Investigación de la pérdida del motor inversor utilizando la función de análisis del espectro de potencia (PSA)
Introducción
En los últimos años se han producido avances en el desarrollo de inversores de alta eficiencia que utilizan dispositivos semiconductores de potencia de SiC y GaN, que son capaces de realizar conmutación de alta velocidad. Sin embargo, sólo la potencia de la onda fundamental contribuye directamente a la fuerza de rotación de un motor accionado por inversor. Esto significa que todos los componentes de alta frecuencia de la onda fundamental se pierden como energía inútil (en forma de calor, sonido y vibración). Como resultado, los ingenieros que desarrollan sistemas de motores inversores de alta eficiencia se centran en reducir la pérdida de energía de alta frecuencia. Necesitan datos precisos de medición de potencia para analizar los factores que contribuyen a dichas pérdidas.
Esta nota de aplicación explica en qué se diferencia la función de análisis del espectro de potencia (PSA) ANALIZADOR DE POTENCIA de alta precisión PW8001 de las funciones de análisis de armónicos proporcionadas por los analizadores de potencia típicos. Además, este artículo presentará cómo se puede utilizar el PSA para estimar los factores de pérdida en motores inversores.
La diferencia entre análisis armónico y análisis FFT
La Figura 1 ilustra el espectro de frecuencia de salida de potencia activa de un inversor. La potencia de salida de los inversores incluye la frecuencia fundamental (que impulsa el motor) y sus armónicos (que se muestran en azul), y la frecuencia portadora del inversor y sus armónicos (que se muestran en amarillo). Dado que sólo la frecuencia fundamental proporciona energía que impulsa el motor, la potencia de otras frecuencias se considera pérdida. El análisis armónico y el análisis de espectro de potencia del PW8001 (que es esencialmente "FFT de potencia") se utilizan en el análisis de frecuencia de pérdida de potencia, pero para diferentes propósitos. El análisis armónico es adecuado para analizar dominios de baja frecuencia (incluida la frecuencia fundamental), mientras que el análisis FFT es adecuado para analizar componentes de frecuencia portadora de alta frecuencia. Examinemos en qué se diferencian estos dos tipos de análisis.
Fig. 1: Espectro de frecuencia de la potencia activa emitida por un inversor
¿Qué es el análisis de transformada rápida de Fourier (FFT)?
El análisis FFT convierte una señal en sus componentes de frecuencia y muestra un espectro que indica las fortalezas de esos componentes.
Dado que el análisis FFT muestra la corriente y el voltaje de todos los componentes de frecuencia (no solo los armónicos), esto lo hace especialmente adecuado para analizar la frecuencia portadora de un inversor (frecuencia de conmutación) que no está relacionada con la velocidad de rotación del motor. Dado que la frecuencia portadora permanece constante en todo momento, se pueden evaluar de forma intuitiva y continua las fluctuaciones de tensión y corriente en el eje de frecuencia.
Función de análisis del espectro de potencia (PSA) del ANALIZADOR DE POTENCIA de alta precisión PW8001
El PW8001 proporciona la función Análisis del espectro de potencia (PSA), un análisis FFT de la potencia activa. Es una evolución de la FFT tradicional que analiza voltaje y/o corriente. Pero, ¿por qué esta FFT de potencia no es estándar en el mercado? ¿Y por qué es una función que Hioki puede ofrecer al mundo con tanta confianza? La respuesta a ambas preguntas reside en las características de la fase. Dado que las características de fase de los instrumentos de medición convencionales no son lo suficientemente buenas para medir de manera confiable la potencia en altas frecuencias, analizar la potencia en el eje del espectro resulta poco práctico. Por ejemplo, si un sensor de corriente tiene malas características de alta frecuencia, el espectro de potencia FFT del motor accionado por inversor puede medirse como negativo. Esto se debe a que el error de fase en altas frecuencias es demasiado grande y afecta negativamente la multiplicación de corriente y voltaje en potencia. De esta manera, aunque el análisis de frecuencia de corriente o voltaje puede ser correcto, las características de frecuencia de los sensores de corriente o instrumentos de medición dan como resultado un análisis FFT poco confiable de potencia de alta frecuencia. Sin embargo, el PW8001 tiene excelentes características de fase y funciona en conjunto con los sensores de corriente de Hioki con características de fase también de primer nivel en el mercado. Esto permite el análisis FFT de potencia activa de banda ancha y alta precisión que es el análisis del espectro de potencia (PSA). Además, la sinergia característica de Hioki entre instrumentos de medición avanzados y sensores de corriente permite el reconocimiento automático del sensor y la corrección automática del cambio de fase del error de fase de alta frecuencia. Esto garantiza una corrección de fase fácil y rápida, sin errores humanos.
El PSA es una nueva función proporcionada con confianza por Hioki. Este análisis FFT de potencia activa es especialmente adecuado para el análisis de pérdida de potencia de alta frecuencia. Estuvo disponible con la actualización de firmware Versión 2.0 del PW8001. La Tabla 1 proporciona una descripción general de las especificaciones de la función de análisis del espectro de potencia (PSA) del PW8001.
Tabla 1: descripción general de las especificaciones de la función Análisis del espectro de potencia (PSA)
| Artículo | Especificaciones |
|---|---|
| Canales de medición |
|
| Tipo de cálculo |
|
| Número de posibles puntos FFT | 1,000/5,000/10,000/50,000/100,000/500,000/1,000,000/5,000,000 |
| Antialiasing | El filtro digital se aplica automáticamente |
| Función de ventana | Rectangular, Hamming, tapa plana. |
| Frecuencia máxima de análisis |
|
Uso del análisis del espectro de potencia para estimar los factores que contribuyen a la pérdida del motor inversor
La función Análisis del espectro de potencia permite analizar factores de pérdida que no pueden evaluarse mediante las capacidades de análisis armónicos de los analizadores de potencia típicos. Considere el siguiente ejemplo de medición de la pérdida de potencia armónica en un motor accionado por inversor.
Pérdida de potencia armónica en un motor accionado por inversor.
Se sabe que cuando un motor síncrono de imán permanente o un motor de inducción es accionado por un inversor, la pérdida en el núcleo del motor aumenta debido a los efectos de las corrientes armónicas causadas por la conmutación. De manera similar, si se utiliza un cable cuadrado para una bobina, la corriente desequilibrada en el cable provoca una mayor pérdida en el núcleo cuando el motor funciona a altas velocidades. Al observar los valores de potencia de alta frecuencia que no ayudan a impulsar el motor y la distribución de frecuencia asociada en tiempo real, es posible desarrollar una comprensión intuitiva de cómo los cambios en la velocidad de rotación del motor y las condiciones de torsión afectan la pérdida de potencia de alta frecuencia. Esta técnica puede proporcionar pistas importantes en el análisis del factor de pérdidas, de modo que las pérdidas de potencia de alta frecuencia, como las pérdidas del núcleo y las pérdidas de cobre de CA, puedan aislarse de las pérdidas mecánicas en el diseño del motor.
La Figura 2 muestra la pérdida de potencia armónica en la forma de onda de un motor inversor que se observa en la pantalla de función de Análisis del espectro de potencia (PSA) del PW8001. En este ejemplo, el análisis del espectro de potencia del PW8001 se realizó en las formas de onda de salida de un inversor trifásico con una frecuencia portadora de 16 kHz. Esto le permite observar la frecuencia portadora y su espectro de potencia armónico asociado. En la misma pantalla, puede verificar frecuencias de espectro específicas y valores de potencia, que se presentan como una lista de los "10 principales". Además, puede guardar todos los datos como un archivo CSV para utilizarlos en análisis detallados.
Fig. 2: Pantalla de la función Análisis del espectro de potencia (PSA)
Conclusión
Gracias a los sensores de corriente con excelentes características de frecuencia y tecnología de corrección automática de fase, el ANALIZADOR DE POTENCIA PW8001 ofrece valiosas capacidades para evaluar el rendimiento del motor inversor. Esto permite que el analizador de energía produzca resultados de medición de banda ancha precisos y al mismo tiempo proporcione información rápida sobre la pérdida de energía de alta frecuencia a través de su función de análisis del espectro de energía. Hioki invita a los ingenieros que trabajan para lograr mejoras en la eficiencia de la conversión de energía del orden del 0,1% a probar el instrumento, que es excepcionalmente capaz de ayudar en la investigación de la pérdida de energía.
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