接上一篇：使用示波器對三相電機驅動器進行測量（上）

輸入（線路）測量

大多數(shù)工業(yè)和重型商用變頻驅動器都采用三相輸入。較小的驅動器可能使用單相線電壓。特別是在電動汽車和其他電池供電的應用中，驅動器通常采用直流供電。IMDA電源分析軟件支持所有這些配置（參見上集的“接線配置”）。在IMDA測量包中，電能質量測量組和諧波測量組用于計算驅動器的功耗以及驅動器對配電系統(tǒng)的預期影響。

電能質量

電能質量測量組包括表征驅動器功耗的測量。這些測量也可以用于驅動器的輸出（請參閱下面的“輸出測量”）。圖19顯示了電氣分析部分中的電能質量測量。選擇電能質量測量會生成相量圖、波形和測量標識。圖中顯示了已配置繞組的電能質量能量和功率數(shù)學波形。功率波形是使用數(shù)學算法將各相的電壓和電流波形相乘得出的。

圖19. 在泰克IMDA軟件中，測量分為電能質量、諧波、紋波和效率。還提供DQ0和機械測量的選擇

電能質量測量可用于確認探頭和接線配置是否正確。如果一個或多個功率測量顯示負讀數(shù)，請檢查您的電流探頭，確認與負功率讀數(shù)相關的通道上的探頭是否連接錯誤。對于三相系統(tǒng)，請檢查相量圖。正常情況下，各相電壓應基本相同，相位差為120°。

用戶可以選擇只測量基頻的電能質量，也可選擇測量所有頻率的電能質量。當選擇“基頻”選項時，將僅測量基頻分量。當選擇“所有頻率”選項時，將計算所有諧波（包括基頻）的電能質量測量值。

相量圖：圖20所示的相量圖是一個圓形圖，表示相電壓和相電流之間以及各相電壓和電流之間的幅度和相位角。理想情況下，一個平衡的三相系統(tǒng)具有幅度相等的矢量，且相鄰矢量的相位差正好是120°。

相量圖（圖20）給出了各相的以下測量值：相對于參考相電壓（圖20中的VaN）的RMS電壓和相位角，相對于參考相電壓的RMS電流和相位角，電壓和電流之間的相位，功率因數(shù)。電能質量測量標識顯示了許多測量值。

圖20. 相量圖顯示各相電壓和電流之間的關系，該圖顯示了系統(tǒng)的平衡以及電壓和電流（電容或電感）之間的相移；電機驅動器輸入（線路）側的電能質量測量

諧波

諧波測量呈現(xiàn)基頻及其諧波處的信號幅度，并測量信號的RMS幅度和總諧波失真?？梢愿鶕?jù)IEEE-519或IEC 61000-3-2標準或自定義限制來評估測量結果。例如，可以將IEC61000-3-12標準的限制以csv文件的形式加載，并根據(jù)這些限制進行測試。測試結果可以記錄在詳細報告中，注明是否合格。

圖21. 諧波可以在電機驅動器的輸入和輸出上測量。此例顯示了驅動器三相輸出上的諧波

直流母線測量

紋波可以在兩個不同的測試點測量，即在直流母線和開關半導體上測量。

● 線路紋波：該測量提供相應交流電壓信號的線路頻率部分的RMS和峰-峰值測量值。

● 開關紋波：該測量提供相應電壓信號的RMS和峰峰值測量值。

開關分析

圖22. 開關損耗測量有助于優(yōu)化逆變器設計

在設計或驗證變頻驅動器內的開關電路時，了解與驅動器開關階段相關的損耗非常重要。選項5-PWR和6-PWR提供開關損耗測量和斜率。電壓探頭連接到開關的兩端，而電流探頭連接用于測量流經開關的電流。

可以添加多個測量來獲取各開關的測量值。

5/6-PWR分析包包括以下測量：

● 開關損耗：測量開關器件開啟、關閉和傳導區(qū)域中的平均瞬時功率或能量。該測量將創(chuàng)建一個功率波形，而功率波形是根據(jù)每對V和I波形計算得出的。

● dv/dt：測量電壓從基準參考水平（RB）上升到最高參考水平（RT）或從最高參考水平（RT）下降到基準參考水平（RB）過程中的變化率（斜率）。該測量將創(chuàng)建一個功率波形，而功率波形是根據(jù)每對電壓和電流波形計算得出的。

● di/dt：測量電流從基準參考水平（RB）上升到最高參考水平（RT）或從最高參考水平（RT）下降到基準參考水平（RB）過程中的變化率（斜率）。該測量將創(chuàng)建一個功率波形，而功率波形是根據(jù)每對電壓和電流波形計算得出的。

直接正交零點（DQ0）的變換和測量

Clarke和Park變換通常用于簡化磁場定向控制系統(tǒng)的實施。顯示了一個磁場定向控制系統(tǒng)的示例。在該控制系統(tǒng)中，這些變換用于將施加到電機的三相電壓轉換為正交D矢量和Q矢量。這些簡化的矢量可以輕松轉換和集成，以保持所需的速度。然后可以使用逆變換來創(chuàng)建逆變器中脈沖寬度調制的驅動信號。

這些D矢量和Q矢量可能位于數(shù)字信號處理模塊（例如FPGA）的深處，并且可能無法直接測量。IMDA軟件提供DQ0分析選項，可以通過簡單的設置根據(jù)三相輸出電壓或電流得出D和Q的測量值，從而可以快速輕松地查看控制系統(tǒng)的調整效果。

圖23. DQ0相量圖顯示D矢量、Q矢量和合成矢量（R），其中電機速度和方向反饋由正交編碼器傳感器提供

除了D矢量和Q矢量，分析軟件還顯示合成矢量（R）。R矢量是通過計算D矢量和Q矢量上各采樣點的D和Q斜邊矢量得出的。R矢量的起始角度是為0度，根據(jù)正交編碼器接口（QEI）的索引脈沖（Z）確定。增量角度由QEI根據(jù)編碼器每轉脈沖數(shù)（PPR）和電機的極對數(shù)計算得出。通過觀察R矢量旋轉，可以確認控制系統(tǒng)是否正在平穩(wěn)地驅動電機。還可以查看換向次數(shù)。請注意，上方圖23中R矢量圖中的六個失真點對應于六個換向步驟。除了選擇源和接線方式之外，還可以指定可應用于所有源或僅用于邊沿限定器的低通濾波器。這有利于減少由于電磁干擾（EMI）拾取和開關噪聲引起的噪聲。

輸出測量

PWM驅動器的輸出波形很復雜，由與載波相關的高頻分量和與驅動電機的基頻相關的低頻分量構成。使用示波器對PWM波形進行測量可能頗具挑戰(zhàn)，因為很難實現(xiàn)穩(wěn)定的觸發(fā)。

圖24. 此處顯示的PWM波形包括一個頻率可達數(shù)百千赫茲的載波和電機對其做出響應的較低頻率平均電壓

棘手的是，波形是在低頻下進行調制的。因此，高頻測量（例如總rms電壓、總功率等）必須在高頻下進行，但要覆蓋輸出波形中低頻分量的整數(shù)個周期。

IMDA軟件的主要優(yōu)勢之一是能夠對PWM波形進行穩(wěn)定的測量。該軟件能夠解調用戶指定為“邊沿限定器”的通道上的PWM波形，并將包絡提取為“數(shù)學通道”。這使測量能夠實現(xiàn)精確的同步。

在變頻驅動器輸入上使用的相同電能質量和諧波測量也可用于驅動器的輸出，用于測量電壓、電流、相位和功率。詳細介紹見本指南的“輸入測量”部分。除單相三線配置僅可用作輸入測量外，相同的接線配置可同時用于輸入和輸出測量。

圖25. 電能質量測量組提供了一組快速穩(wěn)定的PWM輸出測量的概覽，包括電壓、電流、相位角、有功功率、視在功率、無功功率和功率因數(shù)

效率測量

效率測量是指相應輸入和輸出電壓和電流對的輸出功率與輸入功率的比值。在5系列和6系列MSO上，輸入和輸出均采用雙功率表法（V1*I1和V2*I2）。如此可以使用八個輸入通道完成三相輸入和輸出功率的完整測量，如圖25所示。

圖25. 使用8個示波器輸入通道測量三線輸入三線輸出系統(tǒng)的驅動效率

圖26. 使用雙功率表法對變頻驅動器的輸入和輸出進行效率測量

動態(tài)測量

電機驅動分析的一個常見要求是，能夠對電機隨時間而變的響應進行測量，以監(jiān)控被測設備在加速和不同負載條件下的行為。這些動態(tài)測量將幫助您了解不同條件下電壓、電流、功率和頻率等參數(shù)之間的相互影響。IMDA軟件的電能質量測量組提供了兩種類型的趨勢圖用于此分析：時間趨勢圖，采集趨勢圖。兩種趨勢圖各有其優(yōu)點，可用于呈現(xiàn)電能質量測量組內支持的子測量。這些趨勢圖可以保存為CSV文件以供后期處理。

時間趨勢圖

時間趨勢圖顯示單次采集中每個波形周期的測量值。這種趨勢圖適用于觀察測量值在短時間內的具體變化，以及將這些變化與其他相關數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析。

圖27. IMDA軟件中的時間趨勢圖用于記錄單次采集過程中測量值的變化

采集趨勢圖

采集趨勢圖記錄每次采集的單次平均測量值，因此適用于長期分析。在測試配置期間，可以通過設置采集參數(shù)來指定測試持續(xù)時間。這些趨勢圖可以保存為CSV文件以供后期處理。如果將繪圖數(shù)據(jù)保存為CSV文件，時間值即可用。

動態(tài)負載控制對于三相感應電機和其他電機也很重要。通過采集趨勢圖可以查看加速、恒速和減速過程中的測量值。

圖28. 采集趨勢圖記錄多次采集過程中測量值的變化。在上圖中以綠色線條表示。請注意，該圖還會顯示最近一次采集的波形和測量值

總結

對三相電機驅動器進行測量面臨著諸多挑戰(zhàn)，因為必須進行連接，波形非常復雜且數(shù)學運算量巨大。泰克5/6系列MSO示波器的IMDA軟件大幅簡化了這些測量，為功率分析儀測量提供了高速采樣系統(tǒng)和實時示波器可視化的優(yōu)勢。

利用示波器，三相電機驅動器設計人員可以在靜態(tài)和動態(tài)工作條件下進行分析，查看電氣和機械參數(shù)，從而詳細了解驅動器性能。5系列和6系列MSO的采樣和處理能力支持DQ0測量等功能，讓用戶能夠深入了解控制系統(tǒng)的內部情況。而功率分析儀目前還無法實現(xiàn)這些功能。

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