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1.概述 自電機工程誕生以來，三相交流馬達一直是工業領域的主力。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（如感應馬達和磁阻馬達）無需與轉子的電氣連接，因此很容易實現阻燃，用于危險環境（如礦山）。 為了提供適當的交流馬達速度控制，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磁場，使得轉子按照所需的速度旋轉，且滑動很小，如圖1 所示。這個交流馬達驅動器可以高效提供從零速到全速的全轉矩，如果需要的話，還可以超速，而且通過改變相位旋轉，可以很容易使馬達雙向運轉。具有這些特點的驅動器稱作脈寬調制馬達驅動器。 
交流馬達驅動系統示意圖 脈寬調制驅動器可以生成復雜波形，如在到馬達的輸出上，以及到驅動器的電源上。本博文將分兩部分，探討馬達驅動器的電氣測量話題。 2. 對脈寬調制馬達驅動器的測量 表1 給出了脈寬調制馬達驅動器的典型測量。
表1. 常見的脈寬調制馬達驅動器測量 3. 馬達輸出測量 圖1 說明，通過在馬達輸出軸安裝轉速和轉矩傳感器，可以對馬達輸出進行測量。
圖1. 馬達輸出測量 3.1 轉矩和轉速傳感器 轉矩和轉速傳感器生成的電信號與轉矩和轉速成正比。通過測量這些信號，可以確定馬達的轉速和轉矩，從這些測量結果中可以計算馬達輸出功率。 3.2 轉矩 馬達轉矩是在其輸出軸上形成的旋轉力，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，其轉矩額定值低于1 Nm；對于大型馬達而言，其轉矩額定值達到幾千Nm。 通過旋轉應變計以及利用固定接近、磁致伸縮和磁彈性傳感器，可以測量轉矩。這些傳感器都是溫度敏感型的。旋轉傳感器必須安裝在轉軸上，由于空間受限，這并非總能行得通。 為測量轉矩，應變計往往直接安裝在轉軸上。由于轉軸旋轉，轉矩傳感器必須通過滑環、無線通信或電感耦合與外邊世界耦合。 3.3 轉速 馬達轉速通常以每分鐘轉速(RPM) 來描述，即它在1分鐘內沿固定軸旋轉的完整圈數。 轉速傳感器輸出可能是一個與轉速成正比的模擬電壓。更普遍的是，轉速傳感器輸出是一個由馬達轉軸上圓盤生成的TTL 脈沖。通過測量TTL 信號頻率，并應用比例因數，可以確定馬達轉速。 例如，如果轉盤每轉一圈生成n 個脈沖，那么每分鐘轉速(RPM) 可以計算為：
3.4 實現轉矩和轉速測量與電氣測量相結合 為了確定馬達和驅動器組合的效率，必須考慮系統的電氣輸入以及在馬達輸出端生成的機械功率。馬達輸出功率是轉矩和轉速的乘積： 馬達輸出功率(W)= 轉矩(Nm)× 轉速( 弧度/ 秒) = 轉矩(Nm)× 轉速(RPM)× 注意：1ft-lb=1.3558Nm( 牛頓米) 1HP=745.7W 通過以下公式，可以計算系統效率：
為了進行這些測量，PA4000 包括傳感器輸入端，用于連接轉矩和轉速傳感器。通過測量驅動器輸入端消耗的電力、以及馬達輸出端的轉矩和轉速，使用一臺儀器就可以測量出系統效率。 4. 驅動器輸出測量 脈寬調制驅動器的輸出波形非常復雜，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；如果濾除脈寬調制波形在低頻測量，那么高頻數據將丟失。這個難題的出現是因為在低頻對波形進行調制。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倍。 泰克PA4000 功率分析儀利用脈寬調制輸出測量的特殊工作模式克服了這個難題。它對數據進行高速采樣，并實時計算總體數量，包括所有諧波和載波分量。與此同時，對采樣數據進行數字化濾波，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 除了從同一測量中獲得低頻和高頻結構外，該技術允許高頻測量與低頻信號同步，這是提供精確和穩定的高頻測量結果的唯一方法。
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. 脈寬調制馬達驅動器系統內不同頻率范圍應用的濾波器 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過濾的數據進行的。不過，為了優化低頻測量結果，您應當為應用選擇正確的濾波器。 5.使用PA4000 示波器測量驅動器輸出 該儀器通過三相三線配置連接至輸出。( 又稱作兩表法。關于兩表法的更多信息，請參見應用指南：三相測量原理。) 對于輸出電流高達30A 的脈寬調制驅動器，PA4000 可以通過其內部電流分流器，直接與驅動器輸出相連，如圖4 所示。
圖4. PA4000A\ 輸出測量 對于輸出電流超過30 A 的脈寬調制驅動器，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，實現與PA4000 的快速連接，并利用儀器的15 V 直流電源。當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 V 的分流輸出。對于電流傳感器和外部分流器，重要的是，記住正確設置縮放比例。 特別是對于低電流驅動器， 如果可能， 應當將PA4000 直接與脈寬調制輸出端相連。這是因為，盡管交流電流變壓器和霍爾效應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，其結果精度往往較差。 盡管在脈寬調制驅動器輸出端出現極高的共模電壓，為了從電流分流器得到優異的結果，PA4000 輸入電路已經優化。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百伏，每微秒高達數千伏。 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，如測量脈寬調制驅動器內的直流總線，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動器輸出功率。如果PA4000 測量頻率有困難，應確保已經指定正確的濾波器頻率范圍。 注意，Vrms、Arms 和功率數字是通過預過濾值測得的，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。這代表脈寬調制驅動器提供的電力，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 當進行脈寬調制驅動器比較時，這是非常有意義的測量。 6. 驅動器直流總線測量 雖然脈寬調制驅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。
圖5. 設置直流總線測量 表3. 直流總線關鍵測量參數 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，應當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] 選擇脈寬調制馬達驅動器輸入或輸出模式，并啟動獨立的CH3。 7. 驅動器輸入測量 從本質上講，大多數脈寬調制馬達驅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. 脈寬調制驅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. 脈寬調制驅動器輸入端電壓和電流波形 如果驅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. 未經調制的輸入電流波形 遺憾的是，脈寬調制驅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雜的、失真的電流波形，它由驅動器頻率進行調制。圖9 給出其波形。調制可能嚴重影響測量，特別是在低驅動速率，不過，利用擴展的測量區間（為驅動器輸出波形周期整數倍），可以解決這個問題。
圖9. 在輸出頻率處進行調制的輸入電流波形 PA4000 支持脈寬調制驅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，但通過調節顯示屏更新速率及均值設置，可以擴展測量區間。
表4. 選擇顯示屏更新時間和均值，把驅動器輸出頻率對驅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 的默認設置通常將給出穩定結果。默認設置是： 顯示屏更新速率：0.5 s 平均：10 當輸出頻率在5 Hz ～ 20 Hz 之間時，將均值設置為10，以改進穩定度；對顯示屏更新時間進行設置，使之包括測得的脈寬調制輸出周期(1/f) 的整數倍。根據經驗法則，應提供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，對單相驅動器進行測量時，如果讀數太大，可以將均值設置為10 以上，以幫助使測量穩定。 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，關于利用n-1 臺功率表可以測量通過n 條線路向系統提供電源的證明，請參見應用指南：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，以測量驅動器輸出或驅動器內的直流總線。 （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，要想對其損耗和效率進行測量，最好對系統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( 如脈寬調制驅動器) 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，而且在測量之間關閉系統來切換儀器，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，那么都會導致測得損耗的誤差。 例如:設置Number 1 — 測量輸入。
關閉系統，重新連接輸出測量，并再次開啟系統：設置Number 2 — 測量輸出( 但條件稍微變化)。
表現損耗 = 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，它能夠對驅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PA4000 與驅動器輸入、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。進行電流連接主要有兩種方式。第一種是方式“分割”導 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體與電流測量設備相連。測量設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體傳遞。測量設備創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。在脈寬調制驅動器中，快速開關電壓(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. 閉環霍爾效應 3. IT 型閉環 4. 電流互感器 為了在馬達驅動器的典型信號帶寬中實現最佳性能，應使用閉環傳感器。在驅動器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅動器輸出中效果則不好。這是因為電流互感器在低頻（低驅動速度）性能不佳，而且將限制測量與開關有關高頻頻率的能力。 當選擇傳感器時，重要的是考慮正在測量的信號和測量設備。選擇與需要測量的最大信號（包括峰值）相對應的最大輸入范圍傳感器。這將充分發揮傳感器范圍的效用。 您還希望對測量設備而言，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，測量結果越好。 使用電流傳感器對于閉環霍爾效應電流傳感器，應當謹慎進行連接。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。 傳感器應當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。該輸出應當直接與測量設備電流輸入的高端連接。測量設備電流輸入的低端應當連接至與傳感器電源相同的回路。而且，所有引線應當盡可能短。輸出應當靠近電源連接。從理想角度看， 3 條線應當絞合在一起。 在脈寬調制驅動器環境中，在需要情況下，接地和屏蔽是一個好習慣。 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，使初級導體通過傳感器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 的設計目的是與外部傳感器一起使用。 其設計特性包括： 1. 可選擇+/-15V 電源，與許多常用的閉環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： 1. 分流器選擇。這是在每組基礎上設置的。 2. 電流輸入比例因子。這是在每通道基礎上設置的。比例因子是:
如果您正在使用閉環電流傳感器，那么需要向傳感器提供電源。PA4000 內置的可選擇±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。 由于閉環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 個連接器應當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當與PA4000 后面板的接地端相連。 10. 動態負載條件下的驅動器性能 脈寬調制驅動器的功耗和輸出特性隨著馬達負載變化。雖然您的測試協議可能調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生大量數據，不過，有了適當的軟件和相配的分析儀，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據。 在這些應用中，功率分析儀就像一個精密測量系統，快速向計算機反饋數據，并存儲數據，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據，PA4000 利用單相線路輸入和三相驅動器輸出與脈寬調制驅動器相連。除了收集數據，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軟件顯示出脈寬調制馬達驅動器的多個功率參數。
圖15. 記錄隨時間變化的測量數據，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據。 11. 結束語 目前，脈寬調制馬達驅動器正成為變速馬達控制的主要方法，不僅用于工業領域，而且用于電動汽車和家用空調機等諸多領域。脈寬調制驅動器產生復雜波形，無論 是其輸出至馬達，還是為驅動器提供電源。泰克PA4000 功率分析儀利用業界首創的螺旋分流(SpiralShuntTM) 技術以及動態頻率同步技術解決這個問題，實現對驅動器基頻的穩定跟蹤。 這項技術加上脈寬調制輸出的特殊運行模式，可提供持續的精確測量。該技術對數據進行高速采樣，對其總體數量( 包括所有諧波和載波分量) 進行實時計算。與此同時，它對采樣數據進行數字化濾波，提供低頻測量，如基頻測量和輸出頻率測量，使得PA4000 成為脈寬調制驅動器測量的理想解決方案。 |
