ScopeMeter Fluke

Un esame dell'oscilloscopio portatile e come può essere utilizzato per la risoluzione dei problemi di un azionamento a frequenza variabile (VFD)

Gli ingegneri ei tecnici elettronici spesso trascorrono molto del loro tempo in modalità di raccolta di informazioni. Se le apparecchiature elettriche non funzionano correttamente o mentre stanno assemblando un nuovo prototipo, è essenziale sapere cosa sta facendo ogni dispositivo, circuito e stadio e come stanno lavorando insieme per formare un pezzo di equipaggiamento funzionante. A tal fine, dobbiamo eseguire test e prendere misurazioni. Insieme a diagrammi a blocchi e schemi, professionisti esperti possono scoprire cosa sta succedendo e accertare quali azioni, se del caso, sono necessarie. Nella riparazione di apparecchiature malfunzionanti, queste informazioni possono portare alla sostituzione di un componente difettoso, mentre nell'ingegnerizzazione di nuovi progetti, può trattarsi di riprogettare un circuito o un intero stadio, o alterare il layout per mitigare le interferenze in radiofrequenza o risolvere problemi di impedenza caratteristica.

Per raccogliere informazioni, il multimetro e l'amperometro a pinza sono i soliti strumenti del mestiere. Ma, a volte, sono necessarie misurazioni più avanzate, ed è qui che l'oscilloscopio fa la sua comparsa, il multimetro è pronto nelle vicinanze. Ciò è particolarmente vero quando il lavoro degli ascensori è all'ordine del giorno, perché il controller di movimento, l'azionamento a frequenza variabile (VFD), i controlli di cabina e di piano, il collegamento dell'allarme antincendio e così via possono richiedere la conoscenza delle relative forme d'onda.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Diverse applicazioni per oscilloscopi da banco e palmari
Acquisizione di un segnale nel Fluke ScopeMeter
♦ Funzione matematica nello ScopeMeter Fluke
♦ Ingressi oscilloscopio e misuratore nel Fluke 190-502
♦ Come risolvere un VFD

Un oscilloscopio molto semplice ed essenziale per tutti i tipi di ricerca guasti elettronica è lo strumento da banco, come il Tektronix MDO3104. Questo è un eccellente oscilloscopio e questo o un modello simile è necessario in qualsiasi negozio o laboratorio che svolga lavori avanzati. L'oscilloscopio portatile a batteria è più adatto per la fabbrica o in condizioni di campo difficili, come in una sala macchine di ascensori. Un esempio è lo ScopeMeter Fluke 192-502.

L'oscilloscopio portatile non dispone di alcune delle funzionalità avanzate presenti in un modello da banco, ma un netto vantaggio è che non è richiesto l'accesso all'alimentazione CA. Lo ScopeMeter Fluke 190-502 è dotato di una batteria che può essere ricaricata tramite un cavo CA, durante l'uso o tra una sessione e l'altra. Se la batteria è scarica, usurata o mancante, lo strumento può funzionare solo con corrente alternata. Quando viene utilizzato solo in CC, con il cavo di ricarica rimosso, lo ScopeMeter non è soggetto a interferenze della linea di alimentazione CA. In un modello da banco alimentato a corrente alternata, ciò può produrre rumore irrilevante nel display, mascherando anomalie nel segnale che potrebbero dover essere identificate e corrette.

Un altro vantaggio di questo oscilloscopio portatile è che la sua custodia è completamente rinforzata per resistere a condizioni difficili in fabbrica o all'aperto. Forse il più grande vantaggio, tuttavia, è che tutti i canali sono isolati da terra e l'uno dall'altro. Gli utenti dell'oscilloscopio da banco sono informati nella documentazione dello strumento che le misurazioni punto-punto in un circuito in esame possono essere problematiche. In particolare, se il cavo di ritorno a terra di qualsiasi sonda è collegato a un circuito, filo o terminale che galleggia a un certo potenziale sopra o sotto il livello del suolo mentre l'oscilloscopio è collegato a una presa standard a tre fili, si verificherà un grave guasto dell'arco . Ciò potrebbe danneggiare l'apparecchiatura in esame o l'oscilloscopio o causare lesioni all'operatore. Ciò può accadere anche quando l'oscilloscopio è spento e/o la punta della sonda non è a contatto con una parte del circuito. Ha a che fare esclusivamente con il cavo di ritorno a terra. Nell'effettuare misurazioni su molti tipi di apparecchiature come i VFD, entrambi i lati di alcuni circuiti fluttuano a una tensione sopra o sotto terra. Per questo motivo l'oscilloscopio da banco convenzionale non è adatto (a meno che non sia dotato di sonda differenziale).

Una sonda differenziale viene utilizzata con un oscilloscopio da banco quando si misurano le tensioni di massa flottante, ma è costosa e potrebbe non essere disponibile. Tuttavia, l'oscilloscopio portatile può ancora venire in soccorso. Alcuni tecnici hanno rimosso il polo di terra dell'oscilloscopio per assicurarsi che non venga commesso un errore costoso, ma la difficoltà in questo espediente è che la protezione fornita dalla messa a terra dell'apparecchiatura viene persa. Quindi, in caso di guasto a terra, il tecnico, piuttosto che il cablaggio, potrebbe andare perso.

Lo ScopeMeter portatile Fluke 190-502, come suggerisce il nome, combina le funzioni di un oscilloscopio e di un multimetro convenzionale. Sul pannello superiore verso l'esterno ci sono due porte BNC per due sonde da collegare agli ingressi del canale analogico. Tra di loro ci sono prese che accetteranno normali sonde voltmetriche. I pulsanti sul pannello frontale consentono all'utente di scegliere tra le modalità oscilloscopio e DVM. Non è necessario eseguire un multimetro separato sul campo quando si utilizza lo ScopeMeter.

Il funzionamento del Fluke ScopeMeter è simile all'utilizzo di uno strumento da banco alimentato a corrente alternata. Se non altro, è più semplice, ma ci sono alcuni aspetti dell'ambito palmare che sono unici. Per quanto riguarda le somiglianze, gli utenti per la prima volta potrebbero incontrare quello che considerano un comportamento sconcertante. Questo generalmente si riduce a non essere in grado di ottenere un buon display. Se ciò accade, è utile ripristinare le impostazioni predefinite. Nella maggior parte degli oscilloscopi da banco, è presente un pulsante denominato "Impostazione predefinita" o qualcosa di simile. Basta premere il pulsante per eliminare eventuali strane impostazioni che potrebbero persistere dall'ultima sessione di lavoro. Nel Fluke ScopeMeter, la procedura è leggermente più complessa:

1. Spegnere lo strumento.
2. Tenere premuto il tasto "Utente".
3. Premere e rilasciare il pulsante "Power".
4. Dovresti sentire un doppio segnale acustico che indica che lo strumento è stato riportato alle impostazioni predefinite di fabbrica.
5. Rilasciare il tasto "Utente".

Se una forma d'onda non viene visualizzata come previsto, nove volte su 10, apparirà immediatamente quando si preme il pulsante "Autoset". L'oscilloscopio è essenzialmente un voltmetro a regolazione automatica e premendo "Autoset" si facilita questo processo. Per qualsiasi oscilloscopio, quando è difficile ottenere una buona visualizzazione, l'impostazione predefinita e l'autoimpostazione dello strumento di solito risolveranno il problema. (Il pulsante funzione "Autoset" dello ScopeMeter è etichettato come "Auto".)

Per dimostrare la capacità dello ScopeMeter di visualizzare le forme d'onda, collegare l'uscita di un generatore di funzioni all'ingresso del canale analogico A. L'oscilloscopio Tektronix MDO3104 dispone di un generatore di funzioni arbitrarie (AFG) integrato opzionale che funziona bene in questa applicazione. Un'estremità di un cavo BNC si collega alla porta di uscita AFG sul pannello posteriore e l'altra estremità va alla porta di ingresso del canale A analogico di Fluke in alto.

Sull'oscilloscopio da banco Tektronix, premere "AFG". La forma d'onda predefinita è sinusoidale. È possibile selezionare una dozzina di altri utilizzando la manopola multifunzione a. Sul Fluke ScopeMeter, premere "Scope" e assicurarsi che il canale A sia attivo. I risultati vengono visualizzati nello ScopeMeter mentre le varie uscite AFG vengono fatte scorrere in Tektronix. (Questo è appropriato, perché Tektronix e Fluke sono state entrambe acquisite dalla stessa società, Danaher.)

Sempre sull'oscilloscopio da banco Tektronix, premere il tasto funzione che corrisponde a "Impostazioni forma d'onda". Ora è possibile regolare i parametri di frequenza e ampiezza della forma d'onda e le modifiche verranno visualizzate nello ScopeMeter. Si noti che quando si modifica l'ampiezza del segnale AFG in Tektronix, l'aspetto di quel segnale visualizzato nello ScopeMeter cambia solo momentaneamente e poi si ripristina quando entra in funzione la funzione di autoranging dello ScopeMeter. Ciò che cambia, tuttavia, è il numero di volt per divisione. , quindi il segnale viene visualizzato correttamente.

Un altro esercizio molto istruttivo che è utile per prendere confidenza con lo ScopeMeter è collegarlo all'alimentazione di rete, a cui si accede da un circuito derivato dell'edificio. Si consiglia di inserire una spina e un cavo in una scatola a parete di plastica profonda per eseguire questa operazione in sicurezza.

Tagliare il conduttore di messa a terra verde dell'attrezzatura in modo che non sia d'intralcio e tagliare il filo caldo nero e il filo neutro bianco di lunghezze diverse in modo che non possano entrare in contatto l'uno con l'altro. Rimuovere l'isolamento sufficiente da questi fili in modo che la punta del gancio della sonda dell'oscilloscopio e il morsetto a coccodrillo del cavo di ritorno possano connettersi al rame esposto.

Scollegare dallo ScopeMeter il cavo BNC utilizzato nella dimostrazione precedente. Collegare una sonda standard 10:1 che è stata compensata al canale A e dotata di punta a gancio al conduttore nero (caldo) e il morsetto a coccodrillo del cavo di ritorno a terra al filo bianco (neutro). (Si noti che mentre è consuetudine effettuare i collegamenti in questo modo, con l'oscilloscopio portatile a batteria, i collegamenti potrebbero essere invertiti e non ci sarebbero danni, perché entrambi i lati sono isolati da terra. Ciò è contrario al oscilloscopio da banco, in cui, come indicato in precedenza, se il cavo di ritorno a terra è collegato a qualsiasi filo o terminale che galleggia sopra il livello del suolo, si verificherà una corrente di guasto pericolosa.)

L'onda sinusoidale di utilità dovrebbe essere visualizzata quando lo strumento è in modalità oscilloscopio e ha il canale corretto attivato. Ancora una volta, potrebbe essere necessario premere "Auto" per ottenere un buon display. A titolo di esperimento, è possibile collegare vari carichi allo stesso circuito derivato dei locali per vedere se la forma d'onda è tagliata o distorta o presenta rumore. Questa misurazione della qualità dell'energia indicherà la rigidità della fonte di alimentazione di rete e l'adeguatezza del cablaggio dei locali.

Per la prossima dimostrazione, lasceremo l'alimentatore di rete collegato al canale A. Collegare una batteria radio a transistor da 9 V al canale B. Con entrambi i canali accesi, l'onda sinusoidale di rete e il segnale CC da 9 V vengono visualizzati insieme lo stesso display, condividendo gli stessi assi X e Y. Il segnale CC è una linea orizzontale piatta, leggermente inferiore a una divisione di 10 V, sopra o sotto l'asse X (a seconda della polarità del collegamento della batteria).

Lo scopo di questo esercizio è dimostrare la funzionalità "Math" dello ScopeMeter. Come i moderni oscilloscopi da banco, lo ScopeMeter è in grado di rappresentare il risultato come una forma d'onda sintetica quando un segnale opera su un altro. Questi due segnali possono essere identici o diversi, ma è necessario accedervi tramite canali separati, tramite sonde o cablaggio BNC da uno o più generatori di funzioni. Inoltre, come vedremo, alcune funzioni “matematiche” sono applicabili ad un singolo segnale a cui si accede tramite un canale analogico. Possono operare su uno o due ingressi.

Le operazioni "Add", "subtract" e "multiply" richiedono due operandi, denominati "Source One" e "Source Two" e convogliati attraverso i canali A e B. (Negli oscilloscopi da banco, questi sono chiamati canali uno e due). In tutti i casi, ogni canale ha un colore dedicato e la forma d'onda associata è rappresentata in quel colore. La forma d'onda risultante viene mostrata in alcuni colori non utilizzati da uno dei canali, come il grigio.

"Add", "subtract" e "multiply" richiedono due operandi, che sono designati "Source One" e "Source Two". "Invert", "integra" e "filter" richiedono un singolo operando, designato "Source One". Le operazioni richiedono la scelta di una destinazione. I passaggi che devono essere completati per eseguire un'operazione "Math" sono:

1. Premere "Funzioni speciali" per aprire il menu "Funzioni speciali".
2. Premere "F3" per aprire il menu "Matematica".
3. Iniziare l'operazione attivando la funzione “Math”.
4. Viene visualizzato un riquadro che elenca le operazioni "matematiche" disponibili. Scegli uno di questi e premi "F4" per selezionare.
5. Utilizzare le frecce su e giù per evidenziare la/e sorgente/i e la destinazione. Premere “F4” per aprire le relative caselle. Scegli la(e) sorgente(i) e la destinazione e premi "F4" per selezionare.
6. Ora è possibile scegliere l'operazione "Math". "Add", "subtract" e "multiply" fanno sì che le due forme d'onda interagiscano come specificato e il risultato viene visualizzato come una terza forma d'onda contraddistinta da un colore distintivo. In tutti i casi, viene mostrata una corrispondenza punto-punto rispetto agli assi X e Y.

È possibile eseguire tre operazioni aggiuntive su una singola forma d'onda. Sono "invertiti", dove la polarità è invertita, e "integrati", dove la funzione calcola e visualizza l'area sotto la forma d'onda selezionata. Questa operazione totalizza la forma d'onda nel tempo ed è una misura di tutta la potenza dissipata. Inoltre, c'è "Filtro", che consente di modificare la forma d'onda in modi specificati.

Una caratteristica preziosa che ScopeMeter condivide con altri oscilloscopi moderni è "Cursori". I primi oscilloscopi avevano una sovrapposizione trasparente sullo schermo. Conosciuto come "reticolo", aveva divisioni orizzontali con tick intermedi che il tecnico poteva utilizzare per accertare l'ampiezza della forma d'onda sull'asse Y e gli intervalli di tempo sull'asse X. Oggi il reticolo fisico è stato sostituito da un'immagine elettronica sullo schermo, che può essere ridimensionata e spostata manipolando i controlli del pannello frontale, e queste linee possono essere utilizzate dal tecnico per stimare i parametri della forma d'onda, come la tensione picco-picco .

Tuttavia, è possibile ottenere una precisione molto maggiore utilizzando la funzione "Cursori". Per eseguire questa operazione utilizzando lo ScopeMeter Fluke 190-502, premere il "pulsante cursore" (proprio sotto "F4") dopo l'accensione dello strumento. Il menu “Cursore” appare sotto il display. "F1" consente all'utente di alternare le configurazioni del cursore. Ad esempio, le due linee verticali fanno sì che i cursori, indicati dalle linee nere sul display, intersechino l'asse X in modo che venga misurato il tempo. Notare che il tempo (in millisecondi o un'altra unità appropriata) viene visualizzato nella barra delle informazioni sopra il display. Allo stesso modo, passando alle due linee orizzontali i cursori intersecano l'asse Y, visualizzando millivolt o volt. Premendo "F2" si passa alla funzione "Sposta", consentendo all'utente di spostare il cursore in alto o in basso. Al termine, il valore nella barra delle informazioni sopra il display cambia. La vera utilità dei "Cursori" arriva quando si accede a un segnale e viene visualizzata la sua forma d'onda. I cursori possono essere spostati per allinearsi con i picchi o qualsiasi caratteristica dell'onda intermedia e il valore verrà visualizzato. Questo è molto più accurato della stima di questi parametri contando le divisioni e i tick sul reticolo.

Questi esercizi dovrebbero darti una buona idea del modo in cui funziona lo ScopeMeter. Ora vedremo come lo strumento può essere utilizzato per risolvere un malfunzionamento dell'impianto elettrico. Innanzitutto, se si è coinvolti nello sviluppo o nella manutenzione di apparecchiature motorizzate o altre apparecchiature elettriche, si consiglia di eseguire misurazioni elettriche e acquisire forme d'onda mentre l'apparecchiatura funziona normalmente, prima che si verifichino guasti o prestazioni irregolari. È meglio farlo periodicamente. Se un motore o l'installazione complessiva sono insolitamente costosi o i tempi di fermo sono inaccettabili, può essere utile tenere un registro con schermate dell'oscilloscopio salvate in modo da poter individuare tendenze dannose prima che si verifichi un guasto catastrofico.

Lo scopo dei VFD è controllare la velocità e la direzione dei motori. Oggetti di particolare interesse in un VFD di grandi dimensioni sono l'ingresso di potenza trifase, misurato alla disconnessione; la potenza misurata all'uscita del VFD e ai terminali del motore; e, tra il raddrizzatore (che alimenta il bus DC) e l'inverter, il bus DC. All'ingresso di alimentazione, l'alimentazione CA dovrebbe mostrare onde sinusoidali ben formate senza clipping, distorsione o squilibrio di fase.

Il bus CC all'interno del VFD dovrebbe mostrare linee orizzontali lisce e prive di increspature di uguale ampiezza. L'uscita dovrebbe essere costituita da impulsi ben formati con tempi di salita e discesa istantanei. Grandi picchi al decadimento sono un brutto segno. Dovrebbe essere possibile vedere e misurare la variazione nel ciclo di lavoro quando il motore è fatto per accelerare, rallentare o cambiare coppia. Se i parametri elettrici non sono ideali (come descritto sopra), il sistema potrebbe funzionare in modo soddisfacente, ma è probabile che il motore si surriscalda e si guasta prematuramente.

In un VFD, a valle del bus CC, l'inverter a modulazione di larghezza di impulso controlla la tensione e la frequenza alimentate ai terminali di ingresso del motore. Ciò avviene a causa del comportamento dell'interruttore a semiconduttore. All'estremità dell'ingresso, i diodi creano un buffer CC necessario per l'inverter di commutazione. La tensione CC è 1.414 volte la tensione di ingresso CA. Il condensatore funge da filtro per ridurre al minimo l'ondulazione sul bus CC. Il condensatore e/o uno o più diodi possono guastarsi, alterando le caratteristiche della tensione continua, quindi questo è un obiettivo essenziale per un'indagine con l'oscilloscopio.

Nella sezione inverter il controllo è assicurato da transistor bipolari a gate isolato in grado di alimentare carichi motore fino a 500 hp. L'esecuzione di queste misurazioni non è per i deboli di cuore e richiede estrema cautela per quanto riguarda i rischi di scosse e archi elettrici.

Per esaminare la tensione sul bus CC, l'oscilloscopio viene utilizzato con l'accoppiamento CC per misurare il valore assoluto. Utilizzare l'accoppiamento CA per vedere l'ondulazione. Poiché la tensione sul bus CC è 1.414 volte il valore quadratico medio CA, per un convertitore di frequenza da 480 V CA, il bus CC dovrebbe misurare 678 V. Se la quantità è bassa, il convertitore scatterà. In tal caso, la tensione di ingresso di rete potrebbe essere bassa o distorta dal clipping, oppure potrebbe esserci un problema di linea. Se i picchi successivi nell'ondulazione del bus CC hanno livelli diversi, un diodo raddrizzatore potrebbe essere difettoso. Una tensione di ripple eccessiva indica un cattivo condensatore o una mancata corrispondenza tra VFD e motore. Anche una piccola quantità di ondulazione in un bus CC VFD può impedire un funzionamento soddisfacente.

Un grosso problema nelle prestazioni del VFD è nel cablaggio dall'uscita dell'azionamento ai terminali del motore. Potrebbero esserci armoniche e riflessioni dannose causate da tempi di salita e discesa rapidi delle forme d'onda degli impulsi modulati. In caso di mancata corrispondenza dell'impedenza, un picco di riflessione può eguagliare la tensione del bus CC.

Se il sistema funzionava correttamente e il problema (come mostrato dal surriscaldamento del motore e dallo scatto) è iniziato improvvisamente, cercare attorcigliamenti o danni alla linea di trasmissione. Se il sistema non ha mai funzionato dopo l'installazione, potrebbe essere necessario aumentare le dimensioni del conduttore o, se possibile, accorciarne la corsa. Inoltre, come sempre in tali questioni, controlla tutte le terminazioni.

Molti tecnici preferiscono utilizzare un oscilloscopio portatile a batteria, piuttosto che il modello da banco alimentato dalla linea, in ambienti industriali. Oltre ad essere più portatile e robusto per resistere all'umidità e al maneggiamento approssimativo, è immune ai rischi di un collegamento improprio a una tensione riferita e fluttuante rispetto al riferimento di terra. Inoltre, l'investimento di capitale è inferiore.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 147 di questo fascicolo.
♦ Quando è preferibile un oscilloscopio palmare al modello da banco?
♦ Qual è il valore della funzione “Math”?
♦ Perché sono necessarie precauzioni quando si lavora con un VFD?
♦ Qual è lo scopo del bus CC in un VFD?
♦ Quali sono i sintomi che indicano un problema al condensatore in un VFD?