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电动汽车采用新功率器件:高开关频率下如何实现精确功率测量?

时间:2018-10-25 作者:Franklin Zhao 阅读:
横河推出了一款重磅产品——新一代多通道高精度功率分析仪WT5000。该产品采用横河目前最高端的技术而设计,号称是目前世界上最高精度的功率分析仪。那么这个最高精度是个什么概念,对于电动汽车(EV)、可再生能源(光伏发电)和电力变压器等重点市场又能提供哪些重要特性与优势吧?

随着可持续发展成为社会的目标,业界出现了几个关键的市场趋势:首先,针对环境保护的零排放汽车在迅速发展;其次,目前全球的投资在从石油和天然气市场转向可再生能源开发;最后,第四次工业革命和AI技术需要大数据存储和分析,因此传感器、机器人和数据中心等相关市场的规模会变得越来越大。

在这样的市场趋势下,越来越多的设备采用最新的高速和低损耗功率器件,而要实现这些器件的精准测量,则需要使用具有更大带宽、更高精度的功率测量设备。除了需要同时测量电压、电流、功率以外,还有许多信号需要进行同步记录,如转速、扭矩、温度和波形等等。此外,我们还需要分析不稳定或瞬态现象。

针对上述趋势,横河推出了一款重磅产品——新一代多通道高精度功率分析仪WT5000。该产品采用横河目前最高端的技术而设计,号称是目前世界上最高精度的功率分析仪。那么,你应该很想知道这个最高精度是个什么概念,对于电动汽车(EV)、可再生能源(光伏发电)和电力变压器等重点市场又能提供哪些重要特性与优势吧?

日前,在该公司的产品发布会上,横河电机株式会社常务执行董事、航天・特种机械事业本部长、横河计测株式会社董事长兼总经理、横河电子机器株式会社兼职董事山崎正晴、横河计测株式会社市场部本部长Kenichiro Haga、横河计测株式会社技术开发本部第一技术部长岩濑久、上海横河国际贸易有限公司董事总经理井上真之介一行四人,对该产品的目标市场和特性、该公司的技术发展历史和使命,以及在中国的布局和贡献等,为我们做了全面介绍。会后,该公司还接受了EDN的独家专访,探讨了该公司的重点市场及策略、技术优势和特点等话题。

从左至右依次为Kenichiro Haga部长、岩濑久部长、山崎正晴社长和井上真之介总经理。

从左至右依次为Kenichiro Haga部长、岩濑久部长、山崎正晴社长和井上真之介总经理。

横河电机:建国后第一家来华开展业务的日本公司

山崎正晴介绍说,横河电机成立于1915年,至今已有100多年历史,公司的品牌标语是“Co-innovating tomorrow”。横河电机是建国后第一家来中国大陆开展业务的日本公司。

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横河电机:建国后第一家来华开展业务的日本公司 

他指出,今年横河提出了TF2020中期业务计划,希望通过对企业改革并通过控制和测量来实现可持续发展的社会。对此,该公司有三个方面的规划:第一,成为创新价值的创造者;第二,成为最值得信赖的伙伴;第三,成为全球一体化的团队。

为了实现上述的战略目标,横河的核心是要进行数字化转型。该公司有三个一直到2050年的可持续发展的长远目标,即努力到2050年实现零排放,转变为循环经济,并且确保每个人的幸福感。这样才能为我们的下一代创造一个更美好的家园。

横河借助精准的技术,已经为并且将来会继续为中国的可持续发展作出贡献。

横河历史上发布的重要测试测量产品

Kenichiro Haga介绍说,横河计测作为横河电机的测试测量分部,把总公司的Co-innovating tomorrow品牌口号拓展下去就是Precision Making(精准制造)。在横河提供的测试与测量仪器中,精准是一个非常关键的指标。“精准并不是平白无故得来的,而是通过倾心打造而来的一个技术。”他谈道,“横河的任务是对可持续发展作贡献,这个重要任务包含三个部分:节能、安全和环境。”

横河是功率测量领域的专家,拥有超过100年的功率测量的历史。下面来看一下该公司在历史上提供过哪些重要产品。

下图是横河最早的模拟电表,于1917年问世。

横河最早的模拟电表,于1917年问世。

58年前横河发明的扭力平衡高精度功率传感器APR-2,其中用到了机械和电学两方面的技术。它实际上也是一个电表,但里面用到了扭力平衡技术,来达到非常高(0.01%)的功率测量精度。“这是用机械方式实现的,但是灵敏度非常高,它没有用到数字技术,但依然达到了非常高的精度。”Kenichiro Haga透露说,“美国国家标准与技术研究院(NIST)批准将它作为功率校准的二级标准。这为横河带来契机,使我们的功率测量技术走向世界(横河技术走向世界就是从这时候开始的)。”

58年前横河发明的扭力平衡高精度功率传感器APR-2

14年前(2004年),横河推出了WT3000/WT3000E高精度功率分析仪。“在当时,在功率测量领域,它可以说是一个划时代的标准。特别是在电机和变频器的应用领域,以及IEC的标准测量方面。即使在噪声非常大的情况下,也能保持非常高的测量精度。”他指出。

14年前(2004年),横河推出了WT3000/WT3000E高精度功率分析仪

不光有WT3000(E)功率分析仪,横河还有很多其他产品,下面是横河现有的产品线。

横河现有的产品线

对于市场情况,他指出,现在中国有大量的投资聚焦在可持续发展方面。“可再生能源、清洁交通(包括电动车)、智能家电、工业4.0/IIoT以及智慧城市等,这些都是功率测量的市场推动力。我们的目的是要测量效率(能效评估),包括一些法规和政府的标准、机电分析、工作与待机能耗。这些都是为了对可持续发展作出贡献。”他谈道。

WT5000高精度功率分析仪:何为世界最高?

鉴于文章开头提到的技术趋势和要求,横河开发了新一代的WT5000高精度功率分析仪。横河计测株式会社技术开发本部第一技术部长岩濑久对其进行了详细介绍,包括功率分析仪的市场趋势和要求,WT5000在横河功率分析仪产品线中的位置、相关的功能和特点,以及它的典型应用。

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WT5000的主要特点包括:

· 高精度:读数的0.01%+量程的0.02%

· 采样率10MS/s,18位AD转换器,用于高精度测量

· 大尺寸LCD触摸屏

· 最多7个输入单元,采用模块化结构

· 最多4组电机评价功能

· 同时进行两组谐波测量,基频最高可达300kHz,分析次数可达500次

· 同时测量全带宽功率值和基波/谐波成分

这些功能对于评估最新的电机驱动器或变频器非常有用。WT5000的基本精度是读数的0.01%+量程的0.02%。这种精度可以实现非常高精度的功率测量。相比之前的WT3000(E),WT5000在功率因数为0时的精度以及DC精度上都有很大提高,岩濑久介绍说。

“WT5000不仅是横河功率分析仪中最精确的,而且也是世界上最精确的功率分析仪。”他指出,为了实现精确的功率测量,ADC的性能非常重要。WT5000具有一个18位分辨率的ADC,最高采样率为10MS/s。它的分辨率是以前型号的4倍,采样率是以前型号的50倍。基于这种增强性能,WT5000有能力去捕获目前最新型变频器的高频脉冲信号,并实现稳定(非波动)的测量。

WT5000具有10.1英寸WXGA LCD触摸显示屏。这项改进不仅提高了现有功率分析仪用户的易用性,而且大大提高了在智能手机环境下长大的工程师的易用性。当然,与其他型号一样,WT5000也具有快捷的实体键,可以实现一键直接调用相关功能设定。量程的设定键,包括数据的保存键,使用频率都非常高,因此这些键也都会放置为快捷设置键。“大尺寸的LCD触摸显示屏,以及快捷设置键,为我们的客户提供了非常出色的易用性。”

“一台WT5000的主机最多可以有7个功率输入单元,这种多输入功能可以拓展我们的应用,并且可以提高我们的测量效率。可以用一台WT5000来测量电动汽车的1个DC信号,以及2组三相控制器的信号。另外,我们提供了2种输入单元,一种是30A,一种是5A。客户可以为自己的应用选择最优化的模块配置。”他表示。

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在电机和变频器的测量中,用户通常需要测量机械参数,包括扭矩和转速,以及电功率,来评估系统的效率。WT5000在一台主机上就可以实现最多4组扭矩和转速的测量。这个特点对于评估电动车的轮毂电动机非常有用。它还可以测量同步电机的电角度。在这个例子里,WT5000最多可以测量2台电机。

另外,其双谐波测量功能可以同时对两个不同基波信号进行谐波测量。这个功能使客户可以同时对功率转换器的输入和输出进行谐波测量。支持的基波频率从0.1Hz到300kHz,这意味着它涵盖了从电动驱动频率一直到无线充电频率的测量。

它还具有全带宽功率和谐波同时测量的功能。WT5000有两种类型的数字低通滤波器,一个用于功率测量,另一个用于基波/谐波测量。这种数字并行通路结构是同时测量全带宽功率和基波/谐波的理想方法之一。这一强大功能是通过FPGA数字技术而设计。

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WT5000的主要规格包括:电压频率带宽为10MHz(-3dB,典型值),电流频率带宽为5MHz(-3dB,典型值);用于数据保存的内部存储器,标配为2GB,并可以选择最大32GB的选项。PC端的免费软件WTViewerEfree,可从网站下载。

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其最主要的目标市场是电力电子设备的研发,包括:

· 公共交通,如电动汽车,插电式混合动力车,燃料电池车和火车

· 工业设备,如变频器,电机和变压器

· 可再生能源,如太阳能和风能

· 办公设备和家用电器,如空调,冰箱

· IT数据中心设备,如服务器,路由器和交换机

· LED照明

电动汽车、可再生能源(光伏发电)和电力变压器评价是WT5000最典型的三个应用,其特性如下。

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“总而言之,高精度功率分析仪WT5000是我们具有最佳精度和功能的新一代功率分析仪。我坚信这款新一代功率分析仪将成为您可持续发展的最佳伙伴。”岩濑久总结说。

具有跟日本原厂相同的专用校准系统,99%产品可在上海本地维修

强大的产品也需要有完善的本地服务来支撑,上海横河国际贸易有限公司董事总经理井上真之介介绍了该公司在本地提供的服务以及在新能源汽车开发方面的应用。

井上真之介介绍说,横河自1970年代在中国开展业务以后,其座右铭就是如何对中国作贡献。“我们希望能跟中国客户有更深入的合作,为电动汽车、替代能源、电机、变频器、铁路、机器人以及家电等节能相关的领域作出更大贡献。”

横河计测部门于2000年在中国正式成立独资公司。这些年,中国的产业也在发生一些变化,在从过去的注重数量往现在的注重质量而转变。“因此我们也是尽全力提供更精确的全面解决方案给客户。”他指出。

为了更好地支持客户,横河也在对其服务水平进行提升。除了日本以外,该公司在中国以及其他国家也都建立了校准与维修服务中心,可以为本地的客户提供专业的服务。

在中国我们也与一些国家计量机构(如国家计量院)进行合作,分享有关高精度测量及计量的技术和经验。“今年,横河又通过了新的CNAS认证,可以对十种测量仪器进行校准,这也是对我们的技术和服务水平的一个肯定。”他说,“目前,我们有99%的产品可以在上海本地维修。”

为了保持测量的精准,该公司可以提供高水平的服务,比如校准计量、调整和维修,甚至包括现场校准服务。目前其可以对交直流电压和电流、功率、数字万用表、数字示波器以及光功率、光波长和光谱进行基于ISO/IEC-17025的CNAS认可校准。“如果客户对功率精度等有要求的话,我们可以把CNAS认证放在校准证书上,这也是我们提供给中国客户的一个价值。”他补充说。

“除了符合中国的计量标准以外,我们(中国分公司)还有跟我们日本原厂相同的专用校准系统。”他指出,“通常我们所说的功率精度是在工频频率,但是我们的设备却高达1MHz,因此如何校准非常重要。在这方面,我们跟我们日本的工厂是保持一致的。”

除了横河自己的测试与测量产品以外,该公司还提供和电动汽车以及电机相关的其他厂家的测试产品,例如METRON公司(在磁特性测量领域很有名)的测试系统,以及DTS INSIGHT公司提供的RAMScope软件——它可以在不中断产品(如ECU)运行的情况下获得RAM中的数据。

“我们希望通过与高水平的供应商合作,为客户提供解决方案,并为中国的创新作出贡献。我们也有专业的合作伙伴来为客户提供完整的解决方案。”他总结说。

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