IE5能效等級(jí)中小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試方法對(duì)比分析*

徐崇巍, 潘文文

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司,上海 200063]

0 引 言

我國(guó)電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020[1]已于2021年6月正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1級(jí)能效相當(dāng)于國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)的IE5效率，較IE3能效電動(dòng)機(jī)又提升了3%左右的效率，并規(guī)定了效率測(cè)試方法采用GB/T 1032—2012 《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中的B法(損耗分析法)[2]。在實(shí)際運(yùn)行中，大部分電動(dòng)機(jī)容量選擇比系統(tǒng)需求大，使得電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在輕載狀態(tài)，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成能源浪費(fèi)，而且，生產(chǎn)機(jī)械大部分時(shí)間是變負(fù)載運(yùn)行，其平均輸出功率與最高輸出功率之比一般為0.3～0.4，有的還更低，運(yùn)行點(diǎn)常常偏離額定工作點(diǎn)。因此，準(zhǔn)確測(cè)量三相異步電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效率顯得尤為重要。

以IE5能效等級(jí)為目標(biāo)，研究人員利用鑄銅轉(zhuǎn)子技術(shù)[3]、低壓不等匝繞組技術(shù)[4]、低損耗硅鋼材料技術(shù)[5]等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，已經(jīng)研制出三相異步電動(dòng)機(jī)測(cè)試樣機(jī)[6]。為進(jìn)一步探討不同的測(cè)試方法(A法、B法和E1法)對(duì)電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試結(jié)果的影響，本文對(duì)3種規(guī)格的IE5能效等級(jí)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)在不同測(cè)試方法下開(kāi)展效率測(cè)試，進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方法介紹

低壓中小型三相異步電動(dòng)機(jī)采用GB/T 1032—2012 《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中“試驗(yàn)準(zhǔn)備”“熱試驗(yàn)”“負(fù)載特性試驗(yàn)”及“空載試驗(yàn)”等內(nèi)容規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行低壓電動(dòng)機(jī)能效的測(cè)試，并根據(jù)“效率的確定”中的計(jì)算方法，最終計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的效率[7]。本文主要針對(duì)A法、B法和E1法之間的差異進(jìn)行分析。

(1) A法，即輸入輸出法。該方法由測(cè)得的輸出功率與輸入功率之比獲得電機(jī)的效率。效率值與測(cè)試時(shí)的冷卻介質(zhì)溫度值直接有關(guān)。為提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和便于分析比較，需用修正到基準(zhǔn)冷卻介質(zhì)溫度(25 ℃)的輸出功率和輸入功率計(jì)算電機(jī)的效率。

在該方法下，無(wú)需進(jìn)行損耗分離，由記錄的輸入功率、輸出功率、繞組溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行折算，并進(jìn)行轉(zhuǎn)矩修正，最終計(jì)算出電機(jī)效率[8]。

(2) B法，即輸入功率和輸出功率的損耗分析法。該方法要求將損耗修正至各負(fù)載點(diǎn)繞組溫度，并對(duì)剩余損耗進(jìn)行線性回歸分析，要求計(jì)算后相關(guān)系數(shù)≥0.95方可認(rèn)為結(jié)果有效。

(3) E1法為輸入功率的損耗分析法。與B法不同的是，在進(jìn)行負(fù)載特性試驗(yàn)時(shí)，E1法無(wú)需測(cè)量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等輸出信息，其雜散損耗按GB/T 1032—2012中的推薦值法確定。A法、B法和E1法需要測(cè)試的參數(shù)如表1所示。

由表1可見(jiàn)，A法與B法需要測(cè)試的參數(shù)差異主要體現(xiàn)在空載試驗(yàn)部分，E1法則在負(fù)載特性試驗(yàn)中無(wú)需記錄轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相關(guān)數(shù)據(jù)，增加了計(jì)算過(guò)程中的不確定度。

表1 A法、B法和E1法需要測(cè)試的參數(shù)

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)電源準(zhǔn)備

三相異步電動(dòng)機(jī)的性能不僅與電源電壓和頻率相關(guān)，還與電壓波形和電壓系統(tǒng)的對(duì)稱性及頻率的偏差和穩(wěn)定性有關(guān)。對(duì)于試驗(yàn)電源的要求如下：

(1) 電壓波形，試驗(yàn)電壓的諧波電壓因數(shù)(HVF)應(yīng)符合GB/T 1032—2012中“端電壓波形”的要求。

(2) 三相電壓系統(tǒng)對(duì)稱性，三相電壓系統(tǒng)的負(fù)序分量應(yīng)小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響應(yīng)予以消除。

(3) 頻率，試驗(yàn)過(guò)程中頻率的波動(dòng)量應(yīng)在額定頻率的±0.3%范圍內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備

試驗(yàn)設(shè)備包括直流雙臂電橋、功率分析儀、電流互感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等。設(shè)備的精度等級(jí)直接影響試驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，應(yīng)在滿足GB/T 1032—2012中“測(cè)量?jī)x器與測(cè)量要求”規(guī)定的前提下，盡可能使用精度等級(jí)更高的設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)備精度等級(jí)要求如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備精度等級(jí)要求

3 測(cè)試結(jié)果及分析

本文選用3種規(guī)格的試制樣機(jī)，分別為YE5-100L1-4(2.2 kW)、YE5-112M-4(4 kW)和YE5-280S-8SH(37 kW)，每個(gè)規(guī)格各有2臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

3.1 測(cè)試結(jié)果匯總

通過(guò)對(duì)3種規(guī)格的IE5電動(dòng)機(jī)測(cè)試，整理出A法、B法和E1法測(cè)試結(jié)果，具體數(shù)據(jù)如表3～表5所示。

表3 2.2 kW四極電動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果匯總

表4 4 kW四極電動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果匯總

表5 37 kW八極電動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果匯總

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 各方法所得效率分析

采用A法、B法和E1法測(cè)試，計(jì)算得到的效率結(jié)果如圖1所示。

圖1 采用A法、B法和E1法測(cè)得的效率結(jié)果

由圖1可見(jiàn)，采用B法，各臺(tái)IE5試制樣機(jī)的計(jì)算效率均能達(dá)到GB 18613—2020 《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中1級(jí)能效的要求。

通過(guò)對(duì)比分析可知，采用B法所得的計(jì)算效率要高于其他兩種方法的計(jì)算效率：以B法計(jì)算效率為基準(zhǔn)，對(duì)于2.2 kW四極電動(dòng)機(jī)，B法計(jì)算效率相較于其他方法高了1.08%～1.55%；其他兩個(gè)規(guī)格的IE5試制樣機(jī)測(cè)試結(jié)果類似，B法計(jì)算效率較其他方法高了0.46%～1.56%。

3.2.2 各方法參數(shù)分析

A法無(wú)需計(jì)算各項(xiàng)損耗，因此無(wú)法就損耗將A法與其他方法進(jìn)行對(duì)比。

損耗方面，B法和E1法的主要區(qū)別在于雜散損耗。B法的雜散損耗是通過(guò)線性回歸計(jì)算得到的，而E1法的雜散損耗是由推薦值法計(jì)算的，以1號(hào)電動(dòng)機(jī)為例，兩種方法差值為24.3 W，占B法輸入功率的0.82%。增加差值后，B法計(jì)算效率將與E1法基本一致。

同理，對(duì)4 kW四極電動(dòng)機(jī)和37 kW八極電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，B法與E1法之間的差異主要體現(xiàn)在雜散損耗。隨著電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)的提升，雜散損耗逐步降低，E1法的雜散損耗不確定度被逐步放大，因此E1法不適合用于測(cè)試IE5電動(dòng)機(jī)的效率。E1法適用于1 000 kW以上、B法難以測(cè)試的電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出IE5三相異步電動(dòng)機(jī)雜散損耗占比曲線，并根據(jù)GB/T 1032—2012中的推薦值法繪制出推薦雜散損耗占比曲線，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，對(duì)于IE5三相異步電動(dòng)機(jī)，考慮雜散損耗,B法計(jì)算效率比E1法高了1%以上。

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)雜散損耗占比

直接由原始記錄擬合效率曲線，發(fā)現(xiàn)A法在額定輸出時(shí)效率與B法基本一致，在擬合輸入功率曲線時(shí)，讀數(shù)發(fā)生了微小的偏移，擬合后輸入功率發(fā)生了明顯偏移。在采用A法測(cè)試時(shí)，設(shè)備精度越高，結(jié)果偏差越小。

4 試驗(yàn)設(shè)備精度對(duì)最終結(jié)果的影響

根據(jù)表2試驗(yàn)設(shè)備精度等級(jí)要求，分別對(duì)A法、B法和E1法中設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行分析。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備精度對(duì)A法結(jié)果的影響

在A法的計(jì)算中，主要計(jì)算參數(shù)為輸入功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、繞組溫度、冷卻介質(zhì)溫度，涉及設(shè)備為功率分析儀、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器。以1號(hào)樣機(jī)2.2 kW四極電機(jī)為例，具體精度等級(jí)、量程及允許誤差如表6所示，樣機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)情況如表7所示。

表6 A法計(jì)算中設(shè)備精度等級(jí)、量程及允許誤差

表7 A法計(jì)算中樣機(jī)數(shù)據(jù)情況

根據(jù)計(jì)算，效率區(qū)間為87.60%～92.75%，區(qū)間范圍為5.15%。若將功率分析儀、轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的精度等級(jí)分別提高至0.2級(jí)、0.2級(jí)及±0.5 r/min，則效率區(qū)間為89.09%～91.22%，區(qū)間范圍為2.13%，區(qū)間范圍降幅58.64%。這再次證明，在采用A法測(cè)試時(shí)，設(shè)備精度越高，結(jié)果偏差越小。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備精度對(duì)B法結(jié)果的影響

在B法的計(jì)算中，主要計(jì)算參數(shù)為輸入功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、繞組溫度、冷卻介質(zhì)溫度，涉及設(shè)備為功率分析儀、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器。以1號(hào)樣機(jī)為例，具體精度等級(jí)、量程及允許誤差如表8所示，樣機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)情況如表9所示。

表8 B法計(jì)算中設(shè)備精度等級(jí)、量程及允許誤差

表9 B法計(jì)算中樣極電機(jī)數(shù)據(jù)情況

根據(jù)計(jì)算，B法的計(jì)算效率區(qū)間為90.34%～92.51%，區(qū)間范圍為2.17%，與本文中使用更高精度等級(jí)設(shè)備的A法基本一致。但B法計(jì)算了多項(xiàng)電機(jī)損耗，可為研究者提供更多對(duì)比信息和優(yōu)化方向。

4.3 試驗(yàn)設(shè)備精度對(duì)E1法計(jì)算結(jié)果的影響

由于E1法為B法的簡(jiǎn)化方法，且其設(shè)備精度要求比B法低，在計(jì)算效率時(shí)，其不確定度更高。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了準(zhǔn)確測(cè)量三相異步電動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效率，對(duì)3種規(guī)格的IE5能效等級(jí)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)在不同測(cè)試方法下開(kāi)展效率測(cè)試。通過(guò)對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

(1) 3個(gè)系列IE5能效等級(jí)試制樣機(jī)的B法計(jì)算效率均能達(dá)到GB 18613—2020 《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中1級(jí)能效的要求。

(2) 在IE5能效等級(jí)中小型三相異步電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試中，B法的結(jié)果較E1法的結(jié)果普遍高1%以上，且隨著電動(dòng)機(jī)能效水平的提升，E1法測(cè)試的不確定度會(huì)被放大。

(3) 由于A法直接受設(shè)備精度等級(jí)的影響，其計(jì)算結(jié)果偏差較大，在本次IE5電動(dòng)機(jī)測(cè)試中，B法的測(cè)試結(jié)果較A法高0.44%～1.55%。

(4) 在設(shè)備精度等級(jí)相同的情況下，設(shè)備精度對(duì)A法和B法計(jì)算結(jié)果的影響均較小。B法計(jì)算了多項(xiàng)電機(jī)損耗,故對(duì)于研究開(kāi)發(fā)者更具參考價(jià)值。