控制PWM電機驅(qū)動器的基本要素及電氣特性
脈寬調(diào)制電機驅(qū)動正在成為變速電機控制的主要方法，不僅用于工業(yè)，還用于電動汽車和家用空調(diào)等多種應(yīng)用。PWM驅(qū)動器會在電機輸出和驅(qū)動器電源中產(chǎn)生復(fù)雜的波形。本文首先介紹控制PWM電機驅(qū)動器的基本要素及電氣特性，然后詳細介紹用于正確分析的電氣測量。
交流電機的速度控制需要一個可以改變電壓和頻率的三相電源。這種電源在定子中產(chǎn)生一個變速旋轉(zhuǎn)場，允許轉(zhuǎn)子以所需的速度以低滑差旋轉(zhuǎn)。這種交流電機驅(qū)動器或PWM可以有效地提供從零速到全速的全扭矩，必要時可以超速，并且可以通過改變相位旋轉(zhuǎn)輕松提供電機的雙向運行。
盡管PWM驅(qū)動器的原理并不新鮮，但功率半導(dǎo)體、控制電子設(shè)備和微處理器的進步使它們越來越受歡迎。除此之外，還有矢量控制方法，使交流驅(qū)動器具有全直流電機驅(qū)動器的能力和靈活性。
PWM電機驅(qū)動的基本要素:
三相電源經(jīng)過整流和濾波以產(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）和相關(guān)二極管組成。每對開關(guān)為電機的一個相提供功率輸出。每對半導(dǎo)體開關(guān)由控制電子設(shè)備驅(qū)動，以在每個相位輸出處生成高頻方波載波脈沖波形。
由于所有三相上的載波都相同，因此僅由于載波而出現(xiàn)在電機繞組任何相上的凈電壓為零。為了驅(qū)動電機，控制電子設(shè)備會產(chǎn)生三個相距120度的低頻正弦波，它將載波脈沖調(diào)制到每對開關(guān)。每個載波周期內(nèi)正負脈沖的寬度根據(jù)該相位的低頻正弦波形的幅度進行調(diào)制。結(jié)果，呈現(xiàn)給電機繞組的平均電壓近似為正弦曲線。電機繞組的另外兩相具有相距120度的相似平均電壓。
大多數(shù)PWM驅(qū)動器以固定的載波頻率運行，該頻率是要使用的最高輸出頻率的數(shù)倍。由于工業(yè)驅(qū)動器以幾赫茲到約100 Hz的輸出頻率運行，因此它們使用的載波頻率范圍為2 kHz到約10 kHz。隨著功率半導(dǎo)體的改進，趨勢是將載波頻率提高到超聲波頻率(>18 kHz)，這可以降低電機中的損耗，因為電流更加正弦。不利的一面是逆變器中更高的開關(guān)損耗和更多輻射頻率噪聲的可能性。因此，必須對驅(qū)動器輸入和輸出進行仔細測量，以便為給定應(yīng)用選擇最佳載波頻率。
盡管PWM輸出電壓包含大量除基波以外的頻率分量，但這些分量通常具有較高的頻率，并被電機繞組的電感抑制。然而，電機不僅僅是一個電感器，因此重要的是載波頻率的調(diào)制設(shè)計為產(chǎn)生盡可能正弦的電流。特別是，必須注意盡量減少低次諧波電壓，因為電機對這些電壓的阻抗很低。
實際上，驅(qū)動器會在基頻產(chǎn)生“有用”的電流分量，并在基頻的倍數(shù)或分量的頻率上產(chǎn)生“不需要”的電流分量。電機電流中的“不需要的”成分會導(dǎo)致諸如額外熱量、電機效率降低和功率輸出降低等問題。
這些不需要的組件對電機運行的影響可以通過測量逆變器的基波和總輸出功率、電壓和電流波形的諧波分析以及電機的扭矩/速度測量來表示。最高效的PWM驅(qū)動器不僅可以最大限度地減少轉(zhuǎn)換器中的損耗，還可以生成最純凈的電流波形以最大限度地減少功率和扭矩損失。
電機輸出測量
通過在電機的輸出軸上安裝速度和扭矩傳感器來計算輸出功率，可以進行電機輸出測量。為了確定電機和驅(qū)動器組合的效率，設(shè)計人員必須同時考慮系統(tǒng)的電氣輸入和電機輸出產(chǎn)生的機械功率。
系統(tǒng)效率計算公式為：
通過測量驅(qū)動器輸入消耗的電能以及電機輸出的扭矩和速度，可以測量系統(tǒng)的效率。進行這種測量的最簡單方法是使用功率分析儀，其中包括設(shè)計用于連接扭矩和速度傳感器的傳感器輸入。
驅(qū)動輸出:
如前所述，PWM驅(qū)動器的輸出波形非常復(fù)雜，由載波引起的高頻分量和基波電流引起的低頻分量的混合組成。這給某些功率分析儀帶來了問題，它們可以在高頻下測量，在這種情況下波形中的低頻信息丟失，或者它們可以過濾PWM波形以在低頻下測量，在這種情況下高頻數(shù)據(jù)丟失。出現(xiàn)困難是因為波形是在低頻調(diào)制的。因此，高頻測量，例如總均方根電壓或總功率，必須在高頻下進行，但必須在輸出波形中低頻分量的整數(shù)個周期內(nèi)進行。
最新的功率分析儀通過使用特殊的工作模式進行PWM輸出測量來克服這個問題。數(shù)據(jù)以高速采樣，實時計算總量，包括所有諧波和載波分量。同時，對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，以提供低頻測量，例如基頻和輸出頻率測量。除了從同一測量中提供低頻和高頻結(jié)果外，該技術(shù)還允許高頻測量與低頻信號同步，從而提供既準確又穩(wěn)定的高頻測量結(jié)果。
為了執(zhí)行驅(qū)動器輸出測量，功率分析儀以三相三線配置連接到輸出。對于高達30 A rms輸出電流的PWM驅(qū)動器，功率分析儀可以直接連接到驅(qū)動器輸出端。對于高于此水平的電流，可能需要外部分流器或電流傳感器。
連接和配置分析儀后，還要確保指定了正確的濾波器頻率范圍。請注意，Vrms、Arms和Watts數(shù)字是根據(jù)預(yù)濾波值測量的，因此包括所有高頻分量，而基本值僅考慮對電機工作的貢獻。rms和基波電壓之間存在顯著差異是正常的。通常，電流和瓦特之間的差異較小，因為感應(yīng)電機會過濾電流。
高頻損耗可以通過在SUM通道上讀取的總瓦特數(shù)和基波瓦數(shù)之間的差異來估計。這表示由PWM驅(qū)動器提供的電功率，它對機械輸出功率沒有貢獻，因此會增加電機的熱量。
高頻損耗=總瓦數(shù)-基波瓦數(shù)
在比較PWM驅(qū)動器時，這是一種有用的測量方法。
