系统测试及解决方案

岁月凉兮

　　1引言
　　
　　随着节能被越来越重视，变频和电机作为节能重要方法，变频和电机的技术也得到了日新月异的发展。由此而引发的测试问题也日益增多，时刻挑战测试仪器的测试能力极限。如变频电机的启动频率越来越低，有些行业启动频率甚至达到了0.7赫兹；测试系统更加复杂，同时需要测试六相、九相甚至更多的测试回路等。本文以变频空调为例，针对测试中遇到的问题，使用YOKOGAWA超高速存储记录仪DL850给出解决方案。
　　
　　2系统的构成
　　
　　变频空调的系统结构图如下，从变频空调的系统框图可以看出，系统中有三个独立功能的变频部分和三个独立的电机。变频器分别调控压缩机、室内机、室外机。
　　
　　3变频系统测试中遇到的问题:
　　
　　变频空调的工作频率一般为10Hz~150Hz (某知名空调厂家宣布其变频空调采用新一代G10变频引擎、最低运行频率低至1赫兹)，而启动频率一般从5Hz启动，甚至1Hz。测试时需要观测各种电气参数和机械参数。随着系统的功能复杂度的提高，使用统测试手段暴露出的测试难题很多。比如，示波器的通道不隔离，不能直接测量变频器输出的浮地高压信号；示波器的AD只有8 BIT，幅值测试精度太低；存储深度不够，难以观测电机的从5Hz~150Hz的连续工作过程；测量通道只有4通道（世界唯一8通道示波器－YOKOGAWA 7480），对拥有多个变频输出和电机的系统，无法同时评价，对整个系统的性能无法准确测量；整个系统的功率、效率等无法同步评价；系统长时间的可靠性测试，无法完整记录测试过程及异常情况；机械信号、电相角、角度、位移等信号难以完整分析等等问题，已经经常困扰测试及研发工程师。
　　
　　4解决方案:
　　
　　YOKOGAWA作为行业内专业的测试仪器供应商，针对以上问题，给出专业的解决方案。使用一台DL850（DL850V）可以轻松应对以上问题。DL850/DL850V支持最大100MS/s的采样速率，支持最多128个通道，最大存储深度可达2GW，多达15种 丰富的插入式模块可以满足高速、高压、多点等各种测试要求，同时DL850V具有监测CAN通信数据的变化趋势等功能。下面主要介绍在变频空调测试中具体应用。
　　
　　4.1调制高速信号测试
　　
　　由于近期的开关频率超过100Hz，要捕捉这样的开关波形。需要更高的采样率和更长的内存，而DL850具有100M的采样模块，从下图可以看出，DL850清楚捕获了IGBT管的控制信号，即使其上升沿的振荡过程也能很精确的捕捉。即使同时观测六通道，每个通道也达250MS的存储空间，可以连续观测变频器5～150赫兹的启动工作过程，而使用一般的示波器根本无法完成。
　　
　　4.2 浮地高压信号精确测量
　　
　　从下图可以看出，变频器的输出是高压、浮地、高速信号。而DL850通道间是绝缘的、测试浮地高压信号，无需差分探头，直接输入；而且具有16BIT的A/D，幅值测试精度大幅提高；宽带宽、高耐压、高频共模电压抑制比(CMMR)高的特点，使得测试效果即兼顾了波形观测又使得幅值测量更加精确，同时避免了使用差分探头等问题。
　　
　　4.3空调启动特性测试
　　
　　空调研发时，为了更好的观测变频空调的启动过程，虽然其他仪器可以使用滚屏模式，但是波形无法展开，放大，最主要是内存太小（相对测试需求），通过滚屏模式看似增加了观测时间，采样率一定下降，波形失真就不可避免；而使用内存具有2GB的DL850，可以轻松捕获从5赫兹到150赫兹的完整启动波形，通过两个放大窗口，能够清晰、准确、不失真的分析每个周期的电压、电流、功率信号。
　　
　　4.4异常及可靠性测试
　　
　　空调系统由于各种原因，会出现不能正常启动、电流过大等可靠性问题。由于故障的不可预知及难以复现等特点。常规测试时，使用仪器的触发功能，来捕获异常信号。但是只捕获了满足触发的信号，不符合触发的信号被抛弃，使整个测试过程不够完整，难以全面分析问题原因。DL850独有的双捕获功能，可以完整记录整个测试过程，在系统正常工作的情况下，通过低速测试、记录波形，一旦异常出现，自动提高采样率，使得测试过程中正常和异常信号被完整记录，方便全面分析故障原因。
　　
　　4.5输出信号基波分离及FFT
　　
　　在变频测试中，变频器输出的基波信号特性非常重要，为了分离出基波信号，一般方法都是在仪器输入信号通道增加低通滤波器，但是这样就不能同时观测被测信号和基波信号了。DL850有独立与测量通道的16个DSP运算通道，通过设置二阶低通滤波器，轻松实现基波信号与被测信号分离，并实现了基波信号与被测信号同时观测，测量参数自动测量、运算等功能，具体如下图所示。当然，系统配置的有FFT功能，对于频谱等相关分析也很方便。
　　
　　4.6系统整体功率、效率评价
　　
　　空调系统测试时，单独测试单个变频器与电机的效率等参数使用WT3000/WT1800，精度非常高，而且功能强大。但是遇到整个系统联合调试时，变频器、压缩机、室内机、室外机等同时运行，就可以用两台WT3000/WT1800同步测量，实现目前业内最高精度的测量。如果对测试精度要求不是特别高时，就可以使用一台DL850，完成多达16路信号的系统测试。系统的电压、电流、功率、效率等参数测量值、波形及变化趋势等都可实时显示。下图是实现原理。
　　
　　另外，变频空调有时只要对特定温度条件、或特定运行频率环境才做以上测试，可以通过温度、频率等输入信号作为触发，开启或关闭特定的测试。
　　
　　4.7电机参数测试
　　
　　变频空调的压缩机研发，需要测试测试来自扭矩传感器及编码器的信号，通过DL850可以测量出机械功，扭矩、转速、电相角，针对于精密机床等用的步进电机，还需要测量角度、位移等信号。
　　
　　下图示例为通过测量编码器的A相、B相、Z相 及变频器的三相电流信号，使用光标功能，实现电机相位角测量。
　　
　　file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps27A.tmp.png
　　
　　如果测试电流信号中含有谐波，电流信号必然产生畸变，电角度的测量就可以通过FFT变换获取电流的基波成分，然后通过DSP实时计算出电流与旋转角度之间的相差，通过如下趋势图显示出来。
　　
　　file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps27B.tmp.png
　　
　　4.8其他行业应用:
　　
　　变频与电机的结合，成为当今节能的重要方法。典型的如电动汽车因为有四驱动力（两台变频其和两台驱动电机）和空调系统，同步测试信号多达16路，同时需要测量CAN总线信号；地铁、高铁因为有变频系统及逆变系统，也需要同步测试14路电气模拟信号及多路高压逻辑信号（DL850有逻辑模块）；六相、九相变频电机也有多路信号需要测试。以上测试中不只测试电压、电流等信号的波形、参数；而且还要通过电压、电流参数，给出系统的功率、能耗、效率等测量值，使用DL850，都成功的解决了测试中遇到的各种问题。
　　
　　5总结：
　　
　　变频及电机的应用非常广泛，系统构成也日趋复杂，YOKOGAWA使用高速存储记录仪DL850实现了多种参数的参量，为研发及测试人员的工作提供了便利。
　　
　　4.4异常及可靠性测试
　　
　　空调系统由于各种原因，会出现不能正常启动、电流过大等可靠性问题。由于故障的不可预知及难以复现等特点。常规测试时，使用仪器的触发功能，来捕获异常信号。但是只捕获了满足触发的信号，不符合触发的信号被抛弃，使整个测试过程不够完整，难以全面分析问题原因。DL850独有的双捕获功能，可以完整记录整个测试过程，在系统正常工作的情况下，通过低速测试、记录波形，一旦异常出现，自动提高采样率，使得测试过程中正常和异常信号被完整记录，方便全面分析故障原因。