能源與動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù) 課件 第十章 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率測(cè)量

先進(jìn)熱動(dòng)力測(cè)試技術(shù)AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目錄PAGEDIRECTORY緒論1測(cè)量技術(shù)的基本知識(shí)2誤差分析與測(cè)量不確定度3溫度測(cè)量4壓力測(cè)量5流量測(cè)量7液位測(cè)量8氣體成分及顆粒物測(cè)量9轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率測(cè)量10振動(dòng)與噪聲測(cè)量11流速測(cè)量6先進(jìn)測(cè)試技術(shù)發(fā)展1210第十章轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)矩測(cè)量功率測(cè)量第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、轉(zhuǎn)速測(cè)量概述轉(zhuǎn)速是指單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)軸的平均旋轉(zhuǎn)速度，而不是瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。按照測(cè)速元件與被測(cè)速轉(zhuǎn)軸是否接觸可以分為接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量和非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量。常見的接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表有離心式轉(zhuǎn)速表、鐘表式轉(zhuǎn)速表等；非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表有頻閃式轉(zhuǎn)速儀表、光電式轉(zhuǎn)速儀表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速儀表以及基于激光原理的激光轉(zhuǎn)速儀表等，其特點(diǎn)是測(cè)量精度高、使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和顯示。第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器1、接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表（1）離心式轉(zhuǎn)速表原理：利用離心力器件（重環(huán)或重錘）旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速的平方成正比的離心力，通過(guò)克服彈簧的反作用力推動(dòng)指示機(jī)構(gòu)工作。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單通用，且穩(wěn)定性好，應(yīng)用較廣；缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低（不優(yōu)于1~2級(jí)），多用作試驗(yàn)時(shí)檢查動(dòng)力機(jī)械的參考讀數(shù)。離心式轉(zhuǎn)速表工作原理圖第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器1、接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表（2）磁性轉(zhuǎn)速表原理：利用回轉(zhuǎn)圓盤在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中感應(yīng)出電渦流而產(chǎn)生扭矩變化，從而帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)速。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)振動(dòng)的敏感性小，測(cè)速范圍寬，故應(yīng)用范圍也較廣，典型應(yīng)用是汽車和船用轉(zhuǎn)速表；缺點(diǎn)：精度不高（1.5～2級(jí)）。磁感應(yīng)式車速里程表第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器1、接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表（3）電動(dòng)轉(zhuǎn)速表原理：電動(dòng)轉(zhuǎn)速表一般由發(fā)送器、指示器和連接導(dǎo)線三部分組成。發(fā)送器實(shí)際上是一個(gè)小型永磁的交流或直流發(fā)電機(jī)，由被測(cè)速軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)直接帶動(dòng)發(fā)電，轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大。通過(guò)電壓表指示所測(cè)轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：電動(dòng)轉(zhuǎn)速表工作時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)受磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度等因素的影響，精度不高（1.5級(jí)）。（4）定時(shí)轉(zhuǎn)速表原理：在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：定時(shí)轉(zhuǎn)速表使用方便，精度較高（可達(dá)0.5級(jí)），測(cè)量上限可達(dá)10000r/min，可以用于內(nèi)燃機(jī)等高速機(jī)械的轉(zhuǎn)速測(cè)量。第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器2、非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表非接觸轉(zhuǎn)速表是當(dāng)前動(dòng)力機(jī)械測(cè)量中最常用的測(cè)速儀表，它不消耗被測(cè)速轉(zhuǎn)軸的扭矩，且測(cè)量精度高，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。（1）光電式轉(zhuǎn)速傳感器原理：利用光電元件（如光電池、光電管、光敏電阻等）對(duì)光的敏感性來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。投射式反射式第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器（2）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器觸發(fā)齒輪7由導(dǎo)磁材料制成，有z個(gè)齒，安裝在被測(cè)速轉(zhuǎn)軸上。永磁體4和感應(yīng)線圈5組成磁頭，安裝在緊靠齒輪邊緣約2

mm處。齒輪每轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)齒就切割1次磁力線，產(chǎn)生1個(gè)來(lái)自線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的脈沖信號(hào)。齒輪每一圈就發(fā)出z個(gè)電脈沖信號(hào)。與光電式轉(zhuǎn)速傳感器相比，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需配置專門的電源裝置，且脈沖信號(hào)不會(huì)因轉(zhuǎn)速過(guò)高而減弱，測(cè)速范圍廣，因此使用范圍非常廣泛。1-傳感器殼體；2-輸出信號(hào)線；3-保護(hù)層；4-永磁體；5-感應(yīng)線圈；6-桿銷；7-觸發(fā)齒輪；G-氣隙磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器（3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾傳感器的感應(yīng)面對(duì)準(zhǔn)永久磁鐵的磁極并固定在機(jī)架上。機(jī)軸旋轉(zhuǎn)便帶動(dòng)永久磁鐵旋轉(zhuǎn)。每當(dāng)永久磁鐵經(jīng)過(guò)傳感器的位置時(shí)，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。用計(jì)數(shù)器記下脈沖數(shù)。為提高測(cè)量轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)的分辨率，可以適當(dāng)增加永久磁鐵數(shù)。在安裝磁體時(shí)要特別注意極性，即相鄰兩個(gè)永久磁鐵的極性相反?；魻栐捎枚喾N半導(dǎo)體材料制作，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz），耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柺綔y(cè)速儀原理1–霍爾元件；2–被測(cè)物體；3–永久磁鐵左：把永久磁鐵粘貼在采用非磁性材料制作的圓盤上部右：把永久磁鐵粘貼在圓盤的邊緣第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器（4）激光轉(zhuǎn)速儀氦–氖激光器1發(fā)出的激光束穿過(guò)半透鏡2后，透射的光束經(jīng)過(guò)由透鏡3組成的反射光學(xué)系統(tǒng)后，聚焦在旋轉(zhuǎn)物體5的表面。旋轉(zhuǎn)物體表面貼有一小塊定向反射材料4（簡(jiǎn)稱反射紙）。當(dāng)激光束照射到?jīng)]有貼反射紙的表面時(shí)，大部分激光沿空間各個(gè)方向散射，能夠沿發(fā)射光軸返回的光束極其微弱，因此，光電管沒(méi)有感受到任何信息。激光轉(zhuǎn)速儀光路原理圖1–激光器；2–半透鏡；3、6–透鏡；4–反射紙；5–旋轉(zhuǎn)物體；7–光電管第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器（4）激光轉(zhuǎn)速儀一旦激光光束照射在反射紙上，由于反射紙的“定向反射”特性，有一部分激光沿發(fā)射光軸原路返回到半透鏡上，經(jīng)過(guò)反射，由透鏡6會(huì)聚在光電管7上。于是物體旋轉(zhuǎn)一周，反射紙就被激光照射一次，一個(gè)激光脈沖返回到光電管，經(jīng)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，物體不停地旋轉(zhuǎn)，光電管就輸出一系列電脈沖，這就是激光傳感器所檢取的旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速信號(hào)。激光轉(zhuǎn)速儀光路原理圖1–激光器；2–半透鏡；3、6–透鏡；4–反射紙；5–旋轉(zhuǎn)物體；7–光電管第一節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量一、常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器（4）激光轉(zhuǎn)速儀與被測(cè)物的工作距離可達(dá)10m，而其他非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x工作距離很近；當(dāng)被測(cè)物體除了旋轉(zhuǎn)外，還有振動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，激光轉(zhuǎn)速儀可以有效地測(cè)量其轉(zhuǎn)速，而且操作簡(jiǎn)單，讀數(shù)可靠；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)工作環(huán)境存在雜光干擾時(shí)，其他非接觸式轉(zhuǎn)速儀往往難以正常工作，而激光轉(zhuǎn)速儀則不受其影響。例如，要測(cè)量搖頭回轉(zhuǎn)的臺(tái)式風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，除了激光轉(zhuǎn)速儀以外，其他轉(zhuǎn)速儀都難以勝任。當(dāng)激光器亮度足夠時(shí)，即使在激光束的通路上設(shè)置幾塊厚玻璃板，激光轉(zhuǎn)速儀仍能正常測(cè)量。這就意味著它可以測(cè)量玻璃罩殼內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，各種風(fēng)洞里正在進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)的模型的轉(zhuǎn)速，甚至有可能測(cè)量正在水中旋轉(zhuǎn)的螺旋槳的轉(zhuǎn)速。10第十章能源與動(dòng)力學(xué)院轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)矩測(cè)量功率測(cè)量第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量一、轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法分類轉(zhuǎn)矩又稱扭矩，它往往與動(dòng)力機(jī)械的工作能力、能量消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全等因素緊密聯(lián)系，是動(dòng)力機(jī)械性能試驗(yàn)中需測(cè)量的重要參數(shù)之一。（1）傳遞法傳遞法，又稱扭軸法，是根據(jù)彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)所產(chǎn)生的變形、應(yīng)力或應(yīng)變等，來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩的方法。圓柱形扭矩是最常用的測(cè)量轉(zhuǎn)矩的彈性元件。根據(jù)傳感器所感應(yīng)的參數(shù)：變形型、應(yīng)變型和應(yīng)力型轉(zhuǎn)矩傳感器，分別感受轉(zhuǎn)軸的變形、應(yīng)變和應(yīng)力根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的產(chǎn)生方式：電阻式、光學(xué)式、光電式、感應(yīng)式、電感式、鋼鉉式、機(jī)械式轉(zhuǎn)矩傳感器等根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳輸方式：接觸式和非接觸式兩大類根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器的安裝方式：串裝式和附裝式兩類第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量一、轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法分類（2）平衡力法對(duì)任何一種勻速工作的動(dòng)力機(jī)械或制動(dòng)機(jī)械，當(dāng)它的主軸受轉(zhuǎn)矩M作用時(shí)，在它的機(jī)體上必定同時(shí)存在著方向相反的平衡力矩M'，且有M=M'。測(cè)量機(jī)體上的平衡力矩M'，以確定機(jī)器主軸上的作用轉(zhuǎn)矩M的大小的方法稱為平衡力法，亦稱為反力法。該方法不能測(cè)量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。（3）能量轉(zhuǎn)換法能量轉(zhuǎn)換法是根據(jù)能量守恒定律，用其他量參數(shù)（如電能參數(shù)）來(lái)測(cè)量機(jī)械能參數(shù)及轉(zhuǎn)矩的一種間接測(cè)量方法。一般來(lái)說(shuō)誤差較大，約±（10～15）％，故也很少采用，只有在直接測(cè)量無(wú)法進(jìn)行的時(shí)候才考慮此法。平衡力法轉(zhuǎn)矩測(cè)量的原理1-機(jī)殼；2-平衡支承；3-力臂桿；4-測(cè)力機(jī)構(gòu)第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（1）鋼鉉式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x原理：彈性扭軸的變形引起鋼鉉伸縮，從而使鋼鉉振動(dòng)的固有頻率發(fā)生變化。鋼鉉的固有振動(dòng)頻率為兩只卡盤2固定在彈性扭軸1上，每只卡盤上有一凸臂3，鋼鉉4的兩端分別安裝在兩個(gè)凸臂上，鋼鉉與扭軸相對(duì)固定。彈性扭軸在轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)生彈性變形時(shí)，兩只卡盤之間產(chǎn)生相對(duì)角位移，固定在卡盤凸臂上的鋼鉉長(zhǎng)度發(fā)生變化，改變了鋼鉉的固有頻率。1-彈性扭軸；2-卡盤；3-凸臂；4-鋼鉉鋼鉉式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)xf為鋼弦的固有振動(dòng)頻率；L0為鋼鉉的自由長(zhǎng)度；σ為鋼鉉繃緊時(shí)的拉應(yīng)力；ρ為鋼鉉的密度。第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（1）鋼鉉式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x假設(shè)彈性扭軸處于自由狀態(tài)時(shí)，鋼鉉的固有頻率為f0，受轉(zhuǎn)矩T作用時(shí)頻率為f，則測(cè)得頻率f則可測(cè)量出轉(zhuǎn)矩T。1-彈性扭軸；2-卡盤；3-凸臂；4-鋼鉉兩只卡盤2固定在彈性扭軸1上，每只卡盤上有一凸臂3，鋼鉉4的兩端分別安裝在兩個(gè)凸臂上，鋼鉉與扭軸相對(duì)固定。彈性扭軸在轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)生彈性變形時(shí)，兩只卡盤之間產(chǎn)生相對(duì)角位移，固定在卡盤凸臂上的鋼鉉長(zhǎng)度發(fā)生變化，改變了鋼鉉的固有頻率。鋼鉉式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)xK'是常數(shù)，由彈性扭軸的剛度、鋼鉉的尺寸及測(cè)量?jī)x的特性等決定。第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（2）光電式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x利用扭軸兩端的光學(xué)元件將轉(zhuǎn)矩引起的扭軸變形產(chǎn)生的相位差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再根據(jù)檢測(cè)到的電信號(hào)確定作用于軸上的扭矩。1、5－套筒；2－光源；3、3'－光柵盤；4－光電管；6－彈性扭軸光電式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（2）光電式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x光柵盤3和3'通過(guò)套筒1、5分別固定在扭軸6的A、B兩端，由兩片直徑相同的圓盤制成，沿徑向做成放射狀透光和不透光部分相間的圖形。當(dāng)彈性轉(zhuǎn)軸6沒(méi)有受到轉(zhuǎn)矩的作用時(shí)，光柵3上的透光部分正好與光柵3'上的不透光部分重疊，光源2發(fā)出的光照射不到光電管4上，光電管輸出電流為零；當(dāng)彈性扭轉(zhuǎn)軸6受到轉(zhuǎn)矩的作用時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，光柵盤3與3'相對(duì)錯(cuò)開一定位置，形成一個(gè)透光口，此時(shí)光源發(fā)出的光能穿過(guò)兩光柵盤，轉(zhuǎn)矩越大，透光口的開度就越大，光通量就越大。

a）兩光柵盤正視圖b）兩光柵盤側(cè)視圖光柵盤示意圖第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量

第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（3）光學(xué)式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x軸扭轉(zhuǎn)后，軸的兩端產(chǎn)生相對(duì)位移，這種位移通過(guò)彈性傳遞軸使兩面鏡子也產(chǎn)生了相對(duì)位移，因而使光路發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)變化量即可測(cè)得轉(zhuǎn)矩的大小。通過(guò)平行光線投射器和望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)讀數(shù)。光學(xué)式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x1－望遠(yuǎn)鏡；2－反射光線；3－扭轉(zhuǎn)應(yīng)變軸；4－彈性傳遞軸；5－鏡子；6－平行光線投射器；7－光線入射孔；8－直射光線第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（4）磁電式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x在相距L的兩截面上裝有兩個(gè)齒輪以及兩個(gè)相同的磁電式傳感器，軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，傳感器產(chǎn)生一列脈沖信號(hào)，在軸傳遞轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，從兩個(gè)磁電傳感器上所得的兩列脈沖波形間將產(chǎn)生一個(gè)與扭轉(zhuǎn)角成正比的相位差。測(cè)量此相位差信號(hào)并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，即可求出所測(cè)量轉(zhuǎn)矩。當(dāng)彈性軸上無(wú)負(fù)載時(shí)，相對(duì)旋轉(zhuǎn)的齒輪對(duì)使磁路中氣隙不斷變化，在線圈8中感應(yīng)出交變的電勢(shì)；當(dāng)承受轉(zhuǎn)矩時(shí)，彈性軸兩端產(chǎn)生一轉(zhuǎn)角，使線圈8中的感應(yīng)電勢(shì)相位發(fā)生變化，變化的程度反映了待測(cè)轉(zhuǎn)矩的大小。磁電式轉(zhuǎn)矩儀工作原理圖磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1－彈性軸；2－齒輪；3－校準(zhǔn)筒；4－永磁體；5－滾動(dòng)軸承；6－殼體；7－電動(dòng)機(jī)第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（5）應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀是利用應(yīng)變?cè)韥?lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩的，它安裝在動(dòng)力機(jī)械和負(fù)荷之間。當(dāng)處于動(dòng)力機(jī)械和負(fù)荷之間的被測(cè)軸(應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀軸)承受轉(zhuǎn)矩時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在軸的外圓周面上，兩個(gè)主應(yīng)力軸線成45°和135°夾角。因此，把應(yīng)變片粘貼在測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力方向上測(cè)出應(yīng)變值，從而測(cè)得轉(zhuǎn)矩。第二節(jié)轉(zhuǎn)矩測(cè)量二、常用的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器（6）磁致伸縮式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x原理：磁致伸縮效應(yīng)①鐵磁物體的磁化特性在機(jī)械力作用下會(huì)發(fā)生顯著變化；②鐵磁物體在外界磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生機(jī)械變形“磁橋”：A與B為繞在鐵心上的交流勵(lì)磁線圈；C與D為繞在鐵心上的感應(yīng)線圈；兩鐵心成直角，測(cè)量頭接近用鐵磁材料制成的測(cè)量軸，鐵心與測(cè)量軸表面約有1~2mm的間隙。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)觸點(diǎn)、堅(jiān)固耐用、輸出電壓高（可達(dá)10V）、對(duì)儀器材料無(wú)特殊要求（一般采用低、中碳鋼即可）、對(duì)溫度和干擾不敏感磁致伸縮式轉(zhuǎn)矩儀工作原理圖10第十章能源與動(dòng)力學(xué)院轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)矩測(cè)量功率測(cè)量第三節(jié)功率測(cè)量一、功率測(cè)量的基本方法主要測(cè)量方法：（1）通過(guò)電功率測(cè)量。又稱損耗分析法，動(dòng)力機(jī)械由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，先測(cè)出電動(dòng)機(jī)的輸入功率，再利用損耗分析計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出功率，即為動(dòng)力機(jī)械的軸功率。（2）通過(guò)轉(zhuǎn)矩間接測(cè)量。由于動(dòng)力機(jī)械的軸功率正比于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積，故常采用間接測(cè)量方法。分別測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，再按下式求得功率。1、用測(cè)功器作為負(fù)載進(jìn)行功率測(cè)量2、采用轉(zhuǎn)矩儀測(cè)量轉(zhuǎn)矩電力測(cè)功器、水力測(cè)功器和磁粉測(cè)功器第三節(jié)功率測(cè)量二、水力測(cè)功器水力測(cè)功器的主體為水力制動(dòng)器，它由轉(zhuǎn)子和外殼組成，外殼由滾動(dòng)軸承支承，因而可以自由擺動(dòng)。（1）圓盤式水力測(cè)功器圓盤式水力測(cè)功器是通過(guò)改變水層厚度調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的。圓盤式水力測(cè)功器1-轉(zhuǎn)軸；2-轉(zhuǎn)盤；3-進(jìn)水口；4-進(jìn)水閥

5-外殼；6-出水管；7-渦輪；8-引水管第三節(jié)功率測(cè)量二、水力測(cè)功器（2）渦流室式水力測(cè)功器渦流式水力測(cè)功器通過(guò)改變水壓或改變作用面積調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，前者通過(guò)控制排水閥的開度改變內(nèi)腔水壓及水量來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小；后者靠閘套的位置移動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，而內(nèi)腔始終充滿著水。渦流室式水力測(cè)功器1-轉(zhuǎn)子小室；2-閘套；3-外殼小室第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器電力測(cè)功器的轉(zhuǎn)子和定子都是以磁通作為傳遞媒介進(jìn)行工作的。轉(zhuǎn)子和定子之間的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要將定子做成能繞其軸線自由擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)，便可測(cè)定轉(zhuǎn)子的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即定子的反力矩。電力測(cè)功器分為直流電力測(cè)功器、交流電力測(cè)功器和電渦流測(cè)功器三種型式。（1）直流電力測(cè)功器直流電力測(cè)功器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-防護(hù)罩；2-軸承座；3-連軸器；4-轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器；5-連軸器；6-直流電機(jī)；7-底座第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（1）直流電力測(cè)功器直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為式中，K1為電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，Φ為定子勵(lì)磁繞組的磁通，n為轉(zhuǎn)速。若在電樞回路中串聯(lián)負(fù)載電阻R，并忽略電樞內(nèi)阻，則電樞回路中流過(guò)的電流I為當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行（測(cè)功）時(shí)，由電磁力產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（即被測(cè)動(dòng)力機(jī)械的輸出轉(zhuǎn)矩）Tt與定子磁通ф及電樞電流I成正比，即于是有式中，K2、K3為比例系數(shù)。第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（1）直流電力測(cè)功器直流電力測(cè)功器的控制方式有負(fù)荷電阻控制方式和自動(dòng)饋網(wǎng)控制方式兩類，直流電力測(cè)功器的特性與控制方式有關(guān)，要根據(jù)動(dòng)力機(jī)械的試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方法以及電源和經(jīng)濟(jì)方面的多種因素綜合考慮選定測(cè)功器的控制方式。負(fù)荷電阻控制方式右圖為以電阻作為負(fù)荷的控制方式的直流電力測(cè)功器電路簡(jiǎn)圖。DC－直流電源；S1、S2-開關(guān)；V-細(xì)調(diào)節(jié)變阻器；W-粗調(diào)節(jié)變阻器；P-主調(diào)節(jié)變阻器；C-C-串勵(lì)繞組；H-H-電樞；F-F-勵(lì)磁繞組；RL-負(fù)荷第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器自動(dòng)饋網(wǎng)控制方式圖中同時(shí)給出轉(zhuǎn)矩Tt、測(cè)量功率PT、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm、驅(qū)動(dòng)功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系。在測(cè)功狀態(tài)下，A為最大電流線，此時(shí)對(duì)應(yīng)于最大勵(lì)磁電流和最小負(fù)荷電阻，即為負(fù)荷調(diào)節(jié)處于最大位置時(shí)的固有特性；A1、A2分別為負(fù)荷調(diào)節(jié)處于中間位置時(shí)的固有特性；B為最大轉(zhuǎn)矩線，受電樞的機(jī)械強(qiáng)度限制；C為最大功率線，受電機(jī)散熱條件限制；D為最高轉(zhuǎn)速線，受旋轉(zhuǎn)部分所能承受的最大離心力限制；E為最小吸收轉(zhuǎn)矩或功率線，此時(shí)雖無(wú)勵(lì)磁電流通過(guò)，但仍存在軸承及空氣阻力，因而在E線之下存在不能測(cè)定區(qū)（圖上剖面線范圍）。負(fù)荷電阻控制方式直流電力測(cè)功器的基本特性第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器負(fù)荷電阻控制方式這種控制方式可將所產(chǎn)生的電能自動(dòng)反饋給電網(wǎng)，也采用他勵(lì)式直流電機(jī)，以擴(kuò)大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍和增大低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩。1-被測(cè)動(dòng)力機(jī)械；2-電力測(cè)功器；3-主變流機(jī)組4-勵(lì)磁變流機(jī)組；5-勵(lì)磁調(diào)整電阻；6-勵(lì)磁繞組饋網(wǎng)式直流電力測(cè)功器控制線路簡(jiǎn)圖第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（2）交流電力測(cè)功器直流電力測(cè)功器由于結(jié)構(gòu)方面的限制，其功率容量均較小，一般用于測(cè)量中小功率動(dòng)力機(jī)械。對(duì)于大功率動(dòng)力機(jī)械的功率測(cè)量，多采用交流電力測(cè)功器。交流電力測(cè)功器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器交流電力測(cè)功器包括三相同步電機(jī)測(cè)功器、繞線式異步電機(jī)測(cè)功器和無(wú)換向器電機(jī)測(cè)功器三種。三相同步電機(jī)測(cè)功器由同步電機(jī)的運(yùn)行原理可知，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速式中，z為極對(duì)數(shù)；f為定子供電頻率（Hz）；n為同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/s）。在極對(duì)數(shù)不變時(shí)，改變定子供電頻率成為同步電機(jī)調(diào)速唯一可行的方法。第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器交流電力測(cè)功器包括三相同步電機(jī)測(cè)功器、繞線式異步電機(jī)測(cè)功器和無(wú)換向器電機(jī)測(cè)功器三種。繞線式異步電機(jī)測(cè)功器繞線式異步電機(jī)常用改變轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)電阻的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)測(cè)功器作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，改變轉(zhuǎn)子電路的電阻即可改變臨界轉(zhuǎn)差率S而保持最大轉(zhuǎn)矩不變。與轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)的附加電阻可以通過(guò)接觸器切換，其阻值越大，機(jī)械特性越軟，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)速n越小。顯然，這是依靠增加轉(zhuǎn)差功率損耗的辦法來(lái)降低轉(zhuǎn)速的。由于損耗主要在電機(jī)的外部，因此低速時(shí)電機(jī)不會(huì)過(guò)熱，但效率很低，經(jīng)濟(jì)性差。第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器交流電力測(cè)功器包括三相同步電機(jī)測(cè)功器、繞線式異步電機(jī)測(cè)功器和無(wú)換向器電機(jī)測(cè)功器三種。繞線式異步電機(jī)測(cè)功器當(dāng)測(cè)功器作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，被測(cè)動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)速必須高于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這樣才能發(fā)電和向電網(wǎng)反饋能量。測(cè)功器在低于同步轉(zhuǎn)速下測(cè)功，也可采用整流設(shè)備向測(cè)功器定子供給勵(lì)磁電流，電流的大小可以調(diào)節(jié)。繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器三相同步電機(jī)測(cè)功器無(wú)換向器電機(jī)又稱晶閘管電機(jī)，是一種用可控硅控制的變頻調(diào)速電機(jī)，其構(gòu)造與同步電機(jī)基本相同，但沒(méi)有換向器，其工作原理、特性及調(diào)整方式與直流電機(jī)相似。優(yōu)點(diǎn)：具有與直流電機(jī)一樣的調(diào)速特性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，容易制成大容量（可達(dá)數(shù)千kW）、高轉(zhuǎn)速（可達(dá)數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘）的測(cè)功器；能簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行（正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)），在作為發(fā)電機(jī)工作時(shí)能將大部分能量回饋倒電網(wǎng)中去，其輸入端功率因數(shù)及效率也較高；由于沒(méi)有換向器，所以使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花。第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（3）電渦流力測(cè)功器電渦流測(cè)功器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、轉(zhuǎn)速范圍和功率范圍寬等特點(diǎn)，因此能滿足各種動(dòng)力機(jī)械功率測(cè)量的要求。由于電渦流測(cè)功器所吸收的功全部轉(zhuǎn)為熱能，所以必須對(duì)渦流環(huán)和勵(lì)磁繞組的周圍進(jìn)行冷卻，可以根據(jù)發(fā)熱量大小和測(cè)功器結(jié)構(gòu)等因素選擇空氣冷卻或水冷卻。電渦流測(cè)功器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-定子；2-勵(lì)磁線圈；3-感應(yīng)子；4-轉(zhuǎn)軸；5-渦流環(huán)；6-轉(zhuǎn)子軸承；7-定子擺動(dòng)軸承第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（3）電渦流力測(cè)功器電渦流測(cè)功器在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)速的增加而迅速增大。但當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)矩在某一轉(zhuǎn)速附近達(dá)到飽和，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)此轉(zhuǎn)速而進(jìn)一步增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩幾乎不再增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩也隨勵(lì)磁電流的增加而增大，但當(dāng)勵(lì)磁電流增加到使磁路的磁通達(dá)到飽和時(shí)，繼續(xù)增加勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)矩也不再增大。電渦流測(cè)功器的基本組成與磁路1-磁軛定子；2-磁力線；3-勵(lì)磁繞組；4-渦流環(huán)；5-空氣隙；6-感應(yīng)子第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（3）電渦流力測(cè)功器在這種接近等轉(zhuǎn)矩特性的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，單純靠增減勵(lì)磁電流來(lái)保持轉(zhuǎn)速恒定是很困難的。因此，電渦流測(cè)功器除了用手動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁電流的控制方式外，還應(yīng)有自動(dòng)控制裝置，使勵(lì)磁電流隨轉(zhuǎn)速自動(dòng)變化。右圖為電渦流測(cè)功器的控制方式及其特性。E-被測(cè)動(dòng)力機(jī)械；EDy-電渦流測(cè)功器；RE-勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻；TD-轉(zhuǎn)速傳感器；AD-電流傳感器手動(dòng)控制

自動(dòng)控制恒勵(lì)磁電流特性恒轉(zhuǎn)速特性比例控制特性第三節(jié)功率測(cè)量三、電力測(cè)功器（3）電渦流力測(cè)功器電渦流測(cè)功器一般有三種控制模式：恒電流自動(dòng)控制，使勵(lì)磁電流保持一定，與轉(zhuǎn)速、電源電壓和勵(lì)磁繞組的電阻等變化無(wú)關(guān)；恒轉(zhuǎn)速控制，測(cè)功器工作時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量出實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差，再反饋到勵(lì)磁回路中，控制勵(lì)磁電流增減，以保持轉(zhuǎn)速恒定在設(shè)定轉(zhuǎn)速；比例控制，使勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)速成比例增加，增加比例及調(diào)整范圍可以任意選擇；E-被測(cè)動(dòng)力機(jī)械；EDy-電渦流測(cè)功器；RE-勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻；TD-轉(zhuǎn)速傳感器；AD-電流傳感器手動(dòng)控制

自動(dòng)控制恒勵(lì)磁電流特性恒轉(zhuǎn)速特性比例控制特性第三節(jié)功率測(cè)量四、測(cè)功器的使用方法測(cè)功器的種類較多，動(dòng)力機(jī)械的試驗(yàn)規(guī)范和要求也多種多樣，測(cè)功器的選型和使用對(duì)于保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行非常重要，下面介紹測(cè)功器使用時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題。1、測(cè)功器的選型依據(jù)——工作范圍：各種類型的測(cè)功器都有其被允許運(yùn)行的工況范圍。電渦流測(cè)功器功率特性圖在上圖所示的OABCO封閉曲線中，OA段表示勵(lì)磁電流最大時(shí)，吸收功率隨轉(zhuǎn)速上升的曲線。當(dāng)功率達(dá)到一定值時(shí)（A點(diǎn)），由于測(cè)功器熱負(fù)荷（最高溫度）的限制，吸收功率不能繼續(xù)增加而保持恒定，當(dāng)近乎恒定的功率保持到B點(diǎn)的轉(zhuǎn)速時(shí)，達(dá)到測(cè)功器允許運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速，即BC段為測(cè)功器旋轉(zhuǎn)件受離心力負(fù)荷或軸承允許轉(zhuǎn)速所限制的最高轉(zhuǎn)速限制線，AB段則為測(cè)功器能吸收和測(cè)量的最大功率限制線。在無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)（OC段），測(cè)功器的特性曲線相當(dāng)于不同轉(zhuǎn)速下測(cè)功器的機(jī)械損耗特性曲線，這一曲線的下方部分是不能進(jìn)行有效測(cè)試的。第三節(jié)功率測(cè)量四、測(cè)功器的使用方法——工作范圍下圖表示了某種型號(hào)的3種類型的測(cè)功器所允許的工況范圍圖。水力測(cè)功器電渦流測(cè)功器

交流電力測(cè)功器第三節(jié)功率測(cè)量四、測(cè)功器的使用方法——測(cè)量精度測(cè)功器的測(cè)量精度應(yīng)符合測(cè)量的要求，在滿足工作范圍的條件下，應(yīng)使測(cè)量盡可能接近滿量程進(jìn)行，以獲得較好的測(cè)量準(zhǔn)確度，通常被測(cè)動(dòng)力機(jī)械最大功率與測(cè)功器工作范圍的最大功率之比應(yīng)不低于3:4?！憫?yīng)速度測(cè)功器的響應(yīng)速度還和其外形尺寸有關(guān)。對(duì)于同一種測(cè)功器，外形尺寸越小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，則響應(yīng)速度越快。另外，測(cè)功器的測(cè)力機(jī)構(gòu)中力傳感器的動(dòng)態(tài)特性要好，這樣才能迅速、準(zhǔn)確地反映被測(cè)動(dòng)力機(jī)械的性能。第三節(jié)功率測(cè)量四、測(cè)功器的使用方法——工作穩(wěn)定性當(dāng)動(dòng)力機(jī)械的輸出轉(zhuǎn)矩與測(cè)功器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，動(dòng)力機(jī)械能在該轉(zhuǎn)矩工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。從測(cè)功器