在能源的有效利用愈發(fā)被重視的當(dāng)下，Sic和GaN在電力電子儀器中的應(yīng)用也在持續(xù)加速。在開(kāi)發(fā)使用Sic和GaN的高效率儀器中，要求以0.1%為單位準(zhǔn)確評(píng)估功率轉(zhuǎn)換效率的性能提升。
然而，測(cè)試人員把HIOKI日置與A公司的電流傳感器測(cè)量得到的逆變器輸出功率結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值之間的偏差隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而加劇，最大偏差值超過(guò)了 10%。在要求精度為 0.1% 的情況下，為什么會(huì)出現(xiàn)如此大的差異？我們應(yīng)該相信哪種測(cè)量結(jié)果？
本應(yīng)用案例將會(huì)討論實(shí)際測(cè)量結(jié)果，并介紹在逆變器效率測(cè)量中選擇電流傳感器的一些要點(diǎn)。

1. 課題
逆變器的輸出功率包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基波頻率分量及其諧波(藍(lán)色部分)和逆變器的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波(紅色部分)?；捌渲C波分量處于幾千Hz的低頻段，因此可以用傳統(tǒng)的功率分析儀和電流傳感器進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量。
然而，開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量處于幾十 kHz 至幾 MHz 的高頻段且功率因數(shù)較低，因此需要不僅能準(zhǔn)確測(cè)量寬帶寬還能準(zhǔn)確測(cè)量相位的高精度功率分析儀及電流傳感器。如果無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量由開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量組成的高頻功率，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值波動(dòng)、效率超過(guò) 100%、損耗大幅偏離理論值等問(wèn)題。

高頻測(cè)量的要點(diǎn)

電機(jī)的等效電路
電機(jī)的等效電路由電阻和電感組成。在高頻下(幾十 kHz 以上)，電感元件產(chǎn)生的阻抗占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致功率因數(shù)較低。因此，需要一種能準(zhǔn)確測(cè)量逆變器載波頻率的寬帶寬測(cè)量?jī)x器。

低功率因數(shù)測(cè)量的特點(diǎn)
在低功率因數(shù)測(cè)量中，電壓-電流相位差接近 90°，相位的微小偏差會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。如果使用相位誤差較大的測(cè)量?jī)x器，相位可能會(huì)超過(guò) 90°，從而對(duì)功率誤差產(chǎn)生重
大影響。
2. 比較逆變器輸出功率測(cè)量值
功率分析儀的主體采用了高端型號(hào) PW8001，比較了使用具有出色相位特性的電流傳感器 CT6904A 和A公司電流輸出型電流傳感器(額定電流 1000 A，帶寬～300 kHz)測(cè)量的結(jié)果。包括接線在內(nèi)的測(cè)量條件完全相同。那么相位特性的差異會(huì)對(duì)高頻功率的測(cè)量造成何種影響呢？
測(cè)量配置框圖

由于電流傳感器的特性不同而導(dǎo)致的有功功率測(cè)量圖像差異

逆變器輸出的有功功率的頻率分布分為基波及其諧波分量和開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量。包括基波在內(nèi)的所有有功功率都會(huì)作為能量被電機(jī)消耗，因此理想情況下，測(cè)量結(jié)果會(huì)在分析屏幕上顯示為正向分量。然而，在20 kHz以上的高頻區(qū)域，由于功率因數(shù)較低，如果使用相位特性不佳的電流傳感器，可能會(huì)導(dǎo)致本應(yīng)作為正向分量出現(xiàn)的有功功率以反向分量的形式出現(xiàn)，從而影響測(cè)量結(jié)果。
利用功率譜分析 (PSA) 實(shí)現(xiàn)功率損耗的可視化

PW8001 Ver.2 中新增了功率譜分析(PSA)功能。迄今為止，F(xiàn)FT 分析通?；陔妷汉碗娏鳎ㄟ^(guò)添加有功功率作為新的分析項(xiàng)目，可以直觀地顯示各頻率分量中的功率分布。這樣就可以直觀地識(shí)別負(fù)載的消耗和再生。
相關(guān)視頻：什么是用于電機(jī)損耗分析的 PSA
功能介紹：功率譜分析 (PSA) 功能可確定變頻器電機(jī)損耗
測(cè)定比較結(jié)果
開(kāi)關(guān)頻率為 20 kHz 時(shí)，有功功率相差約 40 W(= 約2.1%)。原因可通過(guò) PSA 功能進(jìn)行分析。使用 HIOKI日置 CT6904A 測(cè)量的結(jié)果顯示，包括開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量在內(nèi)的所有有功功率均為正值(功耗)。另一方面，A 公司電流傳感器測(cè)量的結(jié)果將開(kāi)關(guān)頻率的高頻功率誤測(cè)為負(fù)值(再生功率)。由此可見(jiàn)，HIOKI日置 CT6904A 的結(jié)果更為可靠。這是由于電流傳感器的相位特性不同造成的結(jié)果。

如果進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率…

將開(kāi)關(guān)頻率提升至100kHz之后，有功功率相差大約190w(約10%)。通過(guò) PSA 功能進(jìn)行分析后可知，A社的傳感器大約在200kHz~(開(kāi)關(guān)頻率的2倍)的高頻帶寬中確認(rèn)到負(fù)功率，未能進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。
逆變器輸出的有功功率誤差比較
隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，兩者之間的有功功率差也變大了。一般來(lái)說(shuō)，在逆變器中使用SiC/GaN有望提高效率，并通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化。
為了能在此類(lèi)開(kāi)發(fā)中準(zhǔn)確測(cè)量效率，在選擇電流傳感器時(shí)就必須謹(jǐn)記其相位特性差異會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響這一關(guān)鍵。

3. HIOKI日置提供的解決方案
除了保證功率分析儀和電流傳感器單獨(dú)進(jìn)行寬帶寬測(cè)量時(shí)具有足夠的性能外，組合條件下的相位誤差也有規(guī)定范圍。此外，PW8001還具備自動(dòng)相位補(bǔ)償功能，可提供大范圍相位補(bǔ)償，為低功率因數(shù)下的高精度測(cè)量提供有力支持。HIOKI日置的功率分析儀和電流傳感器非常適合用于測(cè)量SiC/GaN 的高效逆變器及配套使用的高效電機(jī)的效率和損耗。

審核編輯 黃宇