广告

使用LabVIEW测试电力电子的效率

时间:2021-07-06 作者:Stefano Lovati 阅读:
效率对大功率电力应用来说非常关键,而效率测试本就是一个复杂的话题,在测试热效率和WBG器件时会变得更复杂。本文以风力涡轮机为例,用LabVIEW对其进行效率测试。本示例测量了牵引逆变器直流链路和三相交流输出侧的电力参数。
广告

测试是新产品或系统开发过程中最复杂也最关键的步骤之一。如果说调试在提高产品可靠性方面发挥着根本性的作用,是通过“白盒”方法分析其内部行为,那么功能测试无疑是最重要的一环,它能够验证所有应用需求是否已被覆盖且正确实施,并评估产品的整体效率。在任何电子领域,效率都扮演着越来越重要的角色,提高效率就意味着开发具有更佳散热管理、更低功耗、更长寿命和可靠性的应用,从而减少能量损耗。测试自动化在解决这些关键问题方面发挥着根本性作用,它可以增加测试覆盖范围、缩短产品“上市时间”并减少手动测试方法可能出现的错误。

效率测试

效率对大功率电力应用来说非常关键,因为这类应用需要管理的功率从几千瓦直到几十兆瓦。正如我们在之前的文章中看到的,电力电子包括各种受关注的领域,例如电动汽车 (EV) 设计、相关电池充电系统和电网应用等。

如今的电网是一个非常综合的行业和基础设施。所有连接到电网的设备都必须经过适当的测试,从而确保设备在获取电力的同时不会对网络基础设施造成不必要或意外的影响。绝大多数相关测试都专注于实现这一点,同时也评估电力传输到工业设备、电器和其它耗电大户时的效率。

测试对变频电力应用也同样重要,如电动汽车、可再生能源发电系统和智能电网应用。这些应用的共同点在于,能够将可变频率下产生的功率以已知且可靠可用功率传输到输出端,反之亦然。这就要求配置能够调节功率和改变频率的复杂控制系统。

考虑到单位时间内的大量电力传输以及最小化电力损耗的需求(在许多情况下也是必须遵从的法规条例),效率在这些应用场景下发挥着至关重要的作用。在电动车辆中,由于可存储到电池中的能量有限,因此有必要充分利用可用电力,以最大限度地提高车辆的续航里程或性能(如巡航速度)。得益于极为高效的制造技术和材料(例如氮化镓和碳化硅)减少了功耗和散热,现在我们即使不能完全达到等同100%效率的最佳条件,但也仍然取得了巨大的进步。效率测量可以表征电池供电的一切,帮助电子设计人员开发出尽可能高效传输功率的设计。

另一个重要的例子是基于可再生能源的清洁能源生产系统。在这类应用中,电力会定期从可再生能源传输到电网,因此,减少即使最小的能量损耗都至关重要,它可以最大限度地提高系统效率。

用LabVIEW进行效率测试

我们以风力涡轮机为例。风力涡轮机用于向电网提供来自可再生能源高达15MVA的电力(其模型如图 1 所示)。这类系统的效率是由世界上最强大的可再生能源测试设施(即杜克能源电网研究创新与发展,eGRID)进行测试,它能够在原型机部署到实际电网之前,在受控和校准环境中同时测试其机械和电气特性。

图1:在15MVA电网仿真器中测试的风力涡轮机原型

15 MW电网仿真器由不同的电气组件组成,包括 NI 硬件和 FPGA,并结合了 LabVIEW 系统设计软件,从而获得能够真正实现硬件在环 (HIL) 控制的系统。FPGA和LabVIEW实时模块的确定性特点为数据采集(DAQ)、通信和控制提供了灵活可靠的系统。

LabVIEW Electric Power Toolkit电力工具包提供了构建不同电源效率测试所需的所有功能,而且还附带预构建示例以帮助用户快速入门。其中,牵引逆变器功率和效率测量与记录就是一个非常有用的例子。该VI 应用演示了如何使用NI DAQmx硬件(可以在八个通道上同时采样)在牵引逆变器上实现功率测量和效率。本示例测量了牵引逆变器直流链路和三相交流输出侧的电力参数,例如有功功率。为了获得更高的精度以及电角相关性,需要在A相电流通道上一个电平触发器决定的整数周期块内对信号进行处理。计算出的测量结果符合IEEE 1459-2010 测量标准。

LabVIEW电动车辆牵引逆变器示例

一旦安装了LabVIEW Electric Power Toolkit,就可以使用“Example Finder”找到示例。在LabVIEW工具栏中选择“Help”,然后再选择“Find Examples”。该示例位于“Toolkits and Modules -> Electrical Power -> EV Power Test -> Traction Inverter“目录下,是“Traction Inverter”文件夹中的三个示例之一,它结合了硬件采集和采集数据的后期分析,另外两个示例则分别执行这些任务(参见图 2)。

图2:如何找到牵引逆变器示例

其图形用户界面显示了所有必要的配置设置,并在采集期间显示数据,而所有硬件连接设置均位于界面左侧(参见图 3)。该VI可与不同的硬件驱动程序一起使用,尽管该示例使用了DAQmx驱动程序进行硬件连接。对于电压通道,有“电压输入”范围和“预期电压输出”范围,可生成图表中显示的测量范围。“电流输入和输出”具有相同的测量计算。

图3: 硬件连接配置

如图 4 所示,图形用户界面的中间部分是应用运行时获取的数据图表。上面的图表为触发信号,下面两个为电压和电流。

图4: 相关通道图表

用户界面的右侧是触发设置以及要计算的功率测量周期数。下面为有功功率、有效视在功率、无功功率、功率因数和逆变器效率测量结果。所有这些测量结果都记录在文件中,保存在您所选择的位置(如图5所示)。

图5: 用户界面的右侧

在图6所示的框图中,我们可以看到应用的所有逻辑。应用的三个主要任务被分为三个主要部分。第一个部分用于实现硬件连接、执行数据采集和触发配置。一旦满足触发条件的数据段被识别,这些数据段就会被发送到下一个任务。而此时,所有原始数据仍在流式传输并被记录。第二项任务是功率测量分析。它具有一个循环缓冲区,用于接收触发的数据段并执行功率和效率计算。三相功率测量通过功率函数来计算,直流功率测量通过直流功率函数来计算,而效率则通过效率函数来计算。

图6: 功能框图

该示例采用3相3线输入设置(如图7),但也可以设置为使用 1相1通道或3相4线输入设置。最后一个任务是记录采集期间收集到的所有原始数据和执行的所有计算。

图7: 3相3线有效电压计算

根据具体的电力应用需求,可以定制和修改此示例。所有使用的函数都是开放且可修改的,如果需要,也可以使用不同的计算方法。通过LabVIEW,还可与其他传感器同步功率测量和分析,从而了解整个系统对效率的影响。

电力电子的效率

在电力电子应用中,采用宽禁带 (WBG) 半导体(如SiC和GaN)可以极大地改善效率。除了提高效率,SiC和GaN对热管理也带来了益处,因为它们在占用更小尺寸空间的同时也具有更高的结温。硅器件效率较低,结温较低,产生热量更多。而宽禁带半导体效率更高,结温更高,产生热量更少,而且还可以节省多达75%的占板面积,这意味着热流通的改善。效率测试本就是一个复杂的话题,在测试热效率和WBG器件时会变得更复杂。WBG 器件可以在更高的频率下切换,在更高的温度下工作,并且比硅器件具有更低的泄漏电流,因此其测试要求更高的电压和更高的电流来测量灵敏度。开关电源(SMPS)是WBG器件的首批电源应用之一,它需要高频率和高性能的工具,以及功率分析软件来表征更高频率下的器件行为,并分析其性能和效率。

(参考原文:LabVIEW for Power Electronics Testing for Efficiency

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年7月刊杂志文 章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 在家办公的趋势真能让工程师选择离开大都市? 疫情之下快速崛起的在家上班/远程办公模式衍生出一个新名词:“Zoom小镇”;这些“小镇”在过去一年大幅增加,预期随着COVID-19病毒持续肆虐全球而有越演越烈的趋势...
  • 中国EDA四强IPO均获受理,产业迎来发展黄金期 EDA上市第一股呈现四强争霸赛。华大九天、概伦电子、广立微、国微思尔芯作为国内目前最大的四家EDA公司,都在各自在的领域取得了不俗的成绩。值得关注的是,这四家EDA公司潜心耕耘都超过10年,成立时间最长的广立微已经成立18年,其次是国微思尔芯成立17年,华大九天成立12年,概伦电子成立11年。
  • 中移动发布2021智能硬件质量报告,三大5G商用芯片骁龙/ 中国移动日前在《2021年智能硬件质量报告》中,选取了11个品牌的45款5G手机进行综合能力测评,分别在通信指数、手机游戏、手机摄像头等方面,以及综合性能上给出了排行榜。除了对5G手机整机的评测,中国移动对5G芯片的评测也受到广泛关注,去年上榜的华为麒麟9000因各种原因缺席,擂台上仅剩高通骁龙888、联发科技天玑1200、三星Exynos1080三款主流5G芯片……
  • 如何理解FIT和MTBF 在我们的日常工作中,经常会碰到器件失效或系统故障,这时为了清楚界定失效事件的严重性,就需要定量的来描述具体的失效率,这就需要用专业的术语来沟通,而有的工程师喜欢谈FIT,有的工程师喜欢谈MTBF,其实这两个概念所描述的主体是不一样的,因此有必要在此简析一下。
  • 5G 将从哪些方面提升新零售体验? 5G 标志着移动通信新时代的到来,它将改变无线网络的速度和响应能力。得益于时延的大幅度降低和速度的大幅度提升,它能够支持更多设备同时访问互联网。零售商通过将人与万物互联,可以引领一个体验驱动创新的新时代。
  • 智能功率模块IPM的结温评估 本文详细叙述了实际使用时对IPM模块的各种结温的计算和测试方法,从直接红外测试法,内埋热敏测试,壳温的测试方法,都进行详细说明,以指导技术人员通过测量模块自带的Tntc的温度估算或测试IPM变频模块的结温,然后利用开发样机测试结果对实际产品进行结温估算标定,评估IPM模块运行的可靠性。
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • EMC对策产品: TDK推出用于移动设备 TDK株式会社(TSE:6762)推出用于移动设备的TCM0403M系列小型薄膜共模滤波器
  • 比科奇ORANIC板卡获行业大奖,5G小基 比科奇(Picocom)日前宣布:该公司荣获全球小基站论坛(SCF)一项大奖,其全新的ORANIC板卡赢得了全球小基站论坛(SCF)2021年度“小基站芯片及组件杰出创新金奖”。
  • 惊艳!大佬用200个LED做了一个智能手表(附PCB) 最近在hackaday上逛的时候,看到一个还在制作中的非常炫酷的手表项目,分享给大家。背景作者正在造的这个ESP32 Pico Watch有WIFI、BT、Mesh、一个振动马达、一个RTC、4个按钮
  • 【求职必备干货】电子工程师面试笔试题汇总 ▲ 更多精彩内容 请点击上方蓝字关注我们吧!金九银十,又到一年毕业求职季,面对人生的第一份工作,既兴奋又担心。每位学子都希望能进入大厂历练,为自己的职业生涯打下坚实基础。每年这个时
  • 汽车标准:全球EMC试验标准汇总! key点击蓝字关注我们EMC测试是汽车整车或零部件开发过程中常常涉及到的测试内容,EMC测试的主要目的是确保车辆或零部件在其工作的电磁环境中能够不受影响正常工作,同时也不对其他部件或系统造成电磁干扰。
  • 国产替代之痛,这款超高性价比的MCU堪称“翘楚”! MCU涨价缺货是埋在工程师心头的一根刺,从晶圆产能告急再到疫情天灾不断,MCU市场命途多舛。而究其市场国外产品占据超过70%,加之地缘政治摩擦加剧,国产化和国产替代成为当代电子必谈之需。记者获悉,从去
  • 增速最快!中芯国际Q2晶圆代工表现抢眼 快科技消息,8月31日,集邦资讯公布Q2季度全球晶圆代工市场最新排名,总产值达到了244.07亿美元,环比增长6.2%,创下了2019年Q3季度以来连续8个季度增长的新高。在TOP10厂商中,台积电一
  • 【数据】2021年vivo占稳中国手机市场第一 关注国产手机最新消息:今日,知名市调机构Counterpoint Research发文称,vivo是中国智能手机市场的低调之王。但从数据来看,vivo自2021年第一季度以来一直占据着中国智能手机市场
  • 推动本土FPGA生态建设,2021 FPGA生态峰会火热报名中!!! FPGA在我国通信、工业、汽车、物联网以及医疗电子、消费电子领域正发挥越来越大的作用,伴随FPGA的应用深入,FPGA厂商高歌猛进,在2020年均获得了快速发展!继成功举办两届FPGA应用创新论坛之后
  • 如何将Flash模拟成EEPROM ↑点击上方蓝色字体,关注“嵌入式软件实战派”获得更多精彩内容。温馨提示:本文参考《EEPROM Emulation with Qorivva MPC55xx, MPC56xx, and MPC57xx
  • 相见恨晚的Altium Designer使用技巧 首先声明下,写这个专题的目的不是为了做教程,所以前提都是建立在大家对于AD比较熟悉的基础上,旨在为大家减少一些画板过程中的繁琐机械的劳动~本文转载自Altium官方公众号。废话不多说,正文开始!场景一
  • 美国插手中韩半导体领域关键收购案 ▲ 更多精彩内容 请点击上方蓝字关注我们吧!近些年来,虽然中国面板产能持续提升,已成为全球最大的显示面板生产国,但驱动芯片却仍以进口为主,成为中国面板产业发展的一大瓶颈。  今年3
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了