Hochpräzise Leistungsmessungen in SiC-Wechselrichtern

Erleichterung der hochpräzisen Messung von Leistung, Wirkungsgrad und Verlusten in SiC-Wechselrichtern und Motorantriebssystemen

Die Entwicklung effizienterer, kompakterer Motorantriebssysteme ist die oberste Priorität der EV- und HEV-Hersteller sowie der Bahnindustrie, abgesehen von anderen Wirtschaftszweigen, in denen Unternehmen begonnen haben, SiC-Leistungshalbleiter mit zu verwenden, um die Effizienz und reduzieren die Größe der Wechselrichter, die die Hauptkomponente des Motorantriebssystems sind. Zu den erwarteten Vorteilen von SiC-Leistungshalbleitern gehören kleinere passive Bauelemente aufgrund hoher Schaltfrequenzen und geringere Leistungsverluste aufgrund niedriger Widerstandswerte. Eine genaue Leistungsmessung ist eine entscheidende Voraussetzung für die Bewertung von Motorantriebssystemen, aber die Leistungsmessung von SiC-Wechselrichtern erfordert eine hochpräzise Messung über ein größeres Frequenzband als in der Vergangenheit. Dieses Dokument enthält verschiedene Themen, darunter wichtige Daten zu Leistungs-, Wirkungsgrad- und Verlustmessungen von SiC-Wechselrichtern und Motorantriebssystemen sowie tatsächliche Messergebnisse. 

Messung der Effizienz von Umrichtern und Motoren

Während der Bewertung von Motorantriebssystemen, die Wechselrichter und Motoren enthalten, ist es möglich, Effizienz und Verluste zu messen, indem die Eingangs- und Ausgangsleistung von Wechselrichter und Motor gemessen und dann das Verhältnis oder die Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangswerten berechnet wird. Die Leistung von Umrichtern und Motoren schwankt ständig. Folglich werden präzise Messungen aufgrund einer unvollkommenen Synchronisation von Messzeitpunkten und Unterschieden in Berechnungsmethoden erschwert, wenn Effizienz und Messverluste von verschiedenen Punkten mit unterschiedlichen Instrumenten berechnet werden. Auf diese Weise ist es notwendig, alle Messungen gleichzeitig durchzuführen, sowie das gleiche Instrument für alle zu verwenden oder durch eine synchronisierte Steuerung mehrerer Instrumente. Diese Anforderung kann mit einem Leistungsanalysator erfüllt werden. Standardleistungsanalysatoren bieten vier bis sechs Kanäle zur Leistungsmessung zusammen mit der Motoranalysefunktion, wodurch Wirkungsgrad und Verluste mit einem hohen Maß an Genauigkeit gemessen werden können. Bei näherer Betrachtung des Messvorgangs variieren die Ergebnisse je nachdem, wie der Zeitraum definiert wird, in dem die Leistungsberechnungen durchgeführt werden. Leistungsanalysatoren bestimmen die Zeitdauer, über die Berechnungen durchgeführt werden, indem sie Nulldurchgangsereignisse in den Eingangswellenformen erkennen. Umgangssprachlich kann der Kanal, der dem Signal entspricht, für das Nulldurchgänge erkannt werden, sowie die Sync-Quelle beliebig eingestellt werden. Durch die Einstellung der optimalen Synchronisationsquelle wird eine stabile Leistungsmessung aktiviert, wodurch Wirkungsgrad und Verluste mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Wenn der Wechselrichter beispielsweise mit DC-Eingang versorgt wird, können die Berechnungszeiträume synchronisiert werden, indem die gleiche Synchronisationsquelle für die Eingangs- und Ausgangskanäle eingestellt wird. Auf diese Weise lassen sich Wirkungsgrad und Verluste stabil messen.

Messung der Eingangsleistung in einem Wechselrichter

Um Wirkungsgrad und Verluste zu messen, muss die Leistung gemessen werden, die in den Wechselrichter eintritt. Diese Leistungsaufnahme dient als Grundlage für Wirkungsgrad- und Verlustmessungen. Im Allgemeinen wird sowohl AC- als auch DC-Netzstrom als Wechselrichtereingang verwendet. Wenn die durch die Ein- und Ausgangsleistungsmessung erhaltenen Werte eine Fehlerkomponente enthalten, wirkt sich dies erheblich auf die Effizienz- und Verlustwerte aus. Folglich ist es erforderlich, die Leistung am Eingang des Wechselrichters mit hoher Genauigkeit zu messen. Beispielsweise führt ein Fehler von 0.5 % im gemessenen Leistungswert eines Wechselrichters mit 99 % Wirkungsgrad zu einem Fehler von 50 % für Verluste. Obwohl es möglich ist, die Leistung mit einem Allzweck-Waveform-Recorder zu berechnen, muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass eine ausreichende Genauigkeit für das zu messende Band definiert wurde. Vorsicht ist geboten bei DC-Leistungsmessungen, denen ein Abgleich des Leistungsanalysators und des DC-Offsets der Stromsensoren vorausgehen muss. Wenn der Leistungsanalysator die Nullabgleichfunktion bereitstellt, führen Sie den „Nullabgleich“ durch, nachdem Sie den Eingang des Leistungsanalysators und die Stromsensoren auf Null gestellt haben. Auf diese Weise ist es möglich, präzise Messungen in DC durchzuführen, wobei der DC-Offset der Instrumente aufgehoben wird.

Messung der Ausgangsleistung eines Wechselrichters

Die Wechselrichter erzeugen einen PWM-modulierten Ausgang, der die Schaltfrequenz und ihre harmonischen Komponenten enthält. Auf diese Weise muss die Leistungsmessung in einem größeren Band durchgeführt werden, als wenn die Gleich- oder Netzfrequenz gemessen wird. Untersuchen wir das Band, das benötigt wird, um die Leistung bei der Schaltfrequenz und bei ihren Harmonischen zu messen. Da die Motorwicklungen eine induktive Komponente aufweisen, ist es weniger wahrscheinlich, dass hochfrequente Ströme in den Motor fließen. Da die Spannung eine PWM-Wellenform ist, kann sie als Rechteckwelle angenähert werden. Zu diesem Zeitpunkt sieht der Strom wie eine dreieckige Wellenform aus. Bei der Berechnung von RMS-Werten für eine Dreieckswellenform im Frequenzbereich können die Messungen RMS-Werte mit einem Fehler von 0.1 % oder weniger erzeugen, wenn Harmonische der 5. Ordnung gemessen werden können. Hier kann die Wirkleistung Pf als Funktion der Spannung Uf, des Stroms If und der Spannung-Strom-Phasendifferenz f wie folgt ausgedrückt werden: Pf = Uf • If • cosf (1) Wenn also sowohl die Spannung als auch Wenn der Strom 0 ist, ist die Wirkleistung für diese Frequenzkomponente 0. Unter der Annahme, dass Messungen auf 0.1 % genau sind, kann Strom mit harmonischen Komponenten der 7. Ordnung oder höher ignoriert werden, wie oben gezeigt. Daher reicht es aus, Spannung, Strom und Phasendifferenz im Bereich des 5- bis 7-fachen der Schaltfrequenz genau zu messen, um die Leistung bei der Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen mit einem Fehler von 0.1 % oder weniger zu messen. Zu den Verlusten in einem realen Motor gehören jedoch neben dem Widerstandsanteil auch die magnetischen Verluste durch das Kernmaterial sowie die Verluste durch verschiedene Faktoren, wie z. B. die Auswirkungen auf die Oberfläche der Drähte.

Folglich wird ein etwas größeres Frequenzband benötigt, um die Leistung bei der Schaltfrequenz und ihren Harmonischen genauer zu messen. Welches Band tatsächlich benötigt wird, hängt unter anderem vom Frequenzgang der jeweiligen Verluste ab. Tabelle 1 gibt detaillierte Auskunft über die Zielmaßnahmen. Da die Spannung eine PWM-Wellenform hat,
eine Analyse der FFT-Ergebnisse zeigt Frequenzanteile größer als 1 MHz Standard-Leistungsanalysatoren bieten kein ausreichendes Messband, um Spannungswellenformen mit der erforderlichen Genauigkeit zu messen. Beim Beobachten des Stroms ist ersichtlich, dass die Stromkomponenten 200 kHz nicht überschreiten. Außerdem sieht die Wellenform wie eine Sinuswelle aus. Diese Form ergibt sich aus der Tatsache, dass die induktive Komponente des Motors, wie oben beschrieben, das Fließen von Hochfrequenzströmen weniger wahrscheinlich macht. Daher ist es wünschenswert, einen Leistungsanalysator mit günstigen Eigenschaften für Spannung, Strom und Phasendifferenz im Band von mindestens dem 5- oder 7-fachen der Schaltfrequenz zu verwenden, um eine genaue Leistungsmessung am Wechselrichterausgang zu ermöglichen. In diesem Sinne führt die Verwendung von immer höheren Schaltfrequenzen für SiC-Wechselrichter dazu, dass ein größeres Frequenzband benötigt wird. Im Allgemeinen werden Stromsensoren verwendet, wenn Strom in einem Motorantriebssystem gemessen wird. Bei dieser Art von Anwendungen wird der Phasenfehler der Stromsensoren zu einem Problem.

Alle Stromsensoren neigen dazu, bei hohen Frequenzen einen größeren Phasenfehler zu zeigen, und diese Tendenz wird zu einer Fehlerquelle, wenn die Leistung bei hohen Frequenzen gemessen wird. Dadurch ist die Leistung bei der Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen durch einen geringen Leistungsfaktor gekennzeichnet. Basierend auf Gleichung (1) hat der Phasenfehler einen sehr großen Einfluss auf den Leistungsmessfehler bei niedrigen Leistungsfaktorwerten (Werte um 90°). Daher ist es nicht möglich, die Leistung mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu messen, es sei denn, der Phasenfehler der Stromsensoren kann korrigiert werden. Der Leistungsanalysator PW6001 von Hioki bietet Funktionen zur Kompensation des Phasenfehlers von Stromsensoren, wie in Abbildung 4 gezeigt. Diese Phasenkompensationsfunktion ermöglicht genauere Leistungsmessungen am Wechselrichterausgang.

Messen der Leistung eines Motors

Um den Gesamtwirkungsgrad und die Verluste eines Motors oder Motorantriebssystems zu messen, muss die Leistung des Motors gemessen werden. Um die Motorleistung mit Gleichung (2) zu berechnen, müssen wir Drehmoment und Drehzahl messen. Pm = T • 2 • π • n / 60 (2) Pm [W]: Motorleistung T [N•m]: Drehmoment n [U/min]: Motordrehzahl Die Motordrehzahl wird mit einem Tachometer oder Impulsgeber gemessen, das Drehmoment dagegen gemessen mit einem Drehmomentmesser. Zur Messung von Wirkungsgrad und Verlusten ist es notwendig, Leistung und Motorleistung gleichzeitig zu messen. Daher müssen wir einen Leistungsanalysator verwenden, der Eingangssignale von einem Tachometer, Impulsgeber und Drehmomentmesser akzeptieren kann.

Beispiel für die Messung des Wirkungsgrades eines Wechselrichters mit SiC-Leistungshalbleitern

Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Messung des Wirkungsgrads eines SiC-Wechselrichters, der einen Motor antreibt. In diesem Fall wurden ein Hioki PW6001 Power Analyzer und eine PW9100 Current Box verwendet, und die Abbildung zeigt die Messergebnisse, während die Grenzfrequenz des PW6001 LPF von 1 kHz auf 2 MHz variiert wurde sind die gleichen wie in Tabelle 1 beschrieben. Die gemessenen Wirkungsgradwerte ändern sich um die Grenzfrequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz erheblich. Diese Änderung spiegelt den Unterschied wider, wenn die Leistung bei der Schaltfrequenz und ihren harmonischen Komponenten gemessen wird. Kurz gesagt, Effizienzwerte bei 10 kHz und darunter führen dazu, dass nur die Leistung bei der Grundfrequenz, die mit der Motordrehzahl synchronisiert ist, und ihren harmonischen Komponenten gemessen wird. Aus Effizienzwerten bei und über 50 kHz leiten sich andererseits auch Messungen der Leistung bei der Schaltfrequenz und deren harmonischen Komponenten ab. Ab 50 kHz steigen die Effizienzwerte in gleichem Maße wie die Cutoff-Frequenz ansteigt. Diese Änderung ist das Ergebnis der Fähigkeit, die harmonischen Komponenten höherer Ordnung bei der Schaltfrequenz zu messen. Auf diese Weise ist der Leistungsanalysator PW6001 in der Lage, selbst im 2-MHz-Band Messungen eines Motorantriebssystems durchzuführen, sowohl Effizienz als auch Verluste, mit hoher Präzision und Stabilität, was darauf hindeutet, dass das Instrument Effizienz und Verluste basierend auf einem messen kann genaue Messung der Leistung bei der Schaltfrequenz und ihrer harmonischen Komponenten.

Auswirkungen der Gleichtaktspannung

Während der Leistungsanalysator die Netzspannung misst, wird eine große Gleichtaktspannung an seine Kanäle angelegt. Darüber hinaus enthält diese Gleichtaktspannung die Schaltfrequenz und ihre zugehörigen harmonischen Komponenten. Folglich ist es notwendig, Messungen mit einem Leistungsanalysator durchzuführen, der einen hohen Gleichtaktunterdrückungskoeffizienten (CMRR) für hohe Frequenzen hat. Ein CMRR von 80 dB wirkt sich mit 0.01 % der Gleichtaktspannung auf die angezeigten Werte aus. Mit anderen Worten, wenn die Gleichtakt-Eingangsspannung 100 V beträgt, würde es eine Auswirkung von 0.01 V auf die Anzeigewerte geben. Die FFT-Ergebnisse ähneln den in Abb. 3 gezeigten Ergebnissen, was deutlich macht, dass die Gleichtaktspannung die Schaltfrequenz und ihre harmonischen Komponenten enthält. Daraus kann geschlossen werden, dass mit zunehmender Frequenz der Schaltfrequenz auch die der Gleichtaktspannung zunimmt. Wechselrichter mit SiC-Leistungshalbleitern werden mit immer höheren Schaltfrequenzen ausgelegt. Daher ist es ratsam, für hohe Frequenzen einen Leistungsanalysator mit einem hohen CMRR zu wählen.

Rauschantworten von Stromsensoren

Beim Messen eines Motors oder Umrichters mit hoher Nennleistung ist es erforderlich, große Ströme in der Größenordnung von mehreren hundert Ampere zu messen. Es ist üblich, Stromsensoren zu verwenden, wenn hohe Ströme gemessen werden. Wechselrichter erzeugen große Mengen an Rauschen, und es ist wichtig, Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkungen des Rauschens auf die Sensoren selbst und auf den Weg, auf dem die Ausgangssignale der Stromsensoren übertragen werden, anzugehen, um genaue Leistungsmessungen sicherzustellen. Hioki bietet eine Reihe hochpräziser Stromsensoren mit idealen Eigenschaften für den Einsatz mit Leistungsanalysatoren. Somit ist es möglich, Leistungsmessungen sehr störsicher durchzuführen, indem einfach der Leistungsanalysator und die Stromsensoren mit einem speziellen Stecker verbunden werden.

Frequenzband und Abtastrate in Leistungsanalysatoren

Das analoge Band der Eingangsschaltung der meisten Leistungsanalysatoren ist größer als die Hälfte der Abtastrate fs (dh fs/2). In diesen Instrumenten erscheinen Spannungs- und Stromkomponenten, die bei Frequenzen größer als (fs / 2) vorhanden sind, im Niederfrequenzbereich als gekoppeltes Rauschen. Dieses Phänomen ist allgemein als Aliasing bekannt. Beim Messen von Gegenständen, die enthalten
Frequenzkomponenten über eine große Bandbreite, wie z. B. eine PWM-Wellenform, wird es unmöglich, zwischen dem eingekoppelten Rauschen und dem tatsächlichen Signal zu unterscheiden. Das Ergebnis dieses Phänomens ist die Messung eines zusätzlichen Fehlers und eine Verringerung der Wiederholgenauigkeit bei der Leistungsmessung. Andererseits ist es bei der harmonischen Analyse unmöglich, zwischen gekoppeltem Rauschen und echten Harmonischen zu unterscheiden. Das Ergebnis ist, dass eine genaue Analyse unmöglich wird und beispielsweise die Erkennung falscher harmonischer Komponenten wahrscheinlicher wird. Standard-Leistungsanalysatoren haben Abtastfrequenzen zwischen 100 kHz bis etwa 5 MHz, folglich gibt es Spannungskomponenten bei Frequenzen über (fs / 2). In diesen Fällen ist eine genaue Messung nicht möglich, wenn das analoge Band und die Abtastfrequenz zusammenhängen. Mit anderen Worten, das tatsächlich nutzbare Band ist kleiner als die Hälfte der Abtastrate. Bei der Messung und Analyse der Ausgangsleistung eines Wechselrichters ist es daher notwendig, ein Messgerät zu verwenden, das nach dem Abtastprinzip konzipiert ist. Leistungsanalysatoren von Hioki sind auf diese Weise konzipiert. Beispielsweise hat der Leistungsanalysator PW6001 eine Abtastrate von 5 MHz gegenüber einem analogen Band von 2 MHz/-3 dB. Folglich ist das Instrument in der Lage, gleichzeitig über die gesamte Leistungsbandbreite zu messen, eine genaue harmonische Analyse und eine genaue FFT-Analyse durchzuführen.

Zusammenfassung

Dieses Dokument enthält die wichtigsten Überlegungen, die bei der Messung des Wirkungsgrads und der Verluste von Wechselrichtern und Motoren ins Spiel kommen, und bietet Beispiele für tatsächliche Messungen sowie Fragen zu den Anforderungen an die bei dieser Art von Messung verwendeten Messinstrumente. Besonderes Augenmerk wurde auf die Überlegungen zur Messung von SiC-Wechselrichtern gelegt, die in den letzten Jahren immer mehr Verbreitung im Vergleich zu konventionellen Wechselrichtern gefunden haben. Außerdem wurden reale Messergebnisse präsentiert, um zu demonstrieren, wie der Wirkungsgrad und die Verluste von SiC-Wechselrichtern durch die Eliminierung verschiedener Fehlerquellen mit hoher Genauigkeit und Stabilität gemessen werden können. Es ist die Absicht des Autors, dass die Diskussionen als nützlicher Leitfaden bei der Messung von Leistung, Wirkungsgrad und Verlusten in Motorantriebssystemen mit SiC-Wechselrichtern dienen.