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為高精度的測量SiC變頻器和電機驅動系統(tǒng)的功率，效率，損耗

2024-11-06 07:53:15·  來源：HIOKI日置  
　
為高精度的測量SiC變頻器和電機驅動系統(tǒng)的功率，效率，損耗前言在EV和HEV，軌交等領域，讓電機驅動系統(tǒng)高效率化，小型化，都是一個重要的課題。而為了能夠讓構成
為高精度的測量SiC變頻器和電機驅動系統(tǒng)的功率，效率，損耗

前言

在EV和HEV，軌交等領域，讓電機驅動系統(tǒng)高效率化，小型化，都是一個重要的課題。而為了能夠讓構成電機驅動系統(tǒng)主要元素的變頻器能夠實現(xiàn)高效率化，小型化，SiC功率半導體已經開始被人們所使用。通過使用SiC功率半導體，可以使開關頻率趨于高頻化，繼而達到讓被動元器件小型化的目的。又或是利用低ON電阻的特性，可以達到低損耗等等的目的。想要評估電機的驅動系統(tǒng)，就必須要進行準確的功率測量。而對象是SiC變頻器時，就需要用到比以往更高的帶寬去高精度的測量功率才行。在本稿中，我們會對SiC變頻器以及電機驅動系統(tǒng)的功率，效率，損耗測量相關的技術經驗，以及實測結果等等給大家做一個介紹。
變頻器?電機的效率測量
要評估含有變頻器或馬達的電機驅動系統(tǒng)時，可以通過測量變頻器的輸入輸出功率和馬達功率，然后計算輸入輸出的比率和差來測量效率，損耗。圖Fig.1中所示的是一般測量電機驅動系統(tǒng)效率時的測量結構圖。
Fig.1：電機驅動系統(tǒng)的效率測量
變頻器和馬達的輸出會隨著時間而發(fā)生變化。所以，需要分別在各自的測量點設置測量儀器。而計算效率和損耗時，會因為測量的時機不同步，或運算方法的差異導致很難進行準確的測量。因此，需要使用1臺測量儀器，或者對多臺測量儀器進行同步控制去測量。
使用功率分析儀的話就能滿足這個要求。普通的功率分析儀會有4ch~6ch去進行功率測量，并且自帶馬達分析功能?？梢詫π屎蛽p耗進行高精度的測量。
講的更細致的話，進行功率運算時的會用到時間區(qū)域，而根據(jù)劃分的時間區(qū)域不同，也會發(fā)生變化。功率分析儀是檢測出輸入波形的零位交叉點，然后確定運算的區(qū)域的。一般來說，會把零位交叉作為要檢測的信號的同步源，可以在各通道內自定義設置。因為設置了最合適的同步源就能穩(wěn)定的測量到功率了，那么效率，損耗也就能高精度的進行測量了。比如，變頻器的輸入是DC的話，可以通過把輸入輸出通道設一樣的同步源，來讓運算區(qū)域一致。通過這個，就能穩(wěn)定的測量效率，損耗了。舉個例子，如圖Fig.1所示，雖然測量的是2個點位的功率，和1個馬達功率，通過把所有通道的同步源設置為變頻器的輸出電流，就能穩(wěn)定的測量了。
變頻器輸入功率的測量
為了測量到效率，損耗，就需要先測量到進入到變頻器里的輸入功率。這個輸入功率，就是效率，損耗測量的基準。一般，變頻器的輸入為DC或是AC工頻電源。如果輸入輸出的功率值出現(xiàn)測試誤差的話，對效率值，損耗值也會有較大的影響。所以，需要用較高的精度去測量變頻器的輸入功率。比如，變頻器的效率為99%時，如果輸入功率的測試值有0.5%的誤差的話，那么對損耗的計算就會出現(xiàn)50%的誤差。雖然說用一般的波形記錄儀器也能進行功率的運算，但需要注意的是在自己想要測量的帶寬上，是否標有足夠的精度。
特別在測量DC的時候，在測量前需要注意調整功率分析儀以及電流傳感器的DC失調等。功率分析儀中有帶調零功能的話，那么在測量前，就需要讓功率分析儀以及電流傳感器處于0輸入的狀態(tài)下，執(zhí)行調零。這樣才能抵消測量儀器的DC失調，準確的測量到DC。
變頻器輸出功率的測量
變頻器輸出是受到PWM調制的，其中含有開關頻率和高次諧波成分。所以，比起DC或工頻，需要進行更高帶寬的功率測量。在這里，我們先探討一下測量開關頻率和諧波中的功率時所需要的帶寬。如Fig.2所示，是變頻器驅動電機時馬達的等效電路。
Fig.2：馬達的等效電路（1個相）
因為馬達的線圈上是含有電感成分的，所以諧波的電流很難流進馬達中去。而電壓因為是PWM波形，所以和矩形波相似。此時，電流的波形是三角波。在頻率的領域中去計算三角波的有效值的話，只要能夠測量到5次為止的高次諧波成分，就能把有效值的測量誤差控制在0.1%以下。在這里，某個頻率下的有功功率Pf，可以用電壓Uf和電流If，和電壓電流的相位差θf，用以下的公式表示。
所以，電壓，電流只要有1個為0，那么其頻率成分下的有功功率就變?yōu)?了。從0.1%的測量精度上去考慮的話，就如前面所說的，開關頻率7次以上的諧波成分的電流，是可以無視的。所以，要以0.1%以下的精度去測量開關頻率和其諧波下的功率的話，就需要能夠準確測量其開關頻率的5倍~7倍為止的帶寬下的電壓?電流?相位差。只是，實際上電機的損耗中，除了要加上Fig.2中的電阻成分，還有磁性物體的鐵損，線圈的趨膚效應等造成的損耗。這些損耗都有頻率變高，損耗就會增大的傾向。所以為了能夠更為準確的測量開關頻率和其諧波下的功率，就需要用到稍微再高一些的頻率帶寬。實際上需要的頻率帶寬，是受各自損耗的頻率特性等所左右的。

實際測量SiC變頻器驅動電機時的電壓電流波形和FFT結果如圖Fig.3所示。
Fig.3:SiC變頻器驅動電機時的實際波形，F(xiàn)FT結果
測量對象的詳細參數(shù)顯示在Table 1中。因電壓是PWM波形，去看FFT的話就會發(fā)現(xiàn)存在著超過1MHz的頻率成分。一般的功率分析儀，是沒有能夠準確測量電壓波形的測量帶寬的。看電流的話，其頻率成分只到200kHz左右。使用功率分析儀PW6001測量。
Table 1：所測量的SiC變頻器和電機的配置。
另外，看波形的話也是近似正弦波的。就像前文中所述的，電機中因為含有電感成分，高頻的電流不是那么容易流通的。

綜上所述，要準確的測量變頻器的輸出功率，就需要用到特性良好的功率分析儀。其能力，最少也要在開關頻率的5倍~7倍下才能夠準確的測量電壓?電流?相位差。而SiC變頻器的開關頻率正向著高頻化的方向發(fā)展，所需要的帶寬也就變得更高了。
通常測量電機驅動系統(tǒng)的電流時，大多都會用到電流傳感器。這里有一個問題就是電流傳感器的相位誤差。

所有的電流傳感器，都有隨著測量頻率的增高，相位誤差變大的傾向。這也是在測量高頻功率時，會成為誤差的一個主要因素。如圖Fig.2中所示，在高頻下電機的線圈的電感會成為支配性的存在。

所以，高頻下的開關頻率和其諧波的功率，就會成為低功率因數(shù)。用公式（1）去考慮的話，低功率因數(shù)（θ≈90°）下相位誤差對功率的測試值的影響就會變得非常大。那么在高頻下，如果不去補償電流傳感器的相位誤差的話，就無法高精度的去測量功率。而HIOKI所生產的功率分析儀PW6001，就如圖Fig.4中所示，帶有對電流傳感器的相位誤差的補償功能。通過這個相位補償?shù)墓δ?，就能更為準確的測量變頻器的輸出功率了。
Fig.4:電流傳感器相位誤差的補償
馬達功率的測量
為了測量電機，以及電機驅動系統(tǒng)的整體效率，損耗，馬達的功率也是需要去測量的。馬達功率Pm【W】是用公式（2）去計算的，所以需要分別測量扭矩T（N?m）和轉速n【rpm】。
轉速n【rpm】是由轉速計或脈沖編碼器去測量的，而扭矩T【N?m】是用扭力表測量的。要測量效率，損耗，就需要把功率和馬達功率同時測量。所以，使用的功率分析儀還需要能夠接受轉速計和扭力表的信號輸入。
搭載SiC功率半導體變頻器的效率測量示例
測量由SiC變頻器驅動電機時的變頻器效率的測量結果如圖Fig.5所示。
Fig.5：變化功率分析儀PW6001的LPF截止頻率時SiC變頻器效率的測量結果

圖中使用的是HIOKI生產的功率分析儀PW6001和電流輸入盒PW9100，把PW6001的LPF的截止頻率從1kHz~2MHz變化后得到的測量結果。測量對象和Table1是一樣的。截止頻率在10kHz~50kHz的效率測量值有一個很大的變化。這個變化，就能區(qū)分是否有準確的測量到開關頻率和其高次諧波成分下的功率了。也就是說，10kHz以下的時候，測量的效率值是與馬達轉速同步的基波成分和其諧波成分的功率。而50kHz以上時，效率值就是要測量開關頻率和其高次諧波成分的功率了。在50kHz以上時，伴隨著截止頻率的高頻化，效率的測量值也會變高。這是因為相對開關頻率的高次諧波成分，能夠更高次的測量到諧波成分的原因。

綜上所述，使用HIOKI PW6001功率分析儀，就能以2MHz的帶寬，高精度，高穩(wěn)定的去準確測量到電機驅動系統(tǒng)的效率，損耗了。這是因為，它能夠在準確測量到開關頻率和其諧波成分的功率的基礎上，進行效率，損耗的測量。

同相電壓的影響

如圖Fig.6中所示的是測量3相3線接線的變頻器輸出功率時的電壓接線圖。
Fig.6：測量變頻器輸出功率時的接線（3P3W3M）

在測量電壓時，因為測量的是線間的電壓，所以在功率分析儀的各通道中會被施加上較大的同相電壓。另外，這個同相電壓是含有開關頻率和其諧波成分的。

所以，就需要用到在高頻下的共模抑制比（CMRR）高的功率分析儀去進行測量。在CMRR為80dB時，對顯示值的影響為同相電壓的0.01%。也就是說，被輸入100V的同相電壓時，對顯示值的影響就有0.01V。

如圖Fig.7中所示的，就是測量SiC變頻器線間電壓和同相電壓的結果。
Fig.7：變頻器輸出電壓的共模電壓

看FFT的結果就會發(fā)現(xiàn)，和Fig.3是一樣的。從這個結果中可以知道，同相電壓中也含有開關頻率和諧波成分。所以，隨著開關頻率的高頻化，可以說同相電壓也在趨于高頻化的發(fā)展。采用SiC功率半導體的變頻器的開關頻率，正向著高頻化方向發(fā)展。所以，在高頻下，需要用到CMRR較高的功率分析儀。

電流傳感器的抗干擾措施

在測量額定功率較大的電機或變頻器時，就需要測量到數(shù)百A的大電流了。對于大電流的測量一般是用電流傳感器的。而從變頻器中會發(fā)生較大的干擾，為了能夠準確測量功率，在電流傳感器本身和電流傳感器輸出信號的途徑上，都需要做好防干擾的措施。HIOKI針對以上情況，提供著各種功率分析儀用的抗干擾高精度電流傳感器。只要把功率分析儀和電流傳感器用自帶的專用連接器連接，就能做到高抗干擾的功率測量了。

功率分析儀的頻率帶寬和采樣頻率

一般的功率分析儀的采樣頻率和模擬帶寬的關系，如圖Fig.8中所示。大多功率分析儀測量時輸入到電路中的模擬帶寬，要比采樣頻率fs的頻率的一半fs/2還要高。
Fig.8：功率分析儀的頻率帶寬和采樣頻率的關系
此時，存在在比fs/2更高頻率中的電壓?電流成分，就會返回作為干擾出現(xiàn)在低頻領域之中。這種現(xiàn)象我們一般稱他為混疊。像PWM波形這種在高帶寬上含有頻率成分的測量對象，會無法區(qū)分是返回的噪音，還是實際的信號。這也是測量功率時造成測量精度差，或者重現(xiàn)性低的一個重要因素。另外，在做諧波分析的時候，返回的噪音和實際的諧波是無法區(qū)別的。為此，會檢測出假的諧波成分等等，無法正確的分析。就像圖Fig.3中所示，變頻器的輸出電壓中會存在超過1MHz的成分。而一般功率分析儀的的采樣頻率在100kHz~5MHz左右。所以，就是說會有超過fs/2頻率的電壓成分存在。此時，模擬帶寬和采樣頻率就像Fig.8中的關系的話，會無法正確測量。為了正確測量，需要把模擬帶寬限制在fs/2以下。也就是說，實際上可以使用的帶寬，只有采樣頻率的一半以下。
綜上所述，為了對變頻器的輸出功率進行測量，分析，就需要使用根據(jù)上述采樣原理去設計的測量儀器。而HIOKI的功率分析儀，就是按照這個采樣原理去設計的。比如功率分析儀PW6001，針對模擬帶寬2MHz/-3dB，采樣頻率就有5MHz?？梢酝瑫r進行高帶寬的功率測量和正確的高次諧波分析以及FFT分析。

總結

在本稿中，我們一邊參考實測案例，一邊對變頻器，電機的效率，損耗測量中所需要關注的測量要點，測量儀器需要具備的要素進行了介紹。特別是對近幾年開始使用的SiC變頻器相關的測量要點，以及和以往測量變頻器時的不同之處，注意點進行了介紹。通過實測，我們發(fā)現(xiàn)在排除了各種會產生誤差的因素之后，才能夠高精度，高穩(wěn)定的測量到數(shù)據(jù)。如果您在對SiC變頻器或電機驅動系統(tǒng)的功率，效率，損耗做測量時，看了本文能給您提供一些參考，我們會非常榮幸！
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