CN101629860A - 一种三相异步电机的部分性能测试的方法 - Google Patents

Abstract

一种三相异步电机动机的部分性能测试的方法，主要应用在三相异步电机的出厂测试和维修后测试，也可用于对新设计电机技术方案的快速验证。其步骤是利用三相异步电机固有的空载运行特性测量出被测电机转子的转动惯量，根据不同状态下相对应的转子的瞬时转速的变化和电机运行参数，测量出电机相应状态下的转矩、输出功率、效率等部分参数指标，省去了现有的电机测试方法中的施加模拟负载部分。

Description

一种三相异步电机的部分性能测试的方法

技术领域

本发明是一种三相异步电机的部分性能测试的方法，主要应用在电机制造厂家的产品出厂测试和维修后的性能测试，也可用来进行对电机设计技术方案的快速验证。

技术背景

在三相异步电机的实际应用中，都是做为原动力来使用的，所以用模拟电机实际工作负载的测试方法是传统的测试方法。目前对三相异步电动机性能测试的方法主要是用测功机法和陪试电机法，这两种办法都需要对被测电机施加模拟负载，实际模拟电机在不同负载状态下的工作情况，得出被试电机在不同负载情况下的性能指标。无论是测功机法或是陪试电机法，都是需要专门的测试设备，存在测试设备造价高，测试时间长，耗能严重等情况。以用测功机法进行测试为例，测功机根据和其相连接的转矩、转速传感器，电压、电流数据采集模块，实时对被测电机在不同负载状态下的电流、转矩、转速进行记录，从而测量出被测电机的性能指标。制动器无论采用何种方式的负载，被测电机都是在实际负载的情况下运行，完成测试，被测电机要消耗电能做功，制动器也要消耗电能做功，所以耗能严重。并且，电机的转速调整的时间较长，所以完成测试所费用的时间，就会很长。特别对大功率电机，负载试验对电能的消耗和时间的浪费相当大，尽管目前有将试验电能回馈电网的技术，但测试设备的造价会更高。所以现有检测设备造价高、能耗大、耗费时间长，而本办法的发明较好的解决了这些问题。

发明内容

为克服目前在三相异步电机测试中，需要施加实际的模拟负载，存在着能耗大、设备造价昂贵、耗费时间长等缺点。本发明利用电机的空载运行特性，在不加模拟负载的情况下，实现对三相异步电机性能的测试。首先根据三相异步电机在额定电压下的空载运行特性，测量出被测电机的转子的转动惯量。然后，利用和被测电机相连的转速传感器，测出电机输出轴的瞬时转速变化量，也就是旋转加速度，根据牛顿第二定律，就可得出此时电机产生的电磁力矩。根据电机的运行特性，当电机被加电以后，电机会随负载的变化而生产不同的工作电流，不同的工作电流产生不同的旋转转矩。根据能量守恒定律，在负载不发生变化运行达到平衡的情况下，其稳定运行的电流和转矩是不发生变化的。所以对电机本身来讲，其产生的电磁转矩只与通过电机绕组的电流有关，而与拖动负载的性质无关。三相异步电机在一定电流下所产生的旋转电磁转矩，会对不同的转动惯量的负载产生不同的加速度，并且电机产生的电磁转矩、负载的转动惯量和产生的负载旋转加速度三者的关系遵守牛顿第二定律。在已知负载的转动惯量的情况下，因此可以通过测量瞬时转子旋转加速度的方法，来测取电机在不同状态下的瞬时旋转电磁转矩。电机在实际工作时的负载是旋转的，这里，电机的任何形式的负载，是可以用转动惯量来等效代替的。负载可以看做是转子的转动惯量加上负载的转动惯量之和。如果电机不带任何形式的其它负载，则电机的负载只有转子本身。这时电机的负载的转动惯量，也就是电机转子本身的转动惯量，所以可以把电机本身的转子当做负载。由于三相异步电机启动过程中的启动电流，有一个从大到小的渐变过程，覆盖了电机所有运行状态时的电流大小，所以可以通过测试电机启动时的性能参数，来测试电机负载时的工作状态。由于通过电机绕组的电流和电机产生的电磁转矩是一一对应的，而相同的转矩对相同转动惯量的负载产生的加速度是一样的，所以通过测量电机启动过程中的瞬时转子瞬时转速变化量，就可以得出电机此时的电磁转矩。首先利用电机的空载运行特性测取被测电机的转子的转动惯量，然后，测取被测电机转子的瞬时转速变化，据此来确定电机在不同时刻的电磁转矩，是本发明的关键。本测试方法可以通过不给被测电机施加模拟负载，在被测电机空载的情况下测出它的负载特性，能够简便快速测试被测电机的性能，能极大的节省电能和测试时间，是对现有测试方法(测功机法和陪试电机法)的有效补充和验证。

要解决的技术问题

根据电机空载时产生的旋转电磁力、转子的转动惯量和转子转速变m化率，三者遵守牛顿第二定律，对于某一固定电机，其转子的转动惯量是一定的，电机在一定电流下产生的电磁力是相同的，所以只要能够测得转子转动惯量，又测出电机输出轴的瞬间转速变化率，就可以测出电机的电磁力.因此电机转子转动惯量的实时测取，是本方法的重要步骤。在实际的应用中，通过对电机空载运行特性的研究发现，利用测量电机本身的风摩阻耗，可以用来确定电机转子的转动惯量。所以首先要根据电机的空载特性，测量出被测电机的风摩阻耗。在被测电机空载运行时，其输入功率为空载功率，根据能量守恒，此时电机输入的能量被消耗在电机的铜耗、铁耗、风摩阻耗和附加损耗上。根据三相异步电机空载输入功率和输入电压的关系，就可以测量出电机的风摩阻耗。然后根据牛顿第二定律，测量风摩损耗对电机转子产生的阻力矩带来的转子在断电瞬间的转速的变化率，就可以测量出转子的转动惯量。由于风摩阻耗的值非常小，它对电机转速的影响相对较小，因此，快速、准确的测量，是此法数据是否真实可靠的关键。但是，由于电机的负载输出功率要远远大于电机的空载时的输出功率，所以单纯利用电机空载运行特性，是无法准确测取电机的负载性能的。在这里利用了电机启动时的电流远远大于空载电流和负载电流，而电流和转矩有一一对应关系，这样利用电机的启动特性来测取负载性能就成为了可能。在电机的启动过程中，随着转速的上升，启动电流的衰减很快，也就是说，电机产生的电磁转矩不是恒定的，而是变化的。并且，此变化的过程是非常复杂的，所以，真实测量出瞬时转速和电流的变化，在此方法中就显得非常重要。只有通过快速数据采集，才能对被测电机的实际的启动过程加以真实的描述。将不同时刻的测量值分别测出，就可以将被测电机的性能测试出来。

有益效果

不用对被测电机施加模拟负载，在电能消耗方面将有很大节约。测试设备比现有设备简化很多，只用一个转速传感器，将使测试设备的造价降低。测试的速度会加快、比以往的测试会节约更多的时间。

具体实施方式

在示意图中，由电机运转控制器和数据采集处理模块共同完成对被测电机的检测，其中电机运转控制器负责对电源电压的调整和电机运转时的控制，由数据采集模块完成对各个运行点的电机的电流、电压和转速的采集处理。在以下的操作中，对被试电机施加电源的频率均为电机的额定频率，不再一一说明。在下面的测试中，部分测试的内容、计算公式和方法参照了GB1032-2005三相异步电动机的测试方法。

1、风摩阻耗和铁耗的测定

首先，对被测电机进行启动，如果用来测试的电源的容量够大，则直接启动。如电源的容量不够大，则对电机进行低压启动，就是先用较低电压对被测电机进行启动，当电机的转速不再变化时，将施加到被测电机端的电压调整到电机的额定电压。待被测电机空载运行后，并监视电机的空载输入功率，当电机的空载输入功率变化在半小时内小于3％时，认为此时电机的运行达到稳定。此时升高电机的输入电压到1.25倍额定电压，然后，慢慢降低电压，直到被试电机的电流出现不随电压的下降而上升或不稳定。并记录下降过程中的各个点的空载输入功率P₀、电压U₀.根据P₀和(U₀/U_N)²的线性关系，建立数学模型，从而得到当输入电压U₀为零时的空载输入功率P₀，此时的空载输入功率就是被测电机的风摩阻耗P_fw。

由于空载运行时，电机没有其它负载，所以空载输入功率减去风摩阻耗和铜耗，就是铁耗。其中，铜耗的大小可由公式P_cu＝3I₀R得出。其中R是运行稳定后的绕组电阻。而绕组电阻则有许多方法测得，如电桥，这里不再重复。

2、被测电机的启动和数据采集

对电机启动数据的采集，如果用来测试的电源容量足够大，则可采取直接额定电压对电机启动，记录启动过程中的电流、转速变化率等。如用来测试电源容量不够大，则要采用降压启动，在被试电机的启动过程中，为保证电机的启动电流不超过额定值太多，由电机运转控制器发出指令，调节电源变压器，让电源的输出电压达到设定值，稳定电压不变，并把此电压加到被测电机上。在电机启动的同时测试电机在各个运行点的电流和电机的转速变化量，并将启动过程中的这两组数值对应的记录下来。待电机达到一定速度后，提升加到电机的电源电压到电机的额定电压，同时也将此启动过程中的电流和电机的转速变化量这两组数据记录下来，直到被测电机达到空载稳定运行。此过程中记录的数据，为后面的测试做准备。

3、被测电机转子转动惯量的测定

测试时，首先给被测电机施加额定电压，并让电机稳定运行。在给电机断电的瞬间，开始测量。利用被测电机固有的特性，测量出电机的风摩阻耗和铁耗，由于三相异步电机空载时的转速大于同步转速n_N的零点玖倍，所以可由公式

J＝(3600P_fwΔt)/(4л²nΔn)

计算出电机转子的转动惯量，取样的速度要快，由于此时电机已停止供电，电机的转速会下降，此时要求，n-Δn≥0.9nN

其中：J-转子的转动惯量(kg·m²)

P_fw-被测电机的风摩阻耗(W)

Δn-被测电机在测试中的转速变化量

Δt-被测电机在测试时所用的时间

n-被测电机的空载转速

n_N-被测电机的同步转速

4、被测电机各对应点的电磁力矩测定

根据得出的转动惯量的数值，由于在被测电机启动时，已经测得对应时间的转速变化量，所以被测电机的瞬时转矩为：

T＝J(Δn/Δt)

要求Δt要足够小，这样才能反应出对应时间力矩的数值。如果时间太长，由于电流在变化，力矩在变化，就会影响测试的结果。这样所有被测电机所有对应点的转矩就可以一一得出，并且可以绘出被测电机的转矩-电流-转速-输出功率-效率曲线，完成电机性能的测试

5、堵转电流、转矩的测定

此测试要在被测电机在冷态时进行，如果测试的电源容量足够大，则可以直接给被测电机加电，利用加电瞬间转子尚没有转动，进行电流采样。并将转子开始转动瞬间的转速变化量测出，就可以直接测试出被电机的启动转矩和启动电流。其中电机启动转矩可根据公式

T＝J(Δn/Δt)

得出。

其中T-电机的启动转矩

J-电机转子的转动惯量

Δn-启动瞬间电机的转速变化率

Δt-启动到测试数据所用时间

如果电源的容量不够大，则要相应进行降压测试。首先调整电源电压，使加电瞬间的电流接近额定电流，不让启动电流过大，以防对电源造成影响。在上面的测试中，由于加电瞬间电机的转子尚没有开始转动，其效果和施外力不让转子转动时的电流是一样。所以利用快速采样，在这个项目的测试中就显得非常重要。根据转子刚开始转动时第一组数据，则可知道电机在启动瞬间转速的变化量，由于此时是被测电机启动瞬间的数据，所以此时的数据可以代表堵转时数据，同样根据公式

T＝J(Δn/Δt)

就可以测得电机的在此电流时的堵转转矩T，由于此时不是额定电流，所以要换算到额定电流时堵转转矩。如此时的堵转电流为I₁，则被测电机在额定电流时I_N堵转转矩T_N，符合下列的关系。

T_N＝(I_N/T)²/I_N

到此，三相异步电机的性能测试完毕。

附图是对测试过程进行描述的方框图。

Claims (3)

1、一种三相异步电机动机的部分性能测试的方法，包括电流、电压、转速传感器数据采集模块和电机运转控制器。其特征是：利用三相异步电机固有的空载运行特性，测量出被测电机转子的转动惯量，根据不同状态下相对应的转子的转速变化和电机运行参数，测量出电机相应状态下的转矩、输出功率、效率等部分性能指标。

2、根据权利1的要求，其特征是使用的数据(含电压、电流和转速)采集模块和电机运转控制器，利用三相异步电机固有的运行特性，测量出被测电机的转子的转动惯量

3、根据权利1的要求，其特征是利用和被测电机相连接的转速传感器，测量出被测电机转子的转速变化率。根据牛顿第二定律，利用测得的被测电机的转子的转动惯量，测量出被测电机的力矩、输出功率、效率等部分性能指标。

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