如何使用LabVIEW测试效率

测试是最复杂，最关键的部分之一任何新产品或系统开发过程。如果调试对于提高产品的可靠性，通过“白盒”方法分析其内部行为起着根本性的作用，那么在重要性方面，功能测试无疑是最相关的，能够验证是否已满足并正确实施了每个应用程序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，其目的是通过开发具有更好的热管理，更低的功率吸收，更长的寿命和可靠性的应用来减少能量损失。测试自动化在解决这些关键问题和扩大测试覆盖范围方面起着根本性的作用，

效率测试

效率在大功率电气应用中起着至关重要的作用，在大功率电气应用中，必须管理从几千瓦到几十兆瓦的功率。正如我们在前面的文章中已经看到的那样，电力电子学包括各个领域，例如电动汽车（EV）的设计，相关的电池充电系统和电网应用。

如今，电网是一个非常整合的行业和基础设施。必须正确测试连接到网格的所有设备，以确保可以取用电源而不会对网络基础结构造成不必要或意外的影响。绝大多数测试都集中在这些方面，以及评估可将功率传输到消耗大量功率的工业设备，电器和其他设备的效率的能力。

同样重要的是变频电源应用，其中包括电动汽车，可再生能源发电系统和智能电网应用。所有这些应用的共同因素是能够将可变频率产生的功率传输到具有已知和可靠可用功率的输出上，反之亦然。前提是存在能够调节功率并改变其频率的复杂控制系统。

考虑到单位时间内发生的大量电力传输以及将功率损耗最小化的需求（在许多情况下，这也是法规规定的义务），效率在所有这些情况下都起着重要的作用。在电动汽车中，鉴于可以存储在电池中的能量有限，因此有必要充分利用可用电量，以最大化车辆的续航里程或性能，例如巡航速度。即使不能完全达到相当于效率100％的最佳条件，由于使用了能够提供非常高效率值的制造技术和材料（例如氮化镓和碳化硅），取得了巨大的进步通过减少功率损耗和散热。效率测量可以表征电池下游的所有特性，从而帮助电子设计人员开发可以尽可能高效地传输功率的设计。

另一个重要的例子是使用可再生资源的清洁能源生产系统。在这种情况下，功率会定期发生从可再生能源到电网的传输，因此，减少甚至最小的能量损耗，最大化系统效率就变得至关重要。

使用LabVIEW测试效率

例如，请考虑设计为向电网提供从可再生资源获得的最高15MVA功率的风力涡轮机（其模型如图1所示）。此类系统的效率在世界上最强大的可再生能源测试设施（代表电网研究创新与发展的Duke Energy eGRID）中进行了测试，能够在受控且可控的环境中测试原型的机械和电气特性。校准的环境，然后再将其部署到实际的网格上。

图1：将在15MVA电网模拟器中测试的风力涡轮机原型

15 MW电网模拟器包括不同的电气组件，包括NI硬件和与LabVIEW系统设计软件结合的FPGA，从而获得了能够进行真正的硬件在环（HIL）控制的系统。FPGA和LabVIEW Real-Time模块具有确定性，因此可以为DAQ，通信和控制提供灵活而可靠的系统。

在LabVIEW的电力工具包提供了所有需要建立自己的能效测试的功能，而且还配备了预建的例子是让你快速入门。牵引逆变器就是一个很好的例子。功率和效率测量与记录示例。该VI应用程序演示了如何使用可同时在八个通道上采样的NI DAQmx硬件在牵引逆变器上实现功率测量和效率。本示例测量牵引逆变器的直流母线和三相交流输出侧的电功率参数，例如有功功率。为了获得更高的精度和与电角度的相关性，将对信号进行整数周期处理，这些整数周期由A相电流通道上的电平触发器确定。计算的测量结果符合IEEE 1459-2010测量标准。

LabVIEW EV牵引力逆变器示例

一旦安装了LabVIEW Electric Power Toolkit，就可以使用“示例查找器”找到示例（从LabVIEW工具栏中选择“帮助”，然后选择“查找示例”。该示例位于“工具包和模块>电力> EV功率测试”下）。 > Traction Inverter。是Traction Inverter文件夹中的三个之一，它结合了硬件采集和对采集数据的后期分析，其他两个示例分别显示了这些任务（图2）。

图2：如何选择牵引逆变器示例

图形用户界面显示所有必要的配置设置，并在采集过程中显示数据，而所有硬件连接设置都位于该示例的左侧（请参见图3）。VI可以与不同的硬件驱动程序一起使用，但是该示例使用DAQmx驱动程序进行硬件连接。对于电压通道，您具有电压输入范围和预期电压输出范围，它们会在图表中为您生成该比例。当前输入和输出具有相同的比例计算。

图3：硬件连接配置

如图4所示，图形用户界面的中间部分具有用于在应用程序运行时获取的数据的图表。顶部的图表用于触发信号，底部的两个图表用于电压和电流。

图4：通道图

在用户界面的右侧，我们具有“触发器”设置，以及要计算多少次功率测量的周期数。下方是有功功率，有效视在功率，非有功功率，功率因数和逆变器效率测量值。所有这些测量值都记录到您选择的位置的文件中（图5）。

图5：用户界面的右侧

在图6所示的框图中，我们可以看到该应用程序的所有逻辑。应用程序的三个主要任务分为三个主要部分。第一个是与硬件建立连接，执行数据采集并配置触发的位置。一旦识别出满足触发条件的段，这些数据段便被发送到下一个任务。发生这种情况时，所有原始数据仍在流式传输和记录。第二项任务是功率测量分析。它具有一个循环缓冲区，该缓冲区采用触发的段并执行功率和效率计算。三相功率测量使用功率函数计算，直流功率测量使用直流功率函数计算，效率使用效率函数计算。

图6：框图

本示例使用3相3线输入设置（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。最后的任务是记录在采集过程中收集的所有原始数据以及执行的所有计算。

图7：三相3线有效电压计算

可以对此类示例进行定制和修改，以满足用户自己的电力应用需求。所使用的所有功能都是开放的且可修改的，因此，如果需要，可以使用不同的计算方法。通过使用LabVIEW，还可以将功率测量和分析与其他传感器进行同步，以了解整个系统如何影响效率。

电力电子效率

在电力电子应用中，可以通过使用宽带隙（WBG）半导体（例如碳化硅和氮化镓）来实现效率的重要提高。除了提高效率外，SiC和GaN在热管理方面也具有挑战性，因为它们具有较高的结温，同时在管芯上占据的空间较小。与WBG材料相比，基于硅的器件效率较低，结温更低，并且发热量更高。相反，宽带隙半导体效率更高，结温更高，发热量更少。此外，它们的面积最多可以减小75％，这意味着可以增加热通量。测试效率是一个复杂的主题，在测试热效率和WBG半导体时可能会变得复杂。基于WBG的设备可以以更高的频率开关，可以在更高的温度下工作并且泄漏电流比硅低，因此其测试需要更高的电压和更大的电流测量灵敏度。开关电源（SMPS）是WBG器件的首批电源应用之一，需要高频和高性能工具，以及用于表征较高频率下的部件性能并分析其性能和效率的电源分析软件。

编辑：hfy