使用示波器及探頭對三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測量

　　本篇介紹了使用示波器探頭對三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測量。包括以下幾個(gè)方面。

　　基本變頻驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　脈寬調(diào)制 (PWM) 基礎(chǔ)知識

　　如何選擇和設(shè)置示波器探頭

　　選擇正確的接線配置

　　大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用某種形式的調(diào)制來控制頻率，從而控制電機(jī)的速度。在大多數(shù)情況下，這些變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈寬調(diào)制 (PWM) 波形來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這些系統(tǒng)通常以三相輸出功率，因?yàn)檫@是電動(dòng)機(jī)的最佳配置。

　　自電氣工程早期以來，三相交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM) 一直是工業(yè)的主力。它們可靠、高效、經(jīng)濟(jì)且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。然而，有許多不同類型的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。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)。

　　同步 BLDC 和 PMSM 比交流感應(yīng)電機(jī)更高效、更輕，但需要更先進(jìn)的控制算法。

　　盡管每種類型的系統(tǒng)都有獨(dú)特的特性，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都使用脈寬調(diào)制技術(shù)來改變傳遞給電機(jī)的頻率和電壓。

　　圖 1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入以實(shí)現(xiàn)速度和扭矩的控制。

　　進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)測量的挑戰(zhàn)

　　由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出上的脈寬調(diào)制，對這些信號進(jìn)行穩(wěn)定測量具有挑戰(zhàn)性。手動(dòng)確定濾波器和觸發(fā)器的正確組合以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波形非常困難，但這是實(shí)現(xiàn)一致測量的先決條件。

　　除了測量驅(qū)動(dòng)器的輸出之外，評估驅(qū)動(dòng)器輸入級性能(例如諧波、功率和功率因數(shù))的測量也很重要。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)，并且在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要小心。

　　這些測量涉及與被測設(shè)備的許多連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不正確探測和連接完整性不良是電機(jī)驅(qū)動(dòng)測量中常見的錯(cuò)誤來源。

　　機(jī)械測量也很關(guān)鍵，可以使用傳感器進(jìn)行。然而，如果沒有定制處理和縮放，可能很難或不可能以工程單位測量速度、加速度或扭矩。

　　由于這些原因，要使用示波器全面了解電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要仔細(xì)的設(shè)置、穩(wěn)定的波形和強(qiáng)大的測量算法。

　　PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

　　脈寬調(diào)制形式用于驅(qū)動(dòng)多種類型的電機(jī)，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 允許驅(qū)動(dòng)器改變傳送到電機(jī)的頻率和電壓。

　　盡管 PWM 驅(qū)動(dòng)器的原理已為人們所了解多年，但功率半導(dǎo)體、控制電子器件和微處理器的進(jìn)步和成本降低極大地刺激了此類驅(qū)動(dòng)器的使用。矢量控制方法進(jìn)一步加速了這一過程，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)直流電機(jī)的效率和可控性以及交流電機(jī)的可靠性。 BLDC 和 PMSM 正在廣泛的應(yīng)用中取代有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)，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。

　　圖 2. 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，分為功能塊。

　　PWM 驅(qū)動(dòng)器可由直流、單相交流或三相交流供電。圖 2顯示了由三相電源供電的 VFD，這在工業(yè)設(shè)備中很常見。三相電源經(jīng)過整流和濾波后產(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)以及相關(guān)二極管組成。每對開關(guān)為電機(jī)的一相提供功率輸出。這種基本架構(gòu)可以適應(yīng)多種類型的電機(jī)，但控制電子設(shè)備在反饋和復(fù)雜性方面差異很大。這里簡單介紹一下用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的幾種常見的 PWM 形式。

　　6 步/梯形驅(qū)動(dòng)

　　這種類型的驅(qū)動(dòng)器與 BLDC 電機(jī)一起使用。 BLDC 電機(jī)高效且體積小。它們具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但沒有會磨損的電刷。它們可以通過相對簡單的 6 步或梯形 PWM 策略進(jìn)行電子換向。一組典型的 PWM 波形如下所示。

　　圖 3. 霍爾傳感器向簡單的 6 步控制器提供反饋。驅(qū)動(dòng)輸出 U、V 和 W 施加到電機(jī)的定子。

　　標(biāo)量驅(qū)動(dòng)器

　　用于驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)的簡單 VFD 通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 PWM 波形的基頻來控制速度。為了保持全扭矩，驅(qū)動(dòng)器中的控制系統(tǒng)保持電壓與 PWM 波形基頻之間的比率。這些稱為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)器。

　　控制電子器件生成三個(gè)相隔 120° 的低頻正弦波，調(diào)制每對開關(guān)的脈沖寬度。

　　圖 4：A 相和 B 相之間脈寬調(diào)制波形的平均相間電壓為正弦曲線。

　　提供給電機(jī)繞組的平均電壓近似為正弦波。電機(jī)繞組的其他兩相具有相似的平均電壓，間隔 120°。

　　圖 5.隨時(shí)間繪制的三相電壓信號。

　　在很大程度上，電機(jī)對于逆變器的輸出電壓來說就像一個(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)消耗的大部分電流是由于 PWM 波形輸出中的較低頻率分量造成的。這導(dǎo)致電機(jī)消耗的電流形狀近似為正弦波。

　　圖 6. 由于電機(jī)是感性負(fù)載，并且能夠抵抗快速電流變化，因此電機(jī)消耗的電流近似為正弦波。

　　通過控制調(diào)制波形的幅度和頻率，以及控制V/Hz比，PWM驅(qū)動(dòng)器可以提供三相電源，以所需的速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　矢量驅(qū)動(dòng)/磁場定向控制

　　更先進(jìn)的交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)。這些驅(qū)動(dòng)器比標(biāo)量驅(qū)動(dòng)器更靈活、更高效，但也更復(fù)雜。

　　矢量驅(qū)動(dòng)器與標(biāo)量驅(qū)動(dòng)器有相似之處，即它們通過正弦電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但矢量驅(qū)動(dòng)器提供更平穩(wěn)的操作、更快的加速和卓越的扭矩控制。這些控制系統(tǒng)通常使用磁場定向控制 (FOC)，并且比標(biāo)量驅(qū)動(dòng)器復(fù)雜得多。

　　矢量 D 和 Q 是正交矢量，其大小與電機(jī)內(nèi)的扭矩和磁通量有關(guān)。

　　圖 7. 矢量或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)子的位置以便使系統(tǒng)同步。這通常通過使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來完成。 (也使用無傳感器系統(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 和 Park 變換來計(jì)算 D 和 Q 的幅度，然后使用這些值作為設(shè)定值控制回路。

　　圖 8.矢量控制系統(tǒng)框圖。

　　連接 VFD 系統(tǒng)

　　示波器探頭選擇

　　對變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行功率測量需要電壓和電流探頭。選擇用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)測量的示波器電壓探頭時(shí)，重要的是要考慮：

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)測量涉及相對較高的電壓。例如，480 Vac 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的直流總線電壓通常約為 680 Vdc。確認(rèn)探頭尖端以及用于連接探頭的附件的額定電壓。

　　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“浮動(dòng)”，因此可以不使用接地參考探頭。重要的是要確保信號浮動(dòng)不超過探頭的共模電壓額定值。

　　大多數(shù)感興趣的頻率都低于 200 MHz，因此具有此帶寬的探頭對于大多數(shù)日常測量來說應(yīng)該足夠了。

　　探頭應(yīng)涵蓋廣泛的測量任務(wù)。

　　由于這些原因，通常建議使用高壓差分探頭作為電力電子逆變器子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輸入/輸出和控制系統(tǒng)測量的通用電壓探頭。

　　圖 9. 泰克差分探頭(例如 THDP0200)和泰克交流/直流電流探頭(例如 TCP0030A)為許多 VFD 測量情況提供了良好的覆蓋范圍。

　　注意：不得使用以地為參考的無源探頭來測量相電壓。中性端子可能不處于地電位，導(dǎo)致大量電流流過探頭和示波器接地。這是危險(xiǎn)的，可能會導(dǎo)致 DUT 或示波器受到電擊或損壞。

　　圖 10. IsoVu 光隔離電壓探頭提供極高的共模抑制比，最大電壓為 2500 V，帶寬高達(dá) 1 GHz。

　　推薦用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的一些探頭包括：

　　示波器探頭設(shè)置

　　在進(jìn)行任何功率測量之前，必須采取一些重要步驟。電流探頭必須消磁，并且所有探頭都應(yīng)去偏斜以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　在進(jìn)行測量之前，對電流探頭執(zhí)行消磁程序非常重要，以消除探頭磁芯中的任何殘余磁化強(qiáng)度。殘余磁化強(qiáng)度會導(dǎo)致測量結(jié)果不正確。該過程通常是通過從電流探頭的鉗口移除所有導(dǎo)體并按下按鈕啟動(dòng)該過程來執(zhí)行的。泰克電流探頭(例如 TCP0030A)會在使用前自動(dòng)提示您執(zhí)行消磁程序。

　　相差校正過程可糾正任意兩個(gè)不同示波器通道(包括探頭和探頭布線)之間的各種傳播延遲。這很重要，因?yàn)橄辔魂P(guān)系對于 VFD 系統(tǒng)上的許多測量至關(guān)重要。基本過程是為通道提供同步信號并調(diào)整每個(gè)通道的延遲以使其對齊。泰克提供功率測量相差校正夾具 (P/N 067-1686-xx) 來幫助解決此問題。

　　連接電流探頭時(shí)，請務(wù)必注意探頭上的箭頭。當(dāng)電流探頭連接在負(fù)載的線路側(cè)時(shí)，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。

　　有關(guān)功率測量的探頭選擇和設(shè)置的更多信息，請參閱使用示波器對電源進(jìn)行精確電壓測量的探測技術(shù)和使用示波器對電源進(jìn)行精確電流測量。

　　接線配置

　　通常，VFD 的輸入和輸出都使用三相。然而，一些用于商業(yè)、住宅或汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 VFD 可能由單相交流或直流供電。此外，三相系統(tǒng)可以采用兩種配置進(jìn)行接線和建模：星形(或星形)和三角形。接線配置決定了功率分析中使用的計(jì)算，因此了解并選擇正確的接線配置以獲得預(yù)期結(jié)果非常重要。這些配置適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出。圖 11顯示了選定泰克示波器上 IMDA 解決方案支持的接線配置。

　　圖 11. 通過下拉列表在 IMDA 軟件中選擇輸入接線。

　　單相連接

　　1相2線(1V1I)

　　需要兩個(gè)通道：一個(gè)用于電壓，一個(gè)用于電流，如圖12所示，測量電壓。測量總功率，P = V*I。單相交流和直流電源使用相同的設(shè)置。

　　圖 12. 單相兩線交流測量。直流源使用相同的設(shè)置。

　　1相3線(2V2I)

　　1 相 3 線配置在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中很少見，但在北美住宅應(yīng)用中很常見，其中有一個(gè) 240 V 和兩個(gè) 120 V 電源可用，并且每條腿上可能有不同的負(fù)載。測量此類源需要兩個(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 13. 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)環(huán)境中很常見。

　　三相連接

　　測量具有 2 個(gè)電壓通道和 2 個(gè)電流通道的三相 3 線系統(tǒng) (2V2I)

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常使用 3 線輸出，只需使用示波器上的 2 個(gè)電壓通道和 2 個(gè)電流通道即可精確測量。 (電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入更可能使用 4 線系統(tǒng)。)當(dāng)三線將電源連接到負(fù)載時(shí)，至少需要兩個(gè)瓦特表來測量總功率。需要兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道，如圖14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配置進(jìn)行接線，但它們之間不得有中性導(dǎo)體。在這種情況下，兩個(gè)瓦特表就可以計(jì)算出輸送到負(fù)載的總功率。 (請參閱側(cè)邊欄：“4 個(gè)示波器通道如何測量三相系統(tǒng)?”)

　　圖 14. 三相、三線、2 瓦特計(jì)方法。

       圖 14顯示了接線，圖 16顯示了用于測量 2V2I 連接的 IMDA 源設(shè)置。選擇線路控制建立用作電壓參考的相位。在此示例中，測量 A 相和 B 相上的電流，并測量 A 相和 B 相相對于 C 相的電壓。即，測量值是 V AC、V BC、IA和I B。在此示例中，總有功功率 (ΣTrPwr) 為：

　　瞬時(shí)功率，P1 = V AC * I A

　　瞬時(shí)功率，P2 = V BC * I B

　　ΣTrPwr = P1 + P2。

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