淺析稀土永磁無鐵心電動機系統(tǒng)用能情況的測試方法

周瑋杰

(上海電科系統(tǒng)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(tǒng)用能情況的測試方法

周瑋杰

(上海電科系統(tǒng)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器所組成的測試系統(tǒng)，在稀土永磁無鐵心電動機系統(tǒng)測試中的應(yīng)用。解決了以往類似測試系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)測試； 高精度； 霍爾傳感器

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步和國際社會對工業(yè)及企業(yè)不斷提高節(jié)能減排的要求，誕生了一大批新型節(jié)能減排產(chǎn)品，并被實際應(yīng)用到各個領(lǐng)域。超高效永磁同步電動機和調(diào)速高效永磁同步電動機在節(jié)能減排方面發(fā)揮了重大作用。隨著永磁電動機技術(shù)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(jié)能電機系統(tǒng)改造的市場，而這類產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景。這類新型節(jié)能產(chǎn)品的節(jié)能潛力需要高精度的測試設(shè)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(yōu)勢

普通三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場是通過定子繞組電流產(chǎn)生的，電機的鐵心則使用高磁導(dǎo)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(chǎn)生重要影響，同時普通電動機的鐵心在其運轉(zhuǎn)過程中，無論是空載還是滿載狀態(tài)都存在鐵損，最終導(dǎo)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(jù)統(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)電動機相比是技術(shù)性的突破。高效率、高功率因數(shù)(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(tǒng)組成及原理

該系統(tǒng)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(zhuǎn)速回饋裝置及傳動裝置組成[2]。通過轉(zhuǎn)速回饋裝置，在電機負載增加的過程中，調(diào)整控制器輸入電機的頻率，精確控制電動機的轉(zhuǎn)速，如同普通三相籠型起動稀土永磁同步電動機，正常運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)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(tǒng)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(gòu)，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(xiàn)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(shù)的功能。對于任意波形、頻率或相位漂移，Norma5000提供了同類產(chǎn)品中領(lǐng)先的準(zhǔn)確度和共模抑制性能，同時三相六通道的設(shè)計是電機系統(tǒng)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(cè)。能較準(zhǔn)確地測試輸出類似調(diào)制波形的電流值。

HBM高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(chǎn)生細微形變對整體導(dǎo)電率產(chǎn)生影響的特性，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同時發(fā)射給外圈天線識別，經(jīng)過二次儀表處理得到轉(zhuǎn)矩值。正因為非接觸式的設(shè)計，不會因為控制器拖動電機的高次諧波，使軸端產(chǎn)生軸電流而影響測試的準(zhǔn)確性。

4 測試原理分析

現(xiàn)對稀土永磁無鐵心電動機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過了二次傳輸，中間存在了控制器自身所產(chǎn)生的損耗。最終電能再通過電機轉(zhuǎn)換成機械能輸出，經(jīng)過高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測得電機輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)過計算確定整個系統(tǒng)的實際輸出功率。

準(zhǔn)確分析該系統(tǒng)總輸入能量至最終輸出能量之間的效率，必須準(zhǔn)確測得每一個能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的用能情況和損耗情況。根據(jù)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(tǒng)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(shù)設(shè)定為有效值RMS進行測量。為了盡可能地降低由于系統(tǒng)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(shè)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(shè)定轉(zhuǎn)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(zhǔn)確測試控制器輸出的電流值，已經(jīng)無法滿足調(diào)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(shù)設(shè)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測試輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過計算得出系統(tǒng)實際輸出功率。最后，將所有的測試數(shù)據(jù)通過測試終端進行數(shù)據(jù)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(tǒng)測試線路圖

5 測試方案確定

為了得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，首先對整個永磁無鐵心電動機系統(tǒng)進行溫升測試，在達到熱穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)各項損耗均處于穩(wěn)定狀態(tài)，再進行負載試驗。以額定輸出功率Pn為準(zhǔn)，分別測試0.1Pn、0.25Pn、0.5Pn、0.75Pn、1.0Pn、1.1Pn及1.25Pn狀態(tài)下，系統(tǒng)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。負載試驗結(jié)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(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D4所示。通過最終計算并繪制曲線，確定整個系統(tǒng)的效率及各個環(huán)節(jié)的效率[3]。

圖4 數(shù)據(jù)匯總終端頁面

6 測試數(shù)據(jù)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(shù);

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(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩;

η2——電動機效率;

cosφ2——電動機功率因數(shù);

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(tǒng)效率。

7 測試數(shù)據(jù)及曲線

通過以上對稀土無鐵心永磁同步電動機系統(tǒng)的測試方法，測得數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

表2 電動機負載測試數(shù)據(jù)

表3 控制器測試數(shù)據(jù)

表4 電動機系統(tǒng)負載測試數(shù)據(jù)

8 結(jié) 語

通過實際測試結(jié)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器所組成的測試系統(tǒng)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(tǒng)在每一個能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的效率及用能情況，為更好地分析及改進該類節(jié)能型電機系統(tǒng)產(chǎn)品，提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。這為今后進行類似系統(tǒng)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(fā)展的新時期[C]∥ 全國永磁電機學(xué)術(shù)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(tǒng)研究[J].船電技術(shù),2000(2): 30-31.

[3] 調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第2部分：一般要求 低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定: GB/T 12668.2—2002[S].

本刊投稿須知

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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(tǒng)、電能質(zhì)量測試及測試方法。

TM 306

A

1673-6540(2017)03- 0116- 04

2016 -11 -15