基于氣隙轉矩的電機轉矩測試儀

王欣仁

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，無錫 214071）

1 轉矩辨識原理

采用基于氣隙轉矩的方法在線辨識電機轉矩。在電機轉矩檢測及故障診斷方面具有較廣泛的用途，旋轉電機的電磁轉矩是電機電能轉換的重要因素，考慮到電機轉子的實際結構，電磁力除了作用在轉子繞組之外，更主要的是作用于電機轉子鐵芯的表面和內部。當電機輸入相序為U、V、W的三相交流電后，會在電機定子周圍產生交變的旋轉磁場，這就是電機的電生磁現象。電機轉子中的導條切割磁感應線，產生感應電動勢，這就是磁生電現象。根據法拉第定理，導體切割磁感應線后會產生電磁力和電磁轉矩。通常在知道電機結構參數的情況下可以計算出電機的電磁力和電磁轉矩，而在現場情況下無法獲得確切的電機參數，所以這種方法局限性很大，不能應用于現場電機轉矩的計算。采用氣隙轉矩法計算電磁轉矩只需要電機端輸入的電壓和電流值，相比傳統方法，更加簡單易于實現。

2 硬件設計

通過電壓互感器將三相交流電壓信號轉化為毫伏級的電壓信號，通過羅氏線圈將三相電流信號也轉化為毫伏級的電壓信號。六路信號通過差分放大芯片AD623BR將信號放大到0～5V可供AD芯片采集的范圍內。六路差分放大電路如圖1所示。采用20位高性能的AD采樣芯片AD7609對放大后的電壓和電流信號進行采樣，將采集到的模擬量轉化成數字量傳輸給CPU芯片STM32F407VET進行計算和數字信號處理。本系統的采樣頻率設置為10kHz。

圖1 六路差分放大電路

由于CPU芯片STM32F407VET自帶了高速USART通信串口，因此直接采用高速USB轉換芯片USB3300將串口通信信號轉為USB通信信號，最后通過USB接口和上位機進行信號傳輸，將信號采集板卡采集到的電壓和電流值傳輸給上位機進行分析計算。

3 軟件設計

軟件基于Labview和MATLAB進行開發，Labview通過動態鏈接庫的形式調用采集板的數據。對采集的三相電壓和電流進行Clark和Park坐標變換，然后基于精細積分法計算得到磁鏈，最終基于磁鏈計算電機的氣隙轉矩。在上述算法后利用Labview調用MATLAB的算法，將采集的數據進入MATLAB進行實時計算分析，得到了電機的轉矩值。

4 系統測試分析比較

采用自主研制的電機轉矩儀與試驗室內的轉矩轉速測試儀的測試數據進行對比，來驗證電機轉矩測試儀測試數據的準確性和穩定性。被測電機的銘牌參數如表1所示：

測試時通過對陪試電機的頻率進行調節來對被試電機的負載進行控制，將被試電機負載率依次設置為125%、100%、75%、50%和25%，對以上五種負載率的電機轉矩進行在線辨識。電機轉矩辨識算法結果綜合分析如表2所示。

表1 被測電機銘牌參數

表2 電機氣隙轉矩辨識結果分析

5 結束語

通過表2的測試數據可以發現，電機轉矩辨識算法在電機處于較高負載狀況時精度很高，辨識誤差在2%以下；在低負載運行時，誤差略高一點，但也不超過4%。