采用 Perception 软件对脉宽调制逆变器进行功率测量

在电动汽车和混合动力汽车测试中,需要进行高精度,高动态功率测量。为了评估这些测量结果,驱动部件的功能和工作原理必须考虑。脉宽调制逆变器必须首先说明,其次是解释如何对逆变器进行功率测量和如何采用 Perception 软件进行功率值计算。

1. 介绍

电驱动为再生能源车辆提供了可能性 [1]. 电动汽车就是其中一种。 

图. 1.1 显示了电动汽车的 驱动系, 电池的直流电通过三相脉宽调制逆变器转换为三相电流,并切换到三相电机。使用的功率半导体取决于电池电压的振幅。MOSFETs (金属氧化物半导体场效应晶体管) 被用于低于100 V 的电池。更高的电压使用的是 IGBTs (绝缘栅双极晶体管) 。通常采用异步和同步电机。 

电动车辆的传动系的测试与优化需要革新性的测量仪器。必须能够进行高精度,高动态功率测量并可进行各种 中间值 计算。

图 1.1: 电池驱动汽车传动系的概略图

2. 脉宽调制逆变器

脉宽调制逆变器转换 不同频率 的电压为直流电压。两点逆变器 由于简单,因此被经常使用。 图. 1.1 显示了三线,两点逆变器。脉宽调制逆变器的每行都包括带有两个 IGBTs 和相应功率二极管的半桥。 MOSFETs 可以用于较低的电池电压。采用  MOSFET 的脉宽调制逆变器无需额外的功率二极管,因为他们是反向导通的。

通过半桥方式,采用直流母线的正极或负极连接到设备的连接点上(根据晶体管的开关状态)。 这里逆变器都在理想状态下考虑。在激活状态下(u = 0),逆变器和二极管都没有任何导电损失,在非激活状态下,都被禁用 (i = 0)。 开关状态必须没有时间延迟。.

两点逆变器的工作原理非常明确:当半桥输出电压的时间曲线考虑为直流母线的“虚拟”中压容器 M 。按照相应的控制信号,逆变器电压 eνM  (ν = 1, 2, 3) 可以采取值 +Ud /2 (Sν = 1)或 -Ud /2 = 0)。


(2.01)


为计算 设备的线电压, 第一个方程式为:




(2.02)

如果相关的 u1 + u2 + u3 = 0 被考虑,逆变器的零系统 可以这样计算:  

(2.03)

 

一个两点的逆变器有 2³ =8 不同的电压状态。通过逆变器来产生所需的正弦电压。因为只能产生8种电压状态,因此一般都采用三相脉宽逆变器。 [2]. 采用这种方法通过短时平均值能产生所需的电压。

图 2.1 显示了如何通过简单正弦调制产生控制信号。一个三角形电压 和期望的 正弦电压 相比对。如果正弦电压比三角形电压大,将产生正电压。如果小于三角形电压,脉宽调制逆变器将转换为负电压。三角形电压频率等于功率半导体开关的开关频率。

图 2.1: 三相脉宽调制逆变器产生控制信号。(该功能可以通过 Perception 软件的PWM_INVERTER_CONTROL_1.pVWB 工作台实现,并可在 HBM 网站中下载)。

3. 脉宽调制逆变器的功率测量

电机功率 无法直接测量。其需要通过测量 电压和电流值 来实现。测试方法在 [3] 中详细描述。因为星形测量点无法直接获取,星形电压 无法直接测量。这可以借助 相-相电压和人造星点来进行测量。

3.1 通过人造星点测量

因为星点电压无法直接测量 (u1, u2, u3),一般是通过 "人造星点" 来测量。如图 Fig. 3.1 显示,人造星点包括三个相同的高阻抗电阻。脉宽逆变器的瞬时功率可以通过计算星电压和电流 (i1, i2, i3) 完成。


(3.01)
 


图. 3.2: 通过人造星点测量功率


图 3.3 显示了人造星点的测量结果。在这个案例中,逆变器为一台异步电机供电。尽管是通过逆变器产生的脉冲电压,电流依然是近似的正弦。因此可以通过推导周期和平均值来进行功率计算。并且通过比对电流周期和 i1 周期曲线来判断电流周期是否正确。.

三线电流的 120° 相移在图中可以看出,通常异步电机电流滞后电压。

通过计算瞬时功率的平均值即可得到脉宽调制逆变器的有效功率。等式 3.02 显示了在 Perception 软件中的过程。

(3.02)

视在功率 S 是电流和电压的 RMS 值的乘积。RMS 值是在一个周期内计算的。通过 cycleDetect 命令即可获得电流曲线  i1 的周期。 

视在功率在 Perception 软件中按如下等式计算:


(3.03)

无功功率 Q 计算如下:  


(3.04)

总无功功率是所有无功功率的总和。在 Perception 软件中有效功率计算如下:


(3.05)
  

图 3.3: 随时间推移的测量值 (i1,i2,i3,u1,u2,u3) 和计算出的功率 (P,Q,S) 。(相关的测量通过 Perception 软件获得: Artificial Star Measurement_V1.pNRF)

3.2 相-相 电压功率测量

相-相 电压可以用于测量星形电压:


(3.06)

相-相电压的计数方向从图 3.4 中可见。各种功率值的计算见章节 3.1.

通过人造星点可以计算出电机功率,无论是电机还是发电机。对于不对称功耗来说,人造星点比相-相电压更容易更方便。

图 3.4: 相-相 电压功率测量

4. 总结

这份报告解释了 脉宽逆变器 的功率计算。首先描述了逆变器的功能和原理,并描述了通过 相-相 电压 人造星点 的方式对星形电压功率计算的方法。最好采用人造星点的方式,这样更容易解读结果。所有的计算过程都可通过 Perception 软件完成。 Perception 用户可以在网站上下载数据集和公式。

5. 参考书

[1]    D. Eberlein; K. Lang; J. Teigelkötter; K. Kowalski: Elektromobilität auf der Überholspur: Effizienzsteigerung für den Antrieb der Zukunft [Electromobility in the fast lane: increased efficiency for the drive of the future]; proceedings of the 3rd conference of Innovation Messtechnik [Innovation in Measurement Technology]; May 14, 2013

[2]    J. Teigelkötter: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-efficient electric drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013 

[3]    Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calculating power values with Perception software] http://www.hbm.com/de/menu/tipps-tricks/messdatenerfassung/berechnung-von-leistungsgroessen-mit-perception-software/

[4]    www.hbm.com

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