第章轉速和功率測量課件

第十章轉速和功率的測量學習要求: 要求掌握常用的發(fā)動機功率測量方法和原理，了解常用測功器的種類，各自調(diào)節(jié)負荷的方法，以及工作特性。掌握如何進行測功器的正確選型。了解常用轉速和扭矩的測量方法。第十章轉速和功率的測量學習要求:1轉速：單位時間內(nèi)轉軸的平均旋轉次數(shù)。記為：n，單位：r/min；轉矩：作用在轉軸上的扭矩。記為：Me，單位：Nm；功率：單位時間內(nèi)轉軸對外所作的功。記為：Pe，單位：kW.。轉速和功率是熱能動力機械的重要參數(shù)，反映其動力性能指標。概述轉速：單位時間內(nèi)轉軸的平均旋轉次數(shù)。記為：n，單位：2第1節(jié)轉速測量一、接觸式轉速表離心式轉速表:利用離心力與拉力的平衡來指示轉速。離心式轉速表是最傳統(tǒng)的轉速測量工具，是利用離心力原理的機械式轉速表；測量精度一般在1~2級，一般就地安裝。準確直觀，可靠耐用優(yōu)點。結構比較復雜。磁性轉速表:利用旋轉磁場，在金屬罩帽上產(chǎn)生旋轉力，利用旋轉力與游絲力的平衡來指示轉速。磁性轉速表，是成功利用磁力的一個典范，是利用磁力原理的機械式轉速表；用軟軸可以短距離異地安裝。結構較簡單，摩托車和汽車以及其它機械設備。異地安裝時軟軸易損壞。電動式轉速表:由小型交流發(fā)電機、電纜、電動機和磁性表頭組成。小型交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電，交流電通過電纜輸送，驅動小型交流電動機，小型交流電動機的轉速與被測軸的轉速一致。磁性轉速表頭與小型交流電動機同軸連接在一起，磁性表頭指示的轉速自然就是被測軸的轉速；異地安裝非常方便，抗振性能好，廣泛運用于柴油機和船舶設備。第1節(jié)轉速測量一、接觸式轉速表離心式轉速表:3第1節(jié)轉速測量一、非接觸式器光電式轉速傳感器照射式反射式結構：光源，遮光盤（反光盤），光電管，測頻電路。原理：測頻特點：高速時，光信號減弱第1節(jié)轉速測量一、非接觸式器結構：光源，遮光盤（反光盤4磁電式轉速傳感器結構：齒輪（導磁材料，齒數(shù)z），磁頭—磁鐵，線圈，距齒頂約2mm原理：齒輪隨轉軸旋轉，每轉過一齒，就切割一次磁力線，在線圈中產(chǎn)生一個感應電動勢的脈沖信號。每轉將產(chǎn)生z個電脈沖信號。特點：結構簡單，工作可靠，轉速越高，輸出信號越強?，F(xiàn)在發(fā)動機測功器臺架大多采用這種轉速傳感器。磁電式轉速傳感器特點：結構簡單，工作可靠，轉速越高，5電磁脈沖轉速表通過電磁感應和脈沖計數(shù)電路計數(shù)汽油機的高壓點火脈沖的頻率，再根據(jù)汽油機的沖程數(shù)和氣缸數(shù)得到發(fā)動機每傳一圈所發(fā)出的點火脈沖數(shù)，由此可以計算出汽油機的轉速。特點：非接觸測量準確度高體積小，使用方便。4．反射式紅外轉速傳感器特點：尺寸很小，反射式，手持式紅外測速儀透鏡能對紅外線聚焦；半透膜2既能使發(fā)射管射出的紅外線射向轉軸上的轉盤4，又能使反射回來的紅外線射向接收管；貼在被測旋轉體上的反光紙3的大小一般為10mm×l0mm，起著定向反射作用。為提高反射能力，可將反光紙周圍涂成黑色，并避免陽光直接照射。

電磁脈沖轉速表6第2節(jié)轉矩儀發(fā)動機試驗臺—一般采用吸收式測功設備：測功機大型、重要發(fā)動機的工作監(jiān)控—一般采用傳遞式測功設備：轉矩儀轉矩儀的作用原理通過測量某些傳遞轉矩的零件（如軸、特制的聯(lián)軸器或實際的傳動軸等）在轉矩的作用下產(chǎn)生的扭轉變形來測量轉矩。圓軸在轉矩Tt(Nm)的作用下，相距L（m)的兩個截面的相對扭轉角φ(rad)為：式中：G為軸材料的剪切模量

Ip為軸截面的極慣性矩第2節(jié)轉矩儀發(fā)動機試驗臺—一般采用吸收式測功設備：測7一、相位差式轉矩儀相位差式轉矩儀利用中間軸在彈性范圍內(nèi)其相隔一定長度的兩截面上所產(chǎn)生轉角的相位差與轉矩成正比的原理制成。光電式轉矩儀結構轉矩儀的中間軸通過聯(lián)軸器串接在傳動軸中間；2只光柵盤分別經(jīng)套筒固定于中間軸的A、B兩端；外殼通過軸承支撐于中間軸，軸轉動時外殼不轉；外殼兩側安裝光源和光電管，光源透過兩只光柵照射到光電管。轉矩儀的種類相位差式應變式磁致伸縮式一、相位差式轉矩儀轉矩儀的種類8測量原理無轉矩作用時，A、B光柵相互遮擋，光電管輸出為零；轉矩T作用時，軸的A、B端扭轉一個角度φ，A、B光柵也錯開φ角度，透過部分光線。T越大，φ也越大，光電管的輸出越大。轉速對轉矩的測量無影響光電管輸出的是光電流脈沖列的直流分量。測量原理9光學式轉矩儀結構扭轉應變軸3彈性傳遞軸4（自由端）平行光投射器6望遠鏡1測量原理扭轉應變軸3受扭后，使反射光線2發(fā)生偏移，偏移量與轉矩成正比。讀數(shù)直接光線照出細尺度反射光線照出粗尺度粗細尺度結合讀數(shù)光學式轉矩儀10磁電式轉矩儀結構彈性軸7上熱套2只外齒輪1旋轉套筒上2只內(nèi)齒輪4與外齒輪位置相對，間隙很小，內(nèi)齒輪緊靠永久磁鐵3，起磁頭作用。旋轉套筒在外殼內(nèi)可以轉動。外殼用軸承支撐于彈性軸。測量原理彈性軸轉動受扭后，相距L的2只外齒輪扭轉一個角度，發(fā)出的兩列磁電脈沖信號產(chǎn)生相位差。轉速低于600r/min時，磁電脈沖信號減弱，用電動機6帶動旋轉套筒反向旋轉，提高內(nèi)外齒輪的相對速度，使信號增強。磁電式轉矩儀彈性軸轉動受扭后，相距L的2只外齒輪扭轉11二、應變式轉矩儀轉軸承受轉矩時要產(chǎn)生切應力（變），最大切應力（變）發(fā)生于圓周，方向為450和1350。它與轉矩成正比。應變式轉矩儀在轉軸這兩個方向粘貼應變片，用電橋測出其最大應變，從而測得轉矩。二、應變式轉矩儀12三、磁致伸縮式轉矩儀鐵磁物質的磁致伸縮效應鐵磁物質的磁化特性在機械力的作用下會發(fā)生顯著變化；鐵磁物體在外磁場的作用下會發(fā)生機械變形。稀土和Fe2的化合物中存在強烈的磁致伸縮效應。最有效的合金是—特弗龍（terfnol),成分為：Tb0.3Dy0.7Fe1.93，下標代表每種元素（鋱，鏑，鐵）的原子比例，將原子比例與原子量相乘得質量比例，分別為18%，42%，40%。磁致伸縮式轉矩儀測量原理交流勵磁線圈A，B：一次側線圈感應線圈C，D：二次側線圈鐵心距軸表面1-2mm，構成磁頭三、磁致伸縮式轉矩儀磁致伸縮式轉矩儀測量原理13磁橋的構成：A’,B’,C’,D’:鐵心與軸表面氣隙的磁阻R1,R2,R3,R4:軸表面的磁阻。

工作時，向勵磁線圈A,B供給50Hz交流電，勵磁，當軸不受轉矩作用時，軸上無應力，且原有磁通各向同性，R1=R2=R3=R4，橋路平衡，無信號輸出。當軸受轉矩作用時，軸上有應力分布，使軸表面的磁導率發(fā)生變化。拉應力+σ使磁阻R1,R4減小，磁導率增加；壓應力-σ使R2,R3增加，磁導率減小，結果產(chǎn)生一個不平衡磁通，在感應線圈C,D中產(chǎn)生與軸上所受轉矩T1有關的電動勢，根據(jù)標定得出的此電動勢信號與轉矩T1的關系可測出轉矩T1。磁橋的構成：當軸受轉矩作用時，軸上有應力分布，使軸表面的磁導14第3節(jié)功率測量一、概述轉速測量轉矩測量

吸收型測量電力測功機：直流，交流，電渦流測功機。水力測功機：圓盤式，銷柱式，葉輪式，渦流室式水力測功機。磁粉測功機（磁粉制動器）平衡式結構：測量制動器外殼上的反力矩。將制動器外殼(定子)支承在一對軸承上，使其可繞本身軸線作自由擺動。當被測動力機械輸出轉矩傳給制動器外殼時，就可通過與外殼相連的力臂將力傳給測力機構。

傳遞型測量相位差式轉矩儀應變式轉矩儀磁致伸縮式轉矩儀F為測力機構的讀數(shù)(N)；L為測力機構的力臂長(m)；K＝9550/K為測功機常數(shù)。取L＝0.9550m時，K＝10000，計算能大大簡化。力臂長常常做成L或L/2使讀數(shù)就十分方便。

第3節(jié)功率測量一、概述15一、水力測功機（一）水力測功機結構形式和工作原理以水為工質的液力測功裝置，主體為水力制動器，由轉子和外殼組成，外殼由滾動軸承支撐，可以自由擺動。外殼上有測力機構與底座連接。類型：圓盤式、銷柱式、葉輪式和渦流式。圓盤式水力測功機水經(jīng)進水調(diào)解閥進入外殼內(nèi)腔。從出水管排出。轉盤旋轉，將水甩向外殼內(nèi)腔的外壁形成旋轉的水環(huán)，水環(huán)對外殼壁面的摩擦將發(fā)動機的轉矩由轉子傳給外殼，測力機構可以指示該轉矩的數(shù)值。通過進出水閥門調(diào)節(jié)水環(huán)厚度。水環(huán)厚度越大，負荷越大。一、水力測功機圓盤式水力測16第章轉速和功率測量課件17第章轉速和功率測量課件18第章轉速和功率測量課件19銷柱式水力測功機轉子外緣和外殼內(nèi)腔內(nèi)緣安裝若干方形斷面的銷柱，大大增加了對水的擾動，提高了測功機的制動能力，減小了測功機的體積。銷柱式水力測功機20葉輪式水力測功機渦流室式水力測功機主要結構：轉子和外殼上的若干半橢圓形小室。原理：轉子上的小室內(nèi)水壓因旋轉離心力的作用而內(nèi)低外高。與外殼上的小室相對后將形成環(huán)流，產(chǎn)生強烈擾動，傳遞轉矩。負荷調(diào)節(jié)：變壓式（排水閥開度），變面積式（2個半圓形閘套，可徑向移動）葉輪式水力測功機21（二）水力測功機地固有特性和工作范圍圓盤式水力測功機轉子受力分析dR圓環(huán)微元受水的制動力矩為：上式對浸在水環(huán)里的部分圓盤面積積分得：（二）水力22水力測功機工作特性A—最大負荷調(diào)節(jié)位置（如水環(huán)厚度最大）時的固有特性B—最大轉矩線，機械強度限C—最大功率線，散熱條件限D—最高轉速線，最大離心力限E—空載線，軸承、空氣阻力限測功時測功機工作范圍：A、B、C、D、E線所圍范圍水力測功機工作特性23水力測功機與內(nèi)燃機的匹配

內(nèi)燃機特性曲線--外特性負荷特性螺旋槳特性道路行駛特性要求：測功機的工作范圍覆蓋

發(fā)動機的工作范圍水力測功機與內(nèi)燃機的匹配要求：測功機的工作范圍覆蓋24（二）電渦流測功機結構原理結構：定子：勵磁線圈渦流環(huán)冷卻系統(tǒng)轉軸：感應子（齒形）支座與測力機構（二）電渦流測功機25第章轉速和功率測量課件26原理：勵磁線圈通入直流電后，產(chǎn)生磁場，磁力線通過感應子、氣隙、渦流環(huán)和磁軛定子閉合。感應子為齒型，齒頂處磁阻小，磁通密度高；齒根處磁阻大，磁通密度低，感應子旋轉時，渦流環(huán)各處的磁通密度不斷變化，產(chǎn)生感應電動勢形成渦電流，力圖阻止磁通的變化，從而對感應子產(chǎn)生制動力矩。渦電流產(chǎn)生大量的熱量，通水或空氣冷卻。原理：27電渦流測功機的特性與控制方式（1）等勵磁電流特性—固有特性（2）等轉速特性—反饋控制〔3）增壓控制特性—反饋控制（4）等電流自動控制電渦流測功機的特性與控制方式28浙江中成公司電渦流測功機結構與特性浙江中成公司電渦流測功機結構與特性29電渦流測功機的特點測量范圍寬，低速性能好；結構簡單，價格低廉；控制方便；只能測功，不能反拖；能量不能回收。電渦流測功機的特點30三、電力測功機（一）直流電力測功機1、結構原理：轉子定子外殼：浮動于支座測力機構：拉壓傳感器測功機作發(fā)電機運行時：發(fā)動機帶動轉子旋轉，電樞繞組切割定子勵磁繞組的磁場，在電樞繞組中產(chǎn)生感應電動勢，同時轉子受到一個與轉向相反的制動力矩，此制動力矩與發(fā)動機的驅動力矩平衡。制動力矩的反力矩作用于定子，欲使定子轉動，但被測力機構約束住。發(fā)動機的驅動力矩即可通過測力機構測出。測功機作電動機運行時：電樞繞組內(nèi)通入電流，在定子，勵磁繞組的磁場作用下，轉子受到一個電磁驅動力矩的作用而旋轉（反拖），該驅動力矩的反力矩作用于定子，通過測力機構測出。直流電力測功機可作為發(fā)電機運轉測量發(fā)動機的轉矩，還可作為電動機運轉倒拖發(fā)動機，測量發(fā)動機的摩擦損失。三、電力測功機測功機作發(fā)電機運行時：電樞繞組切割定子勵磁繞組31測功機測功時，電樞繞組中的感應電動勢E為：式中：Φ—定子勵磁繞組的磁通K1—電機電動勢系數(shù)n—轉子轉速若：電樞回路內(nèi)串聯(lián)負載電阻R，并忽略電樞內(nèi)阻，則：電樞回路流過的電流為：制動力矩：功率：改變Φ和R，均可以調(diào)節(jié)轉矩。測功機測功時，電樞繞組中的感應電動勢E為：式中：Φ—定子勵磁32(1).負荷電阻控制方式中小功率測功機用，電能不回收，消耗于主調(diào)節(jié)變阻器P和負荷電阻RL上。測功時：S2—G調(diào)節(jié)：粗、細調(diào)節(jié)電阻W，V--改變Φ；主調(diào)節(jié)變阻器P–改變R。電力測功機控制方式和特性倒拖時：S2--M調(diào)節(jié)：粗、細調(diào)節(jié)電阻W，V--改變Φ；主調(diào)節(jié)變阻器P–改變電樞電流。(1).負荷電阻控制方式電力測功機控制方式和33測功機工作特性A—最大電流線，Φmax，RminA1,A2—中間負荷線B—最大轉矩線，機械強度限C—最大功率線，散熱條件限D—最高轉速線，最大離心力限E—空載線，軸承、空氣阻力限F—倒拖工作特性。測功時測功機工作范圍：A、B、C、D、E線所圍范圍

負荷電阻控制方式的特點：結構簡單，維護方便，價格低廉；在測功時不具備等速特性，做發(fā)動機負荷特性試驗時，穩(wěn)定性不太好。測功與倒拖之間狀態(tài)的改變不能連續(xù)進行。測功機工作特性負荷電阻34（2）自動饋網(wǎng)控制方式大型測功機，要將發(fā)動機發(fā)出的能量回收，故采用自動饋網(wǎng)控制方法。組成：電力測功機2主變流機組3：交、直流電機串聯(lián)勵磁變流機組4勵磁調(diào)整電阻工作原理：

測功時，勵磁變流機組4的交流電動機驅動直流發(fā)電機，產(chǎn)生勵磁電流供給測功機定子中的勵磁繞組。發(fā)動機1帶動測功機2的轉子旋轉，測功機即為一臺直流發(fā)電機向主變流機組3的直流電機供電，直流電機作為電動機旋轉，帶動交流電機向電網(wǎng)發(fā)出交流電。

倒拖時，勵磁變流機組4依然向勵磁繞組供電，同時主變流機組3的交流電機帶動直流電機旋轉，向測功機轉子電樞供給直流電，這時測功機作為直流電動機工作。改變勵磁調(diào)整電阻的大小，調(diào)節(jié)勵磁電流，可以調(diào)節(jié)測功機的負荷。（2）自動饋網(wǎng)控制方式35（二）、交流電力測功機常用的三相交流發(fā)電機組可以看作最簡單的交流電力測功機。由發(fā)電機的電壓u、電流I、功率因數(shù)cosφ和效率η可知發(fā)動機的有效功率為：如果將電機的定子外殼用軸承浮動起來，使之可以繞軸擺動，并在外殼與底座之間安裝測力機構，則可直接測量發(fā)動機轉矩。根據(jù)電機的不同，交流電力測功機有以下三種形式：三相同步電機測功機同步電機轉速等于旋轉磁場轉速。即：式中：n—同步電機轉速f—定子供電頻率z—極對數(shù)（二）、交流電力測功機如果將電機的定子外殼用軸承浮動起來，使36

當極對數(shù)z確定后，要改變轉速n，必須改變定子供電頻率f。然而，現(xiàn)在采用的變頻方式多為他制式，其輸出轉速由系統(tǒng)外部的基準頻率振蕩器給定。當頻率突變或者測功機過載時，電機容易失步。因此必須精確控制供電頻率，避免過載，以防失步。三相同步電機作發(fā)電機運行時，只有在定子供電頻率f等于電網(wǎng)頻率時，才能將電能饋入電網(wǎng)。這就限制了測功機不能再對轉速進行調(diào)節(jié)。在其他轉速下，測功機發(fā)出的電能必須用負荷電阻來消耗掉。當極對數(shù)z確定后，要改變轉速n，必須改變定子供372.繞線式異步電機測功機結構：采用繞線式異步電機作為測功機。調(diào)速方法：在轉子電樞電路中串聯(lián)可調(diào)電阻。作電動機運行時的情況轉速—轉矩曲線轉差率定義：式中:n0—旋轉磁場轉速n—轉子轉速S=1，n=n0，無轉差（滑差）S=0，n=0，由轉速—轉矩曲線可見：電阻R越大，曲線越軟；R改變，轉矩最大值不變，但位置改變。2.繞線式異步電機38繞線式異步電機測功機通過增加電樞電路中的電阻來增加轉差功率損耗，使轉速降低。由于損耗主要發(fā)生在電機外部，低速時電機不會過熱的，但效率很低。作發(fā)電機運行時的情況發(fā)動機的轉速高于電機同步轉速時，才能發(fā)電并向電網(wǎng)反饋能量。如果配置了變頻機組，也可在低于電機同步轉速時，向電網(wǎng)反饋能量。測功機在低于同步轉速下測功，可采用整流設備向定子勵磁繞組供電，用變阻器調(diào)節(jié)勵磁電流的大小來改變負荷與轉速，此時發(fā)出的電能將全部消耗在轉子電路的負荷電阻上。測功機在高于同步轉速下測功，可用轉子電路中串連的調(diào)速變阻器調(diào)節(jié)負荷與轉速。阻值越大，以熱能形式消耗于變阻器上的能量越多，輸給電網(wǎng)的能量越少，測功機的轉速可越高。阻值減少時，轉速降低并趨近于同步轉速，測功機發(fā)出的電能大部分饋入電網(wǎng)，少部分消耗于變阻器。變頻技術的發(fā)展將使交流電力測功機克服工作轉速范圍不寬的弊端。繞線式異步電機測功機通過增加電樞電路中的電阻來39無換向器電機測功機

無換向器電機是變頻調(diào)速同步電機，其變頻方式為自制式，即基準頻率振蕩器置于系統(tǒng)內(nèi)部，由電機的轉速和頻率控制，不存在他制式變頻方式的失步問題。特點：調(diào)速特性與直流電力測功機一樣，可以四象限運行（正、反轉，測功、倒拖），可用于瞬態(tài)工況測量；結構簡單，便于維護；容易制成大容量（數(shù)千Kw）、高轉速（數(shù)萬r/min)的測功機；電能可以饋入電網(wǎng)；效率高測功機—AVLAFA335交流變頻測功機測量精度高、響應速度快，可模擬正負力矩可在發(fā)動機臺架上模擬汽車道路行駛用于發(fā)動機的研究和開發(fā)無換向器電機測功機測功機—AVLAFA33540第章轉速和功率測量課件41四、測功機使用技術（一）測功機選型工作范圍能夠覆蓋被測機械的工作范圍量程實際測量盡可能在測功機量程的20%～80%內(nèi)進行準確度符合標準和使用要求響應速度