直流电机效率测试的计算与纹波因数及波形因数的计算

　　直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

　　

　　直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

　　直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

　　感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

　　导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

　　

　　直流电机的效率测试和计算方法

　　效率测试是所有电传动部件及系统重要检验项目，GB 755 旋转电机定额及性能标准中对各类电机设备效率检测方法进行了详细的介绍。旋转电机效率测试主要有直接测试法及损耗分析法，效率的直接测试方法是通过对直流电机输入输出功率的直接测试而求得效率的方式，下面本文对直流电机效率的直接测试相关试验方法及计算进行详细介绍。

　　一、直流电机输入功率和输出功率的测量

　　直接测定效率时，电动机的输入功率用电工仪表测量，输出功率的机械功率用测功机、转矩测量仪测量；发电机的输出功率用电工仪表测量，输入功率用测功机、转矩测量仪测量。

　　输入功率用电压乘电流来计算，试验电源为整流电源时要求采用真实读书瓦特表或指示电压、电流瞬时值乘积平均值的其他测量装置直接测取电枢回路输入功率，也可分别测量直流功率分量和交流功率分量然后求和。

　　测功机的功率，在与被试电机同样的转速下应不超过被试电机额定功率的三倍；转矩测量仪的标称转矩，应不超过被试电机额定转矩的三倍。测功机与被试电机之间应用弹性联轴器连接，连接应保证良好、同心。

　　二、直流电机效率直接测试方法

　　直流电机效率直接测试试验时，被试电机应在额定功率或额定转矩、额定电压及额定转速下运行至热稳定，读取输入或输出的电压、电流、功率、转速及转矩，并保存周围冷却空气温度，然后立即测定串励、并（他）励及电枢绕组的电阻，并将冷却空气温度换算至25℃。

　　三、直流电机效率直接测试相关计算

　　被试电动机的输出机械功率P2按照下式1计算：

　　

　　式中：

　　TM——被试电动机输出转矩，N.m；

　　nM——被试电动机转速，r/min。

　　被试电动机的效率ηM按照下式2计算：

　　

　　式中：

　　P1——被试电动机输入功率，W。

　　被试发电机的输入机械功率P1（W）按下式3计算：

　　

　　式中：

　　TG——被试发电机输入转矩，N.m；

　　nG——被试发电机转速，r/min。

　　如被试发电机为他励，则输入功率中还应加入励磁功率。

　　被试发电机的效率ηG按照下式4计算：

　　

　　式中：

　　P2——被试发电机输出电功率，W。

　　四、直流电机效率直接测试时温度换算

　　用直接法测定电机效率时，如试验时的冷却空气温度不是25℃，应按照下式5换算到25℃。

　　

　　

　　式中：

　　η25——冷却空气温度为25℃时电机的效率；

　　P2——效率测定时电机的额定输出功率，W；

　　P1（25）——冷却空气温度为25℃时电机的额定输入功率，W；

　　P1——效率测定时电机的额定输入功率，W；

　　Ia——效率测定时电机的额定电枢电流，A；

　　If——效率测定时电机的额定励磁电流，A；

　　R2a、R2c、R2f——效率测定后立即测得的电枢绕组、励磁绕组及并励绕组的电阻，Ω；

　　Δθa、Δθc、Δθf——额定输出功率时电枢绕组、串励绕组及并励绕组温升值，K；

　　θ2a、θ2c、θ2f——效率测定后立即测得的电枢绕组、串励绕组及并励绕组的温度，℃；

　　k——常数，对铜绕组为235，对铝绕组除有特殊规定外应选取225。

　　θ2a按照下式7计算：

　　

　　式中：

　　R2a——效率测定后立即测得的电枢绕组电阻，Ω；

　　R1——实际冷状态时电枢绕组电阻，Ω；

　　θ1——实际冷状态时电枢绕组温度，℃；

　　k——常数，对铜绕组为235，对铝绕组除有特殊规定外应选取225。

　　五、直流电机效率直接测试测功机转矩读数的修正

　　1.直流电机效率直接测试电动机输出转矩的修正

　　当对测量精度提出更高的要求时，则应当按照下列式中对测功机所测得输入出或输入转矩值进行修正，以便求得被试电机的实际输出或输入转矩值。

　　被试电动机的实际输出转矩按下式修正：

　　

　　式中：

　　TM——被试电动机实际输出转矩，N.m；

　　T’M——试验时测功机测得的被试电动机输出转矩，N.m；

　　Tfw——测功机本身消耗的转矩，N.m。

　　2.直流电机效率直接测试发电机输入转矩的修正

　　被试发电机的实际输入转矩按下式修正：

　　

　　式中：

　　TG——被试发电机实际输入转矩，N.m；

　　T’G——试验时测功机测得的被试发电机输出转矩，N.m；

　　Tfw——测功机本身消耗的转矩，N.m。

　　3.直流电机效率直接测试测功机转矩Tfw的测定及计算方法

　　Tfw（N.m）按下式计算：

　　

　　式中：

　　P1——被试电机在接近额定电压下驱动测功机空载时的输入功率（此时，测功机的电枢及励磁回路应开路），W；

　　P0——被试电机在上述相同电压下空载运转时的输入功率，W；

　　Td——测定P1时测功机指示的转矩值，N.m；

　　nt——测定P1及Td时被试电机的转速（此转速应调节到等于效率测定时的转速，r/min）。

　　上述Tfw的测定方法一般称为空拖试验，应在效率测定后机组安装状态不改变的情况下进行此项试验。被试电动机的实际输出转矩TM及被试发电机的实际转矩TG求得后，即可按照算出较准确地输出及输入的机械功率，从而求得较准确地效率。

　　直流电机整流电源供电纹波因素和波形因素的计算方法

　　电压、电流纹波因数测定及电流波形因数测定是直流电机试验中的标准试验项目，本文主要根据GB/T 1311 直流电机试验方法对整流电源供电的直流电机纹波因数计算方法、波形因数计算方法进行介绍。

　　一、电压电流纹波因数的计算

　　电压、电流波形不间断时纹波因数的计算

　　电压、电流波形不间断时，其纹波因数应按照下式计算：

　　

　　式中：

　　K0CU——电压纹波因数;

　　Umax——脉动电压最大值，V;

　　U民——脉动电压最小值，V。

　　

　　式中：

　　K0CI——电流纹波因数;

　　Imax——脉动电流最大值，A;

　　Imin——脉动电流最小值，A。

　　二、电压、电流波形间断时纹波因数的计算

　　电压、电流纹波间断时，其纹波因数应当按照下式计算：

　　

　　式中：

　　K0CU——电压纹波因数;

　　Umax——脉动电压最大值，V;

　　UaV——直流电压平均值，V。

　　

　　式中：

　　K0CI——电流纹波因数;

　　Imax——脉动电流最大值，A;

　　IaV——直流电流平均值，A。

　　三、电流波形因数的计算

　　电流波形因数按照下式计算：

　　式中：

　　

　　Kf——电流波形因数;

　　Irms——电流的有效值，A;

　　IaV——电流的平均值，A。