輸入（線路）測量

大多數(shù)工業(yè)和重型商用變頻驅(qū)動器都采用三相輸入。較小的驅(qū)動器可能使用單相線電壓。特別是在電動汽車和其他電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動器通常采用直流供電。IMDA電源分析軟件支持所有這些配置（參見上集的“接線配置”）。在IMDA測量包中，電能質(zhì)量測量組和諧波測量組用于計算驅(qū)動器的功耗以及驅(qū)動器對配電系統(tǒng)的預(yù)期影響。

電能質(zhì)量

電能質(zhì)量測量組包括表征驅(qū)動器功耗的測量。這些測量也可以用于驅(qū)動器的輸出（請參閱下面的“輸出測量”）。圖19顯示了電氣分析部分中的電能質(zhì)量測量。選擇電能質(zhì)量測量會生成相量圖、波形和測量標(biāo)識。圖中顯示了已配置繞組的電能質(zhì)量能量和功率數(shù)學(xué)波形。功率波形是使用數(shù)學(xué)算法將各相的電壓和電流波形相乘得出的。

 

圖19. 在泰克IMDA軟件中，測量分為電能質(zhì)量、諧波、紋波和效率。還提供DQ0和機(jī)械測量的選擇。

電能質(zhì)量測量可用于確認(rèn)探頭和接線配置是否正確。如果一個或多個功率測量顯示負(fù)讀數(shù)，請檢查您的電流探頭，確認(rèn)與負(fù)功率讀數(shù)相關(guān)的通道上的探頭是否連接錯誤。對于三相系統(tǒng)，請檢查相量圖。正常情況下，各相電壓應(yīng)基本相同，相位差為120°。

用戶可以選擇只測量基頻的電能質(zhì)量，也可選擇測量所有頻率的電能質(zhì)量。當(dāng)選擇“基頻”選項時，將僅測量基頻分量。當(dāng)選擇“所有頻率”選項時，將計算所有諧波（包括基頻）的電能質(zhì)量測量值。

相量圖：圖20所示的相量圖是一個圓形圖，表示相電壓和相電流之間以及各相電壓和電流之間的幅度和相位角。理想情況下，一個平衡的三相系統(tǒng)具有幅度相等的矢量，且相鄰矢量的相位差正好是120°。

相量圖（圖20）給出了各相的以下測量值：相對于參考相電壓（圖20中的VaN）的RMS電壓和相位角，相對于參考相電壓的RMS電流和相位角，電壓和電流之間的相位，功率因數(shù)。電能質(zhì)量測量標(biāo)識顯示了許多測量值。

 

圖20. 相量圖顯示各相電壓和電流之間的關(guān)系，該圖顯示了系統(tǒng)的平衡以及電壓和電流（電容或電感）之間的相移；電機(jī)驅(qū)動器輸入（線路）側(cè)的電能質(zhì)量測量。

諧波

諧波測量呈現(xiàn)基頻及其諧波處的信號幅度，并測量信號的RMS幅度和總諧波失真。可以根據(jù)IEEE-519或IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)或自定義限制來評估測量結(jié)果。例如，可以將IEC61000-3-12標(biāo)準(zhǔn)的限制以csv文件的形式加載，并根據(jù)這些限制進(jìn)行測試。測試結(jié)果可以記錄在詳細(xì)報告中，注明是否合格。

 

圖21. 諧波可以在電機(jī)驅(qū)動器的輸入和輸出上測量。此例顯示了驅(qū)動器三相輸出上的諧波。

直流母線測量

紋波可以在兩個不同的測試點測量，即在直流母線和開關(guān)半導(dǎo)體上測量。

?  線路紋波：該測量提供相應(yīng)交流電壓信號的線路頻率部分的RMS和峰 - 峰值測量值。

?  開關(guān)紋波：該測量提供相應(yīng)電壓信號的RMS和峰峰值測量值。

開關(guān)分析

 

圖22. 開關(guān)損耗測量有助于優(yōu)化逆變器設(shè)計。

在設(shè)計或驗證變頻驅(qū)動器內(nèi)的開關(guān)電路時，了解與驅(qū)動器開關(guān)階段相關(guān)的損耗非常重要。選項5-PWR和6-PWR提供開關(guān)損耗測量和斜率。電壓探頭連接到開關(guān)的兩端，而電流探頭連接用于測量流經(jīng)開關(guān)的電流。

可以添加多個測量來獲取各開關(guān)的測量值。

5/6-PWR分析包包括以下測量：

?  開關(guān)損耗：測量開關(guān)器件開啟、關(guān)閉和傳導(dǎo)區(qū)域中的平均瞬時功率或能量。該測量將創(chuàng)建一個功率波形，而功率波形是根據(jù)每對V和I波形計算得出的。

?  dv/dt：測量電壓從基準(zhǔn)參考水平(RB)上升到最高參考水平(RT)或從最高參考水平(RT)下降到基準(zhǔn)參考水平(RB)過程中的變化率（斜率）。該測量將創(chuàng)建一個功率波形，而功率波形是根據(jù)每對電壓和電流波形計算得出的。

?  di/dt：測量電流從基準(zhǔn)參考水平(RB)上升到最高參考水平(RT)或從最高參考水平(RT)下降到基準(zhǔn)參考水平(RB)過程中的變化率（斜率）。該測量將創(chuàng)建一個功率波形，而功率波形是根據(jù)每對電壓和電流波形計算得出的。

直接正交零點 (DQ0) 的變換和測量

Clarke和Park變換通常用于簡化磁場定向控制系統(tǒng)的實施。顯示了一個磁場定向控制系統(tǒng)的示例。在該控制系統(tǒng)中，這些變換用于將施加到電機(jī)的三相電壓轉(zhuǎn)換為正交D矢量和Q矢量。這些簡化的矢量可以輕松轉(zhuǎn)換和集成，以保持所需的速度。然后可以使用逆變換來創(chuàng)建逆變器中脈沖寬度調(diào)制的驅(qū)動信號。

這些D矢量和Q矢量可能位于數(shù)字信號處理模塊（例如 FPGA）的深處，并且可能無法直接測量。IMDA軟件提供DQ0分析選項，可以通過簡單的設(shè)置根據(jù)三相輸出電壓或電流得出D和Q的測量值，從而可以快速輕松地查看控制系統(tǒng)的調(diào)整效果。

 

圖23. DQ0相量圖顯示D矢量、Q矢量和合成矢量(R)，其中電機(jī)速度和方向反饋由正交編碼器傳感器提供。

除了D矢量和Q矢量，分析軟件還顯示合成矢量 (R)。R矢量是通過計算D矢量和Q矢量上各采樣點的D和Q斜邊矢量得出的。R矢量的起始角度是為0度，根據(jù)正交編碼器接口(QEI)的索引脈沖(Z)確定。增量角度由QEI根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(PPR)和電機(jī)的極對數(shù)計算得出。通過觀察R矢量旋轉(zhuǎn)，可以確認(rèn)控制系統(tǒng)是否正在平穩(wěn)地驅(qū)動電機(jī)。還可以查看換向次數(shù)。請注意，上方圖23中R矢量圖中的六個失真點對應(yīng)于六個換向步驟。除了選擇源和接線方式之外，還可以指定可應(yīng)用于所有源或僅用于邊沿限定器的低通濾波器。這有利于減少由于電磁干擾(EMI)拾取和開關(guān)噪聲引起的噪聲。

輸出測量

PWM驅(qū)動器的輸出波形很復(fù)雜，由與載波相關(guān)的高頻分量和與驅(qū)動電機(jī)的基頻相關(guān)的低頻分量構(gòu)成。使用示波器對PWM波形進(jìn)行測量可能頗具挑戰(zhàn)，因為很難實現(xiàn)穩(wěn)定的觸發(fā)。

 

圖24. 此處顯示的PWM波形包括一個頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲的載波和電機(jī)對其做出響應(yīng)的較低頻率平均電壓。

棘手的是，波形是在低頻下進(jìn)行調(diào)制的。因此，高頻測量（例如總rms電壓、總功率等）必須在高頻下進(jìn)行，但要覆蓋輸出波形中低頻分量的整數(shù)個周期。

IMDA軟件的主要優(yōu)勢之一是能夠?qū)WM波形進(jìn)行穩(wěn)定的測量。該軟件能夠解調(diào)用戶指定為“邊沿限定器”的通道上的PWM波形，并將包絡(luò)提取為“數(shù)學(xué)通道”。這使測量能夠?qū)崿F(xiàn)精確的同步。

在變頻驅(qū)動器輸入上使用的相同電能質(zhì)量和諧波測量也可用于驅(qū)動器的輸出，用于測量電壓、電流、相位和功率。詳細(xì)介紹見本指南的“輸入測量”部分。除單相三線配置僅可用作輸入測量外，相同的接線配置可同時用于輸入和輸出測量。

 

圖25. 電能質(zhì)量測量組提供了一組快速穩(wěn)定的PWM輸出測量的概覽，包括電壓、電流、相位角、有功功率、視在功率、無功功率和功率因數(shù)。

效率測量

效率測量是指相應(yīng)輸入和輸出電壓和電流對的輸出功率與輸入功率的比值。在5系列和6系列MSO上，輸入和輸出均采用雙功率表法（V1*I1和V2*I2）。如此可以使用八個輸入通道完成三相輸入和輸出功率的完整測量，如圖所示。

 

圖26. 使用8個示波器輸入通道測量三線輸入三線輸出系統(tǒng)的驅(qū)動效率。

 

圖27. 使用雙功率表法對變頻驅(qū)動器的輸入和輸出進(jìn)行效率測量。

動態(tài)測量

電機(jī)驅(qū)動分析的一個常見要求是，能夠?qū)﹄姍C(jī)隨時間而變的響應(yīng)進(jìn)行測量，以監(jiān)控被測設(shè)備在加速和不同負(fù)載條件下的行為。這些動態(tài)測量將幫助您了解不同條件下電壓、電流、功率和頻率等參數(shù)之間的相互影響。IMDA軟件的電能質(zhì)量測量組提供了兩種類型的趨勢圖用于此分析：時間趨勢圖，采集趨勢圖。兩種趨勢圖各有其優(yōu)點，可用于呈現(xiàn)電能質(zhì)量測量組內(nèi)支持的子測量。這些趨勢圖可以保存為CSV文件以供后期處理。

時間趨勢圖

時間趨勢圖顯示單次采集中每個波形周期的測量值。這種趨勢圖適用于觀察測量值在短時間內(nèi)的具體變化，以及將這些變化與其他相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

 

圖28. IMDA軟件中的時間趨勢圖用于記錄單次采集過程中測量值的變化。

采集趨勢圖

采集趨勢圖記錄每次采集的單次平均測量值，因此適用于長期分析。在測試配置期間，可以通過設(shè)置采集參數(shù)來指定測試持續(xù)時間。這些趨勢圖可以保存為CSV文件以供后期處理。如果將繪圖數(shù)據(jù)保存為CSV文件，時間值即可用。

動態(tài)負(fù)載控制對于三相感應(yīng)電機(jī)和其他電機(jī)也很重要。通過采集趨勢圖可以查看加速、恒速和減速過程中的測量值。

 

圖29. 采集趨勢圖記錄多次采集過程中測量值的變化。在上圖中以綠色線條表示。請注意，該圖還會顯示最近一次采集的波形和測量值。

總結(jié)

對三相電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行測量面臨著諸多挑戰(zhàn)，因為必須進(jìn)行連接，波形非常復(fù)雜且數(shù)學(xué)運算量巨大。泰克5/6系列MSO示波器的IMDA軟件大幅簡化了這些測量，為功率分析儀測量提供了高速采樣系統(tǒng)和實時示波器可視化的優(yōu)勢。

利用示波器，三相電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計人員可以在靜態(tài)和動態(tài)工作條件下進(jìn)行分析，查看電氣和機(jī)械參數(shù)，從而詳細(xì)了解驅(qū)動器性能。5系列和6系列MSO的采樣和處理能力支持DQ0測量等功能，讓用戶能夠深入了解控制系統(tǒng)的內(nèi)部情況。而功率分析儀目前還無法實現(xiàn)這些功能。

關(guān)于泰克科技

泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創(chuàng)新能力。70多年來，泰克一直走在數(shù)字時代前沿。歡迎加入我們的創(chuàng)新之旅，敬請登錄：tek.com.cn