船用變頻推進電機效率測量方法研究

王艷武，關 濤，徐定海，錢 超

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船用變頻推進電機效率測量方法研究

王艷武1,2，關 濤1，徐定海1，錢 超3

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

在對電機效率計算測量方法研究的基礎上，針對船用變頻推進電機運行特點，采用轉速率和負荷率對電機效率進行了理論計算。與實驗測量值進行比較，結果顯示電機轉速和負荷較大時，計算結果準確。當變頻推進電機采用壓頻比控制時，只需要測量電機電壓電流即可通過計算獲得電機效率值。

推進電機 效率 測量

0 前言

綜合電力推進系統由于其出色的隱身性、可靠性、經濟性及操縱控制靈活等優點，己成為世界各國船舶推進發展的趨勢。作為綜合電力推進系統的關鍵設備，推進電機性能直接關系到整個船舶的性能。對推進電機效率進行測量，可以有效評估電機經濟性，并在此基礎上對整個船舶動力性能進行評估，為船舶設計提供重要的理論依據。但是由于船用大功率變頻推進電機工作環境復雜，負載變化劇烈，很難對其效率進行準確測量。針對這一實際問題，本文以一臺變頻推進電機為對象，在實驗測試的基礎上，對大型船用推進電機效率測量方法開展研究，為準確測量船用大功率變頻推進電機效率提供理論支持和工程實現途徑。

1 電機效率測試基本方法

根據定義，電機效率為電機輸出軸功率與輸入電功率的比值：

（1）

式中，P和P分別表示電機輸入電功率和輸出軸功率，P表示電機總損耗功率。

由式（1）可知，電機效率的高低，取決于電機運行過程中損耗的大小。而對電機效率的精確測量，實際上就是對電機輸出軸功率或者是電機運行過程中損耗的精確測量。因此在工程實際中，對電機效率的測量，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，依據IEC61972和GB/T1032[2]，國內外學者對電機效率測量方法進行了廣泛的研究。文獻[3] 使用遺傳算法估算等效電路模型參數，對大功率電機效率進行了在線測量研究，通過與扭矩儀法進行比較，證明了結果的有效性。文獻[4]利用B法在對電機損耗進行測量的基礎上對電機效率測試進行研究。有文獻利用氣隙轉矩法對電機效率測試方法進行了研究，解決了電機輸出轉矩精確測量的問題。為了解決變頻電機諧波分量對電機效率測量的影響，有的文獻對變頻電機效率測量方法進行了研究探索。從這些文獻資料來看，對電機效率測量方法的研究基本上集中在額定負荷和額定轉速下進行，而對于經常變轉速、低負荷運行的船用推進電機來說，如何準確的進行效率測量，則還需要進一步進行研究。本文根據文獻[5]提出的負荷比和轉速比概念，對大型船用推進電機效率測量計算方法進行研究，在此基礎上對大型船用推進電機效率隨轉速和負荷變化規律進行了分析，為大型船用推進電機效率的測量評估提供理論支持。

2 基于負荷比的電機效率測量算法

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

根據（2）式，電機效率為：

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

電機在不同工況下可以利用變頻器進行轉速控制，對于不同轉速定義轉速比為：

(5)

對于一般采用壓頻控制的變頻器驅動電機，其壓頻比為常數，則有：

式中，、f分別為電機實際轉動頻率和額定頻率。

針對電機不同轉速下設計功率不同，定義負荷比為：

由于電機輸出軸功率測量比較困難，為了簡化計算，負荷率計算采用輸入功率進行計算，（7）式變化為：

根據電機基本原理：

(9)

則有：

將式（5）、（8）、（10）代入（4）式，則電機效率為：

(11)

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

3 大功率變頻電機效率測量實例分析

在前述理論分析基礎上，以某型變頻電機為試驗對象，對電機效率測量方法進行應用研究。試驗中分別對45 r/min、70 r/min和200 r/min效率進行測量。在額定工況下，電機轉速為200 r/min，設計效率97.3%。表1為電機在各工況下設計運行參數。直流電壓為變頻器輸入電壓，相電壓和相電流為電機各相電壓、電流有效值。電機一般采取多支路多相運行，在45 rpm及以下工況采取一個支路運行。從設計參數來看，電機在低轉速低負荷下效率較低，額定工況下效率最高。

結合電機性能試驗測量參數，根據式（5）、（8）、（12）對電機效率進行計算。圖1所示為電機在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，電機設計效率值、試驗測量效率值和理論計算效率值最為接近，分別為97.3%、97.86%和97.41%，試驗測量值比理論計算值高0.42%，理論計算值和設計值較為接近，僅僅相差0.11%；在45rpm工況下，電機理論計算效率值最高，分別比試驗測量值和設計效率值高6.55%和5.45%；在70 rpm時，理論計算值比試驗測量值和設計值高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，理論計算值誤差最小；在45rpm工況下理論計算值誤差最大；隨著轉速和負荷的降低，理論計算誤差逐步增加；在額定工況下，采取負荷率結合轉速率進行效率計算的方法基本準確。表2為電機在不同轉速下，效率理論計算值、試驗測量值和設計值。從表中數值來看，效率測量值和設計值變化趨勢一致，轉速越低，負荷越小，效率越低；而理論計算值則相反，轉速越高，負荷越大時，計算值越小，越接近測量值，進一步說明理論計算方法在電機低負荷時誤差較大。

表3為電機在不同轉速條件下的效率計算值。圖2為電機在不同轉速下計算的效率值分布圖。

從計算結果來看，采用理論計算獲得的電機效率隨著電機轉速和負荷的增加，其計算效率值是逐步下降的。但與試驗測量結果進行比較，此時理論計算結果是逐步接近電機效率真實值。

表4根據電機設計參數，分別按電壓和轉速計算轉速率而獲取的電機效率值。對于變頻器按壓頻比進行控制的電機，根據（6）式，此時計算的電機效率應該是相同的。表4計算結果也印證了這一結論。因此對于變頻器采用壓頻比進行轉速控制的電機，在采用本文所述方法進行電機效率值計算時，只需測量電機輸入電壓電流值即可，這為電機效率的測量提供了一條簡單可靠的途徑。

4 結論

本文針對大型船用變頻推進電機運行特點，在對電機效率測量計算方法分析的基礎上，采用轉速率和負荷率對電機效率計算方法進行研究。研究結果顯示在額定工況附近，采用理論計算獲取的電機效率值僅僅比測量效率值低0.45%；而在較低轉速下，理論計算值要比測量值高6.55%；隨著電機轉速和負荷的增加，采用轉速率和負荷率計算獲取的電機效率越準確；在電機低負荷運行時，該方法誤差較大。如果變頻器采用壓頻比進行控制，對電機高負荷工況下效率的測量，可以直接利用測量的電機電壓和電流值進行計算獲得。采用轉速率和負荷率進行電機效率的計算測量，為大型船用變頻推進電機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值。

參考文獻：

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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：艦船機電設備狀態監測與診斷。