船用变频推进电机效率测量方法研究

王艳武，关 涛，徐定海，钱 超



船用变频推进电机效率测量方法研究

王艳武1,2，关 涛1，徐定海1，钱 超3

(1. 海军装备研究院，北京 100073；2. 92601部队，广东湛江 524005；3. 海军工程大学科研部，武汉 430033)

在对电机效率计算测量方法研究的基础上，针对船用变频推进电机运行特点，采用转速率和负荷率对电机效率进行了理论计算。与实验测量值进行比较，结果显示电机转速和负荷较大时，计算结果准确。当变频推进电机采用压频比控制时，只需要测量电机电压电流即可通过计算获得电机效率值。

推进电机 效率 测量

0 前言

综合电力推进系统由于其出色的隐身性、可靠性、经济性及操纵控制灵活等优点，己成为世界各国船舶推进发展的趋势。作为综合电力推进系统的关键设备，推进电机性能直接关系到整个船舶的性能。对推进电机效率进行测量，可以有效评估电机经济性，并在此基础上对整个船舶动力性能进行评估，为船舶设计提供重要的理论依据。但是由于船用大功率变频推进电机工作环境复杂，负载变化剧烈，很难对其效率进行准确测量。针对这一实际问题，本文以一台变频推进电机为对象，在实验测试的基础上，对大型船用推进电机效率测量方法开展研究，为准确测量船用大功率变频推进电机效率提供理论支持和工程实现途径。

1 电机效率测试基本方法

根据定义，电机效率为电机输出轴功率与输入电功率的比值：

（1）

式中，P和P分别表示电机输入电功率和输出轴功率，P表示电机总损耗功率。

由式（1）可知，电机效率的高低，取决于电机运行过程中损耗的大小。而对电机效率的精确测量，实际上就是对电机输出轴功率或者是电机运行过程中损耗的精确测量。因此在工程实际中，对电机效率的测量，存在两种最基本的方法：直接测量法和间接测量法[1]。以这两种方法为基础，依据IEC61972和GB/T1032[2]，国内外学者对电机效率测量方法进行了广泛的研究。文献[3] 使用遗传算法估算等效电路模型参数，对大功率电机效率进行了在线测量研究，通过与扭矩仪法进行比较，证明了结果的有效性。文献[4]利用B法在对电机损耗进行测量的基础上对电机效率测试进行研究。有文献利用气隙转矩法对电机效率测试方法进行了研究，解决了电机输出转矩精确测量的问题。为了解决变频电机谐波分量对电机效率测量的影响，有的文献对变频电机效率测量方法进行了研究探索。从这些文献资料来看，对电机效率测量方法的研究基本上集中在额定负荷和额定转速下进行，而对于经常变转速、低负荷运行的船用推进电机来说，如何准确的进行效率测量，则还需要进一步进行研究。本文根据文献[5]提出的负荷比和转速比概念，对大型船用推进电机效率测量计算方法进行研究，在此基础上对大型船用推进电机效率随转速和负荷变化规律进行了分析，为大型船用推进电机效率的测量评估提供理论支持。

2 基于负荷比的电机效率测量算法

对于电机来说，损耗主要包括铜耗、铁耗、风摩损耗和杂散损耗。其中铁耗、风摩损耗和杂散损耗与负载无关，但与电机输入电压平方成正比。铜耗包含定子绕组铜耗和转子绕组铜耗，随电机负载的变化而变化，与电流平方成正比。对于一般三相电机在额定工况下，铜耗和其他损耗各占电机总损耗的70%和30%[11]。根据文献[12]，电机总损耗为：

根据（2）式，电机效率为：

在式（3）中，由于电机铜耗与定子电流平方成正比，则式（3）变化后取近似值为：

电机在不同工况下可以利用变频器进行转速控制，对于不同转速定义转速比为：

(5)

对于一般采用压频控制的变频器驱动电机，其压频比为常数，则有：

式中，、f分别为电机实际转动频率和额定频率。

针对电机不同转速下设计功率不同，定义负荷比为：

由于电机输出轴功率测量比较困难，为了简化计算，负荷率计算采用输入功率进行计算，（7）式变化为：

根据电机基本原理：

(9)

则有：

将式（5）、（8）、（10）代入（4）式，则电机效率为：

(11)

根据相关研究[12]，功率因数比值变化对电机效率值影响基本可以忽略，因此式（11）可以简化为：

3 大功率变频电机效率测量实例分析

在前述理论分析基础上，以某型变频电机为试验对象，对电机效率测量方法进行应用研究。试验中分别对45 r/min、70 r/min和200 r/min效率进行测量。在额定工况下，电机转速为200 r/min，设计效率97.3%。表1为电机在各工况下设计运行参数。直流电压为变频器输入电压，相电压和相电流为电机各相电压、电流有效值。电机一般采取多支路多相运行，在45 rpm及以下工况采取一个支路运行。从设计参数来看，电机在低转速低负荷下效率较低，额定工况下效率最高。

结合电机性能试验测量参数，根据式（5）、（8）、（12）对电机效率进行计算。图1所示为电机在45 r/min、70 r/min和200 r/min三种工况下效率比较图。

从图中分析，在200 rpm工况下，电机设计效率值、试验测量效率值和理论计算效率值最为接近，分别为97.3%、97.86%和97.41%，试验测量值比理论计算值高0.42%，理论计算值和设计值较为接近，仅仅相差0.11%；在45rpm工况下，电机理论计算效率值最高，分别比试验测量值和设计效率值高6.55%和5.45%；在70 rpm时，理论计算值比试验测量值和设计值高2.24%和2.94%。通过三种工况下效率值比较分析可知，在额定工况下，理论计算值误差最小；在45rpm工况下理论计算值误差最大；随着转速和负荷的降低，理论计算误差逐步增加；在额定工况下，采取负荷率结合转速率进行效率计算的方法基本准确。表2为电机在不同转速下，效率理论计算值、试验测量值和设计值。从表中数值来看，效率测量值和设计值变化趋势一致，转速越低，负荷越小，效率越低；而理论计算值则相反，转速越高，负荷越大时，计算值越小，越接近测量值，进一步说明理论计算方法在电机低负荷时误差较大。

表3为电机在不同转速条件下的效率计算值。图2为电机在不同转速下计算的效率值分布图。

从计算结果来看，采用理论计算获得的电机效率随着电机转速和负荷的增加，其计算效率值是逐步下降的。但与试验测量结果进行比较，此时理论计算结果是逐步接近电机效率真实值。

表4根据电机设计参数，分别按电压和转速计算转速率而获取的电机效率值。对于变频器按压频比进行控制的电机，根据（6）式，此时计算的电机效率应该是相同的。表4计算结果也印证了这一结论。因此对于变频器采用压频比进行转速控制的电机，在采用本文所述方法进行电机效率值计算时，只需测量电机输入电压电流值即可，这为电机效率的测量提供了一条简单可靠的途径。

4 结论

本文针对大型船用变频推进电机运行特点，在对电机效率测量计算方法分析的基础上，采用转速率和负荷率对电机效率计算方法进行研究。研究结果显示在额定工况附近，采用理论计算获取的电机效率值仅仅比测量效率值低0.45%；而在较低转速下，理论计算值要比测量值高6.55%；随着电机转速和负荷的增加，采用转速率和负荷率计算获取的电机效率越准确；在电机低负荷运行时，该方法误差较大。如果变频器采用压频比进行控制，对电机高负荷工况下效率的测量，可以直接利用测量的电机电压和电流值进行计算获得。采用转速率和负荷率进行电机效率的计算测量，为大型船用变频推进电机效率的测量提供了一条简单可靠的途径，具有较大的工程使用价值。

参考文献：

[1] 黄国治.电动机损耗和效率测试的国际标准新进展[J]. 电机与控制应用,2006,(2):3-8.

[2] 秦和. 电动机效率测定方法的进展[J]. 中小型电机,2004,31(1):65-74.

[3] 唐朝晖,王迅. 基于遗传算法的大功率电机效率的在线测量[J]. 传感器与微系统,2012,31(9):132-135.

[4] 许权. 用B法进行三相异步电动机效率测试[J]. 电机技术,2014,(3):53-55.

[5] Yunhua Li, Mingsheng Liu, Josephine Lau, et al.A novel method to determine the motor efficiency under variable speed operations and partial load conditions[J].Applied Energy,2015,144:234-240.

Research on Efficiency Testing Method of Variable Frequency Propulsion Motor for A Ship

Wang Yanwu1,2, Guan Tao1, Xu Dinghai1, Qian Chao3

(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100073, China; 2. The 92601 Unit, Zhanjiang 524005, Guangdong, China; 3. Office of Research & Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

TM306

A

1003-4862（2016）11-0023-04

2016-06-15

王艳武（1977-），男，工程师。研究方向：舰船机电设备状态监测与诊断。