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加速電機測試生產力和數據分析

自從高效電機的出現，電機效率評估變得非常重要。主要問題是如何安全，準確，快速地獲得所有工作點的電機或驅動效率。傳統功率分析儀測試方法無法提供充分的測試結果。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據傳輸到自動化系統，準確，快速地執行電動機和驅動器效率映射 ，以及各種類型高級分析。

典型和新測試方法對比

電驅動器用于各種應用，包括電動汽車，船用電機，高速列車，飛機電動輪驅動器和執行器，叉車和風能工業等。其關鍵在于安全，準確，快速地設計和測試整個傳動系統所有工作點的最大效率。這包括逆變器，電機優化或逆變器和電機之間的匹配以及驅動策略，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動電機。這只能通過分析傳動系所有工作點的原始數據來完成。

電驅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。逆變器產生高達+/- 1000伏的脈寬調制電壓，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。比率的計算產生了變頻器，電機和整個電力驅動器的效率。通過比率可以得出電機，逆變器，電機以及完整電驅動系效率。

圖 1. 簡化電驅動系

典型測試方法

電池電壓和電流通過數字萬用表測量，逆變器的輸出通常采用傳統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據采集系統。不幸的是，傳統測試有以下幾個問題：

• 所有記錄系統之間沒有時間同步;因此，在同一時間點進行機械（轉矩/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

• 沒有原始數據可用;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。

• 功率計在動態加載變化過程中不夠可靠，需要進一步的測試和分析。

• 結果的驗證是不可能的，因為沒有原始數據可用，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;并根據這些假設進行更改，然后重新測試，這是耗時且相當昂貴的。

圖 2. 電驅動數據采集要求

新測試方法

圖4 概述了 HBM edrive 電驅動 測試解決方案，這是一種革命性的工具，采用用高速數據采集功率分析儀，克服了典型測試方法的局限性。 優勢包括：

• 同步記錄傳動系統所有信號，能夠對3,6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，振動和應變等。

• 實時高級分析，如電機map圖等。并可立即獲得結果，而不是幾小時或幾天。

• 通過EtherCAT將實時計算結果傳輸到自動化系統，每秒1000個結果。

• 即使在動態加載，啟動或減速期間，也可進行半周期實時功率計算。

• 因為原始數據可用，因此可對結果進行驗證。如果有任何問題，則不需要重新測試。

  
  

圖 4. 電驅動測試新方法，更快更精確

信號連接方法

實現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，最重要的因素應該是安全性和準確性。盡管隔離放大器經常成本更高，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，轉速和轉角測量

為了進行扭矩，轉速和轉角測量，應使用高精度和高動態扭矩傳感器，至少0.05％到0.01％的精度。來自扭矩傳感器的所有信號應以數字方式連接，以消除惡劣的測試環境中的干擾。

功率結果和快速高級分析

周期檢測

要正確計算任何功率結果，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，但其在動態負載變化過程中存在問題。數字循環檢測可以在啟動，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加載變化的波形。其是當制動器或負載施加到傳動系時產生的。使用原始數據顯示這些波形可進一步分析逆變器特性。

高級分析

擁有所有的原始數據能夠讓用戶創建多種高級自定義公式，可以實時計算，顯示病傳輸到自動化系統。該系統還可以輕松適應傳統分析儀無法解決的各種應用，包括：多相電機，混合動力驅動和多級逆變器。

電機效率標定加速

電機效率映射執行速度快100倍，1000個工況點在大約100秒內可完成，而傳統分析儀需要近3個小時，如圖10所示，節省了大量時間和成本�？梢韵�除電機的溫度。典型的分析儀需要相當長的時間來解決變化的基頻，以獲得穩定的結果，每10秒鐘只能實現一個工況點。使用數字周期檢測，可以每半個周期執行一次計算。還可以使用轉角和一些先進的公式創建高級的電機 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。

圖10.效率電機映射執行速度提高100倍

Clarke（空間矢量）變換

Clarke（空間矢量）變換也可以加速。 表示三相系統的三個a，b，c 空間矢量可以被轉換成表示所產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圖可輕松顯示系統任何不平衡和控制行為。

圖11.轉換為iα和iβ并顯示在XY圖中的電流i1，i2，i3，顯示系統不平衡

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小時的時間。然而，新的測試方法可以計算和顯示即時的結果，從而節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前分量。 0（零）分量用于衡量系統的對稱性和平衡度。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id和iq結果作出決策，并且逆變器電子部件將它們轉換并發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送到電機的內容以及電機實際上做了什么。以改進嘗試獲得更好結果的算法，從而提高效率。

圖12. Park或dq0轉換可以實時完成，而不是幾小時或幾天

結論

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