脈寬調(diào)制(PWM)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源分析

　　1 概述

　　三相交流電機(jī)工作可靠、高效、費(fèi)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(jī)(如感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī))無需與轉(zhuǎn)子的電氣連接，因此很容易實(shí)現(xiàn)阻燃，適用于礦山等危險(xiǎn)環(huán)境等應(yīng)用場(chǎng)合。

　　采用脈寬調(diào)制(PWM)的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作原理框圖如圖1所示，為電機(jī)提供三相供電電源，電壓和頻率可以變化。PWM交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源的供電相位相序，可以很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2 脈寬調(diào)制電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的逆變器部分提供電源。逆變器由3 對(duì)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(duì)開關(guān)為電機(jī)的一個(gè)相位提供功率輸出。

　　為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電路生成三個(gè)相位互差120°的低頻正弦波，分別對(duì)每對(duì)開關(guān)的載波脈沖進(jìn)行調(diào)制。在每個(gè)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(jī)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(jī)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(duì)較高頻率具有更高的阻抗，因此電機(jī)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(jī)吸收的電流近似為正弦波。

　　由于電機(jī)負(fù)載生成的反電動(dòng)勢(shì)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(gè)原因，同電機(jī)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(jì)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?yàn)殡姍C(jī)對(duì)這些電壓的阻抗非常低。實(shí)用中，驅(qū)動(dòng)器將在電機(jī)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(jī)電流中“無用”電流分量對(duì)電機(jī)的影響有兩個(gè)，它們是：

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

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

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

　　提供給電機(jī)的唯一有用功率是在基頻驅(qū)動(dòng)電壓和電流。與諧波或載波頻率有關(guān)的任何功率都不會(huì)有助于電機(jī)的有用功。最高效的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(dòng)波形，把電機(jī)本身的功率和轉(zhuǎn)矩?fù)p耗降到最低。

　　3 對(duì)脈寬調(diào)制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的測(cè)量

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

　　(1)驅(qū)動(dòng)器輸出測(cè)量

　　脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(duì)大多數(shù)功率分析儀來說帶來的問題是：如果在高頻測(cè)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(cè)量，那么高頻數(shù)據(jù)將丟失。

　　這個(gè)問題的出現(xiàn)是因?yàn)榈皖l對(duì)波形進(jìn)行調(diào)制。因此，高頻測(cè)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(cè)量的特殊工作模式克服了這個(gè)難題。它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，并實(shí)時(shí)計(jì)算總體數(shù)量，包括所有諧波和載波分量。同時(shí)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化濾波，提供低頻測(cè)量。

　　除了從同一測(cè)量中獲得低頻和高頻信號(hào)結(jié)構(gòu)外，該技術(shù)允許高頻測(cè)量與低頻信號(hào)同步，這是提供精確和穩(wěn)定的高頻測(cè)量結(jié)果的唯一方法。但是，為了優(yōu)化低頻測(cè)量結(jié)果，應(yīng)當(dāng)選用正確的濾波器。

　　(2)測(cè)量電路連接

　　對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電壓測(cè)量電路連接通常比較簡(jiǎn)單，進(jìn)行電機(jī)工作電流測(cè)量的測(cè)試電路連接則更具挑戰(zhàn)性。進(jìn)行電流測(cè)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(cè)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(shí)行不通。

　　對(duì)大電流測(cè)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(gè)：

　　1)正在測(cè)量的信號(hào)可能與測(cè)量設(shè)備不兼容。例如，大部分測(cè)試臺(tái)儀器無法測(cè)量超過100 A 的電流，而這么大的電流是大型電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器中常見的。

　　2)消除測(cè)量?jī)x器與測(cè)量信號(hào)的耦合。在脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器中，快速開關(guān)電壓(dV/dt) 往往造成正在測(cè)量的輸出信號(hào)具有很大的共模分量。

　　大的共模電壓會(huì)給電流測(cè)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(dòng)，從而消除因共模引起的測(cè)試結(jié)果不確定性。

　　3)為了便利和安全。在電機(jī)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(huì)造成大量能量流動(dòng)。

　　4 選擇正確的電流傳感器

　　電流傳感器有許多種，在電機(jī)測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型信號(hào)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)使用閉環(huán)傳感器。在驅(qū)動(dòng)器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅(qū)動(dòng)器輸出中效果則不好。這是因?yàn)殡娏骰ジ衅髟诘皖l( 低驅(qū)動(dòng)速度) 性能不佳，而且將限制測(cè)量與開關(guān)有關(guān)高頻頻率的能力。

　　在選擇傳感器時(shí)，重要的是考慮所需測(cè)量的信號(hào)和測(cè)量設(shè)備。選擇與需要測(cè)量的最大信號(hào)( 包括峰值) 相對(duì)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(hào)盡可能大。輸入信號(hào)越大，信噪比越高，測(cè)量結(jié)果越好。

　　5 使用電流傳感器

　　對(duì)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(gè)電流通常為10mA ～ 50mA。傳感器應(yīng)當(dāng)盡可能靠近測(cè)量?jī)x器，以降低次級(jí)引線的電壓和磁場(chǎng)耦合。

　　傳感器輸出是單一電流輸出，信號(hào)和電源公用回路。該輸出應(yīng)當(dāng)直接與測(cè)量設(shè)備電流輸入的高端連接。測(cè)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(dòng)器環(huán)境中，接地和屏蔽有利于提高測(cè)試精度。

　　屏蔽電纜將改進(jìn)測(cè)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(hù)電源連接與信號(hào)。

　　為獲得精確的測(cè)量結(jié)果，需要為儀器配置兩個(gè)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(yǔ)

　　目前，脈寬調(diào)制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，而且也在電動(dòng)汽車和家用空調(diào)機(jī)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(dòng)態(tài)頻率同步技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可靠測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)有關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器基頻的穩(wěn)定跟蹤。該技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，對(duì)其總體測(cè)試參數(shù)( 包括所有諧波和載波分量) 進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。同時(shí)，它對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化濾波，提供低頻測(cè)量，如基頻測(cè)量和輸出頻率測(cè)量，使PA4000 成為脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器測(cè)量的理想解決方案。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]http://cn.tek.com/power-analyzer/pa4000