电机型式试验系统中转矩转速传感器转矩静态误差修正的应用

钱 娟，韩宝江，何微波，胡英君，张志伟，荣亮亮

（安徽省电机产品及零部件质量监督检验中心，安徽 宣城 242500）

国际电工委员会IEC 统一将全球的电机能效标准定为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 五个等级（IE5 于2016年发布），代号值越大，代表效率越高，并发布其标准值。2014年，IEC 组织发布了IEC 60034-30-1，将电机功率范围扩大为包含0.12～1000 kW 的电机，极数为2 极、4 极、6 极和8 极。

2020年5 月，中国公布最新电机能效标准GB 18613—2020《电动机能效限定及能效等级》，该标准于2021-06-01 正式实施，标准适用于额定电压1000 V以下，50 Hz 三相交流电源供电，额定功率在0.12～1000 kW 范围内，极数为2 极、4 极、6 极和8 极，单速封闭自扇冷式、N 设计、连续工作制的一般用途电动机或一般用途防爆电动机[1]。

对于三相异步电动机，标准规定需按照GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》中的B 法——测量输入-输出功率的损耗分析法测量效率。B 法对所使用的主要测量仪器、仪表的精度进行了明确的规定，对于转矩测量规定：测量效率时转矩传感器及测量仪的准确度等级应不低于0.2 级，应使用规格合适的转矩传感器及测量仪进行负载试验（A 法、B 法），转矩传感器的标称转矩应不超过被试电机额定转矩的2 倍（堵转试验和最大最小转矩试验除外）。

在被试电机为额定转速时，测得的联轴器及测功机（或负载电机）的风摩耗应不大于被试电机额定输出15%，转矩变化的敏感度应达到额定转矩的0.25%[2]。

1 转矩转速测试设备的原理及特点

1.1 转矩转速传感器的原理及特点

1.1.1 转矩的测量

轴式转矩转速传感器多采用应变片电测技术的转矩测量方式，其原理如图1 所示，在弹性轴上组成应变桥，应变桥施加24 V 直流电源即可测得该弹性轴受扭的电信号，应变电信号放大后，可通过二次测量变换成测得转矩值，此时电信号为模拟量（电压信号），也可以通过压频转换，转变成频率方波信号输出，因此转矩二次信号可为模拟信号或频率信号。

图1 应变片电测技术原理图

1.1.2 转速的测量

转速采用光电开关测速对应齿轮码盘进行测量，测速齿轮码盘一周有60 个齿（也可选120 个齿），旋转轴带动齿轮码盘旋转一周可产生60 个脉冲，当测速齿轮码盘连续旋转时，通过光电开关输出脉冲方波信号，二次测量端根据速齿轮码盘的齿数和输出信号，即可计算出对应的转速。

1.1.3 转矩转速传感器的特点

量程范围：0±额定量程（N·m）。

静态超载：120%。

示值误差：＜±0.1%FS。

非线性：＜±0.1%FS。

重复性：＜±0.1%FS。

滞后：＜±0.1%FS。

使用温度：0～60 ℃。

环境温度：﹣30～60 ℃。

回差：＜0.02%FS。

零点飘移：＜0.03%。

供电电压：24 VDC。

输出信号：频率方波。

1.2 转矩转速传感器二次信号的测量

由于转矩转速传感器二次输出的是频率方波信号（目前使用较多的方式），二次信号必须经过二次仪表转化显示为转矩值和转速值。二次转矩信号一般输出为5～15 kHz 频率方波信号，10 kHz 对应零点，5 kHz对应最小转矩，15 kHz 对应最大转矩。转速为按每圈60 脉冲数计算所得转速值。

转矩转速传感器厂家一般都有配套的二次仪表，但在电机型式试验测量中由于转矩转速二次仪表和功率分析仪在显示和采集过程中存在不同步性，对电机性能计算存在误差，因此现在的中高端功率分析仪均带有电机评价功能，可以直接把转矩转速传感器二次信号接入功率分析仪中，实现同步显示、同步采集。

中高端功率分析仪的主要特点如下：①精确测量电压、电流和功率参数。测量带宽为DC0.0001～500 kHz，基本精度0.05%；②最大6 通道输入，通道间的电气隔离高达5 kV；③具备电机评价功能，可接入转速转矩传感器信号，适合电机型式试验系统；④具备多种接口，用户可通过接口实现远程控制和测量；⑤提供了丰富的测量分析功能，支持波形、向量图、谐波分析等功能；⑥可提供大容量数据存储，支持长时间的数据记录；⑦大尺寸彩色液晶显示器，可显示更多参数；⑧提供丰富、快捷的功能按键；⑨支持鼠标、键盘控制。

2 电机型式试验系统的组成

电机型式试验系统主要由进线单元、静止电源单元、电参数测量单元、机械参数测量单元、被试电机和加载电机组成。型式试验系统原理结构图2 所示。

图2 系统原理结构

电机型式试验系统由2 台静止电源组成能量回馈系统，2 台静止电源采用共直流母线结构，在进行对拖试验时被试电机和加载电机同轴联接，试验过程中被试电机处于电动状态，加载电机处于发电状态，由于2台静止电源采用选用直流共母线方式运行，加载电机发出的电通过直流母线回馈至被试电机，实现能量回馈。电机型式试验系统所需电能仅为2 台电机的损耗和系统损耗，降低了电机型式试验对对电网容量的要求。

3 转矩转速传感器安装

转矩转速传感器的安装是电机型式试验中重要的环节，安装的好坏不仅仅会影响电机型式试验分析结果，也会影响到转矩转速传感器的使用寿命。

电机型式试验中典型的轴系安装如图3 所示，整个轴系包括被试电机、被试电机联轴器、转速转矩传感器被试端联轴器、转矩转速传感器、转速转矩传感器陪试端联轴器、陪试电机联轴器和陪试电机。安装要求是整个轴系尽可能保证同轴心。

图3 典型的轴系安装

安装过程中要注意水平和角度2 个方面的检查，检查过程中分别旋转左右每个法兰来检查平行偏差和角度偏差，如图4 所示。检查工具可用千分表或激光对中仪。

图4 安装检查

4 转矩转速传感器静态静态误差修正

转矩转速传感器的安装要求精度保证在10 丝以内，即便在10丝以内静态时仍会存在一定的静态误差，为保证测量的准确性需对静态误差修正。

转速二次信号一般为频率方波信号，在设置时仅需要设置每转脉冲个数即可，脉冲个数一般为60 或120，具体可根据转矩转速传感器标定值进行设置，不需要修正。设置界面如图5 所示。

图5 转速设置界面

转矩二次信号无论是模拟量方式还是频率方波信号都需要对静态时误差进行修正，下面以通用的频率方波信号为例说明修正方式，模拟量输出方式修正可以参考频率方波信号修正方式。

根据转矩转速传感器的原理，频率方波信号与扭矩值成比例关系，即：

式（1）中：K为比例系数；x为频率方波值；D为偏移量。

频率方波信号与扭矩值线性图如图6 所示。

图6 转速设置界面

以转矩量程为50 Nm 为例说明K和D值的确定，当静态处于绝对零点时，频率方波信号与扭矩值对应关系x=10000，y=0，最大值对应关系x=15000，y=50。将此两点代入（1）式即可确定K和D的值。而实际中由于安装的偏差存在，静态时转矩不会处于绝对零点，修正时需把10 kHz 时y值设置静态时转矩值，最大值不变，由此两点确定K和D值。

如静态点x=10000，y=0.5，最大值x=15000，y=50，K值为0.0099，D值为﹣98.5，把K值和D值输入至功率分析仪中即可，功率分析仪设置界面如图7 所示。

图7 转矩设置界面

5 结语

GB 18613—2020《电动机能效限定及能效等级》要求采用GB/T 1032—2012 B 法来确定电机能效，B法中最关键之一为转矩转速传感器的应用，转矩转速传感器静态误差修正技术可提高转矩测量准确性，此项技术已在国内多个中小型电机厂及质量监督机构获得了应用。