脈寬調(diào)制(PWM) 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器電源的測(cè)試分析

圖4. PA4000A 輸出測(cè)量

對(duì)于輸出電流超過(guò)30 A 的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(dá)1000 A。這些傳感器包括電纜，實(shí)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(shí)，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(cè)量從X V 到Y(jié) V 的分流輸出。對(duì)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(duì)于低電流驅(qū)動(dòng)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?yàn)?，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(shí)提供良好的精度，但對(duì)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(dòng)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(shì)相對(duì)于接地端上下波動(dòng)幅度高達(dá)數(shù)百伏，每微秒高達(dá)數(shù)千伏。

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

一旦分析儀進(jìn)行連接和配置完畢，它將利用選定的濾波器測(cè)量驅(qū)動(dòng)器輸出功率。如果PA4000 測(cè)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(guò)預(yù)過(guò)濾值測(cè)得的，因此包括所有的高頻分量，其中基波值只考慮對(duì)馬達(dá)有用功的貢獻(xiàn)。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?yàn)楦袘?yīng)馬達(dá)對(duì)電流進(jìn)行了過(guò)濾。

通過(guò)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(dòng)器提供的電力，這部分電力對(duì)機(jī)械輸出功率沒有貢獻(xiàn)，因此增加了馬達(dá)的熱量:

高頻損耗= 總功率 - 基波功率

當(dāng)進(jìn)行脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器比較時(shí)，這是非常有意義的測(cè)量。

6.驅(qū)動(dòng)器直流總線測(cè)量

雖然脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出之間的連接稱為直流總線，但這個(gè)總線上的電壓和電流遠(yuǎn)非純直流，因此，在進(jìn)行所需的測(cè)量時(shí)必須小心謹(jǐn)慎。

直流總線測(cè)量最好在存儲(chǔ)電容器輸入端進(jìn)行，如圖5所示，因?yàn)閺谋举|(zhì)上講，這里的電流是來(lái)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(lái)的。

圖5. 設(shè)置直流總線測(cè)量

表3. 直流總線關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)

如果獨(dú)立進(jìn)行直流總線測(cè)量，可以利用分析儀的CH1( 通道1)。不過(guò)，直流總線測(cè)量往往與驅(qū)動(dòng)器輸入或輸出的三相二線測(cè)量一起進(jìn)行。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)使用剩余獨(dú)立運(yùn)行通道中某個(gè)通道對(duì)直流總線進(jìn)行測(cè)量。

例如，將CH1 和CH2 連接，進(jìn)行輸入或輸出測(cè)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(dá)驅(qū)動(dòng)器輸入或輸出模式，并啟動(dòng)獨(dú)立的CH3。

7.驅(qū)動(dòng)器輸入測(cè)量

從本質(zhì)上講，大多數(shù)脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的輸入整流器和濾波器級(jí)

每個(gè)輸入相的電流波形由為存儲(chǔ)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(dòng)器輸入端電壓和電流波形

如果驅(qū)動(dòng)器的逆變器部分為輸入電路提供一個(gè)恒流負(fù)載，那么每相的輸入電流將是一個(gè)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(dòng)器的逆變器部分可能不向輸入電路提供恒流負(fù)載；在這種情況下，從電容器吸收電流的負(fù)載電流將受到輸出頻率分量的影響。這意味著，來(lái)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(dòng)器頻率進(jìn)行調(diào)制。圖9 給出其波形。調(diào)制可能嚴(yán)重影響測(cè)量，特別是在低驅(qū)動(dòng)速率，不過(guò)，利用擴(kuò)展的測(cè)量區(qū)間（為驅(qū)動(dòng)器輸出波形周期整數(shù)倍），可以解決這個(gè)問(wèn)題。

圖9. 在輸出頻率處進(jìn)行調(diào)制的輸入電流波形

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

表4. 選擇顯示屏更新時(shí)間和均值，把驅(qū)動(dòng)器輸出頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸入功率測(cè)量的影響降到最小

對(duì)于超過(guò)20 Hz 的輸出頻率，PA4000 的默認(rèn)設(shè)置通常將給出穩(wěn)定結(jié)果。默認(rèn)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(shí)，將均值設(shè)置為10，以改進(jìn)穩(wěn)定度；對(duì)顯示屏更新時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使之包括測(cè)得的脈寬調(diào)制輸出周期(1/f) 的整數(shù)倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，應(yīng)提供10 個(gè)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(duì)于低于5 Hz 的輸出頻率，使用最長(zhǎng)的顯示屏更新速率(2 s)，平均為10。

例如，對(duì)單相驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果讀數(shù)太大，可以將均值設(shè)置為10 以上，以幫助使測(cè)量穩(wěn)定。

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