為高精度的測(cè)量SiC變頻器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率，效率，損耗
前言
在EV和HEV，軌交等領(lǐng)域，讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率化，小型化，都是一個(gè)重要的課題。而為了能夠讓構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要元素的變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)高效率化，小型化，SiC功率半導(dǎo)體已經(jīng)開始被人們所使用。通過使用SiC功率半導(dǎo)體，可以使開關(guān)頻率趨于高頻化，繼而達(dá)到讓被動(dòng)元器件小型化的目的。又或是利用低ON電阻的特性，可以達(dá)到低損耗等等的目的。想要評(píng)估電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，就必須要進(jìn)行準(zhǔn)確的功率測(cè)量。而對(duì)象是SiC變頻器時(shí)，就需要用到比以往更高的帶寬去高精度的測(cè)量功率才行。在本稿中，我們會(huì)對(duì)SiC變頻器以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率，效率，損耗測(cè)量相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以及實(shí)測(cè)結(jié)果等等給大家做一個(gè)介紹。
變頻器?電機(jī)的效率測(cè)量
要評(píng)估含有變頻器或馬達(dá)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，可以通過測(cè)量變頻器的輸入輸出功率和馬達(dá)功率，然后計(jì)算輸入輸出的比率和差來測(cè)量效率，損耗。圖Fig.1中所示的是一般測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率時(shí)的測(cè)量結(jié)構(gòu)圖。
Fig.1：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率測(cè)量
變頻器和馬達(dá)的輸出會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化。所以，需要分別在各自的測(cè)量點(diǎn)設(shè)置測(cè)量?jī)x器。而計(jì)算效率和損耗時(shí)，會(huì)因?yàn)闇y(cè)量的時(shí)機(jī)不同步，或運(yùn)算方法的差異導(dǎo)致很難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。因此，需要使用1臺(tái)測(cè)量?jī)x器，或者對(duì)多臺(tái)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行同步控制去測(cè)量。
使用功率分析儀的話就能滿足這個(gè)要求。普通的功率分析儀會(huì)有4ch~6ch去進(jìn)行功率測(cè)量，并且自帶馬達(dá)分析功能。可以對(duì)效率和損耗進(jìn)行高精度的測(cè)量。
講的更細(xì)致的話，進(jìn)行功率運(yùn)算時(shí)的會(huì)用到時(shí)間區(qū)域，而根據(jù)劃分的時(shí)間區(qū)域不同，也會(huì)發(fā)生變化。功率分析儀是檢測(cè)出輸入波形的零位交叉點(diǎn)，然后確定運(yùn)算的區(qū)域的。一般來說，會(huì)把零位交叉作為要檢測(cè)的信號(hào)的同步源，可以在各通道內(nèi)自定義設(shè)置。因?yàn)樵O(shè)置了最合適的同步源就能穩(wěn)定的測(cè)量到功率了，那么效率，損耗也就能高精度的進(jìn)行測(cè)量了。比如，變頻器的輸入是DC的話，可以通過把輸入輸出通道設(shè)一樣的同步源，來讓運(yùn)算區(qū)域一致。通過這個(gè)，就能穩(wěn)定的測(cè)量效率，損耗了。舉個(gè)例子，如圖Fig.1所示，雖然測(cè)量的是2個(gè)點(diǎn)位的功率，和1個(gè)馬達(dá)功率，通過把所有通道的同步源設(shè)置為變頻器的輸出電流，就能穩(wěn)定的測(cè)量了。
變頻器輸入功率的測(cè)量
為了測(cè)量到效率，損耗，就需要先測(cè)量到進(jìn)入到變頻器里的輸入功率。這個(gè)輸入功率，就是效率，損耗測(cè)量的基準(zhǔn)。一般，變頻器的輸入為DC或是AC工頻電源。如果輸入輸出的功率值出現(xiàn)測(cè)試誤差的話，對(duì)效率值，損耗值也會(huì)有較大的影響。所以，需要用較高的精度去測(cè)量變頻器的輸入功率。比如，變頻器的效率為99%時(shí)，如果輸入功率的測(cè)試值有0.5%的誤差的話，那么對(duì)損耗的計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)50%的誤差。雖然說用一般的波形記錄儀器也能進(jìn)行功率的運(yùn)算，但需要注意的是在自己想要測(cè)量的帶寬上，是否標(biāo)有足夠的精度。
特別在測(cè)量DC的時(shí)候，在測(cè)量前需要注意調(diào)整功率分析儀以及電流傳感器的DC失調(diào)等。功率分析儀中有帶調(diào)零功能的話，那么在測(cè)量前，就需要讓功率分析儀以及電流傳感器處于0輸入的狀態(tài)下，執(zhí)行調(diào)零。這樣才能抵消測(cè)量?jī)x器的DC失調(diào)，準(zhǔn)確的測(cè)量到DC。
變頻器輸出功率的測(cè)量
變頻器輸出是受到PWM調(diào)制的，其中含有開關(guān)頻率和高次諧波成分。所以，比起DC或工頻，需要進(jìn)行更高帶寬的功率測(cè)量。在這里，我們先探討一下測(cè)量開關(guān)頻率和諧波中的功率時(shí)所需要的帶寬。如Fig.2所示，是變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)馬達(dá)的等效電路。
Fig.2：馬達(dá)的等效電路（1個(gè)相）
因?yàn)轳R達(dá)的線圈上是含有電感成分的，所以諧波的電流很難流進(jìn)馬達(dá)中去。而電壓因?yàn)槭荘WM波形，所以和矩形波相似。此時(shí)，電流的波形是三角波。在頻率的領(lǐng)域中去計(jì)算三角波的有效值的話，只要能夠測(cè)量到5次為止的高次諧波成分，就能把有效值的測(cè)量誤差控制在0.1%以下。在這里，某個(gè)頻率下的有功功率Pf，可以用電壓Uf和電流If，和電壓電流的相位差θf，用以下的公式表示。
所以，電壓，電流只要有1個(gè)為0，那么其頻率成分下的有功功率就變?yōu)?了。從0.1%的測(cè)量精度上去考慮的話，就如前面所說的，開關(guān)頻率7次以上的諧波成分的電流，是可以無視的。所以，要以0.1%以下的精度去測(cè)量開關(guān)頻率和其諧波下的功率的話，就需要能夠準(zhǔn)確測(cè)量其開關(guān)頻率的5倍~7倍為止的帶寬下的電壓?電流?相位差。只是，實(shí)際上電機(jī)的損耗中，除了要加上Fig.2中的電阻成分，還有磁性物體的鐵損，線圈的趨膚效應(yīng)等造成的損耗。這些損耗都有頻率變高，損耗就會(huì)增大的傾向。所以為了能夠更為準(zhǔn)確的測(cè)量開關(guān)頻率和其諧波下的功率，就需要用到稍微再高一些的頻率帶寬。實(shí)際上需要的頻率帶寬，是受各自損耗的頻率特性等所左右的。
實(shí)際測(cè)量SiC變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)的電壓電流波形和FFT結(jié)果如圖Fig.3所示。
Fig.3:SiC變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)的實(shí)際波形，F(xiàn)FT結(jié)果
測(cè)量對(duì)象的詳細(xì)參數(shù)顯示在Table 1中。因電壓是PWM波形，去看FFT的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在著超過1MHz的頻率成分。一般的功率分析儀，是沒有能夠準(zhǔn)確測(cè)量電壓波形的測(cè)量帶寬的。看電流的話，其頻率成分只到200kHz左右。使用功率分析儀PW6001測(cè)量。
Table 1：所測(cè)量的SiC變頻器和電機(jī)的配置。
另外，看波形的話也是近似正弦波的。就像前文中所述的，電機(jī)中因?yàn)楹须姼谐煞郑哳l的電流不是那么容易流通的。
綜上所述，要準(zhǔn)確的測(cè)量變頻器的輸出功率，就需要用到特性良好的功率分析儀。其能力，最少也要在開關(guān)頻率的5倍~7倍下才能夠準(zhǔn)確的測(cè)量電壓?電流?相位差。而SiC變頻器的開關(guān)頻率正向著高頻化的方向發(fā)展，所需要的帶寬也就變得更高了。
通常測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流時(shí)，大多都會(huì)用到電流傳感器。這里有一個(gè)問題就是電流傳感器的相位誤差。
所有的電流傳感器，都有隨著測(cè)量頻率的增高，相位誤差變大的傾向。這也是在測(cè)量高頻功率時(shí)，會(huì)成為誤差的一個(gè)主要因素。如圖Fig.2中所示，在高頻下電機(jī)的線圈的電感會(huì)成為支配性的存在。
所以，高頻下的開關(guān)頻率和其諧波的功率，就會(huì)成為低功率因數(shù)。用公式（1）去考慮的話，低功率因數(shù)（θ≈90°）下相位誤差對(duì)功率的測(cè)試值的影響就會(huì)變得非常大。那么在高頻下，如果不去補(bǔ)償電流傳感器的相位誤差的話，就無法高精度的去測(cè)量功率。而HIOKI所生產(chǎn)的功率分析儀PW6001，就如圖Fig.4中所示，帶有對(duì)電流傳感器的相位誤差的補(bǔ)償功能。通過這個(gè)相位補(bǔ)償?shù)墓δ埽湍芨鼮闇?zhǔn)確的測(cè)量變頻器的輸出功率了。
Fig.4:電流傳感器相位誤差的補(bǔ)償
馬達(dá)功率的測(cè)量
為了測(cè)量電機(jī)，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率，損耗，馬達(dá)的功率也是需要去測(cè)量的。馬達(dá)功率Pm【W(wǎng)】是用公式（2）去計(jì)算的，所以需要分別測(cè)量扭矩T（N?m）和轉(zhuǎn)速n【rpm】。
轉(zhuǎn)速n【rpm】是由轉(zhuǎn)速計(jì)或脈沖編碼器去測(cè)量的，而扭矩T【N?m】是用扭力表測(cè)量的。要測(cè)量效率，損耗，就需要把功率和馬達(dá)功率同時(shí)測(cè)量。所以，使用的功率分析儀還需要能夠接受轉(zhuǎn)速計(jì)和扭力表的信號(hào)輸入。
搭載SiC功率半導(dǎo)體變頻器的效率測(cè)量示例
測(cè)量由SiC變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)的變頻器效率的測(cè)量結(jié)果如圖Fig.5所示。
Fig.5：變化功率分析儀PW6001的LPF截止頻率時(shí)SiC變頻器效率的測(cè)量結(jié)果
圖中使用的是HIOKI生產(chǎn)的功率分析儀PW6001和電流輸入盒PW9100，把PW6001的LPF的截止頻率從1kHz~2MHz變化后得到的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量對(duì)象和Table1是一樣的。截止頻率在10kHz~50kHz的效率測(cè)量值有一個(gè)很大的變化。這個(gè)變化，就能區(qū)分是否有準(zhǔn)確的測(cè)量到開關(guān)頻率和其高次諧波成分下的功率了。也就是說，10kHz以下的時(shí)候，測(cè)量的效率值是與馬達(dá)轉(zhuǎn)速同步的基波成分和其諧波成分的功率。而50kHz以上時(shí)，效率值就是要測(cè)量開關(guān)頻率和其高次諧波成分的功率了。在50kHz以上時(shí)，伴隨著截止頻率的高頻化，效率的測(cè)量值也會(huì)變高。這是因?yàn)橄鄬?duì)開關(guān)頻率的高次諧波成分，能夠更高次的測(cè)量到諧波成分的原因。
綜上所述，使用HIOKI PW6001功率分析儀，就能以2MHz的帶寬，高精度，高穩(wěn)定的去準(zhǔn)確測(cè)量到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，損耗了。這是因?yàn)椋軌蛟跍?zhǔn)確測(cè)量到開關(guān)頻率和其諧波成分的功率的基礎(chǔ)上，進(jìn)行效率，損耗的測(cè)量。
同相電壓的影響
如圖Fig.6中所示的是測(cè)量3相3線接線的變頻器輸出功率時(shí)的電壓接線圖。
Fig.6：測(cè)量變頻器輸出功率時(shí)的接線（3P3W3M）
在測(cè)量電壓時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量的是線間的電壓，所以在功率分析儀的各通道中會(huì)被施加上較大的同相電壓。另外，這個(gè)同相電壓是含有開關(guān)頻率和其諧波成分的。
所以，就需要用到在高頻下的共模抑制比（CMRR）高的功率分析儀去進(jìn)行測(cè)量。在CMRR為80dB時(shí)，對(duì)顯示值的影響為同相電壓的0.01%。也就是說，被輸入100V的同相電壓時(shí)，對(duì)顯示值的影響就有0.01V。
如圖Fig.7中所示的，就是測(cè)量SiC變頻器線間電壓和同相電壓的結(jié)果。
Fig.7：變頻器輸出電壓的共模電壓
看FFT的結(jié)果就會(huì)發(fā)現(xiàn)，和Fig.3是一樣的。從這個(gè)結(jié)果中可以知道，同相電壓中也含有開關(guān)頻率和諧波成分。所以，隨著開關(guān)頻率的高頻化，可以說同相電壓也在趨于高頻化的發(fā)展。采用SiC功率半導(dǎo)體的變頻器的開關(guān)頻率，正向著高頻化方向發(fā)展。所以，在高頻下，需要用到CMRR較高的功率分析儀。
電流傳感器的抗干擾措施
在測(cè)量額定功率較大的電機(jī)或變頻器時(shí)，就需要測(cè)量到數(shù)百A的大電流了。對(duì)于大電流的測(cè)量一般是用電流傳感器的。而從變頻器中會(huì)發(fā)生較大的干擾，為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量功率，在電流傳感器本身和電流傳感器輸出信號(hào)的途徑上，都需要做好防干擾的措施。HIOKI針對(duì)以上情況，提供著各種功率分析儀用的抗干擾高精度電流傳感器。只要把功率分析儀和電流傳感器用自帶的專用連接器連接，就能做到高抗干擾的功率測(cè)量了。
功率分析儀的頻率帶寬和采樣頻率
一般的功率分析儀的采樣頻率和模擬帶寬的關(guān)系，如圖Fig.8中所示。大多功率分析儀測(cè)量時(shí)輸入到電路中的模擬帶寬，要比采樣頻率fs的頻率的一半fs/2還要高。
Fig.8：功率分析儀的頻率帶寬和采樣頻率的關(guān)系
此時(shí)，存在在比fs/2更高頻率中的電壓?電流成分，就會(huì)返回作為干擾出現(xiàn)在低頻領(lǐng)域之中。這種現(xiàn)象我們一般稱他為混疊。像PWM波形這種在高帶寬上含有頻率成分的測(cè)量對(duì)象，會(huì)無法區(qū)分是返回的噪音，還是實(shí)際的信號(hào)。這也是測(cè)量功率時(shí)造成測(cè)量精度差，或者重現(xiàn)性低的一個(gè)重要因素。另外，在做諧波分析的時(shí)候，返回的噪音和實(shí)際的諧波是無法區(qū)別的。為此，會(huì)檢測(cè)出假的諧波成分等等，無法正確的分析。就像圖Fig.3中所示，變頻器的輸出電壓中會(huì)存在超過1MHz的成分。而一般功率分析儀的的采樣頻率在100kHz~5MHz左右。所以，就是說會(huì)有超過fs/2頻率的電壓成分存在。此時(shí)，模擬帶寬和采樣頻率就像Fig.8中的關(guān)系的話，會(huì)無法正確測(cè)量。為了正確測(cè)量，需要把模擬帶寬限制在fs/2以下。也就是說，實(shí)際上可以使用的帶寬，只有采樣頻率的一半以下。
綜上所述，為了對(duì)變頻器的輸出功率進(jìn)行測(cè)量，分析，就需要使用根據(jù)上述采樣原理去設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器。而HIOKI的功率分析儀，就是按照這個(gè)采樣原理去設(shè)計(jì)的。比如功率分析儀PW6001，針對(duì)模擬帶寬2MHz/-3dB，采樣頻率就有5MHz。可以同時(shí)進(jìn)行高帶寬的功率測(cè)量和正確的高次諧波分析以及FFT分析。
總結(jié)
在本稿中，我們一邊參考實(shí)測(cè)案例，一邊對(duì)變頻器，電機(jī)的效率，損耗測(cè)量中所需要關(guān)注的測(cè)量要點(diǎn)，測(cè)量?jī)x器需要具備的要素進(jìn)行了介紹。特別是對(duì)近幾年開始使用的SiC變頻器相關(guān)的測(cè)量要點(diǎn)，以及和以往測(cè)量變頻器時(shí)的不同之處，注意點(diǎn)進(jìn)行了介紹。通過實(shí)測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)在排除了各種會(huì)產(chǎn)生誤差的因素之后，才能夠高精度，高穩(wěn)定的測(cè)量到數(shù)據(jù)。如果您在對(duì)SiC變頻器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率，效率，損耗做測(cè)量時(shí)，看了本文能給您提供一些參考，我們會(huì)非常榮幸！
