LabVIEW EV牵引逆变器示例

测试是最复杂和最关键的部分之一 任何新产品或系统开发过程。如果调试在提高产品的可靠性方面起着根本性的作用，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，能够验证每个应用程序要求是否已被覆盖并正确实施并评估产品的整体效率。在任何电子行业，效率都扮演着越来越重要的角色，目的是通过开发具有更好热管理、更低功率吸收、更长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增加测试覆盖范围方面发挥着重要作用，

测试效率

效率在大功率电气应用中扮演着重要的角色，其中需要管理从几千瓦到几十兆瓦的功率。正如我们在之前的文章中已经看到的，电力电子包括各种感兴趣的领域，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。所有连接到电网的设备都必须经过适当的测试，以确保可以在不给网络基础设施造成不必要或意外影响的情况下提取电力。绝大多数测试都专注于这些方面，以及评估将电力传输到工业设备、电器和其他消耗大量电力的设备的效率的能力。

同样重要的是变频电源应用，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且可靠可用功率的输出端，反之亦然。这以能够调节功率和修改其频率的复杂控制系统的存在为前提。

考虑到单位时间内发生的大量电力传输以及需要（在许多情况下也是法规规定的义务）最大限度地减少电力损失，效率在所有这些情况下都发挥着相关作用。在电动汽车中，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行驶里程或性能，例如巡航速度。即使对应于 100% 效率的最佳条件无法完全实现，由于使用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），已经取得了巨大进步通过减少功率损耗和散热。效率测量允许表征电池下游的一切，帮助电子设计师开发可以尽可能有效地传输功率的设计。

另一个重要的例子是基于使用可再生能源的清洁能源生产系统。在这种情况下，电力会定期从可再生能源传输到电网，因此减少甚至最小的能量损失变得至关重要，从而最大限度地提高系统效率。

使用LabVIEW测试效率

例如，考虑风力涡轮机（其模型如图 1所示）设计用于向电网提供从可再生能源获得的高达 15MVA 的电力。像这样的系统的效率在世界上最强大的可再生能源测试设施（杜克能源 eGRID，代表电网研究创新与发展）中进行了测试，能够在受控和在实际网格上部署之前校准环境。

 

15 MW 电网模拟器由不同的电气组件组成，包括 NI 硬件和 FPGA，并结合 LabVIEW 系统设计软件，从而获得能够实现真正硬件在环 (HIL) 控制的系统。FPGA 和 LabVIEW 实时模块的确定性特性为 DAQ、通信和控制提供了灵活可靠的系统。

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。一个很好的例子是牵引逆变器功率和效率测量和记录示例。该 VI 应用程序演示了如何使用可同时在 8 个通道上采样的 NI DAQmx 硬件对牵引逆变器进行功率测量和效率测量。本示例测量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和与电角度的相关性，信号以由 A 相电流通道上的电平触发器确定的整数周期块进行处理。计算测量符合 IEEE 1459-2010 测量标准。

LabVIEW EV牵引逆变器示例

安装LabVIEW电力工具包后，可以使用Example Finder找到该示例（从LabVIEW工具栏，选择“Help”，然后选择“Find Examples”。该示例位于Toolkits and Modules > Electrical Power > EV Power Test > Traction Inverter. 它是 Traction Inverter 文件夹中的三个之一，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期间显示数据，而所有硬件连接设置都位于此示例的左侧（参见图 3）。该 VI 可与不同的硬件驱动程序一起使用，但该示例是使用 DAQmx 驱动程序构建的，以实现硬件连接。对于电压通道，您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。电流输入和输出具有相同的缩放计算。

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程序运行时获取的数据图表。上面的图表是触发信号，下面的两个是电压和电流。

图 4：通道图

在用户界面的右侧，我们有触发设置以及您想要计算功率测量的周期数。下面是有功功率、有效视在功率、无功功率、功率因数和逆变器效率测量。所有这些测量结果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

在框图中，如图 6所示，我们可以看到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。第一个是连接到硬件、执行数据采集和配置触发。一旦识别出满足触发条件的段，这些数据段就会被发送到下一个任务。在发生这种情况时，所有原始数据仍在流式传输和记录。第二个任务是功率测量分析。这具有一个循环缓冲区，它接收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

此示例使用 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。最后的任务是记录采集期间收集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

可以定制和修改此类示例以满足用户自己的电力应用需求。所有使用的函数都是开放的和可修改的，因此如果需要，可以使用不同的计算方法。通过使用 LabVIEW，还可以与其他传感器同步功率测量和分析，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，通过使用宽带隙 (WBG) 半导体，例如碳化硅和氮化镓，可以实现效率的重要提高。除了提高效率之外，SiC 和 GaN 还对热管理具有挑战性，因为它们具有更高的结温，同时占用的芯片空间更小。与 WBG 材料相比，硅基器件效率较低，结温较低，并且产生更多热量。相反，宽带隙半导体效率更高，结温更高，产生的热量更少。此外，它们的面积最多可以减少 75%，这意味着可以增加热通量。测试效率是一个复杂的话题，在测试热效率和 WBG 半导体时会变得复杂。基于 WBG 的设备可以在更高的频率下切换，可以在更高的温度下工作，并且比硅具有更低的泄漏，因此它们的测试需要更高的电压和更高的电流测量灵敏度。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更高频率下的组件行为并分析其性能和效率的电源分析软件。

　　审核编辑：汤梓红