前言

電動車馬達必須要能對應從低速到高速的高效率運作。所以，在測量時我們必須要藉由馬達轉速與扭矩的變換，建立出不同參數條件下效率變化的「效率地圖」。本應用案例將介紹如何測量永磁同步馬達(PMSM)的效率，並依據測量結果來繪製效率地圖。

變頻器輸出與馬達輸出與損失的關係

圖1：馬達輸出與損失

變頻頻器對馬達施加電壓後，馬達的線圈就會通電，並在定子中產生磁通。透過這個磁通所形成的磁場會驅動轉子旋轉。PMSM會與變頻器輸出的電壓基本波同步旋轉，所以馬達輸出主要來自於基本波。此外，基本波成分的一部份會以鐵損與銅損的形式消耗。另一方面，基本波的諧波與切換頻率等會被視為高頻損失。

馬達的效率測量

圖2：變頻器的電壓、電流波形

透過功率計測量馬達系統，不僅能夠測量整體輸出，也可以只測量基本波的輸出。此外，透過測量馬達的扭矩與轉速，可以測量馬達的輸出。功率計可透過這些參數進行效率與損失的內部演算功能。為此，可以輕鬆收集「效率地圖」所需要的測量數據。

圖3：基本波輸出與馬達輸出的測量

損失的分離：銅損與鐵損

為了改善馬達效率，必須要分別掌握銅損與鐵損的數值。銅損是線圈電阻所導致的損失。鐵損則是包含渦電流與磁滯損，會受到磁場強度與頻率的影響。功率計能夠將這些損失分開計算，並將各自的運作條件所造成的損失記錄在地圖上。

銅損的計算

馬達的銅損是馬達的繞組流經電流時，因繞組電壓導致的損失。因此，先測量馬達的線圈電阻後再使用功率計將測得的電流值（Irms）計算出銅損。

圖4：使用電阻計RM3548測量馬達線圈電阻

功率計也可以測量基本波的電流(Ifnd）；不只所有的銅損(Pc)，基本波的銅損(Pcfnd)也可以計算。
馬達各相的線圈電阻值設為R1、R2、R3，可使用以下的算是計算各自的銅損。因此，Pc與Pcfnd的差即為諧波與高頻成分所導致的銅損(Pchrm)。

功率計可以透過「使用者自訂演算(UDF)」功能，透過輸入上述公式與自定義的公式，即可在計算銅損時同時計算所需的數值。

圖5：使用者自訂演算設定範例


圖6：全銅損Pc(UDF1)與基本波的銅損Pcfnd（UDF2）

鐵損的計算

鐵損可透過輸出與總損失反推求出。
本資料雖然包含機械損失，但要將機械損失分開測量非常困難，但因其數值非常小，所以可忽略不計。

製作效率地圖

馬達的輸出，由馬達轉速與扭矩決定。像是電動車這般需要廣泛運轉條件的馬達，透過不同動作條件把握銅損與鐵損的分布，有助於改善馬達的設計。為此，依照動作條件製作效率與損失地圖(總損失、鐵損、銅損)，對變頻器與馬達的設計相當有幫助。

效率地圖的製作範例

基於獲得的數據，使用MATLAB*製作效率地圖。
* MATLAB is a software product by MathWorks.

圖7：效率地圖範例

為了製作高精度的馬達效率地圖

馬達的損失，如目前所知，是由變頻器與馬達的輸出所求得的。但是，基於以下理由，很難高精度測量馬達的效率、損失。
因為馬達會由低速到高速，在廣泛的轉速範圍內運作，所以測量儀器需要能在其運作的領域範圍內進行高精度的測量。而一般測量儀器難以達成如此廣範圍的測量。

PW8001可對應由DC到5 MHz的大頻率範圍，能夠以基本精度0.03%進行測量。此外，配合高精度的電流感測器就能測量大電流，並解透過感測器的相位補償功能，在低功率因數的情況下也可以進行高精度的測量。

圖8:功率因數0下的PW8001頻率特性

結語

本應用案例主要以功率效率與損失的相關基本理論為底，說明如何測量由PWM驅動的PMSM馬達，並介紹分離銅損與鐵損的方法，並製作功率地圖。接著說明了，如何透過使用PW8001與高精度電流感測器解決，在研究開發與設計領域中實踐馬達效率改善的方法。
PW8001具有高精度的測量與解析能力，能為各種馬達開發進行有效的提升。若想知道更多詳細資訊請參考PW8001產品頁面。若需要專人服務可至聯絡我們留言或致電02-2775-1210，將由專人為您服務。