第章转速和功率测量课件

第十章第十章 转速和功率的测量转速和功率的测量学习要求学习要求:要求掌握常用的发动机功率测量方法和原理，了解常用测功器的种类，各自调节负荷的方法，以及工作特性。掌握如何进行测功器的正确选型。了解常用转速和扭矩的测量方法。转速转速：单位时间内转轴的平均旋转次数。记为：单位时间内转轴的平均旋转次数。记为：n，单位：，单位：r/min；转矩转矩：作用作用在转轴上的扭矩。记为：在转轴上的扭矩。记为：Me，单位：，单位：Nm；功率功率：单位时间内转轴对外所作的功。记为：单位时间内转轴对外所作的功。记为：Pe，单位：，单位：kW.。(kW)9550nMePe转速转速和和功率功率是热能动力机械的重要参数，反映其动力性能指标。是热能动力机械的重要参数，反映其动力性能指标。概概 述述第第1 1节节 转速测量转速测量一、接触式转速表一、接触式转速表p 离心式转速表离心式转速表:利用离心力与拉力的平衡来指示转速。离心式转速表是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表；测量精度一般在12级，一般就地安装。准确直观，可靠耐用优点。结构比较复杂。p 磁性转速表磁性转速表:利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。磁性转速表，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械式转速表；用软轴可以短距离异地安装。结构较简单，摩托车和汽车以及其它机械设备。异地安装时软轴易损坏。p 电动式转速表电动式转速表:由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；异地安装非常方便，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。第第1 1节节 转速测量转速测量一、非接触式器一、非接触式器光电式转速传感器光电式转速传感器照射式照射式反射式反射式结构结构：光源，遮光盘（反光盘），光电管，测频电路。：光源，遮光盘（反光盘），光电管，测频电路。原理原理：测频：测频znf60特点：高速时，光信号减弱特点：高速时，光信号减弱磁电式转速传感器磁电式转速传感器结构结构：齿轮（导磁材料，齿数：齿轮（导磁材料，齿数z），），磁头磁头磁铁，线圈，距齿顶约磁铁，线圈，距齿顶约2mm原理原理：齿轮随转轴旋转，每转过一齿，就切：齿轮随转轴旋转，每转过一齿，就切割一次磁力线，在线圈中产生一个感应割一次磁力线，在线圈中产生一个感应电动势的脉冲信号。每转将产生电动势的脉冲信号。每转将产生z个电脉个电脉冲信号。冲信号。fnzznf时6060特点特点：结构简单，工作可靠，转速越高，：结构简单，工作可靠，转速越高，输出信号越强。现在发动机测功器台输出信号越强。现在发动机测功器台架大多采用这种转速传感器。架大多采用这种转速传感器。电磁脉冲转速表电磁脉冲转速表 通过通过电磁感应电磁感应和和脉冲计数脉冲计数电路计数汽油机的电路计数汽油机的高压点火高压点火脉冲的脉冲的频率频率，再根据汽油机的，再根据汽油机的冲程数冲程数和和气缸数气缸数得到发动机每传一圈所发出得到发动机每传一圈所发出的的点火脉冲数点火脉冲数，由此可以计算出汽油机的转速。，由此可以计算出汽油机的转速。n 特点特点：非接触测量非接触测量 准确度高准确度高 体积小，使用方便。体积小，使用方便。4 4反射式红外转速传感器反射式红外转速传感器 特点：特点：尺寸很小，尺寸很小，反射式，反射式，手持式红外测速仪手持式红外测速仪 透镜能对红外线聚焦；透镜能对红外线聚焦；半透膜半透膜2既能使发射管射出的红外线射既能使发射管射出的红外线射向转轴上的转盘向转轴上的转盘4，又能使反射回来的红外线射向接收管；贴，又能使反射回来的红外线射向接收管；贴在被测旋转体上的反光纸在被测旋转体上的反光纸3的大小一般为的大小一般为10mml0mm，起着起着定向反射作用。定向反射作用。为提高反射能力，可将反光纸周围涂成黑色，并避免阳光直接为提高反射能力，可将反光纸周围涂成黑色，并避免阳光直接照射。照射。NoImage第第2 2节节 转矩仪转矩仪发动机试验台发动机试验台一般采用吸收式测功设备：测功机一般采用吸收式测功设备：测功机大型大型、重要发动机的工作监控、重要发动机的工作监控一般采用一般采用传递式传递式测功设备：转矩仪测功设备：转矩仪n转矩仪的作用原理转矩仪的作用原理 通过测量某些传递转矩的零件（如轴、特制的联轴器或实际的传动轴等）在通过测量某些传递转矩的零件（如轴、特制的联轴器或实际的传动轴等）在转矩转矩的作用下产生的的作用下产生的扭转变形扭转变形来测量转矩。来测量转矩。圆轴在转矩圆轴在转矩T Tt t(Nm)(Nm)的作用下，相距的作用下，相距L L（m)m)的两个截面的相对扭转角的两个截面的相对扭转角(rad)(rad)为：为：式中：式中：G为轴材料的剪切模量为轴材料的剪切模量 I Ip p为轴截面的极惯性矩为轴截面的极惯性矩nKE 1一、相位差式转矩仪一、相位差式转矩仪 相位差式转矩仪利用相位差式转矩仪利用中间轴中间轴在在弹性范围弹性范围内其相隔一定长度的内其相隔一定长度的两截面两截面上所产生上所产生转转角角的的相位差相位差与与转矩转矩成正比的原理制成。成正比的原理制成。光电式转矩仪光电式转矩仪n 结构结构转矩仪的转矩仪的中间轴中间轴通过通过联轴器联轴器串接串接在在传传动轴中间动轴中间；2只光栅盘分别经套筒固定于只光栅盘分别经套筒固定于中间轴中间轴的的A、B两端；两端；外壳通过轴承支撑于中间轴，轴转动外壳通过轴承支撑于中间轴，轴转动时外壳不转；时外壳不转；外壳两侧安装光源和光电管，光源透外壳两侧安装光源和光电管，光源透过两只光栅照射到光电管。过两只光栅照射到光电管。n转矩仪的种类转矩仪的种类相位差式相位差式应变式应变式磁致伸缩式磁致伸缩式n 测量原理测量原理n 无转矩作用时，无转矩作用时，A、B光栅相互遮光栅相互遮挡，光电管输出为零；挡，光电管输出为零；n 转矩转矩T作用时，轴的作用时，轴的A、B端扭转一端扭转一个角度个角度，A、B光栅也错开光栅也错开角角度，透过度，透过部分光线。部分光线。T 越大，越大，也也越大，越大，光电管的输出越大。光电管的输出越大。n 转速对转矩的测量无影响转速对转矩的测量无影响n 光电管输出的是光电流脉冲列的直光电管输出的是光电流脉冲列的直流分量。流分量。光学式转矩仪光学式转矩仪n 结构结构扭转应变轴扭转应变轴3弹性传递轴弹性传递轴4（自由端）（自由端）平行光投射器平行光投射器6望远镜望远镜1n 测量原理测量原理扭转应变轴扭转应变轴3 受扭后，使受扭后，使反射光线反射光线2 发生偏移，发生偏移，偏移量与转矩成正比。偏移量与转矩成正比。n 读数读数直接光线照出细尺度直接光线照出细尺度反射光线照出粗尺度反射光线照出粗尺度粗细尺度结合读数粗细尺度结合读数ccIITtII 磁电式转矩仪磁电式转矩仪n 结构结构弹性轴弹性轴7上热套上热套2只外齿轮只外齿轮1旋转套筒上旋转套筒上2只内齿轮只内齿轮4与外齿轮位置相与外齿轮位置相对，间隙很小，内齿轮紧靠永久磁铁对，间隙很小，内齿轮紧靠永久磁铁3，起磁头作用。旋转套筒在外壳内，起磁头作用。旋转套筒在外壳内可以转动。可以转动。外壳用轴承支撑于弹性轴。外壳用轴承支撑于弹性轴。n 测量原理测量原理 弹性轴转动受扭后，相距弹性轴转动受扭后，相距L的的2只外齿轮扭转一个角度，发出的只外齿轮扭转一个角度，发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。两列磁电脉冲信号产生相位差。转速低于转速低于600r/min时，磁电脉时，磁电脉冲信号减弱，用电动机冲信号减弱，用电动机6带动旋转带动旋转套筒反向旋转，提高内外齿轮的套筒反向旋转，提高内外齿轮的相对速度，使信号增强。相对速度，使信号增强。二、应变式转矩仪二、应变式转矩仪 转轴承受转轴承受转矩转矩时要产生时要产生切应力切应力（变），（变），最大切应力最大切应力（变）发生于（变）发生于圆周圆周，方向为方向为45450 0和和1351350 0。它与转矩成正比。应变式转矩仪在转轴这两个方向粘。它与转矩成正比。应变式转矩仪在转轴这两个方向粘贴贴应变片应变片，用电桥测出其，用电桥测出其最大应变最大应变，从而测得转矩。，从而测得转矩。三、磁致伸缩式转矩仪三、磁致伸缩式转矩仪铁磁物质的磁致伸缩效应铁磁物质的磁致伸缩效应铁磁物质的铁磁物质的磁化特性磁化特性在在机械力机械力的作用下会发生显著变化；的作用下会发生显著变化；铁磁铁磁物体物体在外磁场在外磁场的作用下会的作用下会发生发生机械变形机械变形。稀土和稀土和FeFe2 2的化合物中存在强烈的磁致伸缩效应。最有效的合金是的化合物中存在强烈的磁致伸缩效应。最有效的合金是特弗龙特弗龙（terfnol),terfnol),成分为：成分为：TbTb0.30.3DyDy0.70.7FeFe1.931.93，下标代表每种元素（铽，镝，下标代表每种元素（铽，镝，铁）的铁）的原子比例，将原子比例与原子量相乘得质量比例，分别为原子比例，将原子比例与原子量相乘得质量比例，分别为18%，42%，40%。nKE 1磁致伸缩式转矩仪测量原理磁致伸缩式转矩仪测量原理交流励磁线圈交流励磁线圈A，B：一次侧线圈一次侧线圈感应线圈感应线圈C，D：二次侧线圈二次侧线圈铁心距轴表面铁心距轴表面1-2mm，构成磁头构成磁头nKE 1磁桥的构成：磁桥的构成：A,B,C,D:A,B,C,D:铁心与轴表面气隙的磁阻铁心与轴表面气隙的磁阻R1,R2,R3,R4:R1,R2,R3,R4:轴表面的磁阻轴表面的磁阻。工作时工作时，向励磁线圈，向励磁线圈A,BA,B供给供给50Hz50Hz交流电，交流电，励磁励磁，当轴当轴不受转矩作用不受转矩作用时，轴上时，轴上无应力无应力，且原有，且原有磁通各向同性磁通各向同性，R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，桥路平衡，无信号输出。桥路平衡，无信号输出。当轴受转矩作用时，轴上有当轴受转矩作用时，轴上有应力分布，使轴表面的磁导应力分布，使轴表面的磁导率发生变化。率发生变化。拉应力拉应力+使使磁阻磁阻R1,R4R1,R4减小，减小，磁导率磁导率增增加；加；压应力压应力-使使R2,R3R2,R3增加，增加，磁导率减小磁导率减小，结果产生一个，结果产生一个不平衡磁通，在不平衡磁通，在感应线圈感应线圈C,DC,D中产生与轴上所受转矩中产生与轴上所受转矩T1T1有关的有关的电动势电动势，根据标定，根据标定得出的此得出的此电动势信号电动势信号与与转矩转矩T1T1的关系可测出转矩的关系可测出转矩T1T1。第第3 3节节 功率测量功率测量一、概述一、概述 转速测量转速测量 转矩测量转矩测量 吸收型测量吸收型测量电力测功机电力测功机：直流直流，交流，电涡流测功机。，交流，电涡流测功机。水力测功机：水力测功机：圆盘式，销柱式，叶轮式，涡流室式水力测功机。圆盘式，销柱式，叶轮式，涡流室式水力测功机。磁粉测功机磁粉测功机（磁粉制动器）（磁粉制动器）平衡式结构平衡式结构：测量制动器外壳上的反力矩。：测量制动器外壳上的反力矩。将制动器外壳将制动器外壳(定子定子)支支承在一对轴承上，使其可绕本身轴线作自由摆动。当被测动力机械承在一对轴承上，使其可绕本身轴线作自由摆动。当被测动力机械输出转矩传给制动器外壳时，就可通过与外壳相连的力臂将力传给输出转矩传给制动器外壳时，就可通过与外壳相连的力臂将力传给测力机构。测力机构。传递型测量传递型测量相位差式转矩仪相位差式转矩仪应变式转矩仪应变式转矩仪磁致伸缩式转矩仪磁致伸缩式转矩仪 F为测力机构的读数为测力机构的读数(N)；L为测力机构的力臂长为测力机构的力臂长(m)；K9550/K为测功机常数。为测功机常数。取取L0.9550m时，时，K10000，计算能大大简化。，计算能大大简化。力臂长常常做成力臂长常常做成L或或L/2使读数就十分方便。使读数就十分方便。955095509550/TnFLnFnFnPLK 一、水力测功机一、水力测功机（一）水力测功机结构形式和工作原理（一）水力测功机结构形式和工作原理以水为工质的液力测功装置，主体为以水为工质的液力测功装置，主体为水力制动器水力制动器，由，由转子转子和和外壳外壳组成，外组成，外壳由壳由滚动轴承滚动轴承支撑，可以自由摆动。支撑，可以自由摆动。外壳上有测力机构与底座连接。外壳上有测力机构与底座连接。类型类型：圆盘式、销柱式、叶轮式和涡：圆盘式、销柱式、叶轮式和涡流式。流式。圆盘式水力测功机圆盘式水力测功机水经进水调解阀进入外壳内腔。从出水经进水调解阀进入外壳内腔。从出水管排出。水管排出。转盘旋转，将水甩向外壳内腔的外壁转盘旋转，将水甩向外壳内腔的外壁形成旋转的水环，水环对外壳壁形成旋转的水环，水环对外壳壁面的摩擦将发动机的转矩由转子面的摩擦将发动机的转矩由转子传给外壳，测力机构可以指示该传给外壳，测力机构可以指示该转矩的数值。转矩的数值。通过进出水阀门调节水环厚度。水环通过进出水阀门调节水环厚度。水环厚度越大，负荷越大。厚度越大，负荷越大。(kW)9550(W)602nMePenMeMePe销柱式水力测销柱式水力测功机功机转子外缘和外转子外缘和外壳内腔内缘安壳内腔内缘安装若干装若干方形断方形断面面的销柱，大的销柱，大大大增加增加了对水了对水的扰动，的扰动，提高提高了测功机的了测功机的制制动能力动能力，减小，减小了测功机的体了测功机的体积。积。叶轮式水力测功机叶轮式水力测功机涡流室式水力测功机涡流室式水力测功机主要结构：主要结构：转子和外壳上的若干半椭圆形小室。转子和外壳上的若干半椭圆形小室。原理：原理：转子上的小室内水压因旋转离心力的作用而内低外高。与外壳上的小室转子上的小室内水压因旋转离心力的作用而内低外高。与外壳上的小室相对后将形成环流，产生强烈扰动，传递转矩。相对后将形成环流，产生强烈扰动，传递转矩。负荷调节：负荷调节：变压式（排水阀开度），变面积式（变压式（排水阀开度），变面积式（2个半圆形闸套，可径向移动）个半圆形闸套，可径向移动）（二）水力测功机地固有特性和工作范围（二）水力测功机地固有特性和工作范围n圆盘式水力测功机转子受力分析圆盘式水力测功机转子受力分析 dR 圆环微元受水的制动力矩为：圆环微元受水的制动力矩为：上式对浸在水环里的部分圆盘上式对浸在水环里的部分圆盘面积积分得：面积积分得：n 水力测功机工作特性水力测功机工作特性A最大负荷调节位置（如水环厚度最大）时的固有特性最大负荷调节位置（如水环厚度最大）时的固有特性B最大转矩线，机械强度限最大转矩线，机械强度限C最大功率线，散热条件限最大功率线，散热条件限D最高转速线，最大离心力限最高转速线，最大离心力限E空载线，轴承、空气阻力限空载线，轴承、空气阻力限n测功时测功机工作范围：测功时测功机工作范围：A、B、C、D、E线所围范围线所围范围)()()(5 55355255242ioTiotioRRtRRnPRRnTRRndRRnToin 水力测功机与内燃机的匹配水力测功机与内燃机的匹配 内燃机特性曲线内燃机特性曲线-外特性外特性 负荷特性负荷特性 螺旋桨特性螺旋桨特性 道路行驶特性道路行驶特性n要求要求：测功机测功机的的工作范围工作范围覆盖覆盖 发动机发动机的的工作范围工作范围 （二）电涡流测功机（二）电涡流测功机结构原理结构原理n 结构：结构：定子定子：励磁线圈：励磁线圈 涡流环涡流环 冷却系统冷却系统转轴转轴：感应子（齿形）：感应子（齿形）支座与测力机构支座与测力机构n原理原理：励磁线圈通入直流电后，励磁线圈通入直流电后，产生磁场，磁力线通过产生磁场，磁力线通过感感应子、应子、气隙气隙、涡流环和、涡流环和磁磁轭定子轭定子闭合闭合。感应子为。感应子为齿齿型型，齿顶处，齿顶处磁阻小磁阻小，磁通磁通密度高密度高；齿根处齿根处磁阻大磁阻大，磁通磁通密度低，密度低，感应子感应子旋转旋转时，时，涡流环涡流环各处的各处的磁通磁通密密度不断变化，产生度不断变化，产生感应电感应电动势动势形成形成涡电流涡电流，力图，力图阻阻止磁通止磁通的变化，从而对的变化，从而对感感应子应子产生产生制动力矩制动力矩。涡电流产生大量的涡电流产生大量的热量热量，通通水或空气水或空气冷却。冷却。电涡流测功机的特性与控制方式电涡流测功机的特性与控制方式 （1）等励磁电流特性）等励磁电流特性固有特性固有特性 （2）等转速特性等转速特性反馈反馈控制控制 3）增压控制特性增压控制特性反馈控制反馈控制 （4）等电流自动控制）等电流自动控制浙浙江江中中成成公公司司电电涡涡流流测测功功机机结结构构与与特特性性 电涡流测功机的特点电涡流测功机的特点 测量范围宽，低速性能好；测量范围宽，低速性能好；结构简单，价格低廉；结构简单，价格低廉；控制方便；只能测功，不能反拖；能量不能回收。控制方便；只能测功，不能反拖；能量不能回收。三、电力测功机三、电力测功机 （一）直流电力测功机（一）直流电力测功机1 1、结构原理、结构原理：转子转子定子外壳定子外壳：浮动于支座：浮动于支座测力机构测力机构：拉压传感器：拉压传感器n测功机作发电机运行时：测功机作发电机运行时：发动机带动转子旋转，发动机带动转子旋转，电枢绕组切割定子励磁绕组的磁场，在电枢绕组中产生感应电动势，同时转子受电枢绕组切割定子励磁绕组的磁场，在电枢绕组中产生感应电动势，同时转子受到一个与转向相反的制动力矩，此制动力矩与发动机的驱动力矩平衡。制动力矩到一个与转向相反的制动力矩，此制动力矩与发动机的驱动力矩平衡。制动力矩的反力矩作用于定子，欲使定子转动，但被测力机构约束住。发动机的驱动力矩的反力矩作用于定子，欲使定子转动，但被测力机构约束住。发动机的驱动力矩即可通过测力机构测出。即可通过测力机构测出。n测功机作电动机运行时：测功机作电动机运行时：电枢绕组内通入电流，在定子，励磁绕组的磁场作用下，转子受到一个电磁驱动力电枢绕组内通入电流，在定子，励磁绕组的磁场作用下，转子受到一个电磁驱动力矩的作用而旋转（反拖），该驱动力矩的反力矩作用于定子，通过测力机构测出。矩的作用而旋转（反拖），该驱动力矩的反力矩作用于定子，通过测力机构测出。直流电力测功机可作为直流电力测功机可作为发电机运转发电机运转测量发动机的测量发动机的转矩转矩，还可作，还可作 为为电动机电动机运转运转倒拖倒拖发动机，测量发动机的摩擦损失。发动机，测量发动机的摩擦损失。RnKREI/1 测功机测功机测功测功时，电枢绕组中的时，电枢绕组中的感应电动势感应电动势E为：为：nKE1式中：式中：定子励磁绕组的磁通定子励磁绕组的磁通 K K1 1电机电动势系数电机电动势系数 nn转子转速转子转速若：电枢回路内若：电枢回路内串联负载电阻串联负载电阻R，并忽略电枢内阻，并忽略电枢内阻，则：电枢则：电枢回路流过的电流回路流过的电流为：为：RnKPRnKKIKTet/2232212制动力矩制动力矩：功率功率：改变改变和和 R R，均可以调节转矩。，均可以调节转矩。(1).负荷电阻控制方式负荷电阻控制方式 中小功率测功机用，电能不回收，消中小功率测功机用，电能不回收，消耗于耗于主调节变阻器主调节变阻器P和和负荷电阻负荷电阻RL上。上。n 测功时测功时：S2G调节：粗、细调节电阻调节：粗、细调节电阻W，V-改变改变；主调节变阻器主调节变阻器PP改变改变R R。电力测功机控制方式和特性电力测功机控制方式和特性n 倒拖时倒拖时：S2-M 调节：粗、细调节电阻调节：粗、细调节电阻W，V-改变改变；主调节变阻器主调节变阻器P 改变电枢电流。改变电枢电流。测功机工作特性测功机工作特性A最大电流线，最大电流线，maxmax，RminRminA1,A2A1,A2中间负荷线中间负荷线B最大转矩线，机械强度限最大转矩线，机械强度限C最大功率线，散热条件限最大功率线，散热条件限D最高转速线，最大离心力限最高转速线，最大离心力限E空载线，轴承、空气阻力限空载线，轴承、空气阻力限F 倒拖工作特性。倒拖工作特性。n 测功时测功机工作范围：测功时测功机工作范围：A、B、C、D、E线所围范围线所围范围n 负荷电阻控制方式的特点：负荷电阻控制方式的特点：结构简单，维护方便，价格低廉；结构简单，维护方便，价格低廉；在测功时不具备等速特性，做发动机负荷特性试验时，稳定性不太好。在测功时不具备等速特性，做发动机负荷特性试验时，稳定性不太好。测功与倒拖之间状态的改变不能连续进行。测功与倒拖之间状态的改变不能连续进行。（2）自动馈网控制方式）自动馈网控制方式 大型测功机，要将发动机大型测功机，要将发动机发出的能量回收，故采用自动馈网发出的能量回收，故采用自动馈网控制方法。控制方法。组成：组成：电力测功机电力测功机2主变流机组主变流机组3：交、直流电机：交、直流电机串联串联 励磁变流机组励磁变流机组4励磁调整电阻励磁调整电阻 工作原理：工作原理：n 测功时测功时，励磁变流机组，励磁变流机组4的交流电动机驱动直流发电机，产生励磁电流供给测功机的交流电动机驱动直流发电机，产生励磁电流供给测功机定子中的励磁绕组。发动机定子中的励磁绕组。发动机1带动测功机带动测功机2的转子旋转，测功机即为一台直流发电机的转子旋转，测功机即为一台直流发电机向主变流机组向主变流机组3的直流电机供电，直流电机作为电动机旋转，带动交流电机向电网发的直流电机供电，直流电机作为电动机旋转，带动交流电机向电网发出交流电。出交流电。n 倒拖时倒拖时，励磁变流机组，励磁变流机组4依然向励磁绕组供电，同时主变流机组依然向励磁绕组供电，同时主变流机组3的交流电机带动的交流电机带动直流电机旋转，向测功机转子电枢供给直流电，这时测功机作为直流电动机工作。直流电机旋转，向测功机转子电枢供给直流电，这时测功机作为直流电动机工作。n 改变改变励磁调整电阻励磁调整电阻的大小，调节的大小，调节励磁电流励磁电流，可以调节，可以调节测功机的负荷测功机的负荷。（二）、交流电力测功机（二）、交流电力测功机 常用的三相交流发电机组可以看作最简单的交流电力测功机。由发电机常用的三相交流发电机组可以看作最简单的交流电力测功机。由发电机的电压的电压u、电流、电流I、功率因数、功率因数cos和效率和效率可知发动机的有效功率为：可知发动机的有效功率为：RnKREI/1 如果将电机的定子外壳用轴承浮动起来，使之可以绕轴摆动，并在外壳与底座如果将电机的定子外壳用轴承浮动起来，使之可以绕轴摆动，并在外壳与底座之间安装测力机构，则可直接测量发动机转矩。之间安装测力机构，则可直接测量发动机转矩。根据电机的不同，交流电力测功机有以下三种形式：根据电机的不同，交流电力测功机有以下三种形式：三相同步电机测功机三相同步电机测功机1.同步电机转速等于旋转磁场转速。即：同步电机转速等于旋转磁场转速。即：式中：式中：n同步电机转速同步电机转速 f定子供电频率定子供电频率 z极对数极对数 当极对数当极对数z确定后，要改变确定后，要改变转速转速n，必须改变定子，必须改变定子供供电频率电频率f。然而，现在采用的变频方式多为。然而，现在采用的变频方式多为他制式他制式，其，其输输出转速出转速由系统外部的由系统外部的基准频率振荡器基准频率振荡器给定。当给定。当频率突变频率突变或者或者测功机过载测功机过载时，时，电机容易失步电机容易失步。因此必须。因此必须精确精确控制控制供电频率供电频率，避免过载避免过载，以防失步。，以防失步。三相同步电机作三相同步电机作发电机发电机运行时，只有在运行时，只有在定子供电频定子供电频率率f等于等于电网频率电网频率时，才能将电能时，才能将电能馈入电网馈入电网。这就限制了。这就限制了测功机不能再对转速进行调节。在其他转速下，测功机测功机不能再对转速进行调节。在其他转速下，测功机发出的电能必须用负荷电阻来消耗掉。发出的电能必须用负荷电阻来消耗掉。2.绕线式异步电机测功机绕线式异步电机测功机n 结构：结构：采用绕线式异步电机作为测功机。采用绕线式异步电机作为测功机。n 调速方法：调速方法：在转子电枢电路中串联可调电阻。在转子电枢电路中串联可调电阻。n 作电动机运行时的情况作电动机运行时的情况 转速转速转矩曲线转矩曲线转差率定义：转差率定义：z fn/60dRRndRRnKRKnRdRRRKvdFdTt 42422322360016 )602(22)(2式中式中:n:n0 0旋转磁场转速旋转磁场转速 nn转子转速转子转速S=1，n=n0，无转差（滑差），无转差（滑差）S=0，n=0，由转速由转速转矩曲线可见转矩曲线可见：电阻电阻R越大，曲线越软；越大，曲线越软；R改变，转矩最大值不变，但位置改变。改变，转矩最大值不变，但位置改变。绕线式异步电机测功机通过增加电枢电路中的电阻来增加转差功率绕线式异步电机测功机通过增加电枢电路中的电阻来增加转差功率损耗，使转速降低。由于损耗主要发生在电机外部，低速时电机不会损耗，使转速降低。由于损耗主要发生在电机外部，低速时电机不会过热的，但效率很低。过热的，但效率很低。n 作发电机运行时的情况作发电机运行时的情况n 发动机的发动机的转速转速高于高于电机电机同步转速同步转速时，才能发电并向电网时，才能发电并向电网反馈能量反馈能量。如果配置了如果配置了变频机组变频机组，也可在低于电机同步转速时，向电网反馈，也可在低于电机同步转速时，向电网反馈能量。能量。n 测功机在测功机在低于低于同步转速下同步转速下测功，可采用测功，可采用整流设备整流设备向向定子励磁绕组定子励磁绕组供电，用供电，用变阻器变阻器调节调节励磁电流励磁电流的大小来改变的大小来改变负荷负荷与与转速转速，此时发，此时发出的电能将全部消耗在转子电路的出的电能将全部消耗在转子电路的负荷电阻负荷电阻上。上。n 测功机在测功机在高于高于同步转速下测功，可用转子电路中串连的同步转速下测功，可用转子电路中串连的调速变阻调速变阻器器调节调节负荷与转速负荷与转速。阻值越大，以热能形式消耗于变阻器上的能。阻值越大，以热能形式消耗于变阻器上的能量越多，输给电网的能量越少，测功机的转速可越高。阻值减少量越多，输给电网的能量越少，测功机的转速可越高。阻值减少时，转速降低并趋近于同步转速，测功机发出的电能大部分馈入时，转速降低并趋近于同步转速，测功机发出的电能大部分馈入电网，少部分消耗于变阻器。电网，少部分消耗于变阻器。n 变频技术的发展将使交流电力测功机克服工作转速范围不宽的弊端。变频技术的发展将使交流电力测功机克服工作转速范围不宽的弊端。无换向器电机测功机无换向器电机测功机 无换向器电机无换向器电机是是变频调速同步电机变频调速同步电机，其，其变频方式变频方式为为自制式自制式，即，即基准频率振荡器基准频率振荡器置于置于系统内部系统内部，由电机的，由电机的转速转速和和频率频率控制，不存在他制式变频方式的失步问题。控制，不存在他制式变频方式的失步问题。特点：特点：调速特性与直流电力测功机一样，可以四象限运行（正、反转，测功、倒调速特性与直流电力测功机一样，可以四象限运行（正、反转，测功、倒拖），可用于瞬态工况测量；拖），可用于瞬态工况测量；结构简单，便于维护；结构简单，便于维护；容易制成大容量（数千容易制成大容量（数千Kw）、）、高转速（数万高转速（数万r/min)的测功机；的测功机；电能可以馈入电网；电能可以馈入电网；效率高效率高测功机测功机AVL AFA335AVL AFA335交流变频测功机交流变频测功机 测量精度高测量精度高、响应速度快、响应速度快，可模拟正负力矩可模拟正负力矩 可在发动机台架上模拟汽车道路行驶可在发动机台架上模拟汽车道路行驶 用于发动机的研究和开发用于发动机的研究和开发(kW)cos10003i uPe 四、测功机使用技术四、测功机使用技术（一）测功机选型（一）测功机选型 工作范围工作范围 能够覆盖被测机械的工作范围能够覆盖被测机械的工作范围 量程量程 实际测量尽可能在测功机量程的实际测量尽可能在测功机量程的20%80%内进行内进行 准确度准确度 符合标准和使用要求符合标准和使用要求 响应速度响应速度 快，转子的转动惯量尽可能小快，转子的转动惯量尽可能小 控制方式控制方式 向自动化发展，隔室操作向自动化发展，隔室操作（二）测功机地工作稳定性和低速制动性能（二）测功机地工作稳定性和低速制动性能工作稳定性工作稳定性1.测功机的工作稳定性测功机的工作稳定性测功机和工作机械的调节机构保持不变，输出转矩测功机和工作机械的调节机构保持不变，输出转矩与制动转矩之间的平衡被破坏时，测功机恢复原平衡状态的能力。与制动转矩之间的平衡被破坏时，测功机恢复原平衡状态的能力。Te发动机速度特性发动机速度特性 T-测功机固有特性测功机固有特性Th水力测功机固有特性水力测功机固有特性 Td交流电力测功机固有特性交流电力测功机固有特性 设在原平衡点设在原平衡点O：转速为：转速为 n，转矩，转矩 Te=Th=Td 平衡破坏后，转速升为平衡破坏后，转速升为n+n，TeTeT,T,使使 n n下降下降 恢复转矩恢复转矩 =T-Te=T-Te 可见水力测功机比直流电力测功机的恢可见水力测功机比直流电力测功机的恢复转矩大。复转矩大。n 测功机固有特性越陡，工作稳定性越好测功机固有特性越陡，工作稳定性越好n 负荷调节方式对负荷调节方式对测功机工作稳定性的影响测功机工作稳定性的影响 电压稳定容易，水压稳定较难电压稳定容易，水压稳定较难n 低速制动性能低速制动性能 低速制动性能排位：低速制动性能排位：电涡流测功机最好电涡流测功机最好直流电力测功机一般直流电力测功机一般水力测功机较差水力测功机较差（三）扩大测功机量程的方法（三）扩大测功机量程的方法n 采用组合式测功机采用组合式测功机n 需用离合器需用离合器n 采用变速器采用变速器n 需要事先测出变速器的机械效率需要事先测出变速器的机械效率（四）测量误差的产生与消除（四）测量误差的产生与消除风阻风阻减小转动件的风阻，外部冷却，冷却风不对转子产生附加力矩，计算机减小转动件的风阻，外部冷却，冷却风不对转子产生附加力矩，计算机补偿。补偿。1.外壳摆动轴承摩擦阻力外壳摆动轴承摩擦阻力 定期保养定期保养 水管、导线引起的误差水管、导线引起的误差 采用柔性管，进出水尽量指向轴心。采用柔性管，进出水尽量指向轴心。4.发动机安装发动机安装 采用弹性联轴节采用弹性联轴节 对中精度：轴线倾斜度小于对中精度：轴线倾斜度小于0.1%，跳动小于，跳动小于0.1mm（五）测功机的校正（扭矩标定）（五）测功机的校正（扭矩标定）测力机构调零测力机构调零安装校正臂安装校正臂增加砝码，直至满载，记录各点的扭矩读数增加砝码，直至满载，记录各点的扭矩读数减少砝码，直至卸载，记录各点的扭矩读数减少砝码，直至卸载，记录各点的扭矩读数卸去校正臂卸去校正臂整理数据，求校正系数，画校正曲线整理数据，求校正系数，画校正曲线