CN108278200B - 异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了异步电机‑恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统及方法，其特征是测试系统包括二位三通电磁换向阀和先导比例溢流阀，异步电机与恒功率柱塞变量泵连接，恒功率柱塞变量泵的进油口与油箱连通，恒功率柱塞变量泵的出油口与二位三通电磁换向阀的A口连接；二位三通电磁换向阀的T口与油箱连接，二位三通电磁换向阀的B口与先导比例溢流阀进口连接，先导比例溢流阀出口连接油箱；先导比例溢流阀用于设定测试系统的输出压力。本发明基于电动机和泵的损耗机理研究，只需要开展三种转速实验，即可得到更加可靠准确的异步电机‑恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w的特性曲线，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。

Description

异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测试系统及测试方法，特别涉及异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统及方法。

背景技术

工业生产中，以电机-柱塞泵为动力源的液压系统由于在能量传递中存在相当大的功率损失，因此存在较大的节能空间，提高液压系统能量利用效率对于缓解能源短缺以及减少温室效应具有重要意义。电机和泵组成的液压系统其效率除受自身电机和柱塞泵的结构、制造质量与系统工作状况影响外，很大程度上取决于具体变量机构的调节特性。电机和柱塞泵的效率是分别在各自额定工况下测试的，在实际工作过程中，液压系统通常不会只在额定工况下工作，电机和柱塞泵通常不能同时处于各自最高效率阶段。因此，获取准确的电机-柱塞泵总的损耗功率特性对于液压系统能量效率优化有重要的实际应用价值。

专利号为CN105021987A提出了一种三相异步电动机效率特性测试系统及测试方法，该测试系统结构上只包含电机，且测试方法是负载率在某一工况下稳定运行后采集电机的输入电流、输入电压、输出转矩和角速度的检测信号，从而获得电机的输入功率和输出功率，通过输出功率与输入功率的比值计算电机工况下的工作效率。该发明基于电动机的损耗机理研究，获取电动机输出负载率和效率之间的关系式，通过三种实验获得输出负载率-效率特性曲线。

专利号为CN103343742A提出了柱塞泵测试系统及测试方法，该测试方法是采集柱塞泵的输入转矩、角速度、输出压力和输出流量的各检测信号，从而获得柱塞泵的输入功率和输出功率，通过输出功率与输入功率的比值计算柱塞泵的总效率。本发明基于柱塞泵的损耗机理研究，获取了泵输出压力与总效率之间的关系式，通过开展三种工况试验，获得泵压力-总效率特性曲线。

专利号为CN105021987A和专利号为CN103343742A的专利案件只能单独对电动机或柱塞泵个体的效率特性进行研究，无法对电动机和柱塞泵作为整体的系统功率损耗进行研究，在实际工作过程中，电机和恒功率柱塞变量泵通常不能同时处于各自最高效率阶段，无法准确的获取液压驱动系统整体的功率损耗特性，在电动机和柱塞泵作为整体系统时，通过上述两个专利案件的方法叠加虽然能够计算功率损耗的目的，但操作过程繁杂，计算次数多，工作量大，累加计算误差大，可靠性差，实现难度大，所需成本相对较高，无法最终形成准确的电动机-柱塞泵系统的功率损耗特性曲线，作为设备的进一步优化改进的重要依据，参考性会受到影响。

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，以及利用实验方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

本发明目的在于提供一种异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统及方法，应用了电机和泵的损耗机理研究成果，克服了电机-恒功率柱塞变量泵性能测试过程中的工作量大、可靠性差的缺点，简化了测试过程，保证了测试结果的准确性。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试方法，其特征是按如下过程进行：

a、设置第一转速n₁:设定异步电机的同步转速，使同步转速为不大于恒功率柱塞变量泵最大转速的40％；

b、启动异步电机，待系统稳定运转后，分别采集异步电机的输入电流、输入电压、实际转速和恒功率柱塞变量泵的输出压力、输出流量的各检测信号，以所述异步电机的转动周期的整数倍为时域窗口，以时域窗口截取所述各检测信号；以所述时域窗口内所述异步电机转速的平均值作为第一转速n₁的实际转速，计算获得所述时域窗口内输入功率的平均值作为第一转速n₁下所述异步电机的实际输入功率P_in1；以所述时域窗口内恒功率柱塞变量泵的输出流量的平均值作为第一转速n₁下的恒功率柱塞变量泵的实际输出流量；计算获得所述时域窗口内输出流量与输出压力乘积的平均值作为第一转速n₁下的恒功率柱塞变量泵实际输出功率P_out1；计算获得实际输入功率与实际输出功率之差作为第一转速n₁下系统的损耗功率P^w ₁；

c、设置第二转速n₂：设定异步电机的同步转速，使同步转速为恒功率柱塞变量泵最大转速的40％-70％；按照步骤b分别获得第二转速n₂和第二转速n₂下系统的损耗功率P^w ₂；

d、设置第三转速n₃：设定异步电机的同步转速，使同步转速为恒功率柱塞变量泵最大转速的71％-100％；按照步骤b分别获得第三转速n₃和第三转速n₃下系统的损耗功率P^w ₃；

e、按式进行计算，分别获得系数A、系数B、系数C；

则，所述异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w之间的关系式如式所表达：

P^w＝An²+Bn+C

优选的，所述步骤a之前还包括开启压力设定步骤，通过设定与恒功率柱塞变量泵连接的先导比例溢流阀的开启压力，用来模拟给定工作压力，且开启压力大于恒功率柱塞变量泵的调定压力。

异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统，其特征是设置测试系统包括二位三通电磁换向阀和先导比例溢流阀，异步电机与恒功率柱塞变量泵连接，所述恒功率柱塞变量泵的进油口与油箱连通，恒功率柱塞变量泵的出油口与二位三通电磁换向阀的A口连接；二位三通电磁换向阀的T口与油箱连接，二位三通电磁换向阀的B口与先导比例溢流阀进口连接，先导比例溢流阀出口连接油箱；所述先导比例溢流阀用于设定测试系统的输出压力。

优选的，所述异步电机输入端设有变频器和功率测试仪，所述变频器用于调节所述异步电机的转速；所述功率测试仪设置在变频器的输入端，用于采集所述异步电机的输入电流和输入电压。

进一步的，所述异步电机的输出端设置编码器，用于检测所述异步电机的转速。

进一步的，在恒功率柱塞变量泵的出油口与二位三通电磁换向阀的A口连接的管路上连接压力传感器与流量传感器。

进一步的，所述恒功率柱塞变量泵为斜盘式轴向柱塞泵。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是电机-泵系统在某一负载压力工况下稳定运行后，才开始信号采集，并通过均值法获得变速电机的输入功率、恒功率柱塞变量泵输出功率，使测试结果更能准确反映整个系统的真实工作情况；

2、本发明基于电动机和泵的损耗机理研究，获取了在某一恒定工作压力下时，系统整体功率损耗与转速之间的关系式，通过理论与实验测试方法相结合，只需要开展三种转速实验，即可得到更加可靠准确的异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w的特性曲线，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。

3、在实际工作过程中，电机和恒功率柱塞变量泵通常不能同时处于各自最高效率阶段。因此，本发明对由恒功率柱塞变量泵和电动机组成的液压驱动系统整体进行能耗特性研究，获取准确的电机-恒功率柱塞变量泵总的损耗功率特性对于液压系统能量效率优化有重要的实际应用价值。

附图说明

构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明测试系统的构成图；

图2a为d-q坐标系下电机d轴稳态等效电路；

图2b为d-q坐标系下电机q轴稳态等效电路；

图中，1.电源，2.功率测试仪，3.变频器，4.异步电机，5.编码器，6.油箱，7.恒功率柱塞变量泵，8.流量传感器，9.二位三通电磁换向阀，10.先导比例溢流阀，11、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示，本异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率特性测试系统设置为：

所述异步电机4与电源1连接，其输入端设有变频器3和功率测试仪2，所述变频器3用于调节所述异步电机4的转速；所述功率测试仪2设置在变频器3的输入端，用于采集所述异步电机4的输入电流和输入电压。所述异步电机4的输出端设置编码器5，用于检测所述异步电机4的转速，编码器5与恒功率柱塞变量泵7的输入端连接；所述恒功率柱塞变量泵7的进油口与油箱6连通，恒功率柱塞变量泵7的出油口与二位三通电磁换向阀9的A口连接，并在其管路上连接压力传感器11与流量传感器8；二位三通电磁换向阀9的T口与油箱6连接，二位三通电磁换向阀9的B口与先导比例溢流阀10进口连接，先导比例溢流阀10出口连接油箱6；所述先导比例溢流阀连接10用于设定测试系统的输出压力。

设定先导比例溢流阀10的开启压力，用来模拟给定工作压力，且开启压力大于恒功率柱塞变量泵7的调定压力。利用图1所示测试系统实现异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率特性测试的方法是按如下过程进行：

a、设置第一转速n₁:设定异步电机4的同步转速，使同步转速为不大于恒功率柱塞变量泵7最大转速的40％；

b、启动异步电机4，待系统稳定运转后，分别采集异步电机4的输入电流、输入电压、实际转速和恒功率柱塞变量泵7的输出压力、输出流量的各检测信号，以所述异步电机4的转动周期的整数倍为时域窗口，以时域窗口截取所述各检测信号；以所述时域窗口内所述异步电机4转速的平均值作为第一转速n₁的实际转速，计算获得所述时域窗口内输入功率的平均值作为第一转速n₁下所述异步电机4的实际输入功率P_in1；以所述时域窗口内恒功率柱塞变量泵7的输出流量的平均值作为第一转速n₁下的恒功率柱塞变量泵7的实际输出流量；计算获得所述时域窗口内输出流量与输出压力乘积的平均值作为第一转速n₁下的恒功率柱塞变量泵实际输出功率P_out1；计算获得实际输入功率与实际输出功率之差作为第一转速n₁下系统的损耗功率P^w ₁；

c、设置第二转速n₂：设定异步电机4的同步转速，使同步转速为恒功率柱塞变量泵7最大转速的40％-70％；按照步骤b分别获得第二转速n₂和第二转速n₂下系统的损耗功率P^w ₂；

d、设置第三转速n₃：设定异步电机4的同步转速，使同步转速为恒功率柱塞变量泵最大转速的71％-100％；按照步骤b分别获得第三转速n₃和第三转速n₃下系统的损耗功率P^w ₃；

e、按式进行计算，分别获得系数A、系数B、系数C；

则，所述异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w之间的关系式如式所表达：

P^w＝An²+Bn+C

根据柱塞泵理论：柱塞泵损耗功率P^w _p＝P^w _T+P^w _V

其中：

P^w _T为柱塞泵的转矩损失功率，P^w _T＝(T_f+T_v+T_s)ω；

T_f为因库仑摩擦而产生的力矩损失，T_f＝C_fω，C_f为轴向柱塞泵滑动综合摩擦系数，包含了柱塞副、配流副、滑靴副和球绞副等的滑动摩擦引起的转矩损失；

T_v为因粘性阻尼而产生的力矩损失，T_v＝C_vω，C_v为综合粘性阻尼系数，包含了柱塞副、配流副、滑靴副、缸体与壳体和主轴与壳体等的粘性阻尼引起的转矩损失；

T_s为因轴承滚动摩擦产生的力矩，C_s为滚动摩擦系数，p_s为柱塞泵出口压力，D_p为轴承内跑道外径，d_p为轴承滚动体直径，Z为柱塞数，γ_max为斜盘最大倾角；

则P^w _T＝(T_f+T_v+T_s)ω＝C_fω²+C_vω²+C_Tsp_sω，其中可令

柱塞泵理论输入转矩其中：理论排量d为柱塞泵直径，D为柱塞中心分布圆直径，p₀为柱塞泵进口压力，p₀≈0，对于恒功率柱塞泵可令则

P^w _V为柱塞泵的容积损失功率,P^w _V＝P^w _V1+P^w _V2+P^w _V3+P^w _V4,其中:

P^w _V1为压缩容积损失功率、P^w _V2为膨胀容积损失功率、P^w _V3为配流副泄露损失功率、P^w _V4为滑靴副泄露损失功率,柱塞副露损、压排窗口至吸入窗口之间的内部漏损、滑靴与球头之间的漏损等，由于这些漏损的油路均较长，其漏损量比前述的小很多，可略去不计；

压缩容积损失流量其中,柱塞泵理论流量可令则压缩容积损失功率

膨胀容积损失流量其中E为油液弹性模数，V_H为斜盘倾角γ＝0时柱塞底腔的容积，令则膨胀容积损失功率

配流副泄露损失流量其中α为腰槽中心角，δ₁为配流盘和缸体间的油膜间隙，μ为油液粘度，C_e流量修正系数，R₁、R₂为配流盘内密封圈的内外半径，R₃、R₄为配流盘外密封圈的内外半径，令p₀≈0，则配流副泄露损失功率

滑靴副泄露损失流量其中δ₂为滑靴和斜盘间的油膜间隙，d₅、d₆为支撑面内外半径，λ为供压比，令则滑靴副泄露损失功率P^W _V4＝C_V4p_s ²；

则

其中C_P3＝C_V3+C_V4；

根据异步电机理论：

异步电机损耗功率P^W _M＝P^W _Fe+P^W _Cus+P^W _Cur+P^W _f+P^W _stray，

其中：

P^W _Fe为定子铁损，P^W _Fe＝R_m(i_sq-i_sqm)²；

P^W _Cus为定子铜损，P^W _Cus＝R_r(i_sd-i_sq)²；

P^W _Cur为转子铜损，

P^W _f为机械损耗；P^W _stray为杂散损耗；

异步电机的输入功率其中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；

异步电机的输出功率P_out＝T_Lω，其中T_L和ω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、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为在d轴的定子电压；u_sqm为q轴上R_m的两端电压；i_sqm为q轴上经过R_m的电流；i_sq为q轴上的定子电流；i_rqm为q轴上经过转子电感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；

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为异步电机输出转矩，在电力拖动系统中，一般异步电机的空载转矩很小，且相对变化幅值小，故可用平均空载转矩来近似代替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视作常数。因此有：

P^W _Cus+P^W _Fe+P^W _Cur＝C_M1T_L ²+C_M2T_Lω+C_M3ω²+C_M4,

其中：

异步电机运行中，轴承以及风阻会阻挡转矩，要损失一部分功率，这部分损失功率叫做机械损耗，包括通风系统损耗P^w _f1及轴承摩擦损耗P^w _f2，并有：

P^W _f2＝9.81Gωr_aμ₁≈C_M6ω；

其中：H为风扇有效压力，V为气体流量，可视作常数，η为风扇效率，k_fw为异步电机风扇关于气体流量的能耗系数，C_M5为异步电机风扇关于转速的能耗系数，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，μ₁为摩擦系数，C_M6为异步电机轴承摩擦能耗系数。

在异步电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^w _stray估算为：P^W _stray＝C_M7P_n,其中:P_n为异步电机额定输出功率，C_M7为杂散损耗系数，对于中小型电机C_M7取为1-3％，对于大型电机C_M7取为0.5％；

则P^W _M＝C_M1T_L ²+C_M2T_Lω+C_M3ω²+C_M4+C_M5+C_M6ω+C_M7P_n

又T_L＝T₁+T_f+T_v+T_s＝C_T1+(C_f+C_V+C_Tsp_s)ω；

则P^W _M＝C_M8n²+C_M9n+C_M10，其中：

C_M10＝C_M1C_T1 ²+C_M4+C_M5+C_M7P_n；

则最终可得P^W＝P^W _P+P^W _M＝An²+Bn+C，其中

A＝C_M8+C_P1，

B＝C_M9+(C_P2p_s+C_v2p_s ²)，

C＝C_M10+C_P3p_s ²；

综上所示，通过柱塞泵理论和异步电机理论的推导，所述异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w之间的关系式如式所表达：P^w＝An²+Bn+C。

通过上述异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率特性测试方法，获取了在某一恒定工作压力下，只需要开展三种转速实验，即可得到更加准确可靠的异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w，带入异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总功率损耗P^w之间的关系式，形成方程组，进而求得系数A、B、C的值，最终确定异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总功率损耗P^w的特性曲线。提高测试效率，降低测试成本，并对液压系统能量效率优化有重要的实际应用价值。

Claims (7)

1.异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试方法，其特征是按如下过程进行：

a、设置第一转速n₁：设定异步电机(4)的同步转速，使同步转速为不大于恒功率柱塞变量泵(7)最大转速的40％；

b、启动异步电机(4)，待系统稳定运转后，分别采集异步电机(4)的输入电流、输入电压、实际转速和恒功率柱塞变量泵(7)的输出压力、输出流量的各检测信号，以所述异步电机(4)的转动周期的整数倍为时域窗口，以时域窗口截取所述各检测信号；以所述时域窗口内所述异步电机(4)转速的平均值作为第一转速n₁的实际转速，计算获得所述时域窗口内输入功率的平均值作为第一转速n₁下所述异步电机(4)的实际输入功率P_in1；以所述时域窗口内恒功率柱塞变量泵(7)的输出流量的平均值作为第一转速n₁下的恒功率柱塞变量泵(7)的实际输出流量；计算获得所述时域窗口内输出流量与输出压力乘积的平均值作为第一转速n₁下的恒功率柱塞变量泵实际输出功率P_out1；计算获得实际输入功率与实际输出功率之差作为第一转速n₁下系统的损耗功率P^w ₁；

c、设置第二转速n₂：设定异步电机(4)的同步转速，使同步转速为恒功率柱塞变量泵(7)最大转速的40％-70％；按照步骤b分别获得第二转速n₂和第二转速n₂下系统的损耗功率P^w ₂；

d、设置第三转速n₃：设定异步电机(4)的同步转速，使同步转速为恒功率柱塞变量泵最大转速的71％-100％；按照步骤b分别获得第三转速n₃和第三转速n₃下系统的损耗功率P^w ₃；

e、按式进行计算，分别获得系数A、系数B、系数C；

则，所述异步电机-恒功率柱塞变量泵的转速n与总损耗功率P^w之间的关系式如式所表达：

P^w＝An²+Bn+C 。

2.根据权利要求1所述的异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试方法，其特征在于：步骤a之前还包括开启压力设定步骤，通过设定与恒功率柱塞变量泵(7)连接的先导比例溢流阀(10)的开启压力，用来模拟给定工作压力，且开启压力大于恒功率柱塞变量泵(7)的调定压力。

3.异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统，用于实现权利要求1或2所述的测试方法，其特征是测试系统包括二位三通电磁换向阀(9)和先导比例溢流阀(10)，异步电机(4)与恒功率柱塞变量泵(7)连接，所述恒功率柱塞变量泵(7)的进油口与油箱(6)连通，恒功率柱塞变量泵(7)的出油口与二位三通电磁换向阀(9)的A口连接；二位三通电磁换向阀(9)的T口与油箱(6)连接，二位三通电磁换向阀(9)的B口与先导比例溢流阀(10)进口连接，先导比例溢流阀(10)出口连接油箱(6)；所述先导比例溢流阀(10)用于设定测试系统的输出压力。

4.根据权利要求3所述的异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统，其特征在于：所述异步电机(4)输入端设有变频器(3)和功率测试仪(2)，所述变频器(3)用于调节所述异步电机(4)的转速；所述功率测试仪(2)设置在变频器(3)的输入端，用于采集所述异步电机(4)的输入电流和输入电压。

5.根据权利要求4所述的异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统，其特征在于：所述异步电机(4)的输出端设置编码器(5)，用于检测所述异步电机(4)的转速。

6.根据权利要求5所述的异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统，其特征在于：在恒功率柱塞变量泵(7)的出油口与二位三通电磁换向阀(9)的A口连接的管路上连接压力传感器(11)与流量传感器(8)。

7.根据权利要求6所述的异步电机-恒功率柱塞变量泵损耗功率测试系统，其特征在于：所述恒功率柱塞变量泵(7)为斜盘式轴向柱塞泵。