使用LabVIEW测试电力电子的效率

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