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加速電機測試生產(chǎn)力和數(shù)據(jù)分析

自從高效電機的出現(xiàn)，電機效率評估變得非常重要。主要問題是如何安全，準(zhǔn)確，快速地獲得所有工作點的電機或驅(qū)動效率。傳統(tǒng)功率分析儀測試方法無法提供充分的測試結(jié)果。為了精確分析，所有電氣，機械和物理信號必須高采樣率同步采集，并可實時定制分析將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詣踊�系統(tǒng)，準(zhǔn)確，快速地執(zhí)行電動機和驅(qū)動器效率映射 ，以及各種類型高級分析。

典型和新測試方法對比

電驅(qū)動器用于各種應(yīng)用，包括電動汽車，船用電機，高速列車，飛機電動輪驅(qū)動器和執(zhí)行器，叉車和風(fēng)能工業(yè)等。其關(guān)鍵在于安全，準(zhǔn)確，快速地設(shè)計和測試整個傳動系統(tǒng)所有工作點的最大效率。這包括逆變器，電機優(yōu)化或逆變器和電機之間的匹配以及驅(qū)動策略，如圖1所示。

逆變器和電機匹配越好，效率越高。為了改善逆變器和電機之間匹配，電機需要通過逆變器進行特性化，有時變頻器可能需要改進算法來更有效地驅(qū)動電機。這只能通過分析傳動系所有工作點的原始數(shù)據(jù)來完成。

電驅(qū)動系包含許多需要記錄的信號，以便進行分析以提高效率。參考圖2，信號包括高達1000伏的電池電壓和高達幾百安培的電流。逆變器產(chǎn)生高達+/- 1000伏的脈寬調(diào)制電壓，通常為3相，有時更多，電流高達幾百安培。扭矩傳感器可以記錄電機的扭矩和轉(zhuǎn)速。通過電壓和電流的測量，能夠計算出電池和逆變器的電力功率，以及電機的機械功率。比率的計算產(chǎn)生了變頻器，電機和整個電力驅(qū)動器的效率。通過比率可以得出電機，逆變器，電機以及完整電驅(qū)動系效率。

圖 1. 簡化電驅(qū)動系

典型測試方法

電池電壓和電流通過數(shù)字萬用表測量，逆變器的輸出通常采用傳統(tǒng)的功率分析儀進行測量，并且有時采用示波器來查看信號。為了測量機器輸出，一般使用扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不幸的是，傳統(tǒng)測試有以下幾個問題：

• 所有記錄系統(tǒng)之間沒有時間同步;因此，在同一時間點進行機械（轉(zhuǎn)矩/速度）和電氣（電壓/電流）信號之間的比較是非常困難或幾乎是不可能的

• 沒有原始數(shù)據(jù)可用;因此，無法進行高級分析。

• 典型的功率分析儀每秒僅提供幾次計算，無法反饋足夠的信息給自動化/控制系統(tǒng)。

• 功率計在動態(tài)加載變化過程中不夠可靠，需要進一步的測試和分析。

• 結(jié)果的驗證是不可能的，因為沒有原始數(shù)據(jù)可用，如果有任何問題，需要重新測試。

因此，對于問題和錯誤需要作出若干假設(shè);并根據(jù)這些假設(shè)進行更改，然后重新測試，這是耗時且相當(dāng)昂貴的。

圖 2. 電驅(qū)動數(shù)據(jù)采集要求

新測試方法

圖4 概述了 HBM edrive 電驅(qū)動 測試解決方案，這是一種革命性的工具，采用用高速數(shù)據(jù)采集功率分析儀，克服了典型測試方法的局限性。 優(yōu)勢包括：

• 同步記錄傳動系統(tǒng)所有信號，能夠?qū)?,6或12相電機進行機械和電氣跡線精確比較，并獲取更多的信號，如CAN，溫度，振動和應(yīng)變等。

• 實時高級分析，如電機map圖等。并可立即獲得結(jié)果，而不是幾小時或幾天。

• 通過EtherCAT將實時計算結(jié)果傳輸?shù)阶詣踊�系統(tǒng)，每秒1000個結(jié)果。

• 即使在動態(tài)加載，啟動或減速期間，也可進行半周期實時功率計算。

• 因為原始數(shù)據(jù)可用，因此可對結(jié)果進行驗證。如果有任何問題，則不需要重新測試。

  
  

圖 4. 電驅(qū)動測試新方法，更快更精確

信號連接方法

實現(xiàn)最高的傳動系效率需要最高的測量精度。我們來確定每種信號類型的最理想和最準(zhǔn)確的方法。

電流測量

通常來說電流測量的誤差最大。因此，精確的電流測量方法對于效率計算是非常重要的。電流鉗精度較低，通常+/- 1％。電流互感器提供更高的精度，通常為+/- 0.02％或更高。

電壓測量

有幾種測量高電壓的方法;然而，最重要的因素應(yīng)該是安全性和準(zhǔn)確性。盡管隔離放大器經(jīng)常成本更高，但其是高電壓測量的最安全方法。此外，隔離放大器提供更高的精度，通常為+/- 0.02％。其他方法精度較低，且會危及安全，電壓傳感器通常精度為 +/- 1％，有源差分探頭精度約為 +/- 2％。

扭矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測量

為了進行扭矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測量，應(yīng)使用高精度和高動態(tài)扭矩傳感器，至少0.05％到0.01％的精度。來自扭矩傳感器的所有信號應(yīng)以數(shù)字方式連接，以消除惡劣的測試環(huán)境中的干擾。

功率結(jié)果和快速高級分析

周期檢測

要正確計算任何功率結(jié)果，分析儀需要識別輸入信號的“周期”。使用高級算法，可以輕松檢測和顯示周期，如下圖所示。典型的功率分析儀使用PLL，但其在動態(tài)負載變化過程中存在問題。數(shù)字循環(huán)檢測可以在啟動，減速或任何加載變化時進行測量。

下圖示出了包含幾個動態(tài)加載變化的波形。其是當(dāng)制動器或負載施加到傳動系時產(chǎn)生的。使用原始數(shù)據(jù)顯示這些波形可進一步分析逆變器特性。

高級分析

擁有所有的原始數(shù)據(jù)能夠讓用戶創(chuàng)建多種高級自定義公式，可以實時計算，顯示病傳輸?shù)阶詣踊�系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以輕松適應(yīng)傳統(tǒng)分析儀無法解決的各種應(yīng)用，包括：多相電機，混合動力驅(qū)動和多級逆變器。

電機效率標(biāo)定加速

電機效率映射執(zhí)行速度快100倍，1000個工況點在大約100秒內(nèi)可完成，而傳統(tǒng)分析儀需要近3個小時，如圖10所示，節(jié)省了大量時間和成本。可以消除電機的溫度。典型的分析儀需要相當(dāng)長的時間來解決變化的基頻，以獲得穩(wěn)定的結(jié)果，每10秒鐘只能實現(xiàn)一個工況點。使用數(shù)字周期檢測，可以每半個周期執(zhí)行一次計算。還可以使用轉(zhuǎn)角和一些先進的公式創(chuàng)建高級的電機 map 圖，以進一步了解電機特性，包括作為扭矩和速度的函數(shù)的銅損圖和鐵損圖，以及稱為MTPA（扭矩/安培最大值）的軌跡圖，其中機器的最佳工作條件被繪制為d-和q-電流的函數(shù)。

圖10.效率電機映射執(zhí)行速度提高100倍

Clarke（空間矢量）變換

Clarke（空間矢量）變換也可以加速。 表示三相系統(tǒng)的三個a，b，c 空間矢量可以被轉(zhuǎn)換成表示所產(chǎn)生的扭矩矩和磁通量的兩個線性實體α和β。 將兩個iα和iβ波形顯示為XY圖可輕松顯示系統(tǒng)任何不平衡和控制行為。

圖11.轉(zhuǎn)換為iα和iβ并顯示在XY圖中的電流i1，i2，i3，顯示系統(tǒng)不平衡

Park或dq0變換

Park或dq0變換用于驗證控制算法，典型的分析儀通常需要花費數(shù)小時的時間。然而，新的測試方法可以計算和顯示即時的結(jié)果，從而節(jié)省大量的時間和成本。所得到的id和iq波形表示扭矩和磁通量的當(dāng)前分量。 0（零）分量用于衡量系統(tǒng)的對稱性和平衡度。如果電機完全平衡，0（零）分量為零。這使得驗證控制算法更容易，因為逆變器根據(jù)id和iq結(jié)果作出決策，并且逆變器電子部件將它們轉(zhuǎn)換并發(fā)送電壓和電流到電機上。這有助于逆變器算法工程師了解他們發(fā)送到電機的內(nèi)容以及電機實際上做了什么。以改進嘗試獲得更好結(jié)果的算法，從而提高效率。

圖12. Park或dq0轉(zhuǎn)換可以實時完成，而不是幾小時或幾天

結(jié)論

前文描述的新的效率測試方法是一個革命性的工具，大大節(jié)省了時間和成本，同時大大加快了分析電機，逆變器和驅(qū)動系的能力。從而提高生產(chǎn)力。