脈寬調制(PWM)電機驅動器電源分析

1 概述

三相交流電機工作可靠、高效、費效比高，需要少量維修或根本不需要維修，一直是工業領域的主力。此外，交流電機（如感應電機和磁阻電機）無需與轉子的電氣連接，因此很容易實現阻燃，適用于礦山等危險環境等應用場合。

采用脈寬調制（PWM）的三相電機驅動電路工作原理框圖如圖1所示，為電機提供三相供電電源，電壓和頻率可以變化。PWM交流電機驅動器可以高效提供從零速到全速的全轉矩，并且通過改變驅動電源的供電相位相序，可以很容易實現電機雙向運轉。

2 脈寬調制電機驅動器原理

三相交流輸入供電電源經過整流和濾波后，產生直流總線，為驅動器的逆變器部分提供電源。逆變器由3對半導體開關（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT 等）及相關二極管組成。每對開關為電機的一個相位提供功率輸出。

為了驅動電機，控制電路生成三個相位互差120°的低頻正弦波，分別對每對開關的載波脈沖進行調制。在每個載波周期內，正脈沖和負脈沖的寬度是按照該相位低頻正弦波的幅度進行調制的，如圖2所示。

雖然向電機繞組施加的脈寬調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，電機在很大程度上可以看作逆變器輸出電壓的電感負載。由于電感對較高頻率具有更高的阻抗，因此電機吸收的大部分電流在脈寬調制輸出波形中是如圖3所示的較低頻率分量。結果是，電機吸收的電流近似為正弦波。

由于電機負載生成的反電動勢在基頻是正弦電壓，因此它在諧波和更高頻率不提供反向電流。由于這個原因，同電機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，載波電流設計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，因為電機對這些電壓的阻抗非常低。實用中，驅動器將在電機中生成：

a） 基頻處“有用”的電流分量。

b） 在基頻數倍頻率處“無用的”電流分量（諧波），以及在載頻相關頻率處的電流分量。

在電機電流中“無用”電流分量對電機的影響有兩個，它們是：

1. 非基波電流分量代表電機定子和轉子繞組中的額外電流，將產生熱量，降低電機工作效率。

2. “無用的”電流分量將在定子中生成磁場，可能包含負相或零相序列，形成負轉矩或制動轉矩。這可能大幅降低電機可用功率數量。

通過測量逆變器中基波輸出功率和總輸出功率、對電壓和電流波形進行諧波分析以及對電機轉矩/ 速度進行測量，可以分析電機運行期間無用電流分量的影響。

提供給電機的唯一有用功率是在基頻驅動電壓和電流。與諧波或載波頻率有關的任何功率都不會有助于電機的有用功。最高效的脈寬調制驅動器不僅使逆變器損耗最小化，而且生成最純的正弦電流驅動波形，把電機本身的功率和轉矩損耗降到最低。

3 對脈寬調制電機驅動器的測量

通過在電機輸出軸安裝轉速和轉矩傳感器，可以對電機輸出進行測量，采用泰克PA4000功率分析測試儀的測量工作原理框圖如圖4所示。

（1）驅動器輸出測量

脈寬調制驅動器的輸出波形非常復雜，由一系列高頻分量（ 因載波） 和低頻分量（ 因基波） 組合而成。對大多數功率分析儀來說帶來的問題是：如果在高頻測量，那么波形中的低頻信息將丟失；如果濾除脈寬調制波形在低頻測量，那么高頻數據將丟失。

這個問題的出現是因為低頻對波形進行調制。因此，高頻測量（ 如總電壓有效值、總功率等） 必須在高頻處進行，必須超出輸出波形低頻分量的整數倍。

泰克PA4000 功率分析儀利用脈寬調制輸出測量的特殊工作模式克服了這個難題。它對數據進行高速采樣，并實時計算總體數量，包括所有諧波和載波分量。同時，對采樣數據進行數字化濾波，提供低頻測量。

除了從同一測量中獲得低頻和高頻信號結構外，該技術允許高頻測量與低頻信號同步，這是提供精確和穩定的高頻測量結果的唯一方法。但是，為了優化低頻測量結果，應當選用正確的濾波器。

（2）測量電路連接

對電機驅動器進行電壓測量電路連接通常比較簡單，進行電機工作電流測量的測試電路連接則更具挑戰性。進行電流測量連接主要有兩種方式。第一種方式是“分割”導體，并使電流通過電流分流器，然后測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，但當電流較高時行不通。

對大電流測量，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：

1）正在測量的信號可能與測量設備不兼容。例如，大部分測試臺儀器無法測量超過100 A 的電流，而這么大的電流是大型電機和驅動器中常見的。

2）消除測量儀器與測量信號的耦合。在脈寬調制驅動器中，快速開關電壓（dV/dt） 往往造成正在測量的輸出信號具有很大的共模分量。

大的共模電壓會給電流測量結果帶來不確定性。使用電流傳感器隔離分析儀的電流輸入和電壓波動，從而消除因共模引起的測試結果不確定性。

3）為了便利和安全。在電機系統中往往存在高壓，而且電源阻抗往往極低。如果連接不正確，可能會造成大量能量流動。

4 選擇正確的電流傳感器

電流傳感器有許多種，在電機測量中使用的4 種最常見電流傳感器是：

（1）電流鉗；

（2）閉環霍爾效應；

（3）IT 型閉環；

（4）電流互感器。

為了在電機驅動器的典型信號帶寬內實現最佳性能，應使用閉環傳感器。在驅動器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅動器輸出中效果則不好。這是因為電流互感器在低頻（ 低驅動速度） 性能不佳，而且將限制測量與開關有關高頻頻率的能力。

在選擇傳感器時，重要的是考慮所需測量的信號和測量設備。選擇與需要測量的最大信號（ 包括峰值） 相對應的最大輸入范圍傳感器。這將充分發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盡可能大。輸入信號越大，信噪比越高，測量結果越好。

5 使用電流傳感器

傳感器輸出是單一電流輸出，信號和電源公用回路。該輸出應當直接與測量設備電流輸入的高端連接。測量設備電流輸入的低端應當連接至與傳感器電源相同的回路。而且，所有引線應當盡可能短。輸出應當靠近電源連接。從理想角度而言3條線應當絞合在一起。在脈寬調制驅動器環境中，接地和屏蔽有利于提高測試精度。

屏蔽電纜將改進測試效果。屏蔽接地，并與傳感器電源公共端相連。并且，在相應的地方，它將與傳感器接地相連。屏蔽可以保護電源連接與信號。

為獲得精確的測量結果，需要為儀器配置兩個參數：

（1）分流器選擇，這是在每組基礎上設置的；

（2）電流輸入比例因子，這是在每通道基礎上設置的。

6 結束語

目前，脈寬調制電機驅動器廣泛用于工業領域，而且也在電動汽車和家用空調機等諸多領域得到廣泛應用。泰克PA4000 功率分析儀利用業界首創的螺旋分流（Spiral ShuntTM） 技術以及動態頻率同步技術可以實現可靠測量電機驅動有關參數，實現對驅動器基頻的穩定跟蹤。該技術對數據進行高速采樣，對其總體測試參數（ 包括所有諧波和載波分量） 進行實時計算。同時，它對采樣數據進行數字化濾波，提供低頻測量，如基頻測量和輸出頻率測量，使PA4000 成為脈寬調制驅動器測量的理想解決方案。

參考文獻：

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