CN105021987A - 三相异步电动机效率特性测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相异步电动机效率特性测试系统及测试方法，其特征是设置测试系统为：在电动机的输入端设置功率测试仪，用于检测电动机的输入功率；在电动机的输出轴上设置转矩转速测试仪，用于检测电动机的输出转矩和角速度；同时在电动机的输出轴末端设置磁粉离合器，用于对电动机加载。本发明可以快速准确地获得对于电动机的负载率和效率特性的测试。

Description

三相异步电动机效率特性测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试系统及测试方法，特别涉及一种电动机特性测试系统及测试方法。

背景技术

电动机系统数量大、应用面广，是用电量很大的耗电机械。据统计，我国电机的总耗电量占社会总用电量的60％左右，其中工业领域电机总耗电量约占工业用电的75％左右。我国电机的能效水平较低，一部分原因是电机本身效率较低，另一部分原因是，电机系统匹配不合理，在一些负载变化较大的场合，电动机会经常远离高效率点运行，导致效率低下，浪费大量能源；因此，开展电动机特性测试，获取准确的电动机负载率与效率特性关系对于电动机系统设计和电动机系统能量优化具有重要的应用价值。

在公告号为CN104215906A的专利申请文件中公开了一种基于自动控制的电动机效率测试的试验方法，该方法通过工控机对电动机的额定电压、额定电流、额定频率进行设定控制，并通过数据采集反馈与设定试验值进行比较、自动调节，实现了试验过程的自动化控制，但这一方式的实现需要进行热试验、负载试验、空载试验等，工序繁琐，工作量大，周期长。

在公告号为CN202102089U的专利申请文件中公开了一种电动机效率检测系统装置，通过将滤波与无功功率补偿单元与供电单元、负载、升降平台和整流\逆变单元连接，研究电能回馈技术，使得电动机效率测试系统装置电能消耗基本为零，但其实验装置较为复杂，测试方法为单点测试，无法获得连续的电动机效率特性曲线。

金惟伟等从满足高效和超高效电机的效率测试出发，研究和设计了一套基于静止变频电源的电机效率测试系统(金惟伟、王传军、陈亘、童陟嵩，高效和超高效电机低不确定度效率测试系统的研究与设计[J].电机与控制应用,2010,04:1-5.)。系统采用双环反馈控制，实现稳频、稳压、稳负载的三稳试验电源，同时对系统的不确定度评价技术进行了研究，但系统结构复杂，测试成本高。

闫华光等提出节能电动机效率检测方法智能测试平台(闫华光、范滢、段小华、宗建华，节能电动机效率检测方法及智能测试平台[J].电力需求管理,2007,03:41-43.)，其中电动机的效率测试包含冷态电阻测试、温升试验、负载试验、空载试验等。该效率测试方法所需测试参数多，测试与计算方法复杂，测试系统搭建困难。

范滢等分析了电动机能效测试方法(范滢、闫华光、于海波、宗建华，电动机能效测试方法及智能测试系统的研究[J].电气技术,2008,09:26-29.)，提出了高效电动机测试系统，该系统包括供电单元、电机负载及电能回馈单元、控制单元、测试系统单元、升降平台等，该测试系统搭建结构复杂，测试点多，测试工作量大。由测试数据直接进行曲线拟合不能准确反映 电动机的动态特性。

已有通过有限元方法进行模拟仿真获得电动机的效率特性的计算机方法，以及利用实验法采集多组数据直接进行曲线拟合，但这两种方式工作量很大，准确性差。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种三相异步电动机效率特性测试系统及测试方法，以期能简化测试过程，并保证测试结果的准确性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明三相异步电动机效率特性测试系统的特点是设置测试系统为：

在电机的输入端设置功率测试仪，用于检测所述电机的输入电流和输入电压；在所述电机的输出轴上设置转矩转速测试仪，用于检测所述电机的输出转矩和角速度；在所述电机的输出轴的轴端设置磁粉离合器，用于向所述电机施加负载；第一联轴器用于连接电机和转矩转速测试仪，第二联轴器用于连接转矩转速测试仪和磁粉离合器；所述电机为三相异步电动机，由电源为电机进行供电。

利用本发明测试系统实现三相异步电动机效率特性测试的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤a、设置第一工况为：设定电机的负载，使负载率β₁为不大于电机最大负载率的40％；

步骤b、启动电机，待电机稳定运转后，分别采集所述电机的输入电流、输入电压、输出转矩和角速度的各检测信号，以所述电机的转动周期的整数倍为时域窗口，以所述时域窗口截取所述各检测信号；计算获得所述时域窗口内各时间点的输入功率的平均值作为第一工况下的电机的实际输入功率P_in1；计算获得所述时域窗口内各时间点的输出转矩与角速度乘积的平均值作为第一工况下的电机的实际输出功率P_out1；计算获得第一工况下的实际负载率β₁，β_1＝P_out1/P_n，P_n为电动机的额定功率；利用所述第一工况下的电机的实际输出功率P_in1和第一工况下的电机的实际输入功率P_out1计算获得第一工况下的电机效率η₁，η_1＝P_out1/P_in1；

步骤c、设置第二工况为：设定电机的负载，使负载率β₂为电机最大负载率的40％-70％；按照步骤b分别获得第二工况下的电机实际负载率β₂和效率η₂；

步骤d、设置第三工况为：设定电动机的负载，使负载率β₃为电动机最大负载率的71％-100％；按照步骤b分别获得第三工况下的电机实际负载率β₃和效率η₃；

步骤e、按(1)式进行计算，分别获得系数k₁、系数k₂和系数k₃；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1=\frac{{\mathrm{\β}}_1}{k_1{{\mathrm{\β}}_1}^2+k_2{\mathrm{\β}}_1+k_3}\\ {\mathrm{\η}}_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2}{k_1{{\mathrm{\β}}_2}^2+k_2{\mathrm{\β}}_2+k_3}\\ {\mathrm{\η}}_3=\frac{{\mathrm{\β}}_3}{k_1{{\mathrm{\β}}_3}^2+k_2{\mathrm{\β}}_3+k_3}\end{array}\right.---\left(1\right)$

则，所述电机的负载率β与效率η之间的关系如式(2)所表达：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\β}}{k_1{\mathrm{\β}}^2+k_2\mathrm{\β}+k_3}---\left(2\right)$

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是在电动机在某一负载率工况下稳定运行后，才开始信号采集，并通过均值法获得电动机的输入功率、输出功率，使测试结果更能准确反映电动机的真实工作情况；

2、本发明基于电动机的损耗机理研究，获取了电动机输出负载率与效率之间的关系式 通过理论与试验测试方法相结合，只需开展三种工况试验，即可得到更加可靠准确的电动机输出负载率-效率特性曲线，而非传统的简单曲线拟合，提高了测试效率，降低了测试成本。

附图说明

图1为本发明中测试系统构成图；

图2a为d-q坐标系下异步电机d轴稳态等效电路；

图2b为d-q坐标系下异步电机q轴稳态等效电路；

图3为利用本发明对某公司电动机的负载率效率特性进行测试的结果对比图。

图中标号：1电源；2电机；3a第一联轴器；3b第二联轴器；4转矩转速测试仪；5磁粉离合器；6功率测试仪。 

具体实施方式

参见图1，本实施例中三相异步电动机效率特性测试系统的结构设置为：

在电机2的输入端设置功率测试仪6，用于检测所述电机2的输入电流和输入电压；在所述电机2的输出轴上设置转矩转速测试仪4，用于检测所述电机2的输出转矩和角速度；在所述电机2的输出轴的轴端设置磁粉离合器5，用于向所述电机2施加负载；第一联轴器3a用于连接电机2和转矩转速测试仪4，第二联轴器3b用于连接转矩转速测试仪4和磁粉离合器5；所述电机2为三相异步电动机，由电源1为电机2进行供电。

利用本实施例中测试系统实现三相异步电动机效率特性测试的方法按如下步骤进行：

步骤a、设置第一工况为：设定电机的负载，使负载率β₁为不大于电机最大负载率的40％；

步骤b、启动电机2，待电机2稳定运转后，分别采集所述电机的输入电流、输入电压、输出转矩和角速度的各检测信号，以所述电机的转动周期的整数倍为时域窗口，以所述时域窗口截取所述各检测信号；计算获得所述时域窗口内各时间点的输入功率的平均值作为第一工况下的电机的实际输入功率P_in1；计算获得所述时域窗口内各时间点的输出转矩与角速度乘积的平均值作为第一工况下的电机的实际输出功率P_out1；计算获得第一工况下的实际负载率β₁，β_1＝P_out1/P_n，P_n为电动机的额定功率；利用所述第一工况下的电机的实际输出功率P_in1和第一工况下的电机的实际输入功率P_out1计算获得第一工况下的电机效率η₁，η_1＝P_out1/P_in1；

步骤c、设置第二工况为：设定电机的负载，使负载率β₂为电机最大负载率的40％-70％；按照步骤b分别获得第二工况下的电机实际负载率β₂和效率η₂；

步骤d、设置第三工况为：设定电动机的负载，使负载率β₃为电动机最大负载率的71％-100％；按照步骤b分别获得第三工况下的电机实际负载率β₃和效率η₃；

步骤e、按(1)式进行计算，分别获得系数k₁、系数k₂和系数k₃；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1=\frac{{\mathrm{\β}}_1}{k_1{{\mathrm{\β}}_1}^2+k_2{\mathrm{\β}}_1+k_3}\\ {\mathrm{\η}}_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2}{k_1{{\mathrm{\β}}_2}^2+k_2{\mathrm{\β}}_2+k_3}\\ {\mathrm{\η}}_3=\frac{{\mathrm{\β}}_3}{k_1{{\mathrm{\β}}_3}^2+k_2{\mathrm{\β}}_3+k_3}\end{array}\right.---\left(1\right)$

则，所述电机的负载率β与效率η之间的关系如式(2)所表达：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\β}}{k_1{\mathrm{\β}}^2+k_2\mathrm{\β}+k_3}---\left(2\right)$

则根据式(2)即可绘制出电动机的负载率与效率特性曲线。

根据电机理论：电机功率损耗P_w为：P_w＝P_in-P_out＝P_Fe+P_Cu1+P_Cu2+P_fw+P_stray，其中：

P_in为电动机的输入功率，

P_out为电动机的输出功率，P_out＝T_Lω_m；

P_Fe为定子铁损，P_Fe＝R_m(i_sq-i_sqm)²；

P_Cu1为定子铜损，P_Cu1＝R_r(i_sd-i_sq)²；

P_Cu2为转子铜损，P_Cu2＝R_ri_rqm ²；

P_fw为机械损耗；P_stray为杂散损耗；

m₁、U₁、I₁和分别为定子相数、定子相电压、定子相电流和功率因数；

T_L和ω_m分别为电动机输出转矩和角速度；

d-q坐标系下异步电机稳态等效电路如图2a和图2b所示。其中R_m为定子铁损等效的纯电阻绕组；R_s和R_r分别为定子每相绕组的电阻值以及转子每相绕组的电阻值；L_m为定转子间的互感；i_sd为d轴的定子电流；u_sd在d轴的定子电压；u_sqm为q轴上R_m的两端电压；i_sq为q轴上经过R_m的电流；i_rqm为q轴上经过转子电感；L_m的电流和转子电感L_m的电流；u_rq在q轴的转子电压；i_rq为q轴的定子电流；ω_r为转子角频率；ψ_rd，ψ_sd分别为在d轴的定子和转子磁链；n_p为极对数。

基于异步电机特性和等效电路，有：

ψ_rd＝ψ_sd＝L_mi_sd；u_rq＝0；ω_m＝ω_r/n_p

$i_{sqm}=-i_{rqm}=\frac{R_m}{R_m+R_r}{i}_{sq}-\frac{L_m}{R_m+R_r}{\mathrm{\ω}}_r{i}_{sd};$ T_e＝n_pψ_rdi_sqm≈n_pL_mi_sdi_sq；

异步电机的电磁转矩T_e为：T_e＝T_L+T₀

式中T₀为空载转矩，T_L为电动机输出扭矩，在电力拖动系统中，一般电动机的空载转矩很小，且相对变化幅值小，故可用平均空载转矩来近视替代T₀。

异步电机一般被控制在恒磁链方式下运行，以确保其动态响应特性，故其定子磁链ψ_rd视作为常数。因此有：

$P_{Cu1}+P_{Fe}+P_{Cu2}=C_1{T}_L^2+C_2{T}_L{\mathrm{\ω}}_m+C_3{\mathrm{\ω}}_m^2+C_4,$ 其中：

$C_1=(R_s+\frac{R_m{R}_r}{R_m+R_r})\frac{{(R_m+R_r)}^2}{{{\mathrm{\ψ}}_{rd}}^2{p_m}^2{R_m}^2};C_2=\frac{2(R_m+R_r)}{{R_m}^2}(R_s+\frac{R_m{R}_r}{R_m+R_r})+2C_1{\stackrel{\‾}{T}}_0;$

$C_3={n_p}^2(\frac{R_s}{{R_m}^2}+\frac{1}{R_m}){{\mathrm{\ψ}}_{rd}}^2;C_4=\frac{R_s}{{L_m}^2}{{\mathrm{\ψ}}_{rd}}^2+2C_1{\stackrel{\‾}{T}}_0^2;$

则有： $P_{Cu1}+P_{Fe}+P_{Cu2}=C_1{\left(\frac{P_{out}}{{\mathrm{\ω}}_m}\right)}^2+C_2{P}_{out}+C_3{\mathrm{\ω}}_m^2+C_4$

电机运行中，轴承以及风阻会阻挡转矩，要损失一部分功率，这部分损失的功率叫做机械损耗，包括通风系统损耗P_fw-1及轴承摩擦损耗P_fw-2，并有：

$P_{fw-1}=9.81\frac{HV}{\mathrm{\η}}\∝k_{fw}{V}^3\∝C_5;P_{fw-2}=9.81{\mathrm{G\ω}}_m{r}_a\mathrm{\μ}\∝C_6{\mathrm{\ω}}_m,$ 其中：

H为风扇有效压力，V为气体流量，可视作为常数，η为风扇效率，k_fw为电机风扇关于气体流量的能耗系数，C₅为电机风扇关于转速的能耗系数，G为轴承承受的载荷，与装配情况，轴承型号有关，对于固定设备可视为常数；r_a为轴半径，μ为摩擦系数，C₆为电机轴承摩擦能耗系数。

在异步电动机运行过程中产生的杂散损耗，如负载电流感应的漏磁通，气隙中的机械缺陷等因难以精确计算，工程实际经验中杂散损耗P_stray估算为：P_stray＝C₇P_n，其中：

P_n为电机额定输出功率；C₇为杂散损耗系数，对于中小型电机C₇取为1～3％，对于大型电 机C₇取为0.5％；因此有：

$P_w=C_1{\left(\frac{P_{out}}{{\mathrm{\ω}}_m}\right)}^2+C_2{P}_{out}+C_3{\mathrm{\ω}}_m^2+C_4+C_5+C_6{\mathrm{\ω}}_m+C_7{P}_n$

根据负载率β的定义有：P_out＝βP_n；

电机的输入功率表示为：P_in＝P_out+P_w；

以β为变量，根据 $\mathrm{\η}=\frac{P_{out}}{P_{in}}$ 即得： $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\β}}{k_1{\mathrm{\β}}^2+k_2\mathrm{\β}+k_3}$

其中： $k_1=\frac{C_1{P}_n}{{{\mathrm{\ω}}_m}^2},k_2=1+C_2+C_7,k_3=\frac{1}{P_n}(C_3{\mathrm{\ω}}_m^2+C_4+C_5+C_6{\mathrm{\ω}}_m).$

这一过程中，电机转速ω_m视为不变量是因为虽然电机负载改变后电机转速也会有所改变，由于转差率随负载变化极小，可忽略不计，因此转速改变也很小，对于参数值的影响可忽略。

以某公司电动机为对象，开展测试实验，其最大负载率β_max为1.4。设定第一工况下的负载率β₁＝19.1％×β_max＝0.2667。启动驱动电机2，待电动机2运行两分钟后，通过功率测试仪、转矩转速测试仪获取电动机的输入电流、输入电压、输出转矩和角速度的各测试信号；驱动电机2转动周期为0.04s，选取时域窗口大小为0.1s，并截取输入功率测试信号，求取该时域窗口内各采集点的输入功率的平均值，即电动机2的实际输入功率2.38kW；求取该时域窗口内各采集点的转矩与所述角速度乘积的平均值，得电动机的实际输出功率2.00kW；求取电动机2实际输出功率与电动机2实际输入功率的比值，得电动机2在负载率β₁下的效率η₁＝84.14％。故得(β₁，η₁)＝(0.2667，0.8414)。

依次分别设定负载率β₂＝41.9％×β_max＝0.5867，以及β₃＝64.8％×β_max＝0.9067，同理测得(β₂，η₂)＝(0.5867，0.8860)，(β₃，η₃)＝(0.9067，0.8735)。

解方程组

$\left\{\begin{array}{c}0.8414=\frac{0.2667}{k_1\×{0.2667}^2+k_2\×0.2667+k_3}\\ 0.8860=\frac{0.5867}{k_1\×{0.5867}^2+k_2\×0.5867+k_3}\\ 0.8735=\frac{0.9067}{k_1\×{0.9067}^2+k_2\×0.9067+k_3}\end{array}\right.$

由此可得该柱塞泵电动机的压力负载率(β)—总效率(η)的特性曲线为：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\β}}{0.1494{\mathrm{\β}}^2+0.9513\mathrm{\β}+0.0526}$

图3为某公司电动机的负载率-效率特性曲线的测试结果对比图，m为本发明系统与方法所绘制的特性曲线，n为传统离散点方法测试所获得的曲线。图中可以发现，两条特性曲线误差极小，精度符合要求。故本发明方法实现了特性曲线绘制，克服了电动机负载率-效率性 能测试过程中的工作量大、可靠性差的缺点，其测试过程简单，测试结果准确。

Claims (2)

1.一种三相异步电动机效率特性测试系统，其特征是设置测试系统为：

在电机(2)的输入端设置功率测试仪(6)，用于检测所述电机(2)的输入电流和输入电压；在所述电机(2)的输出轴上设置转矩转速测试仪(4)，用于检测所述电机(2)的输出转矩和角速度；在所述电机(2)的输出轴的轴端设置磁粉离合器(5)，用于向所述电机(2)施加负载；第一联轴器(3a)用于连接电机(2)和转矩转速测试仪(4)，第二联轴器(3b)用于连接转矩转速测试仪(4)和磁粉离合器(5)；所述电机(2)为三相异步电动机，由电源(1)为电机(2)进行供电。

2.利用权利要求1所述测试系统实现三相异步电动机效率特性测试的方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤a、设置第一工况为：设定电机的负载，使负载率β₁为不大于电机最大负载率的40％；

步骤b、启动电机(2)，待电机(2)稳定运转后，分别采集所述电机的输入电流、输入电压、输出转矩和角速度的各检测信号，以所述电机的转动周期的整数倍为时域窗口，以所述时域窗口截取所述各检测信号；计算获得所述时域窗口内各时间点的输入功率的平均值作为第一工况下的电机的实际输入功率P_in1；计算获得所述时域窗口内各时间点的输出转矩与角速度乘积的平均值作为第一工况下的电机的实际输出功率P_out1；计算获得第一工况下的实际负载率β₁，β_1＝P_out1/P_n，P_n为电动机的额定功率；利用所述第一工况下的电机的实际输出功率P_in1和第一工况下的电机的实际输入功率P_out1计算获得第一工况下的电机效率η₁，η_1＝P_out1/P_in1；

步骤c、设置第二工况为：设定电机的负载，使负载率β₂为电机最大负载率的40％-70％；按照步骤b分别获得第二工况下的电机实际负载率β₂和效率η₂；

步骤d、设置第三工况为：设定电动机的负载，使负载率β₃为电动机最大负载率的71％-100％；按照步骤b分别获得第三工况下的电机实际负载率β₃和效率η₃；

步骤e、按(1)式进行计算，分别获得系数k₁、系数k₂和系数k₃；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1=\frac{{\mathrm{\β}}_1}{k_1{{\mathrm{\β}}_1}^2+k_2{\mathrm{\β}}_1+k_3}\\ {\mathrm{\η}}_2=\frac{{\mathrm{\β}}_2}{k_1{{\mathrm{\β}}_2}^2+k_2{\mathrm{\β}}_2+k_3}\\ {\mathrm{\η}}_3=\frac{{\mathrm{\β}}_3}{k_1{{\mathrm{\β}}_3}^2+k_2{\mathrm{\β}}_3+k_3}\end{array}\right.---\left(1\right)$

则，所述电机的负载率β与效率η之间的关系如式(2)所表达：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\β}}{k_1{\mathrm{\β}}^2+k_2\mathrm{\β}+k_3}---\left(2\right)$