電機型式試驗系統中轉矩轉速傳感器轉矩靜態誤差修正的應用

錢 娟，韓寶江，何微波，胡英君，張志偉，榮亮亮

（安徽省電機產品及零部件質量監督檢驗中心，安徽 宣城 242500）

國際電工委員會IEC 統一將全球的電機能效標準定為IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 五個等級（IE5 于2016年發布），代號值越大，代表效率越高，并發布其標準值。2014年，IEC 組織發布了IEC 60034-30-1，將電機功率范圍擴大為包含0.12～1000 kW 的電機，極數為2 極、4 極、6 極和8 極。

2020年5 月，中國公布最新電機能效標準GB 18613—2020《電動機能效限定及能效等級》，該標準于2021-06-01 正式實施，標準適用于額定電壓1000 V以下，50 Hz 三相交流電源供電，額定功率在0.12～1000 kW 范圍內，極數為2 極、4 極、6 極和8 極，單速封閉自扇冷式、N 設計、連續工作制的一般用途電動機或一般用途防爆電動機[1]。

對于三相異步電動機，標準規定需按照GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》中的B 法——測量輸入-輸出功率的損耗分析法測量效率。B 法對所使用的主要測量儀器、儀表的精度進行了明確的規定，對于轉矩測量規定：測量效率時轉矩傳感器及測量儀的準確度等級應不低于0.2 級，應使用規格合適的轉矩傳感器及測量儀進行負載試驗（A 法、B 法），轉矩傳感器的標稱轉矩應不超過被試電機額定轉矩的2 倍（堵轉試驗和最大最小轉矩試驗除外）。

在被試電機為額定轉速時，測得的聯軸器及測功機（或負載電機）的風摩耗應不大于被試電機額定輸出15%，轉矩變化的敏感度應達到額定轉矩的0.25%[2]。

1 轉矩轉速測試設備的原理及特點

1.1 轉矩轉速傳感器的原理及特點

1.1.1 轉矩的測量

軸式轉矩轉速傳感器多采用應變片電測技術的轉矩測量方式，其原理如圖1 所示，在彈性軸上組成應變橋，應變橋施加24 V 直流電源即可測得該彈性軸受扭的電信號，應變電信號放大后，可通過二次測量變換成測得轉矩值，此時電信號為模擬量（電壓信號），也可以通過壓頻轉換，轉變成頻率方波信號輸出，因此轉矩二次信號可為模擬信號或頻率信號。

圖1 應變片電測技術原理圖

1.1.2 轉速的測量

轉速采用光電開關測速對應齒輪碼盤進行測量，測速齒輪碼盤一周有60 個齒（也可選120 個齒），旋轉軸帶動齒輪碼盤旋轉一周可產生60 個脈沖，當測速齒輪碼盤連續旋轉時，通過光電開關輸出脈沖方波信號，二次測量端根據速齒輪碼盤的齒數和輸出信號，即可計算出對應的轉速。

1.1.3 轉矩轉速傳感器的特點

量程范圍：0±額定量程（N·m）。

靜態超載：120%。

示值誤差：＜±0.1%FS。

非線性：＜±0.1%FS。

重復性：＜±0.1%FS。

滯后：＜±0.1%FS。

使用溫度：0～60 ℃。

環境溫度：﹣30～60 ℃。

回差：＜0.02%FS。

零點飄移：＜0.03%。

供電電壓：24 VDC。

輸出信號：頻率方波。

1.2 轉矩轉速傳感器二次信號的測量

由于轉矩轉速傳感器二次輸出的是頻率方波信號（目前使用較多的方式），二次信號必須經過二次儀表轉化顯示為轉矩值和轉速值。二次轉矩信號一般輸出為5～15 kHz 頻率方波信號，10 kHz 對應零點，5 kHz對應最小轉矩，15 kHz 對應最大轉矩。轉速為按每圈60 脈沖數計算所得轉速值。

轉矩轉速傳感器廠家一般都有配套的二次儀表，但在電機型式試驗測量中由于轉矩轉速二次儀表和功率分析儀在顯示和采集過程中存在不同步性，對電機性能計算存在誤差，因此現在的中高端功率分析儀均帶有電機評價功能，可以直接把轉矩轉速傳感器二次信號接入功率分析儀中，實現同步顯示、同步采集。

中高端功率分析儀的主要特點如下：①精確測量電壓、電流和功率參數。測量帶寬為DC0.0001～500 kHz，基本精度0.05%；②最大6 通道輸入，通道間的電氣隔離高達5 kV；③具備電機評價功能，可接入轉速轉矩傳感器信號，適合電機型式試驗系統；④具備多種接口，用戶可通過接口實現遠程控制和測量；⑤提供了豐富的測量分析功能，支持波形、向量圖、諧波分析等功能；⑥可提供大容量數據存儲，支持長時間的數據記錄；⑦大尺寸彩色液晶顯示器，可顯示更多參數；⑧提供豐富、快捷的功能按鍵；⑨支持鼠標、鍵盤控制。

2 電機型式試驗系統的組成

電機型式試驗系統主要由進線單元、靜止電源單元、電參數測量單元、機械參數測量單元、被試電機和加載電機組成。型式試驗系統原理結構圖2 所示。

圖2 系統原理結構

電機型式試驗系統由2 臺靜止電源組成能量回饋系統，2 臺靜止電源采用共直流母線結構，在進行對拖試驗時被試電機和加載電機同軸聯接，試驗過程中被試電機處于電動狀態，加載電機處于發電狀態，由于2臺靜止電源采用選用直流共母線方式運行，加載電機發出的電通過直流母線回饋至被試電機，實現能量回饋。電機型式試驗系統所需電能僅為2 臺電機的損耗和系統損耗，降低了電機型式試驗對對電網容量的要求。

3 轉矩轉速傳感器安裝

轉矩轉速傳感器的安裝是電機型式試驗中重要的環節，安裝的好壞不僅僅會影響電機型式試驗分析結果，也會影響到轉矩轉速傳感器的使用壽命。

電機型式試驗中典型的軸系安裝如圖3 所示，整個軸系包括被試電機、被試電機聯軸器、轉速轉矩傳感器被試端聯軸器、轉矩轉速傳感器、轉速轉矩傳感器陪試端聯軸器、陪試電機聯軸器和陪試電機。安裝要求是整個軸系盡可能保證同軸心。

圖3 典型的軸系安裝

安裝過程中要注意水平和角度2 個方面的檢查，檢查過程中分別旋轉左右每個法蘭來檢查平行偏差和角度偏差，如圖4 所示。檢查工具可用千分表或激光對中儀。

圖4 安裝檢查

4 轉矩轉速傳感器靜態靜態誤差修正

轉矩轉速傳感器的安裝要求精度保證在10 絲以內，即便在10絲以內靜態時仍會存在一定的靜態誤差，為保證測量的準確性需對靜態誤差修正。

轉速二次信號一般為頻率方波信號，在設置時僅需要設置每轉脈沖個數即可，脈沖個數一般為60 或120，具體可根據轉矩轉速傳感器標定值進行設置，不需要修正。設置界面如圖5 所示。

圖5 轉速設置界面

轉矩二次信號無論是模擬量方式還是頻率方波信號都需要對靜態時誤差進行修正，下面以通用的頻率方波信號為例說明修正方式，模擬量輸出方式修正可以參考頻率方波信號修正方式。

根據轉矩轉速傳感器的原理，頻率方波信號與扭矩值成比例關系，即：

式（1）中：K為比例系數；x為頻率方波值；D為偏移量。

頻率方波信號與扭矩值線性圖如圖6 所示。

圖6 轉速設置界面

以轉矩量程為50 Nm 為例說明K和D值的確定，當靜態處于絕對零點時，頻率方波信號與扭矩值對應關系x=10000，y=0，最大值對應關系x=15000，y=50。將此兩點代入（1）式即可確定K和D的值。而實際中由于安裝的偏差存在，靜態時轉矩不會處于絕對零點，修正時需把10 kHz 時y值設置靜態時轉矩值，最大值不變，由此兩點確定K和D值。

如靜態點x=10000，y=0.5，最大值x=15000，y=50，K值為0.0099，D值為﹣98.5，把K值和D值輸入至功率分析儀中即可，功率分析儀設置界面如圖7 所示。

圖7 轉矩設置界面

5 結語

GB 18613—2020《電動機能效限定及能效等級》要求采用GB/T 1032—2012 B 法來確定電機能效，B法中最關鍵之一為轉矩轉速傳感器的應用，轉矩轉速傳感器靜態誤差修正技術可提高轉矩測量準確性，此項技術已在國內多個中小型電機廠及質量監督機構獲得了應用。