摘要：效率作为发电机的一个重要指标，对其进行精确测试具有重要意义。本文通过对拖法研发设计了一款发电机效率检测设备，其操作界面简单，可实时观察输入扭矩和转速以及输入功率的大小；测试精度高，扭矩仪精度为0.1 N⋅m；测试覆盖范围广，输入扭矩最大为200 N⋅m，输入转速最大可达15 000 r/min，可满足大部分发电机效率的检测需求。此外，根据发电机效率原理，对某未知参数的发电机效率进行测试，发现发电机外接负载越大，其效率越高，但是其输出功率就会越低，相应地其输入功率也会降低。通过测试检验了该设备的可操作性，将同款发电机与具有检测资质的第三方机构进行比对，相同检测方法和工况条件下，其效率数据相差不大，由此证实了设备的准确性。

　　关键词：发电机；效率；检测设备；扭矩

　　Design and Implementation of Generator Efficiency Testing Equipment Based on Towing Method

　　Mei Xiaohua，Huang Caihong

　　(College of Information Science&Engineering,Huaqiao University,Quanzhou,Fujian 362021,China)

　　Abstract:Efficiency is an important index of generator,it is of great significance to test it accurately.In this paper,a generator efficiency detection equipment is developed and designed by drag method,which has a simple operation interface and can observe the input torque,speed and input power in real time;The test accuracy is high,and the accuracy of torque meter is 0.1 N⋅m;The test covers a wide range,with the maximum input torque of 200 N⋅m and the maximum input speed of 15 000 r/min,which can meet the detection requirements of most generator efficiency.In addition,according to the principle of generator efficiency,the efficiency of a generator with unknown parameters is tested,and it is found that the greater the external load of the generator,the higher its efficiency,but the lower its output power and the corresponding lower its input power.The operability of the equipment is verified by testing,and the same generator is compared with a third-party organization with testing qualification.Under the same testing method and working conditions,the efficiency data are not much different,and the accuracy of the equipment is confirmed.

　　Key words:generator;efficiency;testing equipment;torque

　　0引言

　　近年来，电能在全球范围内受到了普遍的推广与应用，而发电机作为电能的重要输出装置，其效率受到社会各界的广泛关注。研究人员对发电机效率进行了许多研究。魏祥波[1]等研究了发电机组转速的影响因素。吴鎏炜[2]研究了汽车交流发电机效率的影响因子并对其进行了改进，在一定程度上提高了其效率。葛胜迅等[3]提出阻力矩法和外特性法两种测试方法对发电机效率进行测试，给出了对应测试原理和试验数据，并得出阻力矩法优于外特性法。盛杉等[4]根据GB/T 5321—2005要求，基于量热法对发电机的总损耗和效率进行了测量。李文金[5]也基于量热法的测量原理，以葛洲坝电站3号水轮发电机效率试验为例，计算了水轮发电机的各类损耗，得出了水轮发电机的效率。周叶等[6]同样基于量热法以及结合发电机效率试验中关键技术难点，提出了一种具有良好的操作性和有效性的解决方案。李海玲等[7]同样基于量热法测发电机效率，并在发电机组进行了应用。陈路[8]借用三维有限元技术，从数模的导入、材料的赋予、主副边界的设定、定子绕组的参数设定、激励源的设定和运动条件的设定等，给出了运用JMAG有限元软件进行电磁场瞬态分析的过程，提高了汽车交流发电机效率。高丽燕[9]研究了发电机效率与定子电磁参数的关系及优化方法，通过改进定子绕嵌方式及电磁参数，从而有效的改进发电机效率。易远程等[10]通过对发电机改用高效二极管、定子绕线和散热等措施，有效提升了发电机的效率。

　　效率作为发电机的一个重要指标，获得了国内外学者的大量研究。但是对测量发电机效率的装置研究得比较少。本文主要设计以及研制了一台发电机效率检测设备，通过测试某国产发电机的效率验证了设备的可靠性，同时也分析了发电机效率测试的影响因子。

　　1发电机效率检测设备的设计

　　1.1发电机原理

　　发电机的输出功率和输入功率之比即为发电机的效率，通常用百分数表示。发电机在工作中会产生各种各样的损耗，当这些损耗比较大时，效率就会变低，反之效率就高。一般来说，目前检测发电机效率的方法有对拖法和量热法两种。对拖法即把一台电机作为动力，拖动发电机运行。这种方法对硬件条件要求较低，用较少的仪器设备即可测得输入和输出功率，通过测量被试发电机的输入功率和输出功率以确定效率，主要监控的参数是电功率和机械功率。量热法认为在电机内部产生的各类损耗最终都将变成热量传给冷却介质。给被测发电机规定一个基准表面，将其全部包在里面，这个表面内产生的所有损耗，都通过该表面散发出去。基准表面内损耗可分成两类：一类传递给冷却介质，可用量热法测量；另一类不传递给冷却介质的，以传导、对流、辐射、渗漏等形式通过基准表面散发的损耗，除了可以用量热法测量，也可以用计算方法求得。量热法的缺点是对冷却器的制造要求非常高，如果冷却介质为空气，则对密闭的要求将十分高，此外还对水密度、水温、水流量的相对误差要求也非常高，不容易满足。最重要的是检测不确定度相对较大，因为电机热量的产生是个持续而又不稳定的过程，热量的传递有延迟。因此本文采用对拖法进行测试，由发电机工作原理可知，发动机带动转子转动，定子线圈切割转子磁场线产生交流电，其效率与转速、扭矩、输出电流和电压相关，如式(1)所示。

　　因此发电机效率检测设备只要测出输入扭矩和输入转速以及输出电流和电压即可通过式(1)得出发电机效率。

　　1.2发电机效率检测设备的硬件设计

　　发电机的输入扭矩可用扭矩仪测出，输入转速可直接用电机测出，使用动力电机通过刚性联轴器将扭矩仪连接，再将被测发电机连接，通过动力电机拖动被测发电机转动，也即对拖法。只要输入端轴线和输出端轴线同轴，这样电机的转速也即是发电机的输入转速，也即可将测试过程的损耗降到最低。如图1所示，左边为输入端，右边为被测发电机。输入端由伺服电机、扭矩仪以及刚性联轴器组成。右边输出端为被测发电机，将被测发电机安装于安装板上，可通过手轮上下左右以及前后3个方向调整被测发电机轴线与输入端轴线同轴。为了覆盖大扭矩发电机的检测需求，将扭矩仪量程设计为200 N·m，全量程精度为0.05%，保证在200 N·m，也即全量程精度为0.1 N·m，其误差在可接受范围内。伺服动力电机最大扭矩250 N·m，稍微超过扭矩仪量程，其最大转速为15 000 r/min，因此可以满足绝大多数产品的测试，硬件设备少，精度高，检测方便。

　　1.3发电机效率检测设备的软件设计

　　系统采用Visual C++6.0作为开发环境，使用C++语言编写，即可实现扭矩仪和伺服电机数据的读取以及输入功率的计算。后台数据库为SQL Server，实现数据的存储、修改及查询[11]。系统包括实时数据模块和曲线绘制模块两个模块。实时数据模块主要是记录输入扭矩和输入转速的实时数据，通过公式再换算为功率，此时的功率即为发电机的输入功率[12]。整个界面操作方便，简洁，具有较高的实际应用价值。如图2所示。

　　2发电机效率试验方案的设计

　　2.1测试台架搭建

　　根据上述设计方案搭建了发电机效率检测设备测试台，如图3所示。将被测发电机(如图4所示)安装于右侧，通过手轮调整安装板上下左右的位置来调节两端轴线对中，轴线不对中会增加损耗，从而降低发电机效率。上述测试台只是获得了输入端扭矩和转速的数据，对于输出端电流和电压并没有测出，选用功率分析仪来测试输出端电流电压，测量精度高，测试简单，按照接线图接好输出端线路即可获得实时输出电流电压数据，如图5所示。使用热得快作为发电机的负载如图6所示，热得快可近似作为纯电阻，将发电机安装于测试台，加载至发电机的额定转速，发电机输出端接入负载(热得快)，用功率分析仪测量发电机经过负载后的电流电压作为输出功率，测试台测出伺服电机转速和扭矩作为发电机输入功率[13]。

　　2.2发电机效率测试过程

　　GB/T 7345对电机效率的温度条件要求比较宽，为15~35℃，相对湿度为45%~75%。为了降低环境温度对发电机效率的影响以及实验的复现性，在25±3℃环境温度条件下进行测试[14]，测试前先将发电机置于25℃环境下一昼夜，再开始测试。由于被测发电机参数不详，只知额定电压是220 V。因此先将发电机安装好，调整好输入端和输出端两端轴线对中，驱动电机转速从0 r/min开始以步长100 r/min递增至发电机空载状态下测量电压值达到220 V为止，达到热平衡状态下，此时记录发电机转速，作为发电机额定转速。再将发电机连接负载，形成电流回路。再将功率分析仪线路与电流回路连接好即可进行测试[15]。由于发电机额定负载未知，本次试验的负载(热得快)的额定功率为1 kW，依次将其串联1个、2个、3个和4个进行测试，观测在不同负载下其效率的变化。

　　3检测数据分析

　　3.1空载试验数据分析

　　发电机安装好后，在25℃室温条件下，发电机空载，驱动电机转速从0 r/min起按步长100 r/min递增至1 400 r/min，每次递增都待其稳定后测量电压，得出发电机空载电压和转速的关系如图7所示。可看出在空载时，转速为1 400 r/min时对应的电压为234.35 V。

　　3.2负载试验数据分析

　　由于发电机自身具有负载，外部串联负载(热得快)，由电压分压理论可知，外部负载越大，分的电压就越大，输出功率就会越大，效率也会增大。因此为了得到发电机的最佳效率，特别是额定负载未知的情况下，将额定功率为1 kW的负载接入发电机，调整其转速直到其输出电压为220 V为止，此时，待其达到热平衡后，测试其输出电压和电流，计算其输出功率和效率。之后再串联2个、3个、4个负载，通过这种方式增加外部负载，测试其效率。按照这种方式，连接1 kW负载测得的输入功率为1 000 W；连接2 kW负载为588 W；连接3 kW负载为565 W；连接4 kW负载为400 W，如图8所示。输入转速同理分别为1 350、1 500、1 500、1 400 r/min如图9所示，输入扭矩分别为-7.2、-3.7、-3.6、-2.8 N·m，如图10所示，输出功率分别为713、487、470、340 W，如图11所示。按照公式(1)计算发电机效率分别为71.3%、82.8%、83.2%和85.0%。可以看出，外部串联负载越大，其效率是越来越大的，但是其输出功率是越来越小的，所需的输入功率也是越来越小的，其输入扭矩也是越来越小的。输出电压要想维持在220 V以上时，其输入转速波动不太大，在1 400~1 500 r/min之间。

　　为了证实设备测量的准确性，将同款发电机寄给具有第三方检测资质的机构采用同样的方案和同样的工况条件下进行效率测试，两者的试验数据如表1所示。表中1、2、3、4分别代表发电机负载串联1、2、3、4个热得快。所用热得快为同一型号。从表中可看出自主研发设备的检测数据与第三方检测机构的数据相差不大，因此自主设计的发电机检测设备的测试准确度是可信的。

　　4结束语

　　本文根据对拖法设计了一款发电机检测设备，并对发电机进行了测试，得出了以下几点结论。

　　(1)本文采用对拖法设计了一款发电机效率检测设备，最大输入扭矩可达200 N·m，精度为0.1 N·m，最大输入转速可达15 000 r/min，可满足目前绝大多数发电机效率的测试需求。

　　(2)发电机外接负载越大，其效率越高，相应的其输出功率也会降低，同样的，其输入功率也会降低，输入扭矩也会减小。

　　(3)发电机空载时电压达到220 V时对应的转速与外接负载时电压达到220 V时的转速相差并不大。

　　(4)在相同测试方案和相同工况条件下，与第三方检测机构进行发电机效率数据比对，结果证实了此款设备测试的准确性。

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