控制PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基本要素及電氣特性
脈寬調(diào)制電機(jī)驅(qū)動(dòng)正在成為變速電機(jī)控制的主要方法，不僅用于工業(yè)，還用于電動(dòng)汽車和家用空調(diào)等多種應(yīng)用。PWM驅(qū)動(dòng)器會(huì)在電機(jī)輸出和驅(qū)動(dòng)器電源中產(chǎn)生復(fù)雜的波形。本文首先介紹控制PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基本要素及電氣特性，然后詳細(xì)介紹用于正確分析的電氣測(cè)量。
交流電機(jī)的速度控制需要一個(gè)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(gè)變速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，允許轉(zhuǎn)子以所需的速度以低滑差旋轉(zhuǎn)。這種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或PWM可以有效地提供從零速到全速的全扭矩，必要時(shí)可以超速，并且可以通過(guò)改變相位旋轉(zhuǎn)輕松提供電機(jī)的雙向運(yùn)行。
盡管PWM驅(qū)動(dòng)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(jìn)步使它們?cè)絹?lái)越受歡迎。除此之外，還有矢量控制方法，使交流驅(qū)動(dòng)器具有全直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的能力和靈活性。
PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本要素:
三相電源經(jīng)過(guò)整流和濾波以產(chǎn)生直流母線，為驅(qū)動(dòng)器的逆變器部分供電。逆變器由三對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT等）和相關(guān)二極管組成。每對(duì)開(kāi)關(guān)為電機(jī)的一個(gè)相提供功率輸出。每對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)由控制電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以在每個(gè)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(jī)繞組任何相上的凈電壓為零。為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生三個(gè)相距120度的低頻正弦波，它將載波脈沖調(diào)制到每對(duì)開(kāi)關(guān)。每個(gè)載波周期內(nèi)正負(fù)脈沖的寬度根據(jù)該相位的低頻正弦波形的幅度進(jìn)行調(diào)制。結(jié)果，呈現(xiàn)給電機(jī)繞組的平均電壓近似為正弦曲線。電機(jī)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(dòng)器以固定的載波頻率運(yùn)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(dòng)器以幾赫茲到約100 Hz的輸出頻率運(yùn)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(jìn)，趨勢(shì)是將載波頻率提高到超聲波頻率(>18 kHz)，這可以降低電機(jī)中的損耗，因?yàn)殡娏鞲诱摇２焕囊幻媸悄孀兤髦懈叩拈_(kāi)關(guān)損耗和更多輻射頻率噪聲的可能性。因此，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出進(jìn)行仔細(xì)測(cè)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(jī)繞組的電感抑制。然而，電機(jī)不僅僅是一個(gè)電感器，因此重要的是載波頻率的調(diào)制設(shè)計(jì)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?yàn)殡姍C(jī)對(duì)這些電壓的阻抗很低。
實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)器會(huì)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(jī)電流中的“不需要的”成分會(huì)導(dǎo)致諸如額外熱量、電機(jī)效率降低和功率輸出降低等問(wèn)題。
這些不需要的組件對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響可以通過(guò)測(cè)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(jī)的扭矩/速度測(cè)量來(lái)表示。最高效的PWM驅(qū)動(dòng)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?fù)p失。
電機(jī)輸出測(cè)量
通過(guò)在電機(jī)的輸出軸上安裝速度和扭矩傳感器來(lái)計(jì)算輸出功率，可以進(jìn)行電機(jī)輸出測(cè)量。為了確定電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組合的效率，設(shè)計(jì)人員必須同時(shí)考慮系統(tǒng)的電氣輸入和電機(jī)輸出產(chǎn)生的機(jī)械功率。
系統(tǒng)效率計(jì)算公式為：
通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器輸入消耗的電能以及電機(jī)輸出的扭矩和速度，可以測(cè)量系統(tǒng)的效率。進(jìn)行這種測(cè)量的最簡(jiǎn)單方法是使用功率分析儀，其中包括設(shè)計(jì)用于連接扭矩和速度傳感器的傳感器輸入。
驅(qū)動(dòng)輸出:
如前所述，PWM驅(qū)動(dòng)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(lái)了問(wèn)題，它們可以在高頻下測(cè)量，在這種情況下波形中的低頻信息丟失，或者它們可以過(guò)濾PWM波形以在低頻下測(cè)量，在這種情況下高頻數(shù)據(jù)丟失。出現(xiàn)困難是因?yàn)椴ㄐ问窃诘皖l調(diào)制的。因此，高頻測(cè)量，例如總均方根電壓或總功率，必須在高頻下進(jìn)行，但必須在輸出波形中低頻分量的整數(shù)個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行。
最新的功率分析儀通過(guò)使用特殊的工作模式進(jìn)行PWM輸出測(cè)量來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。數(shù)據(jù)以高速采樣，實(shí)時(shí)計(jì)算總量，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)字濾波，以提供低頻測(cè)量，例如基頻和輸出頻率測(cè)量。除了從同一測(cè)量中提供低頻和高頻結(jié)果外，該技術(shù)還允許高頻測(cè)量與低頻信號(hào)同步，從而提供既準(zhǔn)確又穩(wěn)定的高頻測(cè)量結(jié)果。
為了執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器輸出測(cè)量，功率分析儀以三相三線配置連接到輸出。對(duì)于高達(dá)30 A rms輸出電流的PWM驅(qū)動(dòng)器，功率分析儀可以直接連接到驅(qū)動(dòng)器輸出端。對(duì)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(qǐng)注意，Vrms、Arms和Watts數(shù)字是根據(jù)預(yù)濾波值測(cè)量的，因此包括所有高頻分量，而基本值僅考慮對(duì)電機(jī)工作的貢獻(xiàn)。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?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)會(huì)過(guò)濾電流。
高頻損耗可以通過(guò)在SUM通道上讀取的總瓦特?cái)?shù)和基波瓦數(shù)之間的差異來(lái)估計(jì)。這表示由PWM驅(qū)動(dòng)器提供的電功率，它對(duì)機(jī)械輸出功率沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此會(huì)增加電機(jī)的熱量。
高頻損耗=總瓦數(shù)-基波瓦數(shù)
在比較PWM驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這是一種有用的測(cè)量方法。
