電動機溫升試驗測量審核結(jié)果分析

鐘偉

摘 要：為了解實驗室的檢測能力，根據(jù)實驗室能力驗證計劃的要求，筆者參加了由測量審核主導(dǎo)實驗室組織的電動機溫升試驗。依據(jù)《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032—2012）進行試驗，電動機溫升試驗測量審核結(jié)果令人滿意。其間分析了電機溫升測試的影響因素和試驗結(jié)果的不確定度。結(jié)果表明，實驗室電機溫升測量審核結(jié)果數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的和可靠的。

關(guān)鍵詞：電動機溫升;測量審核;結(jié)果分析;不確定度

中圖分類號：TM506 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0140-04

Analysis of Test Results for Temperature Rise Test

ZHONG Wei

（Fishery Machinery and Instrument Reserch Institute，Shanghai 200092）

Abstract： In order to understand the laboratory's testing capabilities， according to the requirements of the laboratory's proficiency testing program， the author participated in the motor temperature rise test organized by the measurement audit leading laboratory. According to "Test Method for Three-phase Asynchronous Motor" （GB/T 1032—2012）， the experiment was carried out， the motor temperature rise test measurement results were satisfactory. In the meantime， the influencing factors of the motor temperature rise test and the uncertainty of the test results were analyzed. The results showed that the laboratory motor temperature rise measurement audit data was accurate and reliable.

Keywords： motor temperature rise;measurement audit;result analysis;uncertainty

能力驗證是評價實驗室技術(shù)能力的有效手段，是實驗室通過外部措施進行內(nèi)部質(zhì)量控制的一種重要補充手段，是確保實驗室質(zhì)量管理體系持續(xù)改進的有效措施之一[1]。測量審核是一個參加者對被測物品（材料或制品）進行實際測試，然后將測試結(jié)果與參考值進行比較的活動，是對一個參加者進行“一對一”能力評價的能力驗證計劃[2]。它是實驗室能力驗證的重要方式之一。實驗室通過向由中國合格評定國家認(rèn)可委員會（CNAS）發(fā)布的測量審核主導(dǎo)實驗室申請完成測量審核工作，可以驗證實驗室開展該項目校準(zhǔn)或檢測的能力，確保量值傳遞的準(zhǔn)確性和一致性。實驗室參加的是一對一的小型電動機溫升測量審核計劃。電動機的溫升是檢驗電機性能最通用、最重要的指標(biāo)參數(shù)[3]，能體現(xiàn)出實驗室在電氣方面的檢測能力水平。

1 測量審核樣品及試驗方法

1.1 樣品

試驗樣品為測量審核主導(dǎo)實驗室提供的一臺1.1kW 4級三相異步電動機，主要技術(shù)參數(shù)如下：機座號H90、額定功率1.1kW、轉(zhuǎn)速1 420r/min、額定電壓380V、額定頻率50Hz、安裝方式B3、能效等級3級，如圖1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 檢測環(huán)境工況。環(huán)境工況為：環(huán)境溫度為19.1℃，相對濕度為67%。檢測設(shè)備的工況為：供電電源380V。試驗中用到的儀器設(shè)備及其允差如表1所示。

1.2.2 設(shè)備安裝。設(shè)備安裝采用“被試電機+轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器+負(fù)載”的方法。被試電機電源線按照正相序接線，軸伸端視之，順時針方向旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場安裝如圖2所示。

1.2.3 試驗方法。依據(jù)《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032—2012）及測量審核提供機構(gòu)的作業(yè)指導(dǎo)書，采用電阻法測量電動機溫升，采用“被試電機+轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器+負(fù)載”的連接方式。試驗前測量電動機三相端子之間的冷態(tài)電阻和電機繞組的初始溫度值。啟動負(fù)載，調(diào)節(jié)負(fù)載使電動機達到額定的輸出功率，持續(xù)至電動機達到熱穩(wěn)定狀態(tài)時測量電動機繞組的熱態(tài)電阻及當(dāng)前冷卻介質(zhì)（空氣）溫度。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理。用電阻法測量繞組溫度時，冷熱態(tài)電阻必須在相同的出線端上測量。繞組的平均溫升按式（1）計算[4]，即

[Δθ=RN-RcRc（K1+θc）+θc-θb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[RN]為外推至[t]=0s時的熱態(tài)電阻，Ω;[Rc]為熱試驗開始前測得的冷態(tài)繞組電阻，Ω;[θb]為熱試驗結(jié)束時的冷卻介質(zhì)溫度，℃;[θc]為測量[Rc]時的繞組實際溫度，℃;[K1]為常數(shù)，銅繞組取值為235。

2 測量審核結(jié)果

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 檢測過程數(shù)據(jù)。試驗過程中所測得的數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

2.1.2 溫升測量值。根據(jù)表4中停機后測量的熱態(tài)電阻值，繪制熱態(tài)電阻值曲線隨時間變化的曲線，如圖2所示。人們從圖2中可外推出[t]=0s時的熱態(tài)端電阻為6.67Ω。結(jié)合測試過程相關(guān)數(shù)據(jù)及溫升計算公式，可得出此次電動機溫升試驗溫升值為64.0K。

2.2 測量審核結(jié)果

2.2.1 評價原則。實驗室將測得的溫升結(jié)果上報至測量審核主導(dǎo)實驗室，由主導(dǎo)實驗室對試驗結(jié)果進行評價。評價采用[Z]比分?jǐn)?shù)法[2]。采用測量審核主導(dǎo)實驗室的指定值和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差進行計算，計算公式為：

[Z=x-Xσ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[x]為實驗室測試結(jié)果;[X]為指定值;[σ]為能力評定標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)實驗室[Z]比分?jǐn)?shù)，按照如下原則進行結(jié)果評價。滿意結(jié)果為：溫升值的[Z]值滿足[Z≤2];有問題結(jié)果為：溫升值的[Z]值滿足[2<Z<3];不滿意結(jié)果為：溫升值的[Z]值滿足[Z≥3]。

2.2.2 測量審核結(jié)果。根據(jù)測量審核主導(dǎo)實驗室給出的報告，本次測量審核[Z]值為-1.9，滿足2<[Z]<3，結(jié)果為滿意。測量審核結(jié)果報告如表5所示。

3 討論

本次實驗室得出的測量審核結(jié)果為滿意。但是，從表3可以看出，實測值小于指定值，且相差較大。[Z]比分?jǐn)?shù)值為-1.9，在滿意結(jié)果[Z]≤2邊緣，接近有問題結(jié)果[Z>2]。這說明實驗室對溫升測試系統(tǒng)誤差的考慮還有欠缺之處。

3.1 影響因素分析

一般電動機溫升系統(tǒng)測量誤差主要從以下幾個方面考慮：繞組初始溫度和冷卻介質(zhì)（空氣）溫度的測量、冷態(tài)電阻測量、熱態(tài)電阻測量以及對熱穩(wěn)定的判斷。以下分別從上述幾個因素來分析試驗誤差的來源。

3.1.1 繞組初始溫度和冷卻介質(zhì)（空氣）溫度的測量影響。對于溫升測量場地，《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032—2012）要求，控制周邊外來輻射熱影響及氣流的影響。實驗室場地相對寬敞，無其他熱源及對流空氣影響，因此測試場地影響幾乎可以忽略不計。研究發(fā)現(xiàn)[5]，正常電機溫升受周邊環(huán)境影響，溫度每降低1℃，電阻值降低約0.4%。試驗中所用的測量冷卻介質(zhì)（空氣）溫度的溫濕度計誤差為±1℃，對電阻測量結(jié)果影響達到0.4%。這是影響冷卻介質(zhì)測量的關(guān)鍵因素?！度喈惒诫妱訖C試驗方法》（GB/T 1032—2012）沒有對測量溫度的設(shè)備允差進行規(guī)定，但是為了提高溫升的測量準(zhǔn)確度，實驗室應(yīng)采用精度更高、誤差更小的儀器設(shè)備測量繞組及冷卻介質(zhì)的溫度。對繞組測量采用的是紅外測溫儀，其存在同樣的問題，該設(shè)備在0～100℃時示值誤差為±2℃，對結(jié)果影響很大。

3.1.2 冷態(tài)電阻測量。測量時溫度調(diào)節(jié)很重要，至少在測試環(huán)境中放置4h。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電機各部分溫度與冷卻介質(zhì)溫差不超過5K。并且有研究稱[6]，繞組中金屬銅的溫度與室溫存在響應(yīng)關(guān)系時間，測得的繞組冷態(tài)電阻可能與同時測得的室溫不對應(yīng)，因此在進行冷態(tài)電阻測量時，樣品應(yīng)提前在測量環(huán)境放置一段時間，使樣品和環(huán)境溫度達到一定平衡，測量的電阻值才能與測量時的環(huán)境溫度相對應(yīng)。

3.1.3 熱態(tài)電阻測量。熱態(tài)電阻測量需要在熱穩(wěn)定試驗停止后進行，人們應(yīng)在斷電后測量電阻值，每組測試需30s。王憲安等認(rèn)為，斷電測量時間超出熱試驗結(jié)束時刻越久，熱態(tài)電阻測量值越偏低[3]。測試時間越短，得到的繞組電阻值越準(zhǔn)確。如不能快速地測得電阻值，對最終的測試結(jié)果影響是很大的。

3.1.4 對熱穩(wěn)定的判斷。熱試驗應(yīng)進行到相隔30min的兩個相繼讀數(shù)之間溫升變化在1K以內(nèi)為止[4]。試驗期間需要每隔0.5h測量一次，實驗室所用的測量直流電阻設(shè)備需要在斷電后測量，每次測量的時間達30s。這時，選取最終的電阻值作為最后的結(jié)果值很重要，停止試驗需要一個很準(zhǔn)確的判斷。不同的測量周期，每次達到熱平衡的時間可能不同。

3.2 不確定度評定

測量審核結(jié)果顯示，[Z]比分?jǐn)?shù)絕對值接近2，雖然達到滿意結(jié)果，但是接近有問題結(jié)果，因此對試驗結(jié)果進行不確定度評定。在實際測量工作中，當(dāng)兩個（或多個）量相互獨立，且互不相關(guān)時不能或不需進行多次重復(fù)測量，其不確定度用非統(tǒng)計分析的方法進行B類評定[7，8]。電機溫升單次試驗測試周期較長，進行重復(fù)測量的兩次間隔時間較長，采用B類不確定度方法評估試驗測量不確定度。

3.2.1 不確定度來源。從數(shù)學(xué)模型可知，影響電動機溫升測量結(jié)果的主要因素包括：繞組初始溫度、冷卻介質(zhì)（空氣）溫度、冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻。此外，還包括對熱穩(wěn)定的判斷。

3.2.2 數(shù)學(xué)模型。式（1）為電動機溫升測量不確定度數(shù)學(xué)模型，各不確定度分量[uRN]、[uRC]、[uθc]、[uθb]、[ut]之間可視為互不相關(guān)，則電動機溫升合成不確定度[u（Δθ）]計算公式如下：

[u（Δθ）=（??Δθ?RN）2uRN2+（??Δθ?RC）2uRC2+（??Δθ?θc）2uθc2+（??Δθ?θb）2uθb2+μt2]? ? ? （3）

式中，[u（Δθ）]為電動機溫升測量合成不確定度;各分量[RN]、[RC]、[θc]、[θb]對應(yīng)的不確定度分別為[uRN]、[uRC]、[uθc]和[uθb];[ut]為熱穩(wěn)定的判斷所引起的不確定度分量。各分量靈敏系數(shù)為：

[c1=??Δθ?RN=-RN（235+θc）RC2]? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[c2=??Δθ?RC=-235+θcRN]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[c3=??Δθ?θc=RNRC]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

[c4=??Δθ?θb=-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

3.2.3 各不確定度分量計算。一是冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻測量不確定度分量[uRN]、[uRC]。冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻測量引起的不確定度主要來源于測試所用的數(shù)字直流電橋。由QJ84數(shù)字直流電橋的校準(zhǔn)證書給出的擴展不確定度[U=0.003Ω]（k=2）得出，不確定度分量[uRN=0.001 5Ω];不確定度分量[uRC=0.001 5Ω]。

根據(jù)式（4）、式（5）和表1相關(guān)數(shù)據(jù)可得，[c1=-60.0℃/Ω];[c2=-37.9]。

二是初始繞組溫度測量引起的不確定度分量[uθc]。初始繞組溫度測量引起的不確定度主要來源于所用的紅外測溫儀。紅外測溫儀校準(zhǔn)證書給出的擴展不確定度為0.6℃，包含因子[k]=2。由此可得，不確定度分量[uθc=0.3℃]，根據(jù)式（6）及表1數(shù)據(jù)得出[c3=1.3]。

三是冷卻介質(zhì)溫度測量引起的不確定度分量[uθb]。根據(jù)測量冷卻介質(zhì)所用的溫濕度計的校準(zhǔn)證書給出的擴展不確定[U=0.3℃]（[k]=2），得出不確定度分量[uθb=0.15]℃，[c4=-1]。

四是對熱穩(wěn)定的判斷引起的不確定度分量[ut]。試驗過程中通過相隔30min觀察相繼讀數(shù)之間溫升變化在1K以內(nèi)來判斷是否達到熱穩(wěn)定。測量溫度均勻分布，故包含因子[k=3]，[ut=0.53=0.29K]。

五是合成不確定度。各不確定度分量和靈敏系數(shù)計算結(jié)果代入式（3），可以得[u（Δθ）=0.154K]。

六是擴展不確定度。取置信概率為95%，包含因子[k]=2，電動機溫升試驗測量結(jié)果擴展不確定度[U=0.308K]。

4 結(jié)語

結(jié)合不確定度評定結(jié)果，電機溫升測量審核實驗室測試結(jié)果表示為[（64.0±0.308）K]。結(jié)合不確定度評定結(jié)果，得出[Z]比分?jǐn)?shù)絕對值為2，依然在滿意結(jié)果范圍內(nèi)。結(jié)果表明，實驗室的電機溫升檢測水平是可信的。從不確定度評定過程發(fā)現(xiàn)，溫度測量誤差影響最大，實驗室應(yīng)加強儀器設(shè)備質(zhì)量管理。通過參加此次測量審核計劃，實驗室對后續(xù)檢測有了一定的認(rèn)知，可以舉一反三，提高整體的檢測水平。

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