脉宽调制逆变器的功率测量方法

采用 Perception 软件对脉宽调制逆变器进行功率测量

在电动和混合动力汽车测试中，需要进行高精度、高动态功率测量。为了评估这些测量结果，必须考虑驱动部件的功能和工作原理。

电动和混合动力汽车电驱动系统通常采用三相功率测量。本文介绍了脉宽调制逆变器的功能以及使用Perception软件进行功率值计算的方法。

1. 介绍

电驱动是电动和混合动力汽车的重要组成部分之一 [1]。

图1.1 显示了电动汽车的驱动系， 电池直流电通过三相脉宽调制逆变器转换为三相电流，以驱动三相电机。所使用的功率半导体取决于电池电压的振幅。MOSFETs（金属氧化物半导体场效应晶体管）通常用于低于100V的电池，更高的电压需要使用IGBTs（绝缘栅双极晶体管）。脉宽调制逆变器可为异步（感应）和同步电机供电。

电动车辆传动系的测试与优化需要革新性的测量仪器。必须能够进行高精度，高动态功率测量并可进行各种中间值计算。

图 1.1：电池驱动汽车传动系的概略图

2. 脉宽调制逆变器

脉宽调制逆变器转换可将直流电压转换成具有可变频率和振幅的交流电压。由于简单，两级变换逆变器经常被使用。 图1.1 所示为三桥臂两级变换逆变器电路图。脉宽调制逆变器的每个桥臂都由带两个IGBT 的半桥及相应的功率二极管组成。MOSFETs 通常用于较低的电池电压。采用MOSFETs的脉宽调制逆变器无需额外的功率二极管，因为他们是反向导电的。

通过半桥方式，直流母线的正极或负极连接到设备的连接点上（根据晶体管的开关状态）。这里逆变器都在理想状态下考虑。在激活状态下(u=0)，逆变器和二极管没有任何传导损失，在非激活状态下，理想状况下应被禁用 (i=0)。 开关状态也应无时间延迟。

两级变换逆变器工作原理非常明确：当半桥输出电压的时间曲线被认为对应直流母线的“虚拟”中压抽头 M 。按照相应的控制信号，逆变器电压eνM (ν=1, 2, 3) 可取值为 +Ud /2 （Sν=1）或 -Ud /2 （Sν=0）。

(2.01)

为计算设备的线电压，第一个方程式为：

(2.02)

如果相关的 u1 + u2 + u3 = 0被考虑，逆变器的零系统可以这样计算：

(2.03)

一个两级变换逆变器有三个桥臂，每个桥臂有三个开关状态，因此有2³=8不同的电压状态。为了向电机提供可变频率和电压振幅，只有8种电压状态的逆变器需要采用更先进的控制策略。脉宽调制是一种开关控制策略，通过向电机提供不同长度的直流脉冲来实现可变频率和电压振幅。

图2.1显示了如何通过简单正弦调制产生控制信号。一个三角电压和期望的正弦电压进行比对。如果正弦电压比三角电压大，将产生正电压。如果小于三角形电压，脉宽调制逆变器将转换为负电压。三角电压频率等于功率半导体开关的开关频率。

图2.1：三相脉宽调制逆变器产生控制信号。(该功能可以通过 Perception 软件的PWM_INVERTER_CONTROL_1.pVWB 工作台实现，并可在HBM网站中下载)。

3. 脉宽调制逆变器的功率测量

电机功率无法直接测量，其需要通过测量电压和电流值来实现。测试方法在[3]中详细描述。因为星形测量点无法直接获取，星形电压无法直接测量，但可以借助相—相电压和人造星点来进行测量。

3.1 通过人造星点测量

因为星点电压无法直接测量 (u1, u2, u3)，一般是通过 "人造星点" 来测量。如图3.1 显示，人造星点包括三个相同的高阻抗电阻。脉宽逆变器的瞬时功率可以通过计算星形电压和电流 (i1, i2, i3) 完成。

(3.01)

图3.2：通过人造星点测量功率

图3.3显示了人造星点的测量结果。在这个案例中，逆变器为一台异步电机供电。尽管通过逆变器产生的是脉冲电压，但电流依然是近似的正弦。因此，在功率测量中，电流信号用来推导用于平均值计算的周期时间。并且可通过比对电流周期和i1周期曲线来判断电流周期是否正确。

三线电流的120°相移在图中可以看出，通常，异步电机电流滞后电压。

通过计算瞬时功率的平均值即可得到脉宽调制逆变器的总有效功率。等式3.02显示了在Perception软件中的计算过程。

(3.02)

视在功率S是电流和电压的 RMS 值的乘积。RMS值是在一个周期内计算的。通过 cycleDetect命令即可获得电流曲线 i1的周期。

视在功率在Perception软件中按如下等式计算：

(3.03)

无功功率Q计算如下：  

(3.04)

总无功功率是所有无功功率的总和。在 Perception 软件中有效功率计算如下：

(3.05)

图3.3：随时间推移的测量值 (i1,i2,i3,u1,u2,u3) 和计算出的功率 (P,Q,S) 。(相关的测量通过 Perception 软件获得: Artificial Star Measurement_V1.pNRF)

3.2 相-相电压功率测量

相-相电压可以用于测量星形电压：

(3.06)

相-相电压的计数方向从图3.4中可见。各种功率值的计算见章节 3.1。

星点电压的测量可以检测电驱动系统的不平衡。不平衡意味着一个或多个相电压或电流不均匀。这些不平衡可能表示控制、电机或逆变器有问题。

图 3.4：相-相电压功率测量

4. 总结

这份报告解释了如何对脉宽调制逆变器 进行功率计算。首先描述了逆变器的功能和原理，并描述了通过星形电压、相-相电压和人造星点等方式进行功率计算的方法。

最好采用人造星点的方式，这样更容易解读结果。所有的计算过程都可通过Perception软件完成。Perception用户可以在网站上下载使用相关的数据集和公式。

5. 参考书

[1]   D. Eberlein; K. Lang; J. Teigelkötter; K. Kowalski: Elektromobilität 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. Teigelkötter: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-efficient electric drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013

[3]   Berechnung von Leistungsgrößen 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