淺談電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀的應(yīng)用及校準(zhǔn)方法

余佳

（ 上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

電機(jī)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力設(shè)備，應(yīng)用于機(jī)械、化工、電力等行業(yè)。電機(jī)轉(zhuǎn)子是電機(jī)重要運(yùn)動(dòng)部件之一，電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀是確保電機(jī)轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行的重要技術(shù)保障。本文以提高電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀運(yùn)行可靠性為目的，針對(duì)測試儀的校準(zhǔn)方法進(jìn)行簡要分析。

1 概述

電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀主要考核電機(jī)轉(zhuǎn)子工頻耐壓、匝間沖擊耐壓、絕緣電阻、片間及焊接電阻等技術(shù)指標(biāo)，由工控機(jī)、柜體、測試夾具等三大部分組成[1]，如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、汽車電機(jī)、家用電器和微電機(jī)行業(yè)，是電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)不可缺少的測試設(shè)備。轉(zhuǎn)子是各類電機(jī)的重要部件，其質(zhì)量好壞直接影響電機(jī)及工具的性能和使用壽命。單相串勵(lì)電機(jī)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、家用電器及微特電機(jī)，高速電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子的性能提出了更高的要求。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀設(shè)備

電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀工作原理，如圖2所示。為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)其進(jìn)行定期校準(zhǔn)和調(diào)試，消除潛在故障及誤差隱患[2]。實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇校準(zhǔn)方法，提高校準(zhǔn)結(jié)果的有效性。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀原理框圖

2 計(jì)量特性

轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和各種絕緣材料組成。實(shí)際情況表明，電機(jī)轉(zhuǎn)子故障是電機(jī)的主要故障之一，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行綜合測試包括工頻交流耐壓試驗(yàn)（含工頻耐壓和泄漏電流）、繞組匝間試驗(yàn)（含匝間峰值電壓和波前時(shí)間）、絕緣試驗(yàn)（含絕緣電阻和開路電壓）和繞組電阻的校準(zhǔn)等多項(xiàng)試驗(yàn)。其計(jì)量特性如下：

1）工頻電壓

測量范圍：0 kV～15 kV；最大允許誤差：±3%。

2）擊穿電流

測量范圍：0 A～1 A；最大允許誤差：±3%。

3）匝間峰值電壓

測量范圍：0 kV～40 kV；最大允許誤差：±10%。

4）波前時(shí)間

測量值：1.2μs；最大允許誤差：±30%。

5）絕緣電阻開路電壓

測量范圍：0 kV～5 kV；最大允許誤差：±5%。

6）絕緣電阻

測量范圍：0 GΩ～100 GΩ；最大允許誤差：±10%。

7）繞組電阻

測量范圍：0 kΩ～10 kΩ；最大允許誤差：±0.5%；

8）測試時(shí)間

最大允許誤差：±3%。

3 校準(zhǔn)方法

3.1 繞組匝間試驗(yàn)

電機(jī)諸多故障中，匝間絕緣故障占大多數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀的匝間功能可以有效識(shí)別轉(zhuǎn)子的匝間故障（主要指線圈繞組與線之間及換向器片間是否短路和絕緣不良）。匝間耐壓的檢測方法是在相鄰的換向器之間加載一定幅值、一定波形要求的沖擊電壓。匝間耐壓功能接線，如圖3所示。

圖3 匝間耐壓功能接線圖

將測試儀的匝間功能輸出脈沖峰值電壓調(diào)至設(shè)定值作為檢測點(diǎn)，在所選取的檢測點(diǎn)上操作匝間耐壓測試儀，使其輸出脈沖峰值電壓。測試儀匝間功能量程滿度值為Um，在量程內(nèi)選取包括10%、50%和100%（或最近刻度點(diǎn)）的3～5點(diǎn)分別進(jìn)行校準(zhǔn)。用示波器觀察高壓探棒上所受的脈沖峰值電壓，重復(fù)測量2次，取其平均值作為測量值。

匝間耐壓測試儀輸出峰值電壓的相對(duì)誤差y

式中：yL為匝間電壓相對(duì)誤差，Vm為匝間耐壓設(shè)定值，Vp為實(shí)測值。

3.2 不確定度評(píng)定

校準(zhǔn)環(huán)境條件：溫度：21℃，相對(duì)濕度：58% RH

匝間耐壓功能計(jì)量特性，見表1。匝間耐壓功能被校對(duì)象，見表2。

表1 匝間耐壓功能計(jì)量特性

表2 匝間耐壓功能被校對(duì)象

采用圖3所示的接線方式，將高壓探棒的信號(hào)線接入數(shù)字示波器，調(diào)節(jié)數(shù)字示波器為合適的測量狀態(tài)，啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，讀取綜合測試儀匝間電壓的讀數(shù)UX及數(shù)字示波器測量的沖擊電壓波形的峰值U1，由于示波器連接高壓探頭，設(shè)置衰減比為1 000:1，則匝間峰值電壓可由示波器直接讀取，且單位為kV。

式中，K為高壓探棒的衰減比,通常為1 000:1，U為示波器采集信號(hào)電壓值。

其測量模型如下

式中，Δ為匝間電壓示值誤差，UX為輸出匝間電壓峰值，U1為數(shù)字示波器記錄的波形峰值測量值。

3.2.1 電機(jī)綜合測試儀輸出匝間電壓峰值的測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(U1)

在重復(fù)性條件下，對(duì)20 kV測量點(diǎn)進(jìn)行10次連續(xù)測量，從數(shù)字示波器讀出峰值數(shù)據(jù)，見表3。

表3 測量數(shù)據(jù)

3.2.2 數(shù)字示波器示值不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(U1)

依照數(shù)字示波器的技術(shù)指標(biāo)，其幅值測量的最大允許誤差為±1%，當(dāng)測量20 kV時(shí)，則半寬度a1=0.2 kV在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布。

則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(U1)：

3.2.3 高壓探棒不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(K)

依照高壓探棒的技術(shù)指標(biāo)，衰減比的最大允許誤差為±1.0%，衰減比為1 000，當(dāng)測量20 kV的匝間電壓時(shí)，半寬度a2=0.2 kV。在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布。

則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(K)：

將以上不確定度分量合成:u23(U2)＝0.17 kV

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(I1)的評(píng)定

不確定度匯總數(shù)據(jù)，見表4。

表4 不確定度匯總表

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(I1)：

擴(kuò)展不確定度U

取包含因子k=2 ,則擴(kuò)展不確定度U=kuc(U)=394 V,相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=0.394/20×100%=2.0%。

3.4 測量不確定度的報(bào)告與表示

綜合測試儀匝間功能在輸出沖擊電壓為20 kV時(shí)的峰值測量結(jié)果相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：Urel=2.0%（k=2）

4 其他功能

1）外觀及性能檢查。儀器銘牌文字清楚，接線端子不應(yīng)松動(dòng)，無影響正常工作的機(jī)械損傷，有專用接地端。接通電源，儀器處于正常狀態(tài)，數(shù)碼管顯示無缺損，指示燈工作正常。

2）工頻耐電壓和泄漏電流校準(zhǔn)。將電機(jī)綜合測試儀的高壓輸出端和地端分別與數(shù)顯高壓表的高低壓端相連接，接通數(shù)顯高壓表的交流功能，對(duì)綜合測試儀的工頻耐壓功能進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖4所示。

圖4 工頻耐壓測試接線圖

校準(zhǔn)點(diǎn)的選?。簻y試儀的電壓功能的量程滿度值為Um，在20%Um～100%Um內(nèi)，均勻選取校準(zhǔn)點(diǎn)（或最近滿度點(diǎn)），且不少于4點(diǎn)。校準(zhǔn)點(diǎn)也可根據(jù)實(shí)際工作需要進(jìn)行選取。

進(jìn)行擊穿電流校準(zhǔn)時(shí)，將數(shù)字多用表置于與所測擊穿電流大小相匹配的量程。按照被校儀器電流的標(biāo)稱值選擇適當(dāng)?shù)目勺冸娮杵髯柚?，電機(jī)綜合測試儀的輸出電壓由低至高緩慢調(diào)節(jié)，由大至小緩慢調(diào)整可變電阻的阻值，在0 mA～20 mA內(nèi)選取若干測量點(diǎn)進(jìn)行測量，計(jì)算相對(duì)誤差。測量點(diǎn)應(yīng)覆蓋滿量程，在20%～100%范圍內(nèi)均勻選取至少3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)（或最近刻度點(diǎn)）。校準(zhǔn)點(diǎn)也可根據(jù)實(shí)際工作需要進(jìn)行選取。

3）電壓持續(xù)（保持）時(shí)間的校準(zhǔn)。測試儀電壓持續(xù)（保持）時(shí)間的校準(zhǔn)點(diǎn)選取：≤ 20 s內(nèi)選擇至少一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。＞20 s內(nèi)選擇至少1個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，其中60 s為必選點(diǎn)。

將測試儀時(shí)間控制置于定時(shí)方式。調(diào)整輸出電壓至0.1 UH，但不低于500 V。按下啟動(dòng)鍵，當(dāng)測試儀輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)發(fā)出切斷信號(hào)時(shí)，終止計(jì)時(shí)。測量時(shí)間即為電壓持續(xù)（保持）時(shí)間實(shí)際值。

4）絕緣電阻和開路電壓校準(zhǔn)。將電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀絕緣功能的高壓輸出端和地端分別與數(shù)顯高壓表的高低壓端相連接，接通數(shù)顯高壓表的直流檔功能，對(duì)綜合測試儀的絕緣電阻開路電壓功能進(jìn)行校準(zhǔn)。開路電壓的選取為測試儀額定電壓設(shè)定值，常見為500 V、1 000 V、2 500 V和5 000 V。數(shù)顯高壓表測量的直流電壓值即為開路電壓實(shí)際值，絕緣電阻的校準(zhǔn)則與標(biāo)準(zhǔn)電阻器接線，在量程范圍內(nèi)選擇3～5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，應(yīng)包括量程10%、50%、90%的附近值，也可按需要選擇校準(zhǔn)點(diǎn)。

5）片間電阻校準(zhǔn)。將綜合測試儀的電阻功能測試線路與標(biāo)準(zhǔn)電阻器連接，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻器的阻值，在量程范圍內(nèi)均勻選取3～5個(gè)測試點(diǎn)，進(jìn)行電阻的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)點(diǎn)也可根據(jù)實(shí)際工作需要進(jìn)行選取。

5 結(jié)語

電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀在工業(yè)生產(chǎn)中使用較多，在使用中也經(jīng)常出現(xiàn)一些故障。因此，每年定期對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀進(jìn)行性能的校準(zhǔn)，及早發(fā)現(xiàn)其性能隱患顯得非常重要。為保證電機(jī)轉(zhuǎn)子綜合測試儀運(yùn)行可靠性，需要對(duì)其存在的問題進(jìn)行分析，對(duì)存在的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，提高其測量精度與正確性，以提高電機(jī)運(yùn)行可靠性。