本指南將介紹如何使用泰克8通道5系列B MSO示波器的逆變器、電機(jī)和驅(qū)動器分析軟件對變頻驅(qū)動器的輸入、直流母線和輸出進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電氣測量，以及對電機(jī)進(jìn)行機(jī)械測量。

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

示波器探頭的選擇

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。

圖9. 泰克差分探頭（例如THDP0200）和泰克AC/DC電流探頭（例如TCP0030A）為許多變頻驅(qū)動器測量場景提供了良好的覆蓋范圍。

注：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。

圖10.  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。

以下為一些建議用于電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的探頭：

示波器探頭設(shè)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您執(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。基本步驟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。

有關(guān)功率測量探頭選擇和設(shè)置的更多信息，請參閱《使用示波器對電源進(jìn)行精確電壓測量的探測技術(shù)》和《使用示波器對電源進(jìn)行精確電流測量》。

接線配置

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。圖11顯示了部分泰克示波器上IMDA解決方案支持的接線配置。

圖11. 在IMDA軟件的下拉列表中選擇輸入接線

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12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12. 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 13. 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14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14. 三相三線兩功率表法

圖14顯示了接線，圖16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15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15. 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)

每個功率表測量的瞬時功率是瞬時電壓和電流樣本的乘積。

功率表1由iA和vAC組成，其中

p1 = iA (vAC) = iA (v1 - v3)

功率表2由iB和vBC組成，其中

p2 = iB (vBC) = iB (v2 – v3)

p1 + p2 = iA (v1 – v3) + iB (v2 – v3) = iAv1 – iAv3 + iBv2 – iBv3

p1 + p2 = iAv1 + iBv2 – (iA + iB) v3（公式1）

根據(jù)基爾霍夫電流定律，

iA + iB + iC = 0，因此iA + iB = –iC （公式2）

用–iC代替公式1中的 (iA + iB)：

p1 + p2 = iAv1 + iBv2 + iCv3，即三相的總瞬時功率。

因此，三線系統(tǒng)的總功率可以使用兩個電壓通道和兩個電流通道組成兩個功率表來確定。

參考文獻(xiàn)：André Blondel；《 多相電流能量測量(Measurement of the Energy of Polyphase Currents)》；《國際電氣大會論文集 (Proceedings of the International Electrical Congress)》；1893年8月；美國電氣工程師學(xué)會

圖16. 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17. 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18. 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?ΣTrPwr =P1 + P2 + P3。

圖19. 三相四線 ( 三功率表法 )

變頻驅(qū)動器系統(tǒng)模塊的測量

變頻驅(qū)動器系統(tǒng)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、輸出和電機(jī)）的關(guān)鍵測量值，并說明其在5系列和6系列MSO中IMDA分析工具中的位置。

圖20. 驅(qū)動器輸入、直流母線、輸出和電機(jī)采用不同的測量方法

三相自動設(shè)置

IMDA軟件包括三相自動設(shè)置功能，可根據(jù)所選的接線配置自動配置電壓和電流源。該功能可為示波器設(shè)置最佳垂直、水平、采集和觸發(fā)參數(shù)，并且可用于所有有功功率測量。這極大地簡化了測量設(shè)置，在測量變頻驅(qū)動器輸出上的PWM波形時尤為方便。

下期預(yù)告

通過本文的介紹，讀者可以快速掌握三相電機(jī)驅(qū)動器測量的基礎(chǔ)知識和面臨的挑戰(zhàn)。在下一篇文章中，我們將深入探討如何使用示波器進(jìn)行具體的電氣和機(jī)械測量，包括輸入、輸出、直流母線測量以及機(jī)械參數(shù)的測量方法。