船用變頻推進(jìn)電機(jī)效率測量方法研究

王艷武，關(guān) 濤，徐定海，錢 超

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船用變頻推進(jìn)電機(jī)效率測量方法研究

王艷武1,2，關(guān) 濤1，徐定海1，錢 超3

(1. 海軍裝備研究院，北京 100073；2. 92601部隊(duì)，廣東湛江 524005；3. 海軍工程大學(xué)科研部，武漢 430033)

在對電機(jī)效率計(jì)算測量方法研究的基礎(chǔ)上，針對船用變頻推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，采用轉(zhuǎn)速率和負(fù)荷率對電機(jī)效率進(jìn)行了理論計(jì)算。與實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。當(dāng)變頻推進(jìn)電機(jī)采用壓頻比控制時(shí)，只需要測量電機(jī)電壓電流即可通過計(jì)算獲得電機(jī)效率值。

推進(jìn)電機(jī) 效率 測量

0 前言

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)由于其出色的隱身性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及操縱控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，己成為世界各國船舶推進(jìn)發(fā)展的趨勢。作為綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，推進(jìn)電機(jī)性能直接關(guān)系到整個(gè)船舶的性能。對推進(jìn)電機(jī)效率進(jìn)行測量，可以有效評估電機(jī)經(jīng)濟(jì)性，并在此基礎(chǔ)上對整個(gè)船舶動力性能進(jìn)行評估，為船舶設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。但是由于船用大功率變頻推進(jìn)電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，負(fù)載變化劇烈，很難對其效率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。針對這一實(shí)際問題，本文以一臺變頻推進(jìn)電機(jī)為對象，在實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，對大型船用推進(jìn)電機(jī)效率測量方法開展研究，為準(zhǔn)確測量船用大功率變頻推進(jìn)電機(jī)效率提供理論支持和工程實(shí)現(xiàn)途徑。

1 電機(jī)效率測試基本方法

根據(jù)定義，電機(jī)效率為電機(jī)輸出軸功率與輸入電功率的比值：

（1）

式中，P和P分別表示電機(jī)輸入電功率和輸出軸功率，P表示電機(jī)總損耗功率。

由式（1）可知，電機(jī)效率的高低，取決于電機(jī)運(yùn)行過程中損耗的大小。而對電機(jī)效率的精確測量，實(shí)際上就是對電機(jī)輸出軸功率或者是電機(jī)運(yùn)行過程中損耗的精確測量。因此在工程實(shí)際中，對電機(jī)效率的測量，存在兩種最基本的方法：直接測量法和間接測量法[1]。以這兩種方法為基礎(chǔ)，依據(jù)IEC61972和GB/T1032[2]，國內(nèi)外學(xué)者對電機(jī)效率測量方法進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[3] 使用遺傳算法估算等效電路模型參數(shù)，對大功率電機(jī)效率進(jìn)行了在線測量研究，通過與扭矩儀法進(jìn)行比較，證明了結(jié)果的有效性。文獻(xiàn)[4]利用B法在對電機(jī)損耗進(jìn)行測量的基礎(chǔ)上對電機(jī)效率測試進(jìn)行研究。有文獻(xiàn)利用氣隙轉(zhuǎn)矩法對電機(jī)效率測試方法進(jìn)行了研究，解決了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩精確測量的問題。為了解決變頻電機(jī)諧波分量對電機(jī)效率測量的影響，有的文獻(xiàn)對變頻電機(jī)效率測量方法進(jìn)行了研究探索。從這些文獻(xiàn)資料來看，對電機(jī)效率測量方法的研究基本上集中在額定負(fù)荷和額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，而對于經(jīng)常變轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷運(yùn)行的船用推進(jìn)電機(jī)來說，如何準(zhǔn)確的進(jìn)行效率測量，則還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]提出的負(fù)荷比和轉(zhuǎn)速比概念，對大型船用推進(jìn)電機(jī)效率測量計(jì)算方法進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對大型船用推進(jìn)電機(jī)效率隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化規(guī)律進(jìn)行了分析，為大型船用推進(jìn)電機(jī)效率的測量評估提供理論支持。

2 基于負(fù)荷比的電機(jī)效率測量算法

對于電機(jī)來說，損耗主要包括銅耗、鐵耗、風(fēng)摩損耗和雜散損耗。其中鐵耗、風(fēng)摩損耗和雜散損耗與負(fù)載無關(guān)，但與電機(jī)輸入電壓平方成正比。銅耗包含定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗，隨電機(jī)負(fù)載的變化而變化，與電流平方成正比。對于一般三相電機(jī)在額定工況下，銅耗和其他損耗各占電機(jī)總損耗的70%和30%[11]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，電機(jī)總損耗為：

根據(jù)（2）式，電機(jī)效率為：

在式（3）中，由于電機(jī)銅耗與定子電流平方成正比，則式（3）變化后取近似值為：

電機(jī)在不同工況下可以利用變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，對于不同轉(zhuǎn)速定義轉(zhuǎn)速比為：

(5)

對于一般采用壓頻控制的變頻器驅(qū)動電機(jī)，其壓頻比為常數(shù)，則有：

式中，、f分別為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動頻率和額定頻率。

針對電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)功率不同，定義負(fù)荷比為：

由于電機(jī)輸出軸功率測量比較困難，為了簡化計(jì)算，負(fù)荷率計(jì)算采用輸入功率進(jìn)行計(jì)算，（7）式變化為：

根據(jù)電機(jī)基本原理：

(9)

則有：

將式（5）、（8）、（10）代入（4）式，則電機(jī)效率為：

(11)

根據(jù)相關(guān)研究[12]，功率因數(shù)比值變化對電機(jī)效率值影響基本可以忽略，因此式（11）可以簡化為：

3 大功率變頻電機(jī)效率測量實(shí)例分析

在前述理論分析基礎(chǔ)上，以某型變頻電機(jī)為試驗(yàn)對象，對電機(jī)效率測量方法進(jìn)行應(yīng)用研究。試驗(yàn)中分別對45 r/min、70 r/min和200 r/min效率進(jìn)行測量。在額定工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，設(shè)計(jì)效率97.3%。表1為電機(jī)在各工況下設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)。直流電壓為變頻器輸入電壓，相電壓和相電流為電機(jī)各相電壓、電流有效值。電機(jī)一般采取多支路多相運(yùn)行，在45 rpm及以下工況采取一個(gè)支路運(yùn)行。從設(shè)計(jì)參數(shù)來看，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下效率較低，額定工況下效率最高。

結(jié)合電機(jī)性能試驗(yàn)測量參數(shù)，根據(jù)式（5）、（8）、（12）對電機(jī)效率進(jìn)行計(jì)算。圖1所示為電機(jī)在45 r/min、70 r/min和200 r/min三種工況下效率比較圖。

從圖中分析，在200 rpm工況下，電機(jī)設(shè)計(jì)效率值、試驗(yàn)測量效率值和理論計(jì)算效率值最為接近，分別為97.3%、97.86%和97.41%，試驗(yàn)測量值比理論計(jì)算值高0.42%，理論計(jì)算值和設(shè)計(jì)值較為接近，僅僅相差0.11%；在45rpm工況下，電機(jī)理論計(jì)算效率值最高，分別比試驗(yàn)測量值和設(shè)計(jì)效率值高6.55%和5.45%；在70 rpm時(shí)，理論計(jì)算值比試驗(yàn)測量值和設(shè)計(jì)值高2.24%和2.94%。通過三種工況下效率值比較分析可知，在額定工況下，理論計(jì)算值誤差最小；在45rpm工況下理論計(jì)算值誤差最大；隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的降低，理論計(jì)算誤差逐步增加；在額定工況下，采取負(fù)荷率結(jié)合轉(zhuǎn)速率進(jìn)行效率計(jì)算的方法基本準(zhǔn)確。表2為電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，效率理論計(jì)算值、試驗(yàn)測量值和設(shè)計(jì)值。從表中數(shù)值來看，效率測量值和設(shè)計(jì)值變化趨勢一致，轉(zhuǎn)速越低，負(fù)荷越小，效率越低；而理論計(jì)算值則相反，轉(zhuǎn)速越高，負(fù)荷越大時(shí)，計(jì)算值越小，越接近測量值，進(jìn)一步說明理論計(jì)算方法在電機(jī)低負(fù)荷時(shí)誤差較大。

表3為電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速條件下的效率計(jì)算值。圖2為電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下計(jì)算的效率值分布圖。

從計(jì)算結(jié)果來看，采用理論計(jì)算獲得的電機(jī)效率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，其計(jì)算效率值是逐步下降的。但與試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行比較，此時(shí)理論計(jì)算結(jié)果是逐步接近電機(jī)效率真實(shí)值。

表4根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，分別按電壓和轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)速率而獲取的電機(jī)效率值。對于變頻器按壓頻比進(jìn)行控制的電機(jī)，根據(jù)（6）式，此時(shí)計(jì)算的電機(jī)效率應(yīng)該是相同的。表4計(jì)算結(jié)果也印證了這一結(jié)論。因此對于變頻器采用壓頻比進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的電機(jī)，在采用本文所述方法進(jìn)行電機(jī)效率值計(jì)算時(shí)，只需測量電機(jī)輸入電壓電流值即可，這為電機(jī)效率的測量提供了一條簡單可靠的途徑。

4 結(jié)論

本文針對大型船用變頻推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，在對電機(jī)效率測量計(jì)算方法分析的基礎(chǔ)上，采用轉(zhuǎn)速率和負(fù)荷率對電機(jī)效率計(jì)算方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示在額定工況附近，采用理論計(jì)算獲取的電機(jī)效率值僅僅比測量效率值低0.45%；而在較低轉(zhuǎn)速下，理論計(jì)算值要比測量值高6.55%；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，采用轉(zhuǎn)速率和負(fù)荷率計(jì)算獲取的電機(jī)效率越準(zhǔn)確；在電機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，該方法誤差較大。如果變頻器采用壓頻比進(jìn)行控制，對電機(jī)高負(fù)荷工況下效率的測量，可以直接利用測量的電機(jī)電壓和電流值進(jìn)行計(jì)算獲得。采用轉(zhuǎn)速率和負(fù)荷率進(jìn)行電機(jī)效率的計(jì)算測量，為大型船用變頻推進(jìn)電機(jī)效率的測量提供了一條簡單可靠的途徑，具有較大的工程使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Efficiency Testing Method of Variable Frequency Propulsion Motor for A Ship

Wang Yanwu1,2, Guan Tao1, Xu Dinghai1, Qian Chao3

(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100073, China; 2. The 92601 Unit, Zhanjiang 524005, Guangdong, China; 3. Office of Research & Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

TM306

A

1003-4862（2016）11-0023-04

2016-06-15

王艷武（1977-），男，工程師。研究方向：艦船機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷。