高效率電動機能效測試與不確定度評定

曾立英，蘇邦偉，甘 浩

（國家工礦電傳動車輛質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著工業(yè)化程度的提高，環(huán)境惡化加劇，節(jié)能降耗、減排和減少溫室氣體排放等問題日漸突出，已成全球普通關注的重點，影響著世界經(jīng)濟的發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中三相異步電機應用廣泛，在降低能耗的背景下，高效節(jié)能電機成全世界電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識；是我國“十三五”期間實施節(jié)能減排既定國策所重點關注的領域、更是持續(xù)提升工業(yè)能效和綠色發(fā)展水平，助推工業(yè)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容。近年來國家政策高度重視，產(chǎn)業(yè)支持力度大，電機能效水平得到很大提高，但總能效水平仍較低。對于電機的生產(chǎn)及出口大國，國家非常重視高效電動機推廣工作，電機效率的準確檢測日益重要。參照IEC標準對電動機的能效等級評定和檢驗方法進行了修訂，現(xiàn)有效標準是GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級 》及GB/T 1032-2012《三相異步電動機試驗方法》，標志著能效等級評定和測試方法均已與國際接軌。高效電動機的損耗值非常小，準確地測量電動機的損耗和效率直接影響該行業(yè)健康發(fā)展。

1 效率測試程序及注意事項

1.1 效率測試程序

電動機效率評定GB18613-2012標準規(guī)定其檢測應按GB/T 1032-2012中的B法——測量輸入和輸出功率的損耗分析法。此法不需要理論上的假定及檢測中的模擬，檢出的是電機最趨近于實際運轉各項附加損耗之和。B法測量電機的效率，關鍵是檢測負載雜散損耗PS，通過空載、熱試驗和負載試驗得到電動機定、轉子繞組損耗Pcu1、Pcu2、鐵耗 PFe、風摩耗 Pfw和負載雜散損耗 PS，依此確定電機效率，其程序如下：

（1）空載試驗：實測冷態(tài)定子繞組直流電阻、環(huán)境溫度、輸入功率P1、電壓U、電流I和頻率f、分析后確定鐵耗PFe和風摩耗 Pfw。

（2）熱試驗：保持電源電壓和頻率穩(wěn)定為額定值、實測輸入功率P1、電壓U、電流I、頻率f及輸出轉矩Ta、轉速n（即輸出功率P2），待溫升穩(wěn)定后，斷電停機，迅速測量繞組直流電阻隨時間下降的關系曲線，分析后獲得定子繞組溫升△θ及斷電瞬間電阻。

（3）負載試驗：熱試驗基礎上，從1.5倍額定輸出功率開始到0.25倍輸出功率為止，實測輸入?yún)?shù)功率P1、電流I和輸出轉矩Ta、電機轉速n（即輸出功率P2）。通過分析獲得定子繞組損耗Pcu1、轉子繞組損耗Pcu2。

（4）數(shù)據(jù)分析。按標準剩余損耗：

將PL與軸轉矩T平方的函數(shù)關系繪制成P=AT2+B曲線，對PL與T的進行線性回歸分析，消除儀表與讀數(shù)誤差，即 PS=AT2，確定了 PS。

效率計算：

1.2 B法注意事項

實現(xiàn)B法必須具備符合標準要求的電源、電量測量儀、輸出機械功率測量儀器及負載設備，為保證測試精度應注意：

（1）供電電源一定要控制在標準要求范圍內(nèi)。

（2）電量及轉速、轉矩傳感器精度至少為0.2級。

（3）測量冷態(tài)直流電阻R1C和溫度θC，應在繞組的溫度與周圍環(huán)境溫度之差不超過2K的狀態(tài)下，測量3次定子繞組電阻的平均值，且環(huán)境溫度θC應取距電機進風部位1～2m、測溫點高度為電機的1/2位置的2～3個測量點溫度的平均值。

（4）熱試驗和負載試驗時應保持電源電壓和頻率為額定值。

（5）溫升穩(wěn)定后斷電停機，測量繞組直流電阻隨時間下降的冷卻關系曲線，要求在規(guī)定時間內(nèi)準確完成，并且測量點不少于5個。

（6）安裝時，負載電機軸線與被試電機軸線保持同軸度良好并保證安全運行。

2 系統(tǒng)不確定度評定

“測量不確定度”是對測量結果質(zhì)量的定量表征，以確定測量結果的可信程度。根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示 》在整個測量過程中，影響測量結果的每個因素都將以各自的方式向最終結果傳遞，這種傳遞都必須建立相應數(shù)學模型，找出傳遞因子，合成得出最終測量結果的總不確定度。

2.1 數(shù)學模型分析

風摩耗以對約50%額定電壓至最低電壓點范圍內(nèi)的各測試點值作空載特性曲線，將恒定損耗Pcon對（u0/uN）2的直線延長至零電壓，零電壓與縱軸上的截距。

鐵耗以對60%額定電壓和125%額定電壓之間的各電壓點，作PFe=Pcon-Pfw對u0/uN的關系曲線，不同負載時的鐵耗，根據(jù)電壓u0/uN在曲線上求得，空載額定電壓鐵耗以ub=uN確定。

再將剩余損耗PL對軸轉矩T2進行線性回歸分析，得直線斜率A，則PS=AT2。

以上公式中：P1—輸入功率；P2—輸出功率；P0—空載輸入功率；PST—視在功率；Pmech—軸功率；T—軸轉矩；Pocu1—空載定子銅耗；ΣP—總損耗 ΣP；η—效率；PFe—鐵耗；Pfw—風摩耗；θS—規(guī)定溫度；Pcu1—定子銅耗 （Pcu1s定子在規(guī)定溫度（θS）下的損耗）；Pcu2——轉子銅耗（Pcu2s轉子在規(guī)定溫度（θs）下的 損耗）；PS—負載雜散損耗；Pcon—恒定損耗；PL—剩余損耗；SS—規(guī)定溫度下（θs）轉差率；I1—定子電流；R1—定子繞組冷態(tài)電阻；ns—同步轉速。

以YE2-100L-4 3kW 1410r/min三相異步電機為例，作效率不確定度評定。

2.2 重復性測量的A類不確定度

在相同的試驗條件下（相同試驗程序、人員、檢測設備及地點），環(huán)境溫度16.5℃，相對濕度58%RH，分別對同一臺電機進行效率測量試驗，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Measurement data records

按JJF 1059-2012中貝塞爾公式得：

2.3 B類標準不確定度

B類不確定度直接測量法和間接測量。

電動機實際輸出功率采用測量輸入輸出功率的損耗分析法。

輸入功率P1為直接測量，其不確定度由電參數(shù)儀決定，采用橫河WP1800的電參數(shù)儀。根據(jù)其校準證書Urel（P1）=0.2%，K=2，所以由計量標準引入的不確定度分量為：

urel（Pcu1）為定子銅耗的相對合成B類不確定度：

urel（I）產(chǎn)生影響的是WP1800的電參數(shù)儀，查閱其校準證書，電流 Urel（I）=0.08%，K=2，所以由設備計量引入的不確定度分量為

urel（R）產(chǎn)生影響的是電阻測量儀，本試驗采用PC36C直流電阻測量儀，查閱其校準證書，不確定Urel（R）=0.03%，K=2，因此該設備計量校準引入的不確定度分量

urel（Pcu2）為轉子銅耗的相對合成B類不確定度

由于 Pcu2＝（P1－Pcu1－PFe），設定 PD=P1－Pcu1－PFe，則

其中：Pcu1=112.13，PD=3413.83，P1=3665.1，PFe=139.14，urel（P1）=0.1%，urel（Pcu1）=0.081%，urel（Pst）為轉差率相對合成B類不確定度，以電機實際轉速不確定度計，該試驗采用轉速傳感器。依據(jù)校準證書，un=0.1%，K=2。

由計量校準所引入的不確定度分量為：

urel（Pp0′）為電動機鐵耗和風摩耗的相對B類不確定度。

其中：Pp0′=PFe+Pfw=139.14+20.26=159.39，P0=201.2，Pocu1=39.22

urel（P0）電功率分析儀綜合標準不確定度計為0.10%

urel（Pocu1）由空載時電流示值及電阻值綜合標準不確定度計0.081%。

PS由線性回歸分析法確定。取決于P1軸功率Pmech、Pfw、PFe、Pcu1、Pcu2及相關系數(shù)，實際回歸數(shù)據(jù)，剩余損耗 PL＝AT2＋B、PL－B 與轉矩的平方成正比。

轉矩測量儀精度： urel（T）＝0.1%

按置信度95%置信因子K=1.96

采用損耗分析法，P2的相對合成B類不確定度為：

測量效率的相對B類不確定度urel1（η）為輸入功率P1、輸出功率P2相對不確定度的合成：

三相異步電機效率的擴展不確定度。

型號為YE2－100L－4 3kW異步電機效率測量的合成不確定度 urel1（η）為：

則擴展不確定度為：Urel（η）=2urel（η）=0.32%，K=2

3 結束語

目前世界上先進國家對電機效率低不確定度的測試方法及測試系統(tǒng)已發(fā)展成熟，運行良好，我國在能效測試標準上已與IEC一致，能效評定上要求采用三相異步電機效率測試方法B法測量輸入和輸出功率的損耗分析法，該方法要求儀器、設備精度高，穩(wěn)定性好，人員操作、分析水平也要求較高，本文介紹了B法測試方法、操作注意事項，分析了影響效率測試準確的因素，同時，通過YE2－100L－4 3kW三相異步電機對我測試系統(tǒng)進行了不確定度評定，從而得到比較符合實際的電機效率，對電機能效評級及節(jié)能設計提供了比較可靠的依據(jù)。