CN101825686A - 电机低不确定度的杂散损耗测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特点是该系统由整流单元将交流市电经桥式整流后的直流电分别接入试验电源和模拟恒转矩负载；试验电源将直流电调制成变频静止交流电源后依次与电参数测控、输出控制和测试电机连接；模拟恒转矩负载将直流电调制成恒转矩负载的可控电源后与负载电机连接；转矩/转速传感器分别与数据测量、测试电机和负载电机连接。本发明与现有技术相比具有测试装置简单，操作方便，测试精度高，稳定性好的优点，可满足了0.37～375kW高效、超高效电机的效率试验，不确定度值低于0.4％，为我国致力于研究开发高效率电机奠定了一定基础。

Description

电机低不确定度的杂散损耗测试系统

技术领域

本发明涉及机电设备检测技术领域，尤其是一种电机低不确定度的杂散损耗测试系统。

背景技术

目前世界上许多国家(包括我国在内)都积极投身到电机系统节能工作中。国际电工委员会IEC/TC2于2006年提出制定一项电动机能效分级标准，该标准将电动机的效率分为IE1，IE2，IE3，IE4共4级。该标准效率指标覆盖范围：0.75～370kW，极数为2，4，6极，分50Hz和60Hz两类指标，该标准于2008年底正式发布。各国电动机产品市场上效率等级情况为：美国，加拿大，澳大利亚等国市场为IE2效率等级并为该国的最低强制标准，欧洲于2008年将强制执行IE2效率等级标准。目前，我国市场上使用的电动机效率水平仅为IE1效率(平均效率约为87％)等级，按照我国节能中长期规划中明确的指标要求，到2010年电动机的效率水平应达到IE2效率(平均效率为90％左右)等级，显然我国与先进国家还存在较大的差距。

由于世界各国都在致力于研究开发高效率电机，那么，电动机效率的准确测试也就提上了日程。IEC60034-30(2008版)规定对高效、超高效电机的效率测试方法必须采用低不确定度的方法。所谓“测量不确定度”是对测量结果质量的定量表征，以确定测量结果的可信程度。测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。所以，测量结果必须附有不确定度说明才是完整并有意义的。根据不确定度分析评定的理论，在整个测量过程中，影响最终测量结果的每一个量或每一个因素都将以各自的方式向最终结果传递，这种传递都必须逐一建立相应的数学模型，并按照数理统计原理进行分析计算，找出传递因子，最后作合成，得出最终测量结果的总不确定度。

在电动机的各项损耗中，杂散损耗的构成和影响因素较为复杂，测试也相对困难，而且杂散损耗的测量和估算也直接影响电机设计参数的选择。因此，从IEC标准到大多数国家的实际情况，以前都是推荐用输入功率的0.5％或反转法来确定杂散损耗，并把它作为电机设计输入值和测试结果，而实际的比例与功率大小、极数，以及设计、制造、材料等因素有关，而一律用固定值来替代，不能真实反映制造和设计水平，同时，也导致有些实际上并没有达到高效率的电机被判定为高效率电机。以美国和欧洲为代表的发达国家相继推出了较为精确的IEEE112B法和EH-STAR法，并均被IEC采纳为国际标准，IEC60034-2-1《旋转电机(牵引电机除外)确定效率和损耗的试验方法》已获通过，并于2007年9月发布实施。该标准明确取消了按输入功率0.5％来假定杂散损耗的传统做法，并将反转法列为高不确定度的测试方法。为了确定杂散损耗的大小，标准推荐按IEEE112B法或EH-STAR法进行测量。

这对中国电机行业是个全新的要求：(1)电机杂散损耗和效率测试的不确定度评价方法国际上尚无此类文献；(2)国内一直在使用的两种杂散损耗测试方法均为高不确定度方法，IEC60034-2-1标准推荐的美国IEEE112B法和欧洲推出的EH-star法我国基本未掌握，需要研究这两种方法的不确定度，并选择其中之一作为测试方法；(3)要实现效率的低不确定度测试，必须研究更精确的数学模型和测试数据校正技术，并实现自动控制测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种电机低不确定度的杂散损耗测试系统，它采用双环反馈控制，实现稳频、稳压的正弦波试验电源，系统测试精度高，不确定度值低于0.4％，大大满足了0.37～375kW高效、超高效电机的效率试验。

本发明的目的是这样实现的：一种电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特点是该系统包括：整流单元、试验电源、模拟恒转矩负载、电参数测控、输出控制、计算机控制、数据测量、转矩/转速传感器、测试电机和负载电机，整流单元将交流市电经桥式整流后的直流电分别接入试验电源和模拟恒转矩负载；试验电源将直流电调制成变频静止交流电源后依次与电参数测控、输出控制和测试电机连接；模拟恒转矩负载将直流电调制成恒转矩负载的可控电源后与负载电机连接；计算机控制分别与试验电源、模拟恒转矩负载和数据测量连接；转矩/转速传感器分别与数据测量、测试电机和负载电机连接。

所述整流单元包括桥式整流、平波电抗器和电容滤波，将交流市电变为平稳直流电。

所述试验电源包括逆变和脉宽调制，将直流电调制成供测试电机使用的双反馈稳频、稳压的正弦波变频静止交流电。

所述模拟恒转矩负载采用逆变和脉宽将直流电调制为负载电机转矩的可控电源。

所述负载电机与测试电机输出轴连接提供恒转矩负载。

所述数据测量由功率分析仪、转矩转速测试仪、堵转测试仪、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和温度巡检仪组成，以传感器采集的非电量参数通过工业以太网与计算机实现通信。

所述电参数测控制为电参数传感器采集的电压、电流和功率参数经计算机自动控制。

所述计算机控制由控制主回路的PLC、集线器HUB和RS485总线服务器组成，实现系统的测试数据采集、处理和自动控制。

本发明与现有技术相比具有测试装置简单，操作方便，测试精度高，稳定性好的优点，可满足了0.37～375kW高效、超高效电机的效率试验，不确定度值低于0.4％，为我国致力于研究开发高效率电机奠定了一定基础。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为双反馈正弦波变频电源工作示意图

图3为双反馈正弦波变频电源控制器结构示意图

图4为变频电源的正弦波图

图5为网络拓补结构示意图

图6为上位机工作流程图

图7为下位机工作流程图

具体实施方式

下面以具体实施例，对本发明做进一步的阐述：

参阅附图1，本发明包括；整流单元1、试验电源2、模拟恒转矩负载9、电参数测控3、输出控制4、计算机控制6、数据测量7、转矩/转速传感器8、测试电机5和负载电机10，交流市电经整流单元1的桥式整流后分别接入试验电源2和模拟恒转矩负载9；试验电源2将直流电调制成变频静止交流电后依次与电参数测控3、输出控制4和测试电机连接5；模拟恒转矩负载9将直流电调制成恒转矩负载的可控电源后与负载电机10连接，负载电机10的输出为跟踪测试电机5运行转速的稳定转矩与测试电机输出轴连接；计算机控制6分别与试验电源2、模拟恒转矩负载9和数据测量7连接；转矩/转速传感器8分别与数据测量7、测试电机5和负载电机10连接。

参阅附图2，本发明的主电路由整流单元1、试验电源2组成，并采用大功率开关器件IGBT以主电路为交/直/交结构，实现供测试电机5使用的静止式变频电源，该电源与传统的机组模式相比，静止式变频电源对土建要求低、控制自动化程度高、噪声低，可以明显降低运行能耗，保证良好的控制精度，可扩展性强，在电机试验领域也得到良好的应用。

主电路包括整流器(ZL)，直流滤波器、逆变(BP1)、交流滤波(L和C)等组成部分。整流器将50Hz交流市电(380VAC)经桥式整流、平波电抗器、电解电容滤波后变为直流(P+和P-)。桥式整流电路为半控结构，调节晶闸管的触发角，可以控制直流电压，满足不同电压等级测试电机试验要求。在大功率系统中，为考虑整流系统对电源的污染等因素可以将整流单元1的电路分为独立的两组，组成12脉波整流。逆变部分(BP1)采用三相全桥结构，是本电源的核心，逆变器选用IGBT作为开关器件。利用IGBT开关频率较高的优点，采用正弦脉宽调制方式(SPWM)对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，输出SPWM(U10)波幅值恒定，宽度按正弦规律变化，该交流基波频率为所需要的电源输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经LC滤波电路滤波后，得到纯正的正弦波交流电(U1)。

模拟恒转矩负载9将直流电通过逆变和脉宽调制成恒转矩负载的可控电源与负载电机10连接，负载电机10的输出为可跟踪测试电机5运行转速的稳定转矩与测试电机输出轴连接。模拟恒转矩负载9与传统的机组负载模式相比，对土建要求低、控制自动化程度高、噪声低，可以明显降低运行能耗，保证良好的控制精度，可扩展性强，在电机试验领域也得到良好的应用。

模拟恒转矩负载9包括：负载控制器(BP2)、交流滤波(L和C)、负载电机等组成部分，负载控制器选用IGBT作为开关器件。利用IGBT开关频率较高容易控制的优点，采用正弦脉宽调制方式(SPWM)对负载电机进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，输出SPWM(U10)波幅值恒定，宽度根据控制需求进行调整，负载控制器输出的脉宽调制波经LC滤波电路滤波后，控制负载电机发电运行，得到转速能跟踪测试电机运行转速的稳定转矩。

模拟恒转矩负载9，在设计负载控制器时，采用一种带有输出电压有效值控制及转矩控制的双环反馈控制模式，对负载转矩进行精确控制，稳定负载转矩，同时运行转速参与控制，在测试电机转速发生变化的时候同样能达到稳定的转矩输出。

试验电源2在设计正弦波变频电源的控制器时，采用一种带有输出电压有效值控制及负载电流控制的双环反馈控制模式，对输出电压的幅值、频率、波形进行精确控制，稳定输出电压和频率，同时通过外环负载电流的反馈控制，在负载发生变化的时候同样能达到稳定电源的目的。

参阅附图3，图中i₀是负载电流前馈控制，在很多系统中变频逆变单元后面通常要联结一级变压器，该变压器的主要作用有：

(I)、改变变频电源的输出电压，满足不同电压等级的电机试验需求，增加变压器可以改善逆变器升压的局限，例如本系统可以利用380VAC的逆变器，经过变压器升压，满足660V被试验电动机的试验，可以充分利用逆变器的容量；

(II)、通过变压器的Y-Δ变化，改变逆变器的输出波形质量；

(III)、通过变压器输出端的负载电流变化，完成电流环的前馈控制，有效进行多单元并联运行的环流控制，改善电流环的响应速度。

衡量变频电源的一个重要指标就是谐波电压因数。按GB 755-2000的规定，HVF值按下式计算：

$\mathrm{NVF}=\sqrt{\mathrm{\Σ}\left(\frac{{U_n}^2}{n}\right)}$

式中：Un谐波电压的标幺值(以额定电压U_N为基值)；

n谐波次数(不包含3及3的倍数)。

为满足电机试验的需求，电源必须满足：HVF≤0.015。因此必须对逆变器的电源输出进行滤波处理。如图3所示，电感L和电容C组成低通滤波器LC，滤出高频载波。低通滤波器LC输出设计，直接影响变频电源输出电压波形的失真度，因此滤波器的设计原则是考虑最高输出频率，只要最高输出频率下正弦波的失真度得到满足，则低频输出时由于载波比增加，正弦波失真度可自然满足。

在大容量电源的设计中，IGBT关断和开通电流都很大，主电路的引线的电感不容忽视，其将在IGBT功率回路中引起浪涌电压，较高的浪涌电压将增加功率器件的开关损耗，可能危及器件的安全。因此在大功率应用时必须采取措施减少主回路的配线，降低逆变器输出主回路中的布线，特别是在并联运行的系统中必须保证并联运行的单元线路电感一致。

参阅附图4，本发明试验电源2和模拟恒转矩负载9的电源系统在额定工况下运行，三相线电压分别为：U_RS U_ST U_TR，在下式中分别以a、b、c表示；

负序分量V_-和正序分量V+分别按下式计算：

$V_{-}=\sqrt{\frac{1}{2}(a^2+b^2+c^2)-\frac{\sqrt{3}}{2}\sqrt{2(a^2{b}^2+b^2{c}^2+c^2{a}^2)-(a^4+b^4+c^4)}}$

$V_{+}=\sqrt{\frac{1}{2}(a^2+b^2+c^2)+\frac{\sqrt{3}}{2}\sqrt{2(a^2{b}^2+b^2{c}^2+c^2{a}^2)-(a^4+b^4+c^4)}}$

负序分量与正序分量之比为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_{-}}{V_{+}}\×100\%$

试验电源2的负序分量与正序分量之比不超过0.5％。

电源在额定工况下，稳定运行后，负载功率要求在(100±10％)额定负载范围内，分别在额定频率(50Hz和60Hz)下，连续运行10min且每隔1min中读取电压(RS)和频率值。

电压和频率的10min波动率按下式计算：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{usB}}=\frac{U_{\mathrm{RS},\max }-U_{\mathrm{RS},\min }}{U_{\mathrm{RS},\max }+U_{\mathrm{RS},\min }}\×100\%$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{fsB}}=\frac{f_{\max }-f_{\min }}{f_{\max }+f_{\min }}\×100\%$

频率稳定率≤0.05％，得益于电子技术以及控制技术的发展，本发明最优水平可达0.01％以内，远远优于传统机组模式。

主要测量仪器精度指标

依据试验方法规定，系统所需要测量的参数包括：

a、输入电参数：电压U、电流I、功率W、频率f；测试精度：

电压：±0.1％rdg.±0.1％f.s；

电流：±0.1％rdg.±0.1％f.s；电流互感器精度0.2级；

功率：±0.1％rdg.±0.1％f.s；

频率：±0.1％rdg.±1％dgt.；

b、输出机械参数：转矩T、转速n；测试精度：

转矩：0.1级；

转速：0.1级；

c、其它非电量参数：

温度±0.5℃

直流电阻：分辨率0.1μΩ；2mΩ～2kΩ，0.2级

A类标准不确定度导致的效率不确定度

在重复性条件下(相同的试验程序、相同条件、相同的人员、相同测量仪器、相同地点)，对同一台电机，进行n(n≥10)次独立的效率测试，共得n个效率η_i的测试结果。

算术平均值：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i$

单次测量的实验标准差：

$S\left(\mathrm{\η}\right)=\sqrt{\frac{1}{n-1}\mathrm{\Σ}{({\mathrm{\η}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}})}^2}$

平均值的实验标准差：

$S\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\right)=\frac{1}{\sqrt{n}}S\left(\mathrm{\η}\right)$

A类标准不确定度导致的效率不确定度

$U_A\left(\mathrm{\η}\right)=S\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\right)\·100(\%)$

B类标准不确定度导致的效率不确定度

$\mathrm{\η}=100(1-\frac{\mathrm{\ΣP}}{P_1})(\%)$

其中：

∑P-额定负载时总损耗(W)

P₁-额定负载时定子输入功率(W)

效率不确定度u_B(η)：

$u_B\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{1}{P_1}{[u^2\left(\mathrm{\ΣP}\right)+{\left(\frac{\mathrm{\ΣP}}{P_1}\right)}^2{u}^2\left(P_1\right)]}^{1/2}$

其中：u(∑P)-额定负载时总损耗的不确定度；

u(P₁)-输入功率的不确定度。

本发明主要用于高效、超高效电机的效率测试，当然也适合普通电机的效率测试，具有高精度、高稳定性的特点，低不确定度是本系统的重要技术指标。为保证效率测试水平，对本系统的效率测试的不确定度进行了验证，以15HP，4极，60Hz，460V三相笼型电动机为例：

$U_A\left(\mathrm{\η}\right)=S\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\right)\·100=0.0160(\%)$

其中：η(％)＝92.64；s(η)(％)＝0.05066；

$U_B\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{100}{P_1}\sqrt{{U_B}^2\left(\mathrm{\ΣP}\right)+{\left(\frac{\mathrm{\ΣP}}{P_1}{U}_B\left(P_1\right)\right)}^2}=0.086(\%)$

其中：U_B(P₁)＝31.4(W)；U_B(∑P)＝10.2(W)；P₁＝12230(W)；

∑P＝909.4(W)。

合成不确定度为：

$U_C\left(\mathrm{\η}\right)=\sqrt{{U_A}^2\left(\mathrm{\η}\right)+{U_B}^2\left(\mathrm{\η}\right)}=0.0875(\%)$

系统不确定度为：

U＝2U_C(η)＝0.17(％)k＝2

结论：η(％)＝(效率测试值±U)(％)＝(92.64±0.17)(％)k＝2

参阅附图5，本发明的自动控制系统采用RS485总线结构模式，其网络拓补如附图5所示，主要组成有控制主回路的PLC、集线器HUB和RS485总线的服务器；用于进行各种数据采集的高精度测试仪器、用于整流、逆变控制用的光纤传导部分；以及反馈数据的采集系统、系统的电气逻辑控制和系统的电量闭环控制；由RS485总线将测量、控制、远传集为一体，实现系统的自动控制、测试数据采集、处理和共享。

RS485是一个多引出线接口，可以有多个驱动器和接收器，能实现一台上位机与多台下位机之间的串行通信，其采用主从式通信方式，可以通过PC机与连接终端进行实时通讯，这种总线模式成本低、性能稳定、遵循统一的标准，在自动控制工程中被广泛应用。

整个自动控制系统可以分为三个层次，首先是控制计算机(上位机)，其次是通信管理层，最后是各个终端，包括控制终端和数据采集终端。通信管理层是负责沟通各下级单元监控系统、数据采集，通过通信管理层实现承上启下。控制计算机负责发布命令，并将通信上传的数据进行分类和建立数据库，并按照预先的设定进行处理。终端的作用是对控制机算计的指令的执行机构，包括命令的输出和测试数据的输入。

系统的控制基于RS485现场总线，通信协议自由定义，在总线上连接各下位机(控制终端和数据采集终端系统)和上位机(控制计算机)，是由上位机统一管理的主从式总线型的控制和检测系统。整个系统的检测数据和状态监控数据可以由通信管理层和远程系统进行通信，实现数据的远程共享和实时监控。

参阅附图6～附图7，本发明整流单元1、试验电源2和模拟恒转矩负载9的控制部分由自动控制和手动控制两部分组成，通过PLC实现整个系统的开关量控制、电压电流模拟量的采集监视和电压反馈量的闭环控制。自动控制和手动控制是两个完全相互独立的控制部分，试验过程以自动控制为主，一旦计算机出现故障，可通过自动/手动按钮切换到手动，避免整个电源系统发生故障。

手动部分是通过操作台上控制面板实现开关量控制，并可通过变频电源的操作板实现变频器模拟量的给定。

自动部分由上位机完成试验过程中开关量控制，模拟量给定和系统主电路开关量的监视。其中模拟量给定环节分别由上位机根据功率分析仪采集的数据实现给定数据的闭环控制，在PLC中根据实际反馈电压量实现电压给定稳压的闭环控制，由于采用双闭环控制，可轻松实现稳定，可靠的模拟量给定。

在开关量控制环节，由于系统有多种开关量组合逻辑，操作者稍有不慎就可能出错酿成重大事故，为了简化操作者的工作流程，根据实际情况在上位机的控制界面选用了单独输出和并联输出的12种控制方式，用户可根据相应的电源工作状态选择相应开关的合闸，如要进行并联变压器400V状态，可直接选择并联变压器400V按钮即可，系统会自动合上相应的开关，简化了操作程序。

自动部分还可以实现部分试验的自动过程，自动过程由计算机根据测试点的设置控制试验电源调节到对应点，待数据稳定后自动采集试验数据存入数据库，并进行下一点控制。

测试部分由高精度功率分析仪、转矩转速测试仪、堵转测试仪、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和温度巡检仪组成。功率分析仪通过工业以太网与计算机通信，在计算机上显示电压、电流、功率等电量。转矩转速测试仪、堵转测试仪、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和温度巡检仪通过研华EDG4508服务器连接到工业以太网，并通过工业以太网与计算机实现通信。试验过程中显示的电量和非电量数据可直接存入数据库，通过相应的软件平台实现被试电机5的参数及性能计算、数据管理、数据分析和报表打印。

本发明在电机试验过程中实现智能控制、数据自动采集、分析、计算和报表的输出，系统自动化程度高，可靠性强，可满足高效率、超高效率电机的准确测试。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于该系统包括：整流单元、试验电源、模拟恒转矩负载、电参数测控、输出控制、计算机控制、数据测量、转矩/转速传感器、测试电机和负载电机，整流单元将交流市电经桥式整流后的直流电分别接入试验电源和模拟恒转矩负载；试验电源将直流电调制成变频静止交流电源后依次与电参数测控、输出控制和测试电机连接；模拟恒转矩负载将直流电调制成恒转矩负载的可控电源后与负载电机连接；计算机控制分别与试验电源、模拟恒转矩负载和数据测量连接；转矩/转速传感器分别与数据测量、测试电机和负载电机连接。

2.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述整流单元包括桥式整流、平波电抗器和电容滤波，将交流市电变为平稳直流电。

3.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述试验电源包括逆变和脉宽调制，将直流电调制成供测试电机使用的双反馈稳频、稳压的正弦波变频静止交流电。

4.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述模拟恒转矩负载采用逆变和脉宽将直流电调制为负载电机转矩的可控电源。

5.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述负载电机与测试电机输出轴连接提供恒转矩负载。

6.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述数据测量由功率分析仪、转矩转速测试仪、堵转测试仪、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪和温度巡检仪组成，以传感器采集的非电量参数通过工业以太网与计算机实现通信。

7.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述电参数测控制为电参数传感器采集的电压、电流和功率参数经计算机自动控制。

8.根据权利要求1所述电机低不确定度的杂散损耗测试系统，其特征在于所述计算机控制由控制主回路的PLC、集线器HUB和RS485总线服务器组成，实现系统的测试数据采集、处理和自动控制。

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