【導讀】大多數現代電機驅動(dòng)系統使用某種調制形式來(lái)控制電機頻率，從而控制電機速度。在大多數情況下，此類(lèi)變頻驅動(dòng)器 (VFD) 通過(guò)輸出精心控制的脈沖寬度調制 (PWM)波形來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。此類(lèi)系統通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。
大多數現代電機驅動(dòng)系統使用某種調制形式來(lái)控制電機頻率，從而控制電機速度。在大多數情況下，此類(lèi)變頻驅動(dòng)器 (VFD) 通過(guò)輸出精心控制的脈沖寬度調制 (PWM)波形來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。此類(lèi)系統通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。
自電氣工程誕生以來(lái)，三相交流感應電機(ACIM) 一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、成本低且幾乎不需要維護。但電機和驅動(dòng)器有多種不同類(lèi)型。交流感應電機(ACIM) 的效率低于無(wú)刷直流電機 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM)。與交流感應電機相比，同步無(wú)刷直流電機和永磁同步電機效率更高，重量也更輕，但需要更先進(jìn)的控制算法。盡管每種類(lèi)型的電機驅動(dòng)系統有其獨特的特性，但電機驅動(dòng)器都使用脈沖寬度調制技術(shù)來(lái)改變輸送到電機的頻率和電壓。
圖1 電機驅動(dòng)器通過(guò)調節電機輸入來(lái)控制電機速度和扭矩
對電機驅動(dòng)器進(jìn)行測量的挑戰
由于電機驅動(dòng)器輸出采用脈沖寬度調制技術(shù)，因此，要對這種信號進(jìn)行穩定的測量具有挑戰性。要想實(shí)現穩定的波形，通過(guò)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)現一致測量卻是必要的。
除了測量驅動(dòng)器的輸出之外，對驅動(dòng)器的輸入級性能（例如諧波、功率和功率因數）進(jìn)行測量和評估也很重要。雖然可以將原始波形導出到電子表格或其他分析軟件中，但該過(guò)程非常耗時(shí)，并且設計算法時(shí)要特別注意。
進(jìn)行這些測量需要與被測設備建立許多連接。錯誤的探頭連接和連接點(diǎn)完整性差是導致電機驅動(dòng)器測量誤差的常見(jiàn)原因。機械測量也很關(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驅動(dòng)系統進(jìn)行良好的測量，需要仔細的設置、穩定的波形和強大的測量算法。
圖2 三相電機驅動(dòng)器功能模塊圖
PWM電機驅動(dòng)器的工作原理
多種類(lèi)型的電機采用脈沖寬度調制 (PWM) 形式驅動(dòng)，包括有刷直流電機、交流感應電機、無(wú)刷直流電機和永磁同步電機。PWM使驅動(dòng)器能夠改變輸送到電機的頻率和電壓。
盡管很多年前人們就已經(jīng)掌握PWM驅動(dòng)器的工作原理，但卻是功率半導體、控制電子組件和微處理器的改進(jìn)和成本的降低才推動(dòng)了此類(lèi)驅動(dòng)器的廣泛使用。矢量控制技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了這一趨勢。通過(guò)矢量控制，設計者能夠在交流電機的高可靠性基礎上，實(shí)現直流電機的高效率和精確可控性。無(wú)刷直流電機和永磁同步電機正在廣泛應用領(lǐng)域取代有刷直流電機和交流感應電機，這些領(lǐng)域不僅包括工業(yè)應用，還包括電動(dòng)工具、家用電器和電動(dòng)汽車(chē)。圖2顯示了三相變頻驅動(dòng)器基本元件的框圖。
PWM驅動(dòng)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動(dòng)器，三相電源常用于工業(yè)設備。三相電源經(jīng)過(guò)整流和濾波產(chǎn)生直流母線(xiàn)，為驅動(dòng)器的逆變器部分供電。逆變器由三對半導體開(kāi)關(guān)（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT等）及其相關(guān)二極管組成。每對開(kāi)關(guān)分別為電機的一相提供電源輸出。這種基本架構可以適用于多種類(lèi)型的電機，但控制電子組件在反饋和復雜性方面差異很大。這里簡(jiǎn)單介紹幾種常見(jiàn)的用于驅動(dòng)電機的PWM形式。
圖3 霍爾傳感器向簡(jiǎn)單的六步控制器提供反饋。驅動(dòng)器U、V和W輸出信號應用于電機定子
六步換相 / 梯形波控制驅動(dòng)器
這種類(lèi)型的驅動(dòng)器與無(wú)刷直流電機結合使用。無(wú)刷直流電機效率高且體積小。它具有直流電機的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有電刷，不易磨損。無(wú)刷直流電機可以通過(guò)相對簡(jiǎn)單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來(lái)實(shí)現電子換向。下圖顯示了一組典型的PWM波形。
圖4 A相和B相之間的脈沖寬度調制波形的平均線(xiàn)電壓是正弦波
標量控制驅動(dòng)器
簡(jiǎn)單的變頻驅動(dòng)器驅動(dòng)交流感應電機，通過(guò)改變驅動(dòng)電機的PWM波形的基頻來(lái)控制電機速度。為了保持全扭矩，驅動(dòng)器中的控制系統會(huì )保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類(lèi)驅動(dòng)器被稱(chēng)為標量控制驅動(dòng)器?？刂齐娮咏M件產(chǎn)生三個(gè)相位差為120°的低頻正弦波，用于調節每對開(kāi)關(guān)的脈沖寬度。
電機繞組的平均電壓近似正弦波。電機繞組的另外兩相具有相似的平均電壓，相差120°。
圖5 隨時(shí)間變化的三相電壓信號
從逆變器輸出電壓的角度來(lái)看，電機在很大程度上類(lèi)似于一個(gè)電感器。由于電感器對較高頻率具有較高阻抗，因此電機所吸收的大部分電流來(lái)自于PWM波形輸出中的較低頻率分量。因此，電機所吸收的電流形狀近似正弦波。
通過(guò)控制調制波形的幅度和頻率，以及控制電壓和頻率比，PWM驅動(dòng)器可以提供三相電源，以驅動(dòng)電機達到所要求的速度。
圖6 由于電機是感性負載，且能阻抗快速電流變化，因此電機所吸收的電流近似正弦波
矢量控制驅動(dòng)器 /磁場(chǎng)定向控制
交流感應電機和同步電機的驅動(dòng)器更先進(jìn)，采用矢量驅動(dòng)技術(shù)。此類(lèi)驅動(dòng)器比標量控制驅動(dòng)器更靈活、更高效，但也更復雜。矢量控制驅動(dòng)器與標量控制驅動(dòng)器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅動(dòng)電機，但是矢量控制驅動(dòng)器的運行更平穩，加速更快，扭矩控制也更好。此類(lèi)控制系統通常使用磁場(chǎng)定向控制 (FOC)，并且比標量控制驅動(dòng)器復雜得多。矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機的扭矩和磁通量有關(guān)。
圖7 矢量控制 / 磁場(chǎng)定向控制使用復雜的PWM波形
控制系統必須測量轉子的位置以使系統同步。這通常通過(guò)使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來(lái)實(shí)現（還會(huì )使用無(wú)傳感器系統，其中控制系統使用電機的反電動(dòng)勢來(lái)確定轉子位置）?？刂破魇褂肅larke變換和Park變換來(lái)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定點(diǎn)。
圖8 矢量控制系統框圖
變頻驅動(dòng)器系統的連接
對變頻驅動(dòng)系統進(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)行電機驅動(dòng)器測量時(shí)，一定要考慮以下幾點(diǎn)：
● 電機驅動(dòng)器測量涉及相對較高的電壓。例如，480V 三相電機驅動(dòng)器中的直流母線(xiàn)電壓通常約為680V。切記確認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(shuō)，測量結果通常相對于地面是“浮動(dòng)”的，因此不能使用接地參考的探頭。務(wù)必確保信號浮動(dòng)不超過(guò)探頭的共模電壓額定值。
● 大多數相關(guān)頻率低于200MHz，因此具有此帶寬的探頭足以滿(mǎn)足大多數日常測量需求。
● 探頭應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、驅動(dòng)器輸入/輸出和控制系統測量的通用電壓探頭。接地參考無(wú)源探頭不應用于測量相電壓。中性端子可能不在接地電位，從而導致大量電流流過(guò)探頭和示波器接地。這很危險，可能會(huì )導致被測設備或示波器受到?jīng)_擊或損壞。
圖9 泰克差分探頭（如THDP0200）和AC/DC電流探頭（如TCP0030A）為變頻驅動(dòng)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1GHz的帶寬
示波器探頭設置與接線(xiàn)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，并且所有探頭都應校正，以獲得準確的測量結果。
在進(jìn)行測量之前對電流探頭執行消磁程序，消除探頭磁芯中的任何剩磁，這一步非常重要。剩磁會(huì )導致測量誤差。消磁程序通常是通過(guò)移除電流探頭鉗口的所有導體，然后按下消磁按鈕啟動(dòng)的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會(huì )在您使用前自動(dòng)提示執行消磁程序。
校正過(guò)程可以校正任意兩個(gè)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，因為相位關(guān)系對于變頻驅動(dòng)器系統上的許多測量至關(guān)重要?；静襟E是向通道提供同步信號，并調整每個(gè)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(lái)幫助解決此問(wèn)題。連接電流探頭時(shí)，務(wù)必注意探頭上的箭頭標記。如果電流探頭連接在負載的線(xiàn)路側，箭頭應指向負載。如果電流探頭連接在負載的返回側，則箭頭應指向遠離負載的方向。
變頻驅動(dòng)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(chē)驅動(dòng)系統中使用的某些變頻驅動(dòng)器可能由單相交流或直流供電。此外，三相系統可以采用兩種接線(xiàn)和建模方式：星形（或稱(chēng)Y形）和三角形。接線(xiàn)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(xiàn)配置對于獲得預期結果非常重要。接線(xiàn)配置適用于電機驅動(dòng)器的輸入和輸出。
單相連接
單相兩線(xiàn)(1V1I)
需要兩個(gè)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置。
圖10 單相雙線(xiàn)交流電測量，直流電源使用相同的設置
單相三線(xiàn)(2V2I)
單相三線(xiàn)配置在電機驅動(dòng)器應用中非常少見(jiàn)，但在北美住宅應用中很常見(jiàn)，通常提供一個(gè)240V和兩個(gè)120V的供電線(xiàn)路，每個(gè)線(xiàn)路可能承載不同的負載。測量此類(lèi)電源需要兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道。測得的總功率為V*I（負載 1+ 負載 2）。
圖11 單相三線(xiàn)接線(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中很少見(jiàn)，但在消費和輕型商業(yè)中卻很常見(jiàn)
三相連接
使用兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道 (2V2I) 測量三相三線(xiàn)系統
電機驅動(dòng)器通常使用三線(xiàn)輸出，僅使用示波器上的兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道即可準確測量（電機驅動(dòng)器輸入更可能使用四線(xiàn)系統）。當三根線(xiàn)將電源連接到負載時(shí)，至少需要兩個(gè)功率表來(lái)測量總功率。需要兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)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。負載和電源可以采用三角形或星形接線(xiàn)方式，但兩者之間不能有中性導體。在這種情況下，兩個(gè)功率表可以計算輸送到負載的總功率。（參見(jiàn)側欄：“如何使用四個(gè)示波器通道測量三相系統？”)
圖12 三相三線(xiàn)兩功率表法
圖12顯示了接線(xiàn)，圖14顯示了用于測量2V2I連接的IMDA 電源設置?？刂扑x線(xiàn)路即可確定用作電壓參考的相位。在此示例中，在A(yíng)相和B相上測量電流，并在A(yíng)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(shí)功率 P1=VAC*IA
瞬時(shí)功率 P2=VBC*IB
ΣTrPwr=P1+P2。
如何使用四個(gè)示波器通道測量三相系統？
布隆德?tīng)?(Blondel) 定理指出，對于一個(gè)N線(xiàn)系統，如果電壓是相對于其中一條導線(xiàn)測量的，那么總功率可以通過(guò)使用N-1個(gè)功率表來(lái)測量。
例如，在三線(xiàn)系統中，無(wú)論采用星形還是三角形接線(xiàn)方式，系統總功率都可以使用兩個(gè)電壓通道和兩個(gè)電流通道來(lái)確定。例如，圖13顯示了一個(gè)星形接線(xiàn)系統。根據基爾霍夫電流定律，如果已知其中兩個(gè)電流，就可以確定系統中的所有電流。通過(guò)測量?jì)上嘞鄬τ诘谌嗟南鄬﹄妷?，就可以確定系統中的所有電壓。
圖13 該三線(xiàn)星形接線(xiàn)系統（無(wú)中性線(xiàn)）用于說(shuō)明如何使用雙功率表法測量三相系統
圖14 使用雙功率表法的三線(xiàn)系統設置。在A(yíng)相和B相上測量電流，并在A(yíng)相和B相上測量相對于C相的電壓
使用三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道(3V3I)測量三相三線(xiàn)系統
盡管在三線(xiàn)系統中只需要兩個(gè)功率表就可以測量總功率，但使用三個(gè)功率表具有一些優(yōu)勢。三功率表配置需要六個(gè)示波器通道：三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道。
此3V3I配置提供單獨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(xiàn)系統，采用三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道（三個(gè)功率表）測量
對于使用3V3I配置測量的三線(xiàn)系統，IMDA軟件提供將線(xiàn)電壓 (LL) 轉換為相電壓 (LN) 的設置選項。盡管三線(xiàn)系統中沒(méi)有物理中性線(xiàn)，但可以根據瞬時(shí)線(xiàn)電壓確定瞬時(shí)相電壓。
這種逐點(diǎn)的LL-LN轉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(gè)相中電壓與電流之間的相位關(guān)系。您可以通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉轉換來(lái)觀(guān)察相量圖上的相位關(guān)系，從而了解LL-LN轉換的相位校正。打開(kāi)LL-LN轉換，則可以通過(guò)將相電壓和相電流相乘來(lái)計算瞬時(shí)功率。例如，我們可以計算出提供給負載的總有功功率 (ΣTrPwr)。
ΣTrPwr=(vAN*iA)+(vBN*iB)+(vCN*iC)
圖16 在打開(kāi)LL-LN轉換的3V3I配置中，可以讀出各相的有功功率、無(wú)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
使用三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道 (3V3I) 測量三相四線(xiàn)系統
如果系統中的線(xiàn)路與驅動(dòng)器之間或驅動(dòng)器與電機之間使用中性導體，則需要三個(gè)電壓通道和三個(gè)電流通道來(lái)測量總功率。圖19顯示了一個(gè)此類(lèi)四線(xiàn)系統。所有電壓都是相對于中性線(xiàn)測量的。線(xiàn)電壓可以使用矢量數學(xué)根據相電壓幅度和相位精確計算得出?？偣β?ΣTrPwr =P1 + P2 + P3。
圖17 三相四線(xiàn) ( 三功率表法 )
變頻驅動(dòng)器系統模塊的測量
變頻驅動(dòng)器系統的不同功能模塊采用不同的測量和技術(shù)。我們將介紹各模塊（輸入、直流母線(xiàn)、輸出和電機）的關(guān)鍵測量值，并說(shuō)明其在5系列和6系列MSO中IMDA分析工具中的位置。
圖18 驅動(dòng)器輸入、直流母線(xiàn)、輸出和電機采用不同的測量方法
三相自動(dòng)設置
IMDA軟件包括三相自動(dòng)設置功能，可根據所選的接線(xiàn)配置自動(dòng)配置電壓和電流源。該功能可為示波器設置最佳垂直、水平、采集和觸發(fā)參數，并且可用于所有有功功率測量。這極大地簡(jiǎn)化了測量設置，在測量變頻驅動(dòng)器輸出上的PWM波形時(shí)尤為方便。
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