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三相電力システムの測定と解析は、単相システムよりも本質的に複雑です。可変周波数モータ駆動のようなパルス幅変調(PWM)をベースとしたパワー・コンバータは、PWM信号のフィルタリングやトリガが困難なため、測定はさらに複雑になります。

デバッグや検証の段階では、その汎用性とスピードの高さからオシロスコープが最もよく使用されます。スイッチング・パワー・コンバータや制御回路の性能を正確に測定することができます。適切なプローブを使用すると、広い範囲、高帯域で測定できます。

専用の三相インバータ・モータ駆動解析ソフトウェアを備えており、高速で再現性の高い解析を行えます。

可変周波数制御(VFD)の動作

一般的なモータ駆動システムは、駆動部や電力変換部に供給される三相AC入力によって駆動されます。

駆動部には、主に以下の3つのブロックで構成されます。

  • AC-DCを変換する整流器
  • DCバス
  • DC電圧をAC信号(多くの場合はPWM波形)に変換するDC-ACインバータ

この図には示されていませんが、フィードバック・ループと制御ロジックがモータの負荷を監視し、駆動系を調整してトルクと速度を制御します。これにより、無負荷から最大負荷まで、さまざまな条件でモータを駆動することができます。

三相インバータ・モータ/ドライブ解析データ・シート

Functional diagram of a variable frequency drive (VFD) – Fluke Corporation
Oscilloscope screen images showing a phasor diagram and 3-phase harmonics compared to IEEE-519 limits

三相ライン測定

研究室では、三相ACラインから供給されるエネルギーを機器がどのように消費するかを把握するために、電力品質測定が行われます。

電力品質測定では、通常、以下のような項目が各相について測定されます。

  • 電圧および電流のRMSと振幅
  • 有効電力、無効電力、皮相電力、位相角、力率
  • 周波数

RMS電圧と電流の数値的な読み値に加えて、フェーザ図(左図)を使用すれば、電圧と電流の関係をすばやく観測できます。力率に影響を与える不均衡や位相シフトも一目で明らかになります。

力率は、エンド・ユーザの光熱費に直接影響を与えるため、あらゆる産業機器にとって重要な仕様値となります。ドライブの中には、力率を制御するためにアクティブ回路を搭載したものがあります。

高調波は、エンド・ユーザーのシステムの全体的な効率性や信頼性にも影響を与える可能性があります。このため、高調波歪みはしばしば規制の対象となります。左の図はIEEE-519の制限値を示した高調波バーチャートです。マージン・テストには、ユーザ定義の制限値を使用することができます。

オシロスコープでのフェーザ図の使用の詳細を見る

リップル解析

リップルは、一定のDC成分上に残留する不要なAC電圧として定義されます。一般的にはDCバスで測定されます。この測定は、入力側のAC-DCから出力側のPWM信号への不要成分の影響や、入力側のAC-DCから出力側のPWM信号への変換効率を把握するのに役立ちます。

ライン・リップル測定は、設定されたライン周波数でのRMS値、および設定された位相の時間領域波形のp-p値を、またスイッチング・リップル測定は、設定されたスイッチング周波数でのRMS、および設定された位相の時間領域波形のp-p値を測定します。

Ripple measurements on the DC bus of a variable frequency drive on an oscilloscope
Efficiency measurements on a variable frequency drive based on input power and PWM output power, using 2-wattmeter method on an 8-channel oscilloscope

ドライブ出力測定

効率はモータ駆動システムの全体的な性能を示す指標として重要な測定値の一つです。

効率は入力電力に対する出力電力の比率を測定します。各相の効率とシステムの総効率(平均)を計算して表示します。効率測定では、8チャンネル・オシロスコープで、2V2I構成(2ワットメーター法)を使用します。

三相VFDのトラブルシューティングと特性評価のリファレンス・システム

オシロスコープを用いた3相テスト・システムにより、VFD回路を観測しながらシステム・レベルの測定が行えます。高いサンプル・レートと長いレコード長を備えており、Hz~GHzまで広範囲な信号を詳細に測定できます。このアプリケーションでは豊富なプローブを選択できますが、優れたシステムの一例を紹介します。

5シリーズ MSO
8チャンネル/12ビットADCの機種を推奨

オプションIMDA1
5シリーズMSOによる三相測定を自動化

THDP0200型(×3)
高電圧差動電圧プローブ(100MHz、最大1,500V)

TCP003A型(×3)
30A AC/DC電流プローブ

クイック・デモを視聴する

A system for measurements on 3-phase variable frequency drives includes an 8-channel oscilloscope, analysis software, 3 high-voltage differential probes and 3 current probes