淺析稀土永磁無鐵心電動機系統用能情況的測試方法

周瑋杰

(上海電科系統能效檢測有限公司，上海 200063)

淺析稀土永磁無鐵心電動機系統用能情況的測試方法

周瑋杰

(上海電科系統能效檢測有限公司，上海 200063)

介紹了利用高精度功率分析儀、工頻和霍爾電流傳感器及轉矩轉速傳感器所組成的測試系統，在稀土永磁無鐵心電動機系統測試中的應用。解決了以往類似測試系統所產生的數據不確定性問題，提高了測試精度，縮小了誤差。這為今后測試類似電機系統提供了一種新的測試方案。

稀土永磁無鐵心電動機； 電機系統測試； 高精度； 霍爾傳感器

0 引 言

隨著現代科技的不斷進步和國際社會對工業及企業不斷提高節能減排的要求，誕生了一大批新型節能減排產品，并被實際應用到各個領域。超高效永磁同步電動機和調速高效永磁同步電動機在節能減排方面發揮了重大作用。隨著永磁電動機技術的不斷提升和加工工藝的不斷完善，永磁無鐵心電動機被推向了高效節能電機系統改造的市場，而這類產品具有廣闊的應用前景。這類新型節能產品的節能潛力需要高精度的測試設備和更完善的測試方法來進行分析。

1 稀土永磁無鐵心電動機的優勢

普通三相異步電動機的旋轉磁場是通過定子繞組電流產生的，電機的鐵心則使用高磁導率的冷軋硅鋼片疊壓制作而成。但鐵心對電機的重量和體積產生重要影響，同時普通電動機的鐵心在其運轉過程中，無論是空載還是滿載狀態都存在鐵損，最終導致電動機的整體損耗增加，尤其是對高效、超高效電動機的效率存在明顯影響。據統計鐵耗將近占總損耗的30%[1]。

稀土永磁無鐵心電動機由高磁導率的釹鐵硼永磁材料制作而成，無需使用硅鋼片，與以往傳統電動機相比是技術性的突破。高效率、高功率因數(接近1.0)、低噪聲和幾乎可以忽略的鐵損是其最大的特點。

2 稀土永磁無鐵心電動機系統組成及原理

該系統是由電機控制器、稀土永磁無鐵心電動機、位置反饋裝置(編碼器)、轉速回饋裝置及傳動裝置組成[2]。通過轉速回饋裝置，在電機負載增加的過程中，調整控制器輸入電機的頻率，精確控制電動機的轉速，如同普通三相籠型起動稀土永磁同步電動機，正常運轉時轉子無轉差。

控制器的原理圖如圖1所示。

圖1 稀土永磁無鐵心電動機控制器系統原理圖

3 主要測試儀器性能簡介

Norma5000高精度功率分析儀采用3 MHz高帶寬架構，擁有目前市場上同類型功率分析儀相比最高的測試帶寬。能夠精確測量正弦和非正弦的電壓和電流；它高達341 kHz的采樣率可以實現高速采樣，具備諧波分析、快速傅里葉變換(FFT)分析以及計算功率和其他參數的功能。對于任意波形、頻率或相位漂移，Norma5000提供了同類產品中領先的準確度和共模抑制性能，同時三相六通道的設計是電機系統最佳的測試和分析工具。

LEM有源霍爾電流互感器，形式為中間穿孔，三引線端的方形塑封測量器件，中間透孔供穿過變頻器或電機控制器的輸出電流引線，作為一次側。能較準確地測試輸出類似調制波形的電流值。

HBM高精度轉矩轉速傳感器，最大特點是高精度、非接觸式和高速采樣。其原理是通過霍爾元件受力產生細微形變對整體導電率產生影響的特性，產生轉矩，同時發射給外圈天線識別，經過二次儀表處理得到轉矩值。正因為非接觸式的設計，不會因為控制器拖動電機的高次諧波，使軸端產生軸電流而影響測試的準確性。

4 測試原理分析

現對稀土永磁無鐵心電動機系統進行測試，研究測試方法。樣品基本信息如表1所示。

表1 稀土永磁無鐵心電動機系統基本信息

從稀土永磁無鐵心電動機控制原理圖中可以得知，該系統主要由稀土永磁無鐵心電動機和電動機控制器兩部分組成，所以對于稀土永磁無鐵心電動機而言，輸入能量經過了二次傳輸，中間存在了控制器自身所產生的損耗。最終電能再通過電機轉換成機械能輸出，經過高精度轉矩轉速傳感器測得電機輸出的轉矩和轉速，經過計算確定整個系統的實際輸出功率。

準確分析該系統總輸入能量至最終輸出能量之間的效率，必須準確測得每一個能量轉換環節的用能情況和損耗情況。根據控制器的銘牌信息，總輸入的電源選擇交流380 V 50 Hz的正弦波電源對電機控制器的輸入端進行供電，所以在測試系統總輸入電流值時，使用了HL23/1工頻電流互感器，Norma5000高精度功率分析儀電流測量參數設定為有效值RMS進行測量。為了盡可能地降低由于系統總輸入電源線造成的電壓降，故總輸入端的電壓測量點分別設定在控制器輸入端RST三個輸入端子上。控制器輸出部分的輸出單元的形式類似三相橋式PWM逆變器輸出電路，如圖2所示。

圖2 控制器輸出逆變電路原理圖

其輸出頻率伴隨控制器設定轉速輸出，而非普通50 Hz工頻電源輸出，其次由于PWM波形輸出伴隨高次諧波，所以普通的工頻電流互感器不能準確測試控制器輸出的電流值，已經無法滿足調制電流波形輸出的測量，故選用LEM霍爾電流互感器對其進行測試。為了降低控制器端至電機接線端的電壓降影響，控制器的輸出電壓測量點布置在電機接線端子上，同時也是電機的輸入電壓。Norma5000高精度功率分析儀控制器輸出部分的電壓及電流參數設置均選擇基波有效值進行測量。永磁無鐵心電機的能量輸出部分，采用HBM高精度轉矩轉速傳感器測試輸出的轉速和轉矩，通過計算得出系統實際輸出功率。最后，將所有的測試數據通過測試終端進行數據匯總，方便測試人員進行分析和記錄。綜上所述，得出圖3所示的測試線路圖。

圖3 稀土永磁無鐵心電動機系統測試線路圖

5 測試方案確定

為了得到準確的測試數據，首先對整個永磁無鐵心電動機系統進行溫升測試，在達到熱穩定的情況下，系統各項損耗均處于穩定狀態，再進行負載試驗。以額定輸出功率Pn為準，分別測試0.1Pn、0.25Pn、0.5Pn、0.75Pn、1.0Pn、1.1Pn及1.25Pn狀態下，系統的總輸入電壓、電流、頻率和功率，電機輸入電壓、電流、頻率和功率，以及電動機輸出的轉矩和轉速。負載試驗結束后，在控制器的拖動下，對永磁無鐵心電機進行空載試驗，記錄電機輸入的電壓、電流和功率，確定空載各項損耗。數據匯總如圖4所示。通過最終計算并繪制曲線，確定整個系統的效率及各個環節的效率[3]。

圖4 數據匯總終端頁面

6 測試數據分析方法

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：η1——控制器效率;

Prms1、PH012——控制器輸入功率、輸出功率;

cosφ1——控制器功率因數;

Urms1、Irms1——控制器輸入電壓、電流;

P3——電動機輸出功率;

n、T——電動機輸出轉速、輸出轉矩;

η2——電動機效率;

cosφ2——電動機功率因數;

UH012、IH012——電動機輸入電壓、輸入電流;

η3——稀土永磁無鐵心電動機系統效率。

7 測試數據及曲線

通過以上對稀土無鐵心永磁同步電動機系統的測試方法，測得數據如表2～表4所示。

表2 電動機負載測試數據

表3 控制器測試數據

表4 電動機系統負載測試數據

8 結 語

通過實際測試結果表明，利用高精度功率分析儀、工頻和霍爾電流傳感器及轉矩轉速傳感器所組成的測試系統配合上述測試方法，可以很好地測試稀土永磁無鐵心電動機系統在每一個能量轉換環節的效率及用能情況，為更好地分析及改進該類節能型電機系統產品，提供了準確可靠的數據支撐。這為今后進行類似系統的測試，提供了一種更好的測試方法。

[1] 唐任遠,趙清,周挺.稀土永磁電機正進入大發展的新時期[C]∥ 全國永磁電機學術交流會,2010: 1-8.

[2] 楊德旺.高速盤式永磁無鐵心電機控制系統研究[J].船電技術,2000(2): 30-31.

[3] 調速電氣傳動系統 第2部分：一般要求 低壓交流變頻電氣傳動系統額定值的規定: GB/T 12668.2—2002[S].

本刊投稿須知

隨著技術發展和創新升級，尤其是感測、信號處理、仿真分析等技術快速發展，電機行業發展迎來新機遇，技術領域拓展到高效電機及再制造、風電并網控制、系統節能運行、智能調速與保護、電驅動等專業領域。

《電機與控制應用》期刊內容涉及五大板塊： (1) 電機設計與制造： 涉及電機制造新工藝、新材料、高效電機及再制造、智能制造等技術；(2) 電機測試與檢測： 涉及電機及系統運行的狀態感測、快速信號處理、電機運行故障診斷、智能在線檢測等技術；(3) 電機調速與保護： 涉及變頻調速、高性能調速、運動控制、電機起動及運行保護、智能調速等技術；(4) 并網與電驅動： 涉及風電并網控制、電動汽車驅動等技術；(5) 系統節能運行： 涉及電機應用系統節能相關技術。

為及時、全面刊載上述技術領域的最新技術動態，推廣研發成果、工程經驗及新產品應用方案，推動研究與應用的緊密結合，歡迎廣大科研技術人員及團隊向本刊投稿！

本刊只接受官網在線投稿系統(http:∥motor-abc.cn)的投稿。一經投稿，不可一稿多投，稿件確定不錄用后方可另投他刊，敬請注意！

Analysis of Test Method for Energy Consumption in Rare Earth Permanent Magnet Coreless Motor System

ZHOUWeijie

(Shanghai SEARI Testing & Inspection of System Energy Efficiency Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The application of the test system which was composed of the high precision power analyzer, the power frequency and the Holzer current transformer and the torque speed sensor in the test of the rare earth permanent magnet coreless motor system was introduced.The problem of data uncertainty caused by similar test system was solved, and the test precision was reduced.It provided a new test scheme for testing similar motor systems in the future.

rare earth permanent magnet coreless motor; motor system testing; high precision; Hall sensor

周瑋杰(1985—)，男，工程師，研究方向為電機系統、電能質量測試及測試方法。

TM 306

A

1673-6540(2017)03- 0116- 04

2016 -11 -15