【導(dǎo)讀】大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機(jī)頻率，從而控制電機(jī)速度。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)波形來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因?yàn)槿嗍请姍C(jī)的最佳配置。
大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機(jī)頻率，從而控制電機(jī)速度。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)波形來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因?yàn)槿嗍请姍C(jī)的最佳配置。
自電氣工程誕生以來，三相交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM) 一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、成本低且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。但電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器有多種不同類型。交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM) 的效率低于無刷直流電機(jī) (BLDC) 和永磁同步電機(jī) (PMSM)。與交流感應(yīng)電機(jī)相比，同步無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)效率更高，重量也更輕，但需要更先進(jìn)的控制算法。盡管每種類型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有其獨(dú)特的特性，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來改變輸送到電機(jī)的頻率和電壓。
圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入來控制電機(jī)速度和扭矩
對電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測量的挑戰(zhàn)
由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，因此，要對這種信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的測量具有挑戰(zhàn)性。要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波形，通過人工確定濾波器和觸發(fā)器的正確組合非常棘手，但對于實(shí)現(xiàn)一致測量卻是必要的。
除了測量驅(qū)動(dòng)器的輸出之外，對驅(qū)動(dòng)器的輸入級性能（例如諧波、功率和功率因數(shù)）進(jìn)行測量和評估也很重要。雖然可以將原始波形導(dǎo)出到電子表格或其他分析軟件中，但該過程非常耗時(shí)，并且設(shè)計(jì)算法時(shí)要特別注意。
進(jìn)行這些測量需要與被測設(shè)備建立許多連接。錯(cuò)誤的探頭連接和連接點(diǎn)完整性差是導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測量誤差的常見原因。機(jī)械測量也很關(guān)鍵，可以使用傳感器進(jìn)行。然而，如果不進(jìn)行自定義處理和轉(zhuǎn)換，要想獲取以工程單位表示的速度、加速度或扭矩的測量值可能非常困難，甚至是不可能。由于這些原因，要想使用示波器對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行良好的測量，需要仔細(xì)的設(shè)置、穩(wěn)定的波形和強(qiáng)大的測量算法。
圖2 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能模塊圖
PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理
多種類型的電機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 形式驅(qū)動(dòng)，包括有刷直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。PWM使驅(qū)動(dòng)器能夠改變輸送到電機(jī)的頻率和電壓。
盡管很多年前人們就已經(jīng)掌握PWM驅(qū)動(dòng)器的工作原理，但卻是功率半導(dǎo)體、控制電子組件和微處理器的改進(jìn)和成本的降低才推動(dòng)了此類驅(qū)動(dòng)器的廣泛使用。矢量控制技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了這一趨勢。通過矢量控制，設(shè)計(jì)者能夠在交流電機(jī)的高可靠性基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的高效率和精確可控性。無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)正在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域取代有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)，這些領(lǐng)域不僅包括工業(yè)應(yīng)用，還包括電動(dòng)工具、家用電器和電動(dòng)汽車。圖2顯示了三相變頻驅(qū)動(dòng)器基本元件的框圖。
PWM驅(qū)動(dòng)器可以由直流電、單相交流電或三相交流電供電。圖2顯示了一臺(tái)由三相電源供電的變頻驅(qū)動(dòng)器，三相電源常用于工業(yè)設(shè)備。三相電源經(jīng)過整流和濾波產(chǎn)生直流母線，為驅(qū)動(dòng)器的逆變器部分供電。逆變器由三對半導(dǎo)體開關(guān)（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT等）及其相關(guān)二極管組成。每對開關(guān)分別為電機(jī)的一相提供電源輸出。這種基本架構(gòu)可以適用于多種類型的電機(jī)，但控制電子組件在反饋和復(fù)雜性方面差異很大。這里簡單介紹幾種常見的用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM形式。
圖3 霍爾傳感器向簡單的六步控制器提供反饋。驅(qū)動(dòng)器U、V和W輸出信號(hào)應(yīng)用于電機(jī)定子
六步換相 / 梯形波控制驅(qū)動(dòng)器
這種類型的驅(qū)動(dòng)器與無刷直流電機(jī)結(jié)合使用。無刷直流電機(jī)效率高且體積小。它具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但沒有電刷，不易磨損。無刷直流電機(jī)可以通過相對簡單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來實(shí)現(xiàn)電子換向。下圖顯示了一組典型的PWM波形。
圖4 A相和B相之間的脈沖寬度調(diào)制波形的平均線電壓是正弦波
標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器
簡單的變頻驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)，通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM波形的基頻來控制電機(jī)速度。為了保持全扭矩，驅(qū)動(dòng)器中的控制系統(tǒng)會(huì)保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類驅(qū)動(dòng)器被稱為標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器。控制電子組件產(chǎn)生三個(gè)相位差為120°的低頻正弦波，用于調(diào)節(jié)每對開關(guān)的脈沖寬度。
電機(jī)繞組的平均電壓近似正弦波。電機(jī)繞組的另外兩相具有相似的平均電壓，相差120°。
圖5 隨時(shí)間變化的三相電壓信號(hào)
從逆變器輸出電壓的角度來看，電機(jī)在很大程度上類似于一個(gè)電感器。由于電感器對較高頻率具有較高阻抗，因此電機(jī)所吸收的大部分電流來自于PWM波形輸出中的較低頻率分量。因此，電機(jī)所吸收的電流形狀近似正弦波。
通過控制調(diào)制波形的幅度和頻率，以及控制電壓和頻率比，PWM驅(qū)動(dòng)器可以提供三相電源，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到所要求的速度。
圖6 由于電機(jī)是感性負(fù)載，且能阻抗快速電流變化，因此電機(jī)所吸收的電流近似正弦波
矢量控制驅(qū)動(dòng)器 /磁場定向控制
交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器更先進(jìn)，采用矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)。此類驅(qū)動(dòng)器比標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器更靈活、更高效，但也更復(fù)雜。矢量控制驅(qū)動(dòng)器與標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是矢量控制驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行更平穩(wěn)，加速更快，扭矩控制也更好。此類控制系統(tǒng)通常使用磁場定向控制 (FOC)，并且比標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器復(fù)雜得多。矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機(jī)的扭矩和磁通量有關(guān)。
圖7 矢量控制 / 磁場定向控制使用復(fù)雜的PWM波形
控制系統(tǒng)必須測量轉(zhuǎn)子的位置以使系統(tǒng)同步。這通常通過使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來實(shí)現(xiàn)（還會(huì)使用無傳感器系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)使用電機(jī)的反電動(dòng)勢來確定轉(zhuǎn)子位置）。控制器使用Clarke變換和Park變換來計(jì)算矢量D和矢量Q的幅值，然后使用這些值作為控制回路的設(shè)定點(diǎn)。
圖8 矢量控制系統(tǒng)框圖
變頻驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的連接
對變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行功率測量需要使用電壓和電流探頭。選擇示波器電壓探頭進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測量時(shí)，一定要考慮以下幾點(diǎn)：
● 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測量涉及相對較高的電壓。例如，480V 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的直流母線電壓通常約為680V。切記確認(rèn)探頭尖端的額定電壓以及用于連接探頭的配件的額定電壓。
● 共模電壓也可能相對較高。也就是說，測量結(jié)果通常相對于地面是“浮動(dòng)”的，因此不能使用接地參考的探頭。務(wù)必確保信號(hào)浮動(dòng)不超過探頭的共模電壓額定值。
● 大多數(shù)相關(guān)頻率低于200MHz，因此具有此帶寬的探頭足以滿足大多數(shù)日常測量需求。
● 探頭應(yīng)能用于廣泛的測量任務(wù)。
出于這些原因，通常建議使用高壓差分探頭作為功率電子逆變器子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器輸入/輸出和控制系統(tǒng)測量的通用電壓探頭。接地參考無源探頭不應(yīng)用于測量相電壓。中性端子可能不在接地電位，從而導(dǎo)致大量電流流過探頭和示波器接地。這很危險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致被測設(shè)備或示波器受到?jīng)_擊或損壞。
圖9 泰克差分探頭（如THDP0200）和AC/DC電流探頭（如TCP0030A）為變頻驅(qū)動(dòng)器測量提供良好的覆蓋范圍；IsoVu光學(xué)隔離電壓探頭提供極高的共模抑制比，能夠承受最大2500V的差分電壓，并且具有高達(dá)1GHz的帶寬
示波器探頭設(shè)置與接線配置
在進(jìn)行任何功率測量之前，必須完成一些重要步驟。電流探頭必須消磁，并且所有探頭都應(yīng)校正，以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
在進(jìn)行測量之前對電流探頭執(zhí)行消磁程序，消除探頭磁芯中的任何剩磁，這一步非常重要。剩磁會(huì)導(dǎo)致測量誤差。消磁程序通常是通過移除電流探頭鉗口的所有導(dǎo)體，然后按下消磁按鈕啟動(dòng)的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會(huì)在您使用前自動(dòng)提示執(zhí)行消磁程序。
校正過程可以校正任意兩個(gè)不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之間的各種傳輸延遲。這一步很重要，因?yàn)橄辔魂P(guān)系對于變頻驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)上的許多測量至關(guān)重要。基本步驟是向通道提供同步信號(hào)，并調(diào)整每個(gè)通道的延遲，使各通道的信號(hào)對齊。泰克公司提供功率測量校正夾具 (P/N 067-1686-xx) 來幫助解決此問題。連接電流探頭時(shí)，務(wù)必注意探頭上的箭頭標(biāo)記。如果電流探頭連接在負(fù)載的線路側(cè)，箭頭應(yīng)指向負(fù)載。如果電流探頭連接在負(fù)載的返回側(cè)，則箭頭應(yīng)指向遠(yuǎn)離負(fù)載的方向。
變頻驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出通常都使用三相電。然而，商業(yè)、住宅和汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的某些變頻驅(qū)動(dòng)器可能由單相交流或直流供電。此外，三相系統(tǒng)可以采用兩種接線和建模方式：星形（或稱Y形）和三角形。接線配置決定了功率分析中使用的計(jì)算方法，因此了解并選擇正確的接線配置對于獲得預(yù)期結(jié)果非常重要。接線配置適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出。
單相連接
單相兩線(1V1I)
需要兩個(gè)通道：分別用于測量電壓和電流，圖10顯示了電壓的測量方式。測得的總功率 P = V*I。單相交流和直流電源使用相同的設(shè)置。
圖10 單相雙線交流電測量，直流電源使用相同的設(shè)置
單相三線(2V2I)
單相三線配置在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中非常少見，但在北美住宅應(yīng)用中很常見，通常提供一個(gè)240V和兩個(gè)120V的供電線路，每個(gè)線路可能承載不同的負(fù)載。測量此類電源需要兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道。測得的總功率為V*I（負(fù)載 1+ 負(fù)載 2）。
圖11 單相三線接線在工業(yè)環(huán)境中很少見，但在消費(fèi)和輕型商業(yè)中卻很常見
三相連接
使用兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道 (2V2I) 測量三相三線系統(tǒng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常使用三線輸出，僅使用示波器上的兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道即可準(zhǔn)確測量（電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入更可能使用四線系統(tǒng)）。當(dāng)三根線將電源連接到負(fù)載時(shí)，至少需要兩個(gè)功率表來測量總功率。需要兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道，如圖12所示。電壓通道逐相連接，其中一相作為參考。負(fù)載和電源可以采用三角形或星形接線方式，但兩者之間不能有中性導(dǎo)體。在這種情況下，兩個(gè)功率表可以計(jì)算輸送到負(fù)載的總功率。（參見側(cè)欄：“如何使用四個(gè)示波器通道測量三相系統(tǒng)？”)
圖12 三相三線兩功率表法
圖12顯示了接線，圖14顯示了用于測量2V2I連接的IMDA 電源設(shè)置。控制所選線路即可確定用作電壓參考的相位。在此示例中，在A相和B相上測量電流，并在A相和B相上測量相對于C相的電壓。即測量值分別為VAC、VBC、IA和IB。在此示例中，總有功功率 (ΣTrPwr)的計(jì)算公式為：
瞬時(shí)功率 P1=VAC*IA
瞬時(shí)功率 P2=VBC*IB
ΣTrPwr=P1+P2。
如何使用四個(gè)示波器通道測量三相系統(tǒng)？
布隆德爾 (Blondel) 定理指出，對于一個(gè)N線系統(tǒng)，如果電壓是相對于其中一條導(dǎo)線測量的，那么總功率可以通過使用N-1個(gè)功率表來測量。
例如，在三線系統(tǒng)中，無論采用星形還是三角形接線方式，系統(tǒng)總功率都可以使用兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道來確定。例如，圖13顯示了一個(gè)星形接線系統(tǒng)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，如果已知其中兩個(gè)電流，就可以確定系統(tǒng)中的所有電流。通過測量兩相相對于第三相的相對電壓，就可以確定系統(tǒng)中的所有電壓。
圖13 該三線星形接線系統(tǒng)（無中性線）用于說明如何使用雙功率表法測量三相系統(tǒng)
圖14 使用雙功率表法的三線系統(tǒng)設(shè)置。在A相和B相上測量電流，并在A相和B相上測量相對于C相的電壓
使用三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道(3V3I)測量三相三線系統(tǒng)
盡管在三線系統(tǒng)中只需要兩個(gè)功率表就可以測量總功率，但使用三個(gè)功率表具有一些優(yōu)勢。三功率表配置需要六個(gè)示波器通道：三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道。
此3V3I配置提供單獨(dú)的相電壓和各相的功率，這是雙功率表配置所不能做到的。
圖15 三相三線系統(tǒng)，采用三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道（三個(gè)功率表）測量
對于使用3V3I配置測量的三線系統(tǒng)，IMDA軟件提供將線電壓 (LL) 轉(zhuǎn)換為相電壓 (LN) 的設(shè)置選項(xiàng)。盡管三線系統(tǒng)中沒有物理中性線，但可以根據(jù)瞬時(shí)線電壓確定瞬時(shí)相電壓。
這種逐點(diǎn)的LL-LN轉(zhuǎn)換將把所有電壓表示為相對于單一參考點(diǎn)，并糾正了每個(gè)相中電壓與電流之間的相位關(guān)系。您可以通過打開和關(guān)閉轉(zhuǎn)換來觀察相量圖上的相位關(guān)系，從而了解LL-LN轉(zhuǎn)換的相位校正。打開LL-LN轉(zhuǎn)換，則可以通過將相電壓和相電流相乘來計(jì)算瞬時(shí)功率。例如，我們可以計(jì)算出提供給負(fù)載的總有功功率 (ΣTrPwr)。
ΣTrPwr=(vAN*iA)+(vBN*iB)+(vCN*iC)
圖16 在打開LL-LN轉(zhuǎn)換的3V3I配置中，可以讀出各相的有功功率、無功功率和視在功率以及所有相的總功率。請注意，總功率測量值與使用“雙功率表” (2V2I) 配置測得的功率測量值相當(dāng)
使用三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道 (3V3I) 測量三相四線系統(tǒng)
如果系統(tǒng)中的線路與驅(qū)動(dòng)器之間或驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間使用中性導(dǎo)體，則需要三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道來測量總功率。圖19顯示了一個(gè)此類四線系統(tǒng)。所有電壓都是相對于中性線測量的。線電壓可以使用矢量數(shù)學(xué)根據(jù)相電壓幅度和相位精確計(jì)算得出。總功率 ΣTrPwr =P1 + P2 + P3。
圖17 三相四線 ( 三功率表法 )
變頻驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)模塊的測量
變頻驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的不同功能模塊采用不同的測量和技術(shù)。我們將介紹各模塊（輸入、直流母線、輸出和電機(jī)）的關(guān)鍵測量值，并說明其在5系列和6系列MSO中IMDA分析工具中的位置。
圖18 驅(qū)動(dòng)器輸入、直流母線、輸出和電機(jī)采用不同的測量方法
三相自動(dòng)設(shè)置
IMDA軟件包括三相自動(dòng)設(shè)置功能，可根據(jù)所選的接線配置自動(dòng)配置電壓和電流源。該功能可為示波器設(shè)置最佳垂直、水平、采集和觸發(fā)參數(shù)，并且可用于所有有功功率測量。這極大地簡化了測量設(shè)置，在測量變頻驅(qū)動(dòng)器輸出上的PWM波形時(shí)尤為方便。
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