李玉飛

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著帶式輸送機向大運量、長運距、智能化、高可靠性發(fā)展，采用軟啟動控制技術可降低輸送帶動張力損傷、沖擊打滑和抖帶，提高可靠性、傳動效率及使用壽命。而采用礦用永磁同步變頻調速電動機與專用變頻器配合直接驅動傳動滾筒，即可實現(xiàn)低轉速大轉矩的平穩(wěn)啟動、精確速度調節(jié)、智能保護，又省去減速機降低維護量，提高傳動效率(約為95%)[1]。永磁電動機不需要從電網吸收無功電流，轉子上既無銅耗又無鐵耗，功率因數(shù)接近于1，電樞電流中的無功分量很小，定子銅耗減少，相比于感應電動機，永磁電動機的功率因數(shù)和效率更高[2-6]。近年在帶式輸送機中使用越來越多，生產礦用永磁同步變頻調速電動機的企業(yè)也越來越多。

而國內現(xiàn)有的對于永磁同步電動機的性能檢驗標準多是適用于自起動的永磁同步電動機，且適用的電動機功率較小，無法直接用于直接驅動傳動滾筒的永磁同步變頻調速電動機的性能檢驗。針對以上問題，本文結合直接驅動傳動滾筒永磁同步變頻調速電動機自身的特點，提出適用于礦用永磁同步變頻調速電動機的性能測試方法。

1 礦用永磁同步變頻調速電動機特點

礦用永磁同步變頻調速電動機一般是指轉速低于500r/min、轉矩大于500N·m，用于直接驅動傳動滾筒的電動機[7]。由于輸送機的運行工況與工藝要求，此類礦用永磁同步變頻調速電動機的驅動系統(tǒng)傳動裝置必須具備重載起動能力，過載能力高，在起動過程中，電動機運行轉速低輸出轉矩大，并要求實現(xiàn)機頭與機尾電動機的功率轉矩平衡控制[8]，因此，電動機一般為50～100r/min低轉速驅動電動機，必須配接專用變頻器，形成礦用永磁同步變頻調速電動機的驅動系統(tǒng)。由于電動機工作轉速越低，變頻器的工作頻率就需要越低，過低的運行頻率對變頻器不利，因此需要合理設計電動機極對數(shù)和其專用配套變頻器工作頻率范圍[9]，一般電動機的極對數(shù)在20～40(40～80極)范圍內，額定工作頻率在40Hz左右，額定功率在1000kW左右，最大功率可達2000kW，額定輸出轉矩可達十多萬牛米。

2 制定永磁同步變頻調速電動機檢驗方案

基于礦用永磁同步變頻調速電動機的特點，國內現(xiàn)行的性能檢驗標準均無法完全適用于此產品的性能檢驗要求，需要有針對性的制定特有的檢驗方案。

2.1 檢驗測試條件

檢驗用的試驗電源由被試電源和陪試電源組成，分別用于給被試樣品和陪試設備供電。電源的容量應滿足永磁同步電動機滿載和短時過轉矩加載的要求，電源的質量及檢驗測量設備精度應符合標準《三相永磁同步電動機試驗方法》(GB/T 22669—2008)的要求。

2.2 主要檢驗項目

由于礦用永磁同步變頻調速電動機需要配接專用的變頻器，特別是當電動機運行于低速大扭矩狀態(tài)時，電動機磁密偏高，變頻器控制程序的數(shù)學模型與感應電動機的有較大差異[10]，電動機的運行模式與感應電動機及自起動的永磁同步電動機也有很大的區(qū)別。因此，礦用永磁同步變頻調速電動機的檢驗項目及檢驗方法僅可以參照自起動的永磁同步電動機檢驗標準要求，但并不能完全依據使用。為檢驗礦用隔爆型永磁同步電動機性能情況，結合電動機特點及工作運行情況，制定檢驗項目包括：試驗前的檢查、冷態(tài)下繞組直流電阻測定、絕緣電阻測量、溫升試驗、效率、功率因數(shù)測定、短時過轉矩、恒轉矩調速特性、空載反電動勢、空載試驗、噪聲與振動測定、軸電壓的測試等檢驗項目。

3 檢驗項目的檢驗方法研究

檢驗項目中試驗前的檢查、冷態(tài)下繞組直流電阻測定、絕緣電阻測量等不需要通電運行的檢驗項目可參照《三相同步電動機試驗方法》(GB/T 1029—2005)的方法進行。針對需要通電和利用陪試設備加載的檢驗項目應根據電動機的運行特點及負載情況選擇不同的檢驗方法。

3.1 溫升試驗

溫升試驗的方法宜采用直接負載法，為保證電動機滿載運行中轉矩平穩(wěn)、無異常脈動和振動情況發(fā)生，加載用陪試電動機應采用與被試電動機同步轉速相同、功率更大的電動機為被試電動機加載。繞組溫升應采用電阻法測量，試驗中應記錄輸入電動機的線電壓、三相電流、電功率等電參數(shù)、定子繞組、定子鐵心、環(huán)境溫度、外殼溫度、軸承、冷卻介質等的溫度。在溫升試驗的初始階段，為了縮短試驗時間，電動機在預熱階段可以適當過載(20%～50%)，溫度升起后再調至額定電壓、額定功率下進行，試驗時被試電動機輸出額定負載，溫升試驗應進行到相隔30min的兩個相繼讀數(shù)之間溫升變化在1K以內為止[11]。溫升試驗結束后定子繞組直流電阻的測量、溫升的計算和修正應參照《三相同步電動機試驗方法》(GB/T 1029—2005)的溫升試驗方法進行。

由于此永磁同步電動機需要配接專用的變頻器，并需要保證電動機在其額定頻率范圍內滿足恒轉矩輸出，所以溫升試驗應分別在電動機額定頻率和最低運行頻率下進行，以驗證此電動機在整個頻率范圍內都能長時間輸出額定轉矩，且電動機各部分溫升滿足要求，不會導致電動機絕緣性能下降及損壞。

3.2 效率、功率因數(shù)的測定

電動機轉子的永磁材料對溫度具有較強的敏感性，溫度的變化直接影響永磁同步電動機的效率等運行性能和使用壽命[12]。永磁同步電動機的負載特性在溫升試驗之后進行，電動機輸入額定頻率、額定電壓，效率的測試方法按照《永磁同步電動機能效限定值及能效等級》(GB 30253—2013)中第5條規(guī)定：“變頻驅動永磁同步電動機的效率參照GB/T 22670—2008中10.2.1直接法——輸入-輸出法(A法)確定”(新版標準GB/T 22670—2018 《變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法》第10.4條 方法2-3-C：輸入-輸出法的規(guī)定)。GB/ 22670—2018的方法2-3-C：輸入-輸出法的規(guī)定為：將被試驗電動機與帶有測功計的負載設備連接，在額定轉矩下運行直到熱平衡(變化率為不大于2K/h)。

試驗時記錄：輸出轉矩T，N·m；轉速n，r/min；變頻器供電時的電動機輸入功率P1C，W；電動機輸入的線電壓U；電動機輸入的電流I；功率因數(shù)cosφ。

電動機的效率按式(1)計算：

因永磁同步電動機的負載轉速低、功率大，其額定輸出轉矩可達10多萬N·m，試驗中不容易準確測量電動機的輸出轉矩，在試驗中轉矩的測量有兩種方法：①利用轉矩測量儀器直接測量；②利用其它設備設施間接測量。

在利用轉矩測量儀器直接測量時，目前國內還沒有能夠計量校準這種直接測量低轉速大轉矩的測量儀器的校準計量單位，根據CNAS-RL01：2018條款7.6條款：當測量結果無法溯源至國際單位制(SI)單位或與SI單位不相關時，測量結果應溯源至RM、公認的或約定的測量方法/標準，或通過實驗室間比對等途徑，證明其測量結果與同類實驗室的一致性。當采用實驗室間比對的方式來提供測量的可信度時，應保證定期與3家以上(含3家)實驗室比對?？尚袝r應是獲得CNAS認可，或APLAC、ILAC多邊承認協(xié)議成員認可的實驗室[13]。

第二種方法是在船舶行業(yè)中經常使用的采用應變片電測技術，在軸上組成應變橋，通過測量軸表面剪切應力(變)的方法計算出軸的扭矩T[14-16]。由材料力學知，當受扭矩作用時，軸表面有最大剪應力τmax。軸表面的單元體為純剪應力狀態(tài)，在與軸線成45°的方向上有最大正應力σ1和σ2，其值為|σ1|=|σ2|=τmax。相應的變形為ε1和ε2，當測得應變后，便可算出τmax。測量時應變片沿與軸線成45°的方向粘貼。

若測得沿45°方向的應變ε1，則相應的剪應變?yōu)椋?/p>

式中，E為材料的彈性模量；μ為材料的泊松比。

于是，軸的扭矩為：

式中，Wp為材料的抗扭模量；C為應變-扭矩轉換系數(shù)。

軸的應變-扭矩轉換系數(shù)C的標定：使用和軸同等材料、同等直徑1m長圓柱、或其他已知長度，在圓柱表面粘貼應變片，將圓柱一端固定，另外一端掛上標準質量塊，使用扭矩節(jié)點測得相應的應變值，即可以標定應變-扭矩轉換系數(shù)C。在測量永磁同步電動機輸出轉矩時，貼上應變片測出應變量，即可根據式(3)計算電動機輸出轉矩。負載試驗時，測出轉矩后再利用轉速儀測出軸的轉速即可根據式(1)計算效率。

3.3 短時過轉矩試驗

短時過轉矩試驗應在額定電壓、額定頻率下進行。試驗時，電動機在熱態(tài)下，逐漸增加負載，使輸出轉矩達到其標準所規(guī)定的過轉矩數(shù)值，歷時15s，轉矩的測量可以采用負載試驗時的轉矩測量方法進行。也允許在試驗時用測量定子電流代替轉矩的測量，此時，定子電流值應等于1.1倍的過轉矩倍數(shù)乘以額定電流值。

3.4 恒轉矩調速特性試驗

試驗應在溫升試驗后進行。起動電動機后，變頻器輸出頻率在電動機最低頻率和電動機額定頻率之間范圍內調節(jié)，在有效避開變頻器諧振點的情況下，平均取4～6個頻率測試點，分別在上述每一個頻率點下給電動機緩慢加載，直到額定轉矩，測量記錄各頻率點的輸出轉矩T及對應的轉速n。在測試過程中電動機應平穩(wěn)運轉，無明顯轉矩脈動現(xiàn)象。轉矩和轉速的測量可以采用負載試驗時的測量方法，測試完成后繪出T-n曲線。

3.5 空載反電動勢試驗

空載反電動勢試驗按照標準《三相永磁同步電動機試驗方法》(GB/T 22669—2008)的要求可用反拖法和最小電流法測定，對于礦用永磁同步變頻調速電動機只能采用反拖法，即用陪試電動機拖動被試電動機在同步轉速下作為發(fā)電動機空載運行，陪試電動機可以是與被試永磁同步電動機額定轉速相同的永磁同步電動機，也可以利用變頻器控制三相異步電動機拖動永磁同步電動機作為發(fā)電動機在額定轉速運行[17]。分別測量被試電動機的出線端電壓Uab、Ubc、Uca，取其平均值作為空載反電動勢線電壓值，并記錄此時電動機定子鐵心的溫度和環(huán)境溫度。

不采用最小電流法的原因有兩個，一是最小電流法測得的空載反電動勢值為近似值，不是準確值，二是因為此永磁同步電動機需要配接變頻器起動電動機，但變頻器無法實現(xiàn)不改變頻率的情況下改變輸出電壓來尋找空載電流的最小值。因此只能采用反拖法，而對于此永磁同步電動機利用反拖法進行空載反電動勢測試，無論是在熱試驗之前測試的還是熱試驗之后的測試，都是很方便實現(xiàn)的。

3.6 空載試驗的測定

同空載反電動勢試驗的測試一樣，此類礦用永磁同步變頻調速電動機是屬于變頻調速電動機，是需要通過專用變頻器起動且調速，變頻器無法在額定頻率時輸出變化較大的可變電壓，電動機不能在額定頻率下的多個電壓點運行，此類電動機的空載試驗也就無法同自起動三相永磁同步電動機一樣通過調壓器調節(jié)輸入電壓，按照GB/T 22669—2008第6.1.2條規(guī)定：“被試電動機施以額定頻率的電壓，電壓的變化范圍從125%的額定電壓開始逐步降低，其中應包括100%額定電壓的測點。隨電壓降低，電流逐漸減小。當電流出現(xiàn)拐點后，應繼續(xù)降低電壓，直至電流回升到超過100%額定電壓時的電流值出現(xiàn)，取10～12個電壓點(大致均勻分布)”來完成空載特性試驗。

此類永磁同步電動機的空載試驗測定可采用《無直流勵磁繞組同步電動機試驗方法》(GB/T 13958—2008)中6.1條的規(guī)定：在額定電壓、額定頻率下空載運轉，讀取空載電流和空載損耗，無需測試多個電壓點。

3.7 噪聲試驗的測定

噪聲的測試依據標準《旋轉電動機噪聲測定方法及限值 第1部分：旋轉電動機噪聲測定方法》(GB/T 10069.1—2006)進行。

聲功率級只與聲源的功率有關，現(xiàn)行的電動機噪聲考核標準大部分采用聲功率級。實際測量時，只要知道測量包絡面的面積和包絡面上測量的聲壓級，計算出聲功率級[18]，即：

式中，LW為聲功率級，dB；LP為聲壓級，dB；S為測量包絡面的面積，m2；S0為基準面面積，S0=1m2。

試驗方法為：被試電動機在剛性安裝條件下試驗。剛性安裝時電動機安裝在適合該類電動機尺寸足夠的安裝面上，電動機不應受到不正常的墊片調整而導致附加安裝應力。

試驗運行工況為空載運行，試驗時被試電動機運行在額定電壓，在配接變頻器輸出的最低頻率和額定頻率下進行測試，根據標準GB/T10069.1-2006的要求：

在電動機包絡面上選取測試點后對噪聲的聲壓級進行測試。包絡面分為半球面和平行六面體兩類。對中心高大于225mm或長度大于1m的電動機，采用平行六面體測點布置法布置測點，礦用永磁同步變頻調速電動機一般尺寸都比較大，所以采用平行六面體測點布置法布置測點。平行六面體測點布置是假想將被試電動機放置在一個方形的包裝箱內，箱底為安裝被試電動機的地面，假想的箱壁距離被試電動機lm，各測點布置在方形包裝箱表面。對較小的電動機，設置測點距電動機外表面的垂直距離為1m，在前后左右四個相互垂直的方上及電動機中心上分布配置，四周測點的高度等于軸中心高，上方測點的高度為距電動機表面1m。

如果電動機的長(不包括軸伸長)為L，寬為M，高度為H，則測量包絡面的面積：

S=4×(ab+bc+ca)×(a+b+c)/(a+b+c+2)

式中，a=0.5L+1，b=0.5M+1，c=0.5H+1，m；S為包絡面的面積，m2。

而對于對較大的電動機，如果相鄰測點間的距離大于1m，需要在上述測點的兩側增加更多的測點，測點布置如圖1所示。平行六面體等效包絡面的面積則為：

S=[2c(a+b)+ab]m2

此時，a=L+2，b=M+2，c=H+1，m。L、M、H為忽略了突出部分影響的電動機基準體的長、寬、高。

圖1 平行六面體測點布置圖

3.8 振動試驗的測定

永磁同步電動機振動試驗的測量、判定及限值通用要求依據《軸中心高為56mm及以上電動機的機械振動振動的測量、評定及限值》(GB 10068—2008)執(zhí)行，該標準等同IEC60034-14：2007。

試驗時，被試電動機采用剛性安裝，直接或通過安裝平板安裝在堅硬的基礎或鋼板上。判斷剛性安裝是否符合要求的方法是測量電動機地腳上(或在座式軸承或定子地腳附近的底座上)的水平與垂直兩方面測得的最大振動速度，如果該速度不超過鄰近軸承上沿水平或垂直方向所測得的最大振動速度的25%，則判定該剛性安裝符合要求。

試驗時電動機在額定供電狀態(tài)下空載運行，在配接變頻器輸出的電動機最低頻率和額定頻率下進行測試。在試驗時選擇測試點可簡化為測量座式軸承正上和軸承徑向水平方向底座上的振動。具體如圖2所示。

圖2 振動試驗測點選擇

3.9 軸電壓測試

永磁同步電動機在變頻器調速運行過程中，由于變頻器輸出的電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產生電磁感應，使轉軸的電位發(fā)生變化，從而使電動機在兩軸承端或轉軸與軸承間產生軸電壓，當軸電壓大于潤滑油膜擊穿閾值電壓時，會出現(xiàn)瞬間火花放電，瞬間火花放電產生的電流脈沖會造成軸承和外滾道金屬表面腐蝕，嚴重時可直接損壞軸承或滾道[19]，影響軸承正常運行。

根據標準GB/T 1029—2005的規(guī)定，軸電壓測試時被試電動機在額定電壓、額定轉速下空載運行。用高內阻交流電壓表測定前后軸承的電壓U1，然后將轉軸一端與其軸承座短接，測另一端對軸承座的電壓U2，再測該軸承座對地的電壓U3。如圖3所示，試驗前在電動機軸承與機殼之間加裝絕緣環(huán)、軸承與轉軸之間墊入干燥的絕緣片或者采用絕緣軸承，檢查軸承座與金屬墊片、金屬墊片與金屬底座間的絕緣電阻，確保電動機絕緣良好。

圖3 軸電壓測量示意圖

這種方法測得的是軸電壓的有效值[17]，由于軸電壓是非正弦波的高頻電壓，波形畸變嚴重，對稱性、重復性極差，數(shù)值隨機性較大，測得的有效值不能準確反映軸電壓的大小，且無法測定軸電壓的峰峰值。文獻[20，21]提出可以采用“時間窗”的方法來測量軸電壓的有效值和峰峰值，即利用示波器在一定時間內(時間窗)采集一組基礎數(shù)據，取時間窗內測量數(shù)據的有效值平均值為測得的有效值，取時間窗內最大值為峰值，這樣既可以測得軸電壓的有效值又可以測得峰峰值，可以實現(xiàn)盡量真實的反映軸電壓的實際情況。

3.10 檢驗方案的試行結果

此檢驗方案在礦用永磁同步變頻調速電動機的性能檢驗中已經試行多年，試用結果表明，檢驗項目和檢驗測試方法測量的結果均能準確、有效的反映永磁同步變頻調速電動機的性能情況。

4 結 語

礦用永磁同步變頻調速電動機在煤礦井下應用越來越多，但是適用于此永磁同步電動機的性能檢驗標準還沒有實施。分析了永磁同步變頻調速電動機低轉速大轉矩的運行特點，提出檢驗方案和檢驗項目。結合永磁同步電動機需要變頻器起動和調速等實際使用運行情況，給出永磁同步電動機性能檢驗項目對應的檢驗方法，特別是負載特性試驗和空載特性試驗的檢驗測量方法，與自起動永磁同步電動機的測量有很大的不同。這些檢驗測試方法測量的結果更準確，更能實際反映永磁同步電動機的性能情況，可以為各生產廠家及檢測機構對低轉速大轉矩永磁同步電動機的檢驗提供方法參照，也可以為永磁同步電動機檢驗方法標準的制定提供參考。