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제품정보 > 파워 아날라이저 전력변환효율, 모터 평가가 가능한 파워 미터

다상 모터의 전력 측정 방법(PW8001)

요약

 

 

시작하며

 전기차와 산업 장비의 고성능화가 진행되면서 모터의 다상화가 가속화되고 있습니다. 기존 주류였던 3상 구성 대신 5상이나 6상 같은 다상 모터가 채택되는 사례도 늘어나고 있습니다. 구체적인 용도로는 전기 항공기나 자율주행 전기차 등에의 적용이 기대되고 있습니다. 

다상화를 통해 각 상의 전류 용량을 낮춤으로써 저항 손실이 감소하고 발열도 억제되므로, 결과적으로 모터의 고출력화 및 효율 개선이 가능할 뿐만 아니라, 여유분​*1 및 출력 밀도 향상과 같은 이점도 얻을 수 있습니다. 반면, 측정 및 평가의 난이도가 크게 높아지는 것이 과제로 대두되고 있습니다.

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*1: 권선이 많고 독립적으로 구성되어 있기 때문에, 한 상이 고장 나더라도 나머지 상으로 어느 정도 토크를 유지하며 작동을 계속할 수 있습니다.


다상 모터의 전력 측정의 과제와 요점

다상 모터의 전력 측정에서 다음과 같은 두 가지 과제가 있습니다.


전압 및 전류 채널 수 증가

5상 모터에서는 5채널, 6상 모터에서는 6채널의 전압과 전류를 동시에 측정해야 하므로 측정기에는 다수의 입력 채널과 고정밀 측정이 요구됩니다. 특히 고주파 영역에서는 각 상의 전압 및 전류 위상 오차가 유효 전력이나 효율 계산에 직접적인 영향을 미치므로 대역폭 특성에 더해 위상 정밀도 또한 중요합니다.


연산 처리의 복잡화

3상 시스템에서는 유효 전력이나 효율 계산에 표준화된 연산식이 일반적으로 사용되지만, 5상이나 6상에서는 위상각이 다르기 때문에 상별로 개별 연산을 수행하고 전체를 합산하는 처리가 필요합니다. 따라서 측정기 측에서 사용자 정의 연산​*2을 설정할 수 있는 것이 다상 모터의 전력 측정을 실현하기 위해 필수적입니다.

*2:사용자 스스로 연산식을 설정하여, 설정한 연산값을 측정 화면에서 실시간으로 표시할 수 있는 기능입니다. UDF(User Defined Function)라고도 합니다.

 

 

다상 모터의 전력 측정에 최적화된 측정기

 PW8001을 추천합니다. 광대역에 걸쳐 높은 진폭 정확도와 위상 정확도를 보장합니다. 대형 화면으로 각 상의 전력 파라미터를 실시간으로 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 다중 벡터 화면 표시를 통해 직관적으로 위상 밸런스를 확인할 수 있습니다. 또한 모터 분석 옵션을 선택하면 토크와 회전 속도 외에도 모터 효율 및 손실 측정이 가능합니다. 더불어 측정 대상의 정격 및 구경에 따라 다양한 전류 센서를 조합하여 사용할 수 있습니다.

 

측정 방법

실제로 PW8001을 예로 들어 다상 모터의 전력을 측정하기 위한 구체적인 절차를 소개합니다.


N상 모터 전력 측정 시 기본 사항

전압: 각 상 - 중성점 또는 모터 샤시(또는 접지선) 간 측정

전류: 각 선 전류 측정

채널 수: 모터의 상수와 동일한 채널 수(N CH) 준비


델타 연결 및 스타 연결 모두 모터 샤시(또는 접지선)를 기준으로 연결합니다. 스타 연결의 경우, 본래는 중성점을 기준으로 하는 것이 이상적이지만, 일반적으로 중성점의 추출이 어렵기 때문에 모터 샤시 또는 접지선을 기준으로 합니다.

                          델타 연결의 경우                                                                                스타 연결의 경우

이때, N상 모터의 유효 전력은 다음 식으로 나타냅니다.

Pall = P1+P2+⋯+PN-2+PN-1+PN


예시1) 5상 모터

5상 모터 측정을 예로 들어 설명합니다.

 

하기에 표시된 것처럼, 모터 샤시(또는 접지선)를 기준으로 한 1P2W 배선을 수행합니다.


배선 설정 화면에서 각 채널의 배선을 1P2W×5상으로 설정합니다. (N상 모터의 경우 1P2W×N상 분의 채널을 준비합니다)


측정하는 5상 분의 CH의 동기 소스를 공통으로 합니다. (하기의 그림에서는 CH1의 전압으로 통일)

 

각 상의 전력 합계를 UDF로 설정하여 5상 모터의 총 전력을 표시합니다. 하기의 그림에서는 Pall = P1+P2+P3+P4+P5 로 설정했습니다. N상 모터의 경우, N상 분의 전력 합계를 설정합니다.

 

예시2) 오픈엔드 권선 모터(6상 듀얼 인버터)

개방형 권선 모터의 유효 전력은 다음 식과 같이 1차 측과 2차 측 전력의 합으로 나타납니다.

Pall = P(1차 측 유효 전력) + P(2차 측 유효 전력)


하기와 같이 접지선을 기준으로 한 1차측과 2차측 각각의 상전압을 측정합니다. 전류 센서는 각각 인버터 측에서 모터 부하 방향으로 연결합니다(도면에서는 인버터 1→모터 부하, 인버터 2→모터 부하의 전류 방향으로 연결). 일반적으로 배터리(전원)의 마이너스 단자는 대지에 대해 절연된 상태입니다. 이러한 경우 각 채널에서 공통 전위를 기준으로 배선함으로써 계통의 GND 전위차에 의한 영향을 받지 않고 측정을 수행할 수 있습니다.도면에서는 인버터 1차 측의 프레임 접지선을 기준으로 하고 있습니다.

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배선 설정 화면에서 1차 측, 2차 측에서 각각 3P4W 배선을 선택합니다. (하기의 그림에서는 1차 측에 CH1~CH3, 2차 측에 CH4~CH6을 선택)


측정하는 CH의 동기화 소스를 공통으로 합니다. (하기의 그림에서는 1차 측 전압으로 통일)

 

각 상의 전력 합계를 사용자 정의 함수(UDF)로 설정하여 총 전력을 표시합니다. 하기의 그림에서는 Pall=P123+P456으로 설정했습니다.


예시3) 이중 삼상 모터(3상 모터×2)

이중 삼상 모터의 유효 전력은 다음 식과 같이 두 계통의 전력 합계로 나타납니다.

Pall=P(계통1의 전력)+P(계통2의 전력)

인버터×1과 삼상 모터×1을 1세트로 하여, 2계통 분의 전력을 측정합니다.

・3P3W3M의 경우의 배선과 배선 화면

다음과 같이 배선합니다.

하기의 그림에서는 1계통을 CH1~CH3, 2계통을 CH4~CH6으로 설정하고 있습니다.


・3P4W의 배선 및 배선 화면

다음과 같이 배선합니다. 본래는 중성점을 기준으로 하는 것이 이상적이지만, 일반적으로 중성점 추출이 어렵기 때문에 모터 샤시(또는 접지선)를 기준으로 합니다.


하기의 그림에서는 1계통을 CH1~CH3, 2계통을 CH4~CH6로 설정하고 있습니다.

 

측정하는 2계통 분의 CH의 동기 소스를 공통으로 합니다. (하기의 그림에서는 1계통의 전압으로 통일)


UDF 기능을 사용하여 2계통 분의 전력을 각각 합산하여 측정합니다. 하기의 그림에서는 Pall=P123+P456으로 설정했습니다.

 

정리

 모터 기술의 고도화에 따라 5상 및 6상을 비롯한 다상 모터의 채택이 앞으로 더욱 확대될 것으로 예상됩니다. 본 애플리케이션 노트에서 소개한 방법을 통해 다상 구성에서도 정확한 전력 측정이 가능해져, 다상 모터의 전력 특성에 대한 고정밀 평가와 개발 단계에서의 성능 분석 및 효율 개선을 보다 확실하게 수행할 수 있습니다.

PW8001에 대한 자세한 정보는 당사 제품 페이지를 참조하십시오. 애플리케이션 노트나 측정에 관한 문의 사항이 있으시면 언제든지 당사로 연락 주시기 바랍니다.