為高精度的測量SiC變頻器和電機驅動系統的功率，效率，損耗

前言

  
在EV和HEV，軌交等領域，讓電機驅動系統高效率化，小型化，都是一個重要的課題。而為了能夠讓構成電機驅動系統主要元素的變頻器能夠實現高效率化，小型化，SiC功率半導體已經開始被人們所使用。通過使用SiC功率半導體，可以使開關頻率趨于高頻化，繼而達到讓被動元器件小型化的目的。又或是利用低ON電阻的特性，可以達到低損耗等等的目的。想要評估電機的驅動系統，就必須要進行準確的功率測量。而對象是SiC變頻器時，就需要用到比以往更高的帶寬去高精度的測量功率才行。在本稿中，我們會對SiC變頻器以及電機驅動系統的功率，效率，損耗測量相關的技術經驗，以及實測結果等等給大家做一個介紹。
 

變頻器?電機的效率測量
 

要評估含有變頻器或馬達的電機驅動系統時，可以通過測量變頻器的輸入輸出功率和馬達功率，然后計算輸入輸出的比率和差來測量效率，損耗。圖Fig.1中所示的是一般測量電機驅動系統效率時的測量結構圖。

Fig.1：電機驅動系統的效率測量
 

變頻器和馬達的輸出會隨著時間而發生變化。所以，需要分別在各自的測量點設置測量儀器。而計算效率和損耗時，會因為測量的時機不同步，或運算方法的差異導致很難進行準確的測量。因此，需要使用1臺測量儀器，或者對多臺測量儀器進行同步控制去測量。
 

使用功率分析儀的話就能滿足這個要求。普通的功率分析儀會有4ch~6ch去進行功率測量，并且自帶馬達分析功能?？梢詫π屎蛽p耗進行高精度的測量。

  講的更細致的話，進行功率運算時的會用到時間區域，而根據劃分的時間區域不同，也會發生變化。功率分析儀是檢測出輸入波形的零位交叉點，然后確定運算的區域的。一般來說，會把零位交叉作為要檢測的信號的同步源，可以在各通道內自定義設置。因為設置了最合適的同步源就能穩定的測量到功率了，那么效率，損耗也就能高精度的進行測量了。比如，變頻器的輸入是DC的話，可以通過把輸入輸出通道設一樣的同步源，來讓運算區域一致。通過這個，就能穩定的測量效率，損耗了。舉個例子，如圖Fig.1所示，雖然測量的是2個點位的功率，和1個馬達功率，通過把所有通道的同步源設置為變頻器的輸出電流，就能穩定的測量了。
 

變頻器輸入功率的測量
 

  為了測量到效率，損耗，就需要先測量到進入到變頻器里的輸入功率。這個輸入功率，就是效率，損耗測量的基準。一般，變頻器的輸入為DC或是AC工頻電源。如果輸入輸出的功率值出現測試誤差的話，對效率值，損耗值也會有較大的影響。所以，需要用較高的精度去測量變頻器的輸入功率。比如，變頻器的效率為99%時，如果輸入功率的測試值有0.5%的誤差的話，那么對損耗的計算就會出現50%的誤差。雖然說用一般的波形記錄儀器也能進行功率的運算，但需要注意的是在自己想要測量的帶寬上，是否標有足夠的精度。
 

  特別在測量DC的時候，在測量前需要注意調整功率分析儀以及電流傳感器的DC失調等。功率分析儀中有帶調零功能的話，那么在測量前，就需要讓功率分析儀以及電流傳感器處于0輸入的狀態下，執行調零。這樣才能抵消測量儀器的DC失調，準確的測量到DC。
 

變頻器輸出功率的測量
 

變頻器輸出是受到PWM調制的，其中含有開關頻率和高次諧波成分。所以，比起DC或工頻，需要進行更高帶寬的功率測量。在這里，我們先探討一下測量開關頻率和諧波中的功率時所需要的帶寬。如Fig.2所示，是變頻器驅動電機時馬達的等效電路。

Fig.2：馬達的等效電路（1個相）

因為馬達的線圈上是含有電感成分的，所以諧波的電流很難流進馬達中去。而電壓因為是PWM波形，所以和矩形波相似。此時，電流的波形是三角波。在頻率的領域中去計算三角波的有效值的話，只要能夠測量到5次為止的高次諧波成分，就能把有效值的測量誤差控制在0.1%以下。在這里，某個頻率下的有功功率Pf，可以用電壓Uf和電流If，和電壓電流的相位差θf，用以下的公式表示。

所以，電壓，電流只要有1個為0，那么其頻率成分下的有功功率就變為0了。從0.1%的測量精度上去考慮的話，就如前面所說的，開關頻率7次以上的諧波成分的電流，是可以無視的。所以，要以0.1%以下的精度去測量開關頻率和其諧波下的功率的話，就需要能夠準確測量其開關頻率的5倍~7倍為止的帶寬下的電壓?電流?相位差。只是，實際上電機的損耗中，除了要加上Fig.2中的電阻成分，還有磁性物體的鐵損，線圈的趨膚效應等造成的損耗。這些損耗都有頻率變高，損耗就會增大的傾向。所以為了能夠更為準確的測量開關頻率和其諧波下的功率，就需要用到稍微再高一些的頻率帶寬。實際上需要的頻率帶寬，是受各自損耗的頻率特性等所左右的。

  
實際測量SiC變頻器驅動電機時的電壓電流波形和FFT結果如圖Fig.3所示。

Fig.3:SiC變頻器驅動電機時的實際波形，FFT結果
 

測量對象的詳細參數顯示在Table 1中。因電壓是PWM波形，去看FFT的話就會發現存在著超過1MHz的頻率成分。一般的功率分析儀，是沒有能夠準確測量電壓波形的測量帶寬的?？措娏鞯脑挘漕l率成分只到200kHz左右。使用功率分析儀PW6001測量。

Table 1：所測量的SiC變頻器和電機的配置。

另外，看波形的話也是近似正弦波的。就像前文中所述的，電機中因為含有電感成分，高頻的電流不是那么容易流通的。

  
綜上所述，要準確的測量變頻器的輸出功率，就需要用到特性良好的功率分析儀。其能力，最少也要在開關頻率的5倍~7倍下才能夠準確的測量電壓?電流?相位差。而SiC變頻器的開關頻率正向著高頻化的方向發展，所需要的帶寬也就變得更高了。
 

通常測量電機驅動系統的電流時，大多都會用到電流傳感器。這里有一個問題就是電流傳感器的相位誤差。  

  
所有的電流傳感器，都有隨著測量頻率的增高，相位誤差變大的傾向。這也是在測量高頻功率時，會成為誤差的一個主要因素。如圖Fig.2中所示，在高頻下電機的線圈的電感會成為支配性的存在。

  
所以，高頻下的開關頻率和其諧波的功率，就會成為低功率因數。用公式（1）去考慮的話，低功率因數（θ≈90°）下相位誤差對功率的測試值的影響就會變得非常大。那么在高頻下，如果不去補償電流傳感器的相位誤差的話，就無法高精度的去測量功率。而HIOKI所生產的功率分析儀PW6001，就如圖Fig.4中所示，帶有對電流傳感器的相位誤差的補償功能。通過這個相位補償的功能，就能更為準確的測量變頻器的輸出功率了。

Fig.4:電流傳感器相位誤差的補償

馬達功率的測量

為了測量電機，以及電機驅動系統的整體效率，損耗，馬達的功率也是需要去測量的。馬達功率Pm【W】是用公式（2）去計算的，所以需要分別測量扭矩T（N?m）和轉速n【rpm】。

轉速n【rpm】是由轉速計或脈沖編碼器去測量的，而扭矩T【N?m】是用扭力表測量的。要測量效率，損耗，就需要把功率和馬達功率同時測量。所以，使用的功率分析儀還需要能夠接受轉速計和扭力表的信號輸入。

搭載SiC功率半導體變頻器的效率測量示例

  測量由SiC變頻器驅動電機時的變頻器效率的測量結果如圖Fig.5所示。

Fig.5：變化功率分析儀PW6001的LPF截止頻率時SiC變頻器效率的測量結果

  
圖中使用的是HIOKI生產的功率分析儀PW6001和電流輸入盒PW9100，把PW6001的LPF的截止頻率從1kHz~2MHz變化后得到的測量結果。測量對象和Table1是一樣的。截止頻率在10kHz~50kHz的效率測量值有一個很大的變化。這個變化，就能區分是否有準確的測量到開關頻率和其高次諧波成分下的功率了。也就是說，10kHz以下的時候，測量的效率值是與馬達轉速同步的基波成分和其諧波成分的功率。而50kHz以上時，效率值就是要測量開關頻率和其高次諧波成分的功率了。在50kHz以上時，伴隨著截止頻率的高頻化，效率的測量值也會變高。這是因為相對開關頻率的高次諧波成分，能夠更高次的測量到諧波成分的原因。

  
綜上所述，使用HIOKI PW6001功率分析儀，就能以2MHz的帶寬，高精度，高穩定的去準確測量到電機驅動系統的效率，損耗了。這是因為，它能夠在準確測量到開關頻率和其諧波成分的功率的基礎上，進行效率，損耗的測量。

同相電壓的影響

 
如圖Fig.6中所示的是測量3相3線接線的變頻器輸出功率時的電壓接線圖。

Fig.6：測量變頻器輸出功率時的接線（3P3W3M）

  
在測量電壓時，因為測量的是線間的電壓，所以在功率分析儀的各通道中會被施加上較大的同相電壓。另外，這個同相電壓是含有開關頻率和其諧波成分的。

  
所以，就需要用到在高頻下的共模抑制比（CMRR）高的功率分析儀去進行測量。在CMRR為80dB時，對顯示值的影響為同相電壓的0.01%。也就是說，被輸入100V的同相電壓時，對顯示值的影響就有0.01V。

  
如圖Fig.7中所示的，就是測量SiC變頻器線間電壓和同相電壓的結果。

Fig.7：變頻器輸出電壓的共模電壓

看FFT的結果就會發現，和Fig.3是一樣的。從這個結果中可以知道，同相電壓中也含有開關頻率和諧波成分。所以，隨著開關頻率的高頻化，可以說同相電壓也在趨于高頻化的發展。采用SiC功率半導體的變頻器的開關頻率，正向著高頻化方向發展。所以，在高頻下，需要用到CMRR較高的功率分析儀。

電流傳感器的抗干擾措施

  
在測量額定功率較大的電機或變頻器時，就需要測量到數百A的大電流了。對于大電流的測量一般是用電流傳感器的。而從變頻器中會發生較大的干擾，為了能夠準確測量功率，在電流傳感器本身和電流傳感器輸出信號的途徑上，都需要做好防干擾的措施。HIOKI針對以上情況，提供著各種功率分析儀用的抗干擾高精度電流傳感器。只要把功率分析儀和電流傳感器用自帶的專用連接器連接，就能做到高抗干擾的功率測量了。

功率分析儀的頻率帶寬和采樣頻率

  
一般的功率分析儀的采樣頻率和模擬帶寬的關系，如圖Fig.8中所示。大多功率分析儀測量時輸入到電路中的模擬帶寬，要比采樣頻率fs的頻率的一半fs/2還要高。

Fig.8：功率分析儀的頻率帶寬和采樣頻率的關系

此時，存在在比fs/2更高頻率中的電壓?電流成分，就會返回作為干擾出現在低頻領域之中。這種現象我們一般稱他為混疊。像PWM波形這種在高帶寬上含有頻率成分的測量對象，會無法區分是返回的噪音，還是實際的信號。這也是測量功率時造成測量精度差，或者重現性低的一個重要因素。另外，在做諧波分析的時候，返回的噪音和實際的諧波是無法區別的。為此，會檢測出假的諧波成分等等，無法正確的分析。就像圖Fig.3中所示，變頻器的輸出電壓中會存在超過1MHz的成分。而一般功率分析儀的的采樣頻率在100kHz~5MHz左右。所以，就是說會有超過fs/2頻率的電壓成分存在。此時，模擬帶寬和采樣頻率就像Fig.8中的關系的話，會無法正確測量。為了正確測量，需要把模擬帶寬限制在fs/2以下。也就是說，實際上可以使用的帶寬，只有采樣頻率的一半以下。

  綜上所述，為了對變頻器的輸出功率進行測量，分析，就需要使用根據上述采樣原理去設計的測量儀器。而HIOKI的功率分析儀，就是按照這個采樣原理去設計的。比如功率分析儀PW6001，針對模擬帶寬2MHz/-3dB，采樣頻率就有5MHz?？梢酝瑫r進行高帶寬的功率測量和正確的高次諧波分析以及FFT分析。

總結

在本稿中，我們一邊參考實測案例，一邊對變頻器，電機的效率，損耗測量中所需要關注的測量要點，測量儀器需要具備的要素進行了介紹。特別是對近幾年開始使用的SiC變頻器相關的測量要點，以及和以往測量變頻器時的不同之處，注意點進行了介紹。通過實測，我們發現在排除了各種會產生誤差的因素之后，才能夠高精度，高穩定的測量到數據。如果您在對SiC變頻器或電機驅動系統的功率，效率，損耗做測量時，看了本文能給您提供一些參考，我們會非常榮幸！