【導讀】大多數(shù)現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機頻率，從而控制電機速度。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)波形來實現(xiàn)這一點。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。
大多數(shù)現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機頻率，從而控制電機速度。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)波形來實現(xiàn)這一點。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。
自電氣工程誕生以來，三相交流感應電機(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。但電機和驅(qū)動器有多種不同類型。交流感應電機(ACIM) 的效率低于無刷直流電機 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM)。與交流感應電機相比，同步無刷直流電機和永磁同步電機效率更高，重量也更輕，但需要更先進的控制算法。盡管每種類型的電機驅(qū)動系統(tǒng)有其獨特的特性，但電機驅(qū)動器都使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來改變輸送到電機的頻率和電壓。
圖1 電機驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)電機輸入來控制電機速度和扭矩
對電機驅(qū)動器進行測量的挑戰(zhàn)
由于電機驅(qū)動器輸出采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，因此，要對這種信號進行穩(wěn)定的測量具有挑戰(zhàn)性。要想實現(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，但對于實現(xiàn)一致測量卻是必要的。
除了測量驅(qū)動器的輸出之外，對驅(qū)動器的輸入級性能（例如諧波、功率和功率因數(shù)）進行測量和評估也很重要。雖然可以將原始波形導出到電子表格或其他分析軟件中，但該過程非常耗時，并且設(shè)計算法時要特別注意。
進行這些測量需要與被測設(shè)備建立許多連接。錯誤的探頭連接和連接點完整性差是導致電機驅(qū)動器測量誤差的常見原因。機械測量也很關(guān)鍵，可以使用傳感器進行。然而，如果不進行自定義處理和轉(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驅(qū)動系統(tǒng)進行良好的測量，需要仔細的設(shè)置、穩(wěn)定的波形和強大的測量算法。
圖2 三相電機驅(qū)動器功能模塊圖
PWM電機驅(qū)動器的工作原理
多種類型的電機采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 形式驅(qū)動，包括有刷直流電機、交流感應電機、無刷直流電機和永磁同步電機。PWM使驅(qū)動器能夠改變輸送到電機的頻率和電壓。
盡管很多年前人們就已經(jīng)掌握PWM驅(qū)動器的工作原理，但卻是功率半導體、控制電子組件和微處理器的改進和成本的降低才推動了此類驅(qū)動器的廣泛使用。矢量控制技術(shù)進一步推動了這一趨勢。通過矢量控制，設(shè)計者能夠在交流電機的高可靠性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)直流電機的高效率和精確可控性。無刷直流電機和永磁同步電機正在廣泛應用領(lǐng)域取代有刷直流電機和交流感應電機，這些領(lǐng)域不僅包括工業(yè)應用，還包括電動工具、家用電器和電動汽車。圖2顯示了三相變頻驅(qū)動器基本元件的框圖。
PWM驅(qū)動器可以由直流電、單相交流電或三相交流電供電。圖2顯示了一臺由三相電源供電的變頻驅(qū)動器，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)動器的逆變器部分供電。逆變器由三對半導體開關(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，但控制電子組件在反饋和復雜性方面差異很大。這里簡單介紹幾種常見的用于驅(qū)動電機的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)動器U、V和W輸出信號應用于電機定子
六步換相 / 梯形波控制驅(qū)動器
這種類型的驅(qū)動器與無刷直流電機結(jié)合使用。無刷直流電機效率高且體積小。它具有直流電機的優(yōu)點，但沒有電刷，不易磨損。無刷直流電機可以通過相對簡單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來實現(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
標量控制驅(qū)動器
簡單的變頻驅(qū)動器驅(qū)動交流感應電機，通過改變驅(qū)動電機的PWM波形的基頻來控制電機速度。為了保持全扭矩，驅(qū)動器中的控制系統(tǒng)會保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類驅(qū)動器被稱為標量控制驅(qū)動器?？刂齐娮咏M件產(chǎn)生三個相位差為120°的低頻正弦波，用于調(diào)節(jié)每對開關(guān)的脈沖寬度。
電機繞組的平均電壓近似正弦波。電機繞組的另外兩相具有相似的平均電壓，相差120°。
圖5 隨時間變化的三相電壓信號
從逆變器輸出電壓的角度來看，電機在很大程度上類似于一個電感器。由于電感器對較高頻率具有較高阻抗，因此電機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)動器可以提供三相電源，以驅(qū)動電機達到所要求的速度。
圖6 由于電機是感性負載，且能阻抗快速電流變化，因此電機所吸收的電流近似正弦波
矢量控制驅(qū)動器 /磁場定向控制
交流感應電機和同步電機的驅(qū)動器更先進，采用矢量驅(qū)動技術(shù)。此類驅(qū)動器比標量控制驅(qū)動器更靈活、更高效，但也更復雜。矢量控制驅(qū)動器與標量控制驅(qū)動器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅(qū)動電機，但是矢量控制驅(qū)動器的運行更平穩(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)，并且比標量控制驅(qū)動器復雜得多。矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機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) 等傳感器來實現(xiàn)（還會使用無傳感器系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)使用電機的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置）?？刂破魇褂肅larke變換和Park變換來計算矢量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。
圖8 矢量控制系統(tǒng)框圖
變頻驅(qū)動器系統(tǒng)的連接
對變頻驅(qū)動系統(tǒng)進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行電機驅(qū)動器測量時，一定要考慮以下幾點：
● 電機驅(qū)動器測量涉及相對較高的電壓。例如，480V 三相電機驅(qū)動器中的直流母線電壓通常約為680V。切記確認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”的，因此不能使用接地參考的探頭。務(wù)必確保信號浮動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用于測量相電壓。中性端子可能不在接地電位，從而導致大量電流流過探頭和示波器接地。這很危險，可能會導致被測設(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)動器測量提供良好的覆蓋范圍；IsoVu光學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1GHz的帶寬
示波器探頭設(shè)置與接線配置
在進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，并且所有探頭都應校正，以獲得準確的測量結(jié)果。
在進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。剩磁會導致測量誤差。消磁程序通常是通過移除電流探頭鉗口的所有導體，然后按下消磁按鈕啟動的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會在您使用前自動提示執(zhí)行消磁程序。
校正過程可以校正任意兩個不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之間的各種傳輸延遲。這一步很重要，因為相位關(guān)系對于變頻驅(qū)動器系統(tǒng)上的許多測量至關(guān)重要?；静襟E是向通道提供同步信號，并調(diào)整每個通道的延遲，使各通道的信號對齊。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，務(wù)必注意探頭上的箭頭標記。如果電流探頭連接在負載的線路側(cè)，箭頭應指向負載。如果電流探頭連接在負載的返回側(cè)，則箭頭應指向遠離負載的方向。
變頻驅(qū)動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)動系統(tǒng)中使用的某些變頻驅(qū)動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算方法，因此了解并選擇正確的接線配置對于獲得預期結(jié)果非常重要。接線配置適用于電機驅(qū)動器的輸入和輸出。
單相連接
單相兩線(1V1I)
需要兩個通道：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驅(qū)動器應用中非常少見，但在北美住宅應用中很常見，通常提供一個240V和兩個120V的供電線路，每個線路可能承載不同的負載。測量此類電源需要兩個電壓通道和兩個電流通道。測得的總功率為V*I（負載 1+ 負載 2）。
圖11 單相三線接線在工業(yè)環(huán)境中很少見，但在消費和輕型商業(yè)中卻很常見
三相連接
使用兩個電壓通道和兩個電流通道 (2V2I) 測量三相三線系統(tǒng)
電機驅(qū)動器通常使用三線輸出，僅使用示波器上的兩個電壓通道和兩個電流通道即可準確測量（電機驅(qū)動器輸入更可能使用四線系統(tǒng)）。當三根線將電源連接到負載時，至少需要兩個功率表來測量總功率。需要兩個電壓通道和兩個電流通道，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體。在這種情況下，兩個功率表可以計算輸送到負載的總功率。（參見側(cè)欄：“如何使用四個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?？刂扑x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)的計算公式為：
瞬時功率 P1=VAC*IA
瞬時功率 P2=VBC*IB
ΣTrPwr=P1+P2。
如何使用四個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N線系統(tǒng)，如果電壓是相對于其中一條導線測量的，那么總功率可以通過使用N-1個功率表來測量。
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電壓通道和兩個電流通道來確定。例如，圖13顯示了一個星形接線系統(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
使用三個電壓通道和三個電流通道(3V3I)測量三相三線系統(tǒng)
盡管在三線系統(tǒng)中只需要兩個功率表就可以測量總功率，但使用三個功率表具有一些優(yōu)勢。三功率表配置需要六個示波器通道：三個電壓通道和三個電流通道。
此3V3I配置提供單獨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)，采用三個電壓通道和三個電流通道（三個功率表）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。盡管三線系統(tǒng)中沒有物理中性線，但可以根據(jù)瞬時線電壓確定瞬時相電壓。
這種逐點的LL-LN轉(zhuǎn)換將把所有電壓表示為相對于單一參考點，并糾正了每個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算瞬時功率。例如，我們可以計算出提供給負載的總有功功率 (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
使用三個電壓通道和三個電流通道 (3V3I) 測量三相四線系統(tǒng)
如果系統(tǒng)中的線路與驅(qū)動器之間或驅(qū)動器與電機之間使用中性導體，則需要三個電壓通道和三個電流通道來測量總功率。圖19顯示了一個此類四線系統(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)學根據(jù)相電壓幅度和相位精確計算得出?？偣β?ΣTrPwr =P1 + P2 + P3。
圖17 三相四線 ( 三功率表法 )
變頻驅(qū)動器系統(tǒng)模塊的測量
變頻驅(qū)動器系統(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）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)動器輸入、直流母線、輸出和電機采用不同的測量方法
三相自動設(shè)置
IMDA軟件包括三相自動設(shè)置功能，可根據(jù)所選的接線配置自動配置電壓和電流源。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)動器輸出上的PWM波形時尤為方便。
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