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제품정보 > 파워 아날라이저 전력변환효율, 모터 평가가 가능한 파워 미터

파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능을 통한 인버터 모터의 손실 규명 (PW8001)

요약

최근 고속 스위칭이 가능한 파워 반도체 SiC나 GaN을 사용한 고효율 인버터 개발이 진행되고 있습니다. 그러나 인버터 구동 시 모터에 입력되는 전력 중 회전력에 직접적으로 기여하는 것은 기본파 전력이며, 그 외의 고주파 성분은 무효 에너지(열, 소리, 진동)로 손실됩니다. 그로 인해 고효율 인버터 모터 시스템 개발에서 고주파 전력 손실 감소가 주목받고 있으며, 그 요인을 분석하기 위해서 정확한 전력 측정 데이터가 필요해지고 있습니다.


이 애플리케이션 노트에서는 일반적인 파워 아날라이저의 고조파 해석과 고정밀 파워 아날라이저 PW8001의 파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능의 차이점과 파워 스펙트럼 해석을 이용한 인버터 모터의 손실 요인 추정에 대해 소개합니다.

 

 

 

◆목차◆

1. 고조파 해석과 FFT 해석의 차이점

2. 고정밀 파워 아날라이저 PW8001의 파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능

3. 파워 스펙트럼 해석을 활용한 인버터 모터의 손실 요인 추정

 

 


고조파 해석과 FFT 해석의 차이점

그림1은 인버터가 출력하는 유효 전력의 주파수 분포를 나타냅니다. 인버터의 출력 전력에는 모터를 구동하는 기본 주파수 성분과 그 고조파(파란색 부분), 인버터의 캐리어 주파수와 그 고조파(노란색 부분)가 포함되어 있습니다. 모터를 구동하는 데 기여하는 에너지는 기본 주파수뿐이므로 다른 주파수의 전력은 손실이 됩니다. 전력 손실의 주파수 해석에 사용하는 고조파 해석과 파워 스펙트럼 해석(=전력 FFT)은 각각 목적이 다릅니다. 고조파 분석은 기본 주파수를 포함한 저주파 영역의 해석에 적합하고, FFT 해석은 고주파의 캐리어 주파수 성분을 해석하는 데 적합합니다. 각각의 차이점을 설명하겠습니다.

 

 

그림1: 인버터가 출력하는 유효 전력의 주파수 분포

 

 

◆고조파 해석이란? 

고조파 해석은 신호의 기본 주파수와 그 정수배의 주파수 성분을 차수로 나타냅니다. 고정자나 회전자 배치 등 기계적 조건에 의해 정해진 시간에 발생하는 고조파 왜곡을 분석하는 데 활용됩니다. 반면, 스위칭에 의해 발생하는 캐리어 주파수 성분은 기본파 주파수와 상관없이 정해진 주파수로 나타납니다. 즉, 기본파 주파수가 시시각각 변하는 모터 해석에서는 고조파 해석을 이용하여 스위칭 주파수 성분을 연속적으로 측정할 수 없습니다. 예를 들어, 캐리어 주파수 10kHz의 경우 기본파 100Hz일 때 캐리어 주파수는 100차를 참조하지만, 기본파 10Hz일 때 캐리어 주파수는 1000차를 참조해야 합니다.

 

◆FFT(Fast Fourier Transform) 해석이란? 

FFT 해석은 신호를 주파수 성분으로 변환하여 그 주파수 성분의 강도를 나타내는 스펙트럼으로 나타납니다.

인버터의 캐리어 주파수(스위칭 주파수)는 모터의 회전 속도에 관계없이 항상 일정하기 때문에 FFT 해석을 통해 주파수 축으로 관찰하면 전압과 전류의 변동을 직감적이고 연속적으로 파악할 수 있습니다.

 

 

고정밀 파워 아날라이저 PW8001의 파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능


 

PW8001은 전압과 전류의 FFT를 발전시켜 유효 전력의 FFT가 가능한 파워 스펙트럼 해석 기능을 탑재하고 있습니다. 만약 측정기의 위상 특성이 적절하지 않은 경우, 인버터로 구동되는 모터에서 그 전력 스펙트럼이 마이너스로 측정될 수 있습니다. 그러나 PW8001은 주파수 특성이 뛰어난 전류 센서와 자동 위상 보정 기술을 통해 광대역으로 정확한 유효 전력의 FFT 해석을 실현합니다.

 

파워 스펙트럼 해석 기능은 유례가 없는 고주파 전력 측정 정밀도를 가진 PW8001이 고주파 전력 손실 해석을 위해 자신 있게 제공하는 새로운 기능입니다. 이 기능은 PW8001의 펌웨어 V2.0부터 모든 사용자가 이용할 수 있습니다. 표 1은 PW8001의 파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능의 개요 사양을 나타냅니다.

 

 

표 1 : PW8001의 파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능의 개요 사양

항목

 사양

 측정 채널

 · 전압 전류 파형: 채널 또는 결선 단위로 선택한다. 최대 3채널

 · 모터 파형: 아날로그 DC

 연산 종류 

 · RMS 스펙트럼 (다중 채널 선택 시 각 채널의 평균값)

 · 파워 스펙트럼(유효전력(P), 단, 전압전류 파형 선택 시에만 해당. 다중 채널 선택 시에는 각 채널의 합산값(Psum)) 

 FFT 포인트 수

  1000점, 5000점, 10,000점, 50,000점, 100,000점, 500,000점, 1,000,000점, 5,000,000점

 안티앨리어싱

  디지털 필터 자동

 윈도우 함수

  렉탱귤러, 해닝, 플랫톱

 최대 해석 주파수

 · 전압 전류 파형: 6MHz (U7005 선택 시), 1MHz 파형 (U7005 선택 시)

 · 모터 파형 입력: 400kHz

 · 파형 기록의 압축비에 연동 



 

파워 스펙트럼 해석을 활용한 인버터 모터의 손실 요인 추정

파워 스펙트럼 해석 기능은 일반적인 파워 아날라이저의 고조파 해석으로는 불가능한 손실 요인 분석을 가능하게 합니다. 그 예로 인버터 구동 모터의 고조파 전력 손실 측정 사례를 소개합니다.

 

◆인버터 구동 모터의 고주파 전력 손실 



영구 자석 동기 모터나 유도 전동기는 인버터로 구동되며 스위칭에 의한 고주파 전류의 영향으로 모터의 철손이 증가하는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 코일 소선에 각선을 사용하면 모터의 고회전 측에서는 소선 내에서 전류가 편향되어 구리 손실이 증가합니다. 모터의 구동에 기여하지 않는 고주파 전력값과 그 주파수 분포를 실시간으로 관찰함으로써 모터의 회전 속도와 토크 조건의 변화와 고주파 전력 손실의 추이를 직감적으로 파악할 수 있습니다. 이는 모터 설계에서 기계적 손실과 철손 및 AC 동손의 고주파 전력 손실을 분리하는 손실 요인 분석에 중요한 단서를 얻는데 기여합니다.

 

그림 2는 PW8001의 파워 스펙트럼 해석(PSA) 기능의 화면으로 인버터 모터 구동 파형의 고조파 전력 손실을 관측할 수 있습니다.

PW8001을 사용하여 캐리어 주파수 16kHz의 삼상 인버터 출력 파형의 전력 스펙트럼 분석을 수행하면 캐리어 주파수와 그 고조파 전력 스펙트럼을 관찰할 수 있다. 동일한 화면에서 상위 10개의 목록으로 스펙트럼의 구체적인 주파수와 전력값을 확인할 수 있습니다. 또한, 모든 스펙트럼은 CSV 데이터로 기록하여 상세 해석에 활용할 수 있습니다.

 

 

그림 2: 파워 스펙트럼 분석(PSA) 기능의 화면

 

 

 

정리

인버터 모터의 성능 평가에서 파워 아날라이저 PW8001은 주파수 특성이 우수한 전류 센서와 자동 위상 보정 기술을 통해 광대역의 정확한 측정 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 파워 스펙트럼 해석 기능으로 고주파 전력 손실에 대한 빠른 통찰력을 동시에 얻을 수 있습니다. 0.1%의 전력 변환 효율을 추구하는 모든 엔지니어께서는 전력 손실 규명에 기여하는 파워 아날라이저 PW8001을 사용해 보시기 바랍니다. 

 

제품에 대한 자세한 내용은 제품 페이지에서 확인하실 수 있습니다. 제품 데모 요청 및 적용 사례에 관한 상담은 HIOKI 담당자에게 문의해 주십시오. 

PW8001의 최신 펌웨어에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인하실 수 있습니다.