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加速電機(jī)測(cè)試生產(chǎn)力和數(shù)據(jù)分析
自從高效電機(jī)的出現(xiàn)，電機(jī)效率評(píng)估變得非常重要。主要問(wèn)題是如何安全，準(zhǔn)確，快速地獲得所有工作點(diǎn)的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)效率。傳統(tǒng)功率分析儀測(cè)試方法無(wú)法提供充分的測(cè)試結(jié)果。為了精確分析，所有電氣，機(jī)械和物理信號(hào)必須高采樣率同步采集，并可實(shí)時(shí)定制分析將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詣?dòng)化系統(tǒng)，準(zhǔn)確，快速地執(zhí)行電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器效率映射 ，以及各種類型高級(jí)分析。
典型和新測(cè)試方法對(duì)比
電驅(qū)動(dòng)器用于各種應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車，船用電機(jī)，高速列車，飛機(jī)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器，叉車和風(fēng)能工業(yè)等。其關(guān)鍵在于安全，準(zhǔn)確，快速地設(shè)計(jì)和測(cè)試整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所有工作點(diǎn)的最大效率。這包括逆變器，電機(jī)優(yōu)化或逆變器和電機(jī)之間的匹配以及驅(qū)動(dòng)策略，如圖1所示。
逆變器和電機(jī)匹配越好，效率越高。為了改善逆變器和電機(jī)之間匹配，電機(jī)需要通過(guò)逆變器進(jìn)行特性化，有時(shí)變頻器可能需要改進(jìn)算法來(lái)更有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這只能通過(guò)分析傳動(dòng)系所有工作點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)來(lái)完成。
電驅(qū)動(dòng)系包含許多需要記錄的信號(hào)，以便進(jìn)行分析以提高效率。參考圖2，信號(hào)包括高達(dá)1000伏的電池電壓和高達(dá)幾百安培的電流。逆變器產(chǎn)生高達(dá)+/- 1000伏的脈寬調(diào)制電壓，通常為3相，有時(shí)更多，電流高達(dá)幾百安培。扭矩傳感器可以記錄電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。通過(guò)電壓和電流的測(cè)量，能夠計(jì)算出電池和逆變器的電力功率，以及電機(jī)的機(jī)械功率。比率的計(jì)算產(chǎn)生了變頻器，電機(jī)和整個(gè)電力驅(qū)動(dòng)器的效率。通過(guò)比率可以得出電機(jī)，逆變器，電機(jī)以及完整電驅(qū)動(dòng)系效率。
圖 1. 簡(jiǎn)化電驅(qū)動(dòng)系
典型測(cè)試方法
電池電壓和電流通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，逆變器的輸出通常采用傳統(tǒng)的功率分析儀進(jìn)行測(cè)量，并且有時(shí)采用示波器來(lái)查看信號(hào)。為了測(cè)量機(jī)器輸出，一般使用扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不幸的是，傳統(tǒng)測(cè)試有以下幾個(gè)問(wèn)題：
所有記錄系統(tǒng)之間沒(méi)有時(shí)間同步;因此，在同一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械(轉(zhuǎn)矩/速度)和電氣(電壓/電流)信號(hào)之間的比較是非常困難或幾乎是不可能的
沒(méi)有原始數(shù)據(jù)可用;因此，無(wú)法進(jìn)行高級(jí)分析。
典型的功率分析儀每秒僅提供幾次計(jì)算，無(wú)法反饋?zhàn)銐虻男畔⒔o自動(dòng)化/控制系統(tǒng)。
功率計(jì)在動(dòng)態(tài)加載變化過(guò)程中不夠可靠，需要進(jìn)一步的測(cè)試和分析。
結(jié)果的驗(yàn)證是不可能的，因?yàn)闆](méi)有原始數(shù)據(jù)可用，如果有任何問(wèn)題，需要重新測(cè)試。
因此，對(duì)于問(wèn)題和錯(cuò)誤需要作出若干假設(shè);并根據(jù)這些假設(shè)進(jìn)行更改，然后重新測(cè)試，這是耗時(shí)且相當(dāng)昂貴的。
圖 2. 電驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集要求
圖 3. 電驅(qū)動(dòng)測(cè)試典型方法
新測(cè)試方法
圖4 概述了 HBM edrive 電驅(qū)動(dòng) 測(cè)試解決方案，這是一種革命性的工具，采用用高速數(shù)據(jù)采集功率分析儀，克服了典型測(cè)試方法的局限性。 優(yōu)勢(shì)包括：
同步記錄傳動(dòng)系統(tǒng)所有信號(hào)，能夠?qū)?,6或12相電機(jī)進(jìn)行機(jī)械和電氣跡線精確比較，并獲取更多的信號(hào)，如CAN，溫度，振動(dòng)和應(yīng)變等。
實(shí)時(shí)高級(jí)分析，如電機(jī)map圖等。并可立即獲得結(jié)果，而不是幾小時(shí)或幾天。
通過(guò)EtherCAT將實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果傳輸?shù)阶詣?dòng)化系統(tǒng)，每秒1000個(gè)結(jié)果。
即使在動(dòng)態(tài)加載，啟動(dòng)或減速期間，也可進(jìn)行半周期實(shí)時(shí)功率計(jì)算。
因?yàn)樵紨?shù)據(jù)可用，因此可對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。如果有任何問(wèn)題，則不需要重新測(cè)試。
圖 4. 電驅(qū)動(dòng)測(cè)試新方法，更快更精確
信號(hào)連接方法
實(shí)現(xiàn)最高的傳動(dòng)系效率需要最高的測(cè)量精度。我們來(lái)確定每種信號(hào)類型的最理想和最準(zhǔn)確的方法。
電流測(cè)量
通常來(lái)說(shuō)電流測(cè)量的誤差最大。因此，精確的電流測(cè)量方法對(duì)于效率計(jì)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(cè)量
有幾種測(cè)量高電壓的方法;然而，最重要的因素應(yīng)該是安全性和準(zhǔn)確性。盡管隔離放大器經(jīng)常成本更高，但其是高電壓測(cè)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(huì)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測(cè)量
為了進(jìn)行扭矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測(cè)量，應(yīng)使用高精度和高動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，至少0.05%到0.01%的精度。來(lái)自扭矩傳感器的所有信號(hào)應(yīng)以數(shù)字方式連接，以消除惡劣的測(cè)試環(huán)境中的干擾。
功率結(jié)果和快速高級(jí)分析
周期檢測(cè)
要正確計(jì)算任何功率結(jié)果，分析儀需要識(shí)別輸入信號(hào)的“周期”。使用高級(jí)算法，可以輕松檢測(cè)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(dòng)態(tài)負(fù)載變化過(guò)程中存在問(wèn)題。數(shù)字循環(huán)檢測(cè)可以在啟動(dòng)，減速或任何加載變化時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
下圖示出了包含幾個(gè)動(dòng)態(tài)加載變化的波形。其是當(dāng)制動(dòng)器或負(fù)載施加到傳動(dòng)系時(shí)產(chǎn)生的。使用原始數(shù)據(jù)顯示這些波形可進(jìn)一步分析逆變器特性。
高級(jí)分析
擁有所有的原始數(shù)據(jù)能夠讓用戶創(chuàng)建多種高級(jí)自定義公式，可以實(shí)時(shí)計(jì)算，顯示病傳輸?shù)阶詣?dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以輕松適應(yīng)傳統(tǒng)分析儀無(wú)法解決的各種應(yīng)用，包括：多相電機(jī)，混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和多級(jí)逆變器。
電機(jī)效率標(biāo)定加速
電機(jī)效率映射執(zhí)行速度快100倍，1000個(gè)工況點(diǎn)在大約100秒內(nèi)可完成，而傳統(tǒng)分析儀需要近3個(gè)小時(shí)，如圖10所示，節(jié)省了大量時(shí)間和成本。可以消除電機(jī)的溫度。典型的分析儀需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)解決變化的基頻，以獲得穩(wěn)定的結(jié)果，每10秒鐘只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)工況點(diǎn)。使用數(shù)字周期檢測(cè)，可以每半個(gè)周期執(zhí)行一次計(jì)算。還可以使用轉(zhuǎn)角和一些先進(jìn)的公式創(chuàng)建高級(jí)的電機(jī) map 圖，以進(jìn)一步了解電機(jī)特性，包括作為扭矩和速度的函數(shù)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(jī)器的最佳工作條件被繪制為d-和q-電流的函數(shù)。
圖10.效率電機(jī)映射執(zhí)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(tǒng)的三個(gè)a，b，c 空間矢量可以被轉(zhuǎn)換成表示所產(chǎn)生的扭矩矩和磁通量的兩個(gè)線性實(shí)體α和β。 將兩個(gè)iα和iβ波形顯示為XY圖可輕松顯示系統(tǒng)任何不平衡和控制行為。
圖11.轉(zhuǎn)換為iα和iβ并顯示在XY圖中的電流i1，i2，i3，顯示系統(tǒng)不平衡
Park或dq0變換
Park或dq0變換用于驗(yàn)證控制算法，典型的分析儀通常需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間。然而，新的測(cè)試方法可以計(jì)算和顯示即時(shí)的結(jié)果，從而節(jié)省大量的時(shí)間和成本。所得到的id和iq波形表示扭矩和磁通量的當(dāng)前分量。 0(零)分量用于衡量系統(tǒng)的對(duì)稱性和平衡度。如果電機(jī)完全平衡，0(零)分量為零。這使得驗(yàn)證控制算法更容易，因?yàn)槟孀兤鞲鶕?jù)id和iq結(jié)果作出決策，并且逆變器電子部件將它們轉(zhuǎn)換并發(fā)送電壓和電流到電機(jī)上。這有助于逆變器算法工程師了解他們發(fā)送到電機(jī)的內(nèi)容以及電機(jī)實(shí)際上做了什么。以改進(jìn)嘗試獲得更好結(jié)果的算法，從而提高效率。
圖12. Park或dq0轉(zhuǎn)換可以實(shí)時(shí)完成，而不是幾小時(shí)或幾天
結(jié)論
前文描述的新的效率測(cè)試方法是一個(gè)革命性的工具，大大節(jié)省了時(shí)間和成本，同時(shí)大大加快了分析電機(jī)，逆變器和驅(qū)動(dòng)系的能力。從而提高生產(chǎn)力。
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