【導讀】大多數現代電機驅動係統使用某種調製形式來控製電機頻率，從而控製電機速度。在大多數情況下
，此類變頻驅動器 (VFD) 通過輸出精心控製的脈衝寬度調製 (PWM)波形來實現這一點。此類係統通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。

大多數現代電機驅動係統使用某種調製形式來控製電機頻率，從而控製電機速度。在大多數情況下，此類變頻驅動器 (VFD) 通過輸出精心控製的脈衝寬度調製 (PWM)波形來實現這一點。此類係統通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。

自電氣工程誕生以來，三相交流感應電機(ACIM) 一直是工業領域的主力。它們可靠
、高效、成本低且幾乎不需要維護。但電機和驅動器有多種不同類型。交流感應電機(ACIM) 的效率低於無刷直流電機 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM)。與(yu)交(jiao)流(liu)感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)相(xiang)比(bi)，同(tong)步(bu)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)和(he)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)效(xiao)率(lv)更(geng)高(gao)，重(zhong)量(liang)也(ye)更(geng)輕(qing)
，但(dan)需(xu)要(yao)更(geng)先(xian)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)。盡(jin)管(guan)每(mei)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)有(you)其(qi)獨(du)特(te)的(de)特(te)性(xing)，但(dan)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)都(dou)使(shi)用(yong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)技(ji)術(shu)來(lai)改(gai)變(bian)輸(shu)送(song)到(dao)電(dian)機(ji)的(de)頻(pin)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)。

圖1 電機驅動器通過調節電機輸入來控製電機速度和扭矩

對電機驅動器進行測量的挑戰

由(you)於(yu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)采(cai)用(yong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)技(ji)術(shu)，因(yin)此(ci)，要(yao)對(dui)這(zhe)種(zhong)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)穩(wen)定(ding)的(de)測(ce)量(liang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。要(yao)想(xiang)實(shi)現(xian)穩(wen)定(ding)的(de)波(bo)形(xing)，通(tong)過(guo)人(ren)工(gong)確(que)定(ding)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)觸(chu)發(fa)器(qi)的(de)正(zheng)確(que)組(zu)合(he)非(fei)常(chang)棘(ji)手(shou)
，但(dan)對(dui)於(yu)實(shi)現(xian)一(yi)致(zhi)測(ce)量(liang)卻(que)是(shi)必(bi)要(yao)的(de)。

除了測量驅動器的輸出之外

，對驅動器的輸入級性能（例如諧波、功率和功率因數）進行測量和評估也很重要。雖然可以將原始波形導出到電子表格或其他分析軟件中
，但該過程非常耗時
，並且設計算法時要特別注意。

jinxingzhexieceliangxuyaoyubeiceshebeijianlixuduolianjie。cuowudetantoulianjiehelianjiedianwanzhengxingchashidaozhidianjiqudongqiceliangwuchadechangjianyuanyin。jixieceliangyehenguanjian
，keyishiyongchuanganqijinxing。raner
，ruguobujinxingzidingyichulihezhuanhuan，yaoxianghuoquyigongchengdanweibiaoshidesudu

、加jia速su度du或huo扭niu矩ju的de測ce量liang值zhi可ke能neng非fei常chang困kun難nan，甚shen至zhi是shi不bu可ke能neng。由you於yu這zhe些xie原yuan因yin
，要yao想xiang使shi用yong示shi波bo器qi對dui電dian機ji驅qu動dong係xi統tong進jin行xing良liang好hao的de測ce量liang，需xu要yao仔zai細xi的de設she置zhi、穩定的波形和強大的測量算法。

圖2 三相電機驅動器功能模塊圖

PWM電機驅動器的工作原理

多種類型的電機采用脈衝寬度調製 (PWM) 形式驅動
，包括有刷直流電機
、交流感應電機
、無刷直流電機和永磁同步電機。PWM使驅動器能夠改變輸送到電機的頻率和電壓。

盡管很多年前人們就已經掌握PWM驅動器的工作原理，但卻是功率半導體、kongzhidianzizujianheweichuliqidegaijinhechengbendejiangdicaituidonglecileiqudongqideguangfanshiyong。shiliangkongzhijishujinyibutuidonglezheyiqushi。tongguoshiliangkongzhi，shejizhenenggouzaijiaoliudianjidegaokekaoxingjichushang，shixianzhiliudianjidegaoxiaolvhejingquekekongxing。wushuazhiliudianjiheyongcitongbudianjizhengzaiguangfanyingyonglingyuqudaiyoushuazhiliudianjihejiaoliuganyingdianji，zhexielingyubujinbaokuogongyeyingyong，haibaokuodiandonggongju

、家用電器和電動汽車。圖2顯示了三相變頻驅動器基本元件的框圖。

PWM驅動器可以由直流電、單相交流電或三相交流電供電。圖2顯(xian)示(shi)了(le)一(yi)台(tai)由(you)三(san)相(xiang)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)的(de)變(bian)頻(pin)驅(qu)動(dong)器(qi)，三(san)相(xiang)電(dian)源(yuan)常(chang)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)。三(san)相(xiang)電(dian)源(yuan)經(jing)過(guo)整(zheng)流(liu)和(he)濾(lv)波(bo)產(chan)生(sheng)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)，為(wei)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)部(bu)分(fen)供(gong)電(dian)。逆(ni)變(bian)器(qi)由(you)三(san)對(dui)半(ban)導(dao)體(ti)開(kai)關(guan)（MOSFET、GTO
、功率晶體管、IGBT等）jiqixiangguanerjiguanzucheng。meiduikaiguanfenbieweidianjideyixiangtigongdianyuanshuchu。zhezhongjibenjiagoukeyishiyongyuduozhongleixingdedianji
，dankongzhidianzizujianzaifankuihefuzaxingfangmianchayihenda。zhelijiandanjieshaojizhongchangjiandeyongyuqudongdianjidePWM形式。

圖3 霍爾傳感器向簡單的六步控製器提供反饋。驅動器U、V和W輸出信號應用於電機定子

六步換相 / 梯形波控製驅動器

zhezhongleixingdequdongqiyuwushuazhiliudianjijieheshiyong。wushuazhiliudianjixiaolvgaoqietijixiao。tajuyouzhiliudianjideyoudian
，danmeiyoudianshua

，buyimosun。wushuazhiliudianjikeyitongguoxiangduijiandandeliubuhuanxiang（或梯形波控製）PWM策略來實現電子換向。下圖顯示了一組典型的PWM波形。

圖4 A相和B相之間的脈衝寬度調製波形的平均線電壓是正弦波

標量控製驅動器

簡單的變頻驅動器驅動交流感應電機，通過改變驅動電機的PWM波形的基頻來控製電機速度。為了保持全扭矩
，驅動器中的控製係統會保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類驅動器被稱為標量控製驅動器。控製電子組件產生三個相位差為120°的低頻正弦波，用於調節每對開關的脈衝寬度。

電機繞組的平均電壓近似正弦波。電機繞組的另外兩相具有相似的平均電壓
，相差120°。

圖5 隨時間變化的三相電壓信號

congnibianqishuchudianyadejiaodulaikan，dianjizaihendachengdushangleisiyuyigedianganqi。youyudianganqiduijiaogaopinlvjuyoujiaogaozukang，yincidianjisuoxishoudedabufendianliulaiziyuPWM波形輸出中的較低頻率分量。因此，電機所吸收的電流形狀近似正弦波。

通過控製調製波形的幅度和頻率，以及控製電壓和頻率比，PWM驅動器可以提供三相電源，以驅動電機達到所要求的速度。

圖6 由於電機是感性負載
，且能阻抗快速電流變化
，因此電機所吸收的電流近似正弦波

矢量控製驅動器 /磁場定向控製

交流感應電機和同步電機的驅動器更先進，采用矢量驅動技術。此類驅動器比標量控製驅動器更靈活、更(geng)高(gao)效(xiao)
，但(dan)也(ye)更(geng)複(fu)雜(za)。矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)驅(qu)動(dong)器(qi)與(yu)標(biao)量(liang)控(kong)製(zhi)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)相(xiang)似(si)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu)它(ta)們(men)都(dou)使(shi)用(yong)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)
，但(dan)是(shi)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)運(yun)行(xing)更(geng)平(ping)穩(wen)，加(jia)速(su)更(geng)快(kuai)

，扭(niu)矩(ju)控(kong)製(zhi)也(ye)更(geng)好(hao)。此(ci)類(lei)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)磁(ci)場(chang)定(ding)向(xiang)控(kong)製(zhi) (FOC)，並且比標量控製驅動器複雜得多。矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機的扭矩和磁通量有關。

圖7 矢量控製 / 磁場定向控製使用複雜的PWM波形

控製係統必須測量轉子的位置以使係統同步。這通常通過使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來實現（還會使用無傳感器係統，其中控製係統使用電機的反電動勢來確定轉子位置）。控製器使用Clarke變換和Park變換來計算矢量D和矢量Q的幅值，然後使用這些值作為控製回路的設定點。

圖8 矢量控製係統框圖

變頻驅動器係統的連接

對變頻驅動係統進行功率測量需要使用電壓和電流探頭。選擇示波器電壓探頭進行電機驅動器測量時
，一定要考慮以下幾點：

●   電機驅動器測量涉及相對較高的電壓。例如，480V 三相電機驅動器中的直流母線電壓通常約為680V。切記確認探頭尖端的額定電壓以及用於連接探頭的配件的額定電壓。

●   共模電壓也可能相對較高。也就是說

，測量結果通常相對於地麵是“浮動”的
，因此不能使用接地參考的探頭。務必確保信號浮動不超過探頭的共模電壓額定值。

●   大多數相關頻率低於200MHz
，因此具有此帶寬的探頭足以滿足大多數日常測量需求。

●   探頭應能用於廣泛的測量任務。

出於這些原因，通常建議使用高壓差分探頭作為功率電子逆變器子係統、驅動器輸入/shuchuhekongzhixitongceliangdetongyongdianyatantou。jiedicankaowuyuantantoubuyingyongyuceliangxiangdianya。zhongxingduanzikenengbuzaijiedidianwei，congerdaozhidaliangdianliuliuguotantouheshiboqijiedi。zhehenweixian，kenenghuidaozhibeiceshebeihuoshiboqishoudaochongjihuosunhuai。

圖9 泰克差分探頭（如THDP0200）和AC/DC電流探頭（如TCP0030A）為變頻驅動器測量提供良好的覆蓋範圍；IsoVu光學隔離電壓探頭提供極高的共模抑製比
，能夠承受最大2500V的差分電壓，並且具有高達1GHz的帶寬

示波器探頭設置與接線配置

在進行任何功率測量之前
，必須完成一些重要步驟。電流探頭必須消磁
，並且所有探頭都應校正
，以獲得準確的測量結果。

在zai進jin行xing測ce量liang之zhi前qian對dui電dian流liu探tan頭tou執zhi行xing消xiao磁ci程cheng序xu，消xiao除chu探tan頭tou磁ci芯xin中zhong的de任ren何he剩sheng磁ci
，這zhe一yi步bu非fei常chang重zhong要yao。剩sheng磁ci會hui導dao致zhi測ce量liang誤wu差cha。消xiao磁ci程cheng序xu通tong常chang是shi通tong過guo移yi除chu電dian流liu探tan頭tou鉗qian口kou的de所suo有you導dao體ti，然ran後hou按an下xia消xiao磁ci按an鈕niu啟qi動dong的de。泰tai克ke電dian流liu探tan頭tou（例如TCP0030A）會在您使用前自動提示執行消磁程序。

校正過程可以校正任意兩個不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之zhi間jian的de各ge種zhong傳chuan輸shu延yan遲chi。這zhe一yi步bu很hen重zhong要yao，因yin為wei相xiang位wei關guan係xi對dui於yu變bian頻pin驅qu動dong器qi係xi統tong上shang的de許xu多duo測ce量liang至zhi關guan重zhong要yao。基ji本ben步bu驟zhou是shi向xiang通tong道dao提ti供gong同tong步bu信xin號hao，並bing調tiao整zheng每mei個ge通tong道dao的de延yan遲chi，使shi各ge通tong道dao的de信xin號hao對dui齊qi。泰tai克ke公gong司si提ti供gong功gong率lv測ce量liang校xiao正zheng夾jia具ju (P/N 067-1686-xx) laibangzhujiejueciwenti。lianjiedianliutantoushi，wubizhuyitantoushangdejiantoubiaoji。ruguodianliutantoulianjiezaifuzaidexianluce
，jiantouyingzhixiangfuzai。ruguodianliutantoulianjiezaifuzaidefanhuice
，zejiantouyingzhixiangyuanlifuzaidefangxiang。

變頻驅動器的輸入和輸出通常都使用三相電。然而
，商業、住宅和汽車驅動係統中使用的某些變頻驅動器可能由單相交流或直流供電。此外，三相係統可以采用兩種接線和建模方式：星形（或稱Y形）和(he)三(san)角(jiao)形(xing)。接(jie)線(xian)配(pei)置(zhi)決(jue)定(ding)了(le)功(gong)率(lv)分(fen)析(xi)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)，因(yin)此(ci)了(le)解(jie)並(bing)選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)接(jie)線(xian)配(pei)置(zhi)對(dui)於(yu)獲(huo)得(de)預(yu)期(qi)結(jie)果(guo)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。接(jie)線(xian)配(pei)置(zhi)適(shi)用(yong)於(yu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)。

單相連接

單相兩線(1V1I)

需要兩個通道：分別用於測量電壓和電流，圖10顯示了電壓的測量方式。測得的總功率 P = V*I。單相交流和直流電源使用相同的設置。

圖10 單相雙線交流電測量
，直流電源使用相同的設置

單相三線(2V2I)

單相三線配置在電機驅動器應用中非常少見，但在北美住宅應用中很常見，通常提供一個240V和兩個120V的供電線路
，每個線路可能承載不同的負載。測量此類電源需要兩個電壓通道和兩個電流通道。測得的總功率為V*I（負載 1+ 負載 2）。

圖11 單相三線接線在工業環境中很少見，但在消費和輕型商業中卻很常見

三相連接

使用兩個電壓通道和兩個電流通道 (2V2I) 測量三相三線係統

電機驅動器通常使用三線輸出，僅使用示波器上的兩個電壓通道和兩個電流通道即可準確測量（電機驅動器輸入更可能使用四線係統）。當三根線將電源連接到負載時，至少需要兩個功率表來測量總功率。需要兩個電壓通道和兩個電流通道，如圖12suoshi。dianyatongdaozhuxianglianjie，qizhongyixiangzuoweicankao。fuzaihedianyuankeyicaiyongsanjiaoxinghuoxingxingjiexianfangshi
，danliangzhezhijianbunengyouzhongxingdaoti。zaizhezhongqingkuangxia，lianggegonglvbiaokeyijisuanshusongdaofuzaidezonggonglv。（參見側欄：“如何使用四個示波器通道測量三相係統？”)

圖12  三相三線兩功率表法

圖12顯示了接線，圖14顯示了用於測量2V2I連接的IMDA 電源設置。控製所選線路即可確定用作電壓參考的相位。在此示例中
，在A相和B相上測量電流


，並在A相和B相上測量相對於C相的電壓。即測量值分別為VAC、VBC

、IA和IB。在此示例中
，總有功功率 (ΣTrPwr)的計算公式為：

瞬時功率 P1=VAC*IA

瞬時功率 P2=VBC*IB

ΣTrPwr=P1+P2。

如何使用四個示波器通道測量三相係統
？

布隆德爾 (Blondel) 定理指出，對於一個N線係統，如果電壓是相對於其中一條導線測量的
，那麼總功率可以通過使用N-1個功率表來測量。

例如
，在三線係統中
，無論采用星形還是三角形接線方式，係統總功率都可以使用兩個電壓通道和兩個電流通道來確定。例如，圖13xianshileyigexingxingjiexianxitong。genjujierhuofudianliudinglv
，ruguoyizhiqizhonglianggedianliu
，jiukeyiquedingxitongzhongdesuoyoudianliu。tongguoceliangliangxiangxiangduiyudisanxiangdexiangduidianya
，jiukeyiquedingxitongzhongdesuoyoudianya。

圖13 該三線星形接線係統（無中性線）用於說明如何使用雙功率表法測量三相係統

圖14 使用雙功率表法的三線係統設置。在A相和B相上測量電流，並在A相和B相上測量相對於C相的電壓

使用三個電壓通道和三個電流通道(3V3I)測量三相三線係統

盡管在三線係統中隻需要兩個功率表就可以測量總功率，但使用三個功率表具有一些優勢。三功率表配置需要六個示波器通道：三個電壓通道和三個電流通道。

此3V3I配置提供單獨的相電壓和各相的功率
，這是雙功率表配置所不能做到的。

圖15 三相三線係統

，采用三個電壓通道和三個電流通道（三個功率表）測量

對於使用3V3I配置測量的三線係統，IMDA軟件提供將線電壓 (LL) 轉換為相電壓 (LN) 的設置選項。盡管三線係統中沒有物理中性線，但可以根據瞬時線電壓確定瞬時相電壓。

這種逐點的LL-LNzhuanhuanjiangbasuoyoudianyabiaoshiweixiangduiyudanyicankaodian，bingjiuzhenglemeigexiangzhongdianyayudianliuzhijiandexiangweiguanxi。ninkeyitongguodakaiheguanbizhuanhuanlaiguanchaxiangliangtushangdexiangweiguanxi，congerlejieLL-LN轉換的相位校正。打開LL-LN轉換，則可以通過將相電壓和相電流相乘來計算瞬時功率。例如，我們可以計算出提供給負載的總有功功率 (ΣTrPwr)。

ΣTrPwr=(vAN*iA)+(vBN*iB)+(vCN*iC)

圖16 在打開LL-LN轉換的3V3I配置中
，可以讀出各相的有功功率
、無功功率和視在功率以及所有相的總功率。請注意，總功率測量值與使用“雙功率表” (2V2I) 配置測得的功率測量值相當

使用三個電壓通道和三個電流通道 (3V3I) 測量三相四線係統

如果係統中的線路與驅動器之間或驅動器與電機之間使用中性導體
，則需要三個電壓通道和三個電流通道來測量總功率。圖19顯示了一個此類四線係統。所有電壓都是相對於中性線測量的。線電壓可以使用矢量數學根據相電壓幅度和相位精確計算得出。總功率 ΣTrPwr =P1 + P2 + P3。

圖17 三相四線 ( 三功率表法 )

變頻驅動器係統模塊的測量

變頻驅動器係統的不同功能模塊采用不同的測量和技術。我們將介紹各模塊（輸入
、直流母線

、輸出和電機）的關鍵測量值
，並說明其在5係列和6係列MSO中IMDA分析工具中的位置。

圖18 驅動器輸入
、直流母線
、輸出和電機采用不同的測量方法

三相自動設置

IMDA軟件包括三相自動設置功能，可根據所選的接線配置自動配置電壓和電流源。該功能可為示波器設置最佳垂直
、水平、采集和觸發參數，並且可用於所有有功功率測量。這極大地簡化了測量設置，在測量變頻驅動器輸出上的PWM波形時尤為方便。

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