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使用示波器對三相電機驅(qū)動器進行測量 下

作者: 時間:2025-03-12 來源:EEPW 收藏

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本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/202503/468013.htm

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)學波形。功率波形是使用數(shù)學算法將各相的電壓和電流波形相乘得出的。

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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和機械測量的選擇

電能質(zhì)量測量可用于確認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讀數(shù),請檢查您的電流探頭,確認與負功率讀數(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。當選擇“基頻”選項時,將僅測量基頻分量。當選擇“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)量測量標識顯示了許多測量值。

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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??梢愿鶕?jù)IEEE-519或IEC 61000-3-2標準或自定義限制來評估測量結(jié)果。例如,可以將IEC61000-3-12標準的限制以csv文件的形式加載,并根據(jù)這些限制進行測試。測試結(jié)果可以記錄在詳細報告中,注明是否合格。

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圖21 諧波可以在電機驅(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

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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。

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圖23 DQ0相量圖顯示D矢量、Q矢量和合成矢量(R),其中電機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)和電機的極對數(shù)計算得出。通過觀察R矢量旋轉(zhuǎn),可以確認控制系統(tǒng)是否正在平穩(wěn)地驅(qū)動電機。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雜,由與載波相關(guān)的高頻分量和與驅(qū)動電機的基頻相關(guān)的低頻分量構(gòu)成。使用示波器對PWM波形進行測量可能頗具挑戰(zhàn),因為很難實現(xiàn)穩(wěn)定的觸發(fā)。

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圖24 此處顯示的PWM波形包括一個頻率可達數(shù)百千赫茲的載波和電機對其做出響應(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。

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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25所示。

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圖25 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

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圖26 使用雙功率表法對變頻驅(qū)動器的輸入和輸出進行效率測量

動態(tài)測量

電機驅(qū)動分析的一個常見要求是,能夠?qū)﹄姍C隨時間而變的響應(yīng)進行測量,以監(jiān)控被測設(shè)備在加速和不同負載條件下的行為。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)進行關(guān)聯(lián)分析。

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圖27 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)負載控制對于三相感應(yīng)電機和其他電機也很重要。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。

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圖28 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)

對三相電機驅(qū)動器進行測量面臨著諸多挑戰(zhàn),因為必須進行連接,波形非常復雜且數(shù)學運算量巨大。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)工作條件下進行分析,查看電氣和機械參數(shù),從而詳細了解驅(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。



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