三相異步電動(dòng)機(jī)能效的不確定度評(píng)定

鞏銳 陳峰

摘 要：能效是三相異步電動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)，能效測(cè)試是確定電機(jī)能效等級(jí)的前提。不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，對(duì)電機(jī)能效測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定具有重要意義。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)；能效測(cè)試；不確定度評(píng)定

1 引言

研發(fā)高效率電動(dòng)機(jī)，能效測(cè)試是關(guān)鍵一環(huán)。IEC60034-30規(guī)定對(duì)高效、超高效電機(jī)的效率測(cè)試方法必須采用低不確定度的方法。所謂“測(cè)量不確定度”是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，以確定測(cè)量結(jié)果的可信程度。測(cè)量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小，所以測(cè)量結(jié)果必須附有不確定度說明。

本文以某電機(jī)為例，對(duì)基于B法（輸入輸出損耗分析法）的三相異步電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試結(jié)果進(jìn)行測(cè)量不確定度分析。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試

利用江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院（國(guó)家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）研制的三相異步電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)某企業(yè)制造的一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行能效測(cè)試。該電機(jī)的參數(shù)如下：額定功率PN=3.0kW；額定電壓UN=380VAC；額定電流IN=6.0A；額定轉(zhuǎn)速ne=1450r/分鐘；額定頻率f=50Hz；極數(shù)2p=4；接線形式Y(jié)；絕緣等級(jí)F級(jí)；工作制S1；防護(hù)等級(jí)IP54。

符號(hào)說明：P1為輸入功率（W）；P0為空載輸入功率（W）；P2為輸出功率（W）；PFe為鐵耗（W）；Pfw為風(fēng)摩耗（W）；PS為負(fù)載雜散損耗（W）；P0culs為空載定子I02R0損耗（W）；Pculs為規(guī)定溫度下定子繞組I2R損耗（W）；Pcu2s為規(guī)定溫度下轉(zhuǎn)子繞組I2R損耗（W）；PT為總損耗（W）；η為效率；k為包含因子，本文取P=2。

采用B法（測(cè)量輸入和輸出功率的損耗分析法）測(cè)量電機(jī)效率。試驗(yàn)測(cè)得：P1=2664.4W，P0=176.9W，P2=2200W，P0culs=38.9W，Pcu1s=164.6W，Pcu2s=143.7W，PS=18.1W，Pfw=37.6W，PFe=100.4W。為簡(jiǎn)便起見，除特別說明外，以下各式中相同變量的含義與前文一致。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

在能效測(cè)試中，被測(cè)量的各個(gè)參數(shù)有的可以通過儀表直接測(cè)量，有的為間接測(cè)量，直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N情況下的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成方法如下：

（1）直接測(cè)量參數(shù)的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度用其相關(guān)影響因素

的單項(xiàng)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的“方和根”法合成，即，其中，u（x）為B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；uxi為各參數(shù)相關(guān)因素的單項(xiàng)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度；n為相關(guān)因素?cái)?shù)。

（2）間接測(cè)量參數(shù)u（y）的B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度符合

“不確定度傳播律”：，其中，u（xi）為直接測(cè)量參數(shù)的B類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

綜合（1）、（2）得到B類合成相對(duì)不確定度uref（y）的計(jì)

算公式：，其中，為間接測(cè)量參數(shù)，是多個(gè)直接測(cè)量參數(shù)的函數(shù)；uref（xj）為直接測(cè)量參數(shù)的B類合成相對(duì)不確定度。

（3）根據(jù)，

（4）uref（P1）為輸入功率P1的B類合成相對(duì)不確定度，由于P1是直接測(cè)量得到，其不確定度是由電參數(shù)儀決定，此次試驗(yàn)采用的是YOKOGAWA的WT1800的電參數(shù)儀，根據(jù)其校準(zhǔn)證書，其不確定度為0.2%，k=2，所以由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量為0.1%。由于采用電流互感器，儀器在（380×10）W時(shí)為0.04%，則功率計(jì)不確定度uref（P1）=0.11%。

（5）定子I2R損耗的B類合成相對(duì)不確定度為

根據(jù)WT1800校準(zhǔn)證書上，電流不確定度0.08%，k=2，所以由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量為0.04%；此次測(cè)量電流<5A，由證書標(biāo)準(zhǔn)值4A，1路示值3.9998A，2路示值3.9999A，3路示值3.9979A，則儀器測(cè)量不確定度分量為0.02%，電參數(shù)測(cè)量電流時(shí)不確定度為0.04%。

對(duì)uref（R）產(chǎn)生影響的是電阻儀，此次試驗(yàn)采用的是杭州威格電子科技有限公司生產(chǎn)的直流低電阻測(cè)試儀，根據(jù)其校準(zhǔn)證書，其不確定度為0.1%，k=2，所以由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量為0.05%。由證書輸入值10.00?，示值10.001?，則儀器引入的不確定度分量為0.01%，所以電阻測(cè)試儀不確定度為0.05%。由此可得到：

（6）轉(zhuǎn)子I2R損耗的B類合成相對(duì)不確定度uref（Pcu2s）為：

其中，=2399.4W。uref（Pst）為轉(zhuǎn)差率的B類合成相對(duì)不確定度，按電機(jī)轉(zhuǎn)速不確定度計(jì)算，此次試驗(yàn)采用的是HBM的50Nm轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，由于此次測(cè)得轉(zhuǎn)速>1000r/分鐘，根據(jù)其校準(zhǔn)證書，其不確定度為0.03%，k=2，所以由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所引入的不確定度分量為0.015%。

（7）定義，uref（P0）為電動(dòng)機(jī)鐵耗和風(fēng)摩耗的B類合成相對(duì)不確定度，uref（P0cu1s）為空載定子I02R0損耗的B類合成相對(duì)不確定度，且，從而可得：

（8）求取電動(dòng)機(jī)雜散損耗的B類合成相對(duì)不確定度uref（Ps）。此次試驗(yàn)采用的是HBM的50Nm轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，根據(jù)其校準(zhǔn)證書，其不確定度為0.14%，k=2，所以由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量為0.07%。由于此次測(cè)得轉(zhuǎn)矩<10Nm，由證書輸入值10.00Nm，示值10.008Nm，則儀器的引入不確定度分量為0.08%，所以。最終可得：

此臺(tái)電機(jī)效率測(cè)量的B類相對(duì)不確定度為

電機(jī)效率測(cè)量的B類相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

4 小結(jié)

本文對(duì)某電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定評(píng)定，對(duì)影響電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試結(jié)果的每一個(gè)因素逐一建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并以各自的方式向最終能效測(cè)試結(jié)果傳遞，按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行分析計(jì)算，給出了詳細(xì)的能效不確定度評(píng)定過程。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 18613-2012 中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2012.

[2]倪育才.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2014.

（作者單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院）