高效率電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試與不確定度評(píng)定

曾立英，蘇邦偉，甘 浩

（國(guó)家工礦電傳動(dòng)車(chē)輛質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(wèn)題日漸突出，已成全球普通關(guān)注的重點(diǎn)，影響著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中三相異步電機(jī)應(yīng)用廣泛，在降低能耗的背景下，高效節(jié)能電機(jī)成全世界電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識(shí)；是我國(guó)“十三五”期間實(shí)施節(jié)能減排既定國(guó)策所重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)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(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容。近年來(lái)國(guó)家政策高度重視，產(chǎn)業(yè)支持力度大，電機(jī)能效水平得到很大提高，但總能效水平仍較低。對(duì)于電機(jī)的生產(chǎn)及出口大國(guó)，國(guó)家非常重視高效電動(dòng)機(jī)推廣工作，電機(jī)效率的準(zhǔn)確檢測(cè)日益重要。參照IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的能效等級(jí)評(píng)定和檢驗(yàn)方法進(jìn)行了修訂，現(xiàn)有效標(biāo)準(zhǔn)是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) 》及GB/T 1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》，標(biāo)志著能效等級(jí)評(píng)定和測(cè)試方法均已與國(guó)際接軌。高效電動(dòng)機(jī)的損耗值非常小，準(zhǔn)確地測(cè)量電動(dòng)機(jī)的損耗和效率直接影響該行業(yè)健康發(fā)展。

1 效率測(cè)試程序及注意事項(xiàng)

1.1 效率測(cè)試程序

電動(dòng)機(jī)效率評(píng)定GB18613-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其檢測(cè)應(yīng)按GB/T 1032-2012中的B法——測(cè)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(cè)中的模擬，檢出的是電機(jī)最趨近于實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)各項(xiàng)附加損耗之和。B法測(cè)量電機(jī)的效率，關(guān)鍵是檢測(cè)負(fù)載雜散損耗PS，通過(guò)空載、熱試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)得到電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組損耗Pcu1、Pcu2、鐵耗 PFe、風(fēng)摩耗 Pfw和負(fù)載雜散損耗 PS，依此確定電機(jī)效率，其程序如下：

（1）空載試驗(yàn)：實(shí)測(cè)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(fēng)摩耗 Pfw。

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

（3）負(fù)載試驗(yàn)：熱試驗(yàn)基礎(chǔ)上，從1.5倍額定輸出功率開(kāi)始到0.25倍輸出功率為止，實(shí)測(cè)輸入?yún)?shù)功率P1、電流I和輸出轉(zhuǎn)矩Ta、電機(jī)轉(zhuǎn)速n（即輸出功率P2）。通過(guò)分析獲得定子繞組損耗Pcu1、轉(zhuǎn)子繞組損耗Pcu2。

（4）數(shù)據(jù)分析。按標(biāo)準(zhǔn)剩余損耗：

將PL與軸轉(zhuǎn)矩T平方的函數(shù)關(guān)系繪制成P=AT2+B曲線(xiàn)，對(duì)PL與T的進(jìn)行線(xiàn)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(jì)算：

1.2 B法注意事項(xiàng)

實(shí)現(xiàn)B法必須具備符合標(biāo)準(zhǔn)要求的電源、電量測(cè)量?jī)x、輸出機(jī)械功率測(cè)量?jī)x器及負(fù)載設(shè)備，為保證測(cè)試精度應(yīng)注意：

（1）供電電源一定要控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

（2）電量及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器精度至少為0.2級(jí)。

（3）測(cè)量冷態(tài)直流電阻R1C和溫度θC，應(yīng)在繞組的溫度與周?chē)h(huán)境溫度之差不超過(guò)2K的狀態(tài)下，測(cè)量3次定子繞組電阻的平均值，且環(huán)境溫度θC應(yīng)取距電機(jī)進(jìn)風(fēng)部位1～2m、測(cè)溫點(diǎn)高度為電機(jī)的1/2位置的2～3個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度的平均值。

（4）熱試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持電源電壓和頻率為額定值。

（5）溫升穩(wěn)定后斷電停機(jī)，測(cè)量繞組直流電阻隨時(shí)間下降的冷卻關(guān)系曲線(xiàn)，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確完成，并且測(cè)量點(diǎn)不少于5個(gè)。

（6）安裝時(shí)，負(fù)載電機(jī)軸線(xiàn)與被試電機(jī)軸線(xiàn)保持同軸度良好并保證安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)不確定度評(píng)定

“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。根據(jù)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示 》在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，影響測(cè)量結(jié)果的每個(gè)因素都將以各自的方式向最終結(jié)果傳遞，這種傳遞都必須建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，找出傳遞因子，合成得出最終測(cè)量結(jié)果的總不確定度。

2.1 數(shù)學(xué)模型分析

風(fēng)摩耗以對(duì)約50%額定電壓至最低電壓點(diǎn)范圍內(nèi)的各測(cè)試點(diǎn)值作空載特性曲線(xiàn)，將恒定損耗Pcon對(duì)（u0/uN）2的直線(xiàn)延長(zhǎng)至零電壓，零電壓與縱軸上的截距。

鐵耗以對(duì)60%額定電壓和125%額定電壓之間的各電壓點(diǎn)，作PFe=Pcon-Pfw對(duì)u0/uN的關(guān)系曲線(xiàn)，不同負(fù)載時(shí)的鐵耗，根據(jù)電壓u0/uN在曲線(xiàn)上求得，空載額定電壓鐵耗以u(píng)b=uN確定。

再將剩余損耗PL對(duì)軸轉(zhuǎn)矩T2進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，得直線(xiàn)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(zhuǎn)矩；Pocu1—空載定子銅耗；ΣP—總損耗 ΣP；η—效率；PFe—鐵耗；Pfw—風(fēng)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(zhuǎn)子銅耗（Pcu2s轉(zhuǎn)子在規(guī)定溫度（θs）下的 損耗）；PS—負(fù)載雜散損耗；Pcon—恒定損耗；PL—剩余損耗；SS—規(guī)定溫度下（θs）轉(zhuǎn)差率；I1—定子電流；R1—定子繞組冷態(tài)電阻；ns—同步轉(zhuǎn)速。

以YE2-100L-4 3kW 1410r/min三相異步電機(jī)為例，作效率不確定度評(píng)定。

2.2 重復(fù)性測(cè)量的A類(lèi)不確定度

在相同的試驗(yàn)條件下（相同試驗(yàn)程序、人員、檢測(cè)設(shè)備及地點(diǎn)），環(huán)境溫度16.5℃，相對(duì)濕度58%RH，分別對(duì)同一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行效率測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

B類(lèi)不確定度直接測(cè)量法和間接測(cè)量。

電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率采用測(cè)量輸入輸出功率的損耗分析法。

輸入功率P1為直接測(cè)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(zhǔn)證書(shū)Urel（P1）=0.2%，K=2，所以由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量為：

urel（Pcu1）為定子銅耗的相對(duì)合成B類(lèi)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(zhǔn)證書(shū)，電流 Urel（I）=0.08%，K=2，所以由設(shè)備計(jì)量引入的不確定度分量為

urel（R）產(chǎn)生影響的是電阻測(cè)量?jī)x，本試驗(yàn)采用PC36C直流電阻測(cè)量?jī)x，查閱其校準(zhǔn)證書(shū)，不確定Urel（R）=0.03%，K=2，因此該設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)引入的不確定度分量

urel（Pcu2）為轉(zhuǎn)子銅耗的相對(duì)合成B類(lèi)不確定度

由于 Pcu2＝（P1－Pcu1－PFe），設(shè)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(zhuǎn)差率相對(duì)合成B類(lèi)不確定度，以電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速不確定度計(jì)，該試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)速傳感器。依據(jù)校準(zhǔn)證書(shū)，un=0.1%，K=2。

由計(jì)量校準(zhǔn)所引入的不確定度分量為：

urel（Pp0′）為電動(dòng)機(jī)鐵耗和風(fēng)摩耗的相對(duì)B類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)為0.10%

urel（Pocu1）由空載時(shí)電流示值及電阻值綜合標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)0.081%。

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

轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x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(duì)合成B類(lèi)不確定度為：

測(cè)量效率的相對(duì)B類(lèi)不確定度urel1（η）為輸入功率P1、輸出功率P2相對(duì)不確定度的合成：

三相異步電機(jī)效率的擴(kuò)展不確定度。

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

則擴(kuò)展不確定度為：Urel（η）=2urel（η）=0.32%，K=2

3 結(jié)束語(yǔ)

目前世界上先進(jìn)國(guó)家對(duì)電機(jī)效率低不確定度的測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)已發(fā)展成熟，運(yùn)行良好，我國(guó)在能效測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)上已與IEC一致，能效評(píng)定上要求采用三相異步電機(jī)效率測(cè)試方法B法測(cè)量輸入和輸出功率的損耗分析法，該方法要求儀器、設(shè)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(cè)試方法、操作注意事項(xiàng)，分析了影響效率測(cè)試準(zhǔn)確的因素，同時(shí)，通過(guò)YE2－100L－4 3kW三相異步電機(jī)對(duì)我測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了不確定度評(píng)定，從而得到比較符合實(shí)際的電機(jī)效率，對(duì)電機(jī)能效評(píng)級(jí)及節(jié)能設(shè)計(jì)提供了比較可靠的依據(jù)。