采用 Perception 軟件對脈寬調制逆變器進行功率測量
在電動和混合動力汽車測試中，需要進行高精度、高動態(tài)功率測量。為了評估這些測量結果，必須考慮驅動部件的功能和工作原理。
電動和混合動力汽車電驅動系統(tǒng)通常采用三相功率測量。本文介紹了脈寬調制逆變器的功能以及使用Perception軟件進行功率值計算的方法。
1. 介紹
電驅動是電動和混合動力汽車的重要組成部分之一 [1]。
圖1.1 顯示了電動汽車的驅動系， 電池直流電通過三相脈寬調制逆變器轉換為三相電流，以驅動三相電機。所使用的功率半導體取決于電池電壓的振幅。MOSFETs（金屬氧化物半導體場效應晶體管）通常用于低于100V的電池，更高的電壓需要使用IGBTs（絕緣柵雙極晶體管）。脈寬調制逆變器可為異步（感應）和同步電機供電。
電動車輛傳動系的測試與優(yōu)化需要革新性的測量儀器。必須能夠進行高精度，高動態(tài)功率測量并可進行各種中間值計算。
圖 1.1：電池驅動汽車傳動系的概略圖
2. 脈寬調制逆變器
脈寬調制逆變器轉換可將直流電壓轉換成具有可變頻率和振幅的交流電壓。由于簡單，兩級變換逆變器經(jīng)常被使用。 圖1.1 所示為三橋臂兩級變換逆變器電路圖。脈寬調制逆變器的每個橋臂都由帶兩個IGBT 的半橋及相應的功率二極管組成。MOSFETs 通常用于較低的電池電壓。采用MOSFETs的脈寬調制逆變器無需額外的功率二極管，因為他們是反向導電的。
通過半橋方式，直流母線的正極或負極連接到設備的連接點上（根據(jù)晶體管的開關狀態(tài)）。這里逆變器都在理想狀態(tài)下考慮。在激活狀態(tài)下(u=0)，逆變器和二極管沒有任何傳導損失，在非激活狀態(tài)下，理想狀況下應被禁用 (i=0)。 開關狀態(tài)也應無時間延遲。
兩級變換逆變器工作原理非常明確：當半橋輸出電壓的時間曲線被認為對應直流母線的“虛擬”中壓抽頭 M 。按照相應的控制信號，逆變器電壓eνM (ν=1, 2, 3) 可取值為 +Ud /2 （Sν=1）或 -Ud /2 （Sν=0）。
(2.01)
為計算設備的線電壓，第一個方程式為：
(2.02)
如果相關的 u1 + u2 + u3 = 0被考慮，逆變器的零系統(tǒng)可以這樣計算：
(2.03)
一個兩級變換逆變器有三個橋臂，每個橋臂有三個開關狀態(tài)，因此有23=8不同的電壓狀態(tài)。為了向電機提供可變頻率和電壓振幅，只有8種電壓狀態(tài)的逆變器需要采用更先進的控制策略。脈寬調制是一種開關控制策略，通過向電機提供不同長度的直流脈沖來實現(xiàn)可變頻率和電壓振幅。
圖2.1顯示了如何通過簡單正弦調制產(chǎn)生控制信號。一個三角電壓和期望的正弦電壓進行比對。如果正弦電壓比三角電壓大，將產(chǎn)生正電壓。如果小于三角形電壓，脈寬調制逆變器將轉換為負電壓。三角電壓頻率等于功率半導體開關的開關頻率。
圖2.1：三相脈寬調制逆變器產(chǎn)生控制信號。(該功能可以通過 Perception 軟件的PWM_INVERTER_CONTROL_1.pVWB 工作臺實現(xiàn)，并可在HBM網(wǎng)站中下載)。
3. 脈寬調制逆變器的功率測量
電機功率無法直接測量，其需要通過測量電壓和電流值來實現(xiàn)。測試方法在[3]中詳細描述。因為星形測量點無法直接獲取，星形電壓無法直接測量，但可以借助相—相電壓和人造星點來進行測量。
3.1 通過人造星點測量
因為星點電壓無法直接測量 (u1, u2, u3)，一般是通過 "人造星點" 來測量。如圖3.1 顯示，人造星點包括三個相同的高阻抗電阻。脈寬逆變器的瞬時功率可以通過計算星形電壓和電流 (i1, i2, i3) 完成。
(3.01)
圖3.2：通過人造星點測量功率
圖3.3顯示了人造星點的測量結果。在這個案例中，逆變器為一臺異步電機供電。盡管通過逆變器產(chǎn)生的是脈沖電壓，但電流依然是近似的正弦。因此，在功率測量中，電流信號用來推導用于平均值計算的周期時間。并且可通過比對電流周期和i1周期曲線來判斷電流周期是否正確。
三線電流的120°相移在圖中可以看出，通常，異步電機電流滯后電壓。
通過計算瞬時功率的平均值即可得到脈寬調制逆變器的總有效功率。等式3.02顯示了在Perception軟件中的計算過程。
(3.02)
視在功率S是電流和電壓的 RMS 值的乘積。RMS值是在一個周期內計算的。通過 cycleDetect命令即可獲得電流曲線 i1的周期。
視在功率在Perception軟件中按如下等式計算：
(3.03)
無功功率Q計算如下：
(3.04)
總無功功率是所有無功功率的總和。在 Perception 軟件中有效功率計算如下：
(3.05)
圖3.3：隨時間推移的測量值 (i1,i2,i3,u1,u2,u3) 和計算出的功率 (P,Q,S) 。(相關的測量通過 Perception 軟件獲得: Artificial Star Measurement_V1.pNRF)
3.2 相-相電壓功率測量
相-相電壓可以用于測量星形電壓：
(3.06)
相-相電壓的計數(shù)方向從圖3.4中可見。各種功率值的計算見章節(jié) 3.1。
星點電壓的測量可以檢測電驅動系統(tǒng)的不平衡。不平衡意味著一個或多個相電壓或電流不均勻。這些不平衡可能表示控制、電機或逆變器有問題。
圖 3.4：相-相電壓功率測量
4. 總結
這份報告解釋了如何對脈寬調制逆變器 進行功率計算。首先描述了逆變器的功能和原理，并描述了通過星形電壓、相-相電壓和人造星點等方式進行功率計算的方法。
最好采用人造星點的方式，這樣更容易解讀結果。所有的計算過程都可通過Perception軟件完成。Perception用戶可以在網(wǎng)站上下載使用相關的數(shù)據(jù)集和公式。
5. 參考書
[1] D. Eberlein; K. Lang; J. Teigelk?tter; K. Kowalski: Elektromobilit?t 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. Teigelk?tter: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-efficient electric drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013
[3] Berechnung von Leistungsgr??en mit Perception-Software [Calculating power values with Perception software] https://www.hbm.com/de/3783/berechnung-von-leistungsgroessen-mit-perception-software/
[4] www.hbm.com
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