現(xiàn)代轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在電機能效測試應(yīng)用中的技術(shù)

唐海松，　陳亦新，　倪立新

(1. 上海理工大學(xué)，上?！?00093；

2. 上海電器科學(xué)研究所[集團]有限公司，上海　200063)

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現(xiàn)代轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在電機能效測試應(yīng)用中的技術(shù)

唐海松1，陳亦新2，倪立新2

(1. 上海理工大學(xué)，上海200093；

2. 上海電器科學(xué)研究所[集團]有限公司，上海200063)

摘要：主要研究如何運用HBM高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來測量電機的效率。介紹了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量原理，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的工裝方法及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。結(jié)合具體實例，得出了現(xiàn)代高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器在不確定度、抗干擾等方面的優(yōu)勢等結(jié)論。

關(guān)鍵詞:傳感器； 轉(zhuǎn)矩； 轉(zhuǎn)速； 電機； 效率； 測量

0引言

高效三相異步電動機的推廣和應(yīng)用，受到全世界的高度關(guān)注，而三相異步電動機效率的準(zhǔn)確測量，也同樣受到全世界電機檢測技術(shù)領(lǐng)域的高度重視。按照IEC 60034-2標(biāo)準(zhǔn)以及世界公認(rèn)的三相異步電動機效率檢測方法，是采用低不確定度B法，即測量輸入-輸出功率的損耗分析法。此測試方法中的核心檢測裝置是電功率測量儀和測功機，而隨著電子技術(shù)、材料技術(shù)以及信息技術(shù)的高速發(fā)展，測量電機軸輸出功率用的測功機，現(xiàn)在已廣泛采用轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，尤其是大功率電機效率檢測都采用這種測量系統(tǒng)，其核心就是轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器。

1國際標(biāo)準(zhǔn)推薦三相異步電動機采用低不確定度效率測量方法的分析

1.1電機效率的計算方法

電機效率，就是以同一單位表示的輸出功率P2與輸入功率P1的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)已知輸入功率P1，總損耗PT和輸出功率P2中三個變量中的兩個，就能求出電機效率η(%)，具體關(guān)系如下：

(1)

P2=P1-PT

(2)

由以上兩式可以得到電機效率的第二種表示方法：

(3)

對高效電機的效率，目前普遍采用輸入輸出功率的損耗分析法，即B法進行測試。此試驗方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-2-1、IEEE112以及GB 1032。該測試方法的核心是對測量輸出功率的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的精度要求高。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與功率之間的關(guān)系如表1所示。

表1　轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與功率之間的關(guān)系

1.2電機效率B法測試的機理

GB/T 1032—2012中所述B法是一種結(jié)合了A法和E法的綜合試驗方法，相比A法和E法，其試驗原理更加科學(xué)、合理，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。

電機B法試驗主要包括額定負(fù)載熱試驗、負(fù)載特性試驗和空載試驗等。[1]介紹B法之前有必要先分析介紹A法和E法。

優(yōu)點： 計算簡便。

缺點： 對轉(zhuǎn)矩測試的精度要求高。

E法和E1法是“損耗分析法”，不需要安裝轉(zhuǎn)矩傳感器。試驗時測取被試電機的輸入電量及轉(zhuǎn)速。通過各種方式求取被試電機的損耗，比如： 空載試驗→PFe、Pfw；負(fù)載試驗→Pcu1、Pcu2；PS是根據(jù)電機反轉(zhuǎn)法(E法)或推薦值法(E1法)求得。將P1-ΣP，推算出P2。

優(yōu)點： 安裝方便，對設(shè)備要求低。

缺點： 不確定度高。

B法綜合了上述兩種試驗的特點，整個試驗計算過程可以分為2個部分： 修正前和修正后，這里的“修正”是指對雜散損耗PS的修正。修正前的試驗計算過程，相當(dāng)于A法，根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測得的電機軸頭輸出機械能，推算出被試電機的輸出功率Pmech。依據(jù)P1、Pcu1、Pcu2、PFe、Pfw，計算得到剩余損耗PL，并作PL=f(T2)一次曲線： PL=AT2+B。通過該曲線上PL值的位置分布及截距B，可分析出本次試驗的結(jié)果準(zhǔn)確性。PL線性越好，相關(guān)系數(shù)越接近1，則試驗結(jié)果越準(zhǔn)確。PL存在跳點現(xiàn)象，則相關(guān)系數(shù)小。當(dāng)相關(guān)系數(shù)<0.95，則可認(rèn)為本次試驗中的讀數(shù)已存在失真，試驗無效。此外，截距B值越小，則試驗的結(jié)果越準(zhǔn)確。

B法試驗中認(rèn)為，當(dāng)電機沒有轉(zhuǎn)矩輸出時，不存在負(fù)載雜散損耗。故將PL曲線中的截距值去除后，得到新的一次曲線PS=AT2。最后根據(jù)試驗時測得的T，代入該一次公式并求得各個負(fù)載試驗點相對應(yīng)的PS值。

修正后部分相當(dāng)于一個損耗分析法，將被試機的各種損耗折算到基準(zhǔn)工作溫度并匯總后，與輸入功率P1相減，得到P2并求得效率η。

優(yōu)點： 不確定度低；

缺點： 對試驗儀表的精度要求高，計算分析過程比較繁瑣。

如表2所示，各種電機效率測試方法的比較。

表2　電機效率測試方法比較

2以HBM傳感器為典型設(shè)備分析

2.1電機轉(zhuǎn)矩的測量方法

測量轉(zhuǎn)矩的方法，按照測量原理，可以分為[2]:

(1) 平衡力法，又稱反力法。即利用平衡轉(zhuǎn)矩M0去平衡被測轉(zhuǎn)矩M，從而求得M的方法。在此不詳細(xì)介紹。

(2) 傳遞法，又稱扭軸法。所謂傳遞法就是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生物理參數(shù)的變化(變形、應(yīng)力或應(yīng)變)來測量轉(zhuǎn)矩的方法。它利用彈性體把轉(zhuǎn)矩先轉(zhuǎn)換成角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出來。測量轉(zhuǎn)矩時彈性元件通常是扭軸。

把扭轉(zhuǎn)軸連接在驅(qū)動源和負(fù)載之間，扭轉(zhuǎn)軸就會產(chǎn)生扭矩，產(chǎn)生的扭矩角為

(4)

式中：φ——扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角；

l——扭轉(zhuǎn)軸長；

G——扭轉(zhuǎn)軸材料的切變模量，Pa；

D——扭轉(zhuǎn)軸直徑；

M——轉(zhuǎn)矩。

(5)

(6)

(7)

式中：ε——應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸的參數(shù)固定時，轉(zhuǎn)矩對扭轉(zhuǎn)軸作用時，生產(chǎn)的扭矩角或應(yīng)力、應(yīng)變與轉(zhuǎn)矩成正比例關(guān)系。所以，只要測得轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角或應(yīng)力、應(yīng)變，便可以知道轉(zhuǎn)矩的大小了。

(3) 能量轉(zhuǎn)換法。能量轉(zhuǎn)換法就是根據(jù)能量守恒定律來測量力矩的一種方法。此處不詳細(xì)介紹。

2.2傳統(tǒng)的磁電式傳感器

傳統(tǒng)的磁電式傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵心組成。[3]齒輪的齒頂與磁芯之間有一小的空氣間隙，永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤鉸鏈，當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤的齒凹凸引起磁路氣隙的變化，從而磁通量也發(fā)生了改變，在線圈中感應(yīng)出交流電動勢。該電壓的頻率就等于圓盤上的齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。當(dāng)轉(zhuǎn)軸空載轉(zhuǎn)動的時候，兩個磁電式傳感器輸出的信號電壓為U1，U2。信號的頻率隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，但是兩個信號的相位差保持不變，初始相位差ψ0為一常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸傳遞轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生扭矩的變形時，扭矩兩端的信號圓盤產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角θ，使兩磁電式傳感器的輸出信號電壓在相位上相對的改變了Δψ角度，即產(chǎn)生的附加相位差。此時信號的相位差Δψ與彈性軸的扭矩角θ之間的關(guān)系為：

Δφ=Z·θ

(8)

(9)

式中：N——線圈匝數(shù)；

磁通量的變化率和轉(zhuǎn)速n和齒數(shù)Z及齒形有關(guān)。磁電式傳感器的輸出電壓均方根與信號齒輪的齒頂線速度v成正比例關(guān)系，與齒輪同磁芯間隔δ成反比例關(guān)系。因此減少與齒輪同磁芯間隔δ可以提高靈敏度。但如果δ過小，因為磁吸引力的影響而產(chǎn)生測量誤差。

這種方法精度可以達到±0.2%。測量精度可以高達±(0.2~0.1)%，轉(zhuǎn)速分檔達0~1500～6000r/min，測量范圍一般為0.2~100000N·m。這種電磁式傳感器廣泛用于以下場合：

(1) 發(fā)動機的臺架試驗；

(2) 電機扭矩及轉(zhuǎn)速的測量；

(3) 減速機、變壓器扭矩及轉(zhuǎn)速的測量；

(4) 風(fēng)機扭矩和轉(zhuǎn)速的測量；

(5) 各種旋轉(zhuǎn)機械扭矩和轉(zhuǎn)速的測試。

2.3電機轉(zhuǎn)速的測試原理

轉(zhuǎn)速傳感器按其變換方式分為機械式、電磁式、光電式和頻閃式。按照檢測對象可以分為整合式和非整合式。

下面簡單介紹磁電式傳感器和光電式傳感器。

(1) 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。主要由永久磁鐵、線圈和磁盤等組成。[3]在永久磁鐵組成的磁路中，如果改變磁阻的大小，則磁通量隨之而改變。磁路通過感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時，感應(yīng)出一定幅度的脈沖電動勢，該脈沖電動勢的頻率就等于磁阻變化的頻率。為了使氣隙發(fā)生變化，在待測的軸上安裝一個由軟磁材料做成的齒盤。當(dāng)待測軸轉(zhuǎn)動時，齒盤也跟隨著轉(zhuǎn)動，齒盤中的齒和齒間隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而磁路的磁阻發(fā)生了變化，使得鐵心中的磁通量突變，在線圈內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖電動勢，其頻率跟待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率f：

(10)

式中：f——頻率，Hz；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

z——齒輪的齒數(shù)。

由式(10)可知，只要測量出頻率f，就可以得到被測的轉(zhuǎn)速。

(2) 光電式傳感器。主要有直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器、反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器、電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。[3]下面就介紹直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器。

直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成的。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接而成，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。開孔圓盤上有很多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖的個數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，故可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率得出被測轉(zhuǎn)速，即：

(11)

式中：n——轉(zhuǎn)速；

N——圓盤開孔數(shù)；

f——脈沖頻率。

2.4傳統(tǒng)與現(xiàn)代的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器比較

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理制成的，發(fā)展到如今的以應(yīng)變式傳感器為核心的測試系統(tǒng)和工作平臺。其HBM轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器具有外形薄、抗橫向力、軸向力和彎矩能力強，允許交替振幅量高，傳感器通過法蘭連接，通過檢測、傳輸、處理、儲存、打印報表于一體，提高了檢測精度與效率，如表3所示。

表3　傳統(tǒng)傳感器與現(xiàn)代傳感器比較

如圖1所示的T10F扭矩法蘭傳感器是第一款扭矩法蘭，采用測量剪應(yīng)力替代扭矩應(yīng)力對扭矩進行測量。其緊湊的設(shè)計占空間??；高側(cè)向的防護允許連接軸直接與法蘭連接，無須其他支撐軸，并且可以承受更高的動態(tài)負(fù)載；其極高的抗扭剛性消除了扭矩的共振。由于扭矩測量法蘭工作不依據(jù)軸承和滑環(huán)，因此完全免維護。

圖1　T10F扭矩法蘭傳感器

2.5HBM傳感器的工裝方式

(1) 雙軸懸掛式。圖2所示為雙軸懸掛式結(jié)構(gòu)。其在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器兩側(cè)都有軸承結(jié)構(gòu)支撐，輸出軸伸通過聯(lián)軸器與被試機及負(fù)載機相連。這種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但運行穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)牢固可靠。

圖2　雙軸懸掛式

(2) 單邊懸掛式。圖3所示為單邊懸掛式結(jié)構(gòu)。其與雙邊懸掛式相比，由雙軸承在兩側(cè)支撐傳感器改為軸承座支撐轉(zhuǎn)軸，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸的一端。這種結(jié)構(gòu)首先易于安裝和拆卸，便于日常的計量和維護工作。其次在這種結(jié)構(gòu)下，支撐軸承產(chǎn)生的機械損耗集中于傳感器一側(cè)便于試驗分離，提高了試驗的準(zhǔn)確度。

圖3　單邊懸掛式

(3) 法蘭懸掛式。圖4所示為法蘭懸掛式結(jié)構(gòu)。其通過特制的工裝結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在負(fù)載機的傳動軸上，傳感器再通過聯(lián)軸器與被試機柔性連接。該結(jié)構(gòu)極大簡化了安裝的工作量，無需特制的軸承底座，不僅減少了工裝成本和安裝空間，還減少了由于軸承損耗而產(chǎn)生的設(shè)備不穩(wěn)定性。將負(fù)載機改裝成測功機，無軸承產(chǎn)生的機械損耗更進一步提升了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度。該連接方式已經(jīng)被各大試驗室廣泛采用。

圖4　法蘭懸掛式1

2.6以HBM新型傳感器為例的電機測試系統(tǒng)

2.6.1測試系統(tǒng)原理圖

電機測試系統(tǒng)圖如圖5所示。電參數(shù)的測量直接經(jīng)過Norma 5000傳到PC機，而被試機通過T-n傳感器，再經(jīng)過MP01和MP60的數(shù)據(jù)采集輸入到PC機。T-n傳感器的另一端則連接到負(fù)載電機上。

圖5　電機測試系統(tǒng)圖

2.6.2HBM傳感器的數(shù)據(jù)采集

HBM轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器主要通過與HBM PME工業(yè)放大器、MGCplus性能高，可升級并可配置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、QuantumX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PMXHE數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)和NORMA 5000電參數(shù)儀的組合等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩采集。

3檢測實例及數(shù)據(jù)分析

以一臺7.5kW 4極三相異步電動機，進行負(fù)載特性及效率測試為例，測試數(shù)據(jù)整理如表4所示，電機各負(fù)載點各項損耗及效率分析計算如表5所示。

表4　實測數(shù)據(jù)

注:Pfw=31.82W；相關(guān)系數(shù)： 0.9978；斜率： 0.0318；截距： 5.543

表5　電機各負(fù)載點各項損耗及效率分析計算

注:RN=0.9989Ω；θw(℃)=78.2℃;Rs=1.0012Ω;Θs=78.9℃

4技術(shù)展望

4.1功能多樣化

在傳統(tǒng)測量系統(tǒng)中由于技術(shù)的限制，各臺儀器設(shè)備的測量對象是單一的?；陔妳?shù)測量儀能夠采集特定模式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號，目前的測試系統(tǒng)已經(jīng)能夠簡化。將來的測試系統(tǒng)基于傳感器技術(shù)的提升，將進一步擴展測量功能的整合。在簡化操作的同時，保持大量數(shù)據(jù)采樣的同步性，并且為后續(xù)繼續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)。

4.2測量及控制的網(wǎng)絡(luò)化

由于測量系統(tǒng)已經(jīng)具有完善的通信功能，在高速網(wǎng)絡(luò)平臺的支持下，可將測量系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)平臺即時發(fā)布。設(shè)計一個通信軟件平臺，注冊的用戶可根據(jù)自己帳號被授權(quán)的等級，登錄到不同的界面。在不同的地點，同時獲得授權(quán)范圍內(nèi)的即時的采樣結(jié)果，甚至通過網(wǎng)絡(luò)，對試驗系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置和維護。

4.3便攜式試驗平臺

基于測試系統(tǒng)對測量功能的高度整合，可以將試驗系統(tǒng)、視頻攝像系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)整合在一個旅行箱內(nèi)?，F(xiàn)場試驗時，只要將經(jīng)檢查過的便攜式試驗平臺發(fā)送到試驗現(xiàn)場，由現(xiàn)場工作人員對測量單元、攝像頭、通信系統(tǒng)進行快速組裝。認(rèn)證人員只需在遠(yuǎn)程，登陸通信軟件平臺檢查現(xiàn)場試驗采樣數(shù)據(jù)信息，通過在指定位置安裝的攝像頭監(jiān)視現(xiàn)場情況，隨時指揮現(xiàn)場工作人員的試驗進程。這樣即可大大縮短試驗周期，同時避免了現(xiàn)場試驗條件各不相同的情況。

【參 考 文 獻】

[1]GB/T 1032—2012三相異步電動機試驗方法[S].2012.

[2]武建文，李德成.電機現(xiàn)代測試技術(shù)[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2005.

[3]陶紅艷，余成波.傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2008.

Modern Torque and Speed Sensor in the

Application of Motor Efficiency Test

TANGHaisong1，CHENYixin2，NILixin

(1. University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai, 200093, China;

2. Shanghai Electrical Appliance Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Abstract：Mainly studied how to measure the efficiency of the motor by using the HBM high precision torque and speed sensor. The principle of measurement in torque and speed were Introduced. Besides， the ways of fixing the torque and rotational speed sensor and data acquisition system were also covered. Comparing with the traditional torque and speed sensor， the HBM high precision torque and speed sensor takes advantage in low uncertainty level， anti-interference and so on through the motor testing.

Key words：sensor； torque； speed； motors； efficiency； measurement； low uncertainty

收稿日期：2015-12-11

中圖分類號：TM 306

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0095- 06

作者簡介：唐海松(1989—)，碩士研究生，研究方向為電力電子和電機檢測技術(shù)。