福禄克示波器

手持示波器检查及其如何用于对变频驱动器 (VFD) 进行故障排除

电子工程师和技术人员经常将大量时间花在信息收集模式上。 如果电气设备出现故障或在组装新原型时，必须了解每个设备、电路和阶段在做什么，以及它们如何协同工作以形成功能齐全的设备。 为此，我们必须进行测试并进行测量。 结合框图和原理图，知识渊博的专业人员可以找出正在发生的事情并确定需要哪些操作（如果有）。 在修理故障设备时，此信息可能会导致更换故障组件，而在工程新设计中，则可能是重新设计电路或整个阶段的问题，或改变布局以减轻射频干扰或解决特性阻抗问题的问题。

为了收集信息，万用表和钳形电流表是行业常用的工具。 但是，有时需要更高级的测量，这就是示波器出现的地方，万用表就在附近。 当电梯工作被提上日程时尤其如此，因为运动控制器、变频驱动 (VFD)、轿厢和楼层控制、火警连接等都可能需要了解相关波形。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ 台式和手持式示波器的不同应用
♦ 在 Fluke ScopeMeter 中采集信号
♦ Fluke ScopeMeter 中的数学函数
♦ Fluke 190-502 中的示波器和仪表输入
♦ 如何排除 VFD 故障

用于各种电子故障排除的非常基本和必不可少的示波器是台式仪器，例如泰克 MDO3104。 这是一款出色的示波器，任何从事高级工作的商店或实验室都需要它或类似的型号。 手持式、电池供电的示波器更适用于工厂车间或恶劣的现场条件，例如电梯机房。 一个例子是 Fluke 192-502 ScopeMeter。

手持式示波器缺乏台式示波器的一些高级功能，但一个明显的优势是不需要使用交流电源。 Fluke 190-502 ScopeMeter 有一个电池，可以在使用期间或会话之间通过交流电源线充电。 如果电池电量耗尽、磨损或丢失，仪器只能在交流电下运行。 当仅在 DC 上操作时，移除充电线，ScopeMeter 不容易受到 AC 电力线干扰。 在交流供电的工作台模型中，这可能会在显示器中产生不相关的噪声，掩盖可能需要识别和纠正的信号异常。

这种手持式示波器的另一个优点是它的外壳非常坚固，可以承受恶劣的工厂车间或室外条件。 然而，也许最大的好处是所有通道都与地面隔离并彼此隔离。 台式示波器的用户在仪器文档中了解到，在被调查电路中进行点对点测量可能存在问题。 具体而言，如果在示波器插入标准三线插座时，任何探头的接地回路导线连接到电路、电线或端子，该电路、电线或端子浮动在高于或低于地电平的某个电位上，则会出现严重的电弧故障. 这可能会损坏正在调查的设备或示波器，或对操作员造成伤害。 即使在示波器断电和/或探头尖端未与电路的一部分接触时，也会发生这种情况。 它只与接地回路引线有关。 在对许多类型的设备（例如 VFD）进行测量时，一些电路的两侧都浮动在高于或低于地面的电压下。 这就是传统台式示波器不适用的原因（除非它配备了差分探头）。

测量浮动接地电压时，差分探头与台式示波器一起使用，但价格昂贵且可能无法使用。 然而，手持示波器又可以派上用场了。 一些技术人员锯掉了示波器的接地插脚，以确保不会出现代价高昂的错误，但这种权宜之计的难点在于失去了设备接地提供的保护。 因此，如果发生接地故障，可能会丢失技术人员而不是接线。

Fluke 手持式 190-502 ScopeMeter 顾名思义，结合了示波器和传统万用表的功能。 在外部的顶部面板上有两个 BNC 端口，用于将两个探头连接到模拟通道输入。 它们之间是可以接受普通电压表探头的插座。 前面板上的按钮允许用户在示波器和 DVM 模式之间进行选择。 使用 ScopeMeter 时，不必将单独的万用表带入现场。

操作 Fluke ScopeMeter 类似于使用台式交流供电仪器。 如果有的话，它更简单，但手持式示波器的某些方面是独一无二的。 至于相似之处，初次使用的用户可能会遇到他们认为令人费解的行为。 这通常归结为无法获得良好的显示效果。 如果发生这种情况，恢复默认设置会很有帮助。 在大多数台式示波器中，有一个标记为“默认设置”或类似内容的按钮。 只需按下按钮即可消除自上次工作会话以来可能持续存在的任何奇怪设置。 在 Fluke ScopeMeter 中，程序稍微复杂一些：

1. 关闭仪器。
2. 按住“用户”键。
3. 按下并松开“电源”按钮。
4. 您应该会听到两声哔哔声，表示仪器已恢复到出厂默认设置。
5. 松开“用户”键。

如果波形无法按预期显示，10 次中有 XNUMX 次，当您按下“自动设置”按钮时，它会立即出现。 示波器本质上是一个自动量程电压表，按“自动设置”可以促进这个过程。 对于任何示波器，当很难获得良好的显示效果时，对仪器进行默认和自动设置通常可以解决问题。 （ScopeMeter 的“自动设置”功能按钮标记为“自动”。）

为了演示 ScopeMeter 显示波形的能力，将函数发生器的输出连接到模拟通道 A 输入。 泰克 MDO3104 示波器有一个可选的内置任意函数发生器 (AFG)，在此应用中运行良好。 BNC 电缆的一端连接到后面板上的 AFG 输出端口，另一端进入顶部的 Fluke 模拟通道 A 输入端口。

在泰克台式示波器上，按“AFG”。 默认波形为正弦。 可以使用多用途旋钮 a 选择其他十​​几种中的任何一种。 在 Fluke ScopeMeter 上，按“Scope”，并确保通道 A 已打开。 结果显示在 ScopeMeter 中，因为各种 AFG 输出在 Tektronix 中滚动。 （这是合适的，因为泰克和福禄克都被同一家公司丹纳赫收购。）

再次在泰克台式示波器上，按下与“波形设置”对应的软键。 现在，可以调整波形频率和幅度参数，并且更改将显示在 ScopeMeter 中。 请注意，当您在 Tektronix 中更改 AFG 信号幅度时，ScopeMeter 中显示的该信号的外观只会暂时改变，然后随着 ScopeMeter 的自动量程功能的启动而恢复。然而，改变的是每格的伏特数，所以信号显示正确。

另一个有助于了解 ScopeMeter 的非常有指导意义的练习是将其连接到公用电源，从室内分支电路接入。 建议将插头和电源线端接到深塑料壁盒中以安全执行此操作。

剪掉绿色设备-接地导体，使其不碍事，并将黑色火线和白色中性线剪成不同长度，使它们不能相互接触。 从这些电线上剥去足够的绝缘层，以便示波器探头钩尖和返回引线鳄鱼夹可以连接到裸露的铜线。

断开先前演示中使用的 BNC 电缆与示波表的连接。 将一个标准的 10:1 探头连接到通道 A 并配有钩尖连接到黑色（热）导体，将接地回路引线鳄鱼夹连接到白色（中性）线。 （请注意，虽然习惯上以这种方式进行连接，但对于手持式、电池供电的示波器，连接可以颠倒，不会有任何伤害，因为两侧都与地隔离。这与台式示波器，如前所述，如果接地回路引线连接到任何浮在地平面以上的电线或端子，就会产生危险的故障电流。）

当仪器处于示波器模式并打开正确的通道时，应显示实用正弦波。 同样，您可能必须按“自动”才能获得良好的显示效果。 作为实验，您可以将各种负载连接到同一前提分支电路，以查看波形是否被削波或失真，或者是否出现噪声。 这种电能质量测量将表明公用电源的刚度和房屋布线的充分性。

对于下一个演示，我们将公用电源连接到通道 A。将 9-V 晶体管无线电电池连接到通道 B。打开两个通道后，公用正弦波和 9-V 直流信号一起显示在相同的显示器，共享相同的 X 轴和 Y 轴。 DC 信号是一条平坦的水平线，略小于 10 V 格，位于 X 轴上方或下方（取决于电池连接的极性）。

本练习的目的是演示 ScopeMeter 的“数学”功能。 与现代台式示波器一样，当一个信号作用于另一个信号时，ScopeMeter 能够将结果描绘为合成波形。 这两个信号可以相同或不同，但必须通过单独的通道访问它们，或者通过探头或来自一个或多个函数发生器的 BNC 电缆。 此外，正如我们将看到的，一些“数学”功能适用于通过一个模拟通道访问的单个信号。 它们可以对一个或两个输入进行操作。

“加”、“减”和“乘”运算需要两个操作数，分别指定为“源一”和“源二”，并通过通道 A 和 B 传送。（在台式示波器中，它们被称为通道一和通道二）。 在所有情况下，每个通道都有一种专用颜色，相关的波形以该颜色表示。 结果波形以通道之一未使用的某种颜色显示，例如灰色。

“加”、“减”和“乘”需要两个操作数，分别指定为“源一”和“源二”。 “Invert”、“integrate”和“filter”需要一个操作数，指定为“Source One”。 这些操作需要选择一个目的地。 执行“数学”运算必须完成的步骤是：

1. 按“特殊功能”打开“特殊功能”菜单。
2. 按“F3”打开“数学”菜单。
3. 打开“数学”功能开始操作。
4. 出现一个框，列出可用的“数学”运算。 选择其中之一，然后按“F4”进行选择。
5. 使用向上和向下箭头突出显示来源和目的地。 按“F4”打开相关框。 选择来源和目的地，然后按“F4”进行选择。
6. 现在可以选择“数学”操作。 “相加”、“相减”和“相乘”使两个波形按照规定进行交互，结果显示为第三个具有明显颜色编码的波形。 在所有情况下，都显示了相对于 X 轴和 Y 轴的点对点对应关系。

可以对单个波形执行三个附加操作。 它们是“反转”（极性反转）和“积分”（函数计算并显示所选波形下方的区域）。 此操作对随时间变化的波形进行累加，并且是所有功耗的度量。 此外，还有“过滤器”，它允许以指定的方式修改波形。

ScopeMeter 与其他现代示波器共享的一个重要功能是“光标”。 早期的示波器在屏幕上有一个透明的覆盖层。 被称为“格线”，它具有带有中间刻度的水平分区，技术人员可以使用它来确定 Y 轴上的波形幅度和 X 轴上的时间间隔。 如今，物理格线已被屏幕上的电子图像所取代，可以通过操纵前面板控件来缩放和移动，技术人员可以使用这些线来估计波形参数，例如峰峰值电压.

但是，使用“光标”功能可以获得更高的精度。 要使用 Fluke 190-502 ScopeMeter 执行此操作，请在打开仪器后按“光标按钮”（“F4”正下方）。 “光标”菜单出现在显示屏下方。 “F1”允许用户切换光标配置。 例如，两条垂直线使光标（在显示器中用黑线表示）与 X 轴相交，以便测量时间。 请注意，时间（以毫秒为单位或其他适当的单位）显示在显示屏上方的信息栏中。 同样，切换到两条水平线会使光标与 Y 轴相交，显示毫伏或伏特。 按“F2”切换到“移动”功能，允许用户移动顶部或底部光标。 完成此操作后，显示屏上方信息栏中的值会发生变化。 “光标”的真正用处在于访问信号并显示其波形时。 可以移动光标以与峰值或任何中间波特征对齐，并显示该值。 这比通过计算刻度上的刻度和刻度来估计这些参数要准确得多。

这些练习应该能让您对 ScopeMeter 的工作方式有一个很好的了解。 现在，我们将了解如何使用该仪器对故障电气系统进行故障排除。 首先，如果您参与电动或其他电气设备的开发或维护，建议您在设备正常运行、故障或异常性能之前进行电气测量并捕获波形。 这最好定期进行。 如果电机或整个安装异常昂贵或停机时间不可接受，则可能值得保存带有保存的示波器屏幕截图的日志，以便在发生灾难性故障之前发现有害趋势。

VFD 的目的是控制电机的速度和方向。 大型 VFD 中特别感兴趣的对象是在断开连接处测量的三相电源输入； 在 VFD 输出和电机端子处测得的功率输出； 在整流器（为直流母线供电）和逆变器之间，直流母线。 在电源输入端，交流电源应显示结构良好的正弦波，没有削波、失真或相位不平衡。

VFD 内的直流母线应显示平滑、无纹波的等幅水平线。 输出应由具有瞬时上升和下降时间的格式良好的脉冲组成。 衰减处的大尖峰是一个不好的迹象。 当电机加速、减速或改变扭矩时，应该可以看到和测量占空比的变化。 如果电气参数不理想（如上所述），系统可能运行良好，但电机很可能会过热并过早发生故障。

在 VFD 中，在直流母线下游，脉宽调制逆变器控制馈送到电机输入端子的电压和频率。 这是由于半导体开关行为而发生的。 在输入端，二极管产生开关逆变器所需的直流缓冲器。 直流电压是交流输入电压的 1.414 倍。 电容器用作滤波器以最小化直流总线上的纹波。 电容器和/或一个或多个二极管可能会发生故障，从而改变直流电压的特性，因此这是示波器研究的重要目标。

在逆变器部分，控制由能够提供高达 500 马力电机负载的绝缘栅双极晶体管提供。 进行这些测量不适合胆小的人，它要求对电击和弧光危险极为谨慎。

为了检查直流总线上的电压，示波器使用直流耦合来测量绝对值。 使用交流耦合查看纹波。 由于直流总线上的电压是交流均方根值的 1.414 倍，因此对于 480 VAC 驱动器，直流总线的测量电压应为 678 V。如果电压低，驱动器将跳闸。 如果是这种情况，电源输入电压可能较低或因削波而失真，或者可能存在线路问题。 如果直流总线纹波中的连续峰值具有不同的电平，则整流二极管可能损坏。 纹波电压过高表示电容器损坏或变频器与电机不匹配。 即使 VFD 直流总线中的少量纹波也会妨碍令人满意的运行。

VFD 性能的一个非常大的问题是从驱动器输出到电机端子的接线。 调制脉冲波形的快速上升和下降时间可能会导致有害的谐波和反射。 如果存在阻抗不匹配，反射峰值可能等于直流总线电压。

如果系统工作正常并且故障（表现为电机过热和跳闸）突然开始，请寻找传输线的扭结或损坏。 如果系统在安装后从未工作，则可能需要增加导体尺寸，或者，如果可能，缩短运行时间。 此外，与往常一样，检查所有终止。

在工业环境中，许多技术人员更喜欢使用手持式、电池供电的示波器，而不是线路供电的台式示波器。 除了更便携、更坚固以承受潮湿和粗暴处理之外，它还不受不正确连接到以地参考为参考和浮动在地参考之上的电压的危险。 此外，资本投资较低。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第147期。
♦ 何时手持示波器优于台式示波器？
♦ “数学”函数的值是多少？
♦ 为什么在使用 VFD 时需要采取预防措施？
♦ VFD 中直流母线的用途是什么？
♦ 哪些症状表明 VFD 中存在电容器问题？