使用示波器對三相電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行測量（上）

時間：2025-03-07 16:29:56

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[導(dǎo)讀]大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機(jī)頻率，從而控制電機(jī)速度。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動器（VFD）通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波形來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因?yàn)槿嗍请姍C(jī)的最佳配置。

大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機(jī)頻率，從而控制電機(jī)速度。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動器（VFD）通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波形來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因?yàn)槿嗍请姍C(jī)的最佳配置。

自電氣工程誕生以來，三相交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、成本低且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。但電機(jī)和驅(qū)動器有多種不同類型。交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）的效率低于無刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）。與交流感應(yīng)電機(jī)相比，同步無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)效率更高，重量也更輕，但需要更先進(jìn)的控制算法。盡管每種類型的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)有其獨(dú)特的特性，但電機(jī)驅(qū)動器都使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來改變輸送到電機(jī)的頻率和電壓。

圖1. 電機(jī)驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入來控制電機(jī)速度和扭矩

對電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行測量的挑戰(zhàn)

由于電機(jī)驅(qū)動器輸出采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，因此，要對這種信號進(jìn)行穩(wěn)定的測量具有挑戰(zhàn)性。要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波形，通過人工確定濾波器和觸發(fā)器的正確組合非常棘手，但對于實(shí)現(xiàn)一致測量卻是必要的。

除了測量驅(qū)動器的輸出之外，對驅(qū)動器的輸入級性能（例如諧波、功率和功率因數(shù)）進(jìn)行測量和評估也很重要。雖然可以將原始波形導(dǎo)出到電子表格或其他分析軟件中，但該過程非常耗時，并且設(shè)計算法時要特別注意。

進(jìn)行這些測量需要與被測設(shè)備建立許多連接。錯誤的探頭連接和連接點(diǎn)完整性差是導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動器測量誤差的常見原因。機(jī)械測量也很關(guān)鍵，可以使用傳感器進(jìn)行。然而，如果不進(jìn)行自定義處理和轉(zhuǎn)換，要想獲取以工程單位表示的速度、加速度或扭矩的測量值可能非常困難，甚至是不可能。由于這些原因，要想使用示波器對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行良好的測量，需要仔細(xì)的設(shè)置、穩(wěn)定的波形和強(qiáng)大的測量算法。

PWM電機(jī)驅(qū)動器的工作原理

多種類型的電機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）形式驅(qū)動，包括有刷直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。PWM使驅(qū)動器能夠改變輸送到電機(jī)的頻率和電壓。

盡管很多年前人們就已經(jīng)掌握PWM驅(qū)動器的工作原理，但卻是功率半導(dǎo)體、控制電子組件和微處理器的改進(jìn)和成本的降低才推動了此類驅(qū)動器的廣泛使用。矢量控制技術(shù)進(jìn)一步推動了這一趨勢。通過矢量控制，設(shè)計者能夠在交流電機(jī)的高可靠性基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的高效率和精確可控性。無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)正在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域取代有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)，這些領(lǐng)域不僅包括工業(yè)應(yīng)用，還包括電動工具、家用電器和電動汽車。圖2顯示了三相變頻驅(qū)動器基本元件的框圖。

圖2. 三相電機(jī)驅(qū)動器功能模塊圖

PWM驅(qū)動器可以由直流電、單相交流電或三相交流電供電。圖2顯示了一臺由三相電源供電的變頻驅(qū)動器，三相電源常用于工業(yè)設(shè)備。三相電源經(jīng)過整流和濾波產(chǎn)生直流母線，為驅(qū)動器的逆變器部分供電。逆變器由三對半導(dǎo)體開關(guān)（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT等）及其相關(guān)二極管組成。每對開關(guān)分別為電機(jī)的一相提供電源輸出。這種基本架構(gòu)可以適用于多種類型的電機(jī)，但控制電子組件在反饋和復(fù)雜性方面差異很大。這里簡單介紹幾種常見的用于驅(qū)動電機(jī)的PWM形式。

六步換相/梯形波控制驅(qū)動器

這種類型的驅(qū)動器與無刷直流電機(jī)結(jié)合使用。無刷直流電機(jī)效率高且體積小。它具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但沒有電刷，不易磨損。無刷直流電機(jī)可以通過相對簡單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來實(shí)現(xiàn)電子換向。下圖顯示了一組典型的PWM波形。

圖3. 霍爾傳感器向簡單的六步控制器提供反饋。驅(qū)動器U、V和W輸出信號應(yīng)用于電機(jī)定子

標(biāo)量控制驅(qū)動器

簡單的變頻驅(qū)動器驅(qū)動交流感應(yīng)電機(jī)，通過改變驅(qū)動電機(jī)的PWM波形的基頻來控制電機(jī)速度。為了保持全扭矩，驅(qū)動器中的控制系統(tǒng)會保持PWM波形的電壓/基頻比率。這類驅(qū)動器被稱為標(biāo)量控制驅(qū)動器。控制電子組件產(chǎn)生三個相位差為120°的低頻正弦波，用于調(diào)節(jié)每對開關(guān)的脈沖寬度。

圖4. A相和B相之間的脈沖寬度調(diào)制波形的平均線電壓是正弦波

電機(jī)繞組的平均電壓近似正弦波。電機(jī)繞組的另外兩相具有相似的平均電壓，相差120°。

圖5. 隨時間變化的三相電壓信號

從逆變器輸出電壓的角度來看，電機(jī)在很大程度上類似于一個電感器。由于電感器對較高頻率具有較高阻抗，因此電機(jī)所吸收的大部分電流來自于PWM波形輸出中的較低頻率分量。因此，電機(jī)所吸收的電流形狀近似正弦波。

圖6. 由于電機(jī)是感性負(fù)載，且能阻抗快速電流變化，因此電機(jī)所吸收的電流近似正弦波

通過控制調(diào)制波形的幅度和頻率，以及控制電壓和頻率比，PWM驅(qū)動器可以提供三相電源，以驅(qū)動電機(jī)達(dá)到所要求的速度。

矢量控制驅(qū)動器/磁場定向控制

交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的驅(qū)動器更先進(jìn)，采用矢量驅(qū)動技術(shù)。此類驅(qū)動器比標(biāo)量控制驅(qū)動器更靈活、更高效，但也更復(fù)雜。矢量控制驅(qū)動器與標(biāo)量控制驅(qū)動器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅(qū)動電機(jī)，但是矢量控制驅(qū)動器的運(yùn)行更平穩(wěn)，加速更快，扭矩控制也更好。此類控制系統(tǒng)通常使用磁場定向控制（FOC），并且比標(biāo)量控制驅(qū)動器復(fù)雜得多。矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機(jī)的扭矩和磁通量有關(guān)。

圖7. 矢量控制/磁場定向控制使用復(fù)雜的PWM波形

控制系統(tǒng)必須測量轉(zhuǎn)子的位置以使系統(tǒng)同步。這通常通過使用霍爾傳感器或正交編碼器接口（QEI）等傳感器來實(shí)現(xiàn)（還會使用無傳感器系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)使用電機(jī)的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置）?？刂破魇褂肅larke變換和Park變換來計算矢量D和矢量Q的幅值，然后使用這些值作為控制回路的設(shè)定點(diǎn)。

圖8. 矢量控制系統(tǒng)框圖

變頻驅(qū)動器系統(tǒng)的連接

對變頻驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行功率測量需要使用電壓和電流探頭。選擇示波器電壓探頭進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動器測量時，一定要考慮以下幾點(diǎn)：

● 電機(jī)驅(qū)動器測量涉及相對較高的電壓。例如，480V三相電機(jī)驅(qū)動器中的直流母線電壓通常約為680V。切記確認(rèn)探頭尖端的額定電壓以及用于連接探頭的配件的額定電壓。

● 共模電壓也可能相對較高。也就是說，測量結(jié)果通常相對于地面是“浮動”的，因此不能使用接地參考的探頭。務(wù)必確保信號浮動不超過探頭的共模電壓額定值。

● 大多數(shù)相關(guān)頻率低于200MHz，因此具有此帶寬的探頭足以滿足大多數(shù)日常測量需求。

● 探頭應(yīng)能用于廣泛的測量任務(wù)。

出于這些原因，通常建議使用高壓差分探頭作為功率電子逆變器子系統(tǒng)、驅(qū)動器輸入/輸出和控制系統(tǒng)測量的通用電壓探頭。接地參考無源探頭不應(yīng)用于測量相電壓。中性端子可能不在接地電位，從而導(dǎo)致大量電流流過探頭和示波器接地。這很危險，可能會導(dǎo)致被測設(shè)備或示波器受到?jīng)_擊或損壞。

使用示波器對三相電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行測量（上）

圖9. 泰克差分探頭（如THDP0200）和AC/DC電流探頭（如TCP0030A）為變頻驅(qū)動器測量提供良好的覆蓋范圍；IsoVu光學(xué)隔離電壓探頭提供極高的共模抑制比，能夠承受最大2500V的差分電壓，并且具有高達(dá)1GHz的帶寬

示波器探頭設(shè)置與接線配置

在進(jìn)行任何功率測量之前，必須完成一些重要步驟。電流探頭必須消磁，并且所有探頭都應(yīng)校正，以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

在進(jìn)行測量之前對電流探頭執(zhí)行消磁程序，消除探頭磁芯中的任何剩磁，這一步非常重要。剩磁會導(dǎo)致測量誤差。消磁程序通常是通過移除電流探頭鉗口的所有導(dǎo)體，然后按下消磁按鈕啟動的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會在您使用前自動提示執(zhí)行消磁程序。

校正過程可以校正任意兩個不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之間的各種傳輸延遲。這一步很重要，因?yàn)橄辔魂P(guān)系對于變頻驅(qū)動器系統(tǒng)上的許多測量至關(guān)重要?；静襟E是向通道提供同步信號，并調(diào)整每個通道的延遲，使各通道的信號對齊。泰克公司提供功率測量校正夾具（P/N 067-1686-xx）來幫助解決此問題。連接電流探頭時，務(wù)必注意探頭上的箭頭標(biāo)記。如果電流探頭連接在負(fù)載的線路側(cè)，箭頭應(yīng)指向負(fù)載。如果電流探頭連接在負(fù)載的返回側(cè)，則箭頭應(yīng)指向遠(yuǎn)離負(fù)載的方向。

變頻驅(qū)動器的輸入和輸出通常都使用三相電。然而，商業(yè)、住宅和汽車驅(qū)動系統(tǒng)中使用的某些變頻驅(qū)動器可能由單相交流或直流供電。此外，三相系統(tǒng)可以采用兩種接線和建模方式：星形（或稱Y形）和三角形。接線配置決定了功率分析中使用的計算方法，因此了解并選擇正確的接線配置對于獲得預(yù)期結(jié)果非常重要。接線配置適用于電機(jī)驅(qū)動器的輸入和輸出。

單相連接

單相兩線（1V1I）

需要兩個通道：分別用于測量電壓和電流，圖10顯示了電壓的測量方式。測得的總功率P=V*I。單相交流和直流電源使用相同的設(shè)置。

圖10. 單相雙線交流電測量，直流電源使用相同的設(shè)置

單相三線（2V2I）

單相三線配置在電機(jī)驅(qū)動器應(yīng)用中非常少見，但在北美住宅應(yīng)用中很常見，通常提供一個240V和兩個120V的供電線路，每個線路可能承載不同的負(fù)載。測量此類電源需要兩個電壓通道和兩個電流通道。測得的總功率為V*I（負(fù)載1+負(fù)載2）。

圖11. 單相三線接線在工業(yè)環(huán)境中很少見，但在消費(fèi)和輕型商業(yè)中卻很常見

三相連接

使用兩個電壓通道和兩個電流通道（2V2I）測量三相三線系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動器通常使用三線輸出，僅使用示波器上的兩個電壓通道和兩個電流通道即可準(zhǔn)確測量（電機(jī)驅(qū)動器輸入更可能使用四線系統(tǒng)）。當(dāng)三根線將電源連接到負(fù)載時，至少需要兩個功率表來測量總功率。需要兩個電壓通道和兩個電流通道，如圖12所示。電壓通道逐相連接，其中一相作為參考。負(fù)載和電源可以采用三角形或星形接線方式，但兩者之間不能有中性導(dǎo)體。在這種情況下，兩個功率表可以計算輸送到負(fù)載的總功率。（參見側(cè)欄：“如何使用四個示波器通道測量三相系統(tǒng)？”)

圖12. 三相三線兩功率表法

圖12顯示了接線，圖14顯示了用于測量2V2I連接的IMDA電源設(shè)置?？刂扑x線路即可確定用作電壓參考的相位。在此示例中，在A相和B相上測量電流，并在A相和B相上測量相對于C相的電壓。即測量值分別為VAC、VBC、IA和IB。在此示例中，總有功功率（ΣTrPwr）的計算公式為：

瞬時功率P1=VAC*IA

瞬時功率P2=VBC*IB

ΣTrPwr=P1+P2。

如何使用四個示波器通道測量三相系統(tǒng)？

布隆德爾（Blondel）定理指出，對于一個N線系統(tǒng)，如果電壓是相對于其中一條導(dǎo)線測量的，那么總功率可以通過使用N-1個功率表來測量。

例如，在三線系統(tǒng)中，無論采用星形還是三角形接線方式，系統(tǒng)總功率都可以使用兩個電壓通道和兩個電流通道來確定。例如，圖13顯示了一個星形接線系統(tǒng)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，如果已知其中兩個電流，就可以確定系統(tǒng)中的所有電流。通過測量兩相相對于第三相的相對電壓，就可以確定系統(tǒng)中的所有電壓。

圖13. 該三線星形接線系統(tǒng)（無中性線）用于說明如何使用雙功率表法測量三相系統(tǒng)

圖14. 使用雙功率表法的三線系統(tǒng)設(shè)置。在A相和B相上測量電流，并在A相和B相上測量相對于C相的電壓

使用三個電壓通道和三個電流通道（3V3I）測量三相三線系統(tǒng)

盡管在三線系統(tǒng)中只需要兩個功率表就可以測量總功率，但使用三個功率表具有一些優(yōu)勢。三功率表配置需要六個示波器通道：三個電壓通道和三個電流通道。

此3V3I配置提供單獨(dú)的相電壓和各相的功率，這是雙功率表配置所不能做到的。

圖15. 三相三線系統(tǒng)，采用三個電壓通道和三個電流通道（三個功率表）測量

對于使用3V3I配置測量的三線系統(tǒng)，IMDA軟件提供將線電壓（LL）轉(zhuǎn)換為相電壓（LN）的設(shè)置選項(xiàng)。盡管三線系統(tǒng)中沒有物理中性線，但可以根據(jù)瞬時線電壓確定瞬時相電壓。

這種逐點(diǎn)的LL-LN轉(zhuǎn)換將把所有電壓表示為相對于單一參考點(diǎn)，并糾正了每個相中電壓與電流之間的相位關(guān)系。您可以通過打開和關(guān)閉轉(zhuǎn)換來觀察相量圖上的相位關(guān)系，從而了解LL-LN轉(zhuǎn)換的相位校正。打開LL-LN轉(zhuǎn)換，則可以通過將相電壓和相電流相乘來計算瞬時功率。例如，我們可以計算出提供給負(fù)載的總有功功率（ΣTrPwr）。

ΣTrPwr=(vAN*iA)+(vBN*iB)+(vCN*iC)

圖16. 在打開LL-LN轉(zhuǎn)換的3V3I配置中，可以讀出各相的有功功率、無功功率和視在功率以及所有相的總功率。請注意，總功率測量值與使用“雙功率表”（2V2I）配置測得的功率測量值相當(dāng)

使用三個電壓通道和三個電流通道（3V3I）測量三相四線系統(tǒng)

如果系統(tǒng)中的線路與驅(qū)動器之間或驅(qū)動器與電機(jī)之間使用中性導(dǎo)體，則需要三個電壓通道和三個電流通道來測量總功率。圖19顯示了一個此類四線系統(tǒng)。所有電壓都是相對于中性線測量的。線電壓可以使用矢量數(shù)學(xué)根據(jù)相電壓幅度和相位精確計算得出?？偣β师睺rPwr=P1+P2+P3。