使用示波器對(duì)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)量 下

_____

輸入（線路）測(cè)量

大多數(shù)工業(yè)和重型商用變頻驅(qū)動(dòng)器都采用三相輸入。較小的驅(qū)動(dòng)器可能使用單相線電壓。特別是在電動(dòng)汽車(chē)和其他電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)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(jiàn)上集的“接線配置”）。在IMDA測(cè)量包中，電能質(zhì)量測(cè)量組和諧波測(cè)量組用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的功耗以及驅(qū)動(dòng)器對(duì)配電系統(tǒng)的預(yù)期影響。

電能質(zhì)量

電能質(zhì)量測(cè)量組包括表征驅(qū)動(dòng)器功耗的測(cè)量。這些測(cè)量也可以用于驅(qū)動(dòng)器的輸出（請(qǐng)參閱下面的“輸出測(cè)量”）。圖19顯示了電氣分析部分中的電能質(zhì)量測(cè)量。選擇電能質(zhì)量測(cè)量會(huì)生成相量圖、波形和測(cè)量標(biāo)識(shí)。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(cè)量分為電能質(zhì)量、諧波、紋波和效率。還提供DQ0和機(jī)械測(cè)量的選擇

電能質(zhì)量測(cè)量可用于確認(rèn)探頭和接線配置是否正確。如果一個(gè)或多個(gè)功率測(cè)量顯示負(fù)讀數(shù)，請(qǐng)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(cuò)誤。對(duì)于三相系統(tǒng)，請(qǐng)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(cè)量基頻的電能質(zhì)量，也可選擇測(cè)量所有頻率的電能質(zhì)量。當(dāng)選擇“基頻”選項(xiàng)時(shí)，將僅測(cè)量基頻分量。當(dāng)選擇“所有頻率”選項(xiàng)時(shí)，將計(jì)算所有諧波（包括基頻）的電能質(zhì)量測(cè)量值。

相量圖：圖20所示的相量圖是一個(gè)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(gè)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(cè)量值：相對(duì)于參考相電壓（圖20中的VaN）的RMS電壓和相位角，相對(duì)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(cè)量標(biāo)識(shí)顯示了許多測(cè)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(dòng)器輸入（線路）側(cè)的電能質(zhì)量測(cè)量

諧波

諧波測(cè)量呈現(xiàn)基頻及其諧波處的信號(hào)幅度，并測(cè)量信號(hào)的RMS幅度和總諧波失真?？梢愿鶕?jù)IEEE-519或IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)或自定義限制來(lái)評(píng)估測(cè)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(cè)試。測(cè)試結(jié)果可以記錄在詳細(xì)報(bào)告中，注明是否合格。

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

直流母線測(cè)量

紋波可以在兩個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)測(cè)量，即在直流母線和開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體上測(cè)量。

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

●   開(kāi)關(guān)紋波：該測(cè)量提供相應(yīng)電壓信號(hào)的RMS和峰峰值測(cè)量值。

開(kāi)關(guān)分析

圖22 開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量有助于優(yōu)化逆變器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)或驗(yàn)證變頻驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的開(kāi)關(guān)電路時(shí)，了解與驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)階段相關(guān)的損耗非常重要。選項(xiàng)5-PWR和6-PWR提供開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量和斜率。電壓探頭連接到開(kāi)關(guān)的兩端，而電流探頭連接用于測(cè)量流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流。

可以添加多個(gè)測(cè)量來(lái)獲取各開(kāi)關(guān)的測(cè)量值。

5/6-PWR分析包包括以下測(cè)量：

●   開(kāi)關(guān)損耗：測(cè)量開(kāi)關(guān)器件開(kāi)啟、關(guān)閉和傳導(dǎo)區(qū)域中的平均瞬時(shí)功率或能量。該測(cè)量將創(chuàng)建一個(gè)功率波形，而功率波形是根據(jù)每對(duì)V和I波形計(jì)算得出的。

●   dv/dt：測(cè)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(guò)程中的變化率（斜率）。該測(cè)量將創(chuàng)建一個(gè)功率波形，而功率波形是根據(jù)每對(duì)電壓和電流波形計(jì)算得出的。

●   di/dt：測(cè)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(guò)程中的變化率（斜率）。該測(cè)量將創(chuàng)建一個(gè)功率波形，而功率波形是根據(jù)每對(duì)電壓和電流波形計(jì)算得出的。

直接正交零點(diǎn)(DQ0)的變換和測(cè)量

Clarke和Park變換通常用于簡(jiǎn)化磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的實(shí)施。顯示了一個(gè)磁場(chǎng)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(jiǎn)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(lái)創(chuàng)建逆變器中脈沖寬度調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

這些D矢量和Q矢量可能位于數(shù)字信號(hào)處理模塊（例如 FPGA）的深處，并且可能無(wú)法直接測(cè)量。IMDA軟件提供DQ0分析選項(xiàng)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置根據(jù)三相輸出電壓或電流得出D和Q的測(cè)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(guò)計(jì)算D矢量和Q矢量上各采樣點(diǎn)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(duì)數(shù)計(jì)算得出。通過(guò)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(dòng)電機(jī)。還可以查看換向次數(shù)。請(qǐng)注意，上方圖23中R矢量圖中的六個(gè)失真點(diǎn)對(duì)應(yīng)于六個(gè)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(kāi)關(guān)噪聲引起的噪聲。

輸出測(cè)量

PWM驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)的基頻相關(guān)的低頻分量構(gòu)成。使用示波器對(duì)PWM波形進(jìn)行測(cè)量可能頗具挑戰(zhàn)，因?yàn)楹茈y實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的觸發(fā)。

圖24 此處顯示的PWM波形包括一個(gè)頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲的載波和電機(jī)對(duì)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(cè)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(gè)周期。

IMDA軟件的主要優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)WM波形進(jìn)行穩(wěn)定的測(cè)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(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)精確的同步。

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

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

效率測(cè)量

效率測(cè)量是指相應(yīng)輸入和輸出電壓和電流對(duì)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(gè)輸入通道完成三相輸入和輸出功率的完整測(cè)量，如圖25所示。

圖25 使用8個(gè)示波器輸入通道測(cè)量三線輸入三線輸出系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率

圖26 使用雙功率表法對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出進(jìn)行效率測(cè)量

動(dòng)態(tài)測(cè)量

電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析的一個(gè)常見(jiàn)要求是，能夠?qū)﹄姍C(jī)隨時(shí)間而變的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，以監(jiān)控被測(cè)設(shè)備在加速和不同負(fù)載條件下的行為。這些動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量組提供了兩種類型的趨勢(shì)圖用于此分析：時(shí)間趨勢(shì)圖，采集趨勢(shì)圖。兩種趨勢(shì)圖各有其優(yōu)點(diǎn)，可用于呈現(xiàn)電能質(zhì)量測(cè)量組內(nèi)支持的子測(cè)量。這些趨勢(shì)圖可以保存為CSV文件以供后期處理。

時(shí)間趨勢(shì)圖

時(shí)間趨勢(shì)圖顯示單次采集中每個(gè)波形周期的測(cè)量值。這種趨勢(shì)圖適用于觀察測(cè)量值在短時(shí)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27 IMDA軟件中的時(shí)間趨勢(shì)圖用于記錄單次采集過(guò)程中測(cè)量值的變化

采集趨勢(shì)圖

采集趨勢(shì)圖記錄每次采集的單次平均測(cè)量值，因此適用于長(zhǎng)期分析。在測(cè)試配置期間，可以通過(guò)設(shè)置采集參數(shù)來(lái)指定測(cè)試持續(xù)時(shí)間。這些趨勢(shì)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(shí)間值即可用。

動(dòng)態(tài)負(fù)載控制對(duì)于三相感應(yīng)電機(jī)和其他電機(jī)也很重要。通過(guò)采集趨勢(shì)圖可以查看加速、恒速和減速過(guò)程中的測(cè)量值。

圖28 采集趨勢(shì)圖記錄多次采集過(guò)程中測(cè)量值的變化。在上圖中以綠色線條表示。請(qǐng)注意，該圖還會(huì)顯示最近一次采集的波形和測(cè)量值

總結(jié)

對(duì)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)量面臨著諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氝M(jìn)行連接，波形非常復(fù)雜且數(shù)學(xué)運(yùn)算量巨大。泰克5/6系列MSO示波器的IMDA軟件大幅簡(jiǎn)化了這些測(cè)量，為功率分析儀測(cè)量提供了高速采樣系統(tǒng)和實(shí)時(shí)示波器可視化的優(yōu)勢(shì)。

利用示波器，三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)人員可以在靜態(tài)和動(dòng)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(dòng)器性能。5系列和6系列MSO的采樣和處理能力支持DQ0測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)這些功能。