檢測技術(shù)及設(shè)備在電機(jī)制造中的應(yīng)用

吳漢熙，韓寶江，李巧蓮，王傳軍

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

電機(jī)檢測是利用儀器、儀表及相關(guān)設(shè)備，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對電機(jī)制造過程中形成的半成品和成品的電氣性能、力學(xué)性能、安全性能及可靠性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。通過這些檢驗(yàn)可以全部或者部分反映出被檢電機(jī)的有關(guān)性能數(shù)據(jù)，電機(jī)檢測是電機(jī)產(chǎn)品制造全過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一[1]。試驗(yàn)方法和檢測儀器、儀表、檢測設(shè)備是保證能否達(dá)到目的的重要因素。在中小型電機(jī)整個發(fā)展進(jìn)程中，花了大量的人力、物力和資源，致力于試驗(yàn)方法的科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性的研究及試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)工作，還組織先進(jìn)檢測設(shè)備的研發(fā)并推廣應(yīng)用，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而使我國的檢測能力、水平跟上國際先進(jìn)檢測技術(shù)的發(fā)展。

1 檢測技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會IEC/TC2于2006年提出制定一項電機(jī)能效分級標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將電機(jī)的效率分為 IE1，IE2，IE3，IE4，共 4 級，效率指標(biāo)覆蓋范圍為0.75 ～375 kW，極數(shù)為 2，4，6 極，分 50 Hz和60 Hz兩類指標(biāo)[2]，標(biāo)準(zhǔn)于2008年底正式發(fā)布。目前，各國電機(jī)產(chǎn)品市場上效率等級情況如下:美國，加拿大，澳大利亞等國市場為IE2效率等級，并為該國的最低強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，歐洲于2008年強(qiáng)制執(zhí)行IE2效率等級標(biāo)準(zhǔn);我國市場上使用的電機(jī)效率水平僅為 IE1效率(平均效率約為87%)等級，按照我國節(jié)能中長期規(guī)劃中明確的指標(biāo)要求，到2010年電機(jī)的效率水平應(yīng)達(dá)到IE2效率(平均效率約為90%)等級[3]。

由于世界各國都致力于研究開發(fā)高效電機(jī)，研究一套適合高效電機(jī)試驗(yàn)方法就提上了日程。2003年，歐盟成立了研究小組，開始研究對比現(xiàn)有的各種試驗(yàn)方法，包括112B法、輸入輸出法、反轉(zhuǎn)法，以及1967年就有專家提出的EH-star法。比較內(nèi)容有方法的準(zhǔn)確度，以及成本、操作的方便性等。經(jīng)過兩年多工作，工作組通過對現(xiàn)有的幾種方法在相同的電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)對比，得出結(jié)論為EH-star方法測試的不確定度為“中”，比已列入IEC 60034-2標(biāo)準(zhǔn)中的反轉(zhuǎn)法的不確定度要低，比 112B法高[4]。歐盟向 IEC TC2/WG28工作組提出，在標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-2的修訂版中，將EH-star方法列入標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60034-2-1《確定損耗和效率的試驗(yàn)方法(牽引電機(jī)除外)》已于2007年9月10日正式發(fā)布，作為新一版的國際標(biāo)準(zhǔn)已開始實(shí)施。新一版標(biāo)準(zhǔn)中，已正式取消了用輸入功率的0.5% 這一假定值來確定附加損耗。新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用4種方法來確定附加損耗:剩余損耗法(即IEEE 112B法)、反轉(zhuǎn)法、假定值(與輸出功率有關(guān)的插值曲線得出)和EH-star法[5]。各種方法的不確定度評價如表1所示。

表1 不確定度評價

我國的電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考了美國和歐盟的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并決定采用低不確定度的試驗(yàn)方法:剩余損耗法(即 IEEE 112B法)。在 GB1032—2005中，我國已經(jīng)把IEEE 112B法寫入其中，并推薦使用IEEE 112B法對電機(jī)進(jìn)行效率試驗(yàn)。

1.2 儀器儀表及試驗(yàn)電源

20世紀(jì)80年代初，電機(jī)試驗(yàn)的電壓、電流、功率等測量均采用單一、分體式數(shù)字儀表，與指針式儀表相似。存在三相電量參數(shù)不能同時采樣，且穩(wěn)定性差、準(zhǔn)確度低、線路復(fù)雜等問題。

20世紀(jì)80年代中期，由于應(yīng)用了單片微處理器技術(shù)推動了數(shù)字儀器的快速發(fā)展，為智能化儀器問世提供了條件。智能化電參數(shù)測量儀的電壓電流部分采用直接采樣方式，保證原始信號無失真處理。儀表內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)的處理，采用傅里葉級數(shù)分析處理或均方根值的計算方式得出有效值，確保所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這種測量儀除顯示電壓、電流、功率外，還能擴(kuò)展顯示功率因數(shù)、頻率等多種電量參數(shù)，具有線路簡化，穩(wěn)定性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，多功能測量一體化等特點(diǎn)。

2000年后由于應(yīng)用了內(nèi)核16/32位的DSP等技術(shù)，使A/D采樣速度、運(yùn)算速度等與原單片機(jī)相比又有了較大幅度的提高，從而使采集的實(shí)時數(shù)據(jù)更加豐富，這為進(jìn)行多次諧波、瞬時信號分析處理提供了保障。在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度方面比早期的智能化電參數(shù)測量儀均有較大的提高，在中小電機(jī)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著我國電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來采用了靜止變頻試驗(yàn)電源。這種試驗(yàn)電源采用交－直－交供電方式，外加特殊的濾波器，實(shí)現(xiàn)正弦波輸出。其核心技術(shù)是通過變頻器和濾波器的組合，將SPWM調(diào)制波轉(zhuǎn)換為正弦波。

現(xiàn)生產(chǎn)的靜止變頻試驗(yàn)電源的主要特點(diǎn)如下:頻響范圍寬3～250 Hz;THD≤2%;頻率和電壓可分別單獨(dú)調(diào)節(jié);具有軟起動功能，對供電電網(wǎng)容量可適當(dāng)降低;頻率和電壓調(diào)節(jié)范圍可給定;空載和疊頻試驗(yàn)時具有無功補(bǔ)償;負(fù)載試驗(yàn)時可回饋。該類型靜止變頻試驗(yàn)電源試驗(yàn)站已在數(shù)家電機(jī)制造企業(yè)投入運(yùn)行，得到用戶一致好評。

2 半成品試驗(yàn)

半成品試驗(yàn)主要針對電機(jī)元件或組件的試驗(yàn)，如繞組的匝間耐電壓試驗(yàn)、定制三相繞組的三相電流平衡試驗(yàn)、繞組對機(jī)殼絕緣的測定、繞組相間絕緣的測定和介電強(qiáng)度試驗(yàn)(俗稱耐電壓試驗(yàn))以及對轉(zhuǎn)子檢查試驗(yàn)等。

絕緣電阻測定試驗(yàn)主要測定繞組對機(jī)殼(對地)和相與相之間的絕緣電阻。JY系列數(shù)字絕緣電阻測試儀是一種可用于測量電機(jī)、電纜、電氣設(shè)備絕緣電阻的智能型測試儀器，測量量程可自動轉(zhuǎn)換，可根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定絕緣電阻報警值和測試時間。

繞組直流電阻測定試驗(yàn)主要測定電機(jī)繞組的直流電阻。通過對實(shí)測電阻值的分析可以初步判定被試電機(jī)繞組的匝數(shù)、線徑、接線方式等是否達(dá)到要求，繞組直流電阻的測定試驗(yàn)必須選擇較高精度的測試儀表。RDC2512型智能直流低電阻測試儀是一種性能優(yōu)異的專業(yè)低電阻測量的智能化儀器，可以測量線圈的繞組電阻，電纜的導(dǎo)線電阻等各類低值電阻，測量精度高。

繞組匝間耐沖擊電壓試驗(yàn)主要測定被試電機(jī)繞組是否存在匝間短路及各種阻抗不平衡故障。RZJ系列繞組匝間沖擊耐電壓測試儀采用沖擊波比較法，以高頻、高壓脈沖對電機(jī)繞組進(jìn)行等效過電壓的無損模擬試驗(yàn)，采用數(shù)字示波器，精確分析波形，能直觀、迅速準(zhǔn)確地測試?yán)@組匝間短路及各種阻抗不平衡故障。

電機(jī)繞組需進(jìn)行三相對地和各相間的耐電壓試驗(yàn)，PVT系列(電機(jī)工頻)耐電壓試驗(yàn)儀適用于各種單/三相交流電機(jī)、變壓器等的工頻耐電壓試驗(yàn)，一次接線即可自動組合完成三相對地和相間的耐電壓試驗(yàn)，可根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定報警電流值和測試時間。

數(shù)字電參數(shù)(綜合)測試儀適用于測量三相/單相電器設(shè)備的電壓、電流、功率、功率因數(shù)和頻率等參數(shù)，如DK300系列，可以測量電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時的各電參數(shù)，還可分析電機(jī)起動、堵轉(zhuǎn)時的電參數(shù)特性，捕捉三相電流的最大值及電流最大時對應(yīng)的時間、電壓等，并可記錄電流的實(shí)時波形。

隨著工業(yè)控制計算機(jī)和PLC等高性能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電機(jī)半成品的檢驗(yàn)已經(jīng)由分散的儀器檢驗(yàn)向集成化、智能化不斷發(fā)展，如DZC系列電機(jī)定子性能綜合測試儀適用于中小型交流電機(jī)、直流電機(jī)的定子線圈繞組的直流電阻，絕緣電阻、工頻耐電壓、匝間沖擊耐電壓檢測的綜合測試，操作簡單，一次接線自動完成全部測試項目，具有自動分析、判斷、統(tǒng)計各項目測試結(jié)果的功能，極大地方便了用戶對電機(jī)半成品的檢驗(yàn)。

3 檢查試驗(yàn)

檢查試驗(yàn)習(xí)慣上稱為“出廠試驗(yàn)”，它是在電機(jī)定型后批量生產(chǎn)時，對每臺組裝為成品的電機(jī)進(jìn)行部分性能的簡單試驗(yàn)。檢測項目包括直流電阻、絕緣電阻、電氣強(qiáng)度、空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)等。

現(xiàn)代的出廠試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)電源、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析管理軟件。測量系統(tǒng)采用工控機(jī)主控，可預(yù)置被測電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，只需一次接線即可完成一臺或多臺電機(jī)的全部測試項目。自動分析、判斷、統(tǒng)計各項測試結(jié)果，并具存儲、打印等功能。

現(xiàn)代的出廠試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為批量式電機(jī)出廠試驗(yàn)系統(tǒng)和節(jié)拍式電機(jī)出廠試驗(yàn)系統(tǒng)。批量式電機(jī)出廠試驗(yàn)系統(tǒng)一般為2工位和8工位，試驗(yàn)時相同規(guī)格的一批電機(jī)分別接在各工位上，按功能逐項進(jìn)行，各電機(jī)同時或逐臺進(jìn)行試驗(yàn)。主要適用于電機(jī)有較長時間的空轉(zhuǎn)要求。多工位數(shù)生產(chǎn)當(dāng)量大，耐電壓試驗(yàn)必須采用1 min標(biāo)準(zhǔn)的場合，如EPT－1電機(jī)出廠試驗(yàn)系統(tǒng)。節(jié)拍式電機(jī)出廠試驗(yàn)系統(tǒng)是專門為流水線配套，試驗(yàn)時電機(jī)定位安裝在流水線上，隨流水線移動，移至一個工位，系統(tǒng)自動完成該工位預(yù)訂的試驗(yàn)任務(wù)，如EPT－3電機(jī)出廠試驗(yàn)系統(tǒng)。

4 型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)主要是指能夠較確切地得到被試電機(jī)有關(guān)性能參數(shù)的試驗(yàn)，對新設(shè)計試制的產(chǎn)品，經(jīng)鑒定定型后小批量投產(chǎn)的產(chǎn)品，設(shè)計或工藝上的變更足以引起電機(jī)某些特性和參數(shù)發(fā)生變化的產(chǎn)品，檢查試驗(yàn)結(jié)果與以前型式試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生不可允許的偏差的產(chǎn)品，以及產(chǎn)品定型投產(chǎn)后的定期檢查都必須做型式試驗(yàn)，以驗(yàn)證電機(jī)是否達(dá)到設(shè)計要求。

型式試驗(yàn)按結(jié)構(gòu)可分為三種類型試驗(yàn)系統(tǒng)。

一是靜止電源型式試驗(yàn)系統(tǒng)，靜止電源型式試驗(yàn)系統(tǒng)是電力電子技術(shù)和自動化控制技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，采用電力電子設(shè)備供電的試驗(yàn)系統(tǒng)，以其優(yōu)越的性能和良好的控制性能、友好的人機(jī)界面和良好的可擴(kuò)展性能，為智能化電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的技術(shù)條件。系統(tǒng)控制采用計算機(jī)+PLC控制技術(shù)對試驗(yàn)電源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程電源調(diào)整的自動化;采用計算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)相結(jié)合，形成一個網(wǎng)絡(luò)群控智能型試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對電機(jī)進(jìn)行全面試驗(yàn)檢測及性能分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動在計算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時記錄和處理，自動生成試驗(yàn)報告和試驗(yàn)曲線，從而大大提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高了工作效率，如MST－1型式試驗(yàn)系統(tǒng)。

二是機(jī)組電源型式試驗(yàn)系統(tǒng)。機(jī)組電源試驗(yàn)系統(tǒng)采用直流機(jī)組拖動同步發(fā)電機(jī)組作為被試和陪試電源，直流機(jī)組采用共母線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量回饋。機(jī)組電源試驗(yàn)系統(tǒng)自動化程度較高，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻、穩(wěn)壓，負(fù)載穩(wěn)定性較好，如MST－2型式試驗(yàn)系統(tǒng)。但與靜止電源型式試驗(yàn)系統(tǒng)相比，其存在噪聲大，占地面積大，頻率調(diào)節(jié)范圍窄等缺點(diǎn)。

三是傳統(tǒng)式型式試驗(yàn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)式型式試驗(yàn)系統(tǒng)采用調(diào)壓器或機(jī)組作為主電源，采用直接消耗法作為負(fù)載，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資小，但由于系統(tǒng)能耗較大，目前已經(jīng)較少用于電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)，如MST－3型式試驗(yàn)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

電機(jī)檢測是電機(jī)產(chǎn)品制造全過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，電機(jī)檢測技術(shù)為電機(jī)檢測的實(shí)現(xiàn)提供了重要依據(jù)，而電機(jī)檢測設(shè)備則為電機(jī)檢測提供了基本的保障。隨著我國高效電機(jī)的不斷推廣，對電機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)提出了更高的要求，研制開發(fā)高精度、高質(zhì)量、高性價比的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)勢在必行，它將為我國的電機(jī)制造企業(yè)對高效及超高效電機(jī)的設(shè)計提供基本保證。

[1]才家剛，吳亞奇.電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]王傳軍，金惟偉，陳亙，等.高效和超高效電機(jī)低不確定度效率測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電機(jī)控制與應(yīng)用，2010，37(4):1-5.

[3]顧德軍.不同測試方法對電動機(jī)效率的影響[J].電機(jī)控制與應(yīng)用，2010，37(5):52-54.

[4]IEC 60034-30—2008單相，三相籠型感應(yīng)電動機(jī)的能效分級(IE代碼)[S].

[5]IEC 60034-2-1—2007 Rotating electrical machines-Part2-1:Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)[S].