使用示波器及探头对三相电机驱动器进行测量

　　本篇介绍了使用示波器探头对三相电机驱动器进行测量。包括以下几个方面。

　　基本变频驱动结构

　　脉宽调制 (PWM) 基础知识

　　如何选择和设置示波器探头

　　选择正确的接线配置

　　大多数现代电机驱动系统使用某种形式的调制来控制频率，从而控制电机的速度。在大多数情况下，这些变频驱动器 (VFD) 通过输出精心控制的脉宽调制 (PWM) 波形来实现这一点。这些系统通常以三相输出功率，因为这是电动机的最佳配置。

　　自电气工程早期以来，三相交流感应电机 (ACIM) 一直是工业的主力。它们可靠、高效、经济且几乎不需要维护。然而，有许多不同类型的电机和驱动器。交流感应电机 (ACIM) 的效率低于无刷直流电机 (BLDC) 和永磁同步电机 (PMSM)。

　　同步 BLDC 和 PMSM 比交流感应电机更高效、更轻，但需要更先进的控制算法。

　　尽管每种类型的系统都有独特的特性，但电机驱动器都使用脉宽调制技术来改变传递给电机的频率和电压。

　　图 1. 电机驱动器调节电机的输入以实现速度和扭矩的控制。

　　进行电机驱动测量的挑战

　　由于电机驱动器输出上的脉宽调制，对这些信号进行稳定测量具有挑战性。手动确定滤波器和触发器的正确组合以实现稳定的波形非常困难，但这是实现一致测量的先决条件。

　　除了测量驱动器的输出之外，评估驱动器输入级性能(例如谐波、功率和功率因数)的测量也很重要。虽然可以将原始波形导出到电子表格或其他分析软件中，但该过程非常耗时，并且在设计计算时需要小心。

　　这些测量涉及与被测设备的许多连接。电机驱动系统的不正确探测和连接完整性不良是电机驱动测量中常见的错误来源。

　　机械测量也很关键，可以使用传感器进行。然而，如果没有定制处理和缩放，可能很难或不可能以工程单位测量速度、加速度或扭矩。

　　由于这些原因，要使用示波器全面了解电机驱动系统，需要仔细的设置、稳定的波形和强大的测量算法。

　　PWM电机驱动原理

　　脉宽调制形式用于驱动多种类型的电机，包括有刷直流电机、交流感应电机、无刷直流电机和永磁同步电机。 PWM 允许驱动器改变传送到电机的频率和电压。

　　尽管 PWM 驱动器的原理已为人们所了解多年，但功率半导体、控制电子器件和微处理器的进步和成本降低极大地刺激了此类驱动器的使用。矢量控制方法进一步加速了这一过程，使设计人员能够实现直流电机的效率和可控性以及交流电机的可靠性。 BLDC 和 PMSM 正在广泛的应用中取代有刷直流电机和交流感应电机，不仅包括工业应用，还包括电动工具、家用电器和电动汽车。

　　图 2显示了三相变频驱动器基本元件的框图。

　　图 2. 三相电机驱动器，分为功能块。

　　PWM 驱动器可由直流、单相交流或三相交流供电。图 2显示了由三相电源供电的 VFD，这在工业设备中很常见。三相电源经过整流和滤波后产生直流母线，为驱动器的逆变器部分供电。逆变器由三对半导体开关(MOSFET、GTO、功率晶体管、IGBT 等)以及相关二极管组成。每对开关为电机的一相提供功率输出。这种基本架构可以适应多种类型的电机，但控制电子设备在反馈和复杂性方面差异很大。这里简单介绍一下用于驱动电机的几种常见的 PWM 形式。

　　6 步/梯形驱动

　　这种类型的驱动器与 BLDC 电机一起使用。 BLDC 电机高效且体积小。它们具有直流电机的优点，但没有会磨损的电刷。它们可以通过相对简单的 6 步或梯形 PWM 策略进行电子换向。一组典型的 PWM 波形如下所示。

　　图 3. 霍尔传感器向简单的 6 步控制器提供反馈。驱动输出 U、V 和 W 施加到电机的定子。

　　标量驱动器

　　用于驱动交流感应电机的简单 VFD 通过改变驱动电机的 PWM 波形的基频来控制速度。为了保持全扭矩，驱动器中的控制系统保持电压与 PWM 波形基频之间的比率。这些称为标量驱动器。

　　控制电子器件生成三个相隔 120° 的低频正弦波，调制每对开关的脉冲宽度。

　　图 4：A 相和 B 相之间脉宽调制波形的平均相间电压为正弦曲线。

　　提供给电机绕组的平均电压近似为正弦波。电机绕组的其他两相具有相似的平均电压，间隔 120°。

　　图 5.随时间绘制的三相电压信号。

　　在很大程度上，电机对于逆变器的输出电压来说就像一个电感器。由于电感器对较高频率具有较高阻抗，因此电机消耗的大部分电流是由于 PWM 波形输出中的较低频率分量造成的。这导致电机消耗的电流形状近似为正弦波。

　　图 6. 由于电机是感性负载，并且能够抵抗快速电流变化，因此电机消耗的电流近似为正弦波。

　　通过控制调制波形的幅度和频率，以及控制V/Hz比，PWM驱动器可以提供三相电源，以所需的速度驱动电机。

　　矢量驱动/磁场定向控制

　　更先进的交流感应电机和同步电机驱动器采用矢量驱动技术。这些驱动器比标量驱动器更灵活、更高效，但也更复杂。

　　矢量驱动器与标量驱动器有相似之处，即它们通过正弦电流驱动电机，但矢量驱动器提供更平稳的操作、更快的加速和卓越的扭矩控制。这些控制系统通常使用磁场定向控制 (FOC)，并且比标量驱动器复杂得多。

　　矢量 D 和 Q 是正交矢量，其大小与电机内的扭矩和磁通量有关。

　　图 7. 矢量或磁场定向控制使用复杂的 PWM 波形。

　　控制系统必须测量转子的位置以便使系统同步。这通常通过使用霍尔传感器或正交编码器接口 (QEI) 等传感器来完成。 (也使用无传感器系统，其中控制系统使用电机的反电动势来确定转子位置。)控制器使用 Clarke 和 Park 变换来计算 D 和 Q 的幅度，然后使用这些值作为设定值控制回路。

　　图 8.矢量控制系统框图。

　　连接 VFD 系统

　　示波器探头选择

　　对变频驱动系统进行功率测量需要电压和电流探头。选择用于电机驱动测量的示波器电压探头时，重要的是要考虑：

　　电机驱动测量涉及相对较高的电压。例如，480 Vac 三相电机驱动器中的直流总线电压通常约为 680 Vdc。确认探头尖端以及用于连接探头的附件的额定电压。

　　共模电压也可能相对较高。也就是说，测量结果通常相对于地面“浮动”，因此可以不使用接地参考探头。重要的是要确保信号浮动不超过探头的共模电压额定值。

　　大多数感兴趣的频率都低于 200 MHz，因此具有此带宽的探头对于大多数日常测量来说应该足够了。

　　探头应涵盖广泛的测量任务。

　　由于这些原因，通常建议使用高压差分探头作为电力电子逆变器子系统、驱动输入/输出和控制系统测量的通用电压探头。

　　图 9. 泰克差分探头(例如 THDP0200)和泰克交流/直流电流探头(例如 TCP0030A)为许多 VFD 测量情况提供了良好的覆盖范围。

　　注意：不得使用以地为参考的无源探头来测量相电压。中性端子可能不处于地电位，导致大量电流流过探头和示波器接地。这是危险的，可能会导致 DUT 或示波器受到电击或损坏。

　　图 10. IsoVu 光隔离电压探头提供极高的共模抑制比，最大电压为 2500 V，带宽高达 1 GHz。

　　推荐用于电机驱动应用的一些探头包括：

　　示波器探头设置

　　在进行任何功率测量之前，必须采取一些重要步骤。电流探头必须消磁，并且所有探头都应去偏斜以获得准确的结果。

　　在进行测量之前，对电流探头执行消磁程序非常重要，以消除探头磁芯中的任何残余磁化强度。残余磁化强度会导致测量结果不正确。该过程通常是通过从电流探头的钳口移除所有导体并按下按钮启动该过程来执行的。泰克电流探头(例如 TCP0030A)会在使用前自动提示您执行消磁程序。

　　相差校正过程可纠正任意两个不同示波器通道(包括探头和探头布线)之间的各种传播延迟。这很重要，因为相位关系对于 VFD 系统上的许多测量至关重要。基本过程是为通道提供同步信号并调整每个通道的延迟以使其对齐。泰克提供功率测量相差校正夹具 (P/N 067-1686-xx) 来帮助解决此问题。

　　连接电流探头时，请务必注意探头上的箭头。当电流探头连接在负载的线路侧时，箭头应指向负载。如果电流探头连接在负载的返回侧，则箭头应指向远离负载的方向。

　　有关功率测量的探头选择和设置的更多信息，请参阅使用示波器对电源进行精确电压测量的探测技术和使用示波器对电源进行精确电流测量。

　　接线配置

　　通常，VFD 的输入和输出都使用三相。然而，一些用于商业、住宅或汽车驱动系统的 VFD 可能由单相交流或直流供电。此外，三相系统可以采用两种配置进行接线和建模：星形(或星形)和三角形。接线配置决定了功率分析中使用的计算，因此了解并选择正确的接线配置以获得预期结果非常重要。这些配置适用于电机驱动器的输入和输出。图 11显示了选定泰克示波器上 IMDA 解决方案支持的接线配置。

　　图 11. 通过下拉列表在 IMDA 软件中选择输入接线。

　　单相连接

　　1相2线(1V1I)

　　需要两个通道：一个用于电压，一个用于电流，如图12所示，测量电压。测量总功率，P = V*I。单相交流和直流电源使用相同的设置。

　　图 12. 单相两线交流测量。直流源使用相同的设置。

　　1相3线(2V2I)

　　1 相 3 线配置在电机驱动应用中很少见，但在北美住宅应用中很常见，其中有一个 240 V 和两个 120 V 电源可用，并且每条腿上可能有不同的负载。测量此类源需要两个电压通道和两个电流通道。测得的总功率为 V*I(负载 1 + 负载 2)。

　　图 13. 单相三线接线在工业环境中很少见，但在消费和轻型商业环境中很常见。

　　三相连接

　　测量具有 2 个电压通道和 2 个电流通道的三相 3 线系统 (2V2I)

　　电机驱动器通常使用 3 线输出，只需使用示波器上的 2 个电压通道和 2 个电流通道即可精确测量。 (电机驱动输入更可能使用 4 线系统。)当三线将电源连接到负载时，至少需要两个瓦特表来测量总功率。需要两个电压通道和两个电流通道，如图14所示。电压通道逐相连接，其中一相作为参考。负载和电源可以采用三角形或星形配置进行接线，但它们之间不得有中性导体。在这种情况下，两个瓦特表就可以计算出输送到负载的总功率。 (请参阅侧边栏：“4 个示波器通道如何测量三相系统?”)

　　图 14. 三相、三线、2 瓦特计方法。

       图 14显示了接线，图 16显示了用于测量 2V2I 连接的 IMDA 源设置。选择线路控制建立用作电压参考的相位。在此示例中，测量 A 相和 B 相上的电流，并测量 A 相和 B 相相对于 C 相的电压。即，测量值是 V AC、V BC、IA和I B。在此示例中，总有功功率 (ΣTrPwr) 为：

　　瞬时功率，P1 = V AC * I A

　　瞬时功率，P2 = V BC * I B

　　ΣTrPwr = P1 + P2。

　　以上内容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科电子科技有限公司致力于打造仪器配附件一站式供应平台。主营范围：示波器测试附件配件的研发、生产、销售。涵盖产品包含电流探头、差分探头、高压探头、无源探头、柔性电流探头、近场探头、电流互感器、射频测试线缆、各类仪器测试附件等。更多信息，欢迎登陆官方网站进行咨询：http://www.prbtek.cn