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脈寬調(diào)制逆變器功率測(cè)量

2022-03-23 17:01:13·  來(lái)源：HBM  
　
采用 Perception 軟件對(duì)脈寬調(diào)制逆變器進(jìn)行功率測(cè)量在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車測(cè)試中，需要進(jìn)行高精度、高動(dòng)態(tài)功率測(cè)量。為了評(píng)估這些測(cè)量結(jié)果，必須考慮驅(qū)動(dòng)部件的功
采用 Perception 軟件對(duì)脈寬調(diào)制逆變器進(jìn)行功率測(cè)量

在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車測(cè)試中，需要進(jìn)行高精度、高動(dòng)態(tài)功率測(cè)量。為了評(píng)估這些測(cè)量結(jié)果，必須考慮驅(qū)動(dòng)部件的功能和工作原理。

電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常采用三相功率測(cè)量。本文介紹了脈寬調(diào)制逆變器的功能以及使用Perception軟件進(jìn)行功率值計(jì)算的方法。

1. 介紹

電驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的重要組成部分之一 [1]。

圖1.1 顯示了電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系， 電池直流電通過(guò)三相脈寬調(diào)制逆變器轉(zhuǎn)換為三相電流，以驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)。所使用的功率半導(dǎo)體取決于電池電壓的振幅。MOSFETs（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）通常用于低于100V的電池，更高的電壓需要使用IGBTs（絕緣柵雙極晶體管）。脈寬調(diào)制逆變器可為異步（感應(yīng)）和同步電機(jī)供電。

電動(dòng)車輛傳動(dòng)系的測(cè)試與優(yōu)化需要革新性的測(cè)量?jī)x器。必須能夠進(jìn)行高精度，高動(dòng)態(tài)功率測(cè)量并可進(jìn)行各種中間值計(jì)算。

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圖 1.1：電池驅(qū)動(dòng)汽車傳動(dòng)系的概略圖

2. 脈寬調(diào)制逆變器

脈寬調(diào)制逆變器轉(zhuǎn)換可將直流電壓轉(zhuǎn)換成具有可變頻率和振幅的交流電壓。由于簡(jiǎn)單，兩級(jí)變換逆變器經(jīng)常被使用。 圖1.1 所示為三橋臂兩級(jí)變換逆變器電路圖。脈寬調(diào)制逆變器的每個(gè)橋臂都由帶兩個(gè)IGBT 的半橋及相應(yīng)的功率二極管組成。MOSFETs 通常用于較低的電池電壓。采用MOSFETs的脈寬調(diào)制逆變器無(wú)需額外的功率二極管，因?yàn)樗麄兪欠聪驅(qū)щ姷摹?

通過(guò)半橋方式，直流母線的正極或負(fù)極連接到設(shè)備的連接點(diǎn)上（根據(jù)晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)）。這里逆變器都在理想狀態(tài)下考慮。在激活狀態(tài)下(u=0)，逆變器和二極管沒(méi)有任何傳導(dǎo)損失，在非激活狀態(tài)下，理想狀況下應(yīng)被禁用 (i=0)。 開(kāi)關(guān)狀態(tài)也應(yīng)無(wú)時(shí)間延遲。

兩級(jí)變換逆變器工作原理非常明確：當(dāng)半橋輸出電壓的時(shí)間曲線被認(rèn)為對(duì)應(yīng)直流母線的“虛擬”中壓抽頭 M 。按照相應(yīng)的控制信號(hào)，逆變器電壓eνM (ν=1, 2, 3) 可取值為 +Ud /2 （Sν=1）或 -Ud /2 （Sν=0）。

(2.01)

為計(jì)算設(shè)備的線電壓，第一個(gè)方程式為：

(2.02)

如果相關(guān)的 u1 + u2 + u3 = 0被考慮，逆變器的零系統(tǒng)可以這樣計(jì)算：

(2.03)

一個(gè)兩級(jí)變換逆變器有三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有三個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此有23=8不同的電壓狀態(tài)。為了向電機(jī)提供可變頻率和電壓振幅，只有8種電壓狀態(tài)的逆變器需要采用更先進(jìn)的控制策略。脈寬調(diào)制是一種開(kāi)關(guān)控制策略，通過(guò)向電機(jī)提供不同長(zhǎng)度的直流脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)可變頻率和電壓振幅。

圖2.1顯示了如何通過(guò)簡(jiǎn)單正弦調(diào)制產(chǎn)生控制信號(hào)。一個(gè)三角電壓和期望的正弦電壓進(jìn)行比對(duì)。如果正弦電壓比三角電壓大，將產(chǎn)生正電壓。如果小于三角形電壓，脈寬調(diào)制逆變器將轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。三角電壓頻率等于功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率。
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圖2.1：三相脈寬調(diào)制逆變器產(chǎn)生控制信號(hào)。(該功能可以通過(guò) Perception 軟件的PWM_INVERTER_CONTROL_1.pVWB 工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并可在HBM網(wǎng)站中下載)。

3. 脈寬調(diào)制逆變器的功率測(cè)量

電機(jī)功率無(wú)法直接測(cè)量，其需要通過(guò)測(cè)量電壓和電流值來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試方法在[3]中詳細(xì)描述。因?yàn)樾切螠y(cè)量點(diǎn)無(wú)法直接獲取，星形電壓無(wú)法直接測(cè)量，但可以借助相—相電壓和人造星點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

3.1 通過(guò)人造星點(diǎn)測(cè)量

因?yàn)樾屈c(diǎn)電壓無(wú)法直接測(cè)量 (u1, u2, u3)，一般是通過(guò) "人造星點(diǎn)" 來(lái)測(cè)量。如圖3.1 顯示，人造星點(diǎn)包括三個(gè)相同的高阻抗電阻。脈寬逆變器的瞬時(shí)功率可以通過(guò)計(jì)算星形電壓和電流 (i1, i2, i3) 完成。

(3.01)
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圖3.2：通過(guò)人造星點(diǎn)測(cè)量功率

圖3.3顯示了人造星點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。在這個(gè)案例中，逆變器為一臺(tái)異步電機(jī)供電。盡管通過(guò)逆變器產(chǎn)生的是脈沖電壓，但電流依然是近似的正弦。因此，在功率測(cè)量中，電流信號(hào)用來(lái)推導(dǎo)用于平均值計(jì)算的周期時(shí)間。并且可通過(guò)比對(duì)電流周期和i1周期曲線來(lái)判斷電流周期是否正確。

三線電流的120°相移在圖中可以看出，通常，異步電機(jī)電流滯后電壓。

通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)功率的平均值即可得到脈寬調(diào)制逆變器的總有效功率。等式3.02顯示了在Perception軟件中的計(jì)算過(guò)程。
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(3.02)

視在功率S是電流和電壓的 RMS 值的乘積。RMS值是在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)算的。通過(guò) cycleDetect命令即可獲得電流曲線 i1的周期。

視在功率在Perception軟件中按如下等式計(jì)算：
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(3.03)

無(wú)功功率Q計(jì)算如下：

(3.04)

總無(wú)功功率是所有無(wú)功功率的總和。在 Perception 軟件中有效功率計(jì)算如下：

(3.05)
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圖3.3：隨時(shí)間推移的測(cè)量值 (i1,i2,i3,u1,u2,u3) 和計(jì)算出的功率 (P,Q,S) 。(相關(guān)的測(cè)量通過(guò) Perception 軟件獲得: Artificial Star Measurement_V1.pNRF)

3.2 相-相電壓功率測(cè)量

相-相電壓可以用于測(cè)量星形電壓：

(3.06)

相-相電壓的計(jì)數(shù)方向從圖3.4中可見(jiàn)。各種功率值的計(jì)算見(jiàn)章節(jié) 3.1。

星點(diǎn)電壓的測(cè)量可以檢測(cè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不平衡。不平衡意味著一個(gè)或多個(gè)相電壓或電流不均勻。這些不平衡可能表示控制、電機(jī)或逆變器有問(wèn)題。
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圖 3.4：相-相電壓功率測(cè)量

4. 總結(jié)

這份報(bào)告解釋了如何對(duì)脈寬調(diào)制逆變器 進(jìn)行功率計(jì)算。首先描述了逆變器的功能和原理，并描述了通過(guò)星形電壓、相-相電壓和人造星點(diǎn)等方式進(jìn)行功率計(jì)算的方法。

最好采用人造星點(diǎn)的方式，這樣更容易解讀結(jié)果。所有的計(jì)算過(guò)程都可通過(guò)Perception軟件完成。Perception用戶可以在網(wǎng)站上下載使用相關(guān)的數(shù)據(jù)集和公式。

5. 參考書(shū)

[1]   D. Eberlein; K. Lang; J. Teigelk?tter; K. Kowalski: Elektromobilit?t auf der überholspur: Effizienzsteigerung für den Antrieb der Zukunft [Electromobility in the fast lane: increased efficiency for the drive of the future]; proceedings of the 3rd conference of Innovation Messtechnik [Innovation in Measurement Technology]; May 14, 2013
[2]   J. Teigelk?tter: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-efficient electric drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013
[3]   Berechnung von Leistungsgr??en mit Perception-Software [Calculating power values with Perception software] https://www.hbm.com/de/3783/berechnung-von-leistungsgroessen-mit-perception-software/
[4]   www.hbm.com

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