Kam zmizela ta energie?

Analyzátor výkonu počítá účinnost elektrického systému, jako je motor nebo transformátor, měřením základních i harmonických složek výkonu. Při vysokých frekvencích a velkých proudech se však tato úloha komplikuje: přesné měření vyžaduje vysoce kvalitní proudové snímače. Tyto snímače musí nejen zachovávat přesnost v celém frekvenčním rozsahu, ale pro správný výpočet výkonu je třeba znát i jejich fázový posun, který je obvykle závislý na frekvenci. Pokud snímač nemá konzistentní časové zpoždění na všech frekvencích, je přesné měření výkonu obtížné, a to bez ohledu na použitý analyzátor.

Obrázek 1: Aktivní výkon a harmonické v celém frekvenčním pásmu

Co tedy může nastat, když váš analyzátor výkonu společně s použitými proudovými snímači nesplňují požadavky na měření vysokých frekvencí? Například při měření účinnosti měniče využívajícího polovodiče SiC s nosnou frekvencí 50 kHz nebo vyšší se mohou přihodit situace popírající fyzikální zákony, a to tehdy, kdy je indikována účinnost vyšší než 100 %. Zatímco takový jasně nereálný výsledek je evidentní chybou měření nebo výpočtu a i laik na první pohled pozná, že něco nehraje, o dost problematičtější je scénář, kdy analyzátor ukazuje účinnost například 96 % místo skutečných 94 % - nebo 96 % místo skutečných 98 % -  ale to jen a právě v důsledku technických limitů použitých proudových snímačů. Toto je totiž právě ten detail, v němž se skrývá onen ďábel.. Jenže, jak to poznat? Jak si mohu být jistý naměřenými hodnotami? Klíčem je nespoléhat se pouze na specifikovanou přesnost samotného analyzátoru výkonu, ale zohlednit také vliv proudových snímačů.
 
Jako příklad uveďme ztráty výkonu v motorovém systému. V takových systémech se harmonické hlavní frekvence přeměňují na šum a vibrace, které lze identifikovat bez přímého měření výkonu. Výkon harmonických vyšších frekvencí se však v motoru přeměňuje především na teplo. Měření tohoto výkonu je náročné vzhledem k indukční povaze motoru: při vyšších frekvencích se fázový úhel mezi napětím a proudem blíží 90°. A protože se činný výkon střídavého proudu počítá jako napětí × proud × cos(θ), má jakákoli fázová chyba, která tento fázový úhel posune nad 90°, za následek záporný měřený ztrátový výkon – což se projeví v celkové energetické bilanci jako příspěvek, nikoliv ztráta energie!
 
Důvodem tohoto nepřesného měření je nekompenzovaná fázová chyba snímače proudu. Takové fázové chyby zkreslují měření a mohou vést k nesprávným závěrům o energetických ztrátách systému. Řešení tohoto problému však existuje: S vhodnou kombinací analyzátoru výkonu a snímačů proudu navržených specificky pro měření výkonu lze fázové chyby korigovat a zajistit tak přesné měření výkonu i pro velké proudy a vysoké frekvence. Díky čemuž je vyřešen první zásadní problém, tj. můžete přesně zjistit, kolik energie se v systému ztrácí. Nicméně druhá otázka na sebe nenechá dlouho čekat.. Pokud už tedy víme, kolik energie se nám ztrácí, bude nás ale rovnou také zajímat, kde přesně k těmto ztrátám dochází - a jak vysledovat jejich vznik?

Analyzátory výkonu nabízejí různé funkce, které umožňují určit, na jakých frekvencích dochází ke ztrátám výkonu. Tradiční metodou je analýza harmonických, která používá jako základ hlavní frekvenci motoru. Protože hlavní frekvence motoru jsou obvykle nízké, je analýza harmonických obvykle omezena na frekvence nižší než 100 kHz. Jako příklad lze uvést, že při základní frekvenci 50 Hz odpovídá 2000. harmonická frekvenci 100 kHz - což již znamená praktickou horní hranici pro analýzu harmonického výkonu u většiny přístrojů.
 
Pro komplexní pohled na ztráty výkonu v celém frekvenčním rozsahu je nicméně zapotřebí pokročilá funkce, jakou je analýza výkonového spektra (Power Spectrum Analysis - PSA). PSA využívá FFT, ale neomezuje se na hlavní frekvenci motoru; místo toho pokrývá celý frekvenční rozsah analyzátoru výkonu - v případě přístroje HIOKI PW8001 až do 5 MHz. Díky tomu PSA otevírá nové možnosti identifikace ztrát, které mohou zůstat běžnými metodami neodhaleny.

Obrázek 2: Vizualizace ztrát výkonu v celém frekvenčním pásmu pomocí analýzy výkonového spektra (PSA)
 
Pro efektivní využití funkce PSA (Power Spectrum Analysis) musí být splněny dvě klíčové podmínky:

1. Analyzátor musí přesně kompenzovat jakýkoli fázový posun způsobený snímači proudu.
2. Snímače proudu musí poskytovat plochou amplitudovou odezvu v celém frekvenčním rozsahu.
 
Jsou-li obě podmínky splněny, lze přesně identifikovat ztráty výkonu na všech relevantních frekvencích.

Obrázek 3: Analyzátor výkonu a snímače proudu HIOKI – navržené a vyrobené jedním výrobcem

Vzhledem k tomu, že společnost HIOKI navrhuje, konstruuje a vyrábí analyzátor výkonu i snímače proudu ve vlastní továrně „pod jednou střechou“, jsou tyto komponenty optimalizovány pro vysokofrekvenční měření výkonu. Tato vysoká úroveň přesnosti poskytuje jistotu přesného určení ztrát výkonu a identifikace problematických míst, ve kterých dochází k těmto nechtěným ztrátám, a představuje zásadní krok ke zlepšení energetické účinnosti motorů, měničů a dalších aplikací výkonové elektroniky.

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