CN111999642A - 一种电机功率密度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机功率密度测试装置及方法，涉及电机测试技术领域。本系统包括综合控制台、测试负载、待测电机、支撑底座、转矩转速传感器、可调节升降台、光电转速传感器与电阻式温度传感器，根据负载关系协调设备运行速度，始终保持不过载稳定运行，在发生过载时自动停机，实现过载保护，保证了设备运行安全，避免负载过大设备损坏，并针对各种存在安全隐患的情况快速做出反应，以便满足传输要求，提高运输效率，提升运行安全系数，降低人工参与程度，减少运营成本，实现设备更加安全可靠运行。

Description

一种电机功率密度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电机测试技术领域，尤其涉及一种电机功率密度测试装置及方法。

背景技术

目前，功率密度已成电机性能中的一个重要指标，实时监测电机功率密度有利于直观了解电机工作性能，便于分析调整电机工作状态以提高电机工作效率，电机功率密度和电机输出功率与电机的导电、导磁材料的体积的有关，实际测量中电能质量不仅会影响测量精度，还会影响用电设备的稳定性与使用寿命，现阶段，电机输出功率的测试方法主要有直测法与能耗分析法，直测法将测试电机与陪测电机或测功机通过联轴器连接，测功机可直接得到电机输出功率，陪测电机与测试电机间需通过转矩转速传感器同轴连接，通过转矩转速传感器测量输出功率，根据输出功率进一步计算得到电机功率密度，测量结果直观准确，但需要改变电机原有安装方式与空间布置，需要将电机拆卸在测试台上安装测试，存在很大局限性；能耗分析法需要测量电动机运行时的各项参数，包括电压、电流、频率、转速及温度等，分析计算各项损耗，根据能耗分析计算得到电机的输出功率，由输出功率进一步计算得到电机输出转矩与功率密度，能耗分析法能够在不改变测试电机空间布置的前提下实时监测电机的功率密度变化，但能耗分析法中杂散损耗的大小与电机的设计、制造工艺、容量等许多因素有关，并且分散性很大，影响计算结果的准确性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种电机功率密度测试装置及方法，有利于直观了解电机工作性能，便于分析调整电机工作状态，提高电机工作效率。

本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种电机功率密度测试装置，包括综合控制台、测试负载、待测电机、支撑底座、转矩转速传感器、可调节升降台、光电转速传感器与电阻式温度传感器。

所述综合控制台包括电能质量调节器、调压器、变频器、电能质量检测仪、输入设备、显示器、转换器、整流器以及计算机；所述电能质量调节器输入接口接入电网，输出接口与所述调压器输入接口相连接，调压器输出接口分别与所述变频器输入接口以及所述整流器一端相连，整流器另一端通过导线与所述测试负载相连，变频器输出接口与所述电能质量检测仪相连接，电能质量检测仪输出接口分别与待测电机以及计算机相连，所述输入设备与计算机输入接口相连接，所述显示器与计算机输出接口相连接，所述支撑底座与综合控制台、可调节升降台固定连接，待测电机通过螺栓与可调节升降台上端面固定，测试负载底端与支撑底座通过导轨连接，导轨方向与待测电机安装时转子轴线方向一致，所述转矩转速传感器将待测电机输出轴与负载输入轴固定连接，并通过紧固螺栓将负载固定，所述光电转速传感器固定在待测电机输出端电机壳上，所述电阻式温度传感器固定埋置于电机定子底槽与铁芯之间，转换器通过导线与计算机相连，光电转速传感器、电阻式温度传感器与转矩转速传感器通过导线将监测数据实时传递给转换器。

另一方面，一种电机功率密度测试方法，基于前述一种电机功率密度测试装置实现，包括以下步骤：

步骤1：测试前将测试电机拆卸，测量电机各项参数，并将电阻式温度传感器装在电机内，再将电机固定安装在测试台；所述电机各项参数包括初始温度下电机定子绕组电阻值R、定子绕组初始温度θ₁、电机极对数Q、定子外径直径D与定子长度L，并进行空载实验；

步骤2：测试人员通过输入设备将测量参数输入至计算机；

步骤3：调节调压器与变频器，改变待测电机电压与频率，电能质量检测仪实时监测变频器输出交流电的各项参数，包括输出电压、输出电流、输出频率与功率因数，光电转速传感器实时监测电机实际转速，温度传感器实时监测定子温度，各项监测数据均传输给计算机，空载实验得到铁芯损耗功率与风摩耗功率，将测试电机与测试负载连接，通过改变测试负载的转矩，进行负载实验；

步骤4：当待测电机稳定后，计算机根据能耗分析法，得到不同负载转矩下的功率密度，转矩转速传感器对电机输出功率监测，以转矩转速传感器直测法测量结果作为准确值，分析能耗法误差大小，通过调整杂散损耗功率所占总损耗功率的比例进行修正，使修正后的两组数据均方差最小，将该修正后的能耗分析法储存；

步骤5：当测试电机脱离测试台实际工作时，根据该能耗分析法通过监测电机输入电压、输入电流、输入频率、电机实际转速与定子温度，从而实时监测电机功率密度变化。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提出一种电机功率密度测试装置及方法，使用直测法测量电机功率密度直观准确，但不能实时监测电机功率密度变化，能耗分析法可实时监测电机功率密度变化，但其计算结果的准确性受多因素共同影响，在电机测试台上同时使用两种测量方法对电机功率密度进行测试，将直测法测量结果作为准确值，分析能耗分析法与准确值的误差，通过修正杂散损耗功率占总损耗功率的比值，使得直测法与能耗分析法所测得两组数值均方差最小，从而提高能耗分析法测量结果的准确性，使用该电机修正后的能耗分析算法，仅需监测该电机实际工作时电压、频率、电流、转速及温度变化，就可进一步计算得到电机功率密度，实现实时监测，该测量方法避免转矩实时测量的复杂性，避免因添加传感器而改动电机原有布置，所需测量参数简单易实现，能够快速实现电机功率密度的实时监测，且满足一定测量精度，测量装置能够对多种类型电机功率密度进行测试，根据需要可进行电机温升实验、堵转温度测定、转矩、效率、功率因素测定、寿命实验等。

附图说明

图1为本发明功率密度测试装置示意图；

其中，1-测试负载；2-转矩转速传感器；3-光电转速传感器；4-待测电机；5-综合控制台；6-支撑底座；7-可调节升降台；

图2为本发明温度传感器埋置位置示意图；

其中，8-电阻式温度传感器；

图3为本发明综合控制台输入输出示意图；

图4为本发明数据流向示意图；

图5为本发明风摩耗功率P_FW求解示意图；

图6为本发明功率密度测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一方面，本发明提供一种电机功率密度测试装置，如图1，图2所示，包括综合控制台5、测试负载1、待测电机4、支撑底座6、转矩转速传感器2、可调节升降台7、光电转速传感器3与电阻式温度传感器8。

所述综合控制台5如图3所示，包括电能质量调节器、调压器、变频器、电能质量检测仪、输入设备、显示器、转换器、整流器以及计算机；所述电能质量调节器输入接口接入电网，输出接口与所述调压器输入接口相连接，调压器输出接口分别与所述变频器输入接口以及所述整流器一端相连，整流器另一端通过导线与所述测试负载1相连，变频器输出接口与所述电能质量检测仪相连接，电能质量检测仪输出接口分别与待测电机4以及计算机相连，所述输入设备与计算机输入接口相连接，所述显示器与计算机输出接口相连接，所述支撑底座6与综合控制台5、可调节升降台7固定连接，待测电机4通过螺栓与可调节升降台7上端面固定，测试负载1底端与支撑底座6通过导轨连接，导轨方向与待测电机4安装时转子轴线方向一致，所述转矩转速传感器2将待测电机4输出轴与负载输入轴固定连接，并通过紧固螺栓将负载固定，所述光电转速传感器3固定在待测电机4输出端电机壳上，所述电阻式温度传感器8固定埋置于电机定子底槽与铁芯之间，转换器通过导线与计算机相连，光电转速传感器3、电阻式温度传感器8与转矩转速传感器2通过导线将各项监测数据实时传递给转换器。

本实施例中待测电机4选用YE2-90L-4型1.5kw三相异步电机，测试负载4选用CZF-1.2法兰式磁粉制动器，保证测试负载额定转矩与待测电机额定转矩大小相近，因为该制动器需接直流电源，故使用整流器将交流电转换为直流电。

电能质量调节器输入端连接电网，输出端接入测试系统，保证测试系统电源质量稳定良好，调压器与变频器由测试人员手动控制，根据测试需要对输入待测电机的电压、频率进行调整，调压器选用TSGC2-6KVA型接触式三相自耦调压器，该调压器实现0-430V电压调节，调压器选择需保证调压范围满足测试电机电压需求，电能质量检测仪实时监测输入待测电机的电参数，并实时将所监测的电参数传输给计算机，计算机从而实时掌握输入待测电机的各项电参数，各类传感器实时将监测数据通过转换器传输给计算机，其中转换器选用RS485型信号转换器。如图4，传递给转换器数据的传感器具体包括光电转速传感器3、电阻式温度传感器8与转矩转速传感器2，当进行空载实验时不需要连接测试负载1，故此时不安装接入转矩转速传感器2，当进行负载实验时，通过转矩转速传感器2将待测电机与测试负载1相连接，通过转矩转速传感器可计算得出待测电机输出功率，通过控制制动器输入电压，从而调节磁粉制动器的转矩，实现改变待测电机负载大小。

另一方面，一种电机功率密度测试方法，基于前述一种电机功率密度测试装置实现，如图6所示，包括以下步骤：

步骤1：测试前将测试电机拆卸，测量电机各项参数，并将电阻式温度传感器8装在电机内，再将电机固定安装在测试台；所述电机各项参数包括初始温度下电机定子绕组电阻值R、定子绕组初始温度θ₁、电机极对数Q、定子外径直径D与定子长度L，并进行空载实验；

通过初始温度下电机定子绕组电阻R、定子绕组初始温度θ₁、电机极对数Q、定子外径直径D与定子长度L，计算得到电机的导电、导磁材料的总体积：

V＝π·(D/2)²·L

将电机组装安装到可调升降台7上，此时不连接测试负载，进行电机空载实验，通过输入设备将所测量电机定子绕组电阻R、定子绕组初始温度θ₁、电机极对数Q、定子外径直径D与定子长度L传输给计算机进行数据储存，检测人员通过控制综合控制台5调节调压器与变频器，使输入测试电机的电压为额定电压，频率为额定频率，电能质量检测仪对待测电机输入电参数实时监测，将监测的各项电参数实时传输给计算机，其中各项电参数包括三相电压有效值U₀、三相电流有效值I₀、频率f与功率因数

等，计算机根具所得数据计算得到电机空载稳定运行的总损耗功率，即电机空载输入功率

电机空载总损耗功率包括定子损耗功率P_CU1、铁芯损耗功率P_FE与风摩耗功率P_FW，可认为空载输入功率P₀减去空载实验温度下定子损耗功率P_CU1为恒定功率，定子损耗功率与定子绕组电阻、电流有关，定子绕组电阻随温度发生变化，通过温度传感器实时监测定子温度变化，根据负载实验测量定子最高温度θ₀，从而得出对应温度下定子绕组电阻值

R₀＝R[(235+θ₀)/(235+θ₁)]

进一步，根据负载实验，三相电流有效值I₀可得出定子损耗功率

电机铁芯损耗功率与风摩耗功率和为

P₀'＝P_FE+P_FW＝P₀-P_CU1

测试人员通过调节调压器保持输出频率不变，依次将电压从50％额定电压U_N降至电机最低电压，即电机不运转临界电压，每次降低电压时均进行空载实验，计算机计算不同空载电压U₀下，电机铁芯损耗功率与风摩耗功率和P₀'，以及对应功率和P₀'下(U₀/U_N)²的数值，并将计算数据储存，当电压降低到电机最低电压时停止空载实验，如图5，计算机根据计算结果通过描点法绘制P₀'——(U₀/U_N)²的曲线图，此曲线近似为一条直线，通过最小二乘法将曲线拟合成直线，计算(U₀/U_N)²为零时拟合直线对应数值，即为风摩耗功率P_FW，因为电机铁芯与风摩耗的损耗功率和为恒定损耗功率，故计算得到铁芯损耗功率

P_FE＝P₀-P_CU1-P_FW

步骤2：测试人员通过输入设备将测量参数输入至计算机；

步骤3：调节调压器与变频器，改变待测电机4电压与频率，电能质量检测仪实时监测变频器输出交流电的各项参数，包括输出电压、输出电流、输出频率与功率因数，光电转速传感器3实时监测电机实际转速，温度传感器实时监测定子温度，各项监测数据均传输给计算机，空载实验得到铁芯损耗功率与风摩耗功率，将测试电机与测试负载1连接，通过改变测试负载1的转矩，进行负载实验；

将电机铁芯损耗功率P_FE与风摩耗功率P_FW储存于计算机，将待测电机4通过转矩转速传感器2与测试负载1同轴连接，进行负载实验，计算机转矩转速传感器2可计算得出待测电机实时输出功率，同理电能质量检测仪对待测电机输入电参数实时监测，将监测的各项电参数实时传输给计算机，其中各项电参数包括三相电压有效值U、三相电流有效值I、频率f与功率因数

等，通过调整调压器多次改变测试负载1转矩，计算不同负载下待测电机4的输入功率

根据电机频率f与极对数Q，计算机可得出电机同步转速

Ns＝(60·f)/Q

根据光电转速传感器3实时监测电机实际转速N，计算机可得到电机转差率

S＝(Ns-N)/Ns

根据测试电机定子温度θ_T，计算机可得到换算至规定温度θ_S时的转差率

Ss＝S[(235+θ_s)/(235+θ_T)]

进一步，计算机计算得到转子损耗功率

P_CU2＝(P₁-P_CU1-P_FE)·Ss

电机杂散损耗Ps的大小与电机的设计、制造工艺、容量等许多因素有关，根据经验公式电机杂散损耗与电机额定功率P_N，电机额定电流I_N有关，电机杂散损耗功率经验公式为

Ps＝0.5％P_N·(I/I_N)²

根据各项计算功率，计算机可得到该负载转矩下电机输出功率

P＝P₁-(P_CU1+P_CU2+P_FE+P_FW+Ps)

计算机通过转矩转速传感器2实时监测电机实际输出功率，保留电机稳定后不同负载下某相同时间段内，由转矩转速传感器2计算所得电机输出功率平均值P’与由计算机公式推导所得电机实际输出功率平均值P。

进一步可计算得到对应负载转矩下电机功率密度

S'＝P'/V

S＝P/V

多次通改变电机负载转矩，得到多组测量结果，计算机根据转矩转速传感器2所获得的功率作为准确值，对能耗分析法中杂散损耗功率Ps所占总损耗功率的比值通过修正系数C进行修正

Ps'＝C·0.5％P_N·(I/I_N)²

作不同应负载下电机实际输出功率平均值P与计算电机输出功率平均值P′的均方差，其差值是关于修正系数C的函数，可求最小均方差对应修正系数C，记录该修正系数C，得到该电机输出功率计算式

P＝P₁-(P_CU1+P_CU2+P_FE+P_FW+Ps')

步骤4：当待测电机4稳定后，计算机根据能耗分析法，得到不同负载转矩下的功率密度，转矩转速传感器2对电机输出功率监测，以转矩转速传感器2直测法测量结果作为准确值，分析能耗法误差大小，通过调整杂散损耗功率所占总损耗功率的比例进行修正，使修正后的两组数据均方差最小，将该修正后的能耗分析法储存；

步骤5：当测试电机脱离测试台实际工作时，根据该能耗分析法通过监测电机输入电压、输入电流、输入频率、电机实际转速与定子温度，从而实时监测电机功率密度变化。测试人员将待测电机4从测试台拆下，当该电机实际工作时，只需要实时监测电机输入电压、输入频率、输入电流、定子温度与电机实际转速，就可实时监测电机功率密度变化，所需监测变量简单易实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种电机功率密度测试装置，其特征在于：包括综合控制台、测试负载、待测电机、支撑底座、转矩转速传感器、可调节升降台、光电转速传感器与电阻式温度传感器；

所述综合控制台包括电能质量调节器、调压器、变频器、电能质量检测仪、输入设备、显示器、转换器、整流器以及计算机；所述电能质量调节器输入接口接入电网，输出接口与所述调压器输入接口相连接，调压器输出接口分别与所述变频器输入接口以及所述整流器一端相连，整流器另一端通过导线与所述测试负载相连，变频器输出接口与所述电能质量检测仪相连接，电能质量检测仪输出接口分别与待测电机以及计算机相连，所述输入设备与计算机输入接口相连接，所述显示器与计算机输出接口相连接，所述支撑底座与综合控制台、可调节升降台固定连接，待测电机通过螺栓与可调节升降台上端面固定，测试负载底端与支撑底座通过导轨连接，所述转矩转速传感器将待测电机输出轴与负载输入轴固定连接，并通过紧固螺栓将负载固定，所述光电转速传感器固定在待测电机输出端电机壳上，所述电阻式温度传感器固定埋置于电机定子底槽与铁芯之间，转换器通过导线与计算机相连，光电转速传感器、电阻式温度传感器与转矩转速传感器通过导线将监测数据实时传递给转换器。

2.根据权利要求1所述的一种电机功率密度测试装置，其特征在于，所述导轨的方向与待测电机安装时转子轴线方向一致。

3.一种电机功率密度测试方法，通过权利要求1所述一种电机功率密度测试装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测试前将测试电机拆卸，测量电机各项参数，并将电阻式温度传感器装在电机内，再将电机固定安装在测试台；

步骤2：测试人员通过输入设备将测量参数输入至计算机；

步骤3：调节调压器与变频器，改变待测电机电压与频率，电能质量检测仪实时监测变频器输出交流电的各项参数，包括输出电压、输出电流、输出频率与功率因数，光电转速传感器实时监测电机实际转速，温度传感器实时监测定子温度，各项监测数据均传输给计算机，空载实验得到铁芯损耗功率与风摩耗功率，将测试电机与测试负载连接，通过改变测试负载的转矩，进行负载实验；

步骤4：当待测电机稳定后，计算机根据能耗分析法，得到不同负载转矩下的功率密度，转矩转速传感器对电机输出功率监测，以转矩转速传感器直测法测量结果作为准确值，分析能耗法误差大小，通过调整杂散损耗功率所占总损耗功率的比例进行修正，使修正后的两组数据均方差最小，将该修正后的能耗分析法储存；

步骤5：当测试电机脱离测试台实际工作时，根据该能耗分析法通过监测电机输入电压、输入电流、输入频率、电机实际转速与定子温度，从而实时监测电机功率密度变化。

4.根据权利要求3所述的一种电机功率密度测试方法，其特征在于，步骤1中所述电机各项参数包括初始温度下电机定子绕组电阻值R、定子绕组初始温度θ₁、电机极对数Q、定子外径直径D与定子长度L，并进行空载实验。

Images