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为高精度的测量SiC变频器和电机驱动系统的功率,效率,损耗

2019-04-10 23:05:20·  来源:HIOKI日置  
 
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为高精度的测量SiC变频器和电机驱动系统的功率,效率,损耗前言在EV和HEV,轨交等领域,让电机驱动系统高效率化,小型化,都是一个重要的课题。而为了能够让构成
为高精度的测量SiC变频器和电机驱动系统的功率,效率,损耗

前言
  
在EV和HEV,轨交等领域,让电机驱动系统高效率化,小型化,都是一个重要的课题。而为了能够让构成电机驱动系统主要元素的变频器能够实现高效率化,小型化,SiC功率半导体已经开始被人们所使用。通过使用SiC功率半导体,可以使开关频率趋于高频化,继而达到让被动元器件小型化的目的。又或是利用低ON电阻的特性,可以达到低损耗等等的目的。想要评估电机的驱动系统,就必须要进行准确的功率测量。而对象是SiC变频器时,就需要用到比以往更高的带宽去高精度的测量功率才行。在本稿中,我们会对SiC变频器以及电机驱动系统的功率,效率,损耗测量相关的技术经验,以及实测结果等等给大家做一个介绍。
 
变频器・电机的效率测量
 
要评估含有变频器或马达的电机驱动系统时,可以通过测量变频器的输入输出功率和马达功率,然后计算输入输出的比率和差来测量效率,损耗。图Fig.1中所示的是一般测量电机驱动系统效率时的测量结构图。
Fig.1:电机驱动系统的效率测量
 
变频器和马达的输出会随着时间而发生变化。所以,需要分别在各自的测量点设置测量仪器。而计算效率和损耗时,会因为测量的时机不同步,或运算方法的差异导致很难进行准确的测量。因此,需要使用1台测量仪器,或者对多台测量仪器进行同步控制去测量。
 
使用功率分析仪的话就能满足这个要求。普通的功率分析仪会有4ch~6ch去进行功率测量,并且自带马达分析功能。可以对效率和损耗进行高精度的测量。
  讲的更细致的话,进行功率运算时的会用到时间区域,而根据划分的时间区域不同,也会发生变化。功率分析仪是检测出输入波形的零位交叉点,然后确定运算的区域的。一般来说,会把零位交叉作为要检测的信号的同步源,可以在各通道内自定义设置。因为设置了最合适的同步源就能稳定的测量到功率了,那么效率,损耗也就能高精度的进行测量了。比如,变频器的输入是DC的话,可以通过把输入输出通道设一样的同步源,来让运算区域一致。通过这个,就能稳定的测量效率,损耗了。举个例子,如图Fig.1所示,虽然测量的是2个点位的功率,和1个马达功率,通过把所有通道的同步源设置为变频器的输出电流,就能稳定的测量了。
 
变频器输入功率的测量
 
  为了测量到效率,损耗,就需要先测量到进入到变频器里的输入功率。这个输入功率,就是效率,损耗测量的基准。一般,变频器的输入为DC或是AC工频电源。如果输入输出的功率值出现测试误差的话,对效率值,损耗值也会有较大的影响。所以,需要用较高的精度去测量变频器的输入功率。比如,变频器的效率为99%时,如果输入功率的测试值有0.5%的误差的话,那么对损耗的计算就会出现50%的误差。虽然说用一般的波形记录仪器也能进行功率的运算,但需要注意的是在自己想要测量的带宽上,是否标有足够的精度。
 
  特别在测量DC的时候,在测量前需要注意调整功率分析仪以及电流传感器的DC失调等。功率分析仪中有带调零功能的话,那么在测量前,就需要让功率分析仪以及电流传感器处于0输入的状态下,执行调零。这样才能抵消测量仪器的DC失调,准确的测量到DC。
 
变频器输出功率的测量
 
变频器输出是受到PWM调制的,其中含有开关频率和高次谐波成分。所以,比起DC或工频,需要进行更高带宽的功率测量。在这里,我们先探讨一下测量开关频率和谐波中的功率时所需要的带宽。如Fig.2所示,是变频器驱动电机时马达的等效电路。
Fig.2:马达的等效电路(1个相)
因为马达的线圈上是含有电感成分的,所以谐波的电流很难流进马达中去。而电压因为是PWM波形,所以和矩形波相似。此时,电流的波形是三角波。在频率的领域中去计算三角波的有效值的话,只要能够测量到5次为止的高次谐波成分,就能把有效值的测量误差控制在0.1%以下。在这里,某个频率下的有功功率Pf,可以用电压Uf和电流If,和电压电流的相位差θf,用以下的公式表示。
所以,电压,电流只要有1个为0,那么其频率成分下的有功功率就变为0了。从0.1%的测量精度上去考虑的话,就如前面所说的,开关频率7次以上的谐波成分的电流,是可以无视的。所以,要以0.1%以下的精度去测量开关频率和其谐波下的功率的话,就需要能够准确测量其开关频率的5倍~7倍为止的带宽下的电压・电流・相位差。只是,实际上电机的损耗中,除了要加上Fig.2中的电阻成分,还有磁性物体的铁损,线圈的趋肤效应等造成的损耗。这些损耗都有频率变高,损耗就会增大的倾向。所以为了能够更为准确的测量开关频率和其谐波下的功率,就需要用到稍微再高一些的频率带宽。实际上需要的频率带宽,是受各自损耗的频率特性等所左右的。
  
实际测量SiC变频器驱动电机时的电压电流波形和FFT结果如图Fig.3所示。
Fig.3:SiC变频器驱动电机时的实际波形,FFT结果
 
测量对象的详细参数显示在Table 1中。因电压是PWM波形,去看FFT的话就会发现存在着超过1MHz的频率成分。一般的功率分析仪,是没有能够准确测量电压波形的测量带宽的。看电流的话,其频率成分只到200kHz左右。使用功率分析仪PW6001测量。
Table 1:所测量的SiC变频器和电机的配置。
另外,看波形的话也是近似正弦波的。就像前文中所述的,电机中因为含有电感成分,高频的电流不是那么容易流通的。
  
综上所述,要准确的测量变频器的输出功率,就需要用到特性良好的功率分析仪。其能力,最少也要在开关频率的5倍~7倍下才能够准确的测量电压・电流・相位差。而SiC变频器的开关频率正向着高频化的方向发展,所需要的带宽也就变得更高了。
 
通常测量电机驱动系统的电流时,大多都会用到电流传感器。这里有一个问题就是电流传感器的相位误差。  
  
所有的电流传感器,都有随着测量频率的增高,相位误差变大的倾向。这也是在测量高频功率时,会成为误差的一个主要因素。如图Fig.2中所示,在高频下电机的线圈的电感会成为支配性的存在。
  
所以,高频下的开关频率和其谐波的功率,就会成为低功率因数。用公式(1)去考虑的话,低功率因数(θ≈90°)下相位误差对功率的测试值的影响就会变得非常大。那么在高频下,如果不去补偿电流传感器的相位误差的话,就无法高精度的去测量功率。而HIOKI所生产的功率分析仪PW6001,就如图Fig.4中所示,带有对电流传感器的相位误差的补偿功能。通过这个相位补偿的功能,就能更为准确的测量变频器的输出功率了。
Fig.4:电流传感器相位误差的补偿
马达功率的测量
为了测量电机,以及电机驱动系统的整体效率,损耗,马达的功率也是需要去测量的。马达功率Pm【W】是用公式(2)去计算的,所以需要分别测量扭矩T(N・m)和转速n【rpm】。
转速n【rpm】是由转速计或脉冲编码器去测量的,而扭矩T【N・m】是用扭力表测量的。要测量效率,损耗,就需要把功率和马达功率同时测量。所以,使用的功率分析仪还需要能够接受转速计和扭力表的信号输入。
搭载SiC功率半导体变频器的效率测量示例
  测量由SiC变频器驱动电机时的变频器效率的测量结果如图Fig.5所示。
Fig.5:变化功率分析仪PW6001的LPF截止频率时SiC变频器效率的测量结果
  
图中使用的是HIOKI生产的功率分析仪PW6001和电流输入盒PW9100,把PW6001的LPF的截止频率从1kHz~2MHz变化后得到的测量结果。测量对象和Table1是一样的。截止频率在10kHz~50kHz的效率测量值有一个很大的变化。这个变化,就能区分是否有准确的测量到开关频率和其高次谐波成分下的功率了。也就是说,10kHz以下的时候,测量的效率值是与马达转速同步的基波成分和其谐波成分的功率。而50kHz以上时,效率值就是要测量开关频率和其高次谐波成分的功率了。在50kHz以上时,伴随着截止频率的高频化,效率的测量值也会变高。这是因为相对开关频率的高次谐波成分,能够更高次的测量到谐波成分的原因。
  
综上所述,使用HIOKI PW6001功率分析仪,就能以2MHz的带宽,高精度,高稳定的去准确测量到电机驱动系统的效率,损耗了。这是因为,它能够在准确测量到开关频率和其谐波成分的功率的基础上,进行效率,损耗的测量。

同相电压的影响
 
如图Fig.6中所示的是测量3相3线接线的变频器输出功率时的电压接线图。
Fig.6:测量变频器输出功率时的接线(3P3W3M)
  
在测量电压时,因为测量的是线间的电压,所以在功率分析仪的各通道中会被施加上较大的同相电压。另外,这个同相电压是含有开关频率和其谐波成分的。
  
所以,就需要用到在高频下的共模抑制比(CMRR)高的功率分析仪去进行测量。在CMRR为80dB时,对显示值的影响为同相电压的0.01%。也就是说,被输入100V的同相电压时,对显示值的影响就有0.01V。
  
如图Fig.7中所示的,就是测量SiC变频器线间电压和同相电压的结果。
Fig.7:变频器输出电压的共模电压

看FFT的结果就会发现,和Fig.3是一样的。从这个结果中可以知道,同相电压中也含有开关频率和谐波成分。所以,随着开关频率的高频化,可以说同相电压也在趋于高频化的发展。采用SiC功率半导体的变频器的开关频率,正向着高频化方向发展。所以,在高频下,需要用到CMRR较高的功率分析仪。

电流传感器的抗干扰措施
  
在测量额定功率较大的电机或变频器时,就需要测量到数百A的大电流了。对于大电流的测量一般是用电流传感器的。而从变频器中会发生较大的干扰,为了能够准确测量功率,在电流传感器本身和电流传感器输出信号的途径上,都需要做好防干扰的措施。HIOKI针对以上情况,提供着各种功率分析仪用的抗干扰高精度电流传感器。只要把功率分析仪和电流传感器用自带的专用连接器连接,就能做到高抗干扰的功率测量了。

功率分析仪的频率带宽和采样频率
  
一般的功率分析仪的采样频率和模拟带宽的关系,如图Fig.8中所示。大多功率分析仪测量时输入到电路中的模拟带宽,要比采样频率fs的频率的一半fs/2还要高。
Fig.8:功率分析仪的频率带宽和采样频率的关系
此时,存在在比fs/2更高频率中的电压・电流成分,就会返回作为干扰出现在低频领域之中。这种现象我们一般称他为混叠。像PWM波形这种在高带宽上含有频率成分的测量对象,会无法区分是返回的噪音,还是实际的信号。这也是测量功率时造成测量精度差,或者重现性低的一个重要因素。另外,在做谐波分析的时候,返回的噪音和实际的谐波是无法区别的。为此,会检测出假的谐波成分等等,无法正确的分析。就像图Fig.3中所示,变频器的输出电压中会存在超过1MHz的成分。而一般功率分析仪的的采样频率在100kHz~5MHz左右。所以,就是说会有超过fs/2频率的电压成分存在。此时,模拟带宽和采样频率就像Fig.8中的关系的话,会无法正确测量。为了正确测量,需要把模拟带宽限制在fs/2以下。也就是说,实际上可以使用的带宽,只有采样频率的一半以下。
  综上所述,为了对变频器的输出功率进行测量,分析,就需要使用根据上述采样原理去设计的测量仪器。而HIOKI的功率分析仪,就是按照这个采样原理去设计的。比如功率分析仪PW6001,针对模拟带宽2MHz/-3dB,采样频率就有5MHz。可以同时进行高带宽的功率测量和正确的高次谐波分析以及FFT分析。

总结

在本稿中,我们一边参考实测案例,一边对变频器,电机的效率,损耗测量中所需要关注的测量要点,测量仪器需要具备的要素进行了介绍。特别是对近几年开始使用的SiC变频器相关的测量要点,以及和以往测量变频器时的不同之处,注意点进行了介绍。通过实测,我们发现在排除了各种会产生误差的因素之后,才能够高精度,高稳定的测量到数据。如果您在对SiC变频器或电机驱动系统的功率,效率,损耗做测量时,看了本文能给您提供一些参考,我们会非常荣幸!