電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)矩靜態(tài)誤差修正的應(yīng)用

錢 娟，韓寶江，何微波，胡英君，張志偉，榮亮亮

（安徽省電機(jī)產(chǎn)品及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城 242500）

國際電工委員會(huì)IEC 統(tǒng)一將全球的電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)定為IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 五個(gè)等級(jí)（IE5 于2016年發(fā)布），代號(hào)值越大，代表效率越高，并發(fā)布其標(biāo)準(zhǔn)值。2014年，IEC 組織發(fā)布了IEC 60034-30-1，將電機(jī)功率范圍擴(kuò)大為包含0.12～1000 kW 的電機(jī)，極數(shù)為2 極、4 極、6 極和8 極。

2020年5 月，中國公布最新電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定及能效等級(jí)》，該標(biāo)準(zhǔn)于2021-06-01 正式實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電壓1000 V以下，50 Hz 三相交流電源供電，額定功率在0.12～1000 kW 范圍內(nèi)，極數(shù)為2 極、4 極、6 極和8 極，單速封閉自扇冷式、N 設(shè)計(jì)、連續(xù)工作制的一般用途電動(dòng)機(jī)或一般用途防爆電動(dòng)機(jī)[1]。

對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需按照GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中的B 法——測(cè)量輸入-輸出功率的損耗分析法測(cè)量效率。B 法對(duì)所使用的主要測(cè)量?jī)x器、儀表的精度進(jìn)行了明確的規(guī)定，對(duì)于轉(zhuǎn)矩測(cè)量規(guī)定：測(cè)量效率時(shí)轉(zhuǎn)矩傳感器及測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)不低于0.2 級(jí)，應(yīng)使用規(guī)格合適的轉(zhuǎn)矩傳感器及測(cè)量?jī)x進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)（A 法、B 法），轉(zhuǎn)矩傳感器的標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩應(yīng)不超過被試電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2 倍（堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)和最大最小轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)除外）。

在被試電機(jī)為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，測(cè)得的聯(lián)軸器及測(cè)功機(jī)（或負(fù)載電機(jī)）的風(fēng)摩耗應(yīng)不大于被試電機(jī)額定輸出15%，轉(zhuǎn)矩變化的敏感度應(yīng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的0.25%[2]。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試設(shè)備的原理及特點(diǎn)

1.1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的原理及特點(diǎn)

1.1.1 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量

軸式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器多采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量方式，其原理如圖1 所示，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，應(yīng)變橋施加24 V 直流電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)，應(yīng)變電信號(hào)放大后，可通過二次測(cè)量變換成測(cè)得轉(zhuǎn)矩值，此時(shí)電信號(hào)為模擬量（電壓信號(hào)），也可以通過壓頻轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成頻率方波信號(hào)輸出，因此轉(zhuǎn)矩二次信號(hào)可為模擬信號(hào)或頻率信號(hào)。

圖1 應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)原理圖

1.1.2 轉(zhuǎn)速的測(cè)量

轉(zhuǎn)速采用光電開關(guān)測(cè)速對(duì)應(yīng)齒輪碼盤進(jìn)行測(cè)量，測(cè)速齒輪碼盤一周有60 個(gè)齒（也可選120 個(gè)齒），旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)齒輪碼盤旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生60 個(gè)脈沖，當(dāng)測(cè)速齒輪碼盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過光電開關(guān)輸出脈沖方波信號(hào)，二次測(cè)量端根據(jù)速齒輪碼盤的齒數(shù)和輸出信號(hào)，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

1.1.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的特點(diǎn)

量程范圍：0±額定量程（N·m）。

靜態(tài)超載：120%。

示值誤差：＜±0.1%FS。

非線性：＜±0.1%FS。

重復(fù)性：＜±0.1%FS。

滯后：＜±0.1%FS。

使用溫度：0～60 ℃。

環(huán)境溫度：﹣30～60 ℃。

回差：＜0.02%FS。

零點(diǎn)飄移：＜0.03%。

供電電壓：24 VDC。

輸出信號(hào)：頻率方波。

1.2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器二次信號(hào)的測(cè)量

由于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器二次輸出的是頻率方波信號(hào)（目前使用較多的方式），二次信號(hào)必須經(jīng)過二次儀表轉(zhuǎn)化顯示為轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值。二次轉(zhuǎn)矩信號(hào)一般輸出為5～15 kHz 頻率方波信號(hào)，10 kHz 對(duì)應(yīng)零點(diǎn)，5 kHz對(duì)應(yīng)最小轉(zhuǎn)矩，15 kHz 對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速為按每圈60 脈沖數(shù)計(jì)算所得轉(zhuǎn)速值。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器廠家一般都有配套的二次儀表，但在電機(jī)型式試驗(yàn)測(cè)量中由于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速二次儀表和功率分析儀在顯示和采集過程中存在不同步性，對(duì)電機(jī)性能計(jì)算存在誤差，因此現(xiàn)在的中高端功率分析儀均帶有電機(jī)評(píng)價(jià)功能，可以直接把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器二次信號(hào)接入功率分析儀中，實(shí)現(xiàn)同步顯示、同步采集。

中高端功率分析儀的主要特點(diǎn)如下：①精確測(cè)量電壓、電流和功率參數(shù)。測(cè)量帶寬為DC0.0001～500 kHz，基本精度0.05%；②最大6 通道輸入，通道間的電氣隔離高達(dá)5 kV；③具備電機(jī)評(píng)價(jià)功能，可接入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)，適合電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)；④具備多種接口，用戶可通過接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和測(cè)量；⑤提供了豐富的測(cè)量分析功能，支持波形、向量圖、諧波分析等功能；⑥可提供大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄；⑦大尺寸彩色液晶顯示器，可顯示更多參數(shù)；⑧提供豐富、快捷的功能按鍵；⑨支持鼠標(biāo)、鍵盤控制。

2 電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)的組成

電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)線單元、靜止電源單元、電參數(shù)測(cè)量單元、機(jī)械參數(shù)測(cè)量單元、被試電機(jī)和加載電機(jī)組成。型式試驗(yàn)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)由2 臺(tái)靜止電源組成能量回饋系統(tǒng)，2 臺(tái)靜止電源采用共直流母線結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行對(duì)拖試驗(yàn)時(shí)被試電機(jī)和加載電機(jī)同軸聯(lián)接，試驗(yàn)過程中被試電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，加載電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，由于2臺(tái)靜止電源采用選用直流共母線方式運(yùn)行，加載電機(jī)發(fā)出的電通過直流母線回饋至被試電機(jī)，實(shí)現(xiàn)能量回饋。電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)所需電能僅為2 臺(tái)電機(jī)的損耗和系統(tǒng)損耗，降低了電機(jī)型式試驗(yàn)對(duì)對(duì)電網(wǎng)容量的要求。

3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的安裝是電機(jī)型式試驗(yàn)中重要的環(huán)節(jié)，安裝的好壞不僅僅會(huì)影響電機(jī)型式試驗(yàn)分析結(jié)果，也會(huì)影響到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的使用壽命。

電機(jī)型式試驗(yàn)中典型的軸系安裝如圖3 所示，整個(gè)軸系包括被試電機(jī)、被試電機(jī)聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器被試端聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器陪試端聯(lián)軸器、陪試電機(jī)聯(lián)軸器和陪試電機(jī)。安裝要求是整個(gè)軸系盡可能保證同軸心。

圖3 典型的軸系安裝

安裝過程中要注意水平和角度2 個(gè)方面的檢查，檢查過程中分別旋轉(zhuǎn)左右每個(gè)法蘭來檢查平行偏差和角度偏差，如圖4 所示。檢查工具可用千分表或激光對(duì)中儀。

圖4 安裝檢查

4 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)靜態(tài)誤差修正

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的安裝要求精度保證在10 絲以內(nèi)，即便在10絲以內(nèi)靜態(tài)時(shí)仍會(huì)存在一定的靜態(tài)誤差，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性需對(duì)靜態(tài)誤差修正。

轉(zhuǎn)速二次信號(hào)一般為頻率方波信號(hào)，在設(shè)置時(shí)僅需要設(shè)置每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)即可，脈沖個(gè)數(shù)一般為60 或120，具體可根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器標(biāo)定值進(jìn)行設(shè)置，不需要修正。設(shè)置界面如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速設(shè)置界面

轉(zhuǎn)矩二次信號(hào)無論是模擬量方式還是頻率方波信號(hào)都需要對(duì)靜態(tài)時(shí)誤差進(jìn)行修正，下面以通用的頻率方波信號(hào)為例說明修正方式，模擬量輸出方式修正可以參考頻率方波信號(hào)修正方式。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的原理，頻率方波信號(hào)與扭矩值成比例關(guān)系，即：

式（1）中：K為比例系數(shù)；x為頻率方波值；D為偏移量。

頻率方波信號(hào)與扭矩值線性圖如圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)速設(shè)置界面

以轉(zhuǎn)矩量程為50 Nm 為例說明K和D值的確定，當(dāng)靜態(tài)處于絕對(duì)零點(diǎn)時(shí)，頻率方波信號(hào)與扭矩值對(duì)應(yīng)關(guān)系x=10000，y=0，最大值對(duì)應(yīng)關(guān)系x=15000，y=50。將此兩點(diǎn)代入（1）式即可確定K和D的值。而實(shí)際中由于安裝的偏差存在，靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩不會(huì)處于絕對(duì)零點(diǎn)，修正時(shí)需把10 kHz 時(shí)y值設(shè)置靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩值，最大值不變，由此兩點(diǎn)確定K和D值。

如靜態(tài)點(diǎn)x=10000，y=0.5，最大值x=15000，y=50，K值為0.0099，D值為﹣98.5，把K值和D值輸入至功率分析儀中即可，功率分析儀設(shè)置界面如圖7 所示。

圖7 轉(zhuǎn)矩設(shè)置界面

5 結(jié)語

GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定及能效等級(jí)》要求采用GB/T 1032—2012 B 法來確定電機(jī)能效，B法中最關(guān)鍵之一為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器靜態(tài)誤差修正技術(shù)可提高轉(zhuǎn)矩測(cè)量準(zhǔn)確性，此項(xiàng)技術(shù)已在國內(nèi)多個(gè)中小型電機(jī)廠及質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)獲得了應(yīng)用。