一、前言

近年來，采用功率半導(dǎo)體 SiC 和 GaN 的高效逆變器的開發(fā)取得了進展，這種逆變器可以實現(xiàn)高速開關(guān)。然而，在變頻驅(qū)動系統(tǒng)中，真正能夠被輸入至電機進而直接產(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(fā)高效變頻電機系統(tǒng)的重點，需要精確的功率測量數(shù)據(jù)來分析相關(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(qū)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(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)子布置等機械條件在固定次數(shù)上發(fā)生的諧波失真。另一方面，開關(guān)產(chǎn)生的載波頻率分量以固定頻率出現(xiàn)，與基波頻率無關(guān)。

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(xù)測量開關(guān)頻率分量。例如，對于 10 kHz 的載波頻率，當(dāng)基波頻率為 100 Hz 時，載波頻率以 100 次為基準(zhǔn)，但當(dāng)基波頻率為 10 Hz 時，載波頻率必須以 1000 次為基準(zhǔn)。

2.什么是FFT(Fast Fourier Transform) 分析?

FFT 分析法將信號轉(zhuǎn)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(guān)頻率）始終保持恒定，與電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，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(xù)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(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物的實際頻率不匹配，由逆變器驅(qū)動的電機的功率譜可能測量為負(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相位補償技術(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(guī)格

四、利用功率譜分析估算變頻電機的損耗系數(shù)

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(xiàn)的。這里以測量變頻器驅(qū)動電機的諧波功率損耗為例進行說明。

1.變頻驅(qū)動電機的高頻功率損耗

永磁同步電機和感應(yīng)電機由逆變器驅(qū)動，由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻電流會增加電機的鐵損。此外，當(dāng)線圈股使用圓線時，高速運轉(zhuǎn)時電流在線圈股內(nèi)分布不均，也會增加銅的損耗。

通過實時觀測對電機驅(qū)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩條件變化而變化的情況。這為分析電機設(shè)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(qū)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(qū)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(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)，以便進一步分析。

圖 2：功率譜分析(PSA)功能界面

五、結(jié)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(yīng)的電流傳感器和自動相位補償技術(shù)，不僅在寬頻帶范圍內(nèi)提供精確的測量結(jié)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(zhuǎn)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(quán)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(lián)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。