Анализ характеристик преобразователя, двигателя и привода в 3-фазной сети

Измерения и анализ в трехфазных сетях сложнее, чем в однофазных сетях. Хотя осциллографы могут регистрировать формы сигналов напряжения и тока с высокой частотой дискретизации, необходимы дальнейшие вычисления для получения основной информации о мощности на основе данных. Трехфазное решение на основе осциллографа позволяет регистрировать формы сигналов напряжения и тока трехфазной сети с более высокой частотой дискретизации, увеличенной длиной записи с использованием режима сбора данных HiRes (до16 бит) и с поддержкой автоматизированных измерений для получения основных результатов проверки мощности. Преобразователи мощности с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), такие как частотно-регулируемые электроприводы, могут усложнить измерения, поскольку очень важно извлекать точные переходы через ноль для сигналов ШИМ, поэтому разработчикам двигателей рекомендуется использовать осциллограф для проверки и поиска неисправностей. Специальное программное обеспечение, разработанное для автоматизации анализа мощности преобразователей, двигателей и приводов, значительно упрощает важные измерения мощности трехфазной сети в системах ШИМ и помогает инженерам быстрее получить данные о конструкции. Решения для анализа преобразователей, двигателей и приводов (IMDA) от компании Tetronix помогает инженерам проектировать более совершенные и эффективные трехфазные системы электроприводов с использованием всех преимуществ расширенного пользовательского интерфейса, шести или восьми аналоговых входных каналов и режима высокого разрешения (16 бит) на MSO серии 5/серии 5 B/серии 6 B. Решение IMDA обеспечивает быстрые, точные и воспроизводимые результаты измерений электрических параметров промышленных двигателей и систем привода для асинхронных электродвигателей переменного тока, синхронных двигателей с постоянным магнитом (PMSM) и бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC). Его можно настроить для измерения параметров преобразователей постоянного тока в трехфазный переменный ток, например, используемых в электромобилях.

Основные функции и характеристики

Обзор измерений

В процессе проектирования преобразователей для трехфазной сети, таких как приводы с переменной частотой вращения, необходимо выполнить ряд измерений. Пакет анализа преобразователей, двигателей и приводов для MSO серии 5/серии 5 B/серии 6 В позволяет автоматизировать основные измерения электрических параметров, сгруппированных в специальную группу. Измерения можно настроить для измерения конфигурации входной или выходной проводки.

Измерения могут быть настроены для определения параметров 1V1I (1 фаза, 2-проводной), 2V2I (1 фаза, 3-проводной), 2V2I (3 фазы, 3-проводной), 1V1I (1 фаза, 2 проводной, пост. ток) или 3V3I (3 фазы, 3-проводной) и 3P4W (3 фазы, 4-проводной) для поддержки конфигурации питания двигателя. Измерения могут выполняться в линейном или фазном режиме для поддержки конфигураций «треугольник» или «звезда».

Гармоники

Формы сигналов мощности редко имеет форму классической синусоиды. Измерения гармоник позволяют разбивать несинусоидальные формы сигналов напряжения или тока на их синусоидальные компоненты, указывая частоту и амплитуду для каждого компонента.

Анализ гармоник может выполняться до 200-го^{порядка гармоник. Максимальный порядок гармоники можно настроить в соответствии с вашими требованиями, указав диапазон в конфигурации измерения. Для каждой фазы измеряются значения THD-F, THD-R и основные значения. Результаты измерения можно оценивать по стандарту IEEE-519 или IEC 61000-3-2 или в соответствии с пользовательскими пределами. Результаты проверки можно записать в подробный отчет, в котором будет указано состояние «годен/не годен».}

На графике гармоник отображаются результаты проверки для всех трех фаз, сгруппированных вместе, чтобы пользователь мог соотносить результаты проверки между фазами. Кроме того, на графике показаны визуальные результаты проверки. Полосы гармоник выделяются зеленым цветом в случае положительных результатов и красным цветом, если они выходят за пределы проверки. Это позволяет быстро получить представление о результатах при отладке конфигурации гармоник.

Качество электроэнергии

Это измерение обеспечивает важные дополнительные измерения качества электроэнергии для трехфазной сети, включая частоту и среднеквадратичные значения напряжения и тока, коэффициент амплитуды напряжения и тока, частоту ШИМ и фазовый угол для каждой фазы. Эта функция также показывает сумму активной мощности, сумма реактивной мощности и сумму компонентов полной мощности.

Кроме того, в конфигурации с фазовым режимом в этом измерении отображаются компоненты активной мощности, реактивной мощности и полной мощности всех трех фаз.

На векторной диаграмме могут быть показаны векторы напряжения и тока, чтобы можно было быстро оценить фазовый сдвиг для каждой фазы и баланс между фазами. Каждый вектор представлен среднеквадратичным значением, а фаза вычисляется методом дискретного преобразования Фурье (DFT).

Измерение качества электроэнергии можно настроить для важных измерений мощности в трехфазной сети на выходной стороне, включая частоту и среднеквадратичные значения напряжения и тока, коэффициент амплитуды напряжения и тока, частоту ШИМ, активную мощность, реактивную мощность, полную мощность, коэффициент мощности и фазовый угол для каждой фазы.

КПД

КПД — это измеренное соотношение выходной и входной мощности. Решение IMDA поддерживает КПД источника трехфазного переменного тока и конфигураций преобразователя. Используя метод 2V2I, можно измерить КПД источника трехфазного тока с помощью восьми каналов осциллографа (2 источника напряжения и 2 источника тока на стороне входа; 2 источника напряжения и 2 источника тока на стороне выхода). Решение позволяет рассчитывать КПД на каждой фазе (для конфигурации 3V3I) и общий (средний) КПД системы в зависимости от комбинаций входных и выходных проводов.

Анализ пульсации

Пульсация определяется как остаточное или нежелательное переменное напряжение на постоянной составляющей постоянного тока. Обычно она измеряется на шине постоянного тока. Это измерение помогает понять, насколько эффективно сигнал преобразуется из переменного тока в постоянный на входной стороне, а также оценить влияние нежелательных компонентов на сигнал ШИМ на выходной стороне.

Анализ Direct Quadrature Zero (DQ0)

Режим работы трехфазных машин переменного тока можно описать с помощью напряжения и тока, записанных во вращающейся системе координат, как показано ниже.

где

A, B и C представляют собой три фазы сигнала переменного тока.

«Vg» — соответствующий коэффициент усиления.

«w(t)» — 2pi×f×t.

В случае переменного тока напряжение (V) и токи (I) обычно сдвинуты по фазе на угол 120 градусов. Эти компоненты V и I отличаются по времени, таким образом, представление о точке работы в устойчивом состоянии отсутствует.

Обычно сигналы переменного тока являются реальными сигналами, но их преобразование в постоянный ток помогает получить абстрактное представление прямого квадратурного преобразования. Функция DQ0 помогает имитировать контроллер. Эта информация позволяет лучше понять, что делает контроллер, и отрегулировать его конструкцию.

Как правило, преобразования DQ0 поворачивают системы координат форм сигнала переменного тока, чтобы преобразовать эти формы в сигналы постоянного тока. Это позволяет упростить расчеты по сигналам постоянного тока перед выполнением обратного преобразования для восстановления фактических значений трехфазного переменного тока.

При измерении и мониторинге выходных данных системы управления разработчикам нужно аппаратное обеспечение FPGA и ASIC для обработки данных датчиков, чтобы получить информацию DQ0, а затем проверить информацию управления посредством нескольких итераций. Это решение подразумевает сложный и длительный процесс.

На практике очень сложно измерить или проверить сигналы D-Q-0. Типичное решение обеспечивает внешнее стимулирование контроллера для повторения входных сигналов контроллера и выходных сигналов аналого-цифрового контроллера (ADC) в качестве сигналов DQ0.

Для решения этой задачи пользователям приходится использовать программное приложение DQ0, чтобы понять сложные динамические явления в системах управления питанием.

Решение IMDA включает преобразование DQ0, которое поворачивает системы координат форм трехфазного сигнала, чтобы они становились сигналами постоянного тока. Вычисления этих величин постоянного тока перед их инвертированием и получением фактических результатов трехфазного переменного тока можно упростить. Базовая схема управления показана на рисунке далее.

Компания Tetronix предлагает запатентованную функцию DQ0 в категории измерения для анализа электрических параметров. Ее можно использовать в качестве дополнительного варианта с применением матрицы преобразования Кларка и Парка. Функция DQ0 доступна в качестве опции 5-IMDA-DQ0/6-IMDA-DQ0 на MSO серии 5, серии 5 B и серии 6 B.

Функция DQ0 вычисляет угол (θ) в виде 2*pi*f*t и экстраполирует систему координат на основании того, где мы предполагаем наблюдать сигналы, изменяющиеся по времени. Система DQ0 (векторная диаграмма) поворачивается с требуемой скоростью и частотой и не обязательно в фазе с ротором, что помогает понять мгновенное состояние двигателя.

Это измерение поддерживается в конфигурации 3V3I, система принимает трехфазные сигналы напряжения или тока от двигателя в качестве входных сигналов и преобразует их в коэффициенты D-Q-0, которые очень полезны при отладке. Благодаря этому разработчики двигателей могут настроить схемы цепи ШИМ-контроллера.

Функция вычисляет преобразование DQ0 в реальном времени путем преобразования 3-фазных сигналов выходного напряжения или тока привода. Матрица преобразования переводит изменяющиеся по времени сигналы переменного тока в компоненты постоянного тока, которые не зависят от времени. Это помогает воспроизвести то, как система управления воспринимает мгновенный крутящий момент и скорость двигателя. Преобразование DQ0 позволяет разработчикам двигателей сопоставлять производительность секции 3-фазного питания для системы управления аппаратно реализованными алгоритмами и проектирования. Перекрывающиеся векторы DQ0 и векторы 3 фаз ABC очень помогают во время отладки, поскольку позволяют разработчикам одновременно наблюдать обе оси векторов на одном и том же графике.

Для этого измерения предусмотрен разный вывод данных, например скалярные значения с величиной D и Q, среднеквадратичные значения со статистикой, производные математические кривые и векторная диаграмма. Математическая кривая предоставляет преобразованную кривую постоянного тока. Это позволяет получать различные виды выходных сигналов системы управления на одном экране.

Наблюдая за результатами DQ0, можно сделать важные выводы, например о вариациях, указывающих на пульсацию среднеквадратичных значений, о межпиковых значениях и гармониках более высокого порядка. Эти параметры непосредственно связаны с пониманием работы алгоритмов в системах управления. Без этой информации сложно понять работу систем управления двигателем.

Усовершенствованный алгоритм DQ0 вычисляет результирующий вектор из компонентов D и Q, он отображает полученный вектор, который является суммой наложенных векторов вращений двигателя и интегрирован с мгновенным углом вращения двигателя (тета).

Динамические измерения с использованием анализа тенденций

Стандартным требованием при анализе электропривода является возможность просмотра ответа двигателя в течение длительного времени проверки, записей и большого количества данных, собираемых для отслеживания работы проверяемого устройства при различных условиях нагрузки. Это динамическое измерение помогает понять оптимальные конструкции и взаимозависимость между различными параметрами, такими как напряжение, ток, мощность, частота и их отклонение в зависимости от условий нагрузки. При необходимости можно вручную увеличить масштаб и просмотреть на нужной области формы сигнала результаты проверки.

Решение IMDA предлагает два уникальных графика тенденций качества электроэнергии для удовлетворения следующих требований:

• график тенденции во времени;
• график тенденции собранных данных.

Каждый график имеет свои преимущества и может быть использован для построения графиков поддерживаемых дополнительных измерений при измерении качества электроэнергии. График тенденции во времени показывает измеренное значение за цикл или для полученной формы сигнала (запись), а график тенденции собранных данных показывает среднее измеренных значений за одну запись для каждого сбора данных. Во время конфигурации проверки можно настроить счетчик сбора данных. Это позволяет регистрировать длинные записи данных для глубокого анализа записей и понимания динамических характеристик ответа двигателя. Графики можно сохранить в формате CSV для последующей обработки.

Механический анализ

Группа механического анализа IMDA (опция IMDA-MECH) поддерживает выходные сигналы датчика Холла и QEI для расчета скорости, ускорения и направления. В дополнение к этим измерениям метод QEI также поддерживает измерение углов и отображает их в градусах или радианах. Результаты ускорения сообщаются при измерении скорости. Для измерения основных параметров двигателя требуется количество пар полюсов и соответствующее передаточное число. Измерение направления предполагает, что перед началом работы необходимо настроить последовательность нарастающих фронтов датчика Холла и проверить их во время работы. В случае метода QEI для измерения требуется информация о выходах QEI: фазе A, фазе B, дополнительном импульсе индекса Z и импульсах на оборот (PPR).

Для захвата выходных сигналов датчиков могут использоваться пассивные датчики TPP1000 или высоковольтные дифференциальные датчики THDP0200/100 в зависимости от выходной мощности двигателя и уровня шума. Вместо аналоговых рекомендуется использовать цифровые каналы с логическими датчиками TLP, поскольку они создают меньше шума и помогают сохранить аналоговые каналы для других операций проверки и использовать один гибкий канал для измерения.

Измерение скорости

Переход сигнала датчика Холла, как показано на следующем рисунке.

Скорость определяется следующим уравнением,

где

Разница между T_SP и T_ST определяется количеством пар полюсов.

T_ST — запуск при электрическом импульсе

T_SP — остановка при электрическом импульсе

60 — частота вращения (оборотов в минуту)

G - передаточное число.

Ускорение

Ускорение — быстрота изменения скорости за единицу времени. Оно определено следующим образом:

Поддержка скорости и направления на следующих графиках:

• Гистограмма
• Тенденция во времени
• Тенденция собранных данных

Важность графиков тенденции собранных значений скорости

График тенденции собранных данных вместе с гистограммой показывает джиттер сигнала скорости двигателя, для измерения которого в других случаях требуется специальный прибор, например детонометр. Эти данные о джиттере (колебания синхронизации фронтов) определяют стабильность скорости двигателя.

Профиль запуска двигателя

Разработчики двигателей заинтересованы в изучении профиля запуска двигателя на этапе проектирования. Тенденция во времени предоставляет мгновенную информацию о скорости двигателя, которую в других случаях трудно измерить.

На следующем графике тенденции во времени показана последовательность запуска двигателя, где время запуска двигателя составляет 2,3 с от выключенного до включенного состояния. Аналогично можно выполнить операцию включения-выключения и получить представление о процессе замедления, как показано на рисунке График тенденции во времени, показывающий замедление двигателя в состояние остановки.

Направление

В некоторых областях применения (например, дрели, стиральные машины и электрические насосах) требуется быстрый переход в режим работы двигателя и изменение направления движения. В таком анализе полезно использовать измерение направления. Направление вращения определяется порядком нарастающих или нисходящих фронтов выходного сигнала датчика Холла. Для измерения направления необходимы все три сигнала датчика Холла. Они доступны в качестве настраиваемых параметров для измерения направления и проверяются во время работы двигателя. Как правило, последовательность A-B-C интерпретируется как движение по часовой стрелке (CW), а последовательность A-C-B интерпретируется как движение против часовой стрелки (CCW).

Например, если первый нарастающий фронт появляется от датчика Холла A, а нарастающий фронт датчика Холла B находится под углом 120 градусов, то последовательность вращения ротора определяется как A-B-C. В противном случае, если второй нарастающий фронт датчика Холла C поступает при 120 градусах, то последовательность — A-C-B.

Формула, используемая для определения информации о направлении:

Порядок (по часовой стрелке) = (A-B-C)

Порядок (против часовой стрелки) = (A-C-B)

Где функция Порядок проверяет последовательность нарастающих фронтов всех трех сигналов датчика Холла.

Чтобы упростить отладку, направление можно отобразить в виде графика тенденции собранных данных, чтобы предоставить визуальную индикацию на точной отметке времени, когда двигатель изменил направление. Такой график показан в качестве образца на следующем рисунке.

Измерение крутящего момента

Крутящий момент двигателя — это вращающая сила, создаваемая на выходном валу. Измеряется в Нм.

Система IMDA поддерживает два метода измерения крутящего момента:

1. Метод датчика:

   Метод представляет собой наиболее распространенный способ измерения крутящего момента, в котором используется выходной сигнал датчика крутящего момента или датчика нагрузки. Измерение крутящего момента, создаваемого двигателями, можно выполнить, подключив датчик крутящего момента к валу двигателя. Пользователи могут регистрировать форму сигнала крутящего момента с помощью пассивного датчика напряжения. Форма сигнала напряжения пропорциональна измеренному крутящему моменту.

   Пользователь должен настроить высокие и низкие значения датчика крутящего момента, а также соответствующие высокие и низкие значения выходного напряжения. Измерение изменяет масштаб полученной формы сигнала напряжения до значений крутящего момента.

   Датчик нагрузки выдает значение силы. Значение крутящего момента вычисляется как произведение силы и длины плеча (расстояние).

   

2. Метод тока:

   Спецификации многих двигателей позволяют определить крутящий момент как величину, пропорциональную приложенному среднеквадратичному току с использованием постоянной крутящего момента. Это значение представляет оценку крутящего момента.

   Как правило, крутящий момент, развиваемый в любом двигателе постоянного тока, пропорционален постоянной крутящего момента, умноженной на ток якоря. В двигателе последовательного возбуждения ток возбуждения пропорционален току якоря.

   Крутящий момент, создаваемый ротором, оценивается как прямо пропорциональный току якоря. Пользователь должен настроить постоянную крутящего момента двигателя.

   Крутящий момент = постоянная крутящего момента x Irms

Метод измерения крутящего момента поддерживает следующие графики:

• Гистограмма
• Тенденция во времени
• Тенденция собранных данных

В состав конфигурации входят следующие единицы крутящего момента:

• Ньютон-метры (Н·м)
• Футо-фунты (футо-фунт)
• Дюйм-унции (дюйм-унция)
• Дюйм-фунты (дюйм-фунт)

Создание отчетов

Программное обеспечение IMDA упрощает сбор, архивирование данных, создание документации по конструкции и процессу разработки. Оно поддерживает создание отчетов в форматах MHT или PDF с результатами «годен/не годен» для упрощения анализа.