检测技术及设备在电机制造中的应用

吴汉熙，韩宝江，李巧莲，王传军

(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

0 引言

电机检测是利用仪器、仪表及相关设备，按照相关标准的规定，对电机制造过程中形成的半成品和成品的电气性能、力学性能、安全性能及可靠性等技术指标进行试验。通过这些检验可以全部或者部分反映出被检电机的有关性能数据，电机检测是电机产品制造全过程中质量控制的重要环节之一[1]。试验方法和检测仪器、仪表、检测设备是保证能否达到目的的重要因素。在中小型电机整个发展进程中，花了大量的人力、物力和资源，致力于试验方法的科学性、合理性、先进性的研究及试验方法的标准工作，还组织先进检测设备的研发并推广应用，以满足标准的要求，从而使我国的检测能力、水平跟上国际先进检测技术的发展。

1 检测技术及设备的发展及现状

1.1 试验方法标准

国际电工委员会IEC/TC2于2006年提出制定一项电机能效分级标准，该标准将电机的效率分为 IE1，IE2，IE3，IE4，共 4 级，效率指标覆盖范围为0.75 ～375 kW，极数为 2，4，6 极，分 50 Hz和60 Hz两类指标[2]，标准于2008年底正式发布。目前，各国电机产品市场上效率等级情况如下:美国，加拿大，澳大利亚等国市场为IE2效率等级，并为该国的最低强制标准，欧洲于2008年强制执行IE2效率等级标准;我国市场上使用的电机效率水平仅为 IE1效率(平均效率约为87%)等级，按照我国节能中长期规划中明确的指标要求，到2010年电机的效率水平应达到IE2效率(平均效率约为90%)等级[3]。

由于世界各国都致力于研究开发高效电机，研究一套适合高效电机试验方法就提上了日程。2003年，欧盟成立了研究小组，开始研究对比现有的各种试验方法，包括112B法、输入输出法、反转法，以及1967年就有专家提出的EH-star法。比较内容有方法的准确度，以及成本、操作的方便性等。经过两年多工作，工作组通过对现有的几种方法在相同的电机上进行试验对比，得出结论为EH-star方法测试的不确定度为“中”，比已列入IEC 60034-2标准中的反转法的不确定度要低，比 112B法高[4]。欧盟向 IEC TC2/WG28工作组提出，在标准IEC 60034-2的修订版中，将EH-star方法列入标准。IEC 60034-2-1《确定损耗和效率的试验方法(牵引电机除外)》已于2007年9月10日正式发布，作为新一版的国际标准已开始实施。新一版标准中，已正式取消了用输入功率的0.5% 这一假定值来确定附加损耗。新标准中规定了用4种方法来确定附加损耗:剩余损耗法(即IEEE 112B法)、反转法、假定值(与输出功率有关的插值曲线得出)和EH-star法[5]。各种方法的不确定度评价如表1所示。

表1 不确定度评价

我国的电机试验标准参考了美国和欧盟的试验标准，并决定采用低不确定度的试验方法:剩余损耗法(即 IEEE 112B法)。在 GB1032—2005中，我国已经把IEEE 112B法写入其中，并推荐使用IEEE 112B法对电机进行效率试验。

1.2 仪器仪表及试验电源

20世纪80年代初，电机试验的电压、电流、功率等测量均采用单一、分体式数字仪表，与指针式仪表相似。存在三相电量参数不能同时采样，且稳定性差、准确度低、线路复杂等问题。

20世纪80年代中期，由于应用了单片微处理器技术推动了数字仪器的快速发展，为智能化仪器问世提供了条件。智能化电参数测量仪的电压电流部分采用直接采样方式，保证原始信号无失真处理。仪表内部对采样数据的处理，采用傅里叶级数分析处理或均方根值的计算方式得出有效值，确保所测数据的准确性。这种测量仪除显示电压、电流、功率外，还能扩展显示功率因数、频率等多种电量参数，具有线路简化，稳定性强，准确度高，多功能测量一体化等特点。

2000年后由于应用了内核16/32位的DSP等技术，使A/D采样速度、运算速度等与原单片机相比又有了较大幅度的提高，从而使采集的实时数据更加丰富，这为进行多次谐波、瞬时信号分析处理提供了保障。在稳定性和准确度方面比早期的智能化电参数测量仪均有较大的提高，在中小电机行业中得到了广泛应用。

随着我国电力电子技术的迅速发展，近年来采用了静止变频试验电源。这种试验电源采用交－直－交供电方式，外加特殊的滤波器，实现正弦波输出。其核心技术是通过变频器和滤波器的组合，将SPWM调制波转换为正弦波。

现生产的静止变频试验电源的主要特点如下:频响范围宽3～250 Hz;THD≤2%;频率和电压可分别单独调节;具有软起动功能，对供电电网容量可适当降低;频率和电压调节范围可给定;空载和叠频试验时具有无功补偿;负载试验时可回馈。该类型静止变频试验电源试验站已在数家电机制造企业投入运行，得到用户一致好评。

2 半成品试验

半成品试验主要针对电机元件或组件的试验，如绕组的匝间耐电压试验、定制三相绕组的三相电流平衡试验、绕组对机壳绝缘的测定、绕组相间绝缘的测定和介电强度试验(俗称耐电压试验)以及对转子检查试验等。

绝缘电阻测定试验主要测定绕组对机壳(对地)和相与相之间的绝缘电阻。JY系列数字绝缘电阻测试仪是一种可用于测量电机、电缆、电气设备绝缘电阻的智能型测试仪器，测量量程可自动转换，可根据试验要求设定绝缘电阻报警值和测试时间。

绕组直流电阻测定试验主要测定电机绕组的直流电阻。通过对实测电阻值的分析可以初步判定被试电机绕组的匝数、线径、接线方式等是否达到要求，绕组直流电阻的测定试验必须选择较高精度的测试仪表。RDC2512型智能直流低电阻测试仪是一种性能优异的专业低电阻测量的智能化仪器，可以测量线圈的绕组电阻，电缆的导线电阻等各类低值电阻，测量精度高。

绕组匝间耐冲击电压试验主要测定被试电机绕组是否存在匝间短路及各种阻抗不平衡故障。RZJ系列绕组匝间冲击耐电压测试仪采用冲击波比较法，以高频、高压脉冲对电机绕组进行等效过电压的无损模拟试验，采用数字示波器，精确分析波形，能直观、迅速准确地测试绕组匝间短路及各种阻抗不平衡故障。

电机绕组需进行三相对地和各相间的耐电压试验，PVT系列(电机工频)耐电压试验仪适用于各种单/三相交流电机、变压器等的工频耐电压试验，一次接线即可自动组合完成三相对地和相间的耐电压试验，可根据试验要求设定报警电流值和测试时间。

数字电参数(综合)测试仪适用于测量三相/单相电器设备的电压、电流、功率、功率因数和频率等参数，如DK300系列，可以测量电机稳定运行时的各电参数，还可分析电机起动、堵转时的电参数特性，捕捉三相电流的最大值及电流最大时对应的时间、电压等，并可记录电流的实时波形。

随着工业控制计算机和PLC等高性能产品的广泛应用，电机半成品的检验已经由分散的仪器检验向集成化、智能化不断发展，如DZC系列电机定子性能综合测试仪适用于中小型交流电机、直流电机的定子线圈绕组的直流电阻，绝缘电阻、工频耐电压、匝间冲击耐电压检测的综合测试，操作简单，一次接线自动完成全部测试项目，具有自动分析、判断、统计各项目测试结果的功能，极大地方便了用户对电机半成品的检验。

3 检查试验

检查试验习惯上称为“出厂试验”，它是在电机定型后批量生产时，对每台组装为成品的电机进行部分性能的简单试验。检测项目包括直流电阻、绝缘电阻、电气强度、空载试验、堵转试验等。

现代的出厂试验系统主要包括试验电源、控制系统、测量系统和数据分析管理软件。测量系统采用工控机主控，可预置被测电机标准参数，只需一次接线即可完成一台或多台电机的全部测试项目。自动分析、判断、统计各项测试结果，并具存储、打印等功能。

现代的出厂试验系统主要分为批量式电机出厂试验系统和节拍式电机出厂试验系统。批量式电机出厂试验系统一般为2工位和8工位，试验时相同规格的一批电机分别接在各工位上，按功能逐项进行，各电机同时或逐台进行试验。主要适用于电机有较长时间的空转要求。多工位数生产当量大，耐电压试验必须采用1 min标准的场合，如EPT－1电机出厂试验系统。节拍式电机出厂试验系统是专门为流水线配套，试验时电机定位安装在流水线上，随流水线移动，移至一个工位，系统自动完成该工位预订的试验任务，如EPT－3电机出厂试验系统。

4 型式试验

型式试验主要是指能够较确切地得到被试电机有关性能参数的试验，对新设计试制的产品，经鉴定定型后小批量投产的产品，设计或工艺上的变更足以引起电机某些特性和参数发生变化的产品，检查试验结果与以前型式试验结果发生不可允许的偏差的产品，以及产品定型投产后的定期检查都必须做型式试验，以验证电机是否达到设计要求。

型式试验按结构可分为三种类型试验系统。

一是静止电源型式试验系统，静止电源型式试验系统是电力电子技术和自动化控制技术发展的产物，采用电力电子设备供电的试验系统，以其优越的性能和良好的控制性能、友好的人机界面和良好的可扩展性能，为智能化电机试验系统的设计提供了良好的技术条件。系统控制采用计算机+PLC控制技术对试验电源进行控制，实现试验过程电源调整的自动化;采用计算机数据采集技术和分布式网络控制技术相结合，形成一个网络群控智能型试验数据采集处理系统，对电机进行全面试验检测及性能分析。试验数据自动在计算机中进行实时记录和处理，自动生成试验报告和试验曲线，从而大大提高了试验数据的准确性，提高了工作效率，如MST－1型式试验系统。

二是机组电源型式试验系统。机组电源试验系统采用直流机组拖动同步发电机组作为被试和陪试电源，直流机组采用共母线结构，实现能量回馈。机组电源试验系统自动化程度较高，可实现稳频、稳压，负载稳定性较好，如MST－2型式试验系统。但与静止电源型式试验系统相比，其存在噪声大，占地面积大，频率调节范围窄等缺点。

三是传统式型式试验系统。传统式型式试验系统采用调压器或机组作为主电源，采用直接消耗法作为负载，系统结构简单、投资小，但由于系统能耗较大，目前已经较少用于电机型式试验系统，如MST－3型式试验系统。

5 结语

电机检测是电机产品制造全过程中质量控制的重要环节，电机检测技术为电机检测的实现提供了重要依据，而电机检测设备则为电机检测提供了基本的保障。随着我国高效电机的不断推广，对电机的试验系统提出了更高的要求，研制开发高精度、高质量、高性价比的电机试验系统势在必行，它将为我国的电机制造企业对高效及超高效电机的设计提供基本保证。

[1]才家刚，吴亚奇.电机试验技术及设备手册[M].北京:机械工业出版社，2011.

[2]王传军，金惟伟，陈亘，等.高效和超高效电机低不确定度效率测试系统的研究与设计[J].电机控制与应用，2010，37(4):1-5.

[3]顾德军.不同测试方法对电动机效率的影响[J].电机控制与应用，2010，37(5):52-54.

[4]IEC 60034-30—2008单相，三相笼型感应电动机的能效分级(IE代码)[S].

[5]IEC 60034-2-1—2007 Rotating electrical machines-Part2-1:Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)[S].