淺談電機能效標準及其測試技術(shù)

趙萬星，王剛，王友建，羅林聰，廖喆明

（ 重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401123 ）

淺談電機能效標準及其測試技術(shù)

趙萬星，王剛，王友建，羅林聰，廖喆明

（ 重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401123 ）

基于電機能效標準的發(fā)展，介紹電機能效測試方法和技術(shù)特點。指出電機能效標準的不斷發(fā)展對測試技術(shù)提出的要求，而計算機和傳感器技術(shù)的發(fā)展促進了測試手段的完善，推動了電機能效標準的提高。充分認識電機能效標準和測試技術(shù)的發(fā)展，對電機生產(chǎn)和應用具有指導意義。

電機能效；電機能效標準；能效測試

0 引言

電動機（以下簡稱“電機”，主要指三相異步電動機）自19世紀奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象而誕生以來，至今已近200年，其技術(shù)已經(jīng)相當成熟。作為將電磁能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，理想電機并不消耗能量。然而，在實際過程中，各種能量轉(zhuǎn)換帶來的損耗造成的電機效率問題，成為工業(yè)節(jié)能的關(guān)鍵。

1 概述

據(jù)統(tǒng)計，我國電機裝機容量已超過4億kW，其耗電量占總用電量的60%，占工業(yè)總用電量的80%。電機應用中普遍存在運行效率低下，高效電機占有率不高的特點。在國家實施“節(jié)能減排”戰(zhàn)略，加快工業(yè)設(shè)備升級換代，提高生產(chǎn)效率等政策形勢下，推廣高效電機、提升電機能效、開展電機能效檢測成為當前電機節(jié)能的主要方向。了解和掌握國內(nèi)外電機能效標準及其發(fā)展是開展電機節(jié)能的前提。

2 相關(guān)標準

2.1 美國中小型電機能效標準

能效標準產(chǎn)生的背景來源于上世紀70年代世界性能源危機。當時，持續(xù)三年的石油危機爆發(fā)后，造成極度依賴進口能源的美國發(fā)生了二戰(zhàn)后最嚴重的經(jīng)濟危機，其工業(yè)生產(chǎn)下降了14個百分點，對國民經(jīng)濟和社會穩(wěn)定造成極大沖擊。從那以后，美國不得不考慮從國家層面開展節(jié)能行動。

1992年美國國會通過了《能源政策法案》（Energy Policy Act）。該法案規(guī)定了一系列用能產(chǎn)品的能效要求，包括電機，也被電機行業(yè)稱作“EPACT”標準。該標準規(guī)定自1997年10月24 日起，凡是出廠電機、從國外進口的、安裝在成套設(shè)備上的一般用途的電機，必須滿足EPACT 標準。標準從1992年制定到1997年實施，給了電機生產(chǎn)廠家近五年的緩沖期。

在此基礎(chǔ)上，2001年美國能源效率聯(lián)盟(CEE)與美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)聯(lián)合制定的超高效率電機標準，稱為NEMA Premium標準，是北美地區(qū)的主要電氣標準規(guī)范。該標準的啟動性能要求與EPACT一致，其效率指標基本上發(fā)映了當時美國市場上超高效率電機的平均水平，較EPACT指標提高了1%～3%，損耗較EPACT指標下降了15%～20%。

在電機能效測試方面，美國能源部于1999年10月5日公布了有關(guān)工業(yè)及特定商用電氣產(chǎn)品和設(shè)備能效試驗程序、標志和認證要求的最終規(guī)則，即10CFR Part431，其中包括電機部分的內(nèi)容在Subpart B、Subpart U和Subpart X三個部分，于1999年11月4日生效。向美國出口的電機必須符合該規(guī)則的要求。測試效率的試驗方法必須按該規(guī)則規(guī)定的統(tǒng)一試驗IEEE112(B)法或者CSA標準C390-93試驗方法。出口美國的電機產(chǎn)品必須經(jīng)NIST/ NVLAP認可的實驗室檢測合格后方能進入美國市場。

2.2 歐盟電機能效政策和標準

歐盟開始電機節(jié)能大約始于上世紀90年代。1999年，歐盟交通能源局與“歐洲電機和電力電子制造商協(xié)會”(CEMEP)制定的電機能效標準(簡稱EU-CEMEP協(xié)議)是歐盟的第一個自愿性電機能效標準。該協(xié)議將電機能效水平分為三級，即eff3—低效率(Low efficiency)電機，eff2—改善(Improved efficiency)電機，eff1—高效率(High efficiency)電機，并計劃在2006年后，禁止銷售和生產(chǎn)eff3級電機。該協(xié)議規(guī)定了在銘牌和樣品說明書上的能效等級標識和數(shù)值標注，以便于用戶選用和識別。目前自愿參加的公司包括ABB、西門子、英國BrookCrompton、Leroy-Somer等國際知名電機制造公司， 覆蓋了歐洲80%的產(chǎn)量。隨著新標準EN 60034-30：2009的施行，舊的eff1，eff2將被IE標準所替代。

2003年，歐委會發(fā)出了《建立耗能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計框架》指令草案，屬強制性，該草案準備在歐共體層面對耗能產(chǎn)品實施生態(tài)設(shè)計管理（ECO）。2005年歐洲議會和理事會正式發(fā)布了2005/32/EC指令（簡稱“EuP 指令”），規(guī)定了工作計劃和EuP指令所涉及的產(chǎn)品清單。電機、泵、風扇被列為EuP第11類產(chǎn)品。歐盟在2008年5月召開了EuP指令第7次會議，對EuP執(zhí)行措施草案進行討論；2009年7月正式出臺了歐盟電機生態(tài)設(shè)計指令EC No.640-2009。執(zhí)行方案分三步：一是自2011年6月16日，電機能效不得少于IE2；二是自2015年1月1日起，額定功率為7.5kW～200kW的電機，其最小能耗應達到標準規(guī)定的效率3水平；三是從2017年1月1日開始，額定輸出功率為0.75kW ～375kW的電機效率水平不得少于IE3，或至少滿足IE2效率水平；另外規(guī)定，自2011年1月1日起，銘牌和出廠產(chǎn)品文件應標示滿載效率和能效等級。在電機能效測試方面，EN 60034-2-1：2007取代了EN 60034-2：1996，修訂低電壓三相異步電動機能效測量方法，提高了在規(guī)定實驗室條件下的測試精度。

此外，歐洲各國對高效電機推廣還有額外補貼政策。如丹麥對用戶購置效率高于最低標準的電機，能源署對新購置電機或更換老電機補貼100或250克郎/kW；荷蘭則除了補貼外，還給予稅收優(yōu)惠；英國則通過減免氣候變化稅和實施“提高投資補貼計劃”來促進高效率電機等節(jié)能產(chǎn)品的市場轉(zhuǎn)化，政府還組織實施一系列市場轉(zhuǎn)化計劃，包括媒體、網(wǎng)絡(luò)推廣節(jié)能產(chǎn)品，提供節(jié)能產(chǎn)品的信息、節(jié)能方案和設(shè)計方法等。

2.3 中國電機能效政策和標準

我國從上世紀90年代后期開始， 將電機作為重要的用能產(chǎn)品列入節(jié)能產(chǎn)品認證。2002年國家質(zhì)檢總局批準發(fā)布第一版的GB 18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值和節(jié)能評價值》，2006年做了修改，2012發(fā)布了第三版，即現(xiàn)行的GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》。該標準參考了歐盟EU-CEMEP協(xié)議、澳大利亞與新西蘭AS/NZS1359.5等同類標準，部分采用了歐洲eff1和eff2效率標準， 能效2級為正在執(zhí)行的能效限定值，能效3級值在該標準實施之日4年后開始執(zhí)行。目前，GB 18613對中小型三相異步電動機效率規(guī)定了3個等級，分別是3級（能效限定值）、2級（目標能效限定值）和1級（節(jié)能評價值），1級相當于IEC 60034-31：2010的超超高效指標，2級相當于IE3，3級相當于IE2，前兩項是強制性指標，后一項為推薦性指標。

GB 18613—2012新標準的實施，提升了我國三相異步電動機系列產(chǎn)品的效率水平，目前還在大批量生產(chǎn)的Y、Y2、Y3系列三相異步電動機應立即停止生產(chǎn)，由符合新國標GB 18613-2012能效3級標準的YE2和YX3等系列產(chǎn)品和符合新國標GB 18613－2012能效2級標準的YE3系列等產(chǎn)品來替代。YE2、YE3系列產(chǎn)品等已成為中小型三相異步電動機的主導產(chǎn)品。

2.4 其它國際或國家能效標準

加拿大在1991年由加拿大標準協(xié)會與加拿大電機行業(yè)協(xié)會共同制訂了推薦性電機最低能效標準。1992年加拿大議會通過了能源效率法令(EEACT)，法案包括了電機的最低能效標準，其電機效率指標和美國EPACT指標相同；該法案在2010年做了一次修改。

澳大利亞于1999年開始針對家用電器和工業(yè)設(shè)備實施強制性能效標準計劃(Mandatory energy efficiency performance standards)或稱MEPS計劃， 由澳大利亞政府下屬溫室氣體辦公室和澳大利亞標準委員會管理，電機也在管理范圍內(nèi)。電機強制性標準于2001年10月批準生效， 標準號為AS/NZS 1359.5。澳洲和新西蘭生產(chǎn)和進口的電機均需達到或超過此標準所規(guī)定的最低效率指標。該標準對應的試驗有2種：一套為方法A的指標， 對應于美國IEEE 112-B方法；另一套為B方法的指標，對應于IEC 34-2，其指標數(shù)值與歐盟EUCEMEP的Eff2基本相同。該標準除規(guī)定了強制性的最低標準外，還規(guī)定了高效率電機指標，為推薦性標準，并鼓勵用戶采用。其數(shù)值與歐盟EU-CEMEP的Eff1及美國的EPACT相近。

墨西哥于1997年制訂了標準(NOM-016 -ENER-1997)，其效率指標值與美國早期的高效率電機指標，即NEMA12-9標準相同。2002年與美國簽定自由貿(mào)易協(xié)定后，該標準進行了修訂，現(xiàn)標準為NOM-016-ENER-2002，從2003年3月開始生效執(zhí)行。墨西哥標準效率指標與美國EPACT相同，但范圍較美國EPACT有所擴大，功率從0.746kW～373kW(即1500HP)，安裝方式除臥式外，還包括立式電機。巴西的電動機最低能效標準仍保持與NEMA12-9相同，略低于美國EPACT指標。巴西、墨西哥的單相電機實施自愿性標簽計劃。

伊朗對電機能效有較嚴格的控制政策。伊朗海關(guān)規(guī)定從2009年7月1日起，出口伊朗的電機必須加貼能效標識后才能通關(guān)。伊朗電機能效標準ISIRI 7966，按A、B、C、D、E進行5級分類，A級為能效的最高級， E級最低，現(xiàn)階段在伊朗國內(nèi)銷售的電機能效限值為B級。進口商憑出口企業(yè)的能效標識到伊朗海關(guān)進行備案， 有備案的貨物才能通關(guān)。

作為世界上最早和最權(quán)威的國際性電工標準機構(gòu)，IEC（國際電工委員會）將電機標準納入TC2（技術(shù)委員會），TC2也是IEC的第一個產(chǎn)品委員會，原名為“第2顧問委員會-電機規(guī)范”。為協(xié)調(diào)各國電機能效分級標準，IEC/TC2在2006年成立了一個新的工作組，開展電機能效標準制定的相關(guān)工作。2008年，IEC/TC2發(fā)布了第一版IEC 60034-30《單級、三相、鼠籠式感應電動機效率分級標準（IE代碼）》。目前，IEC已經(jīng)更新到2014版的IEC 60034-30-1和2016版的IEC 60034-30-2，分別針對單級和變速電機的能效。

3 能效測試技術(shù)及發(fā)展

3.1 電機能效測試標準

在電機能效測試方面，各國大多采用基于測量各損耗分量進而求取效率的損耗分析法，但在具體方法上很難統(tǒng)一。比如美國采用IEEE 112B標準，歐洲采用IEC 60034-2，日本采用JEC 37，澳大利亞采用IEC 61972。IEEE 112-B采用了測功機測定各損耗分量之和的效率間接測定法，這是一種直接測量電機載荷以及輸出功率的方法，即電機負載的附加損耗是通過實測得出來的。IEC 60034-2是假定雜耗為0.5%輸入功率的效率間接測定法；IEC 61972類似于IEEE 112-B。

我國的GB/T 1032《三相異步電動機試驗方法》綜合了IEC 60034-2、IEC 61972和IEEE 112等標準。JJF 1608-2016《中小型三相異步電動機能源效率計量檢測規(guī)則》于2016年11月30日發(fā)布，采用了GB/T1032-2012的B法，主要用于規(guī)范電機能源效率標識計量檢測工作，適用范圍為：1000V以下的電壓，50Hz三相交流電源供電，額定功率在0.75kW～375kW范圍內(nèi)，極數(shù)為2極、4極和6極，單速封閉自扇冷式、N設(shè)計、連續(xù)工作制的一般用途異步電動機和一般用途的防爆異步電動機。

3.2 測量方法和原理

JJF 1608規(guī)定了電動機能效測試方法應按GB/T 1032-2012中B法-測量輸入和輸出功率的損耗分析法進行。其實質(zhì)是采用實測負載雜散損耗Ps的效率測試方法。具體是通過熱試驗、負載試驗和空載試驗獲得電動機各損耗，包括鐵損PFe、風摩耗Pfw、試驗溫度下定子繞組損耗PCu1、試驗溫度下轉(zhuǎn)子繞組損耗PCu2和負載雜散損耗Ps，并最終確定效率。其步驟：

1）熱試驗

實測輸入功率P1、電壓U、電流I和頻率f和輸出轉(zhuǎn)矩Tt、轉(zhuǎn)速n，繞組溫度θW和環(huán)境溫度θb得到負載繞組溫升，計算效率用繞組規(guī)定溫度θs

2）負載特性試驗

實測輸入功率P1、電壓U、電流I、頻率f、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速（輸出功率P2），得到定子繞組損耗PCu1和轉(zhuǎn)子繞組損耗PCu2

3）空載試驗

實測輸入功率P0、電壓U0、電流I0和頻率f，得到鐵損PFe和風摩擦Pfw

數(shù)據(jù)分析：

剩余損耗：

基于PL與軸轉(zhuǎn)矩T平方的函數(shù)關(guān)系，通過線性回歸分析，消除儀表和讀數(shù)誤差，可確定Ps；

規(guī)定溫度下的負載總損耗：

3.3 測量要求和特點

如前所述，電機是將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，因此電機能效測量必然涉及到電量、溫度和力值等各基本量的測量。同時，能效值是一個綜合量，除了對測量人員和測量儀器的較高要求，合理的測量模型和完整的數(shù)據(jù)處理都是關(guān)鍵。

1）B法對測試設(shè)備和測試人員素質(zhì)要求較高

對供電電源的要求包括：電壓波形和對稱性、頻率偏差和穩(wěn)定性；規(guī)定HVF不超過0.03（N設(shè)計電動機）或0.02（未加說明）；三相電壓系統(tǒng)的負序分量應小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響應予消除；電源頻率的波動量應在額定頻率的±0.3%范圍內(nèi)。電量測量儀器至少滿足0.2級，溫度測量儀的最大允許誤差為±1℃，轉(zhuǎn)矩傳感器及測量儀的準確度等級應不低于0.2級。測量人員也需要有較高的綜合素質(zhì)，除了需要熟練操作外，還需要有處理繁雜的數(shù)據(jù)，正確出具測量報告的能力。

2）測量結(jié)果更符合實際情況、不確定度較低

通過多年實踐總結(jié)，國際通行的B法測量負載雜散損耗和效率較合理，測量不確定度優(yōu)于0.4%。

3）測量過程較為復雜

測試前，需對中安裝電機，使被測電機和陪試電機處于同一中心；需做繞組埋置熱電偶、電機傳感器安裝等。熱試驗前，需測定定子繞組冷態(tài)直流電阻和絕緣電阻；熱試驗需在額定輸出功率下，達到熱平衡態(tài)。停止時，需立即讀取熱態(tài)電阻，繪制熱電阻對時間的冷卻曲線。

4）數(shù)據(jù)處理量大

B法測量參數(shù)包括電參數(shù)測量、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量、電阻和溫度測量等，而各種損耗則需要復雜的數(shù)據(jù)處理過程，儀表分辨力和數(shù)據(jù)有效位數(shù)的處理，這些都將會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

近年來，隨著計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，電機測量技術(shù)和手段不斷發(fā)展，電機動態(tài)性能測量、電機診斷技術(shù)和能量反饋等新技術(shù)新方法在電機測量方面取得長足進步。

4 結(jié)語

電機能效標準的不斷發(fā)展，對測量要求和技術(shù)手段都提出了較高要求。同時，計算機和傳感器技術(shù)的進步，也不斷推動了電機測量技術(shù)的發(fā)展，促進了電機能效標準的進步。在當前國家推行“電機能效提升、促進綠色制造”的時機，充分認識電機能效標準及其測量方法，對電機生產(chǎn)和應用具有重要意義。

[1]趙躍進.美國中小型電機能效標準概況[J].中小型電機，2000，27(4).

[2]GB18613-2012 中小型三相異步電動機能效限定值和節(jié)能評價值[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]陳偉華.IEC電機能效標準最新進展[J].電機與控制應用，2008，35(4).

[4]強雄.高效電動機效率測試方法的研究[J].電機與控制應用，2016，43(7).

[5]GB/T 1032-2012 三相異步電動機試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2012.

[6]JJF1062-2016 中小型三相異步電動機能源效率計量檢測規(guī)則[S]. 北京：中國計量出版社，2016.

Discussion on the motor energy efficiency standards and testing technology

Zhao wanxing, wang gang, Wang youjian, Luo lincong, Liao zheming

(Chongqing Institute of Metrology and Quality Inspection, Chongqing 401123, China)

The development of motor energy efficiency standards was summarized, and the tested methods and technical features of motor was introduced. It was pointed that the development of motor energy efficiency standards influence improved the test technology, and with the development of the computer and the sensor had promoted the test technology, and then promoted the improvement of motor energy efficiency standards. It was of great significance for the motor production and application to fully understand the development course of motor energy efficiency and test technology.

motor efficiency; motor efficiency standard; efficiency test

TM930.12

A

1674-2796（2017）01-0020-05

2016-12-10

趙萬星（1971—），男，博士，教授級高級工程師，主要從事能效測試研究與技術(shù)工作。