使用示波器对三相电机驱动器进行测量（下）

作者：泰克科技

输入（线路）测量

大多数工业和重型商用变频驱动器都采用三相输入。较小的驱动器可能使用单相线电压。特别是在电动汽车和其他电池供电的应用中，驱动器通常采用直流供电。IMDA电源分析软件支持所有这些配置（参见上集的“接线配置”）。在IMDA测量包中，电能质量测量组和谐波测量组用于计算驱动器的功耗以及驱动器对配电系统的预期影响。

电能质量

电能质量测量组包括表征驱动器功耗的测量。这些测量也可以用于驱动器的输出（请参阅下面的“输出测量”）。图19显示了电气分析部分中的电能质量测量。选择电能质量测量会生成相量图、波形和测量标识。图中显示了已配置绕组的电能质量能量和功率数学波形。功率波形是使用数学算法将各相的电压和电流波形相乘得出的。


图19. 在泰克IMDA软件中，测量分为电能质量、谐波、纹波和效率。还提供DQ0和机械测量的选择。

电能质量测量可用于确认探头和接线配置是否正确。如果一个或多个功率测量显示负读数，请检查您的电流探头，确认与负功率读数相关的通道上的探头是否连接错误。对于三相系统，请检查相量图。正常情况下，各相电压应基本相同，相位差为120°。

用户可以选择只测量基频的电能质量，也可选择测量所有频率的电能质量。当选择“基频”选项时，将仅测量基频分量。当选择“所有频率”选项时，将计算所有谐波（包括基频）的电能质量测量值。

相量图：图20所示的相量图是一个圆形图，表示相电压和相电流之间以及各相电压和电流之间的幅度和相位角。理想情况下，一个平衡的三相系统具有幅度相等的矢量，且相邻矢量的相位差正好是120°。

相量图（图20）给出了各相的以下测量值：相对于参考相电压（图20中的VaN）的RMS电压和相位角，相对于参考相电压的RMS电流和相位角，电压和电流之间的相位，功率因数。电能质量测量标识显示了许多测量值。


图20. 相量图显示各相电压和电流之间的关系，该图显示了系统的平衡以及电压和电流（电容或电感）之间的相移；电机驱动器输入（线路）侧的电能质量测量。

谐波

谐波测量呈现基频及其谐波处的信号幅度，并测量信号的RMS幅度和总谐波失真。可以根据IEEE-519或IEC 61000-3-2标准或自定义限制来评估测量结果。例如，可以将IEC61000-3-12标准的限制以csv文件的形式加载，并根据这些限制进行测试。测试结果可以记录在详细报告中，注明是否合格。


图21. 谐波可以在电机驱动器的输入和输出上测量。此例显示了驱动器三相输出上的谐波。

直流母线测量

纹波可以在两个不同的测试点测量，即在直流母线和开关半导体上测量。
        线路纹波：该测量提供相应交流电压信号的线路频率部分的RMS和峰 - 峰值测量值。
        开关纹波：该测量提供相应电压信号的RMS和峰峰值测量值。

开关分析


图22. 开关损耗测量有助于优化逆变器设计。

在设计或验证变频驱动器内的开关电路时，了解与驱动器开关阶段相关的损耗非常重要。选项5-PWR和6-PWR提供开关损耗测量和斜率。电压探头连接到开关的两端，而电流探头连接用于测量流经开关的电流。

可以添加多个测量来获取各开关的测量值。

5/6-PWR分析包包括以下测量：
        开关损耗：测量开关器件开启、关闭和传导区域中的平均瞬时功率或能量。该测量将创建一个功率波形，而功率波形是根据每对V和I波形计算得出的。
        dv/dt：测量电压从基准参考水平(RB)上升到最高参考水平(RT)或从最高参考水平(RT)下降到基准参考水平(RB)过程中的变化率（斜率）。该测量将创建一个功率波形，而功率波形是根据每对电压和电流波形计算得出的。
        di/dt：测量电流从基准参考水平(RB)上升到最高参考水平(RT)或从最高参考水平(RT)下降到基准参考水平(RB)过程中的变化率（斜率）。该测量将创建一个功率波形，而功率波形是根据每对电压和电流波形计算得出的。

直接正交零点 (DQ0) 的变换和测量

Clarke和Park变换通常用于简化磁场定向控制系统的实施。显示了一个磁场定向控制系统的示例。在该控制系统中，这些变换用于将施加到电机的三相电压转换为正交D矢量和Q矢量。这些简化的矢量可以轻松转换和集成，以保持所需的速度。然后可以使用逆变换来创建逆变器中脉冲宽度调制的驱动信号。

这些D矢量和Q矢量可能位于数字信号处理模块（例如 FPGA）的深处，并且可能无法直接测量。IMDA软件提供DQ0分析选项，可以通过简单的设置根据三相输出电压或电流得出D和Q的测量值，从而可以快速轻松地查看控制系统的调整效果。


图23. DQ0相量图显示D矢量、Q矢量和合成矢量(R)，其中电机速度和方向反馈由正交编码器传感器提供。

除了D矢量和Q矢量，分析软件还显示合成矢量 (R)。R矢量是通过计算D矢量和Q矢量上各采样点的D和Q斜边矢量得出的。R矢量的起始角度是为0度，根据正交编码器接口(QEI)的索引脉冲(Z)确定。增量角度由QEI根据编码器每转脉冲数(PPR)和电机的极对数计算得出。通过观察R矢量旋转，可以确认控制系统是否正在平稳地驱动电机。还可以查看换向次数。请注意，上方图23中R矢量图中的六个失真点对应于六个换向步骤。除了选择源和接线方式之外，还可以指定可应用于所有源或仅用于边沿限定器的低通滤波器。这有利于减少由于电磁干扰(EMI)拾取和开关噪声引起的噪声。

输出测量

PWM驱动器的输出波形很复杂，由与载波相关的高频分量和与驱动电机的基频相关的低频分量构成。使用示波器对PWM波形进行测量可能颇具挑战，因为很难实现稳定的触发。


图24. 此处显示的PWM波形包括一个频率可达数百千赫兹的载波和电机对其做出响应的较低频率平均电压。

棘手的是，波形是在低频下进行调制的。因此，高频测量（例如总rms电压、总功率等）必须在高频下进行，但要覆盖输出波形中低频分量的整数个周期。

IMDA软件的主要优势之一是能够对PWM波形进行稳定的测量。该软件能够解调用户指定为“边沿限定器”的通道上的PWM波形，并将包络提取为“数学通道”。这使测量能够实现精确的同步。

在变频驱动器输入上使用的相同电能质量和谐波测量也可用于驱动器的输出，用于测量电压、电流、相位和功率。详细介绍见本指南的“输入测量”部分。除单相三线配置仅可用作输入测量外，相同的接线配置可同时用于输入和输出测量。


图25. 电能质量测量组提供了一组快速稳定的PWM输出测量的概览，包括电压、电流、相位角、有功功率、视在功率、无功功率和功率因数。

效率测量

效率测量是指相应输入和输出电压和电流对的输出功率与输入功率的比值。在5系列和6系列MSO上，输入和输出均采用双功率表法（V1*I1和V2*I2）。如此可以使用八个输入通道完成三相输入和输出功率的完整测量，如图25所示。


图25. 使用8个示波器输入通道测量三线输入三线输出系统的驱动效率。


图26. 使用双功率表法对变频驱动器的输入和输出进行效率测量。

动态测量

电机驱动分析的一个常见要求是，能够对电机随时间而变的响应进行测量，以监控被测设备在加速和不同负载条件下的行为。这些动态测量将帮助您了解不同条件下电压、电流、功率和频率等参数之间的相互影响。IMDA软件的电能质量测量组提供了两种类型的趋势图用于此分析：时间趋势图，采集趋势图。两种趋势图各有其优点，可用于呈现电能质量测量组内支持的子测量。这些趋势图可以保存为CSV文件以供后期处理。

时间趋势图

时间趋势图显示单次采集中每个波形周期的测量值。这种趋势图适用于观察测量值在短时间内的具体变化，以及将这些变化与其他相关数据进行关联分析。


图27. IMDA软件中的时间趋势图用于记录单次采集过程中测量值的变化。

采集趋势图

采集趋势图记录每次采集的单次平均测量值，因此适用于长期分析。在测试配置期间，可以通过设置采集参数来指定测试持续时间。这些趋势图可以保存为CSV文件以供后期处理。如果将绘图数据保存为CSV文件，时间值即可用。

动态负载控制对于三相感应电机和其他电机也很重要。通过采集趋势图可以查看加速、恒速和减速过程中的测量值。


图28. 采集趋势图记录多次采集过程中测量值的变化。在上图中以绿色线条表示。请注意，该图还会显示最近一次采集的波形和测量值。

总结

对三相电机驱动器进行测量面临着诸多挑战，因为必须进行连接，波形非常复杂且数学运算量巨大。泰克5/6系列MSO示波器的IMDA软件大幅简化了这些测量，为功率分析仪测量提供了高速采样系统和实时示波器可视化的优势。

利用示波器，三相电机驱动器设计人员可以在静态和动态工作条件下进行分析，查看电气和机械参数，从而详细了解驱动器性能。5系列和6系列MSO的采样和处理能力支持DQ0测量等功能，让用户能够深入了解控制系统的内部情况。而功率分析仪目前还无法实现这些功能。