脈寬調(diào)制(PWM) 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器電源的測(cè)試分析（上）
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自電機(jī)工程誕生以來，三相交流馬達(dá)一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、費(fèi)效比高，需要少量維修或根本不需要維修。此外，交流馬達(dá)（如感應(yīng)馬達(dá)和磁阻馬達(dá)）無需與轉(zhuǎn)子的電氣連接，因此很容易實(shí)現(xiàn)阻燃，用于危險(xiǎn)環(huán)境（如礦山）。
為了提供適當(dāng)?shù)慕涣黢R達(dá)速度控制，必須為馬達(dá)提供三相電源，其電壓和頻率可以變化。這種電源將在定子中形成一個(gè)變速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子按照所需的速度旋轉(zhuǎn)，且滑動(dòng)很小，如圖1所示。這個(gè)交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器可以高效提供從零速到全速的全轉(zhuǎn)矩，如果需要的話，還可以超速，而且通過改變相位旋轉(zhuǎn)，可以很容易使馬達(dá)雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。具有這些特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器稱作脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。
交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖
脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器可以生成復(fù)雜波形，如在到馬達(dá)的輸出上，以及到驅(qū)動(dòng)器的電源上。本博文將分兩部分，探討馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的電氣測(cè)量話題。
2.對(duì)脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的測(cè)量
表1給出了脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的典型測(cè)量。
表1. 常見的脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器測(cè)量
3.馬達(dá)輸出測(cè)量
圖1說明，通過在馬達(dá)輸出軸安裝轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器，可以對(duì)馬達(dá)輸出進(jìn)行測(cè)量。
圖1.馬達(dá)輸出測(cè)量
3.1轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器
轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器生成的電信號(hào)與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成正比。通過測(cè)量這些信號(hào)，可以確定馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從這些測(cè)量結(jié)果中可以計(jì)算馬達(dá)輸出功率。
3.2轉(zhuǎn)矩
馬達(dá)轉(zhuǎn)矩是在其輸出軸上形成的旋轉(zhuǎn)力，它是一個(gè)扭力，其單位是牛頓米(Nm)或英尺磅(1英尺磅=1.3558 Nm)。對(duì)于小型馬達(dá)而言，其轉(zhuǎn)矩額定值低于1 Nm；對(duì)于大型馬達(dá)而言，其轉(zhuǎn)矩額定值達(dá)到幾千Nm。
通過旋轉(zhuǎn)應(yīng)變計(jì)以及利用固定接近、磁致伸縮和磁彈性傳感器，可以測(cè)量轉(zhuǎn)矩。這些傳感器都是溫度敏感型的。旋轉(zhuǎn)傳感器必須安裝在轉(zhuǎn)軸上，由于空間受限，這并非總能行得通。
為測(cè)量轉(zhuǎn)矩，應(yīng)變計(jì)往往直接安裝在轉(zhuǎn)軸上。由于轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩傳感器必須通過滑環(huán)、無線通信或電感耦合與外邊世界耦合。
3.3轉(zhuǎn)速
馬達(dá)轉(zhuǎn)速通常以每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM)來描述，即它在1分鐘內(nèi)沿固定軸旋轉(zhuǎn)的完整圈數(shù)。
轉(zhuǎn)速傳感器輸出可能是一個(gè)與轉(zhuǎn)速成正比的模擬電壓。更普遍的是，轉(zhuǎn)速傳感器輸出是一個(gè)由馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上圓盤生成的TTL脈沖。通過測(cè)量TTL信號(hào)頻率，并應(yīng)用比例因數(shù)，可以確定馬達(dá)轉(zhuǎn)速。
例如，如果轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈生成n個(gè)脈沖，那么每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM)可以計(jì)算為：
3.4實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量與電氣測(cè)量相結(jié)合
為了確定馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器組合的效率，必須考慮系統(tǒng)的電氣輸入以及在馬達(dá)輸出端生成的機(jī)械功率。馬達(dá)輸出功率是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積：
馬達(dá)輸出功率(W)=轉(zhuǎn)矩(Nm)× 轉(zhuǎn)速(弧度/秒)
= 轉(zhuǎn)矩(Nm)× 轉(zhuǎn)速(RPM)×
注意：1ft-lb=1.3558Nm(牛頓米)
1HP=745.7W
通過以下公式，可以計(jì)算系統(tǒng)效率：
為了進(jìn)行這些測(cè)量，PA4000包括傳感器輸入端，用于連接轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器。通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)器輸入端消耗的電力、以及馬達(dá)輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使用一臺(tái)儀器就可以測(cè)量出系統(tǒng)效率。
4.驅(qū)動(dòng)器輸出測(cè)量
脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的輸出波形非常復(fù)雜，由一系列高頻分量(因載波)和低頻分量(因基波)組合而成。
對(duì)大多數(shù)功率分析儀來說，這帶來的問題是：如果在高頻測(cè)量，那么波形中的低頻信息將丟失；如果濾除脈寬調(diào)制波形在低頻測(cè)量，那么高頻數(shù)據(jù)將丟失。這個(gè)難題的出現(xiàn)是因?yàn)樵诘皖l對(duì)波形進(jìn)行調(diào)制。因此，高頻測(cè)量(如總電壓有效值、總功率等)必須在高頻處進(jìn)行，但必須超出輸出波形低頻分量的整數(shù)倍。
泰克PA4000功率分析儀利用脈寬調(diào)制輸出測(cè)量的特殊工作模式克服了這個(gè)難題。它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，并實(shí)時(shí)計(jì)算總體數(shù)量，包括所有諧波和載波分量。與此同時(shí)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化濾波，提供低頻測(cè)量，如輸出頻率的基波分量和測(cè)量。
除了從同一測(cè)量中獲得低頻和高頻結(jié)構(gòu)外，該技術(shù)允許高頻測(cè)量與低頻信號(hào)同步，這是提供精確和穩(wěn)定的高頻測(cè)量結(jié)果的唯一方法。
評(píng)論