檢測技術(shù)及設(shè)備在電機制造中的應(yīng)用

吳漢熙，韓寶江，李巧蓮，王傳軍

(上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

電機檢測是利用儀器、儀表及相關(guān)設(shè)備，按照相關(guān)標準的規(guī)定，對電機制造過程中形成的半成品和成品的電氣性能、力學(xué)性能、安全性能及可靠性等技術(shù)指標進行試驗。通過這些檢驗可以全部或者部分反映出被檢電機的有關(guān)性能數(shù)據(jù)，電機檢測是電機產(chǎn)品制造全過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一[1]。試驗方法和檢測儀器、儀表、檢測設(shè)備是保證能否達到目的的重要因素。在中小型電機整個發(fā)展進程中，花了大量的人力、物力和資源，致力于試驗方法的科學(xué)性、合理性、先進性的研究及試驗方法的標準工作，還組織先進檢測設(shè)備的研發(fā)并推廣應(yīng)用，以滿足標準的要求，從而使我國的檢測能力、水平跟上國際先進檢測技術(shù)的發(fā)展。

1 檢測技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 試驗方法標準

國際電工委員會IEC/TC2于2006年提出制定一項電機能效分級標準，該標準將電機的效率分為 IE1，IE2，IE3，IE4，共 4 級，效率指標覆蓋范圍為0.75 ～375 kW，極數(shù)為 2，4，6 極，分 50 Hz和60 Hz兩類指標[2]，標準于2008年底正式發(fā)布。目前，各國電機產(chǎn)品市場上效率等級情況如下:美國，加拿大，澳大利亞等國市場為IE2效率等級，并為該國的最低強制標準，歐洲于2008年強制執(zhí)行IE2效率等級標準;我國市場上使用的電機效率水平僅為 IE1效率(平均效率約為87%)等級，按照我國節(jié)能中長期規(guī)劃中明確的指標要求，到2010年電機的效率水平應(yīng)達到IE2效率(平均效率約為90%)等級[3]。

由于世界各國都致力于研究開發(fā)高效電機，研究一套適合高效電機試驗方法就提上了日程。2003年，歐盟成立了研究小組，開始研究對比現(xiàn)有的各種試驗方法，包括112B法、輸入輸出法、反轉(zhuǎn)法，以及1967年就有專家提出的EH-star法。比較內(nèi)容有方法的準確度，以及成本、操作的方便性等。經(jīng)過兩年多工作，工作組通過對現(xiàn)有的幾種方法在相同的電機上進行試驗對比，得出結(jié)論為EH-star方法測試的不確定度為“中”，比已列入IEC 60034-2標準中的反轉(zhuǎn)法的不確定度要低，比 112B法高[4]。歐盟向 IEC TC2/WG28工作組提出，在標準IEC 60034-2的修訂版中，將EH-star方法列入標準。IEC 60034-2-1《確定損耗和效率的試驗方法(牽引電機除外)》已于2007年9月10日正式發(fā)布，作為新一版的國際標準已開始實施。新一版標準中，已正式取消了用輸入功率的0.5% 這一假定值來確定附加損耗。新標準中規(guī)定了用4種方法來確定附加損耗:剩余損耗法(即IEEE 112B法)、反轉(zhuǎn)法、假定值(與輸出功率有關(guān)的插值曲線得出)和EH-star法[5]。各種方法的不確定度評價如表1所示。

表1 不確定度評價

我國的電機試驗標準參考了美國和歐盟的試驗標準，并決定采用低不確定度的試驗方法:剩余損耗法(即 IEEE 112B法)。在 GB1032—2005中，我國已經(jīng)把IEEE 112B法寫入其中，并推薦使用IEEE 112B法對電機進行效率試驗。

1.2 儀器儀表及試驗電源

20世紀80年代初，電機試驗的電壓、電流、功率等測量均采用單一、分體式數(shù)字儀表，與指針式儀表相似。存在三相電量參數(shù)不能同時采樣，且穩(wěn)定性差、準確度低、線路復(fù)雜等問題。

20世紀80年代中期，由于應(yīng)用了單片微處理器技術(shù)推動了數(shù)字儀器的快速發(fā)展，為智能化儀器問世提供了條件。智能化電參數(shù)測量儀的電壓電流部分采用直接采樣方式，保證原始信號無失真處理。儀表內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)的處理，采用傅里葉級數(shù)分析處理或均方根值的計算方式得出有效值，確保所測數(shù)據(jù)的準確性。這種測量儀除顯示電壓、電流、功率外，還能擴展顯示功率因數(shù)、頻率等多種電量參數(shù)，具有線路簡化，穩(wěn)定性強，準確度高，多功能測量一體化等特點。

2000年后由于應(yīng)用了內(nèi)核16/32位的DSP等技術(shù)，使A/D采樣速度、運算速度等與原單片機相比又有了較大幅度的提高，從而使采集的實時數(shù)據(jù)更加豐富，這為進行多次諧波、瞬時信號分析處理提供了保障。在穩(wěn)定性和準確度方面比早期的智能化電參數(shù)測量儀均有較大的提高，在中小電機行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著我國電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來采用了靜止變頻試驗電源。這種試驗電源采用交－直－交供電方式，外加特殊的濾波器，實現(xiàn)正弦波輸出。其核心技術(shù)是通過變頻器和濾波器的組合，將SPWM調(diào)制波轉(zhuǎn)換為正弦波。

現(xiàn)生產(chǎn)的靜止變頻試驗電源的主要特點如下:頻響范圍寬3～250 Hz;THD≤2%;頻率和電壓可分別單獨調(diào)節(jié);具有軟起動功能，對供電電網(wǎng)容量可適當降低;頻率和電壓調(diào)節(jié)范圍可給定;空載和疊頻試驗時具有無功補償;負載試驗時可回饋。該類型靜止變頻試驗電源試驗站已在數(shù)家電機制造企業(yè)投入運行，得到用戶一致好評。

2 半成品試驗

半成品試驗主要針對電機元件或組件的試驗，如繞組的匝間耐電壓試驗、定制三相繞組的三相電流平衡試驗、繞組對機殼絕緣的測定、繞組相間絕緣的測定和介電強度試驗(俗稱耐電壓試驗)以及對轉(zhuǎn)子檢查試驗等。

絕緣電阻測定試驗主要測定繞組對機殼(對地)和相與相之間的絕緣電阻。JY系列數(shù)字絕緣電阻測試儀是一種可用于測量電機、電纜、電氣設(shè)備絕緣電阻的智能型測試儀器，測量量程可自動轉(zhuǎn)換，可根據(jù)試驗要求設(shè)定絕緣電阻報警值和測試時間。

繞組直流電阻測定試驗主要測定電機繞組的直流電阻。通過對實測電阻值的分析可以初步判定被試電機繞組的匝數(shù)、線徑、接線方式等是否達到要求，繞組直流電阻的測定試驗必須選擇較高精度的測試儀表。RDC2512型智能直流低電阻測試儀是一種性能優(yōu)異的專業(yè)低電阻測量的智能化儀器，可以測量線圈的繞組電阻，電纜的導(dǎo)線電阻等各類低值電阻，測量精度高。

繞組匝間耐沖擊電壓試驗主要測定被試電機繞組是否存在匝間短路及各種阻抗不平衡故障。RZJ系列繞組匝間沖擊耐電壓測試儀采用沖擊波比較法，以高頻、高壓脈沖對電機繞組進行等效過電壓的無損模擬試驗，采用數(shù)字示波器，精確分析波形，能直觀、迅速準確地測試繞組匝間短路及各種阻抗不平衡故障。

電機繞組需進行三相對地和各相間的耐電壓試驗，PVT系列(電機工頻)耐電壓試驗儀適用于各種單/三相交流電機、變壓器等的工頻耐電壓試驗，一次接線即可自動組合完成三相對地和相間的耐電壓試驗，可根據(jù)試驗要求設(shè)定報警電流值和測試時間。

數(shù)字電參數(shù)(綜合)測試儀適用于測量三相/單相電器設(shè)備的電壓、電流、功率、功率因數(shù)和頻率等參數(shù)，如DK300系列，可以測量電機穩(wěn)定運行時的各電參數(shù)，還可分析電機起動、堵轉(zhuǎn)時的電參數(shù)特性，捕捉三相電流的最大值及電流最大時對應(yīng)的時間、電壓等，并可記錄電流的實時波形。

隨著工業(yè)控制計算機和PLC等高性能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電機半成品的檢驗已經(jīng)由分散的儀器檢驗向集成化、智能化不斷發(fā)展，如DZC系列電機定子性能綜合測試儀適用于中小型交流電機、直流電機的定子線圈繞組的直流電阻，絕緣電阻、工頻耐電壓、匝間沖擊耐電壓檢測的綜合測試，操作簡單，一次接線自動完成全部測試項目，具有自動分析、判斷、統(tǒng)計各項目測試結(jié)果的功能，極大地方便了用戶對電機半成品的檢驗。

3 檢查試驗

檢查試驗習(xí)慣上稱為“出廠試驗”，它是在電機定型后批量生產(chǎn)時，對每臺組裝為成品的電機進行部分性能的簡單試驗。檢測項目包括直流電阻、絕緣電阻、電氣強度、空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗等。

現(xiàn)代的出廠試驗系統(tǒng)主要包括試驗電源、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析管理軟件。測量系統(tǒng)采用工控機主控，可預(yù)置被測電機標準參數(shù)，只需一次接線即可完成一臺或多臺電機的全部測試項目。自動分析、判斷、統(tǒng)計各項測試結(jié)果，并具存儲、打印等功能。

現(xiàn)代的出廠試驗系統(tǒng)主要分為批量式電機出廠試驗系統(tǒng)和節(jié)拍式電機出廠試驗系統(tǒng)。批量式電機出廠試驗系統(tǒng)一般為2工位和8工位，試驗時相同規(guī)格的一批電機分別接在各工位上，按功能逐項進行，各電機同時或逐臺進行試驗。主要適用于電機有較長時間的空轉(zhuǎn)要求。多工位數(shù)生產(chǎn)當量大，耐電壓試驗必須采用1 min標準的場合，如EPT－1電機出廠試驗系統(tǒng)。節(jié)拍式電機出廠試驗系統(tǒng)是專門為流水線配套，試驗時電機定位安裝在流水線上，隨流水線移動，移至一個工位，系統(tǒng)自動完成該工位預(yù)訂的試驗任務(wù)，如EPT－3電機出廠試驗系統(tǒng)。

4 型式試驗

型式試驗主要是指能夠較確切地得到被試電機有關(guān)性能參數(shù)的試驗，對新設(shè)計試制的產(chǎn)品，經(jīng)鑒定定型后小批量投產(chǎn)的產(chǎn)品，設(shè)計或工藝上的變更足以引起電機某些特性和參數(shù)發(fā)生變化的產(chǎn)品，檢查試驗結(jié)果與以前型式試驗結(jié)果發(fā)生不可允許的偏差的產(chǎn)品，以及產(chǎn)品定型投產(chǎn)后的定期檢查都必須做型式試驗，以驗證電機是否達到設(shè)計要求。

型式試驗按結(jié)構(gòu)可分為三種類型試驗系統(tǒng)。

一是靜止電源型式試驗系統(tǒng)，靜止電源型式試驗系統(tǒng)是電力電子技術(shù)和自動化控制技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，采用電力電子設(shè)備供電的試驗系統(tǒng)，以其優(yōu)越的性能和良好的控制性能、友好的人機界面和良好的可擴展性能，為智能化電機試驗系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的技術(shù)條件。系統(tǒng)控制采用計算機+PLC控制技術(shù)對試驗電源進行控制，實現(xiàn)試驗過程電源調(diào)整的自動化;采用計算機數(shù)據(jù)采集技術(shù)和分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)相結(jié)合，形成一個網(wǎng)絡(luò)群控智能型試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對電機進行全面試驗檢測及性能分析。試驗數(shù)據(jù)自動在計算機中進行實時記錄和處理，自動生成試驗報告和試驗曲線，從而大大提高了試驗數(shù)據(jù)的準確性，提高了工作效率，如MST－1型式試驗系統(tǒng)。

二是機組電源型式試驗系統(tǒng)。機組電源試驗系統(tǒng)采用直流機組拖動同步發(fā)電機組作為被試和陪試電源，直流機組采用共母線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能量回饋。機組電源試驗系統(tǒng)自動化程度較高，可實現(xiàn)穩(wěn)頻、穩(wěn)壓，負載穩(wěn)定性較好，如MST－2型式試驗系統(tǒng)。但與靜止電源型式試驗系統(tǒng)相比，其存在噪聲大，占地面積大，頻率調(diào)節(jié)范圍窄等缺點。

三是傳統(tǒng)式型式試驗系統(tǒng)。傳統(tǒng)式型式試驗系統(tǒng)采用調(diào)壓器或機組作為主電源，采用直接消耗法作為負載，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資小，但由于系統(tǒng)能耗較大，目前已經(jīng)較少用于電機型式試驗系統(tǒng)，如MST－3型式試驗系統(tǒng)。

5 結(jié)語

電機檢測是電機產(chǎn)品制造全過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，電機檢測技術(shù)為電機檢測的實現(xiàn)提供了重要依據(jù)，而電機檢測設(shè)備則為電機檢測提供了基本的保障。隨著我國高效電機的不斷推廣，對電機的試驗系統(tǒng)提出了更高的要求，研制開發(fā)高精度、高質(zhì)量、高性價比的電機試驗系統(tǒng)勢在必行，它將為我國的電機制造企業(yè)對高效及超高效電機的設(shè)計提供基本保證。

[1]才家剛，吳亞奇.電機試驗技術(shù)及設(shè)備手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[2]王傳軍，金惟偉，陳亙，等.高效和超高效電機低不確定度效率測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電機控制與應(yīng)用，2010，37(4):1-5.

[3]顧德軍.不同測試方法對電動機效率的影響[J].電機控制與應(yīng)用，2010，37(5):52-54.

[4]IEC 60034-30—2008單相，三相籠型感應(yīng)電動機的能效分級(IE代碼)[S].

[5]IEC 60034-2-1—2007 Rotating electrical machines-Part2-1:Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)[S].