Ob Motoren, Stromversorgungen oder Leuchtstofflampen: Manche Verbraucher weisen hohen Einschaltstrom auf - oftmals ein Vielfaches des später fließenden Nennstroms. Um hier Schaltungsproblemen vorzubeugen, erfassen Oszilloskope vorab die Höhe und Dauer der Leistungsspitzen.

Ein Oszilloskop gibt den zeitlichen Verlauf einer Spannung wieder - und mit einigen Anpassungen auch den zeitlichen Verlauf des Stroms. „Prinzipiell lassen sich dafür auch Zeigermessgeräte einsetzen", so Patrik Kalberer, European Category Manager T&M beim Elektronikdistributor Distrelec. „Das funktioniert allerdings nur, wenn die Veränderungen nicht zu plötzlich auftreten. Weil das beim Einschaltstrom der Fall ist, sind Oszilloskope für diese Anwendung besser geeignet." Der sogenannte Einschaltstrom tritt unmittelbar nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung auf. Er kann ein Vielfaches des später fließenden Nennstromes betragen, weshalb er bei der Auslegung elektrischer Betriebsmittel berücksichtigt werden muss. „Motoren, Stromversorgungen, Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen haben jeweils eigene Einschaltstromeigenschaften", so Kalberer. „Um Schaltungsproblemen vorzubeugen, müssen diese erfasst und analysiert werden." Ziel ist dabei, die Höhe und Dauer der Leistungsspitzen zu ermitteln.

Anforderungen an das Oszilloskop

Dafür lassen sich allerdings nicht alle Oszilloskope einsetzen: Signalform-Daten müssen über einen ausreichend langen Zeitraum kontinuierlich erfasst, gespeichert und bei hoher Genauigkeit ausgewertet werden. „Geeignete Geräte aus dem Distrelec-Portfolio wären zum Beispiel die THS3000-Serie von Tektronix oder die OX7000-Serie von Metrix", so Kalberer. „Für den mobilen Einsatz empfehle ich das Fluke ScopeMeter der Serie 190 II." Mit dem tragbaren Gerät lassen sich Einschaltströme über den gesamten Zyklus erfassen und anzeigen. Die gesammelten Daten können im Speicher des tragbaren Oszilloskops abgelegt und später mit der Software FlukeView untersucht werden. Mittels Cursor und Zoomfunktionen können Anwender Stromspitzen und Schaltzeitparameter in voller Detailgenauigkeit analysieren.
Neben dem Oszilloskop wird ein externer 10:1-Spannungstastkopf und eine Stromzange benötigt. Diese werden mit der Versorgungsspannung beziehungsweise mit einem der 3-phasigen Stromleiter verbunden. Für die Messung wird der Gerätemodus ScopeRecord benutzt. Diese Funktion ermöglicht eine Speichertiefe von 30.000 Punkten bei einer Zeitbasis von 5 ms/Division bis 2 min/Division, was je nach eingestellter Zeitbasis einer kontinuierlichen Speicherung von 6 bis 48 Stunden entspricht. Das Gerät tastet im ScopeRecord mit 125 MSamples pro Sekunde alle Eingänge synchron ab. Daraus ergibt sich eine Stör-Erfassungsrate von bis zu acht Nanosekunden schnellen Impulsen beziehungsweise Ereignissen. Sobald sich das Gerät im richtigen Modus befindet, muss der Anwender die Amplitude und die Position auf dem Bildschirm auf eine sich nicht überlappende Anzeige einstellen.

Messung des Einschaltstromes bei einem 3-Phase-Motor

Im folgenden wird die Messung des Einschaltstroms bei einem 3-Phasen-Motor einer Lüftungseinheit beschrieben. Eine externe Triggerung ist in diesem Fall über den Eingang möglich, der nicht für die 3-Phasen-Messung verwendet wird. Der Schaltvorgang wird von einem Relais mit Zeitverzögerung gesteuert. Aufgrund dieser Verzögerung ist eine externe Triggerung erforderlich, um die Erfassung im Modus ScopeRecord zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs zu starten. Um die Vorgänge während der Messung zu verstehen, muss man sich das Prinzip eines asynchronen Motors mit Stern-Dreieck-Schaltung vor Augen halten: Diese reduziert bei asynchronen Motoren den Einschaltstrom um den Faktor √3. In der Stern-Schaltung wird die dreiphasige Spannung an zwei Spulen der Motorschaltung mit Stern-Schaltung angelegt. Dies bedeutet, dass die Stern-Spannung UY von 230 V für die Motorwicklung verfügbar ist. In der Dreieck-Schaltung steht die volle Spannung U∆ von 400 V für die Motorwicklung zur Verfügung.

Drehstrommotoren werden durch den Phasenunterschied zwischen den drei Spannungen gestartet. Es entsteht ein rotierendes Feld, durch das eine Drehbewegung des Stators hervorgerufen wird. Ein einphasiger Motor benötigt jedoch eine Anlaufwicklung und einen Kondensator, um für das Anlaufdrehmoment ein rotierendes Feld zu erzeugen. Dieser Start-Schaltkreis wird abgeschaltet, wenn der Motor eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat. Jeder Motor hat spezielle Anlaufeigenschaften, die bei der Analyse des Einschaltstroms berücksichtigt werden müssen. Nicht nur die interne Motorkonstruktion, auch externe Faktoren wie Spannungsamplitude, Umgebungstemperatur und Last haben Einfluss auf den Einschaltstrom.
All diese Faktoren müssen aufgezeichnet und beachtet werden, wenn eine Trenddarstellung des Motors im Zeitverlauf erstellt wird. Bei Drehstrommotoren kommt es darauf an, den Einschaltstrom der zuerst angelegten Phase zu messen. „Zusätzlich zur Analyse der Spitzenströme sollten Anwender auch messen, wie lange der Übergang vom Einschaltstrom zum normalen Betriebsstrom dauert und wie hoch der normale Betriebsstrom ist" so Kalberer. „Daraus lassen sich Rückschlüsse zum Beispiel im Fall von defekten Anlasserschaltungen ziehen."

Messinstrument für Anlagentechnik oder Mikroelektronik bis 1000 Volt

Die Fluke ScopeMeter Serie 190 II eignet sich jedoch auch für andere Prüfaufgaben - von der Mikroelektronik bis hin zur Energieanlagenelektronik. „Es handelt sich hier um ein Profi-Gerät für Instandhalter und Anlagentechniker in der Industrie", so Kalberer. Die Baureihe kombiniert hohe Sicherheitsstandards und robuste Verarbeitung für den mobilen Einsatz mit der Leistung eines Tischoszilloskops. Dank der Schutzart IP51 stellen raue Umgebungsbedingungen, Schmutz und selbst der Einsatz in Gefahrenbereichen kein Problem dar. Die tragbaren Oszilloskope mit drei unabhängigen, getrennten Eingängen für potenzialfreie Messungen sind zugelassen für sichere Messungen in CAT IV-Umgebungen bis 600 V und CAT III-Umgebungen bis 1.000 V. Im Sortiment von Distrelec finden sich nicht nur Geräte von Fluke, sondern auch von Herstellern wie Tektronix, Agilent, Pico Technology und Teledyne LeCroy.