交流接觸器能效等級(jí)的試驗(yàn)方法及不確定案例分析

摘 要：GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級(jí)》已于2022年12月29日經(jīng)國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)發(fā)布，于2024年1月1日正式實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施后，滿足新標(biāo)準(zhǔn)適用條件的，所有大陸境內(nèi)生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售的交流接觸器產(chǎn)品必須滿足新標(biāo)準(zhǔn)中能效規(guī)定值。在滿足一定的條件下，生產(chǎn)企業(yè)可以自行根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量吸持功率，評(píng)定能效等級(jí)。本文針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)中交流接觸器線圈吸持功率的試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)整理分析，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了不確定評(píng)定，為廣大交流接觸器生產(chǎn)企業(yè)自行測(cè)量吸持功率提供了參考，引導(dǎo)交流接觸器生產(chǎn)企業(yè)正確理解新標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于吸持功率的測(cè)量和如何分析吸持功率的不確定度。

關(guān)鍵詞：交流接觸器，吸持功率，測(cè)量結(jié)果，能效等級(jí)，不確定度評(píng)定

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.08.032

0 引 言

世界很多國家自20世紀(jì)70年代末以來相繼啟動(dòng)實(shí)施能效標(biāo)準(zhǔn)制度，現(xiàn)在已覆蓋近100個(gè)經(jīng)濟(jì)體。我國于2005年3月1日正式建立能效標(biāo)識(shí)制度，2016年6月1日重新修訂了《能源效率標(biāo)識(shí)管理辦法》。

交流接觸器是我國首批3C認(rèn)證產(chǎn)品之一，是一種廣泛用于電力行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品。作為廣泛使用的低壓電器產(chǎn)品，低壓電器行業(yè)一直關(guān)注接觸器的功耗問題。交流接觸器是實(shí)行能源效率標(biāo)識(shí)管理的用能產(chǎn)品[1]。國家將交流接觸器產(chǎn)品列入第五批能效標(biāo)識(shí)產(chǎn)品目錄，于2010年開始實(shí)施對(duì)該產(chǎn)品的能效標(biāo)識(shí)管理。交流接觸器2010—2023年備案型號(hào)2.4萬個(gè)，其中1級(jí)能效75個(gè)，2級(jí)能效15，195個(gè)，節(jié)能產(chǎn)品占比62.9%。本文介紹了交流接觸器的吸持功率試驗(yàn)方法和不確定度評(píng)定。

1 交流接觸器線圈的功率分析

交流接觸器是利用彈簧力與電磁力相互配合的原理工作的，從而實(shí)現(xiàn)觸頭接通、承載和分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件（包括過載運(yùn)行條件）下的電流。交流接觸器線圈的功率主要包括吸合功率和吸持功率兩部分，從GB/T 14048.4—2020中可以得知兩者的定義：使交流接觸器從斷電狀態(tài)動(dòng)作至通電狀態(tài)所需的功率即為交流接觸器的吸合功率，維持電磁鐵操作所需的功率即為交流接觸器的吸持功率[2]。

結(jié)合定義分析一下交流接觸器的工作過程，當(dāng)交流接觸器線圈通電后，靜鐵芯產(chǎn)生了電磁吸力以吸合銜鐵，使與銜鐵相連的觸頭動(dòng)作，使接觸器處于閉合工作狀態(tài)，反之，交流接觸器線圈斷電后，靜鐵芯的電磁力消失，作用在銜鐵上的彈簧推動(dòng)銜鐵，帶動(dòng)觸頭分開，使交流接觸器處于斷開停止工作狀態(tài)。通過以上分析，可以得出吸合功率就是線圈在吸合瞬間的功率，雖然線圈在吸合起動(dòng)瞬間功耗較大，但時(shí)間很短（幾十毫秒），相比于交流接觸器產(chǎn)品總的能耗，毫秒級(jí)的起動(dòng)過程的功率占比較小，通常為5%，可以忽略不計(jì)[3]。而交流接觸器維持電磁鐵保持電磁力，使交流接觸器主觸頭一直保持閉合工作狀態(tài)，此時(shí)，功率損耗主要集中在吸持銜鐵和克服彈簧反力上，即吸持功率，占交流接觸器產(chǎn)品總能耗的絕大部分。因此，通過測(cè)量交流接觸器吸持功率，可以確定其能效值及能效等級(jí)。交流接觸器根據(jù)其額定工作電流和吸持功率，能效等級(jí)分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)，逐次降低，3級(jí)能效最低。1級(jí)能效限定值均是4.5V·A，2級(jí)能效最高值為18.0V·A，3級(jí)能效最高值為240.0V·A，具體能效等級(jí)分級(jí)可參考GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級(jí)》中表1。

2 交流接觸器吸持功率的試驗(yàn)方法

通過上面的分析，交流接觸器的能效值是通過測(cè)量吸持功率來確定的。

交流接觸器吸持功率的試驗(yàn)方法為：在（23±3）℃環(huán)境溫度下，主電路或控制電源電路中不應(yīng)有任何負(fù)載，對(duì)交流接觸器線圈施加額定控制電源電壓，測(cè)量交流接觸器閉合狀態(tài)下的吸持功率，控制電路輸入端電流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行控制電路電流（單位：A）和電壓（單位：V）的測(cè)量，二者相乘得出吸持功率（單位：V·A）。以上試驗(yàn)方法來自于GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級(jí)》。交流接觸器試驗(yàn)接線圖見圖1。

3 吸持功率不確定評(píng)定

不確定度是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)。不確定度越小，測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值越高；不確定度越大，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價(jià)值也越低[3]。GB 21518—2022新標(biāo)準(zhǔn)中要求：測(cè)試吸持功率的測(cè)量不確定度應(yīng)小于5%[4]。下面以控制電源AC220V的接觸器為例進(jìn)行不確定度評(píng)定。

3.1 吸持功率的數(shù)學(xué)模型

本次吸持功率測(cè)量采用功率分析儀測(cè)量交流接觸器線圈的電壓和電流，故交流接觸器的吸持功率按照式（1）計(jì)算：

式中：Sh為接觸器吸持功率，V·A；US為額定控制電源電壓，V；I為額定控制電源電壓下的控制電流的有效值，A。

3.2 吸持功率的不確定度來源

本次吸持功率的不確定度來源為：（1）測(cè)量電壓重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UAV，采用A類方法評(píng)定；（2）測(cè)量電流重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uAC，采用A類方法評(píng)定；（3）測(cè)量設(shè)備電壓引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBV，采用B類方法評(píng)定；（4）測(cè)量設(shè)備電流引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u BC，采用B類方法評(píng)定；（5）測(cè)量環(huán)境溫度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。由于測(cè)試過程中對(duì)環(huán)境溫度的要求范圍相對(duì)寬泛，對(duì)吸持功率的影響量無法得知，只要符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境溫度（23±3）℃的要求即可。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，此試驗(yàn)環(huán)境下引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計(jì)[5]。對(duì)于直接測(cè)量，各不確定度分量互不相關(guān)，采用均和根方法合成，求得合成不確定度UC（Sh）為：

3.3 吸持功率的不確定度的評(píng)定

3.3.1 測(cè)量的電壓和電流不確定度的A類評(píng)定

對(duì)交流接觸器線圈進(jìn)行10次獨(dú)立的測(cè)量電壓和電流，見表1。

用貝塞爾公式分別計(jì)算電壓和電流的測(cè)量結(jié)果，可得電壓和電流的A類方法評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，計(jì)算公式見（3）和（4）：

式中：uAV為測(cè)量電壓的A類不確定度分量；UAC為測(cè)量電流的A類不確定度分量；USi為第i次測(cè)得的電壓值； 為n 次獨(dú)立測(cè)得的電壓的平均值；Ii為第i 次測(cè)得的電流值； 為n 次獨(dú)立測(cè)得的電流的平均值；n為獨(dú)立測(cè)量的次數(shù)，這里n =10。

3.3.2 測(cè)量的電壓和電流不確定度的B類評(píng)定

由功率分析儀引起的電壓相對(duì)不確定度分量為u BV，根據(jù)校準(zhǔn)證書信息知該儀器設(shè)備的電壓相對(duì)不確定度為uBV =1.5×10-4，k =2；由功率分析儀引起的電流相對(duì)不確定度分量為uBC，據(jù)校準(zhǔn)證書信息知該儀器設(shè)備的電流相對(duì)不確定度為uBC =6×10-4，k =2。

3.3.3 吸持功率的合成不確定度

交流接觸器吸持功率測(cè)量的各不確定分量及吸持功率不確定度，如表2所示。

4 結(jié) 語

本文介紹了新國標(biāo)GB 21518—2022中規(guī)定的測(cè)量吸持功率的試驗(yàn)方法和吸持功率不確定度評(píng)定，為企業(yè)能效管理提供了理論依據(jù)，有利于能效交流接觸器的推廣，引導(dǎo)廣大企業(yè)正確理解新標(biāo)準(zhǔn)要求。吸持功率不確定度的評(píng)定為今后類似試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)量不確定度提供了有效參考，具有一定的代表性。

參考文獻(xiàn)

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[2]低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器 和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）：GB/T 14048.4—2020[S].

[3]鄭世欣.GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級(jí)》最新標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].電器工業(yè)，2023（10）：28-31.

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[5]楊祥.交流接觸器線圈功率損耗測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].電器與能效管理技術(shù)，2016（11）：65-68+74.

作者簡(jiǎn)介

杜紅亮，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事中低壓電器產(chǎn)品檢驗(yàn)工作。

（責(zé)任編輯：袁文靜）

基金項(xiàng)目：本文受2023年山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院電器所儲(chǔ)備項(xiàng)目“光伏發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品檢測(cè)用電弧發(fā)生器”（項(xiàng)目編號(hào)：2023ZJKY001）資助。