日置 PW8001 功率譜分析 (PSA) 功能測量變頻器電機損耗
2024-03-26
一、前言
近年來，采用功率半導體 SiC 和 GaN 的高效逆變器的開發取得了進展，這種逆變器可以實現高速開關。然而，在變頻驅動系統中，真正能夠被輸入至電機進而直接產生旋轉力的僅僅只是基波功率，其它高頻成分則會作為無效能量（熱能、聲能以及振動能）被損耗。因此，減少高頻功率損耗是開發高效變頻電機系統的重點，需要精確的功率測量數據來分析相關因素。
本案例介紹了普通功率分析儀的諧波分析與日置HIOKI PW8001 高精度功率分析儀的功率譜分析 (PSA) 功能之間的區別，以及利用功率譜分析估算變頻電機損耗系數的方法。
二、諧波分析與 FFT 分析的區別
圖 1 顯示了逆變器輸出有功功率的頻率分布。變頻器的輸出功率包括驅動電機的基波頻率分量及其諧波（藍色部分）、變頻器的載波頻率及其諧波（黃色部分）。
由于只有基波頻率為電機驅動提供能量，因此其他頻率的功率都是損耗。用于功率損耗頻率分析的諧波分析和功率譜分析（= 功率 FFT）具有不同的目的。
諧波分析適用于分析包括基波頻率在內的低頻范圍，而 FFT 分析則適用于分析較高頻率的載波頻率成分。
圖 1：逆變器輸出有功功率的頻率分布
1.什么是諧波分析？
諧波分析用次數表示信號的基波頻率及其整數倍頻率成分。它用于分析根據定子或轉子布置等機械條件在固定次數上發生的諧波失真。另一方面，開關產生的載波頻率分量以固定頻率出現，與基波頻率無關。
這意味著，在電機分析中，若基波頻率實時變化時，則無法使用諧波分析來連續測量開關頻率分量。例如，對于 10 kHz 的載波頻率，當基波頻率為 100 Hz 時，載波頻率以 100 次為基準，但當基波頻率為 10 Hz 時，載波頻率必須以 1000 次為基準。
2.什么是FFT(Fast Fourier Transform) 分析?
FFT 分析法將信號轉換為頻率成分，并以頻譜的形式顯示頻率成分的強度。
由于逆變器的載波頻率（開關頻率）始終保持恒定，與電機的轉速無關，因此可以通過 FFT 分析在頻率軸上觀察電壓和電流的波動，從而直觀、連續地掌握電壓和電流的波動情況。
三、日置 PW8001 高精度功率分析儀的功率譜分析 (PSA) 功能
日置HIOKI PW8001 已從電壓和電流的FFT 發展到了現在的有功功率FFT，搭載了功率頻譜分析的功能。如果儀器的相位特性與被測物的實際頻率不匹配，由逆變器驅動的電機的功率譜可能測量為負值。而日置HIOKI PW8001 則將具備出色的頻率響應的電流傳感器和自動相位補償技術相結合，提供寬頻帶下準確的有功功率 FFT 分析。
功率頻譜分析功能是日置HIOKI PW8001 引以為豪的一項新功能，它具有高頻功率測量精度，可用于高頻功率損耗分析。從PW8001 Ver2.0 開始，所有用戶均可使用該功能。
表 1：PW8001 功率頻譜分析(PSA)功能的簡要規格
四、利用功率譜分析估算變頻電機的損耗系數
功率譜分析功能可對損耗因素進行分析，這是一般功率分析儀的諧波分析無法實現的。這里以測量變頻器驅動電機的諧波功率損耗為例進行說明。
1.變頻驅動電機的高頻功率損耗
永磁同步電機和感應電機由逆變器驅動，眾所周知，由于開關產生的高頻電流會增加電機的鐵損。此外，當線圈股使用圓線時，高速運轉時電流在線圈股內分布不均，也會增加銅的損耗。
通過實時觀測對電機驅動無貢獻的射頻功率值及其頻率分布，可以直觀地了解射頻功率損耗隨電機轉速和轉矩條件變化而變化的情況。這為分析電機設計中的損耗因素提供了重要線索，將機械損耗與鐵的射頻功率損耗和交流銅損耗區分開來。
圖 2 顯示了 PW8001 功率譜分析 (PSA) 功能的界面，在此可觀察到變頻電機驅動波形的諧波功率損耗。
使用日置HIOKI PW8001 對載波頻率為 16 kHz 的三相逆變器輸出波形進行功率譜分析，可以觀察到載波頻率及其諧波功率譜。可在同一畫面中確認中頻譜的具體頻率和功率值的前十列表。此外，還可將所有頻譜記錄為 CSV 數據，以便進一步分析。
圖 2：功率譜分析(PSA)功能界面
五、結語
對于變頻電機的性能評估，日置HIOKI PW8001 功率分析儀憑借具有出色頻率響應的電流傳感器和自動相位補償技術，不僅在寬頻帶范圍內提供精確的測量結果，還可通過功率譜分析功能同時快速了解高頻功率損耗。
對于追求 0.1% 電源轉換效率的工程師來說，日置HIOKI PW8001 功率分析儀有助于查明功率損耗。
艾克賽普公司是HIOKI日置授權代理商，如果您對日置 PW8001 功率分析儀有需求或任何疑問，歡迎聯系我們將提供免費樣機上門試用和更合適的測試解決方案。
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