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nCode GlyphWorks電驅(qū)動系統(tǒng)功率計算和效率分析

2021-10-21 10:08:00·  來源：上海山外山機電工程科技有限公司  
　
關(guān)鍵字：nCode，電功率，機械功率，效率分析類別：nCode GlyphWorks軟件應(yīng)用前言電動汽車的三電是指什么？通常所說的電動汽車三電，是指電機、電池和電控。這是
關(guān)鍵字：nCode，電功率，機械功率，效率分析
類別：nCode GlyphWorks軟件應(yīng)用
 
前言
電動汽車的“三電”是指什么？通常所說的電動汽車“三電”，是指電機、電池和電控。這是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)，“三電”技術(shù)也是電動車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的新技術(shù)。這三項技術(shù)中，電池和電機都占據(jù)了極其重要的地位，影響到汽車單次充電的行駛里程、汽車生產(chǎn)成本等，需要充分考慮功率大小和能量效率。
 
下圖1是典型的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)能量傳遞示意圖。傳遞過程中能量的形式在變化，也伴隨著能量損失。電池是動力源，將能量依次傳遞給逆變器、電機和車輛傳動機構(gòu)。逆變器將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娔?，電機將三相交流電能轉(zhuǎn)化為機械能。
 
 
 
 
圖1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)能量傳遞過程
nCode GlyphWorks 2021.1版本中增加了電驅(qū)動功率計算模塊，通過輸入電壓、電流或者扭矩和轉(zhuǎn)速時域信號，計算電功率和機械功率的，對電機效率和功率損失進行分析。工程師可以借助該模塊進行電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的功率和能效分析。
 
電驅(qū)動功率分析案例
本文通過一個分析案例展示nCode軟件中的Electric Power Glyph相關(guān)功能。測量數(shù)據(jù)包括應(yīng)用于電機逆變器的三相電流和線對線電壓，電機輸出軸的速度和扭矩。
輸入數(shù)據(jù):
  • ElectricMotorMeasurements_Block1.s3t
  • ElectricMotorMeasurements_Block2.s3t
  • ElectricMotorMeasurements_Block3.s3t
目標：
  • 通過測量的電壓和電流計算電氣功率，
  • 通過扭矩和轉(zhuǎn)速計算機械功率，
  • 計算電機效率，
第一步，搭建分析流程。在nCode軟件中搭建分析流程，如下圖2所示。結(jié)果通過時域二維圖和效率曲面圖顯示。
 
 
 
 
圖2 電功率分析流程
表1：流程各glyph介紹
序號
Glyph
描述
1
TSInput
測試數(shù)據(jù)時域信號輸入
2
ElectricPower
電驅(qū)動功率計算
3
XYDisplay
XY二維顯示器
3
SurfacePlot
曲面圖顯示器
第二步，合并測量文件。在nCode軟件中的Electric Power Glyph計算輸出電功率和輸出機械功率，要求按不同的扭矩和轉(zhuǎn)速水平捕捉短測量塊，計算電機效率。三組測量數(shù)據(jù)對應(yīng)的三種不同的轉(zhuǎn)速和扭矩運行工況。電壓和電流通過高采樣率的數(shù)據(jù)記錄儀，通常分段記錄為多個文件。在數(shù)據(jù)處理中，將這些分段串聯(lián)后分析。操作步驟如下：
1. 在可選數(shù)據(jù)區(qū)選擇3個電機測量數(shù)據(jù)，可單獨查看各時域數(shù)據(jù)，包含三相電機的輸入電流和電壓信號，以及電機輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩信號。
2. 將三個數(shù)據(jù)同時拖入nCode 軟件的workspace，創(chuàng)建一個Time Series Input glyph，內(nèi)含三組測試的數(shù)據(jù)。
3. 打開Time Series Input glyph，并在屬性中設(shè)置CombineAllTests=True，然后點擊Apply
 
 
 
 
圖3 TSInput屬性設(shè)置
4. 點擊Apply之后，出現(xiàn)三個CombineAllTests相關(guān)屬性。其中有兩個屬性需要設(shè)置，
CombineAllTestsNamingMethod=Specified；合并后的數(shù)據(jù)流名稱CombineAllTestsNameText=ElectricMotorTest（默認情況下，組合文件名為CombineAllTests）。
 
 
 
 
圖4 合并相關(guān)屬性設(shè)置
5. 點擊OK關(guān)閉屬性對話框。在TSInput Glyph中查看數(shù)據(jù)已有效地連接，合并為一個測試文件，顯示結(jié)果圖下圖所示。
 
 
 
 
圖5 TSInput顯示合并后數(shù)據(jù)
第三步，計算電驅(qū)動功率。打開Electric Power glyph屬性。第一個標簽頁（OutputChannels），允許選擇輸出的計算結(jié)果。保持原狀態(tài)不修改。默認輸出的結(jié)果包括交流電功率（AC Electric Power），機械功率（Mechanical Power）和效率（Efficiency）。如果輸入的測量信號來自電池的電壓和電流，則選擇輸出直流電功率（DC Electric Power）。
第二標簽頁（Advanced），設(shè)置更詳細屬性。比較重要的屬性設(shè)置Channels分類，其輸入如下：
  • ACCurrentChannels 屬性輸入1-3
  • ACVoltageChannels 屬性輸入4-6
  • SpeedChannel 屬性輸入90
  • TorqueChannel 屬性輸入89
  • 保持DCCurrentChannel和DCVoltageChannel屬性為空（未采集DC數(shù)據(jù)）
 
 
 
圖6 ElectricPower屬性輸入通道設(shè)置
第四步，結(jié)果顯示。運行流程，查看XYDisplay中的輸出結(jié)果，包含的通道如下，詳細信息可參考技術(shù)背景資料。
  • AC Active Electric Power (in W)
  • AC Apparent Electric Power (in VA)
  • AC Reactive Electric Power (in VAR)
  • AC Power Factor
  • Mechanical Power (in W)
  • Shaft Torque (in N.m)
  • Shaft Rotational Speed (in RPM)
  • AC to Mechanical Efficiency (in %)
曲面圖（Surface Plot）結(jié)果顯示，可以通過曲面圖查看扭矩、轉(zhuǎn)速和效率通道的結(jié)果，分析電機在不同轉(zhuǎn)速和扭矩情況下的能量效率。Surface Plot屬性中，選擇Speed、Torque和Efficiency通道做為X、Y和Z列對應(yīng)數(shù)據(jù)。
 
 
 
 
圖7 Surface Plot顯示選項設(shè)置
 
 
 
 
圖8 分析結(jié)果曲面圖顯示
 
技術(shù)背景介紹
  • 描述
Electric Power Glyph是nCode2021.1版本新增功能，通過測量的電流、電壓、轉(zhuǎn)速和扭矩信號計算電能和機械能功率。通常用于電驅(qū)動系統(tǒng)的效率分析。
 
 
 
 
圖9 電驅(qū)動系統(tǒng)能量傳遞
  • 輸入
輸入
測量信號
描述
交流電能
AC current signals (A)
AC電流信號（A）
AC current signals (A)
AC電壓信號（V）
直流電能
DC current (A)
DC電流信號（A）
DC voltage (V)
DC電壓信號（V）
機械能
Shaft rotational Speed
驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速（RPM或RPS）
Shaft Torque
驅(qū)動軸扭矩
  • 輸出
輸出信號
描述
關(guān)系
AC Active electric power (W)
AC有功功率（W）
視在功率＝根號下（有功功率的平方＋無功功率的平方）有功功率＝視在功率×功率因數(shù)
AC Reactive electric power (VAR)
AC無功功率（VAR）
AC Apparent electric power (VA)
AC視在功率（VA）
AC Power factor (-)
AC功率因數(shù)
DC Active electric power (W)
DC有功功率（W）
視在功率＝根號下（有功功率的平方＋無功功率的平方）有功功率＝視在功率×功率因數(shù)
DC Reactive electric power (VAR)
DC無功功率（VAR）
DC Apparent electric power (VA)
DC視在功率（VA）
DC Power factor (-)
DC功率因數(shù)
Mechanical power (W)
機械能功率(W)
-
AC to Mechanical efficiency
AC轉(zhuǎn)機械能效率
-
AC to DC efficiency
AC轉(zhuǎn)DC效率
-
DC to Mechanical efficiency
DC轉(zhuǎn)機械能效率
-
Shaft rotational Speed (RPM)
軸轉(zhuǎn)速（RPM）
-
Shaft Torque (Nm)
軸扭矩（Nm）
-
計算方程
機械功率P（單位：W）與扭矩M（單位：Nm）和轉(zhuǎn)速S（單位：RPM）的基本公式：
 
 
直流電功率和平均交流電功率基本公式：
 
 
參考文獻
[1] GlyphWorks Worked Examples, HBK-nCode , 2021.1
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