馬達功率測量與分析的八個步驟
挑戰
能源是現代機電系統中最高成本之一，而馬達通常消耗從消費性電器、電動車到整個製造設施等各種應用的大部分電力。確保馬達以最佳狀態運作對於整個系統的運作成本至關重要。透過偵測馬達軸的輕微擺動等狀況，精確的功率測量可以顯著降低能耗，提高性能並延長馬達的使用壽命。
本文檔介紹了使用功率分析儀測量和驗證正常馬達功能的過程，以及如何排除測量輸出中的常見錯誤。
必需品
要以盡可能高的保真度獲取馬達功率和效率的測量數據，需要一台高精度 功率分析儀，並配備適當數量的輸入元件。例如，六個元件可用於三相交流驅動系統的輸入和輸出，另外還需要兩個元件來測量馬達的扭力和轉速輸出。橫河電機測試與測量部門針對這項挑戰的解決方案是WT系列功率分析儀。
圖 1. 在測量點 A 和 B 處測量馬達功率和效率。
正確設定的關鍵
設定馬達測試時，以下設定可確保初始測量的準確性：
1）接線 - 3V3A
大多數馬達沒有中性線連接，需要將電壓表以三角形連接（3V3A）。這意味著無法直接測量相電壓，而是將電壓表以線對線（三角形）連接。請遵循以下指南，將功率分析儀連接到這種配置的馬達。
圖2. 此接線圖僅適用於WT5000精密功率分析儀。其他儀器的使用者需要參考相應的手冊進行正確的配置。
連接完成後，使用者必須在功率分析儀的「設定」選單中配置接線系統。對於 WT5000，可以透過點擊「設定」圖示或按下「設定」下的「選單」按鈕來完成（圖 3）。將「元件 1」變更為 3V3A 時，元件 2 和元件 3 也會變更為 3V3A。點擊此處了解更多關於三相馬達連接的資訊。
圖 3. 設定選單中的每個元素下方都顯示了接線配置。
2) 電壓範圍 – 自動
功率分析儀有 12 種量程設定。量程配置不當會嚴重影響電壓和功率讀數的準確性。自動量程設定會自動決定最適合的測量限值，以確保以最佳精度讀取整個訊號。這包括自動調整波峰因數設置，以適應輸入訊號的形狀（PWM 與正弦波、雜訊與純淨訊號等）。若要變更量程設置，請返回「設定」選單，然後點選「電壓量程」字段，即可找到如下所示的選單。
圖 4. 使用者可以將每個元素的「自動」按鈕切換為「開」。
3) 電流範圍 – 自動
馬達曲線通常是在測功機上透過掃描馬達轉速和扭矩來繪製的。馬達電流與輸出扭力大致成正比。隨著馬達扭力負載的變化，可以使用自動量程功能來確定最佳測量範圍。從空載到滿載掃描時，此範圍通常較大。
與電壓範圍一樣，可以透過按下「設定」選單中標示「電流範圍」的欄位來存取電流範圍。
圖 5. 使用者可以將每個元素的「自動」按鈕切換為「開」。
4) 縮放 – 如果使用電流互感器 (CT)，則縮放；如果使用電壓互感器 (VT)，則縮放
對於大於 50A 的馬達電流，通常使用 CT 進行安全的高電流隔離測量。雖然不太常見，但 VT 或分壓器也用於將較高的電壓降至與功率分析儀相容的範圍。如果測量裝置為此目的使用 CT 或 VT，則需要在功率分析儀上相應地設定縮放比例。除非在元件選單中正確設定縮放比例，否則功率讀數將不準確。使用者可以在「設定」選單的「縮放比例」欄位下（位於「電流範圍」欄位的正下方）找到縮放比例。
圖 6. 使用者可以按下 Copy Σ，然後按下 Copy Exec，將 VT 和 CT 比率複製到所選元素接線系統中的所有元素。
5) 線路濾波器 – 起始頻率 1MHz
功率分析儀輸入訊號中可能存在不必要的傳導或輻射電噪聲，影響功率讀數的準確性。確定這些訊號的存在並消除其乾擾的一種方法是使用功率分析儀的內部線路濾波器。由於此濾波器與電壓和電流測量串聯，因此對其截止頻率進行實驗有助於識別輸入訊號中的雜訊源並將其消除。
理想的截止頻率也取決於測試特定測量條件的其他因素。例如，測量直流母線時，設定一個接近預期直流漣波的低截止頻率（如果排除漣波的影響，則更低）可能是合適的。同樣，使用外部電流測量設備時，將線路濾波器設定為接近該設備截止頻率也是合理的，因為任何高於該頻率的功率都可能產生雜訊（例如，LEM CT 的頻寬在 100kHz 左右）。導航至“設定”選單並點擊“濾波器”圖示即可找到“濾波器”選單。
圖 7. 在過濾器選單中，可以啟用和調整每個元素的線路過濾器和頻率過濾器。
6）頻率濾波器
為了獲得最佳的功率精度，功率分析儀需要精確測量波形的週期。功率分析儀利用此測量週期內的電流和電壓測量值來計算功率、均方根值、諧波失真以及許多其他依賴時間積分或頻率讀數的數值。例如，對於同步永磁電機，頻率測量值與電機的轉速成正比。
為了準確識別週期的過零事件，訊號測量應足夠乾淨，以避免每個上升/下降沿過零超過一次。頻率濾波器可確保雜訊不會影響週期測量過程的過零偵測。
圖 8：啟用頻率濾波器可消除任何可能影響週期測量的高頻雜訊。
頻率濾波器應依照下表設定：
圖 9. 若要啟用頻率濾波器，請按下設定選單中的濾波器圖標，然後切換輸入元素下的 ON 按鈕。
7) 同步源 - I1（或多相馬達連接的第一個元件的電流）
用於測量週期的訊號稱為同步來源。此訊號通常選擇馬達系統中可用的最乾淨的正弦波形。對於正弦繞線和換向PWM電機，定子繞組的電感會平滑調製電壓訊號，從而產生正弦電流波形。
圖 10. 馬達的感應行為響應 PWM 電壓輸入產生主要為正弦的電流波形。
使用電流波形作為同步來源可以提供相對乾淨的正弦訊號，從而更容易精確識別零交叉並獲得準確的週期測量。
圖 11. 若要變更同步來源，請導覽至「設定」功能表並按下馬達接線組元素下的「同步來源」按鈕，然後從下拉式選單中選擇正確的訊號。
8) 馬達/輔助 - 馬達轉速和扭力分析（可選）
測量馬達系統的效率需要捕捉轉子軸產生的機械輸出功率。功率分析儀利用扭力和轉速感測器的輸出計算此機械功率。然後，該輸出功率用於計算馬達的機電效率，使用戶能夠透過一台儀器獲得完整的系統效率。
若要啟用馬達評估，請依序前往「設定」、「輸入」（進階/選項），然後「馬達/輔助」。在此選單中，選擇合適的馬達測量數量、速度輸入類型和電角度測量設定。
圖 12. 使用 MTR1 選項，可以使用模擬或 ABZ 速度編碼器評估一台電機，而可以使用模擬/脈衝訊號評估兩台電機的速度。
馬達分析功能允許透過「通道設定」按鈕詳細配置扭力和速度輸入的設定。對於類比扭矩訊號，可以使用“類比範圍”和“自動範圍”設置，並且可以在“通道設置”選單中計算和設置線性縮放/偏移。
圖 13. 當「感測類型」設定為「模擬」時，可以調整斜率 (A) 和截距 (B) 的線性縮放值。為了更簡單地計算斜率和截距，可以在計算視窗中輸入兩對有序的電壓和扭矩值。
當扭矩類型設定為脈衝時，可以手動調整脈衝範圍、額定扭矩和額定頻率的上限和下限。脈衝範圍設定控制訊號從功率分析儀的D/A轉換器輸出時的扭力上限和下限，並且可能與額定扭力上限/下限值不同。
圖 14. 當感測類型設定為脈衝時，脈衝頻率和額定扭矩的有序對用於計算扭矩測量。脈衝範圍上限對應於功率分析儀中 D/A 轉換器的 +5V 和 -5V。
為了確保正確的速度測量，必須輸入馬達的脈衝 N。
圖15. 設定脈衝速度模式下轉速訊號每轉脈衝數（1至9999），用於計算同步轉速。
預期結果
應用的具體情況決定了測量結果的預期。為了確定測試的可接受範圍，可以使用預期性能曲線來查看預期扭力、轉速、功率因數以及電流和電壓效率。在此基礎上，研究測試的工作點。
圖 16. 此扭力-電流曲線代表可以執行正確操作測試的範例。
圖 17.此扭力-速度曲線表示馬達速度調整時電流、扭力和功率因數的預期行為。
確保馬達有足夠的負載驅動，使其完全處於設計的穩態工作區域內。這一點至關重要，這樣才能確保有功功率、視在功率、無功功率、向量圖、功率因數和效率數值足夠高，從而合理地擬合預期的性能曲線。通常，30-80% 的負載點將導致 0.4-0.8 的功率因數和 80% 以上的效率。
圖 18. 低功率馬達範例中預期的數值顯示值。測量項後面接著 (1) 表示對訊號基頻的測量。
圖 18 中各行所示的功率 (P)、功率因數 (λ) 和電流頻率 (fI) 三相讀數對於與所需馬達性能曲線進行比較至關重要。觀察 3V3A 配置中的各相功率時，元件 3 上的功率讀數較低甚至為負，而元件 1 和元件 2 上的功率讀數相似。這在功率因數較低時往往會出現偏差。元件 3 上的負功率讀數不應引起恐慌，因為它不包含在總功率的計算中。電流波形預計大致為正弦波，相移約 120°，而電壓波形顯示為 PWM 訊號。但是，由於電壓輸入是線間電壓，因此它們之間的相移約為 60°，而不是電流訊號的 120°。
圖19.馬達輸入電壓和電流的波形顯示範例。
功率分析儀包含一個向量顯示表單，用於顯示佈線系統電壓和電流輸入的相對相位角和振幅。在 3V3A 配置中，三角形由線間電壓形成，而星形則由相電流形成。由於馬達作為感性負載的特性，在功率因數較低時，三角形會逆時針旋轉。
圖 20. 當 3V3A 接線正確連接時，向量圖應類似於此圖。
故障排除
如果功率讀數出現明顯誤差，請檢查電流互感器設定。仔細研究電流互感器變比和儀表本身的有效測量範圍，了解預期性能，並確保電流互感器額定值相對於實際測量電流而言不會過大，然後將輸入元件與電流互感器訊號的輸出相匹配。由於大多數電流互感器的輸出小於 5 安培，因此額定值較低的元件將提供更高的精度（更多信息，請參閱橫河電機測試與測量大電流測量指南）。 ）。觀察向量圖，確認接線正確且相位匹配。如果向量圖與預期形式有明顯差異，則可能存在接線錯誤。
如果總功率為負，請檢查 P1 和 P2 是否為負。電流測量時，電流接線可能互換了。負功率也可能意味著馬達處於發電模式，將能量回饋給電源，而不是運行並消耗電能。這是正常操作，功率因數也會顯示負值。
