電機效率測試技術的研究

張 昊， 殷 強， 馬冬梅

(南車株洲電機有限公司技術中心，湖南株洲 412000)

0 引言

電機效率的精確測定已成為發展高效電機的關鍵。本文分析比較了主流的電機效率測定試驗方法，設計并實現了一種三相異步電機效率測試系統，滿足不同效率測定方法和型式試驗的要求。

1 效率測定試驗方法

從電機的基礎理論中可知，電機的效率高低實際上取決于其自身運行過程中的損耗，損耗越高，效率越低。從某種意義上說，效率的精確測量就是損耗的精確測量。在電機運行的各種損耗當中，定、轉子銅耗、鐵耗、風摩耗都是比較容易測得的，而且精度也可以得到保證，唯一有難度的就是雜散損耗的測量。

三相異步電機的負載雜散損耗的測試方法分為間接測量法、直接測量法和推薦值法。間接測量法(輸入－輸出法、回饋法)通過測量電機總的損耗，減去鐵耗、風摩耗及定、轉子銅耗后，所余下的值即為負載雜散損耗。直接測量法將負載雜散損耗分為基頻雜散損耗和高頻雜散損耗兩部分，通過抽轉子試驗測得基頻雜散損耗，以及通過外部驅動設備使被試電機反轉測得高頻雜散損耗。推薦值法根據電機輸出功率的大小分段，每一段的雜散損耗值與額定輸入或輸出功率的比值恒定。

各國對三相異步電機大都采用測量各損耗分量，從而求取效率的損耗分析法，但在具體方法上并不統一。目前，電機效率的確定方法主要有輸入－輸出損耗分析法、假定負載雜散損耗為0.5 P1(輸入功率)的損耗分析法、回饋法、圓圖法、等值電路法等。

電機效率隨試驗方法的不同有較大不同，引起差異的原因主要有如下三點:(1)由于實際負荷(輸入－輸出損耗分析法、損耗分析法、回饋法)或等值電路法(包括圓圖法)的不同造成效率的不同;(2)由于處理雜散損耗方法不同而效率不同;(3)基準溫度選擇的不同。

輸入－輸出損耗分析法(IEEE 112B)是對電機進行效率認證時，推薦采用的一種效率測試方法。輸入－輸出法需要能直接測定電機輸出功率(或轉矩)的設備，負載雜散損耗間接測量并通過線性回歸確定。假定負載雜散損耗為0.5%P1(輸入功率)的損耗分析法在無法直接測得輸出功率(或轉矩)的情況下，通過測定電機的輸入功率，由輸入功率減去總損耗即為輸出功率。負載雜散損耗假定為輸入功率的0.5%?；仞伔▽膳_相同電機用聯軸器機械連接進行負載試驗，規定負載雜散損耗通過電動態負載試驗和發電態負載試驗平均并線性回歸確定。圓圖法是根據空載試驗、堵轉試驗數據，利用圓圖求取電機效率和其他特性數據。圓圖法不需要進行負載試驗，負載雜散損耗一般通過推薦值法確定。等值電路法是改進的圓圖法，根據電機空載和堵轉試驗、低頻堵轉試驗的數據，利用電機的等效電路中有關參數的關系來間接求取電機效率和其他特性數據的方法。等值電路法不需要進行負載試驗，負載雜散損耗一般通過推薦值法確定。

不同試驗方法的比較如表1所示。

2 效率試驗系統的實現

由表1可知，不同效率測定方法的試驗項目不盡相同。南車株洲電機有限公司技術中心新建電機綜合型式試驗系統，滿足了大中型三相異步電機效率試驗和型式試驗的需要。

表1 不同試驗方法的比較

2.1 系統總體要求

由表1可知，不同效率測定方法的試驗項目主要有空載試驗、堵轉試驗、低頻堵轉試驗、額定負載熱試驗和負載特性試驗。

試驗系統要求能進行空載、堵轉試驗，一般可通過調壓器和變壓器實現，但只適用于50 Hz的三相異步電機，不能滿足60 Hz NEMA電機的試驗要求。等值電路法要求進行1/4頻率低頻堵轉試驗，因此需要采用頻率可以調節的試驗變頻器。

電機進行額定負載熱試驗和負載特性試驗需要給電機加機械負載。目前用于電機試驗的負載設備主要包括直流電機、測功機、由交流異步電機轉化成的交流發電機等。后一種方法用一臺陪試電機與被試電機用聯軸器相聯結，被試電機接額定頻率電源，陪試電機接可變頻率的電源，試驗中陪試電機以異步發電機狀態運行，與前兩種方法相比具有能源消耗小、對中簡單等優點，此方法需要一套變頻電源或其他形式的回饋電源設備。

異步電機的熱試驗分為直接負載法和等效負載法。隨著異步電機容量的提高和型式的增多，越來越多的異步電機產品無法進行直接負載法溫升試驗。等效負載法中最常用的就是疊頻法。疊頻法做異步電機溫升時不需要進行機械連接，可以減少對組裝配的時間，目前仍然被廣大電機制造廠家使用。試驗系統要求能進行疊頻溫升試驗，滿足異步電機型式試驗的要求。

測控系統要實現主回路各開關、輔助系統的自動控制，并測量電機電壓、電流、功率、功率因數、溫度、轉速等參數，確保數據的實時性、準確性、抗干擾性、可靠性，降低安裝、維護、擴充條件和難度。

2.2 試驗系統結構

系統主要由通用型高壓變頻器U1、四象限高壓變頻器U2、調壓器和試驗變壓器、測量接線柜等組成，如圖1所示。工頻10 kV分成三路電源:第一路輸出接入調壓器的上端，經調壓后進入試驗變壓器和測量接線柜;第二路輸出接入通用高壓變頻器U1的上端，作為變頻器U1的供電電源;第三路輸出接入四象限高壓變頻器U2的供電電源。調壓器和試驗變壓器滿足50 Hz電機空載和堵轉試驗的要求。試驗變壓器安裝無勵磁分接開關，通過改變變壓器的匝數比實現多檔位二次電壓輸出。

U1和U2均為串聯型多電平高壓變頻器。它主要由輸入移相變壓器、功率單元和控制單元組成。采用模塊化設計，由于采用功率單元相互串聯的方式，解決了高壓輸出的問題。

U1和U2都可以發出正弦波三相電作為三相電源使用，滿足60 Hz電機空載和堵轉試驗的需要，同時可以進行低頻堵轉試驗。

圖1 效率試驗系統結構圖

U2還可以通過調節負載電機的頻率，把負載電機發出的電回饋到電網。被試電機與陪試電機用聯軸器對軸聯結。被試電機通過調壓器由電網供電(50 Hz)或通用高壓變頻器U1(60 Hz)供電;陪試電機由低于它本身額定頻率的四象限高壓變頻器U2供電，調節變頻電源U2的輸出頻率，則可達到調節被試電機輸出功率的目的。該頻率越低，被試電機輸出功率越大。

2.3 疊頻熱試驗

疊頻法通過利用異步電機旋轉機軸的轉動慣量起到增加電機電流的效果。當機軸的轉速低于定子磁場同步轉速時，其感應轉矩與轉速同向，電機工作于電動狀態，而當機軸轉速高于定子磁場同步轉速時，感應轉矩與轉速反向，起制動作用，電機工作于發電機狀態。如果能使定子磁場的同步轉速發生振蕩，也就可以讓電機交替工作于電動和發電兩種狀態。這時轉子頻繁加減速運動，利用電機轉子轉動慣量，可以在電機繞組中引起電流。從電機損耗的觀點考慮，電機此時工作于一個等效的機械負載下。

傳統的疊頻法采用兩套發電機組構成主副機組，將兩套機組的輸出疊加后供給被試電機。主機組工作在額定電壓和頻率下，通過調節副機組的電壓和頻率使被試電機工作在額定電流下，從而考核溫升。由于電機功率不斷提高，傳統疊頻法電源機組的電壓和容量要與被試電機相當，這對于大電機制造廠來說可以實現。隨著電力電子技術和微處理技術的進步，使得用基于電力電子技術的靜止變頻電源替代發電機組作為等效溫升試驗電源成為可能。

南車株洲電機有限公司技術中心采用專用靜止變頻電源完成疊頻試驗，高壓變頻器U1和U2均具有疊頻熱試驗功能。靜止變頻電源疊頻溫升試驗系統功能框圖如圖2所示。靜止變頻電源通過設定的疊頻參數(主副電壓和頻率)使用DSP作為運算控制器件，計算出疊頻試驗用電壓，將相關參數作為PWM的調制波參數，經與三角波載波參數進行比較運算，得到三相逆變橋的觸發信號。用產生的觸發脈沖控制逆變橋的通斷生成疊頻電壓波形。

2.4 測控系統的實現

測控系統由控制計算機和測量計算機及相應的測控單元組成。由于測控設備接口類型多樣，本系統設計了一個異構網絡滿足控制和測量的要求，該網絡包括以太網、串口485總線、Profibus現場總線，如圖3所示。系統的主干網為以太網，主干網上的設備有控制計算機、測量計算機、控制服務器、主PLC、功率分析儀等。

控制計算機通信的設備主要有高壓變頻器U1、U2，控制服務器，主PLC。控制計算機通過串口485總線實現對高壓變頻器U1和U2的控制?？刂品掌魍ㄟ^串口485與高壓主回路開關柜中的綜保裝置通信，實現對斷路器KM1～KM6的控制。主PLC為西門子S7－300，主PLC通過Profibus現場總線與油系統、水系統的從PLC、低壓配電系統的ET200通信，實現對油系統、水系統和低壓配電系統的控制。

測量計算機采集和處理接線柜中的功率分析儀、溫度巡檢儀、轉矩轉速儀的數據。

圖2 靜止變頻電源溫升試驗系統功能框圖

圖3 測控系統網絡結構

3 試驗實例

通過南車株洲電機有限公司的NEMA5812電機驗證各效率測試方法和效率測試系統。

NEMA5812電機的額定電壓為4 160 V，額定電流為178 A，額定功率為1 118.55 kW，額定頻率為60 Hz，效率為95.3%。分別使用輸入－輸出損耗分析法、假定負載雜散損耗為0.5P1(輸入功率)的損耗分析法、回饋法、圓圖法、等值電路法確定電機效率。試驗結果如表2所示。

從效率測定結果可以看出，不同試驗方法的效率測定精度從高到低依次為輸入－輸出損耗分析法、回饋法、等值電路法、假定負載雜散損耗為0.5P1(輸入功率)的損耗分析法、圓圖法。

4 結 語

本文對三相異步電機目前主流的效率測定技術進行研究。根據不同試驗方法的需求，設計并實現了電機效率試驗系統，滿足電機效率測定和型式試驗的要求，比較了不同試驗方法的效率測定結果。目前該系統在南車株洲電機有限公司已投入使用。

表2 不同試驗方法效率測定結果

［1］GB/T 1032—2005 三相異步電動機試驗方法［S］.

［2］才學剛.電機試驗技術及設備手冊［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［3］顧德軍.不同測試方法對電動機效率的影響［J］.電機與控制應用，2010，37(5):52-55.

［4］秦和.電動機效率測定方法的進展［J］.中小型電機，2004，31(1):65-74.