nCode GlyphWorks电驱动系统功率计算和效率分析

2021-10-14 10:54:56·  来源:上海山外山机电工程科技有限公司  
 
关键字:nCode,电功率,机械功率,效率分析类别:nCode GlyphWorks软件应用前言电动汽车的三电是指什么?通常所说的电动汽车三电,是指电机、电池和电控。这是
关键字:nCode,电功率,机械功率,效率分析
类别:nCode GlyphWorks软件应用
 
前言
电动汽车的“三电”是指什么?通常所说的电动汽车“三电”,是指电机、电池和电控。这是电动汽车的关键技术,“三电”技术也是电动车区别于传统汽车的新技术。这三项技术中,电池和电机都占据了极其重要的地位,影响到汽车单次充电的行驶里程、汽车生产成本等,需要充分考虑功率大小和能量效率。
 
下图1是典型的电动汽车驱动系统能量传递示意图。传递过程中能量的形式在变化,也伴随着能量损失。电池是动力源,将能量依次传递给逆变器、电机和车辆传动机构。逆变器将电池输出的直流电转变为三相交流电能,电机将三相交流电能转化为机械能。
 
 
 
 
图1 电动汽车驱动系统能量传递过程
nCode GlyphWorks 2021.1版本中增加了电驱动功率计算模块,通过输入电压、电流或者扭矩和转速时域信号,计算电功率和机械功率的,对电机效率和功率损失进行分析。工程师可以借助该模块进行电动汽车驱动系统的功率和能效分析。
 
电驱动功率分析案例
本文通过一个分析案例展示nCode软件中的Electric Power Glyph相关功能。测量数据包括应用于电机逆变器的三相电流和线对线电压,电机输出轴的速度和扭矩。
输入数据:
  • ElectricMotorMeasurements_Block1.s3t
  • ElectricMotorMeasurements_Block2.s3t
  • ElectricMotorMeasurements_Block3.s3t
目标:
  • 通过测量的电压和电流计算电气功率,
  • 通过扭矩和转速计算机械功率,
  • 计算电机效率,
第一步,搭建分析流程。在nCode软件中搭建分析流程,如下图2所示。结果通过时域二维图和效率曲面图显示。
 
 
 
 
图2 电功率分析流程
表1:流程各glyph介绍
ntenteditable="true">序号
ntenteditable="true">Glyph
ntenteditable="true">描述
ntenteditable="true">1
ntenteditable="true">TSInput
ntenteditable="true">测试数据时域信号输入
ntenteditable="true">2
ntenteditable="true">ElectricPower
ntenteditable="true">电驱动功率计算
ntenteditable="true">3
ntenteditable="true">XYDisplay
ntenteditable="true">XY二维显示器
ntenteditable="true">3
ntenteditable="true">SurfacePlot
ntenteditable="true">曲面图显示器
第二步,合并测量文件。在nCode软件中的Electric Power Glyph计算输出电功率和输出机械功率,要求按不同的扭矩和转速水平捕捉短测量块,计算电机效率。三组测量数据对应的三种不同的转速和扭矩运行工况。电压和电流通过高采样率的数据记录仪,通常分段记录为多个文件。在数据处理中,将这些分段串联后分析。操作步骤如下:
1. 在可选数据区选择3个电机测量数据,可单独查看各时域数据,包含三相电机的输入电流和电压信号,以及电机输出的转速和扭矩信号。
2. 将三个数据同时拖入nCode 软件的workspace,创建一个Time Series Input glyph,内含三组测试的数据。
3. 打开Time Series Input glyph,并在属性中设置CombineAllTests=True,然后点击Apply
 
 
 
 
图3 TSInput属性设置
4. 点击Apply之后,出现三个CombineAllTests相关属性。其中有两个属性需要设置,
CombineAllTestsNamingMethod=Specified;合并后的数据流名称CombineAllTestsNameText=ElectricMotorTest(默认情况下,组合文件名为CombineAllTests)。
 
 
 
 
图4 合并相关属性设置
5. 点击OK关闭属性对话框。在TSInput Glyph中查看数据已有效地连接,合并为一个测试文件,显示结果图下图所示。
 
 
 
 
图5 TSInput显示合并后数据
第三步,计算电驱动功率。打开Electric Power glyph属性。第一个标签页(OutputChannels),允许选择输出的计算结果。保持原状态不修改。默认输出的结果包括交流电功率(AC Electric Power),机械功率(Mechanical Power)和效率(Efficiency)。如果输入的测量信号来自电池的电压和电流,则选择输出直流电功率(DC Electric Power)。
第二标签页(Advanced),设置更详细属性。比较重要的属性设置Channels分类,其输入如下:
  • ACCurrentChannels 属性输入1-3
  • ACVoltageChannels 属性输入4-6
  • SpeedChannel 属性输入90
  • TorqueChannel 属性输入89
  • 保持DCCurrentChannel和DCVoltageChannel属性为空(未采集DC数据)
 
 
 
图6 ElectricPower属性输入通道设置
第四步,结果显示。运行流程,查看XYDisplay中的输出结果,包含的通道如下,详细信息可参考技术背景资料。
  • 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 %)
曲面图(Surface Plot)结果显示,可以通过曲面图查看扭矩、转速和效率通道的结果,分析电机在不同转速和扭矩情况下的能量效率。Surface Plot属性中,选择Speed、Torque和Efficiency通道做为X、Y和Z列对应数据。
 
 
 
 
图7 Surface Plot显示选项设置
 
 
 
 
图8 分析结果曲面图显示
 
技术背景介绍
  • 描述
Electric Power Glyph是nCode2021.1版本新增功能,通过测量的电流、电压、转速和扭矩信号计算电能和机械能功率。通常用于电驱动系统的效率分析。
 
 
 
 
图9 电驱动系统能量传递
  • 输入
ntenteditable="true">输入
ntenteditable="true">测量信号
ntenteditable="true">描述
ntenteditable="true">交流电能
ntenteditable="true">AC current signals (A)
ntenteditable="true">AC电流信号(A)
ntenteditable="true">AC current signals (A)
ntenteditable="true">AC电压信号(V)
ntenteditable="true">直流电能
ntenteditable="true">DC current (A)
ntenteditable="true">DC电流信号(A)
ntenteditable="true">DC voltage (V)
ntenteditable="true">DC电压信号(V)
ntenteditable="true">机械能
ntenteditable="true">Shaft rotational Speed
ntenteditable="true">驱动轴转速(RPM或RPS)
ntenteditable="true">Shaft Torque
ntenteditable="true">驱动轴扭矩
  • 输出
ntenteditable="true">输出信号
ntenteditable="true">描述
ntenteditable="true">关系
ntenteditable="true">AC Active electric power (W)
ntenteditable="true">AC有功功率(W)
ntenteditable="true">视在功率=根号下(有功功率的平方+无功功率的平方)有功功率=视在功率×功率因数
ntenteditable="true">AC Reactive electric power (VAR)
ntenteditable="true">AC无功功率(VAR)
ntenteditable="true">AC Apparent electric power (VA)
ntenteditable="true">AC视在功率(VA)
ntenteditable="true">AC Power factor (-)
ntenteditable="true">AC功率因数
ntenteditable="true">DC Active electric power (W)
ntenteditable="true">DC有功功率(W)
ntenteditable="true">视在功率=根号下(有功功率的平方+无功功率的平方)有功功率=视在功率×功率因数
ntenteditable="true">DC Reactive electric power (VAR)
ntenteditable="true">DC无功功率(VAR)
ntenteditable="true">DC Apparent electric power (VA)
ntenteditable="true">DC视在功率(VA)
ntenteditable="true">DC Power factor (-)
ntenteditable="true">DC功率因数
ntenteditable="true">Mechanical power (W)
ntenteditable="true">机械能功率(W)
ntenteditable="true">-
ntenteditable="true">AC to Mechanical efficiency
ntenteditable="true">AC转机械能效率
ntenteditable="true">-
ntenteditable="true">AC to DC efficiency
ntenteditable="true">AC转DC效率
ntenteditable="true">-
ntenteditable="true">DC to Mechanical efficiency
ntenteditable="true">DC转机械能效率
ntenteditable="true">-
ntenteditable="true">Shaft rotational Speed (RPM)
ntenteditable="true">轴转速(RPM)
ntenteditable="true">-
ntenteditable="true">Shaft Torque (Nm)
ntenteditable="true">轴扭矩(Nm)
ntenteditable="true">-
计算方程
机械功率P(单位:W)与扭矩M(单位:Nm)和转速S(单位:RPM)的基本公式:
 
 
直流电功率和平均交流电功率基本公式:
 
 
参考文献
[1] GlyphWorks Worked Examples, HBK-nCode , 2021.1
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