精确和高动态功率测量

在工业和电气移动应用中,电驱动及的相应控制策略的评估和测试以需要精确和高动态功率测量。在这些应用领域中的电气系统通常包括两级逆变器,三相电机和相应的能源供给。

在本文中,首先对双能级逆变器(DTLI)的拓扑首先进行深入解释。接下来介绍使用GEN3i数据采集系统采集机械和电气变量以及计算实时功率值。

作者

Simon Wolfstädter, M.Eng., Thomas Kowalski, M.Eng.,  Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter 教授, Aschaffenburg 应用科技大学,  Klaus Lang, HBM

双能级逆变器

图1: 带 DC 供电的 DTLI 拓扑图

双能级逆变器包括两个独立双能级逆变器。电机的绕组线连接在两个逆变器之间。因此,电机由六相电压供电。图 1 展示的是带有独立 DC 供电的 DTLI 拓扑图。两个双能级由两个彼此独立的 DC 供电。

DTLI拓扑结构的一些典型优点包括更高的故障保护性能,更低的 DC 供电电压(对于相同功率要求来说)[1].

同时,这种拓扑结构能够使电功率的吸收和释放成为可能。图 2 显示的是系统内能量流的可能方向。可以位于逆变器和电机之间,或是位于两个逆变器本身之间。这意味着也可以通过机器绕组在两个能源供应之间交换能量。

图 2: 系统能量流的方向

测试台和测量采集

系统中,电气量和机械量的采集和分析需要大量的测量点。

机械量包括转速,扭矩和转角,电气量包括相关的 相电压/相电流等。DC 电压和电流用于评估动态和静态操作行为。

图 3 展示的是发送到 GEN3i 数据记录仪的系统采集量。

图 3: 系统测量量

测试台和测量采集结构如下:

  • 被测电机是是永磁同步电机(PSM),由 DTLI 供电。每个逆变器由一个锂电池组提电。转子位置通过分解器计算。
  • 工作参数通过一个 CAN 接口分配。
  • 测功机是由单独的逆变器供电,通过速度控制的永磁同步电机。转速由增量编码器测量。
  • 相电流使用LEM IT 400 S型高精度电流传感器测量。精度为 HBR 2.5,直接位于GEN3i 通道输入端。
  • 两个逆变器的相电压是采用人造星形连接,也直接在GEN3i上测量。
  • 电池电压通过 GEN3i 高压通道测量。
  • 扭矩和转速等机械量采用 HBM T12 扭矩传感器测量。通过 event IO 到 Txx 适配器和 GEN3i 连接。

图 4 显示的是被测电机, 图 5 显示的是为逆变器供电的锂电池。图 7 为 GEN3i 输入通道。

图 4:带T12扭矩传感器,电流传感器的测试台
图 5: 锂电池组为逆变器供电
图 6: GEN3i, PC 用于参数设置
图 7: GEN3i 输入,带分频器

实时功率计算

测量的原始数据可用于确定系统功率[2] [3]。相量用于计算输出侧逆变器的瞬时功率::

通过第二个逆变器的计数箭头的方向,负相电压有助于正功率输出:

有效功率由相电流的基本振荡周期T上的平均来确定:

以类似的方式确定输入侧的两个逆变器的有效功率:

电机的瞬时功率可以表示为相关相电压之间的差值乘以相电流:

或是两个逆变器功率之和:

通过转矩M 和转速 n 计算轴上的机械功率:

通过逆变器效率, 交变电压侧的量可以转换为直流电压测得量:

如果效率已知并且电池电压恒定,电流可以如下确定::

测量结果

以上描述的设备的特性为: 额定相电压 270 V, 额定相电流: 150 A, 额定扭矩: 190 Nm, 额定转速: 1500 rpm, 极对数: 2.

DTLI 两个 IGBT 逆变器可以同步, 开关频率为8 kHz。两个逆变器供电的锂电池组额定电压为 210 V。Two series of tests for determining the operating behavior of the DTLI and the electrical machine are described below as examples.

(A) 两个双能级逆变器能量分配

测量过程中,测功机控制速度为 750 rpm。被测电机由双能级逆变器供电,首先采用对称方式 (PAC,1 = PAC,2),然后采用非对称 方式(PAC,1 ≠ PAC,2)。电机的扭矩为 120 Nm。 图8显示了GEN3i计算的系统功率P. 逆变器的输入和输出功率以及电气和机械总输出。 您可以看到,例如,能量分布的变化仅影响前两个逆变器的功率,而不是所传送的电机功率。

(B) 双能级逆变器能量交换

对称供电从相同的电机设定点开始 (A), 在两个逆变器和锂电池之间开始能量交换。 最初为20A,然后为电池2分配30A和15A的所需负载电流(图10)。 图9显示了GEN3i计算的系统功率P. 在起始点对两个逆变器的电源的供电由能源交换时间 t 代替,大约 4.3 s。 逆变器1然后返回电机所需的能量以及对电池2充电所需的能量。

图 8: 系统功率 (A) 测定
图 9: 系统功率 (B) 测定
图 10: 电池电流(B) 测量

实时和后处理计算

图11中的有效功率曲线显示了逆变器1的输入和输出功率以及机械功率,在第4(A)中描述的测量的实时和后处理的两种计算方法的比较。两种方法返回相同的结果。

图11:在后处理和实时计算过程中的有效功率曲线

后处理计算公式

图12显示了在Perception中使用的公式表中的提取的公式。显示的是两个能量存储装置和逆变器1的输出功率的计算。

图 12: 后处理公式提取

试试计算公式

图13中显示的是实时功率计算。

这里也采用逆变器1的输入和输出有效功率作为代表值。请注意,后处理和实时计算之间的语法有一些差异。

图 13: 实时计算公式提取

参考

[1] Grandi, Gabriele; Rossi, Claudio; Lega, Alberto; Casadei, Domenico: Multilevel

Operation of a Dual Two-Level Inverter with Power Balancing Capability. In: Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, 2006, 603–610

[2] Teigelkötter J.: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-Efficient Electrical Drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013

[3] Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calculating Power Values with Perception Software]: www.hbm.com/en/3783/calculating-power-quantities-with-perception-software/