1.概述

自電機工程誕生以來，三相交流馬達一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、費效比高，需要少量維修或根本不需要維修。此外，交流馬達（如感應(yīng)馬達和磁阻馬達）無需與轉(zhuǎn)子的電氣連接，因此很容易實現(xiàn)阻燃，用于危險環(huán)境（如礦山）。

為了提供適當(dāng)?shù)慕涣黢R達速度控制，必須為馬達提供三相電源，其電壓和頻率可以變化。這種電源將在定子中形成一個變速旋轉(zhuǎn)磁場，使得轉(zhuǎn)子按照所需的速度旋轉(zhuǎn)，且滑動很小，如圖1 所示。這個交流馬達驅(qū)動器可以高效提供從零速到全速的全轉(zhuǎn)矩，如果需要的話，還可以超速，而且通過改變相位旋轉(zhuǎn)，可以很容易使馬達雙向運轉(zhuǎn)。具有這些特點的驅(qū)動器稱作脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器。

交流馬達驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

脈寬調(diào)制驅(qū)動器可以生成復(fù)雜波形，如在到馬達的輸出上，以及到驅(qū)動器的電源上。本博文將分兩部分，探討馬達驅(qū)動器的電氣測量話題。

2. 對脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器的測量

表1 給出了脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器的典型測量。

表1. 常見的脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器測量

3. 馬達輸出測量

圖1 說明，通過在馬達輸出軸安裝轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器，可以對馬達輸出進行測量。

圖1. 馬達輸出測量

3.1 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器生成的電信號與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成正比。通過測量這些信號，可以確定馬達的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從這些測量結(jié)果中可以計算馬達輸出功率。

3.2 轉(zhuǎn)矩

馬達轉(zhuǎn)矩是在其輸出軸上形成的旋轉(zhuǎn)力，它是一個扭力，其單位是牛頓米（Nm） 或英尺磅（1 英尺磅 =1.3558 Nm）。對于小型馬達而言，其轉(zhuǎn)矩額定值低于1 Nm；對于大型馬達而言，其轉(zhuǎn)矩額定值達到幾千Nm。

通過旋轉(zhuǎn)應(yīng)變計以及利用固定接近、磁致伸縮和磁彈性傳感器，可以測量轉(zhuǎn)矩。這些傳感器都是溫度敏感型的。旋轉(zhuǎn)傳感器必須安裝在轉(zhuǎn)軸上，由于空間受限，這并非總能行得通。

為測量轉(zhuǎn)矩，應(yīng)變計往往直接安裝在轉(zhuǎn)軸上。由于轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩傳感器必須通過滑環(huán)、無線通信或電感耦合與外邊世界耦合。

3.3 轉(zhuǎn)速

馬達轉(zhuǎn)速通常以每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM） 來描述，即它在1分鐘內(nèi)沿固定軸旋轉(zhuǎn)的完整圈數(shù)。

為了進行這些測量，PA4000 包括傳感器輸入端，用于連接轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器。通過測量驅(qū)動器輸入端消耗的電力、以及馬達輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使用一臺儀器就可以測量出系統(tǒng)效率。

4. 驅(qū)動器輸出測量

脈寬調(diào)制驅(qū)動器的輸出波形非常復(fù)雜，由一系列高頻分量（ 因載波） 和低頻分量（ 因基波） 組合而成。

對大多數(shù)功率分析儀來說，這帶來的問題是：如果在高頻測量，那么波形中的低頻信息將丟失；如果濾除脈寬調(diào)制波形在低頻測量，那么高頻數(shù)據(jù)將丟失。這個難題的出現(xiàn)是因為在低頻對波形進行調(diào)制。因此，高頻測量（ 如總電壓有效值、總功率等） 必須在高頻處進行，但必須超出輸出波形低頻分量的整數(shù)倍。

泰克PA4000 功率分析儀利用脈寬調(diào)制輸出測量的特殊工作模式克服了這個難題。它對數(shù)據(jù)進行高速采樣，并實時計算總體數(shù)量，包括所有諧波和載波分量。與此同時，對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字化濾波，提供低頻測量，如輸出頻率的基波分量和測量。

圖2. 高精度PA4000 測量技術(shù)

除了從同一測量中獲得低頻和高頻結(jié)構(gòu)外，該技術(shù)允許高頻測量與低頻信號同步，這是提供精確和穩(wěn)定的高頻測量結(jié)果的唯一方法。

圖3. 測得的一個馬達繞組兩端的凈電壓

根據(jù)測量的輸出頻率范圍，濾波器的選擇方案有3 種，參見表2。

表2. 脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器系統(tǒng)內(nèi)不同頻率范圍應(yīng)用的濾波器

濾波器的選擇并不影響較高頻率分量的測量，因為這些測量是通過未經(jīng)過濾的數(shù)據(jù)進行的。不過，為了優(yōu)化低頻測量結(jié)果，您應(yīng)當(dāng)為應(yīng)用選擇正確的濾波器。

5.使用PA4000 示波器測量驅(qū)動器輸出

該儀器通過三相三線配置連接至輸出。（ 又稱作兩表法。關(guān)于兩表法的更多信息，請參見應(yīng)用指南：三相測量原理。） 對于輸出電流高達30A 的脈寬調(diào)制驅(qū)動器，PA4000 可以通過其內(nèi)部電流分流器，直接與驅(qū)動器輸出相連，如圖4 所示。

圖4. PA4000A 輸出測量

對于輸出電流超過30 A 的脈寬調(diào)制驅(qū)動器，您可以使用外部電流傳感器或外部電流分流器。泰克公司提供多種固定核心電流傳感器，最高電流達1000 A。這些傳感器包括電纜，實現(xiàn)與PA4000 的快速連接，并利用儀器的15 V 直流電源。當(dāng)PA4000 功率分析儀與外部分流器一起使用時，您可以將分流器與外部分流電壓輸入相連。這些輸入可以測量從X V 到Y(jié) V 的分流輸出。對于電流傳感器和外部分流器，重要的是，記住正確設(shè)置縮放比例。

特別是對于低電流驅(qū)動器， 如果可能， 應(yīng)當(dāng)將PA4000 直接與脈寬調(diào)制輸出端相連。這是因為，盡管交流電流變壓器和霍爾效應(yīng)電流傳感器在較高電流時提供良好的精度，但對于幾安培的較低電流，其結(jié)果精度往往較差。

盡管在脈寬調(diào)制驅(qū)動器輸出端出現(xiàn)極高的共模電壓，為了從電流分流器得到優(yōu)異的結(jié)果，PA4000 輸入電路已經(jīng)優(yōu)化。分流器兩端電壓可能只有幾毫伏，但分流器電勢相對于接地端上下波動幅度高達數(shù)百伏，每微秒高達數(shù)千伏。

雖然采用兩表法時，PA4000 只有兩個通道用于測量，但該儀器將以矢量方式計算和顯示第三條（非測量）線路的電流值。這將為權(quán)衡負載提供有價值的檢查。此外，由于兩表法不需要分析儀的第三個通道，它可以用作獨立的測量通道，如測量脈寬調(diào)制驅(qū)動器內(nèi)的直流總線，詳見第7 部分介紹。

一旦分析儀進行連接和配置完畢，它將利用選定的濾波器測量驅(qū)動器輸出功率。如果PA4000 測量頻率有困難，應(yīng)確保已經(jīng)指定正確的濾波器頻率范圍。

注意，Vrms、Arms 和功率數(shù)字是通過預(yù)過濾值測得的，因此包括所有的高頻分量，其中基波值只考慮對馬達有用功的貢獻。電壓有效值與基波電壓存在顯著差異是很正常的。通常，在電流和功率之間的差異較小，因為感應(yīng)馬達對電流進行了過濾。

通過SUM 通道讀取的總功率和基波功率之間的差異，可以估算高頻損耗。這代表脈寬調(diào)制驅(qū)動器提供的電力，這部分電力對機械輸出功率沒有貢獻，因此增加了馬達的熱量：

高頻損耗= 總功率 - 基波功率

當(dāng)進行脈寬調(diào)制驅(qū)動器比較時，這是非常有意義的測量。

6. 驅(qū)動器直流總線測量

雖然脈寬調(diào)制驅(qū)動器輸入和輸出之間的連接稱為直流總線，但這個總線上的電壓和電流遠非純直流，因此，在進行所需的測量時必須小心謹慎。

直流總線測量最好在存儲電容器輸入端進行，如圖5所示，因為從本質(zhì)上講，這里的電流是來自交流電源的低頻電容器充電脈沖，是從逆變器吸收的高頻電流脈沖中釋放出來的。

圖5. 設(shè)置直流總線測量

表3. 直流總線關(guān)鍵測量參數(shù)

如果獨立進行直流總線測量，可以利用分析儀的CH1（ 通道1）。不過，直流總線測量往往與驅(qū)動器輸入或輸出的三相二線測量一起進行。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)使用剩余獨立運行通道中某個通道對直流總線進行測量。

例如，將CH1 和CH2 連接，進行輸入或輸出測量。CH3 與直流總線相連，如圖5 所示。使用F［7］ 選擇脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器輸入或輸出模式，并啟動獨立的CH3。

7. 驅(qū)動器輸入測量

從本質(zhì)上講，大多數(shù)脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器輸入電路是三相二極管整流橋，并包含電容濾波器，如圖6 所示。

圖6. 脈寬調(diào)制驅(qū)動器的輸入整流器和濾波器級

每個輸入相的電流波形由為存儲電容器充電的脈沖組成。圖7 給出某相的電流波形，它包括電源頻率的基波分量以及大量諧波分量。

圖7. 脈寬調(diào)制驅(qū)動器輸入端電壓和電流波形

如果驅(qū)動器的逆變器部分為輸入電路提供一個恒流負載，那么每相的輸入電流將是一個振幅恒定的失真波形，如圖7 和圖8 所示。

圖8. 未經(jīng)調(diào)制的輸入電流波形

遺憾的是，脈寬調(diào)制驅(qū)動器的逆變器部分可能不向輸入電路提供恒流負載；在這種情況下，從電容器吸收電流的負載電流將受到輸出頻率分量的影響。這意味著，來自交流電源的電流在工頻頻率是復(fù)雜的、失真的電流波形，它由驅(qū)動器頻率進行調(diào)制。圖9 給出其波形。調(diào)制可能嚴重影響測量，特別是在低驅(qū)動速率，不過，利用擴展的測量區(qū)間（為驅(qū)動器輸出波形周期整數(shù)倍），可以解決這個問題。

圖9. 在輸出頻率處進行調(diào)制的輸入電流波形

PA4000 支持脈寬調(diào)制驅(qū)動器輸入功率的精密測量，即使馬達處于低頻時。輸入功率測量與交流工頻同步，但通過調(diào)節(jié)顯示屏更新速率及均值設(shè)置，可以擴展測量區(qū)間。

表4. 選擇顯示屏更新時間和均值，把驅(qū)動器輸出頻率對驅(qū)動器輸入功率測量的影響降到最小

對于超過20 Hz 的輸出頻率，PA4000 的默認設(shè)置通常將給出穩(wěn)定結(jié)果。默認設(shè)置是：

顯示屏更新速率：0.5 s

平均：10

當(dāng)輸出頻率在5 Hz ～ 20 Hz 之間時，將均值設(shè)置為10，以改進穩(wěn)定度；對顯示屏更新時間進行設(shè)置，使之包括測得的脈寬調(diào)制輸出周期（1/f） 的整數(shù)倍。根據(jù)經(jīng)驗法則，應(yīng)提供10 個周期。

例如：

輸出頻率 = 5.5 Hz

顯示屏更新速率 = 10/（5.5 Hz）= 1.8 s

對于低于5 Hz 的輸出頻率，使用最長的顯示屏更新速率（2 s），平均為10。

例如，對單相驅(qū)動器進行測量時，如果讀數(shù)太大，可以將均值設(shè)置為10 以上，以幫助使測量穩(wěn)定。

分析儀通過三相三線配置進行連接，如圖10 所示（ 即所謂的兩表法，關(guān)于利用n-1 臺功率表可以測量通過n 條線路向系統(tǒng)提供電源的證明，請參見應(yīng)用指南：三相測量原理）。

圖10. 三相三線連接

在這個線路配置中，可能使用分析儀的第三通道和第四通道，以測量驅(qū)動器輸出或驅(qū)動器內(nèi)的直流總線。

（下周，我們將分享本文的下半部分，將包“損耗與效率測量，以及如何連接、如何選擇電流傳感器”等話題，敬請期待。）

8. 損耗與效率測量對任意系統(tǒng)，要想對其損耗和效率進行測量，最好對系統(tǒng)輸入和輸出進行同步測量，如圖11 所示。

圖11. 效率測量圖 對于高效系統(tǒng)（ 如脈寬調(diào)制驅(qū)動器） 來說，這一點特別重要。這是因為，如果對輸出和輸出分開測量，而且在測量之間關(guān)閉系統(tǒng)來切換儀器，那么就不能始終確保兩個測量具有完全相同的負載條件。如果忽視負載條件的任何差異，那么都會導(dǎo)致測得損耗的誤差。 例如：設(shè)置Number 1 — 測量輸入。

關(guān)閉系統(tǒng)，重新連接輸出測量，并再次開啟系統(tǒng)：設(shè)置Number 2 — 測量輸出（ 但條件稍微變化）。

表現(xiàn)損耗 = 1052.6 W - 1020 W = 32.6 W實際損耗 = 1073.7 W - 1020 W = 53.7 W這說明測得的損耗誤差非常大！為了避免這類誤差，您可以使用4 通道儀器，如PA4000 功率分析儀，它能夠?qū)︱?qū)動器輸入和輸出同時進行兩表法測量，如圖12所示。

圖12. 利用兩表法實現(xiàn)PA4000 與驅(qū)動器輸入、輸出端連接 使用這個方法將確保精確測量，即使輸入和輸出測量之間的條件可能稍有變化。條件的稍微變化無關(guān)緊要，因為每次效率測量都是同步測量。

9. 進行連接

對馬達驅(qū)動器進行電壓連接通常只是小事一樁，因為對各相之間電壓進行測量。進行電流連接則更具挑戰(zhàn)。進行電流連接主要有兩種方式。第一種是方式“分割”導(dǎo) 體，并使電流通過電流分流器，然后測量電流分流器兩端電壓降。雖然這種方式在地功率情況下可行，但當(dāng)電流較高時，則行不通。 對于大電流，可能使用電流傳感器。通常，這涉及到使初級電流載流導(dǎo)體與電流測量設(shè)備相連。測量設(shè)備生成一個與初級電流成比例的次級電流。 一般情況下，這需要通過電流測量裝置的初級載流導(dǎo)體傳遞。測量設(shè)備創(chuàng)建一個與初級電流成比例的次級電流。

為什么使用電流傳感器？

使用電流傳感器的原因主要有3個：

1. 正在測量的信號可能與測量設(shè)備不兼容。例如，大部分測試臺儀器無法測量超過100 A 的電流，而這么大的電流是大型馬達和驅(qū)動器中常見的。

2. 消除測量儀器與測量信號的耦合。在脈寬調(diào)制驅(qū)動器中，快速開關(guān)電壓（dV/dt） 往往造成正在測量的輸出信號具有很大的共模分量。高共模電壓給電流測量帶來不確定性。使用電流傳感器隔離分析儀的電流輸入和電壓波動，從而消除因共模引起的不確定性。

3. 為了便利和安全。在馬達系統(tǒng)中往往存在高壓，而且電源阻抗往往極低。如果連接不正確，可能造成大量能量流動。

選擇正確的電流傳感器電流傳感器有許多種，在馬達測量中使用的4 種最常見電流傳感器是：

1. 電流鉗

2. 閉環(huán)霍爾效應(yīng)

3. IT 型閉環(huán)

4. 電流互感器

為了在馬達驅(qū)動器的典型信號帶寬中實現(xiàn)最佳性能，應(yīng)使用閉環(huán)傳感器。在驅(qū)動器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅(qū)動器輸出中效果則不好。這是因為電流互感器在低頻（低驅(qū)動速度）性能不佳，而且將限制測量與開關(guān)有關(guān)高頻頻率的能力。

當(dāng)選擇傳感器時，重要的是考慮正在測量的信號和測量設(shè)備。選擇與需要測量的最大信號（包括峰值）相對應(yīng)的最大輸入范圍傳感器。這將充分發(fā)揮傳感器范圍的效用。

您還希望對測量設(shè)備而言，在不引起過沖的前提下，傳感器輸出信號盡可能大。輸入信號越大，信噪比越高，測量結(jié)果越好。 使用電流傳感器對于閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，應(yīng)當(dāng)謹慎進行連接。將為傳感器提供電源。電源通常包括正電源和負電源，而且必須提供足夠電流，通常為10mA ～ 50mA。

傳感器應(yīng)當(dāng)盡可能靠近測量儀器，以降低次級引線的電壓和磁場耦合。 傳感器輸出是單一電流輸出，信號和電源公用回路。該輸出應(yīng)當(dāng)直接與測量設(shè)備電流輸入的高端連接。測量設(shè)備電流輸入的低端應(yīng)當(dāng)連接至與傳感器電源相同的回路。而且，所有引線應(yīng)當(dāng)盡可能短。輸出應(yīng)當(dāng)靠近電源連接。從理想角度看， 3 條線應(yīng)當(dāng)絞合在一起。 在脈寬調(diào)制驅(qū)動器環(huán)境中，在需要情況下，接地和屏蔽是一個好習(xí)慣。

在低連接中使用可疊堆4mm 將使低連接很容易接地。 屏蔽電纜將改進性能。屏蔽將接地，并與傳感器電源公共端相連，而且，在相應(yīng)的地方，它將與傳感器接地相連。

屏蔽將保護電源連接與信號。 如果初級載體中電流占額定電流百分率較低，或者同測量儀器可用的電流量程相比，傳感器輸出較低，那么通過讓電流多次通過傳感器核心，可以改進電路性能。

例如， 如果您只有1000A 輸入、1A 輸出（1000:1）傳感器，但您希望測量10A 電流，且輸出電流只有10mA。為了更好地使用測量系統(tǒng)，使初級導(dǎo)體通過傳感器10 次，將使輸出電流增加至100mA。從初級載體角度看，初級電流從10A 增加至100A。 對于不同類型的電流傳感器，為正確地讀取電流，需要對測量儀器進行比例縮放。以1000:1 電流傳感器為例，實際測量的電流是真實電流的1/1000。因此，電流輸入需要擴大1000 倍。 電流傳感器與PM4000 一起使用PA4000 的設(shè)計目的是與外部傳感器一起使用。

其設(shè)計特性包括：

1. 可選擇+/-15V 電源，與許多常用的閉環(huán)電流傳感器一起使用。

2. 每通道電流單獨縮放。

3. 后面板接地連接，簡化電流測量低連接的屏蔽與接地。

4. 內(nèi)建1 Arms 分流器，非常適合電流傳感器輸出。

如果您正在使用泰克電流鉗或變壓器，那么這些設(shè)備輸出是4mm 安全香蕉插座。電纜可以直接插入PA4000 的電流分流器。由于電流傳感器或電流鉗的典型輸出低1A，內(nèi)建1A 分流器是個不錯的選擇。

為了獲得精確的測量，只需要為儀器配置兩個參數(shù)：

1. 分流器選擇。這是在每組基礎(chǔ)上設(shè)置的。

2. 電流輸入比例因子。這是在每通道基礎(chǔ)上設(shè)置的。比例因子是：初級電流/次級電流

如果您正在使用閉環(huán)電流傳感器，那么需要向傳感器提供電源。PA4000 內(nèi)置的可選擇±15V 電源非常適合這個功能。PA4000 的+15V 和-15V 電源必須與電流傳感器連接，參見圖13。

圖13. 使用閉環(huán)電流傳感器與PA4000 功率分析儀連接 傳感器輸出必須連接至通道1 的AHi 或A1A 連接器。

由于閉環(huán)傳感器輸出往往低于1A，因此A1A 連接器通常是更好的選擇。電流通道的Alo 連接器必須與傳感器電源連接器的公共端相連。 為了獲得最佳性能，3 個連接器應(yīng)當(dāng)絞合在一起并進行屏蔽，屏蔽連接至傳感器電源公共端。傳感器電源公共端應(yīng)當(dāng)與PA4000 后面板的接地端相連。

10. 動態(tài)負載條件下的驅(qū)動器性能

脈寬調(diào)制驅(qū)動器的功耗和輸出特性隨著馬達負載變化。雖然您的測試協(xié)議可能調(diào)用具體線路或負載條件下的測試 ，但您可能還需要檢查變化條件下的功率特性。對負載變化期間的功率特性進行分析可能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，不過，有了適當(dāng)?shù)能浖拖嗯涞姆治鰞x，您可以隨著負載或 其他條件變化，利用計算機來搜集和分析測量數(shù)據(jù)。

在這些應(yīng)用中，功率分析儀就像一個精密測量系統(tǒng)，快速向計算機反饋數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)，用于進一步分析。 圖14 給出泰克PWRVIEW 軟件收集的來自PA4000功率分析儀的測量數(shù)據(jù)，PA4000 利用單相線路輸入和三相驅(qū)動器輸出與脈寬調(diào)制驅(qū)動器相連。除了收集數(shù)據(jù)，該軟件還允許您對分析儀進行控制，這樣可以在計算機上對其進行配置。

圖15 給出三相輸入讀數(shù)的實例，包括詳細的電壓、電流和功率諧波圖。

圖14. PWRVIEW軟件顯示出脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器的多個功率參數(shù)。

圖15. 記錄隨時間變化的測量數(shù)據(jù)，并繪制圖表（ 如這里所示的Microsoft Excel）。該圖給出馬達啟動期間的測量數(shù)據(jù)。

11. 結(jié)束語

目前，脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器正成為變速馬達控制的主要方法，不僅用于工業(yè)領(lǐng)域，而且用于電動汽車和家用空調(diào)機等諸多領(lǐng)域。脈寬調(diào)制驅(qū)動器產(chǎn)生復(fù)雜波形，無論 是其輸出至馬達，還是為驅(qū)動器提供電源。泰克PA4000 功率分析儀利用業(yè)界首創(chuàng)的螺旋分流（SpiralShuntTM） 技術(shù)以及動態(tài)頻率同步技術(shù)解決這個問題，實現(xiàn)對驅(qū)動器基頻的穩(wěn)定跟蹤。 這項技術(shù)加上脈寬調(diào)制輸出的特殊運行模式，可提供持續(xù)的精確測量。該技術(shù)對數(shù)據(jù)進行高速采樣，對其總體數(shù)量（ 包括所有諧波和載波分量） 進行實時計算。與此同時，它對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字化濾波，提供低頻測量，如基頻測量和輸出頻率測量，使得PA4000 成為脈寬調(diào)制驅(qū)動器測量的理想解決方案。

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