三相电机的电力测量
测试驱动和电机系统有三个步骤。
完成一个基于脉宽调制(PWM)的驱动和电机系统的测试是一个三步过程。步骤1是准确测量PWM VFD输入输出功率，识别驱动效率和功率损耗。步骤2是准确测量电机输入功率。步骤3是准确测量电机的机械功率。最优的方法是用一个功率分析仪集成所有三个步骤来消除时间偏差。在一个软件和硬件解决方案中，这也提供了出色的效率计算。
一些功率分析仪有一个电机选项，其中速度和扭矩信号可以以这种方式集成。这些功率分析仪可以测量电力和机械功率，并将数据发送到从原始分析仪制造商的PC运行软件，或从系统集成商的定制软件(见Lead Photo)。
交流电机的PWM驱动测量
当使用PWM VFD操作电机时，通常需要使用6相功率分析仪测量VFD的输入和输出。这个设置不仅可以测量三相功率，它也可以测量直流或单相功率(见图1)。
根据分析仪的不同，设置模式将在正常或均方根模式下执行。接线配置应设置为与应用相匹配，如三相输入和三相输出。
任何线滤波器或低通滤波器都应该关闭，因为滤波会掩盖测量值。然而，零交叉滤波器或频率滤波器应该是开着的，因为它将滤除高频噪声，这样基频才能被测量。当跟踪驱动器的频率时，这种测量是必要的。
图2显示了一个PWM输出电压波形，电压高度失真，高频斩波，电流侧有很多噪声，使得测量非常困难。高频开关电压信号产生了一个扭曲的波形和高谐波含量。频率从0hz变化到操作速度。
对于这种噪声信号，需要特殊的电流传感器进行测量。精确的PWM功率测量还需要能够测量这些复杂信号的宽带宽功率分析仪。
图3是PWM输出电压谐波含量的一个例子。拍频存在，电压谐波含量超过500阶(约30 kHz)。大部分谐波含量在电流侧较低的频率上。
PWM电机，驱动测量问题
逆变器电压通常用两种方法之一来测量。可以使用包含总谐波含量的真有效值测量。然而，由于基本波形主要是对电机的转矩作出贡献的，因此可以采用一种更简单的测量方法。大多数应用只需要测量基本波形。
有两种主要的测量电压波基幅值的方法。第一个也是最简单的方法是使用低通滤波器去除高频。如果功率分析仪有这个滤波器，只需打开它。适当的滤波将给出逆变器基频的有效值电压。然而，这种类型的滤波并不能提供真正的总功率测量，因此滤波并不是最精确的方法。
第二种方法是整流平均测量法，采用按均方根电压缩放的均方根电压检测方法，无需滤波，即可输出基波的均方根电压。修正后的周期平均平均值的算法将提供非常接近基波均方根值的等效基电压。
用这种方法可以测量总功率、总电流和基电压。
用谐波分析测量基波振幅
谐波分析函数可以通过使用快速傅里叶变换(FFT)来确定包括基波在内的每个谐波分量的振幅，从而找到真正的基电压。这提供了基波准确的均方根电压测量。最新的功率分析仪可以同时进行真正的有效值测量和谐波测量。
在图4中，“Urms2”(PWM输出上的RMS值)是一个非常高的数字，而F2(基值的平均值)有点低。值“Urms3”(过滤基础)提供了类似的结果。最后，U2(1)由谐波分析或FFT计算得到的基础。F2、Urms3和U2(1)提供的结果非常接近，但U2 (1) FFT计算被认为是最准确的。
逆变器电流通常只测量一个方向，这是一个真正的均方根信号，因为所有谐波电流都对电机的温升有贡献和负责，所以都必须测量。
另一个重要的测量包括驱动电压/赫兹(V/Hz)。PWM驱动应该保持恒定的V/Hz比超过电机的运行速度。功率分析仪可以使用有效值或基电压值计算V/Hz。分析器的用户定义的数学函数被用来为这个测量开发一个方程。
测量直流母线电压
可以测量PWM中的直流母线电压，以检查过压和欠压情况。这种测量可以在电容器组的终端驱动器内部执行。然而，一种更简单的方法是使用功率分析仪的波形显示与光标测量。
当使用游标测量波形显示时，必须确保游标不是直接位于显示中的小尖峰的上方。相反，光标必须横过波形才能进行精确的测量。图5显示了高速开关的PWM电压测量。游标被放置来读取一个值，例如在这个测量中302.81 V。
机械功率测量
机械功率是用电机转速乘以电机转矩来测量的。市场上有许多不同类型的速度和扭矩传感器，与各种各样的电机一起工作。确认每种情况的兼容性是明智的。这些传感器可以用来提供机械测量信息，以计算功率分析仪的机械功率测量。
许多传感器都带有接口电子设备，以适当调节信号，使其与功率分析仪或其他设备一起工作。条件信号可以是模拟输出，也可以是串口通信输出，用于PC机及其应用系统软件。
实现机械功率测量的一种选择是同时使用传感器和给定制造商的相应测量仪器。这种方法有优点，因为传感器将与仪器完全匹配。读数扭矩，速度和功率将是可用的，并可能有PC连接选项以及相关的应用软件。
图6显示了一种更集成的方法。通过这种配置，传感器仪表输出的速度和扭矩信号直接连接到功率分析仪的速度和扭矩输入。这提供了一个巨大的优势，使电气和机械功率测量能够同时进行评估，并连续执行效率计算。
电机、驱动和系统效率
逆变器效率在其最简单的形式是计算输出功率除以输入功率，并表示为一个百分比。测量输入和输出功率的一种方法是简单地将功率表连接到输入和输出上，并将用于计算效率的两个仪表的读数连接起来。
更全面的方法是使用多输入功率分析仪同时测量输入和输出，如图1所示。这导致了更准确的效率计算，因为它使用一个单一的功率分析仪，以消除潜在的误差造成的时间倾斜测量。
通过分析仪提供的内部数学计算，可以建立一个非常简单的、菜单驱动的计算来计算驱动损失和驱动效率。
我应该用哪种方法?
多相感应电动机和发电机的标准试验程序是美国电机测试的行业标准，它概述了几种方法。图7显示了支持IEEE 112标准中的“方法a”的功率分析仪显示，其中所有机械功率除以电机的总输入量。该标准定义了电流和电机电压测量之外的许多参数，并提供了指导和报告多相和感应电机和发电机一般接受的测试的说明。此外，该标准包含11种测试方法来定义如何在电机中进行效率测量。
IEEE 112定义的a -输入-输出测试方法:如果适用的话，效率是通过测量输出功率与测量输入功率的比值进行计算的。试验是在额定负载下用机械制动器或测力计进行的。这一额定值应仅限于满负荷额定值为1千瓦或更少的电机。
b -输入-输出损失隔离测试方法:在方法B中，输入和输出功率都进行了测量，但各种损耗被分离出来。大多数这些损失仅仅产生的热量，必须由电机组件耗散，并代表能量，不能执行工作。该方法是美国电机行业公认的测试标准，适用于额定满载1至300千瓦的电机。
虽然方法A和方法B都有效，但方法B需要大量的仪表，通常只由电机制造商执行。因为大多数厂家使用B方法，而大多数用户使用A方法，所以两者的效率计算可能会有所不同。电机和驱动器制造商的性能数据可能使用不同的电机速度、测试负载或其他测试条件。
结论
当测量电动机的功率时，需要考虑许多项目，如总功率因数和真功率因数。这些测量涉及复杂的方程，这就是为什么大多数公司使用功率分析仪自动生成这些结果。
在决定使用功率分析仪之后，还必须决定频率范围和精度水平。仪器的兼容性是安全获得准确读数的另一个重要方面，特别是电流互感器。这是一个必须考虑分析仪的输入/选项的区域。给定正确的传感器输入，也可以使用功率分析仪进行机械功率测量。选择正确的速度和扭矩传感器是确定机械功率的第一步。
某些功率分析仪也可以进行PWM测量。然而，设置PWM测量分析仪还需要了解电流和电压将如何影响功率测量。
高精度高频功率分析仪是测量机械功率和电功率的重要工具。它的分析功能和读数可以帮助改善操作，甚至延长电机的寿命。选择正确的分析器并正确地实现它确实需要知识;然而，如果正确使用，功率分析仪数据将提供准确和高度有价值的结果。
Bill Gatheridge是power measurement instruments的产品经理美国横河公司在精密电力测量领域拥有超过25年的经验。他是ASME PTC19.6委员会的成员和副主席，负责电力测量的电厂性能测试，是RTCA/DO-160委员会的成员，负责飞机功率测试，并与ASHRAE委员会合作进行VFD测试。
