一、前言

近年來(lái)，采用功率半導(dǎo)體 SiC 和 GaN 的高效逆變器的開(kāi)發(fā)取得了進(jìn)展，這種逆變器可以實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)。然而，在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，真正能夠被輸入至電機(jī)進(jìn)而直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的僅僅只是基波功率，其它高頻成分則會(huì)作為無(wú)效能量（熱能、聲能以及振動(dòng)能）被損耗。因此，減少高頻功率損耗是開(kāi)發(fā)高效變頻電機(jī)系統(tǒng)的重點(diǎn)，需要精確的功率測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)分析相關(guān)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(qū)別，以及利用功率譜分析估算變頻電機(jī)損耗系數(shù)的方法。

二、諧波分析與 FFT 分析的區(qū)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(qū)動(dòng)電機(jī)的基波頻率分量及其諧波（藍(lán)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(nèi)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(shù)表示信號(hào)的基波頻率及其整數(shù)倍頻率成分。它用于分析根據(jù)定子或轉(zhuǎn)子布置等機(jī)械條件在固定次數(shù)上發(fā)生的諧波失真。另一方面，開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的載波頻率分量以固定頻率出現(xiàn)，與基波頻率無(wú)關(guān)。

這意味著，在電機(jī)分析中，若基波頻率實(shí)時(shí)變化時(shí)，則無(wú)法使用諧波分析來(lái)連續(xù)測(cè)量開(kāi)關(guān)頻率分量。例如，對(duì)于 10 kHz 的載波頻率，當(dāng)基波頻率為 100 Hz 時(shí)，載波頻率以 100 次為基準(zhǔn)，但當(dāng)基波頻率為 10 Hz 時(shí)，載波頻率必須以 1000 次為基準(zhǔn)。

2.什么是FFT(Fast Fourier Transform) 分析?

FFT 分析法將信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率成分，并以頻譜的形式顯示頻率成分的強(qiáng)度。

由于逆變器的載波頻率（開(kāi)關(guān)頻率）始終保持恒定，與電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此可以通過(guò) FFT 分析在頻率軸上觀察電壓和電流的波動(dòng)，從而直觀、連續(xù)地掌握電壓和電流的波動(dòng)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(fā)展到了現(xiàn)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(cè)物的實(shí)際頻率不匹配，由逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的功率譜可能測(cè)量為負(fù)值。而日置HIOKI PW8001 則將具備出色的頻率響應(yīng)的電流傳感器和自動(dòng)相位補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合，提供寬頻帶下準(zhǔn)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(xiàng)新功能，它具有高頻功率測(cè)量精度，可用于高頻功率損耗分析。從PW8001 Ver2.0 開(kāi)始，所有用戶(hù)均可使用該功能。

表 1：PW8001 功率頻譜分析(PSA)功能的簡(jiǎn)要規(guī)格

四、利用功率譜分析估算變頻電機(jī)的損耗系數(shù)

功率譜分析功能可對(duì)損耗因素進(jìn)行分析，這是一般功率分析儀的諧波分析無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這里以測(cè)量變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的諧波功率損耗為例進(jìn)行說(shuō)明。

1.變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高頻功率損耗

永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)由逆變器驅(qū)動(dòng)，由于開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻電流會(huì)增加電機(jī)的鐵損。此外，當(dāng)線圈股使用圓線時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流在線圈股內(nèi)分布不均，也會(huì)增加銅的損耗。

通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)貢獻(xiàn)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(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩條件變化而變化的情況。這為分析電機(jī)設(shè)計(jì)中的損耗因素提供了重要線索，將機(jī)械損耗與鐵的射頻功率損耗和交流銅損耗區(qū)分開(kāi)來(lái)。

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(jī)驅(qū)動(dòng)波形的諧波功率損耗。

使用日置HIOKI PW8001 對(duì)載波頻率為 16 kHz 的三相逆變器輸出波形進(jìn)行功率譜分析，可以觀察到載波頻率及其諧波功率譜?？稍谕划?huà)面中確認(rèn)中頻譜的具體頻率和功率值的列表。此外，還可將所有頻譜記錄為 CSV 數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析。

圖 2：功率譜分析(PSA)功能界面

五、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于變頻電機(jī)的性能評(píng)估，日置HIOKI PW8001 功率分析儀憑借具有出色頻率響應(yīng)的電流傳感器和自動(dòng)相位補(bǔ)償技術(shù)，不僅在寬頻帶范圍內(nèi)提供精確的測(cè)量結(jié)果，還可通過(guò)功率譜分析功能同時(shí)快速了解高頻功率損耗。

對(duì)于追求 0.1% 電源轉(zhuǎn)換效率的工程師來(lái)說(shuō)，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(quán)代理商，如果您對(duì)日置 PW8001 功率分析儀有需求或任何疑問(wèn)，歡迎聯(lián)系我們將提供免費(fèi)樣機(jī)上門(mén)試用和更合適的測(cè)試解決方案。