Kam sa podela energia?

Analyzátor výkonu vypočíta účinnosť elektrického systému, napríklad motora alebo transformátora, meraním základných aj harmonických zložiek výkonu. Pri vysokých frekvenciách a veľkých prúdoch sa však táto úloha komplikuje: presné meranie si vyžaduje vysokokvalitné snímače prúdu. Tieto snímače musia nielen zachovať presnosť v celom frekvenčnom rozsahu, ale na správny výpočet výkonu musí byť známy aj ich fázový posun, ktorý je zvyčajne závislý od frekvencie. Ak snímač nemá konzistentné časové oneskorenie pri všetkých frekvenciách, presné meranie výkonu je ťažké bez ohľadu na použitý analyzátor.

Obrázok 1: Aktívny výkon a harmonické v celom frekvenčnom pásme

Čo sa teda môže stať, ak váš analyzátor výkonu spolu s použitými snímačmi prúdu nespĺňa požiadavky na vysokofrekvenčné merania? Napríklad pri meraní účinnosti meniča využívajúceho polovodiče SiC s nosnou frekvenciou 50 kHz alebo vyššou môžu nastať situácie, ktoré odporujú fyzikálnym zákonom, keď sa uvádza účinnosť vyššia ako 100 %. Zatiaľ čo takýto zjavne nereálny výsledok je jednoznačne chybou merania alebo výpočtu a aj laik dokáže na prvý pohľad zistiť, že niečo nie je v poriadku, oveľa problematickejší je scenár, keď analyzátor indikuje účinnosť napríklad 96 % namiesto skutočných 94 % - alebo 96 % namiesto skutočných 98 % - čo je však spôsobené len a práve technickými obmedzeniami použitých snímačov prúdu. Práve v tomto detaile sa skrýva diabol... Ale ako to zistiť? Ako si môžem byť istý nameranými hodnotami? Kľúčom k úspechu je nespoliehať sa len na špecifikovanú presnosť samotného analyzátora výkonu, ale zohľadniť aj vplyv prúdových snímačov.

Ako príklad si uveďme výkonové straty v systéme motora. V takýchto systémoch sa harmonické zložky základnej frekvencie premieňajú na šum a vibrácie, ktoré možno identifikovať bez priameho merania výkonu. Výkon harmonických vyšších frekvencií sa však v motore premieňa najmä na teplo. Meranie tohto výkonu je náročné vzhľadom na indukčný charakter motora: pri vyšších frekvenciách sa fázový uhol medzi napätím a prúdom blíži k 90°. A keďže činný výkon striedavého prúdu sa počíta ako napätie × prúd × cos(θ), akákoľvek fázová chyba, ktorá posunie tento fázový uhol nad 90°, má za následok záporný nameraný rozptyl výkonu - čo sa v celkovej energetickej bilancii prejaví ako príspevok, nie ako strata energie!

Dôvodom tohto nepresného merania je nekompenzovaná fázová chyba snímača prúdu. Takéto fázové chyby skresľujú meranie a môžu viesť k nesprávnym záverom o energetických stratách systému. Tento problém však má riešenie: pomocou správnej kombinácie analyzátora výkonu a snímačov prúdu určených špeciálne na meranie výkonu možno fázové chyby korigovať a zabezpečiť tak presné meranie výkonu aj pri veľkých prúdoch a vysokých frekvenciách. Tým sa vyrieši prvý hlavný problém, t. j. môžete presne určiť, koľko energie sa v systéme stráca. Druhá otázka však na seba nenechá dlho čakať... Ak už teda vieme, koľko energie sa stráca, budeme chcieť vedieť aj to, kde presne k týmto stratám dochádza - a ako ich sledovať?

Analyzátory výkonu ponúkajú rôzne funkcie na určenie, pri ktorých frekvenciách dochádza k strate výkonu. Tradičnou metódou je harmonická analýza, ktorá využíva ako základ hlavnú frekvenciu motora. Keďže základné frekvencie motora sú zvyčajne nízke, harmonická analýza sa zvyčajne obmedzuje na frekvencie pod 100 kHz. Ako príklad možno uviesť, že pri základnej frekvencii 50 Hz zodpovedá 2000. harmonická frekvencii 100 kHz, čo je už praktická horná hranica pre harmonickú analýzu výkonu vo väčšine prístrojov.

Na komplexný pohľad na straty výkonu v celom frekvenčnom rozsahu je však potrebná pokročilá funkcia, ako je analýza výkonového spektra (PSA). PSA využíva FFT, ale neobmedzuje sa na hlavnú frekvenciu motora; namiesto toho pokrýva celý frekvenčný rozsah analyzátora výkonu - v prípade HIOKI PW8001 až do 5 MHz. V dôsledku toho PSA otvára nové možnosti identifikácie strát, ktoré môžu zostať bežnými metódami nezistené.

Obrázok 2: Vizualizácia výkonových strát v celom frekvenčnom pásme pomocou analýzy výkonového spektra (PSA)

Na efektívne využitie analýzy výkonového spektra (PSA) musia byť splnené dve kľúčové podmienky:

1. Analyzátor musí presne kompenzovať akýkoľvek fázový posun spôsobený snímačmi prúdu.
2. Snímače prúdu musia poskytovať plochú amplitúdovú odozvu v celom frekvenčnom rozsahu.

Ak sú splnené obe podmienky, je možné presne identifikovať výkonové straty na všetkých relevantných frekvenciách.

Obrázok 3: Analyzátor výkonu HIOKI a snímače prúdu - navrhnuté a vyrobené jedným výrobcom

Keďže spoločnosť HIOKI navrhuje, konštruuje a vyrába analyzátor výkonu aj snímače prúdu vo vlastnej továrni "pod jednou strechou", tieto komponenty sú optimalizované na vysokofrekvenčné meranie výkonu. Táto vysoká úroveň presnosti poskytuje istotu pri presnom určovaní výkonových strát a identifikácii problémových oblastí, v ktorých sa tieto nežiaduce straty vyskytujú, a je rozhodujúcim krokom pri zlepšovaní energetickej účinnosti motorov, meničov a iných aplikácií výkonovej elektroniky.

Kai Scharrmann, Roy Hali, Ryuji Nishizawa, HIOKI Europe GmbH