Power Measurements on a Pulse Width Modulated Inverter with Perception Software

Accurate and highly dynamic power measurements are required for assessing and testing electric drives in industrial applications, and for hybrid and electric vehicles. To be able to evaluate these measurement results, the function and working method of the drive components must be considered.

The development of electric-hybrid vehicles requires three-phase (3-phase) power measurements on electric drives. This article describes the function of the pulse width modulated inverter as well as the calculation of power values with the Perception software.

1. Introduzione

Gli azionamenti elettrici offrono un'ampia gamma di possibilità d'impiego nei veicoli stradali ad energia rinnovabile [1]. Il veicolo funzionante a batterie è una variante semplice e trasparente.

La Fig. 1.1 mostra il gruppo di trasmissione di questo tipo di veicolo elettrico. La tensione continua (CC) della batteria del veicolo viene convertita dall'inverter modulato ad ampiezza d'impulso trifase in una corrente trifase, e poi collegata ad un motore trifase. A seconda dell'ampiezza della tensione della batteria, vengono impiegati semiconduttori di potenza differenti. Per tensioni della batteria inferiori a 100 V s'impiegano MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), mentre per tensioni più alte si usano IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Quali motori elettrici si utilizzano tipicamente macchine asincrone o sincrone.

Per provare ed ottimizzare i gruppi di trasmissione di un veicolo elettrico sono necessari strumenti di misura innovativi. Essi devono consentire sia misurazioni di potenza di alta precisione che il calcolo di svariati valori intermedi.

Fig. 1.1: Schematizzazione del gruppo di trasmissione di un veicolo elettrico funzionante a batterie

Pulse Width Modulated Inverter

A pulse width modulated inverter converts a DC voltage into an AC voltage with variable frequency and amplitude. Due to its simplicity, the two- level inverter is frequently used. Fig. 1.1 shows the circuit diagram of a three--leg, two-point inverter. Each leg of the pulse width modulated inverter consists of a half-bridge with two IGBTs and the corresponding power diodes. MOSFETs can also be used for lower battery voltages. No additional diodes are required for pulse width modulated inverters with MOSFET, as they are reverse-conducting.

A half bridge connects a connection point in the machine (depending on the switching state of the transistors) with the positive or negative pole of the DC link. In the ideal inverter initially considered here, the switches and diodes should not have any conducting losses in the activated state (u = 0), and in the deactivated state, should ideally be disabled (i = 0). The switching state should also involve no time delay.

The working method of a two-point inverter is especially clear when the time curve of the output voltage of a half bridge is considered against a "virtual" medium voltage tap M in the DC link. The inverter voltages eνM with ν = 1, 2, 3, according to the corresponding control signal, can take on the value +Ud /2 with Sν = 1 or the voltage value -Ud /2with Sν = 0.

 


(2.01)


Per calcolare le tensioni di linea nella macchina, si devono prima definire le equazioni dell'anello:



(2.02)

Considerando la correlazione u1 + u2 + u3 = 0, si può calcolare lo zero di sistema delle tensioni dell'inverter:  

(2.03)

 

A three-phase inverter has three legs and two switches per leg, resulting in only 2³ =8 different voltage states. This limited number of voltage states has created the need for advanced control in inverters in order to supply variable frequency and voltage amplitude to motors. Pulse width modulation is a switching control strategy that allows for a spectrum of voltage amplitudes and frequencies to be achieved with the 8 switching states. It does this by supplying DC pulses of different lengths to the motor, which are effectively a sine wave when switched at a high enough frequency.

Fig 2.1 shows how the control signals are generated with simple sine-triangle modulation. A triangular-shaped voltage is compared with the desired sine voltage. If the sine voltage is greater than the delta voltage, a positive voltage is generated. The pulse width modulated inverter switches to a negative voltage if the sinusoidal voltage is less than the delta voltage. The frequency of the triangular voltage is equivalent to the switching frequency at which the power semiconductors switch.

 

 

Fig. 2.1: Generazione dei segnali di controllo per un inverter trifase a modulazione d'ampiezza d'impulso (PWM). (Per gli utenti di Perception, le funzioni sono disponibili nel banco di lavoro ( work-bench) PWM_INVERTER_CONTROL_1.pVWB. Questo file è scar

3. Misurazioni di potenza su inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso

La potenza elettrica non può essere misurata direttamente, ma va calcolata dai valori di corrente e tensione misurati. Tale procedura è stata previamente descritta in dettaglio in [3]. Non essendo solitamente accessibile un centro stella, le tensioni della stella non possono essere misurate direttamente. I metodi di misura sono spiegati di seguito mediante un centro stella artificiale e con l'ausilio di una tensione fase a fase.

3.1 Misurazioni con centro stella artificiale

Se il centro stella del motore elettrico non è accessibile, non si possono misurare direttamente le tensioni (u1, u2, u3) della stella. Tuttavia, si rendono misurabili le tensioni mediante un "centro stella artificiale". Come mostrato in Fig. 3.1, un centro stella artificiale consiste di tre identici resistori ad alta impedenza. Si può calcolare la potenza istantanea fornita dall'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso con queste tensioni e correnti della stella (i1, i2, i3).


(3.01)

 


Fig. 3.2: Circuito di misura della potenza con un centro stella artificiale


La Fig. 3.3 mostra il risultato di una misurazione con centro stella artificiale. In questo caso l'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso alimenta una macchina asincrona. Le correnti e le tensioni vengono misurate su tutte le tre linee. Nonostante la tensione pulsante dell'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso, la corrente è ancora approssimativamente sinusoidale. Pertanto il segnale in corrente viene usato per derivare il ciclo temporale per il calcolo del valor medio nella misurazione della potenza. Si nota facilmente se il ciclo temporale sia stato rilevato correttamente confrontando la durata del periodo del segnale di corrente con la curva del ciclo i1.

Nel diagramma si può vedere lo sfasamento di 120° fra le tre correnti linea a linea. Come è usuale nel caso di macchine asincrone, la corrente è in ritardo rispetto alla tensione.

La potenza totale effettiva fornita dall'inverter a modulazione d'ampiezza d'impulso viene determinata calcolando il valor medio della potenza istantanea. L'Equazione 3.02 mostra la procedura in Perception.

(3.02)

La potenza apparente S è il prodotto del valore della corrente efficace (RMS) col valore della tensione efficace (RMS). I valori RMS sono calcolati per un periodo. La durata del periodo è determinabile dalla curva della corrente i1 col comando cycleDetect.

In Perception si può calcolare la potenza apparente con le seguenti equazioni:


(3.03)

La potenza reattiva Q si calcola come segue per ciascuna linea


(3.04)

 

La potenza reattiva totale è la somma delle singole potenze reattive.

In Perception si può calcolare la potenza reattiva con le seguenti equazioni:

 


(3.05)

 

Fig. 3.3: Valori misurati (i1,i2,i3,u1,u2,u3) e valori di potenza calcolati (P,Q,S) in funzione del tempo. (Per gli utenti di Perception queste misurazioni sono disponibili nel file: Artificial Star Measurement_V1.pNRF)

3.2 Misurazioni di potenza con tensioni fase a fase

Per calcolare le tensioni della stella si possono usare le tensioni fase a fase:


(3.06)

La direzione di conteggio della tensione fase a fase si vede nello schema 3.4. Vengono poi eseguiti ulteriori calcoli con le tensioni della stella per i vari valori di potenza come mostrato nella sezione 3.1.

La prestazione operativa di un motore elettrico si può facilmente interpretare con un centro stella artificiale, ad esempio se è coinvolto un punto operativo del motore o generatore. Il consumo asimmetrico di potenza si rileva più facilmente con le misurazioni con il centro stella artificiale piuttosto che con le misurazioni delle tensioni fase a fase.

Fig. 3.4: Diagramma per la misurazione di potenza con tensioni fase a fase

4. Sommario

Questa relazione ha spiegato le misurazioni di potenza su un convertitore ad impulsi, la cui struttura e funzionamento sono stati descritti per primi. Le misurazioni della potenza sono state spiegate utilizzando le tensioni a stella con l'ausilio del centro stella artificiale e con quello delle tensioni fase a fase. È preferibile eseguire le misurazioni usando il centro stella artificiale poiché è più facile interpretare i risultati. Tutti i calcoli necessari sono già implementati nel software Perception. Gli utenti di Perception possono scaricare le serie di dati e le formule da utilizzare dalla pagina iniziale (homepage) del sito HBM.

5. Referenze

[1]    D. Eberlein; K. Lang; J. Teigelkötter; K. Kowalski: Elektromobilität auf der Überholspur: Effizienzsteigerung für den Antrieb der Zukunft [Elettromobilità nella corsia di sorpasso: incremento dell'efficienza per gli azionamenti del futuro]; proceedings of the 3rd conference of Innovation Messtechnik [Innovazione nella Tecnologia di Misura]; 14 Maggio 2013

[2]    J. Teigelkötter: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Azionamenti elettrici energicamente efficienti], 1a edizione, Springer Vieweg Verlag, 2013 

[3]    Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calcolo dei valori di potenza col software Perception] http://www.hbm.com/de/menu/tipps-tricks/messdatenerfassung/berechnung-von-leistungsgroessen-mit-perception-software/

[4]    www.hbm.com

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