1 概述

　　三相交流電機工作可靠、高效、費效比高，需要少量維修或根本不需要維修，一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。此外，交流電機(如感應(yīng)電機和磁阻電機)無需與轉(zhuǎn)子的電氣連接，因此很容易實現(xiàn)阻燃，適用于礦山等危險環(huán)境等應(yīng)用場合。

　　采用脈寬調(diào)制(PWM)的三相電機驅(qū)動電路工作原理框圖如圖1所示，為電機提供三相供電電源，電壓和頻率可以變化。PWM交流電機驅(qū)動器可以高效提供從零速到全速的全轉(zhuǎn)矩，并且通過改變驅(qū)動電源的供電相位相序，可以很容易實現(xiàn)電機雙向運轉(zhuǎn)。

　　2 脈寬調(diào)制電機驅(qū)動器原理

　　三相交流輸入供電電源經(jīng)過整流和濾波后，產(chǎn)生直流總線，為驅(qū)動器的逆變器部分提供電源。逆變器由3 對半導(dǎo)體開關(guān)(MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT 等)及相關(guān)二極管組成。每對開關(guān)為電機的一個相位提供功率輸出。

　　為了驅(qū)動電機，控制電路生成三個相位互差120°的低頻正弦波，分別對每對開關(guān)的載波脈沖進(jìn)行調(diào)制。在每個載波周期內(nèi)，正脈沖和負(fù)脈沖的寬度是按照該相位低頻正弦波的幅度進(jìn)行調(diào)制的，如圖2所示。

　　雖然向電機繞組施加的脈寬調(diào)制電壓波形包含所需頻率的分量，但其中也包含許多頻率更高的其他分量。

　　但是，電機在很大程度上可以看作逆變器輸出電壓的電感負(fù)載。由于電感對較高頻率具有更高的阻抗，因此電機吸收的大部分電流在脈寬調(diào)制輸出波形中是如圖3所示的較低頻率分量。結(jié)果是，電機吸收的電流近似為正弦波。

　　由于電機負(fù)載生成的反電動勢在基頻是正弦電壓，因此它在諧波和更高頻率不提供反向電流。由于這個原因，同電機是純電感情況下的基波電流相比，這些電流幅值更高。

　　重要的是，載波電流設(shè)計要在繞組中盡可能生成正弦波電流。特別是，必須最大限度地減少生成的低階諧波電壓電平，因為電機對這些電壓的阻抗非常低。實用中，驅(qū)動器將在電機中生成：

　　a) 基頻處“有用”的電流分量。

　　b) 在基頻數(shù)倍頻率處“無用的”電流分量(諧波)，以及在載頻相關(guān)頻率處的電流分量。

　　在電機電流中“無用”電流分量對電機的影響有兩個，它們是：

　　1. 非基波電流分量代表電機定子和轉(zhuǎn)子繞組中的額外電流，將產(chǎn)生熱量，降低電機工作效率。

　　2. “無用的”電流分量將在定子中生成磁場，可能包含負(fù)相或零相序列，形成負(fù)轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩。這可能大幅降低電機可用功率數(shù)量。

　　通過測量逆變器中基波輸出功率和總輸出功率、對電壓和電流波形進(jìn)行諧波分析以及對電機轉(zhuǎn)矩/ 速度進(jìn)行測量，可以分析電機運行期間無用電流分量的影響。

　　提供給電機的唯一有用功率是在基頻驅(qū)動電壓和電流。與諧波或載波頻率有關(guān)的任何功率都不會有助于電機的有用功。最高效的脈寬調(diào)制驅(qū)動器不僅使逆變器損耗最小化，而且生成最純的正弦電流驅(qū)動波形，把電機本身的功率和轉(zhuǎn)矩?fù)p耗降到最低。

　　3 對脈寬調(diào)制電機驅(qū)動器的測量

　　通過在電機輸出軸安裝轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器，可以對電機輸出進(jìn)行測量，采用泰克PA4000功率分析測試儀的測量工作原理框圖如圖4所示。

　　(1)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。

　　這個問題的出現(xiàn)是因為低頻對波形進(jìn)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(jìn)行，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(jìn)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。同時，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化濾波，提供低頻測量。

　　除了從同一測量中獲得低頻和高頻信號結(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。但是，為了優(yōu)化低頻測量結(jié)果，應(yīng)當(dāng)選用正確的濾波器。

　　(2)測量電路連接

　　對電機驅(qū)動器進(jìn)行電壓測量電路連接通常比較簡單，進(jìn)行電機工作電流測量的測試電路連接則更具挑戰(zhàn)性。進(jìn)行電流測量連接主要有兩種方式。第一種方式是“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。雖然這種方式在低功率情況下可行，但當(dāng)電流較高時行不通。

　　對大電流測量，可以使用電流傳感器，使用電流傳感器的原因主要以下有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電機和驅(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。

　　大的共模電壓會給電流測量結(jié)果帶來不確定性。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測試結(jié)果不確定性。

　　3)為了便利和安全。在電機系統(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，可能會造成大量能量流動。

　　4 選擇正確的電流傳感器

　　電流傳感器有許多種，在電機測量中使用的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。

　　為了在電機驅(qū)動器的典型信號帶寬內(nèi)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。

　　在選擇傳感器時，重要的是考慮所需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。

　　在不引起過沖的前提下，希望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。

　　5 使用電流傳感器

　　對閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎進(jìn)行連接，需為傳感器提供電源。電源通常包括正電源和負(fù)電源，而且必須提供足夠電流，這個電流通常為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。從理想角度而言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，接地和屏蔽有利于提高測試精度。

　　屏蔽電纜將改進(jìn)測試效果。屏蔽接地，并與傳感器電源公共端相連。并且，在相應(yīng)的地方，它將與傳感器接地相連。屏蔽可以保護電源連接與信號。

　　為獲得精確的測量結(jié)果，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。

　　6 結(jié)束語

　　目前，脈寬調(diào)制電機驅(qū)動器廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，而且也在電動汽車和家用空調(diào)機等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。泰克PA4000功率分析儀利用業(yè)界首創(chuàng)的螺旋分流(Spiral ShuntTM) 技術(shù)以及動態(tài)頻率同步技術(shù)可以實現(xiàn)可靠測量電機驅(qū)動有關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)對驅(qū)動器基頻的穩(wěn)定跟蹤。該技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，對其總體測試參數(shù)( 包括所有諧波和載波分量) 進(jìn)行實時計算。同時，它對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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PA4000 成為脈寬調(diào)制驅(qū)動器測量的理想解決方案。