一种变频电机高次谐波振动转矩的测量装置的制作方法

本发明涉及转矩测量设备领域，特别涉及一种变频电机高次谐波振动转矩的测量装置。

背景技术：

转矩是电机最重要的一个参数，要合理地选用电机，必须要准确地对转矩进行测量。对于变频电机而言，当采用变频器供电时，产生的转矩除了占主要部分的平均转矩外，变频器电源中含有的高次时间谐波与电机电磁部分的固有空间谐波相互干扰，形成各种电磁振动力，当电磁力波的频率和结构件固有振动频率一致或接近时，将产生共振，由此产生振动转矩。平均转矩一般使用平均转矩测试仪测定，而对于高次谐波振动转矩则难以测量。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本专利提出一种针对变频电机产生的高次谐波振动转矩的测量装置，此装置具有结构简单，输出线性度好、快速性及精度高、运行可靠的特点。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种变频电机高次谐波振动转矩的测量装置，包括依次连接的变频器、变频电机、交流异步测速发电机、fft变换功能采集仪和线性换算器，其中：

所述变频器，用于给所述变频电机提供变频电源；

所述交流异步测速发电机与所述变频电机通过联轴器同轴联接，用于测量所述变频电机产生的高次谐波振动转矩；

所述fft变换功能采集仪，用于将所述交流异步测速发电机输出绕组输出的电压时域信号转换成基波分量与一系列高次谐波分量的频域信号，从而提取基波和不同高次谐波振动转矩的幅值、相位和频率，进而使所述变频电机产生的振动转矩信号在时域和频域之间建立关系；

所述线性换算器，用于将所述fft变换功能采集仪器提取出的高次谐波振动转矩频域幅值信号换算成时域幅值信号。

进一步的，所述交流异步测速发电机中的定子铁心上放置着空间相位差90°电角度的两相绕组，其中一相为励磁绕组w1，另一相为输出绕组w2，转子采用非磁性薄壁杯形，以减少转动惯量，并放置在内外定子间的气隙中。

进一步的，所述交流异步测速发电机工作时，在励磁绕组w1中通入固定的直流，在直轴d轴方向上产生一个静止不动、幅值恒定的磁通φd，由于所述交流异步测速发电机与被测的所述变频电机同轴联接，假设此时所述变频电机以转速n顺时针旋转，则所述交流异步测速发电机的转子也跟着以转速n顺时针旋转，d轴方向产生的磁通φd穿过所述交流异步测速发电机的空心杯转子，产生感应电动势er，由于所述交流异步测速发电机的空心杯转子采用高电阻率的非导磁材料制成，因此转子漏电抗可忽略，认为只有电阻存在，且空心杯转子是闭合回路，必然在转子内产生感应电流ir，方向与er同向，由于有感应电流ir存在，利用右手定则，在空间q轴方向产生交轴磁通φq，φq磁通方向与d轴磁通φd垂直，在q轴方向φq磁通与输出绕组w2交链，在w2中产生感应电动势e2，因而在输出绕组w2中产生输出电压u2。

进一步的，当转速n达到恒定时，即当tz为恒定负载转矩时，φq恒定，此时e2＝0，则输出绕组w2输出电压u2为零；当电磁转矩含有振动转矩时，则φq≠0、e2≠0，则控制绕组w2输出的交变电势u2；成立，则通过测量输出绕组w2输出交变电势u2，再测得所述变频电机转子的飞轮矩gd²或转动惯量j，进而求得所述变频电机由高次谐波产生的振动转矩δt。

进一步的，假设所述fft变换功能采集仪器提取出的某一高次谐波振动转矩频域幅值为xdb，则所述变频电机产生的某一高次谐波振动转矩为y牛顿米，换算公式如下：

其中：gd²为变频电机转子的飞轮矩，j为转动惯量，nn为变频电机额定转速，pmec为变频电机在额定转速时的机械损耗。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明提出的一种针对变频电机产生的高次谐波振动转矩的测量装置，此装置具有结构简单，输出线性度好、快速性及精度高、运行可靠的特点，可对变频电机在动态测量状态下的转矩参数进行实时测量、测量精度高，稳定性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明一种变频电机高次谐波振动转矩测量装置的系统框图；

图2是本发明中交流异步测速发电机测量变频电机高次谐波振动转矩的工作原理图；

图3是本发明中基频f＝50hz的6倍频振动转矩实验测量值示意图。

【主要符号说明】

1-变频器；

2-变频电机；

3-交流异步测速发电机；

4-fft变换功能采集仪；

5-线性换算器。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种变频电机高次谐波振动转矩的测量装置，包括依次连接的变频器1、变频电机2、交流异步测速发电机3、fft(fastfouriertransform快速傅立叶变换)变换功能采集仪4和线性换算器5，其中：

所述变频器1，用于给所述变频电机2提供变频电源，本实施例中，所述变频器1的选择通常根据所述变频电机2的规格指标参数、功率大小、相数、周围环境的温湿度等因数。

所述交流异步测速发电机3与所述变频电机2通过联轴器同轴联接，用于测量所述变频电机2产生的高次谐波振动转矩；

所述fft变换功能采集仪4，用于将所述交流异步测速发电机3输出绕组输出的电压时域信号转换成基波分量与一系列高次谐波分量的频域信号，从而提取基波和不同高次谐波振动转矩的幅值、相位和频率，进而使所述变频电机2产生的振动转矩信号在时域和频域之间建立关系；

所述线性换算器5，用于将所述fft变换功能采集仪器4提取出的高次谐波振动转矩频域幅值信号换算成时域幅值信号。

如图2所示，为交流异步测速发电机测量变频电机高次谐波振动转矩的工作原理图。具体的，所述交流异步测速发电机中的定子铁心上放置着空间相位差90°电角度的两相绕组，其中一相为励磁绕组w1(轴线为d轴)，另一相为输出绕组w2(轴线为q轴)，转子采用非磁性薄壁杯形，以减少转动惯量，并放置在内外定子间的气隙中，简称为杯形转子。

所述交流异步测速发电机工作时，在励磁绕组w1中通入固定的直流，在直轴d轴方向上产生一个静止不动、幅值恒定的磁通φd，由于所述交流异步测速发电机与被测的所述变频电机同轴联接，假设此时所述变频电机以转速n顺时针旋转，则所述交流异步测速发电机的转子也跟着以转速n顺时针旋转，d轴方向产生的磁通φd穿过所述交流异步测速发电机的空心杯转子，产生感应电动势er(用右手定则判断电动势方向见图2)，由于所述交流异步测速发电机的空心杯转子采用高电阻率的非导磁材料制成，因此转子漏电抗可忽略，认为只有电阻存在，且空心杯转子是闭合回路，必然在转子内产生感应电流ir，方向与er同向，由于有感应电流ir存在，利用右手定则，在空间q轴方向产生交轴磁通φq，φq磁通方向与d轴磁通φd垂直，在q轴方向φq磁通与输出绕组w2交链，在w2中产生感应电动势e2，因而在输出绕组w2中产生输出电压u2。

进一步的，当转速n达到恒定时，即当tz为恒定负载转矩时，φq恒定，此时e2＝0，则输出绕组w2输出电压u2为零；当电磁转矩含有振动转矩时，则φq≠0、e2≠0，则控制绕组w2输出的交变电势u2；成立，则通过测量输出绕组w2输出交变电势u2，再测得所述变频电机转子的飞轮矩gd²或转动惯量j，进而求得所述变频电机由高次谐波产生的振动转矩δt。

在所述线性换算起中，假设所述fft变换功能采集仪器提取出的某一高次谐波振动转矩频域幅值为xdb，则所述变频电机产生的某一高次谐波振动转矩为y牛顿米，换算公式如下：

其中：gd²为变频电机转子的飞轮矩，j为转动惯量，nn为变频电机额定转速，pmec为变频电机在额定转速时的机械损耗。

试验时，用提高电源频率，使被测的所述变频电机的转速超过其额定值的1.1倍。然后切断电源，让电机自行减速停转，在电机转速从1.1nn下降到0.9nn范围内，精确测定下降的转速差δn及δn变化所用的时间δt。

工程实例：

1、各个器件选型

本发明申请以上海宏声科教仪器设备有限公司生产的m03三相异步电动机作为变频电机进行试验，通过本装置进行测量该电机在变频电源作用下产生高次谐波振动转矩的幅值大小。

电机m03铭牌数据为：pn＝100w、un＝220v、in＝0.48a、nn＝1420r/min、采用δ接法。

根据试验电机容量大小，所述变频器选用三菱fr-d720s-0.4k-cht型号。

测量高次谐波振动转矩的传感器选用型号为36ck4b空心杯转子交流测速发电机，要求该测速发电机必须与被测变频电机通过联轴器同轴联接。

fft(fastfouriertransform快速傅立叶变换)变换功能采集仪选用具有fft变换功能的带有存储功能的示波器采集。

2、其它数据准备

根据公式(1)，需要提前已知pmec、nn、δn、δn。

试验前，要将电机空转一定时间，测出电机在额定转速时的机械损耗pmec＝4.5w。nn＝1420r/min，则1.1nn＝1562r/min，0.9nn＝1278r/min，在范围1278r/min～1562r/min期间试验，试验一组数据为从1492r/min～1338r/min，即δn＝154r/min，所测时间δt＝3.249s。

2、变频电机高次谐波振动转矩测量

将测量装置系统连接好之后，等电机在变频器作用下启动后，进入稳定运行状态，将交流测速发电机输出绕组输出电压通过fft示波器进行频谱转换，见图3所示。

从图3中得知fft示波器采集的变频电机6次谐波振动转矩的幅值为24.1db，频率值为300hz，为基频电源50hz的6倍，将其带入公式(1)得出：

通过计算，此系统中变频电机运行过程中产生的6次谐波的振动转矩为0.0167牛顿米。

同样的，此系统还可测量其它高次谐波振动转矩，只要用fft示波器采集提取相应其它高次谐波频率的频谱图即可，用同样的计算公式(1)即可测量出。

本发明提出的一种针对变频电机产生的高次谐波振动转矩的测量装置，此装置具有结构简单，输出线性度好、快速性及精度高、运行可靠的特点，可对变频电机在动态测量状态下的转矩参数进行实时测量、测量精度高，稳定性好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。