电机驱动与变频器（VFD）测试
变频驱动效率、谐波与控制验证
概览
面向变频器（VFD）、伺服驱动与电机控制系统的综合验证。覆盖全工况效率、输入/输出谐波表征、控制环路动态与工业自动化 EMC 合规。
行业挑战
部分负载或高速工况效率偏低
输入电流 THD 过高引发电网问题
PWM 谐波导致电机过热
负载瞬态引起控制不稳定
高 dV/dt 损伤电机绝缘
快速开关带来的 EMI 影响周边设备
标准与规范
核心原理
传动系统效率
整体效率包含变频器与电机损耗： η_system = η_inverter × η_motor = P_mech / P_in(AC) η_inverter = P_out(PWM) / P_in(DC-link) 测量输入功率（三相 AC 或直流母线）与机械输出（扭矩 × 转速）。 Ref: IEC 61800-9-2
输入电流 THD
交流输入总谐波畸变： THD_I (%) = √(ΣI²_h) / I_1 × 100% (h = 2,3,4...) 6 脉波驱动 THD 通常 30-40%；12 脉波或 AFE 可降至 <5%。 IEEE 519 基于 I_sc/I_L 比值规定 PCC 处 THD_I 限值。 Ref: IEEE 519-2022 Table 2
PWM 输出电压应力
高 dV/dt 会在电机端产生反射波电压尖峰： V_peak ≈ 2 × V_DC-link（电缆反射最坏情况） dV/dt 典型值：IGBT 1-10 kV/µs，SiC >50 kV/µs 长电缆与阻抗不匹配会放大过电压。可用 dV/dt 滤波器或正弦滤波器保护绝缘。 Ref: NEMA MG1 Part 31, IEC 60034-17
开关损耗分析
单个器件的变频器开关损耗： P_sw = (E_on + E_off) × f_sw E_on/off = ∫V_CE × I_C dt（开关过渡期间） 提高 f_sw 可减小电流纹波，但损耗增加。SiC/GaN 支持更高 f_sw 且损耗更低。 Ref: IEC 60747-9
控制环路动态
速度环带宽决定响应速度： f_BW(speed) 工业驱动通常 10-50 Hz，伺服 100-500 Hz f_BW(current) >> f_BW(speed)，通常 1-5 kHz 阶跃响应：上升时间 ≈ 0.35 / f_BW 相位裕度 >45° 以保证稳定性。 Ref: IEC 61800-2 §5.4
电机热降额
PWM 供电电机因谐波损耗需要降额： P_loss(PWM) > P_loss(sinusoidal) Derating factor = √(1 + K_h × THD²_V) 标准电机通常需 5-15% 降额。变频器适配电机（F/H 级绝缘）可降低降额。 Ref: IEC 60034-17
典型测试任务
效率表征
- 效率地图覆盖速度/扭矩网格测量 η（如 10-100% 转速、25-100% 负载）
- 损耗拆分基于直流母线功率区分变频器与电机损耗
- 部分负载效率IEC 61800-9-2 参考点（25/50/75/100% 负载）
- 热相关性损耗模型与温升测试对应
谐波与电能质量
- 输入 THD_I测量交流输入电流谐波（至 50 次及以上）
- 输出 THD_VPWM 电压谐波含量与电机发热关联
- 功率因数不同负载下的位移/畸变功率因数
- IEEE 519 符合性PCC 处 THD 与限值对比
PWM 与开关
- dV/dt 测量捕获电机端电压上升时间
- 反射波不同电缆长度下的峰值电压
- 死区效应死区导致的输出电压畸变
- 开关损耗双脉冲测试或推算 E_on/E_off
控制性能
- 速度阶跃响应加减速时间与超调量
- 扭矩阶跃响应负载扰动抑制带宽
- 速度调节负载变化下稳态转速误差
- 回馈制动测试制动能量处理与母线电压上升
推荐配置
配件
- 高压差分探头（1-6 kV 量程）
- 罗氏线圈与电流互感器
- 扭矩/转速传感器或测功机接口
- 温度传感器（热电偶、RTD）
- dV/dt 滤波器与电机电抗器对比
软件
- 功率分析仪效率映射软件
- 谐波分析与 IEEE 519 报告
- 示波器电机驱动分析软件
- 自动化测试编排与数据记录
我们的服务
效率测试搭建
配置功率分析仪、传感器与测功机，确保效率测量准确
谐波符合性评审
IEEE 519 / IEC 61000-3-12 评估与整改建议
dV/dt 与绝缘分析
电缆长度评估、滤波器选型与电机适配性分析
控制环路调参支持
阶跃响应分析与带宽优化建议
