產品應用・用途
Application利用功率頻譜解析（PSA）功能探討Inverter馬達的損耗
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前言
近年來，利用高速開關SiC和GaN的功率半導體的高效率Inverter開發已取得顯著的進展。然而，在Inverter驅動中，向馬達輸入的電力中，僅有基本功率對迴轉力有直接貢獻，除此之外的諧波成分被視為無效能量（熱．聲音．震動）而損耗。因此，開發高效率的Inverter馬達系統，減少諧波電力損耗成為關注焦點，為了分析其中的原因，需要準確的電力測量數據。
本應用案例將介紹一般功率計中的諧波分析與高精度功率計(電力計)PW8001的功率頻譜分析(PSA)之間的區別，以及利用功率頻譜估算Inverter馬達的損耗因素。
目錄
- 諧波解析與FFT解析的不同
- 高精度功率計(電力計)PW8001的功率頻譜解析（PSA）
- 利用功率頻譜的解析技術預估Inverter的損耗因素
諧波解析與FFT解析的不同
圖1為Inverter輸出的有效電力的頻率分布。Inverter的輸出電力中，包含驅動馬達的基本頻率成分及該諧波(藍色部分)；Inverter的頻率以及該諧波(黃色的部分)。由於與馬達驅動直接相關的能量只有基本功率，除此之外的頻率的電力則會成為損耗。使用於電力損耗分析的諧波解析和功率頻譜解析（=電力FFT）有著各自不同的目的。諧波解析是用於包含基本頻率在內的次諧波領域，FFT解析則適用於分析諧波的載波頻率成分。以下將解釋個別的差異。
諧波解析是什麼？
諧波解析是以次數表示信號的基本頻率與其的整數倍的頻率成分。通常用在分析機械條件（如定子或轉子的布局）引起的特定次數諧波失真。另一方面，由於開關而產生的載波頻率成分與基本頻率無關，而是以固定的頻率出現。換句話說，在基本頻率時刻都在變化的馬達解析中，無法利用諧波解析連續地測量開關頻率成分。例如，載波頻率10kHz的情況下，基本頻率100Hz時，載波頻率將參考100次，但當基本頻率10Hz時，載波頻率則需要參考1000次。
FFT(Fast Fourier Transform)解析是什麼？
FFT解析將信號轉換為頻率成分，並將其表示為代表頻率成分強度的頻譜。由於Inverter的載波頻率（開關頻率）始終保持不變，不受馬達轉速的影響，因此透過FFT解析觀察頻率軸可以直觀且連續地了解電壓和電流的變化。
高精度功率計(電力計)PW8001的功率頻譜解析（PSA）
PW8001搭載了進化的電壓和電流FFT功能，以及能夠進行有效功率FFT分析的功率頻譜解析功能。如果測量儀器的相位特性不正確，可能導致由Inverter驅動的馬達的功率頻譜被誤測為負值。然而，PW8001透過優質的頻率特性電流感測器和自動相位校正技術，能夠在寬頻範圍內進行準確的有效功率FFT分析。
PW8001擁有優秀的諧波電力測量精度，並具備功率頻譜解析功能，這是為諧波的電力損耗解析抱持著信心所推出的新功能。這個功能從PW8001韌體V2.0開始，所有的使用者皆可使用。表1為PW8001功率計的頻譜解析(PSA)規格概要。
表1：PW8001功率計的頻譜解析(PSA)功能概要。
| 項目 | 規格 |
|---|---|
| 測量通道 |
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| 演算種類 |
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| ＦＦＴ點數 | 1000點, 5000點, 10,000點, 50,000點, 100,000點, 500,000點, 1,000,000點, 5,000,000點 |
| 反鋸齒 | 電子檔案自動 |
| 窗口函數 | 矩形窗、漢寧窗、flat top |
| 最大解析頻率 |
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利用功率頻譜的解析技術來預估Inverter的耗損因素
功率譜解析功能可分析一般功率計的諧波解析無法檢測的耗損因素。作為實例，以下將介紹Inverter驅動馬達的諧波電力耗損的測量案例。
Inverter驅動馬達中的高頻率電力耗損
永久磁石同步馬達和異步電動機由Inverter驅動，因為開關對高頻電流的影響，會導致馬達的鐵芯損耗增加。此外，當線圈使用方形線時，在馬達的高轉速側，電流會在線圈內部不均勻分佈，從而增加了銅損。通過即時觀察不參與馬達驅動的高頻電力值及其頻率分佈，可以直觀地了解馬達轉速和力矩條件的變化以及高頻電力損耗的變化。這將有助於在馬達設計中分離機械損耗、鐵芯損耗，以及造成交流銅損的高頻電力耗損，為損耗原因分析提供重要線索。
圖2為PW8001的功率頻譜解析（PSA）功能畫面，顯示了Inverter馬達驅動波形的高頻電力損耗。
使用PW8001，可以進行載波頻率為16 kHz的三相Inverter輸出波形的功率譜解析，從而觀察載波頻率及其諧波電力頻譜。在同一畫面上，可查看頻譜中前10個頻率和功率值的具體資訊。此外，所有頻譜都可以作為CSV數據記錄，以進行詳細分析。
圖3顯示了PW8001的功率譜解析（PSA）功能畫面，顯示了Inverter馬達驅動波形的諧波電力損耗。
使用PW8001，可以對輸出波形進行功率譜解析，其載波頻率為16 kHz，這使得您可以觀察到載波頻率及其高次諧波電力譜。在同一畫面上，您可以查看頻譜中前10個頻率和功率值的具體信息。此外，所有頻譜都可以作為CSV數據記錄，以進行詳細解析。
圖3：功率頻譜解析（ＰＳＡ）功能畫面
結語
在Inverter馬達性能評估中，功率計(電力計)PW8001透過卓越頻率特性的電流感測器和自動相位校正技術，獲得了準確的寬頻測量結果，同時還藉由功率頻譜解析功能快速獲取高頻電力損耗的洞察。對於追求0.1％電力轉換效率的所有工程師，對電力耗損研究做出貢獻的功率計（電力計）PW8001值得您嘗試。如欲了解更多產品資訊，請查看產品頁面。另外，如有關樣品試用或應用方面的諮詢，請聯繫HIOKI的相關人員。有關PW8001最新韌體的詳細資訊，請參閱此處。
