電機(jī)效率測試技術(shù)的研究

張 昊， 殷 強(qiáng)， 馬冬梅

(南車株洲電機(jī)有限公司技術(shù)中心，湖南株洲 412000)

0 引言

電機(jī)效率的精確測定已成為發(fā)展高效電機(jī)的關(guān)鍵。本文分析比較了主流的電機(jī)效率測定試驗方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種三相異步電機(jī)效率測試系統(tǒng)，滿足不同效率測定方法和型式試驗的要求。

1 效率測定試驗方法

從電機(jī)的基礎(chǔ)理論中可知，電機(jī)的效率高低實際上取決于其自身運行過程中的損耗，損耗越高，效率越低。從某種意義上說，效率的精確測量就是損耗的精確測量。在電機(jī)運行的各種損耗當(dāng)中，定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、風(fēng)摩耗都是比較容易測得的，而且精度也可以得到保證，唯一有難度的就是雜散損耗的測量。

三相異步電機(jī)的負(fù)載雜散損耗的測試方法分為間接測量法、直接測量法和推薦值法。間接測量法(輸入－輸出法、回饋法)通過測量電機(jī)總的損耗，減去鐵耗、風(fēng)摩耗及定、轉(zhuǎn)子銅耗后，所余下的值即為負(fù)載雜散損耗。直接測量法將負(fù)載雜散損耗分為基頻雜散損耗和高頻雜散損耗兩部分，通過抽轉(zhuǎn)子試驗測得基頻雜散損耗，以及通過外部驅(qū)動設(shè)備使被試電機(jī)反轉(zhuǎn)測得高頻雜散損耗。推薦值法根據(jù)電機(jī)輸出功率的大小分段，每一段的雜散損耗值與額定輸入或輸出功率的比值恒定。

各國對三相異步電機(jī)大都采用測量各損耗分量，從而求取效率的損耗分析法，但在具體方法上并不統(tǒng)一。目前，電機(jī)效率的確定方法主要有輸入－輸出損耗分析法、假定負(fù)載雜散損耗為0.5 P1(輸入功率)的損耗分析法、回饋法、圓圖法、等值電路法等。

電機(jī)效率隨試驗方法的不同有較大不同，引起差異的原因主要有如下三點:(1)由于實際負(fù)荷(輸入－輸出損耗分析法、損耗分析法、回饋法)或等值電路法(包括圓圖法)的不同造成效率的不同;(2)由于處理雜散損耗方法不同而效率不同;(3)基準(zhǔn)溫度選擇的不同。

輸入－輸出損耗分析法(IEEE 112B)是對電機(jī)進(jìn)行效率認(rèn)證時，推薦采用的一種效率測試方法。輸入－輸出法需要能直接測定電機(jī)輸出功率(或轉(zhuǎn)矩)的設(shè)備，負(fù)載雜散損耗間接測量并通過線性回歸確定。假定負(fù)載雜散損耗為0.5%P1(輸入功率)的損耗分析法在無法直接測得輸出功率(或轉(zhuǎn)矩)的情況下，通過測定電機(jī)的輸入功率，由輸入功率減去總損耗即為輸出功率。負(fù)載雜散損耗假定為輸入功率的0.5%?；仞伔▽膳_相同電機(jī)用聯(lián)軸器機(jī)械連接進(jìn)行負(fù)載試驗，規(guī)定負(fù)載雜散損耗通過電動態(tài)負(fù)載試驗和發(fā)電態(tài)負(fù)載試驗平均并線性回歸確定。圓圖法是根據(jù)空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)，利用圓圖求取電機(jī)效率和其他特性數(shù)據(jù)。圓圖法不需要進(jìn)行負(fù)載試驗，負(fù)載雜散損耗一般通過推薦值法確定。等值電路法是改進(jìn)的圓圖法，根據(jù)電機(jī)空載和堵轉(zhuǎn)試驗、低頻堵轉(zhuǎn)試驗的數(shù)據(jù)，利用電機(jī)的等效電路中有關(guān)參數(shù)的關(guān)系來間接求取電機(jī)效率和其他特性數(shù)據(jù)的方法。等值電路法不需要進(jìn)行負(fù)載試驗，負(fù)載雜散損耗一般通過推薦值法確定。

不同試驗方法的比較如表1所示。

2 效率試驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

由表1可知，不同效率測定方法的試驗項目不盡相同。南車株洲電機(jī)有限公司技術(shù)中心新建電機(jī)綜合型式試驗系統(tǒng)，滿足了大中型三相異步電機(jī)效率試驗和型式試驗的需要。

表1 不同試驗方法的比較

2.1 系統(tǒng)總體要求

由表1可知，不同效率測定方法的試驗項目主要有空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、低頻堵轉(zhuǎn)試驗、額定負(fù)載熱試驗和負(fù)載特性試驗。

試驗系統(tǒng)要求能進(jìn)行空載、堵轉(zhuǎn)試驗，一般可通過調(diào)壓器和變壓器實現(xiàn)，但只適用于50 Hz的三相異步電機(jī)，不能滿足60 Hz NEMA電機(jī)的試驗要求。等值電路法要求進(jìn)行1/4頻率低頻堵轉(zhuǎn)試驗，因此需要采用頻率可以調(diào)節(jié)的試驗變頻器。

電機(jī)進(jìn)行額定負(fù)載熱試驗和負(fù)載特性試驗需要給電機(jī)加機(jī)械負(fù)載。目前用于電機(jī)試驗的負(fù)載設(shè)備主要包括直流電機(jī)、測功機(jī)、由交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)化成的交流發(fā)電機(jī)等。后一種方法用一臺陪試電機(jī)與被試電機(jī)用聯(lián)軸器相聯(lián)結(jié)，被試電機(jī)接額定頻率電源，陪試電機(jī)接可變頻率的電源，試驗中陪試電機(jī)以異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)運行，與前兩種方法相比具有能源消耗小、對中簡單等優(yōu)點，此方法需要一套變頻電源或其他形式的回饋電源設(shè)備。

異步電機(jī)的熱試驗分為直接負(fù)載法和等效負(fù)載法。隨著異步電機(jī)容量的提高和型式的增多，越來越多的異步電機(jī)產(chǎn)品無法進(jìn)行直接負(fù)載法溫升試驗。等效負(fù)載法中最常用的就是疊頻法。疊頻法做異步電機(jī)溫升時不需要進(jìn)行機(jī)械連接，可以減少對組裝配的時間，目前仍然被廣大電機(jī)制造廠家使用。試驗系統(tǒng)要求能進(jìn)行疊頻溫升試驗，滿足異步電機(jī)型式試驗的要求。

測控系統(tǒng)要實現(xiàn)主回路各開關(guān)、輔助系統(tǒng)的自動控制，并測量電機(jī)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，確保數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性、抗干擾性、可靠性，降低安裝、維護(hù)、擴(kuò)充條件和難度。

2.2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由通用型高壓變頻器U1、四象限高壓變頻器U2、調(diào)壓器和試驗變壓器、測量接線柜等組成，如圖1所示。工頻10 kV分成三路電源:第一路輸出接入調(diào)壓器的上端，經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入試驗變壓器和測量接線柜;第二路輸出接入通用高壓變頻器U1的上端，作為變頻器U1的供電電源;第三路輸出接入四象限高壓變頻器U2的供電電源。調(diào)壓器和試驗變壓器滿足50 Hz電機(jī)空載和堵轉(zhuǎn)試驗的要求。試驗變壓器安裝無勵磁分接開關(guān)，通過改變變壓器的匝數(shù)比實現(xiàn)多檔位二次電壓輸出。

U1和U2均為串聯(lián)型多電平高壓變頻器。它主要由輸入移相變壓器、功率單元和控制單元組成。采用模塊化設(shè)計，由于采用功率單元相互串聯(lián)的方式，解決了高壓輸出的問題。

U1和U2都可以發(fā)出正弦波三相電作為三相電源使用，滿足60 Hz電機(jī)空載和堵轉(zhuǎn)試驗的需要，同時可以進(jìn)行低頻堵轉(zhuǎn)試驗。

圖1 效率試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

U2還可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)的頻率，把負(fù)載電機(jī)發(fā)出的電回饋到電網(wǎng)。被試電機(jī)與陪試電機(jī)用聯(lián)軸器對軸聯(lián)結(jié)。被試電機(jī)通過調(diào)壓器由電網(wǎng)供電(50 Hz)或通用高壓變頻器U1(60 Hz)供電;陪試電機(jī)由低于它本身額定頻率的四象限高壓變頻器U2供電，調(diào)節(jié)變頻電源U2的輸出頻率，則可達(dá)到調(diào)節(jié)被試電機(jī)輸出功率的目的。該頻率越低，被試電機(jī)輸出功率越大。

2.3 疊頻熱試驗

疊頻法通過利用異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量起到增加電機(jī)電流的效果。當(dāng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速低于定子磁場同步轉(zhuǎn)速時，其感應(yīng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速同向，電機(jī)工作于電動狀態(tài)，而當(dāng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速高于定子磁場同步轉(zhuǎn)速時，感應(yīng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，起制動作用，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。如果能使定子磁場的同步轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，也就可以讓電機(jī)交替工作于電動和發(fā)電兩種狀態(tài)。這時轉(zhuǎn)子頻繁加減速運動，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，可以在電機(jī)繞組中引起電流。從電機(jī)損耗的觀點考慮，電機(jī)此時工作于一個等效的機(jī)械負(fù)載下。

傳統(tǒng)的疊頻法采用兩套發(fā)電機(jī)組構(gòu)成主副機(jī)組，將兩套機(jī)組的輸出疊加后供給被試電機(jī)。主機(jī)組工作在額定電壓和頻率下，通過調(diào)節(jié)副機(jī)組的電壓和頻率使被試電機(jī)工作在額定電流下，從而考核溫升。由于電機(jī)功率不斷提高，傳統(tǒng)疊頻法電源機(jī)組的電壓和容量要與被試電機(jī)相當(dāng)，這對于大電機(jī)制造廠來說可以實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)和微處理技術(shù)的進(jìn)步，使得用基于電力電子技術(shù)的靜止變頻電源替代發(fā)電機(jī)組作為等效溫升試驗電源成為可能。

南車株洲電機(jī)有限公司技術(shù)中心采用專用靜止變頻電源完成疊頻試驗，高壓變頻器U1和U2均具有疊頻熱試驗功能。靜止變頻電源疊頻溫升試驗系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。靜止變頻電源通過設(shè)定的疊頻參數(shù)(主副電壓和頻率)使用DSP作為運算控制器件，計算出疊頻試驗用電壓，將相關(guān)參數(shù)作為PWM的調(diào)制波參數(shù)，經(jīng)與三角波載波參數(shù)進(jìn)行比較運算，得到三相逆變橋的觸發(fā)信號。用產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖控制逆變橋的通斷生成疊頻電壓波形。

2.4 測控系統(tǒng)的實現(xiàn)

測控系統(tǒng)由控制計算機(jī)和測量計算機(jī)及相應(yīng)的測控單元組成。由于測控設(shè)備接口類型多樣，本系統(tǒng)設(shè)計了一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)滿足控制和測量的要求，該網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、串口485總線、Profibus現(xiàn)場總線，如圖3所示。系統(tǒng)的主干網(wǎng)為以太網(wǎng)，主干網(wǎng)上的設(shè)備有控制計算機(jī)、測量計算機(jī)、控制服務(wù)器、主PLC、功率分析儀等。

控制計算機(jī)通信的設(shè)備主要有高壓變頻器U1、U2，控制服務(wù)器，主PLC?？刂朴嬎銠C(jī)通過串口485總線實現(xiàn)對高壓變頻器U1和U2的控制?？刂品?wù)器通過串口485與高壓主回路開關(guān)柜中的綜保裝置通信，實現(xiàn)對斷路器KM1～KM6的控制。主PLC為西門子S7－300，主PLC通過Profibus現(xiàn)場總線與油系統(tǒng)、水系統(tǒng)的從PLC、低壓配電系統(tǒng)的ET200通信，實現(xiàn)對油系統(tǒng)、水系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)的控制。

測量計算機(jī)采集和處理接線柜中的功率分析儀、溫度巡檢儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的數(shù)據(jù)。

圖2 靜止變頻電源溫升試驗系統(tǒng)功能框圖

圖3 測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 試驗實例

通過南車株洲電機(jī)有限公司的NEMA5812電機(jī)驗證各效率測試方法和效率測試系統(tǒng)。

NEMA5812電機(jī)的額定電壓為4 160 V，額定電流為178 A，額定功率為1 118.55 kW，額定頻率為60 Hz，效率為95.3%。分別使用輸入－輸出損耗分析法、假定負(fù)載雜散損耗為0.5P1(輸入功率)的損耗分析法、回饋法、圓圖法、等值電路法確定電機(jī)效率。試驗結(jié)果如表2所示。

從效率測定結(jié)果可以看出，不同試驗方法的效率測定精度從高到低依次為輸入－輸出損耗分析法、回饋法、等值電路法、假定負(fù)載雜散損耗為0.5P1(輸入功率)的損耗分析法、圓圖法。

4 結(jié) 語

本文對三相異步電機(jī)目前主流的效率測定技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)不同試驗方法的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了電機(jī)效率試驗系統(tǒng)，滿足電機(jī)效率測定和型式試驗的要求，比較了不同試驗方法的效率測定結(jié)果。目前該系統(tǒng)在南車株洲電機(jī)有限公司已投入使用。

表2 不同試驗方法效率測定結(jié)果

［1］GB/T 1032—2005 三相異步電動機(jī)試驗方法［S］.

［2］才學(xué)剛.電機(jī)試驗技術(shù)及設(shè)備手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］顧德軍.不同測試方法對電動機(jī)效率的影響［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(5):52-55.

［4］秦和.電動機(jī)效率測定方法的進(jìn)展［J］.中小型電機(jī)，2004，31(1):65-74.