los peligros de una conexión incorrecta a un voltaje referenciado y flotando sobre la referencia del suelo. Además, la inversión de capital es menor.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 147 de este número.
♦ ¿Cuándo es preferible un osciloscopio de mano al modelo de banco?
♦ ¿Cuál es el valor de la función "Math"?
♦ ¿Por qué se necesitan precauciones al trabajar con un VFD?
♦ ¿Cuál es el propósito del bus de CC en un VFD?
♦ ¿Cuáles son los síntomas que indican un problema de capacitor en un VFD?