在逆变电源下的异步电动机性能测试

1、在逆变电源下的异步电动机性能测试：第一部分Howard E. Jordan, Raymond C. Zowarka, Thomas J. Hotz, 和John R. Uglum美国德克萨斯78712，奥斯汀，奥斯汀中心德克萨斯大学机电学院由于军事，交通和工业要求在更小实体下达到更高的能量，高功率密度电机的发展不断加快。更高速的电机是实现更高功率密度的有效途径，现有的业界测试标准为描述同步和异步电机的特征设了清晰的程序。然而，这些程序只适用于固定频率（通常是60或50赫兹）的电源供应器。因为对于功率为60赫兹的机器来说，当它的转速超过每分钟3600转时，速度会加快，所以有必要对高频率的机器进行

2、性能测试。一个逆变电源被用来对两个不断加速到每分钟5000转的异步电动机（0.5和1.0兆瓦）进行一系列完整的测试。使用功率输出能力有限的非正弦电源要求的测量技术的发展和测试策略与通常使用的60/50赫兹测试是有很大不同的。测量谐波丰富的波形的电压、电流和功率的仪表和技术的准确率已经高达只有1%的误差。锁定转子和击穿扭矩测试通常需要多达千伏安的电流输入电机，比额定载荷高很多。为了达到额定负载要求，改装了一个逆变器大小的电机，来执行锁定转子和击穿扭矩测试。逆变器驱动保护的特点，如，在测试的规划和实施的因素中，变频器内置的反狩猎和电流限制必须考虑进去。测试结果显示在两个配套文件中。本文（第一部分）

3、和异步电动机的分析程序演算的测试结果相关。第2部分介绍的测试结果与Matlab仿真程序作了比较，并且还提供了有关仪器的全面讨论，这对测试的准确性是必不可少的。有数据的相关测试结果证明，在测试过程中，测试技术的发展对评价高速，高功率密度电机是有帮助的。关键词异步，电机，测试。I 简介同步电机和异步电机的测试方法已经发展了很多年了，并详细记录在IEEE标准档案中1 2。因为大多数的电器应用于电力频率，所以预计测试程序以固定频率电源，通常为50或60 Hz为准。现在越来越多的异步电动机是为逆变器操作而设计的，因此，不限制于50 - 或60-赫兹的电力。在50或60 赫兹的电力下测试，并没有

4、提供逆变器供电的电机运行在更高的频率下运行时所需的性能信息。额定功率的变频器为做测试的异步电机供电，作为一个完整的测试的电源，包括：无负载饱和度;锁定转子饱和;击穿扭矩;负载性能;温度测试使用固定频率电源和逆变电源的电机测试的差别的部分问题如下：一个非正弦电源电压产生电流，然后减损，和通常由设计方案计算出的比较值不同。谐波的影响，必须在相关的测试结果中用计算出的值计算在内。电压，电流和功率的仪器必须对被测量的数值的频率成分有反应。锁定转子和故障测试通常需要的电流和功率是额定负载的电流和功率的几倍。逆变器通常有限制电流的保护措施，输出电流限制在额定电流的1.5至2倍。在这些测试中，开启电流限制控

5、制，能严重扭曲电压，电流和功率的测量所所获得数据。挑选要使用的数据采集系统有几个选择。不幸的是，不同类型的系统提供了在谐波存在方面有不同的结果。在此测试报告中使用了两种不同的测量系统。这些系统的特点在第二节中有讨论。II. 测试设备和仪器图1显示了整个系统原理。逆变器连接到一个600伏、60赫兹的电源线，并提供分别0至200赫兹和0至600 伏特的可变频率和电压的电源。电流用霍尔效应电流传感器测量。测量的电机都用12引线，这样电流探头可放置在每个阶段，即使是在三角形连接负载的情况下。因此，这两个阶段和线路电流都可以测量。电压探头，如图1所示，测量电机端的线到线电压。图1. 异步电动机测试系统的

6、示意图电机和水测功机用于负载测试。这个测力器包括用于测量扭矩的力量转换器和测量速度的数字转速计。在不同情况下， Yokagawa功率计是测量电力的方法之一。电源也由形成瞬时值的所决定，在总计这些来求得总电力。总电力，其中a、b、c各阶段的电压，a、b、c的电流。最难的也许是测量功率，在本系统中，将在下文讨论。所有的传感器信号都通过一个webDAQ单位和PXI-8186系统传送到计算机中。所有的数据由计算机收集、存储和分析。很多次，在测试过程中，有时候要回顾和审查在先前的测试得到的数据。每个测试分配有一个号码和非常好的数据检索系统。如上所述，为达到异步电动机测试所需的精度，功率测量是最困难的。此

7、系统通过操作逆变器变为连接成三角的电阻负载箱来进行校准。电力由瞬时值所决定，这个数值将和在三角中测得的电流和测得的电阻的算式进行比较。使用电压和电流的基本组成部分，电力的计算方法是，总和瞬时电压-电流的值为149016 W每个三角的端点的电力的总和为147296 W。误差为1.16，这已经相当精确了。测得的基本电流与穿过三角负荷的一个端点的计算值的0.58%一致。但是应该注意的是，为了精确性，有必要计算电阻的电感。在60赫兹下，这些电子负载的电阻为2.921 ，电感为0.3748 一个Yokagawa功率计多次用于测试过程，但是，无法达到在一致的基础上的准确性。因此，上述的

8、总算法可以作为测量电源的标准方法。测试设备的图片如图2所示。从左到右（从保护操作站的混凝土块开始）是储水罐、测功机和附有测功机的电机。保护测功机/电机的耦合红色联轴器护罩只能部分可见测功机的右边部分。在测功机后边的两跨的柜是变频器。图2.电机测试区域III. 电机性能测试异步电动机等效电路常数可以通过进行无负载饱和度和堵转试验3测试得到评估。这些测试的进行和从上述的测试结果得出的等效电路常数将在3中详述。IV. 无负载饱和度测试电机是在卸载情况下操作的。线到线电压，线电流，功率的测量是在各种不同的电压下进行的，初始电压为20，并且以20的间隔上升，到110的最高电压，再到电机的额定电压的125

9、一个伏特/赫兹变频控制模式被选定做这一系列的测试，但它并不允许操作员为了某一个给定的频率调节输出电压，但是如果60赫兹的发电机磁场根据正弦波进行调整。变频器的频率设定为额定频率，代表V / Hz曲线不同的点的每个数据都键入到逆变器的计算机上。电机加速到其额定转速，采取数据，重复这个过程，直到所有的无负载饱和点已采集到。功率和电流产生的数据绘制在图 3和4中。图3中的数据用于计算由于摩擦和风阻造成的损失和由电机的铁芯造成的损耗。这样做的过程在1中解释，这里不会重复。固定频率的数据测试和逆变器测试之间的唯一区别是电压，电流和功率的基本值（不是逆变器的总的转速）。这使得可以直接比较试验结果与通常是在

10、正弦的波形假设的基础上计算出的值。图三 空载饱和测试中的电压比功率曲线图四空载饱和测试中的电流比功率曲线V. 锁定转子试验扭矩臂的作用力，使一个力传感器可以测量电机的转矩，转子轴被锁定。锁定转子转矩测量通常采取减少因为快速转子加热，由于在测试过程中发生的大浪涌电流低于额定值的电压。对于固定频率的测试，通常的做法是设置一些价值电压低于额定值和关闭突然施加电压电机的接触器。另外，如果一个专用的发电机，测试电机和发电机之间的接触器闭合，并通过调整发电机励磁电压调节。在这两种情况下，功率只有几秒钟的运动，以避免电机过热离开。这几个测试所使用的变频器设计作为电机发动机，大部分的变频器都适用于电机应用。在

11、照片中描述的测试技术有可能损坏许多工业变频器或者导致防止电流过大的保护电路断掉，变频器控制用于调试伏特/赫兹的值，例如，半伏特/赫兹频率。加速时间设置成很短（一般是3到5秒），然后变频器打开。当变频器达到额定值时，这样就有足够多的使得转换结束，然后数据输入开关打开。从变频器打开到关掉的总时间还不到10秒。电机在锁定转子测试时的强大电流下所经过的时间间隔太短了，以致于温度才升高了没几度。测试在额定频率和低频率（如5至10赫兹）下都进行过，这样，就可以获得接近负载电机条件的数据，然而转子里的划片只要几赫兹，转子划频率的锁定转子条件经常在使用。图5 锁定转子电流比电压曲线测试的转子展示了明显的深色条

12、纹。在额定频率下，R2的每个单位值是0.0153赫兹，在频率为10时为0.0033.锁定转子测试的数据分析为同等电路测试计R2和X1+X2提供了测试值。如此做的技术在3中有详述。因为锁定转子测试是在低于额定电压的条件下进行的，像电流和的信息在固定电压下测得，这么做的过程依照固定值（如电流比电压）进行，然后曲线延展到额定电压。其中一个这样的曲线如图5所示。电流比电压曲线是渐进曲线是从图5中发展而来的。i(v)=(6.667*v)-0.037 (2)用公式（2），在额定电压下的锁定转子的单位电流的值是6.630.电压可增加到满额，除了第二位的曲线更加适合电压。表格 I功率计误差对电机效率的影响VI

13、. 击穿扭力测试用逆变器进行细分扭力测试的程序是，和锁定转子测试一样，和用于固定频率测试的传统技术有很大差别。电机相加上水测功机和测功机负载是为了设置启动电机的最低值。逆变器供电给电机使其速度加快到能测量扭矩。在这个测试项目中，测功机是电脑控制的。当电机达到其要求的测试速度，测功机控制启动。电机上的转矩负载从最低值到超出预期的崩溃扭矩的一个值。一旦转矩负载超过电机的最大转矩，电机的转速开始迅速下降。此时开始数据采集过程，然后操作员按下“停止”按钮。数据采集系统得到的最大扭矩是击穿扭矩。用于此测试的电压不断降低，以避免由于较高的电流造成损坏。VII.负载性能和温度测试负载性能和温度测试比以上所述

14、的其他测试程序更加紧密地按照固定频率测试程序。在这些测试中所涉及的主要问题是获得准确的测试数据。对于那些不熟悉在这个异步电动机测试中的问题的，例子4将说明准确性问题。表一说明了在电机效率测量中的许多误差中的一个小误差能导致在4中性能值的一个相对多么大的误差。0.5的满刻度输入功率的测量错误导致效率的真正价值（92.5）被报告为93.1。的，功率测量，这是不寻常的，造成的误差在8.3的观测电机损失。这源于一个事实，即输入输出除以计算的效率，需要测量两个量，这两个方面的电机损耗大。在输入功率的所有的误差中的0.5%能导致性能的真正值（92.5%）被误认为是93.1%。这个0.5的测量误差，在电力测

15、试中是比较常见的，造成了在观测到的电机8.3%的损失的一个错误，这要求两个量，都和电机损失有很大的关系。这种内在的测量问题有管理两种方式。IEEE1121指定亏损隔离技术，以提高性能测量。这项技术的特点在于，评估个人的损失，并和评估电机的性能结合起来。IEEE112技术被应用在这一系列的性能测试中。为了达到所需要的精确度，功率测试是所有这些测试中最难的。正如在这份报告前几个章节解释的，求和v*i这一技巧是最精确，也是我们使用的。表二总结了测量得到的和计算得到的损失、性能和效率方面的比较。计算值和测试结果之间的关系证实这一系列的测试中的测试程序提供的结果是精准的，一个同伴介绍其中两个电机，这是本

16、文的主题之一进行的模拟研究。配套文件，“异步电机性能TestingWith第2部分”，提出了一个Matlab仿真对本文中所描述的测试技术获得的测试结果进行比较。此外，在配套文件中提出的扩大，这个测试程序中使用的仪器的详细描述。有一份附件描述了与这份报告的主题两个电机中的一个有关的模拟研究。附件“用逆变电源的异步电机性能测试：第二部分”，展示了Matlab模拟比起在这份报告中描述的测试技术所用下得到的测试结果的比较。还展示了这份附件是一份扩展的详尽的在此测试值所用的方法工具，VIII. 总结感应电机的特性和性能测试采用变频器供电，展示了不同于传统的固定频率测试的一套独特的技术问题。高速电机的设计要求