CN102590747B - 电机绕组温升测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相交流电机绕组温升测试系统，包括：断路器、放电电路、温度测量装置和电机绕组电阻测量电路，该测量电路用于测量具有断路器的两相电路的电阻阻值；温度测量装置用于测量电机冷却水的进出水口的温度；还包括电流测量装置，其与控制器相连接，用于测量所述电机驱动的所述发电机所产生的直流电的电流，以及控制器，其用于接收温度测量装置的信号，并控制所述断路器、放电电路和测量电路。本发明的测试装置具有成本低、测试精度高、测试方法简单高效的特点。

Description

电机绕组温升测试系统及其测试方法

技术领域

本系统涉及一种电动机的温升测量装置及其测量方法，尤其涉及一种车用电机驱动系统中的电动机。

背景技术

温升是车用电机的一项重要性能技术指标，大部分车用电动机性能的下降和损坏都是由电机的过热引起的。因为牵引电机输出转速转矩，同时产生铁损、铜损、杂散损耗、励磁损耗等导致电机温度升高，因而其中绕组绝缘材料的好坏决定着电动机性能和精度的优劣，甚至决定着电机的使用期限，而温度又是决定绝缘材料寿命的关键因素。所以，对电机绕组温升的检测是电机测试必不可少的一项工。

传统的直流电机温升试验是在额定功率或铭牌电流、电压和额定转速下用直接负载法进行，通常采用回馈法。

参见图4所示，为现有技术中电机温升试验装置图。

所述直流电机温升试验装置包括第一直流电机101、第二直流电机102、同轴连接器103以及线路电源104。

第一直流电机101和第二直流电机102并联在线路电源104的两端。

第一直流电机101与第二直流电机102通过同轴连接器103进行同轴连接，由此实现两台直流电机机械上和电气上的相互连接。

将第一直流电机101作为电动机运行，由第一直流电机101通过同轴连接器103带动第二直流电机102旋转，使第二直流电机102工作在发电机状态。第二直流电机102发出的电回馈至两台直流电机共同连接的母线上，用以带动第一直流电机101工作。

将被试电机的电流、转速值都调至其额定值，便可进行温升试验。这种实验装置在理想情况下，第二直流电机102发出的电能和第一直流电机101消耗的电能相等，但实际中，直流电机运行过程中会有损耗，温升试验时需要对这部分损耗进行补偿，在图1所示的直流电机温升试验装置中，电能补偿是由线路电源104或升压机完成的。

现有技术中的直流电机温升试验装置，在对直流电机进行温升试验时，需要有一台与被试直流电机规格相匹配的直流电机作为陪同电机。但是，在对小批量生产的大型电机进行温升试验时，很难有合适的电机作为陪同电机，致使电机温升试验实现较困难。

参见图5所示，为另一种现有技术中电机温升实验装置图。

在该装置中，整流器203、PWM斩波器204和滤波器202依次串联连接在交流电源输入端和被试电机之间，所述直流滤波电容器201连接在所述整流器203的输出端之间；所述控制单元205由正弦波发生器6、三角波发生器207、第一叠加器208、第二叠加器209和PWM信号发生器210构成，所述正弦波发生器206的两个输入端分别与频率输入端和幅值输入端相连，该正弦波发生器206的输出端和直流平均电压给定值输入端与第一叠加器208的两个输入端相连，第一叠加器208的输出端与第二叠加器209的调制信号输入端相连，第二叠加器209的载波输入端与三角波发生器207的三角波输出端相连；第二叠加器209的输出端与PWM信号发生器210的输入端相连，该PWM信号发生器210的控制脉冲输出端与PWM斩波器204的脉冲控制输入端对应相连。然而，该装置结构复杂，成本高。

另外，目前通用的其它电机温升的检测方法很多，而现在常用的方法是电阻法，热电偶法，或者红外测温装置。红外测温简单，但是测试粗略，并受到周围的环境和发热部件的影响较大，同时对电机内部温升状况不易检测，热电偶法可以准确测试绕组某一点的温度，单不能反映绕组温升的整体情况；而电阻法主要是通过测量其绕组的冷、热态电阻变化，并利用相关公式，能较为客观地反映电机绕组的平均温升状况。

传统的电阻法是待电源断电后，再手动切换到测试仪上，这样一来形成了延时，导致绕组放热降温，最终测试结果不准确，而且自动化程度很低，人为的工作量很大；而普通电桥法和现有的专用测量设备在测试温升时普遍存在着自动化程度低、功能不甚完善、工作量大、而且精度也难以达到要求等缺陷。

实验室对车用电机的温升测试是在运行一个小时以后，直接断电，人工对电机的内阻进行测量，然后在通过数据的拟合，来得到车用电机的温升限值。这种方法并没有对电机的温升平衡进行检测，待测量电机绕组温升时，会对测量的结果产生一定的影响。如果电机没有达到温升的平衡，就开始对其进行测量，那么就会对电机温升的测量结果不准确，会使温升偏小。如果电机温升平衡已经达到，而电机运行的时间过长，那么就会浪费实验设备，无用的试验时间增长，使其经济效益下降。

发明内容

本系统需要解决的问题在于，针对现有电阻法测试结果不准确以及测试装置复杂、难以实现等缺点，以及人工强度大、自动化和集成化水平低等不足，提出的一种用车用电机测试试验台的电机温升测试系统，与原来的试验系统实现一定的集成。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种电机绕组温升测试系统，所述电机为三相交流电机，包括：两个断路器，其分别与所述三相交流电机与控制器之间的三相电路中的任意两相电路连接；放电电路，其包括放电电阻，与上述具有断路器的两相电路连接；电机绕组电阻测量电路，其用于测量具有断路器的两相电路的电阻阻值；温度测量装置，其用于测量电机冷却水的进出水口的温度；以及控制器，其用于接收温度测量装置的信号，并控制所述断路器、放电电路和测量电路。

优选的，还包括电流测量装置，其与控制器相连接，用于测量所述电机驱动的所述发电机所产生的直流电的电流。

优选的，所述温度测量装置包括两个温度传感器，其分别测量冷却水的进出水口的温度，当所述测量装置测得的进出水口的温度相同时，所述控制器向所述电机发出停机指令。

优选的，所述电机绕组测量电路包括衡流直流源和继电器开关，其设置在所述具有断路器的两相电路之间，当所述控制器向电机发出停机指令后，所述电压测量装置测得的电流信号为0时，控制器向所述继电器开关发出闭合信号。

优选的，所述衡流直流源的电流为5A。

本发明还提供一种电机绕组温升测试系统的测试方法，所述测试系统包括放电电路，其具有放电开关；电机绕组电阻测量电路，其具有测量开关；温度测量装置，其用于测量电机冷却水的进出水口的温度；所述测试方法包括如下步骤：

(1)当所述进出水口温度相同时，向电机发出停机指令；

(2)当电机转速为0时，闭合放电开关，消除电机绕组残余电压；

(3)测量电机绕组残余电压，当残余电压为0时，断开放电开关；

(4)闭合测量开关，通过电机绕组测量电路测量电机停止运转后不同时刻的电机绕组电阻值；

(5)根据不同时刻电机绕组的电阻值以及电机绕组冷态温度和电阻值，计算电机绕组的温升。

优选的，在上述步骤(1)前，测量停机状态下电机绕组的冷态温度和电阻值，测量完成后，向电机发出运转指令；

优选的，步骤(3)中，通过测量所述电机驱动的所述发电机所产生的直流电的电流来确定电机转速是否为0。

优选的，步骤(5)中，通过推算电机停机时刻绕组的电阻值，根据电阻阻值随温度变化的特性来确定电机停机时刻的温度，进而确定电机绕组的温升。

优选的，电机停机时刻绕组的电阻值根据如下公式计算：

$R_0=R_a\{k({\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i{t}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i\right)}^2}\right)}^{-4}-T_b+T_a)+1\}$

其中，R0为电机停机时刻电机绕组的电阻值，即时间t＝0的时刻电机绕组的电阻值。Ra为电机开始运行时，电机绕组的电阻值。Tb为电机停机时刻，即t＝0时刻电机冷却介质的温度。Ta为电机开始运行时，电机冷却介质的温度。k为电机绕组温度系数。Ri为t＝ti时刻电机绕组的热态电阻值。n为测量不同时刻的热态电阻值进行的多次测量的次数。

附图说明

图1为电机测试系统结构图。

图2为电机测试系统原理图

图3为电机温升测试流程图

图4为一种现有技术的电机温升测试装置

图5为另一种现有技术的电机温升测试装置

具体实施方式：

图1中，电机3通过机械连接装置2与测控机1相连，并同时与控制器4电连接。电机3为三相交流电机，其在控制器4的控制下进行运转。测量系统5设置在电机3与控制器4之间的三相电路中，测量系统5与该三相电路的任意两相电路相连接。测量系统5通过信号调理装置6与PC机7相连接。测量系统5通过独立的电源进行供电，对电机在停止以及运转状态的相关状态参数进行测量，同时，将测量结果发送至PC机7中，PC机7自动进行电机绕组内阻以及温升的测量和计算。

为了更准确的测量电机的温升，通常通过测量电机绕组的电阻变化来计算电机温升，即在电机运行了一定的工况之后，使电机停止运转，从而对电阻进行测试，即对电机冷却过程进行测试。也就是说，为了实现电机温升的计算，对电机电阻值的测试是对电机冷却过程的测试。电机温升与电机绕组阻值之间的关系如下式所示：

ΔT＝T₀-T_a＝(R₀-R_a)(1+kT_a)/kR_a+(T_b-T_a)

ΔT为电机的温升。

T₀为电机停机时刻即t＝0时刻，电机绕组的温度。

T_a为电机开始运行时刻电机绕组的冷却介质温度即电机绕组温度，即冷态温度，如电机绕组冷却水温度。

T_b为电机停机时刻，即t＝0时刻电机冷却介质的温度。

R₀为电机停机时刻电机绕组的电阻值，即时间t＝0的时刻电机绕组的电阻值。

R_a为电机开始运行时，电机绕组的电阻值。

k为电机电阻温度系数。

所属领域技术人员可知，直接测量电机停机时刻的绕组温度是存在困难的，而从以上公式可以知道，参数R_a、T_a、T_b都是可以直接测的数据，但是，对于R₀，其对应于电机停机时刻电机绕组的电阻值，即时间t＝0的时刻电机绕组的电阻值，由于电机回路主要是由电感性线路构成，同时存在电容，这些器件特性会在测量时引起信号振荡，造成测试偏差。因此，测量工作应该在回路停机稳定之后进行，所以，就不可能在“0”时刻获得电机绕组的电阻值，只能依靠“0”时刻以后的数据进行数据插值或者拟合从而得到t＝0时的电机绕组电阻值R₀。

下面结合图2对电机测试系统的远离以及对如何获得电机绕组阻值R0进行说明。

图2中，断路器K1、K2设置在电机3和控制器4之间的三相电路的任意两相电路中，测量系统5包括微处理器8，断路器K1、K2与微处理器8相连接，并在微处理器8的控制下实现连通和断开。电阻R1通过继电器K3与电机3和控制器4之间的三相电路中的设有断路器K1、K2的两相电路连接，当断路器K1、K2断开该两相电路后，继电器K3闭合，电阻R1实现与电机的两相电路构成回路，以通过电阻R1的放电来消除电机3的绕组残压U1。绕组残压U1的电压值通过传感器测量后传送给微处理器8。

测量系统还包括温度传感器9，温度传感器9用于测量电机冷却水的进出水口温度的变化，待电机温升达到平衡后，再进行断路器K1、K2的切断操作。温升平衡为进出水口温度相同或者出水口温度保持不变。如果电机没有达到温升的平衡，就开始对其进行测量，那么就会对电机温升的测量结果不准确，会使温升偏小。如果电机温升平衡已经达到，而电机运行的时间过长，那么就会浪费实验设备，无用的试验时间增长，使其经济效益下降。

测量系统5还包括恒流直流源Ui，优选为五安培的恒流源。该恒流源Ui通过继电器K4连接到电机3和控制器4之间的三相电路中的设有断路器K1、K2的两相电路中，当绕组残压U1为零时，微处理器8控制继电器K4使其闭合，恒流源Ui与该两相电路构成回路，同时测量反应电机绕组热态电阻值的电压值U0。

I为电机3拖动发电机所产生的直流电信号，该直流电可以为交流发电机所产生的交流电经整流后产生的直流电，也可以为直流发电机直接产生的直流电。

下面结合图3对本发明的电机温升测试方法及其工作原理进行说明。

首先，在步骤S11，在电机开始运行之前，微处理器8控制继电器K4，使其闭合，在衡流源Ui作用下，测量电机绕组的冷态阻值和冷态温度。可以将环境温度如室温作为电机绕组的冷态温度。

在步骤S12中，将冷态阻值和冷态温度通过信号a发送至PC机7。

在步骤S13中，微处理器8控制继电器K4，使其断开，电机开始运行。

在步骤S14中通过温度传感器9测得电机温升达到平衡时，微处理器向电机发出停机指令；随后，测量直流电流I，直至所测得的直流电流I为零(步骤S15)，将直流电流I为零以及温升达到平衡的信息通过信号b发送至PC机7(步骤S16)。在步骤A14中，将直流电流I为零的时刻作为电机的“0”时刻，步骤S16中，发送信号b同时包括上述“0”时刻的状态信息。

在微处理器完成步骤S16的信号2的发送后，向控制器4发送指令，切断控制器4和电机3之间的连接，同时，微处理器8断开K1和K2的连接。之后，微处理器8控制继电器K3使其闭合，电阻R1实现与电机的两相电路构成回路，以通过电阻R1的放电来消除电机3的绕组残压U1。

在步骤S18中，检测电机3的绕组残余电压U1。

当步骤S18所检测的残余电压U1为零时，允许步骤S19的操作，在步骤S19中，断开继电器K3，同时闭合继电器K4，恒流源Ui与电机的两相电路构成回路，同时测量反应电机绕组热态电阻值的电压值U0，进而对电机绕组的内阻值进行测量。在不同的时刻对电机绕组的内阻值进行分别的测量，将测量的结果通过信号c发送至PC机7。

在步骤S20中，PC机7保存上述步骤S19中的电阻值，同时推算出“0时刻”电机绕组的热态电阻，进而根据温升计算公式，计算出电机的温升。

“0时刻”电机绕组的电阻阻值的可通过如下方式计算得到：

$R_0=R_a\{k({\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i{t}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i\right)}^2}\right)}^{-4}-T_b+T_a)+1\}$

R0为电机停机时刻电机绕组的电阻值，即时间t＝0的时刻电机绕组的电阻值。

Ra为电机开始运行时，电机绕组的电阻值。

Tb为电机停机时刻，即t＝0时刻电机冷却介质的温度。

Ta为电机开始运行时，电机冷却介质的温度。

k为电机绕组温度系数。

Ri为t＝ti时刻电机绕组的热态电阻值。

n为测量不同时刻的热态电阻值进行的多次测量的次数。

Claims (2)

1.一种电机绕组温升测试系统，所述电机为三相交流电机，包括：两个断路器，其分别与所述三相交流电机与控制器之间的三相电路中的任意两相电路连接；放电电路，其包括放电电阻，与上述具有断路器的两相电路连接；电机绕组电阻测量电路，其用于测量具有断路器的两相电路的电阻阻值；温度测量装置，其用于测量电机冷却水的进出水口的温度；以及控制器，其用于接收温度测量装置的信号，并控制所述断路器、放电电路和测量电路；还包括电流测量装置，其与控制器相连接，用于测量所述电机驱动的所述发电机所产生的直流电的电流；所述温度测量装置包括两个温度传感器，其分别测量冷却水的进出水口的温度，当所述温度测量装置测得的进出水口的温度相同时，所述控制器向所述电机发出停机指令；所述电机绕组电阻测量电路包括恒流直流源和继电器开关，其设置在所述具有断路器的两相电路之间，当所述控制器向电机发出停机指令后，所述电流测量装置测得的电流信号为0时，控制器向所述继电器开关发出闭合信号；所述恒流直流源的电流为5A。

2.一种电机绕组温升测试系统的测试方法，所述测试系统包括放电电路，其具有放电开关；电机绕组电阻测量电路，其具有测量开关；温度测量装置，其用于测量电机冷却水的进出水口的温度；所述测试方法包括如下步骤：

(1)当所述进出水口温度相同时，向电机发出停机指令；

(2)当电机转速为0时，闭合放电开关，消除电机绕组残余电压；

(3)测量电机绕组残余电压，当残余电压为0时，断开所述放电开关；

(4)闭合所述测量开关，通过电机绕组测量电路测量电机停止运转后不同时刻的电机绕组电阻值；

(5)根据不同时刻电机绕组的电阻值以及电机绕组冷态温度和电阻值，计算电机绕组的温升；

在上述步骤(1)前，测量停机状态下电机绕组的冷态温度和电阻值，测量完成后，向电机发出运转指令；

步骤(3)中，通过测量所述电机驱动的所述发电机所产生的直流电的电流来确定电机转速是否为0；

步骤(5)中，通过推算电机停机时刻绕组的电阻值，根据电阻阻值随温度变化的特性来确定电机停机时刻的温度， 进而确定电机绕组的温升；

电机停机时刻绕组的电阻值根据如下公式计算：

R0为电机停机时刻电机绕组的电阻值，即时间t＝0的时刻电机绕组的电阻值；

Ra为电机开始运行时，电机绕组的电阻值；

Tb为电机停机时刻，即t＝0时刻电机冷却介质的温度；

Ta为电机开始运行时，电机冷却介质的温度；

k为电机绕组温度系数；

Ri为t＝ti时刻电机绕组的热态电阻值；

n为测量不同时刻的热态电阻值进行的多次测量的次数。