Investigação da perda do motor do inversor usando a função de análise de espectro de potência (PSA)
Introdução
Nos últimos anos, houve progresso no desenvolvimento de inversores de alta eficiência usando dispositivos semicondutores de potência SiC e GaN, que são capazes de comutação em alta velocidade. No entanto, apenas a potência da onda fundamental contribui diretamente para a força rotacional de um motor acionado por inversor. Isto significa que todos os componentes de alta frequência da onda fundamental são perdidos como energia inútil (na forma de calor, som e vibração). Como resultado, os engenheiros que desenvolvem sistemas de motores inversores de alta eficiência concentram-se na redução da perda de energia em alta frequência. Eles precisam de dados precisos de medição de potência para analisar os fatores que contribuem para tais perdas.
Esta nota de aplicação explica como a função de análise de espectro de potência (PSA) do analisador de potência de alta precisão PW8001 difere das funções de análise harmônica fornecidas por analisadores de potência típicos. Além disso, este artigo apresentará como o PSA pode ser usado para estimar os fatores de perda em motores inversores.
A diferença entre análise harmônica e análise FFT
A Figura 1 ilustra o espectro de frequência da potência ativa de um inversor. A saída de energia dos inversores inclui a frequência fundamental (que aciona o motor) e seus harmônicos (mostrados em azul), e a frequência portadora do inversor e seus harmônicos (mostrados em amarelo). Como apenas a frequência fundamental fornece a energia que aciona o motor, as potências das demais frequências são consideradas perdas. A análise harmônica e a Análise de Espectro de Potência do PW8001 (que é essencialmente “FFT de potência”) são usadas na análise de frequência de perda de potência, mas para finalidades diferentes. A análise harmônica é adequada para analisar domínios de baixa frequência (incluindo a frequência fundamental), enquanto a análise FFT é adequada para analisar componentes de frequência portadora de alta frequência. Vamos examinar como esses dois tipos de análise diferem.
Fig. 1: Espectro de frequência de saída de potência ativa de um inversor
O que é análise de transformada rápida de Fourier (FFT)?
A análise FFT converte um sinal em seus componentes de frequência e exibe um espectro indicando a intensidade desses componentes.
Como a análise FFT exibe a corrente e a tensão de todos os componentes de frequência (não apenas harmônicos), isso a torna especialmente adequada para analisar a frequência portadora de um inversor (frequência de chaveamento) que não está relacionada à velocidade de rotação do motor. Como a frequência portadora permanece constante em todos os momentos, é possível avaliar de forma intuitiva e contínua as flutuações de tensão e corrente no eixo de frequência.
Função Power Spectrum Analysis (PSA) do Power Analyzer PW8001 de alta precisão
O PW8001 fornece a função Power Spectrum Analysis (PSA), uma análise FFT de potência ativa. É uma evolução da FFT tradicional que analisa tensão e/ou corrente. Mas por que essa FFT de potência não é padrão no mercado? E por que é uma função que Hioki pode fornecer tanta confiança ao mundo? A resposta a ambas as perguntas está nas características da fase. Como as características de fase dos instrumentos de medição convencionais não são boas o suficiente para medir de forma confiável a potência em altas frequências, a análise da potência no eixo do espectro torna-se impraticável. Por exemplo, se um sensor de corrente tiver características ruins de alta frequência, o espectro de potência FFT do motor acionado pelo inversor poderá ser medido como negativo. Isso ocorre porque o erro de fase em altas frequências é muito grande e afeta negativamente a multiplicação da corrente e da tensão em potência. Desta forma, mesmo que a análise de frequência de corrente ou tensão possa ser adequada, as características de frequência dos sensores de corrente ou instrumentos de medição resultam em análises FFT não confiáveis de potência de alta frequência. No entanto, o PW8001 possui excelentes características de fase e funciona em conjunto com os sensores de corrente da Hioki, que também possuem características de fase de ponta. Isso permite a análise FFT de potência ativa de banda larga altamente precisa que é a Análise de Espectro de Potência (PSA). Além disso, a sinergia exclusiva da Hioki entre instrumentos de medição avançados e sensores de corrente permite o reconhecimento automático do sensor e a correção automática do deslocamento de fase do erro de fase de alta frequência. Isso garante uma correção de fase fácil e rápida, sem erro humano.
O PSA é uma nova função fornecida com confiança por Hioki. Esta análise FFT de potência ativa é especialmente adequada para análise de perda de potência em alta frequência. Foi disponibilizado com a atualização de firmware do PW8001 versão 2.0. A Tabela 1 fornece uma visão geral das especificações da função Power Spectrum Analysis (PSA) do PW8001.
Tabela 1: visão geral das especificações da função Power Spectrum Analysis (PSA)
| Item | Especificações |
|---|---|
| Canais de medição |
|
| Tipo de cálculo |
|
| Número de pontos FFT possíveis | 1,000/5,000/10,000/50,000/100,000/500,000/1,000,000/5,000,000 |
| Anti-aliasing | O filtro digital é aplicado automaticamente |
| Função de janela | Retangular, martelado, topo plano |
| Frequência máxima de análise |
|
Usando Análise de Espectro de Potência para estimar fatores que contribuem para a perda do motor inversor
A função Análise de Espectro de Potência possibilita analisar fatores de perda que não podem ser avaliados pelas capacidades típicas de análise harmônica de analisadores de potência. Considere o seguinte exemplo de medição de perda de potência harmônica em um motor acionado por inversor.
Perda de potência harmônica em um motor acionado por inversor
Sabe-se que quando um motor síncrono de ímã permanente ou motor de indução é acionado por um inversor, a perda do núcleo do motor aumenta devido aos efeitos das correntes harmônicas causadas pela comutação. Da mesma forma, se for usado fio quadrado para uma bobina, a corrente desequilibrada no fio causa aumento da perda do núcleo quando o motor opera em altas velocidades. Ao observar valores de potência de alta frequência que não ajudam a acionar o motor e a distribuição de frequência associada em tempo real, é possível desenvolver uma compreensão intuitiva de como as mudanças na velocidade de rotação e nas condições de torque do motor afetam a perda de potência em alta frequência. Esta técnica pode fornecer pistas importantes na análise do fator de perda, para que as perdas de potência de alta frequência, como perda do núcleo e perda de cobre CA, possam ser isoladas das perdas mecânicas no projeto do motor.
A Figura 2 mostra a perda de potência harmônica em uma forma de onda de acionamento de motor inversor sendo observada na tela de função Análise de Espectro de Potência (PSA) do PW8001. Neste exemplo, a análise de espectro de potência do PW8001 foi realizada nas formas de onda de saída de um inversor trifásico com frequência portadora de 16 kHz. Isso permite observar a frequência da portadora e seu espectro de potência harmônica associada. Na mesma tela, você pode verificar frequências de espectro específicas e valores de potência, que são apresentados como uma lista “Top 10”. Além disso, você pode salvar todos os dados como um arquivo CSV para uso em análises detalhadas.
Fig. 2: Exibição da função Análise de Espectro de Potência (PSA)
Conclusão
Graças aos sensores de corrente com excelentes características de frequência e tecnologia de correção automática de fase, o Power Analyzer PW8001 oferece recursos valiosos para avaliar o desempenho do motor do inversor. Isso permite que o analisador de energia produza resultados de medição de banda larga precisos, ao mesmo tempo que fornece insights rápidos sobre a perda de energia de alta frequência por meio de sua função de Análise de Espectro de Potência. Hioki convida engenheiros que trabalham para obter melhorias na eficiência de conversão de energia da ordem de 0,1% para experimentar o instrumento, que é o único capaz de auxiliar na investigação de perda de energia.
Para obter detalhes abrangentes sobre nossos produtos, explore a página do produto PW8001. Se você estiver interessado em uma demonstração ou precisar de orientação para uma aplicação específica, não hesite em entrar em contato conosco. Estamos aqui para ajudar a adaptar soluções às suas necessidades.
