电动机绕组带电直流电阻测试装置研制

夏勇琳;孙清芳;王传军;强雄

【摘 要】介绍了电动机绕组带电直流电阻测试装置的研制。装置采用扼流滤波设计，实现强弱电隔离，使用高精度和高分辨率调理采样器件，可在电动机通电运转时直接测得绕组的直流电阻值，同时保证测试精度达到标准要求，提高了高效、超高效电动机效率测试的精度。在实际应用中取得了良好效果。%The development of motor winding DC resistance live line test device was introduced. The device adopted choke filter design and realized the isolation of strong and weak electricity. Sample circuits with high precision and high resolution were used, so the DC resistance of motor winding could be measured when it is running. Meanwhile, it can ensure the testing accuracy to meet the standard requirements, improving the efficiency testing precision of the efficient and super efficient motor and it achieves good results in practical application. 【期刊名称】《电机与控制应用》 【年(卷),期】2014(000)009 【总页数】4页(P51-54)

【关键词】电动机效率;绕组;直流电阻;带电测试 【作 者】夏勇琳;孙清芳;王传军;强雄

【作者单位】上海电机系统节能工程技术研究中心，上海 200063;中国质量认证中心 南京分中心，江苏 南京 210000;上海电机系统节能工程技术研究中心，上海 200063;上海电机系统节能工程技术研究中心，上海 200063 【正文语种】中 文 【中图分类】TM303.1 0 引言

电动机是当今应用最广泛的一种动力机械，其用电量约占工业用电量的66%，占全国总用电量的50%左右。提高电动机的效率、积极推广节能电动机的应用，对国民经济建设、能源节约及环境保护等都具有积极的促进作用。国家标准GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》于2012年09月01号正式实施。该标准将电动机能效分为3个等级，节能电动机必须达到1级(超高效电动机)或2级(高效电动机)能效。标准规定能效(效率)的试验方法应按GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》中的B法—测量输入和输出功率的损耗分析法[1]。如何准确的测试高效、超高效电动机的效率正不断引起各方的关注。绕组直流电阻值作为电动机的重要参数之一，参与电动机温升、各项损耗和效率的计算，直接影响电动机最终效率的确定。因此，绕组直流电阻的准确测试是获得高效、超高效电动机效率最基础和重要的环节之一。

本文介绍的带电直流电阻测试装置，采用扼流滤波设计，实现强弱电隔离，使用高精度和高分辨率调理采样器件。其最大的特点是可以在电动机通电运转时直接测量绕组的直流电阻值，同时保证测试精度达到标准要求，在此状态下测得的结果更接近于实际运行工况，不仅避免了埋置测温元件时以点代面的不确定性，而且不再需要通过断电后测取绕组电阻对冷却时间t的关系曲线而外推到t=0时来确定工作

时的电阻值[2]，提高了电动机温升和效率测试结果的准确度。 1 研制背景

根据GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》规定，空载试验中为求取风摩耗和铁耗值，应在每个试验电压点下，测取输入功率P0、电压U0、电流I0，并应同时测取绕组温度θ0或端电阻R0。当用A法或B法确定效率时，应确定每个试验电压点下的

实际应用中如采用每个试验电压点下停机测电阻，并外推到t=0获得电阻R0，不符合标准要求，也无法在电动机带电运行时候直接测出R0。目前通常用温度计(或埋置测温元件)测得绕组表面温度θ0，然后根据电阻与温度关系间接确定电阻R0为

式中:R1——定子绕组初始(冷)端电阻，单位为欧姆; θ1——测量R1时定子绕组温度，单位为摄氏度。 其中，K1=235，绕组材料为铜时[2]。

负载试验时，试验在额定电压和额定频率下进行。在每个负载点处，测取电压U、电流I1、输入P1、转矩Tt(如 A 法、B 法)、转速 n(或 st)、频率f、绕组温度θt(或Rt)及θa。当按A法或B法测定电机效率时，必须测取每个负载点的θt或Rt[2]。同空载试验，只能利用测得的绕组温度 θt来间接地计算出Rt值。

从测试过程可见，实际应用中主要通过测量定子绕组的表面温度折算其直流电阻值。所以，必须在试验前抽出转子，拆端盖来埋置测温元件，操作非常麻烦，且容易破坏被试验样品原有的工艺结构，导致风摩耗增加。另外，测温元件如热电偶等电势信号很微弱(7 mV/100℃)，交流电机的电磁场干扰使测得的热电偶电势中包含了强电磁场噪声，易造成测量误差;测温元件一般仅表贴于绕组上，温度传递的延时性也易造成测量误差;埋设的测温元件仅为某个测试点，以某个测试点的表面温度

表征整个绕组温度，也容易造成埋设点不同而导致测量结果具有较高的不确定度。 本带电直流电阻测试装置正是在这样的背景下研发的，主要解决了在电动机带电运行的情况下高准确度地测取绕组直流电阻的问题。 2 工作原理及技术指标

电动机在带电运行状态下，在其定子绕组上叠加一已知的直流电流测量信号，利用扼流滤波等器件，将交流成分隔离后，经高精度和高分辨率的调理采样器件测量绕组上直流电压信号，然后计算得出绕组直流电阻值，同时在液晶显示器上实时显示。转换单元用于控制运行和测试过程，并进行不同类型被试电动机测试回路的切换。交流电压及电流采样单元可实时监控被试电动机运行状况。各功能按键用于测试时的操作和相关参数的预先设置。操作过程的状态由各指示灯指示或提示。通信接口用于与其他设备间的数据交换。 装置的工作原理框图如图1所示。 图1 装置工作原理框图

测试装置主要技术指标如表1所示。 表1 测试装置主要技术指标? 3 技术特点

3.1 扼流滤波附加装置的设计

因为测量绕组的直流电阻在0.01～10 Ω，所以叠加在绕组上的直流电压采样信号在20 mV～1 V。要从380 V的交流工作电压中取出约20 mV的直流电压信号，必须采取相应的扼流滤波措施，对直流电压采样单元输入端和直流恒流源输出至被测绕组端进行多级LC低通滤波处理，以增强滤波效果，再对被测电压信号经过RC无源低通滤波器滤波，使信号中的高压交流成分降低到A/D器件允许的共模输入电压范围内。

测量电阻用的直流电流叠加在供电机运行的交流电流上，被测量的一相绕组必须用

电容器将其隔断，以便允许交流相电流从电容器中通过，而叠加的直流测量电流不会旁路，使得直流测量电流全部流过该相被测绕组。若该电容器的电容量配置不合理，则会造成施加在电机上的三相电压和电流不平衡，造成电机磁场不平衡，使电机产生严重噪声和振动，影响电机的正常运行。所以必须合理配置该隔直电容器的容量大小，保证电机的正常运行。扼流滤波原理图如图2所示。 图2 扼流滤波原理图 3.2 信号测量单元设计

叠加在绕组上的直流测量电流在0.1～2 A，由于直流回路要通过扼流滤波隔离交流信号，测量回路的阻抗较大，故需要直流测量恒流源的输出功率大，以确保施加在被测绕组上的直流测量电流恒定不衰减。并且该恒流源必须具有高稳定性以及不易受温度变化影响，为此，本装置设计了精密程控打功率直流恒流源，由差动运算放大器和反馈运算放大器以及复合三极管等器件构成，其原理图如图3所示。 图3 精密程控大功率恒流源原理图

同时选用高精度和抗工频干扰能力强的A/D器件进行直流电压信号的采样，以满足该装置的精确测量要求。采用Σ-Δ结构的A/D转换器(CS5532)作为直流电压信号的采样单元。该A/D转换器由于运用了电荷平衡技术，性能可达到24 bit。其在50 Hz的共模抑制比典型值可达120 dB，这对从高共模电压中检测出微弱的差分电压信号是十分有利的，而且Σ-Δ结构相比双积分结构的A/D转换器对白噪声抗干扰能力更强。芯片内部有一个极低噪声的斩波稳定仪表放大器，由多种增益可选择，扩大了信号输入范围，允许小信号的输入，提高了采样单元的动态特性。内部还有一个4阶Σ-Δ调制器，其后跟随一个数字滤波器，能提供多种数字陷波频率的滤波。另外，利用芯片内部的校准系统(包括自校准和系统校准)，能够消除系统通道的失调和增益误差，满足A/D采样单元的高精度测量。 3.3 采取强弱电信号隔离和软件优化处理措施

由于被试电动机在带电运行状态下，测量回路中含有各种成分的高频脉冲和交流工频干扰信号，为了从380 V的交流工作电压和几十安培的电流下隔离出叠加在绕组上的直流电压信号，并克服测量网络中各种因素对测量的影响，该装置采取强弱电隔离措施以及对软件的优化处理，以屏蔽各干扰源对测量的影响。

硬件电路设计中，开关量信号采用光电耦合的输入输出方式，A/D采样单元与主控芯片之间也采用光电耦合的方式进行数据传输。同时，对直流测量恒流源和直流电压采样单元的内部工作电源采取浮置处理方式，有效减少被试电机上的强电压和强电流信号对测量的影响。

软件的优化处理，由主控芯片对A/D采集的数据进行优化处理，以尽量减少测量误差。处理流程是:首先对当前采样的数据进行阈值判断，去除脉冲干扰;其次对已采样的数据组进行数字滤波，剔除最大值和最小值，进行加权平均运算，滤除低频交流分量对测量的干扰。

为提高装置的可靠性，采用硬件看门狗和软件看门狗的双重模式对运行系统进行实时监视，提高测量装置抗干扰性能。 4 实测数据分析比较 4.1 计量数据

测试装置经第三方校准机构计量，其实际误差在0.102% ～0.005%，远小于技术指标，完全满足试验方法的要求，其结果如表2所示。表2中，值＞800 mΩ为Ω，值≤800 mΩ时为mΩ。

表2 第三方校准机构检测数据/结果量程 标准值 显示值 误差/(%)0.050 ～500.00 mΩ 10.000 10.002 0.020 50.000 49.949 0.102 100.00 100.01 0.010 200.00 200.07 0.035 500.00 500.27 0.054 500.00 mΩ ～2.000 0 Ω 500.00 500.03 0.006 800.00 800.29 0.036 1.100 0 1.099 8 0.018 1.300 0 1.299 7 0.023 1.500 0 1.499 8 0.013 1.800 0 1.800 1 0.056 2.000 0 2.000 1 0.005 2.000 0 ～

10.000 Ω 2.000 0 2.000 7 0.035 5.000 0 5.001 2 0.024 8.000 0 8.001 4 0.018 10.000 0 9.998 50.015 4.2 带电实测数据

由于测试装置无法在其带电工作时计量，采用同台电动机进行温升试验时，使用该装置直接测试绕组电阻，然后停机断能使用精度为0.2%的数字直流电阻测试仪测量5个绕组电阻值且外推至0 s(停机断能瞬间)，对两种方法获得的电阻值进行比对。第三方校准机构数据如表3所示。

通过对数据的统计分析，上述两种方法测得的电阻值非常吻合，但用装置实测的电阻值比外推计算的电阻值稍高，主要受电动机断能后热稳定条件变化及测试人员操作熟练程度的影响。使用带电测试电阻装置消除了这些误差和影响，提升了准确性。 5 结语

使用带电测试电阻装置的方法来确定电动机的温升和效率更符合实际运行工况，减少了目前常用温度计法(或埋置测温元件法)、不带电电阻法的测量误差，减轻了电动机测试工作的强度，提升了测试结果的准确性。本装置操作便捷，具有智能化、数字化的特点，完全符合国家标准GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》规定的精度和方法要求，实际应用效果良好。

表3 装置实测值外推计算(时间/端电阻)电动机型号规格装置实测值/mΩ 0 s端电阻换算为相电阻/Ω 0 s端电阻/Ω 第1点 第2点 第3点 第4点 第5点YE3-132-S2-2 7.5 kW(380 V/50 Hz角接)1 321.1 1.320 8 0.880 5 43/0.877 0 48/0.876 0 53/0.875 1 59/0.873 8 66/0.873 0 YE3-180M-4 18.5 kW(230 V/50 Hz角接)96.36 0.096 34 0.064 23 34/0.063 88 38/0.063 84 43/0.063 80 49/0.063 76 54/0.063 72 YE3-180M2-2 22 kW(230 V/50 Hz角接)125.35 0.125 3 0.083 53 47/0.082 77 51/0.082 70 56/0.082 60 61/0.082 51 66/0.082 41 YE3-200L1-2 30 kW(380 V/50 Hz角接)237.24 0.237 2 0.158 1 33/0.155 3

37/0.155 0 41/0.154 8 47/0.154 6 52/0.154 4 YE3-280M-6 55 kW(380 V/50 Hz角接)103.52 0.103 5 0.069 02 48/0.068 64 55/0.068 59 61/0.068 55 66/0.068 52 73/0.06848 【参考文献】

【相关文献】

[1]李秀英.关于GB 18613—2012的3级能效与YX系列高效率三相异步电动机效率的比对分析[J].电机与控制应用，2012，39(7):3-5.

[2]GB/T 1032—2012 三相异步电动机试验方法[S].2012.