日置PW8001功率分析儀多相電機(jī)的功率測(cè)量

在EV及工業(yè)設(shè)備不斷追求高性能的背景下，電機(jī)的多相化發(fā)展持續(xù)加速。傳統(tǒng)主流的三相結(jié)構(gòu)逐漸被替代，采用五相、六相這類多相電機(jī)的情況日益增多，其具體應(yīng)用有望拓展至電動(dòng)飛行器、自動(dòng)駕駛EV等領(lǐng)域。

多相化通過降低各相電流容量，減少電阻損耗并抑制發(fā)熱，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高功率輸出與效率提升，還能獲得冗余 性*1、功率密度提高等優(yōu)勢(shì)。然而另一方面，也面臨著測(cè)量與評(píng)估難度大幅上升的難題。

 1：由于繞組多相互獨(dú)立，即使某一相發(fā)生故障，其余相仍可維持一定扭矩，確保設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。

多相電機(jī)功率測(cè)量的課題與重點(diǎn)

多相電機(jī)功率測(cè)量面臨以下兩大課題：

電壓與電流通道數(shù)的增加

五相電機(jī)需同時(shí)測(cè)量5通道、六相電機(jī)需同時(shí)測(cè)量6通道電壓與電流，因此測(cè)量?jī)x器需具備多輸入通道及高精度測(cè)量的條件。尤其在高頻領(lǐng)域，各相電壓與電流的相位誤差會(huì)直接影響有功功率及效率的計(jì)算，因此帶寬特性、相位精度都至關(guān)重要。

運(yùn)算處理的復(fù)雜化

三相系統(tǒng)中，有功功率及效率的計(jì)算通常采用標(biāo)準(zhǔn)化算式，而五相、六 相電機(jī)因各相相位角不同，需對(duì)每相分別進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算后再匯總計(jì)算。因 此，測(cè)量?jī)x器需具備用戶自定義運(yùn)算*2功能，這是實(shí)現(xiàn)多相電機(jī)功率測(cè)量的必 要條件。

2：指用戶可自行設(shè)定運(yùn)算公式，并在測(cè)量畫面中實(shí)時(shí)顯示運(yùn)算結(jié)果的功能，也稱UDF（User  Defined Function）。

多相電機(jī)功率測(cè)量的理想儀器

我們推薦使用PW8001進(jìn)行多相電機(jī)功率測(cè)量。該設(shè)備可在寬頻范圍內(nèi)保證高振幅精度與相位精度，通過大屏幕能實(shí)時(shí)查看各相功率參數(shù)，且支持多矢量圖顯示，便于直觀確認(rèn)相位平衡狀態(tài)。

此外，選配電機(jī)分析選件后，除扭矩，轉(zhuǎn)速外，還可以測(cè)量電機(jī)的效率 及損耗。同時(shí)，可根據(jù)測(cè)量對(duì)象的額定值與口徑，搭配各類電流傳感器使用。

測(cè)量方法

下面以PW8001為例，介紹多相電機(jī)功率測(cè)量的具體步驟。

N 相電機(jī)功率測(cè)量的基本事項(xiàng)

電壓：測(cè)量各相－中性點(diǎn)或電機(jī)機(jī)殼（或接地線）間的電壓

電流：測(cè)量各線電流

通道數(shù)：需準(zhǔn)備與電機(jī)相數(shù)相同的通道數(shù)（N通道）

無論是三角形接法還是星形接法，均以電機(jī)機(jī)殼（或接地線）為基準(zhǔn)進(jìn)行接線。星形接法理想情況下應(yīng)以中性點(diǎn)為基 準(zhǔn)，但由于中性點(diǎn)通常難以引出，因此實(shí)際以電機(jī)機(jī)殼或接地線作為基準(zhǔn)。

此時(shí)，N相電機(jī)的有功功率可表示為以下公式：

P總= P1 + P2 + … + PN-2 + PN-1 + PN

例 1 ｜五相電機(jī)

下面以五相電機(jī)的測(cè)量為例進(jìn)行說明。

如圖所示，以電機(jī)機(jī)殼（或接地線）為基準(zhǔn)進(jìn)行1P2W接線。

在接線設(shè)置畫面中，將各通道的接線方式設(shè)定為1P2W×五相（N相電機(jī)需設(shè)置1P2W×N相對(duì)應(yīng)的通道）。

統(tǒng)一5個(gè)測(cè)量通道的同步源（圖中統(tǒng)一為CH1的電壓）。

通過UDF設(shè)置各相功率的總和，以顯示五相電機(jī)的總功率。圖中設(shè)定為 P總= P1 + P2 + P3 + P4 + P5 。

N相電機(jī)需設(shè)置N相功率的總和。

例 2 ｜開繞組電機(jī)（六相雙逆變器）

開繞組電機(jī)的有功功率可通過以下公式表示，即初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)功率之和：

P總= P（初級(jí)側(cè)有功功率）+ P（次級(jí)側(cè)有功功率）

如圖所示，測(cè)量以接地線為基準(zhǔn)的初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)各自的相電壓。電流傳感器分別從逆變器側(cè)朝電機(jī)負(fù)載方向連接（圖中按逆變器1→電機(jī)負(fù)載、逆變器2→電機(jī)負(fù)載的電流方向連接）。

通常，電池（電源）的負(fù)極與大地處于斷開狀態(tài)。這種情況下，將各通道以共同電位為基準(zhǔn)接線，可避免受系統(tǒng)GND 電位差的影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。

圖中以逆變器初級(jí)側(cè)的框架接地線作為基準(zhǔn)。

在接線設(shè)置畫面中，分別為初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)選擇3P4W接線方式（圖中初級(jí)側(cè)選擇CH1～CH3，次級(jí)側(cè)選擇CH4～CH6）。

統(tǒng)一所有測(cè)量通道的同步源（圖中統(tǒng)一為初級(jí)側(cè)的電壓）。

通過UDF設(shè)置各相功率的總和，以顯示總功率。圖中設(shè)定為P總= P123 + P456。

例 3 ｜雙三相電機(jī)（3 相電機(jī) ×2）

雙三相電機(jī)的有功功率可通過以下公式表示，即兩套系統(tǒng)的功率之和：

P總 = P（系統(tǒng)1的功率）+ P（系統(tǒng)2的功率)

以1臺(tái)逆變器 和 1臺(tái)三相電機(jī)為1組，對(duì)兩套系統(tǒng)的功率進(jìn)行測(cè)量。

? 3P3W3M的接線方式及接線畫面

接線方式如下所示。

圖中，將系統(tǒng)1設(shè)定為CH1～CH3，系統(tǒng)2設(shè)定為CH4～CH6。

? 3P4W的接線方式及接線畫面

接線方式如下所示。理想情況下應(yīng)以中性點(diǎn)為基準(zhǔn)，但由于中性點(diǎn)通常難以引出，因此實(shí)際以電機(jī)機(jī)殼（或接地線）作為基準(zhǔn)。

圖中，將系統(tǒng)1設(shè)定為CH1～CH3，系統(tǒng)2設(shè)定為CH4～CH6。

統(tǒng)一兩套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)通道的同步源（圖中統(tǒng)一為系統(tǒng)1的電壓）。

利用UDF功能分別對(duì)兩套系統(tǒng)的功率進(jìn)行匯總測(cè)量。右圖中設(shè)定為P總= P123 +P456。

總結(jié)

隨著電機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，預(yù)計(jì)今后以五相、六相為代表的多相電機(jī)將日益普及。通過本應(yīng)用案例介紹的方法，即使 在多相結(jié)構(gòu)下也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的功率測(cè)量，從而更可靠地實(shí)現(xiàn)多相電機(jī)功率特性的高精度評(píng)估，以及開發(fā)階段的性能分析與效率提升。