高效和超高效電機低不確定度效率測試系統的研究與設計*

金惟偉， 王傳軍， 陳 亙， 童陟嵩

(1.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063;

2.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

國際電工委員會IEC/TC 2于2006年提出制定一項電動機能效分級標準。該標準將電動機的效率分為 IE1、IE2、IE3、IE4共4級，效率指標覆蓋范圍為0.75～375 kW，極數為2、4、6 極，分50 Hz和60 Hz兩類指標，標準于2008年底正式發布。目前，各國電動機產品市場上效率等級情況為:美國、加拿大、澳大利亞等國市場為IE2效率等級，且IE2為該國的最低強制標準;歐洲于2008年強制執行IE2效率等級標準;我國市場上使用的電動機效率水平僅為 IE1效率(平均效率約為87%)等級。按照我國節能中長期規劃中明確的指標要求，到2010年，電動機的效率水平應達到IE2效率(平均效率約為90%)等級。

世界各國都在致力于研究開發高效率電機，電機效率的準確測試也就被提上了日程。IEC 60034-30(2008版)規定對高效、超高效電機的效率測試方法必須采用低不確定度的方法。

1 電機效率測試的發展及現狀

本文分析的系統基于電機測試的損耗分析法，首先測試出電機的各種損耗，再根據輸入總功率求取電機的效率。在電動機的各項損耗中，雜散損耗的構成和影響因素較為復雜，測試也相對困難，且雜散損耗的測量和估算也直接影響電機設計參數的選擇。因此，IEC標準及多數國家都推薦用輸入功率的0.5%或反轉法來確定雜散損耗，并將其作為電機設計輸入值和測試結果。但是，實際的比例與功率大小、極數及設計、制造、材料等因素均有關，一律用固定值來替代，不能真實反映制造和設計水平，也導致有些實際上并沒有達到高效率的電機被判定為高效率電機。以美國和加拿大為代表的發達國家于20世紀90年代相繼推出了較為精確的實測負載雜散損耗的IEEE 112B法和CSA 390法，于2002年被IEC采納為國際標準IEC 61972《三相籠型異步電動機損耗和效率的確定方法》，經過不斷完善后，于2007年9月納入發布實施的IEC 60034-2-1《旋轉電機(牽引電機除外)確定效率和損耗的試驗方法》。該標準中明確取消了按輸入功率0.5%來假定雜散損耗的做法。

我國的國標GB 1032—2005《三相異步電動機試驗方法》中已納入了IEEE 112B方法，但由于高效電機的研發推進較慢，該方法與按輸入功率0.5%來假定雜散損耗的傳統做法共存，僅有極少數出口北美地區的電機制造商使用該方法。IEC 60034-2-1標準對該方法提出了更高的要求，要在中國電機全行業推廣需跨越以下障礙:(1)電機雜散損耗和效率測試的不確定度評價方法，目前國際上尚無此類文獻;(2)國內一直在使用的兩種雜散損耗測試方法均為高不確定度方法，IEC 60034-2-1標準推薦的美國IEEE 112B法絕大部分企業尚未掌握;(3)要實現效率的低不確定度測試，必須研究更精確的數學模型和測試數據校正技術，并實現自動控制測量。

2 高效和超高效電機效率測試系統

高效和超高效電機效率測試系統所組成的高效電機試驗系統包括了正弦波變頻電源、負載穩定系統、高精度測試系統、自動控制系統等幾大部分，如圖1所示。系統的容量可以根據被試驗電機規格來選配，滿足0.37～375 kW高效和超高效電機的效率試驗。

2.1 雙反饋三穩(穩頻、穩壓、穩負載)正弦波變頻試驗電源

2.1.1 工作原理

圖1 高效、超高效電機效率測試系統原理框圖

該系統采用靜止正弦波變頻試驗電源，該電源采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，以交-直-交結構實現靜止式變頻電源，與傳統的機組模式相比，靜止式變頻電源土建要求低、控制自動化程度高、噪聲低，可以明顯降低運行能耗，保證良好的控制精度，可擴展性強，在電機試驗領域也得到了良好應用。

正弦波變頻試驗電源系統工作原理和組成如圖2所示。

主電路為交 -直 -交結構，包括整流器(ZL)，直流濾波器、逆變器(BP1和BP2)、交流濾波(L和C)等組成部分。整流器將50 Hz交流市電(380 V)經橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變為直流(P+和P-)。橋式整流電路為半控結構，起動過程中，調節晶閘管的觸發角，可以控制直流電壓由低到高逐漸變化，減少沖擊電流，實現軟起動。在大功率系統中，考慮到整流系統對電源的污染等因素，可以將整流電路分為獨立的兩組，組成12脈波整流。逆變部分(BP1和BP2)采用單相全橋結構，是該電源的核心。逆變器選用IGBT作為開關器件。利用IGBT開關頻率較高的優點，采用正弦脈寬調制(SPWM)方式對逆變器進行控制，將平穩直流變換為脈寬調制(PWM)輸出的交流，輸出SPWM(U10和U20)波幅值恒定，寬度按正弦規律變化，該交流基波頻率為所需要的電源輸出頻率。逆變器輸出的PWM波經無源LC濾波電路濾波后，得到純正的正弦波交流電(U1和U2)。

2.1.2 試驗電源控制器的設計

目前在正弦波變頻試驗電源的開發中，國內外研究較多的主要有數字PID控制、諧波補償控制、無差拍控制、雙環反饋控制、瞬時值反饋控制、重復控制、滑模變結構控制、模糊控制及神經網絡控制等。瞬時值反饋控制結構簡單，容易實現，魯棒性強，控制效果好，應用較多。在設計正弦波變頻電源控制器時，采用一種帶有輸出電壓有效值控制及負載電流控制的雙環反饋控制模式，對輸出電壓的幅值、頻率、波形進行精確控制，穩定輸出電壓和頻率，同時通過外環負載電流的反饋控制，在負載發生變化時同樣能達到穩定電源的目的，如圖3所示。

圖2 雙反饋正弦波變頻電源工作原理圖

圖3 雙反饋正弦波變頻電源控制器結構

圖3是負載電流前饋控制，在很多系統中變頻逆變單元后面通常要連一級變壓器，該變壓器的主要作用有:(1)改變變頻電源的輸出電壓，滿足不同電壓等級的電機試驗需求，增加變壓器可以改善逆變器升壓的局限，例如該系統可以利用380 V的逆變器，經過變壓器升壓，滿足660 V被試驗電動機的試驗，可以充分利用逆變器的容量;(2)通過變壓器的Y-△變化，改變逆變器的輸出波形質量;(3)通過變壓器輸出端的負載電流變化，完成電流環的前饋控制，有效進行多單元并聯運行的環流控制，改善電流環的響應速度。

2.1.3 諧波電壓因數及電源品質的改善

衡量變頻電源的一個重要指標就是諧波電壓因數(HVF)。按GB 755—2000的規定，HVF值按式(1)計算:

式中:Un——諧波電壓的標幺值(以額定電壓UN為基值);

n——諧波次數(不包含3及3的倍數)。

為滿足電機試驗需求，電源必須滿足:HVF≤0.015。因此，必須對逆變器的電源輸出進行濾波處理。如圖2所示，電感和電容組成低通濾波器LC，濾出高頻載波。低通濾波器LC輸出設計，直接影響變頻電源輸出電壓波形的失真度。因此，濾波器的設計原則是考慮最高輸出頻率，只要最高輸出頻率下正弦波的失真度得到滿足，則低頻輸出時由于載波比增加，正弦波失真度可自然滿足，如圖4所達到的效果。

圖4 系統試驗電源品質的改善

正弦波濾波器實際上是LC低通濾波器，一般按要求的輸出諧波含量值經驗選取時間常數，時間常數的選取一般按下文介紹的方法計算得到。

正弦波濾波器需要抑制的諧波最低頻率為:

式中:fc——靜止電源載波頻率;

fe——試驗電源額定頻率;

k——系數，k的大小可根據最高諧波次數選取。

正弦波濾波器的最高通過頻率為:

根據對電源品質的要求和靜止電源的載波頻率等參數，可以確定濾波器的最高通過頻率fT，fT的取值應小于fmin。

正弦波濾波器的時間常數為:

在電源的設計中，IGBT關斷和開通電流都很大，主電路引線的電感容易在IGBT功率回路中引起浪涌電壓，浪涌電壓將增加功率器件的開關損耗，可能危及器件的安全。因此，減少主回路的配線，降低逆變器輸出主回路中的布線，并聯運行的系統中運行的單元線路電感量保持一致。

該系統的諧波電壓因數，實測值為0.011，完全滿足標準的規定。

2.1.4 電壓和頻率的波動率

電源在額定工況下穩定運行后，負載功率要求在(100±10%)額定負載范圍內，分別在額定頻率50 Hz和60 Hz下連續運行10 min，且每隔1 min中讀取電壓(RS)和頻率值。

電壓和頻率的10 min波動率按式(5)計算:

頻率穩定率≤0.05%，得益于電子技術及控制技術的發展，本系統最優水平可達0.01%以內，遠遠優于傳統機組模式。

2.2 系統的測量及控制

該系統的自動控制系統采用RS-485總線結構模式，其網絡拓撲如圖5所示，主要組成有控制主回路的可編程邏輯控制器(PLC)，集線器HUB，RS-485總線的服務器，用于進行各種數據采集的高精度測試儀器，用于整流單元、逆變單元控制用的光纖傳導部分，以及反饋數據的采集系統、系統的電氣邏輯控制和系統的電量閉環控制等，由RS-485總線將測量、控制、遠傳集為一體，在總線上連接各下位機(控制終端和數據采集終端系統)和上位機(控制計算機)，是由上位機統一管理的主從式總線型的控制和檢測系統。整個系統的檢測數據和狀態監控數據可以由通信管理層和遠程系統進行通信，實現數據的遠程共享和實時監控。

圖5 系統自動控制及測量系統結構框圖

整個系統可分為三個層次，首先是控制計算機(上位機)，其次是通信管理層，最后是各個終端，包括控制終端和數據采集終端。通信管理層負責溝通各下級單元監控系統、數據采集，通過通信管理層實現承上啟下的目的;控制計算機負責發布命令，并將通信上傳數據進行分類，建立數據庫，按照預先的設定進行處理。終端是控制計算機指令的執行機構，包括命令的輸出和測試數據的輸入。

系統還可以實現部分試驗的自動過程，自動過程由計算機根據測試點的設置控制試驗電源調節到對應點，待數據穩定后自動采集試驗數據存入數據庫，并進行下一點控制。

測試部分由高精度功率分析儀、轉矩轉速測試儀、堵轉測試儀、直流電阻測試儀、絕緣電阻測試儀和溫度巡檢儀組成。功率分析儀通過工業以太網與計算機通信，在計算機上顯示電壓、電流、功率等電量。轉矩轉速測試儀、堵轉測試儀、直流電阻測試儀、絕緣電阻測試儀和溫度巡檢儀通過研華EDG4508服務器連接到工業以太網，并通過工業以太網與計算機實現通信。試驗過程中顯示的電量和非電量數據可直接存入數據庫，通過相應的軟件平臺實現被試電機的參數及性能計算、數據管理、數據分析和報表打印。

3 系統不確定度評價及驗證

所謂“測量不確定度”是對測量結果質量的定量表征，以確定測量結果的可信程度。測量結果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。因此，測量結果必須附有不確定度說明才是完整并有意義的。根據不確定度分析評定的理論，在整個測量過程中，影響最終測量結果的每一個量或每一個因素都將以各自的方式向最終結果傳遞，這種傳遞都必須逐一建立相應的數學模型，并按數理統計原理進行分析計算，找出傳遞因子，最后作合成，得出最終測量結果的擴展不確定度。

3.1 主要測量儀器精度指標

依據試驗方法規定，系統需測量的參數如下。

(1)輸入電參數:電壓U、電流I、功率W、頻率f;測試精度為:電壓，±0.1%rdg.±0.1%f.s;電流，±0.1%rdg.±0.1%f.s;電流互感器精度0.2級;功率，±0.1%rdg.±0.1%f.s;頻率，±0.1%rdg.±1%dgt.。

(2)輸出機械參數:轉矩T、轉速n;測試精度為:轉矩，0.1 級;轉速，0.1 級;

(3)其他非電量參數:溫度，±0.5℃;直流電阻，分辨率0.1 μΩ，2 mΩ ～2 kΩ，0.2 級。

3.2 不確定度評價方法

(1)A類標準不確定度導致的效率不確定度。在重復性條件下(相同的試驗程序、相同條件、相同的人員、相同測量儀器、相同地點)，對同一臺電機，進行n(n≥10)次獨立的效率測試，共得n個效率 ηi的測試結果，分別為:92.70%，92.62%，92.38%，92.75%，92.81%，92.80%，92.44% ，92.35% ，92.73% ，92.84% 。

算術平均值:

單次測量的試驗標準差:

平均值的試驗標準差:

A類標準不確定度導致的效率不確定度:

(2)B類標準不確定度導致的效率不確定度:

式中:∑P——額定負載時總損耗，W;

P1——額定負載時定子輸入功率，W。

效率不確定度uB(η):

式中:U∑()P——額定負載時總損耗的不確定度;

U(P1)——輸入功率的不確定度。

(3)合成不確定度為:

3.3 該系統不確定度驗證

該系統的主要用途是用于高效、超高效電機的效率測試(當然也適合普通電機的效率測試)，具有高精度、高穩定性的特點，低不確定度是本系統的重要技術指標。為保證效率測試水平，對本系統效率測試的不確定度進行了驗證，以15HP，4極，60 Hz，460 V三相籠型電動機為例:

其中:η(%)=92.64;S(η)(%)=0.050 66;S)(%)=0.016。

其中:UB(P1)=31.4 W;UB(∑P)=10.2 W;P1=12 230 W;∑P=909.4 W。

合成不確定度為:

系統擴展不確定度為:

結論:η(%)=(效率測試值 ±U)(%)=(92.64±0.17)%，k=2。

4 結語

目前國際上先進國家對電機效率的低不確定度測試方法及測試系統的研究已進入到相當成熟的階段，在我國局限于測試技術及相關測試標準的滯后等原因，落后于先進國家和相關國際標準。本文分析的試驗系統，自動化程度和穩定性高，性能優良，測量的不確定度達到優于0.4%，主要技術指標國內領先，達到國際先進水平，具有良好的推廣價值，主要應用于電機生產制造企業、電機相關的專業實驗機構等。

［1］IEC 60034-2-1，Rotating electrical machines-Part2-1:Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)［S］.2007.

［2］IEEE Std 112TM-2004，Standard test procedure for polyphase induction motors and generators［S］.2004.

［3］林渭勛.現代電力電子電路［M］.杭州:浙江大學出版社，2006.

［4］劉勝利.現代高頻開關電源實用技術［M］.北京:電子工業出版社，2002.