分析北美能效法規對電動機的效率及其測試方法的要求

李軍麗

[廣東加華美認證有限公司上海分公司(CSA)，上海　200000]

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分析北美能效法規對電動機的效率及其測試方法的要求

李軍麗

[廣東加華美認證有限公司上海分公司(CSA)，上海200000]

摘要：介紹了美國和加拿大現行能效法規對電動機的類型和定額的規定，詳細分析了兩國法規對電動機的效率及其測試方法的要求，通過具體實例給出了對比結果，為國內能效電機的出口企業提供了技術幫助。

關鍵詞：能效法規； 電動機的效率； 效率測試方法

0引言

電動機作為各種設備的驅動動力，廣泛應用于工業、商業、公用設施和家用電器等領域。對一般工業發達國家及較大的發展中國家，電動機的用電量在各個國家的總用電量中占有相當大的比重。據統計，這個比重在美國達到了50%，在歐盟達到了42%，而在中國這個比重更是高達70%。據英國和歐盟相繼對不同型式電動機在全部電動機用電量(除家用電器外)的比例統計結果顯示，電動機總用電量中的90%是由異步電動機所消耗。因此，從能源節約和環境保護的角度出發，目前世界上許多國家包括美國、加拿大、歐盟以及我國在內都相繼將異步電動機的效率作為強制性指標來考核，并采用法律行政手段來積極推進。

1北美能效法規

北美能效法規主要包括美國能效法規和加拿大能效法規。

美國是世界上第一個采用法律形式來推廣高效電動機的國家，早在1992年，美國國會就通過了“能源政策法令(Energy Policy Act， EPACT)”，其中對電動機的最低效率做出了規定，并于1997年生效實施。為了進一步推進節能政策，美國隨后對能效法規進行了四次更新，其現行有效的法規為能源部(Department of Energy, DOE)于2014年5月29號發布的10 CFR Part 431,其中對電動機的能效要求主要分布在Subpart B和Subpart X兩大子部分，類型包括開啟式或封閉式單、三相異步電動機。法規對于Subpart B規定范圍內的電機(消防泵電機除外)，全部要求其標稱效率達到超高效率水平(Premium Efficiency),其中封閉式結構電機的效率水平相當于歐洲能效電機IE3，時間上的緩沖周期為24個月，即于2016年6月1號正式生效。法規對于Subpart X規定范圍內的電機，分為兩步走逐步生效實施，第一步是針對獨立使用或作為部件裝配在能效法規未覆蓋的系統設備中的電機(該電機可以不用單獨取得安全認證)，能效法規已經于2015年3月9號生效；第二步是針對單獨出售時需要取得安全認證的通用電動機，能效法規將于2017年3月9號生效。

加拿大也在1992年制定了能源效率法令(EEACT)，并規定于1995年開始正式生效。其電動機效率指標和當時美國EPACT相同，隨后定期更新，以跟隨美國能效法規的發展要求。其現行有效的法規是由加拿大自然資源部(Natural Resource Canada, NRcan)于2011年1月1號正式實施的。其對電動機部分的要求僅包含三相籠型異步電動機，效率要求分為普通高效和超高效兩大類。

北美能效法規對電動機的要求包含了電機的類型及范圍、效率指標、測試方法、評定程序、能效標志以及監管要求等內容。本文重點分析能效法規對電動機的效率及測試方法的要求，并請注意：

(1) 本文中所說的電機是指電動機，法規是指能效法規；

(2) 據悉，加拿大法規將于今年下半年更新，部分法規將有所調整，具體以新法規為準。

2能效電機的范圍

美國和加拿大現行的能效法規都對電機類型和定額具有明確的規定，而對于這一規定，兩國根據各自的實際情況又有不同之處，具體描述如下：

2.1加拿大能效法規

電機范圍為旋轉電動機，或直接驅動負載，或作為部件裝配于其他系統設備中間接驅動負載，不管此系統設備是否有能效要求。具體包含如下內容：

(1) 單速、三相籠型異步電動機;

(2) 連續工作制;

(3) 機座號帶T或U的NEMA設計A、B、C電機，或機座號為IEC90及以上的N或H設計的電機；

(4) 額定輸出功率范圍為1～500HP；

(5) 額定電壓不高于600V;

(6) 額定頻率為50/60Hz或60Hz；

(7) 極數為2、4、6、8極；

(8) 外殼防護型式為開啟式或封閉式結構，防護等級為IP00～IP66;

(9) 底腳式安裝或法蘭式安裝結構；

(10) R型或S型標準軸伸結構，或緊湊型安裝的泵類電機或立式安裝實心軸帶普通止推軸承的電機。

注意： 包含適合以上內容的防爆電機及齒輪減速電機。

目前被法規排除在外的電機如下：

(1) 額定輸出功率大于200HP的NEMA設計A或C電機；

(2) 額定輸出功率大于200HP的IEC H設計的電機。

2.2美國能效法規

包含Subpart B和Subpart X兩大子部分，對應不同的電機類型及定額范圍，具體描述如下：

2.2.1Subpart B內容

(1) 單速、三相籠型異步電動機；

(2) 連續工作制；

(3) 供電頻率為交流三相正弦波60Hz；

(4) 額定電壓小于600V；

(5) 極數為2、4、6、8極；

(6) NEMA 3位數或4位數機座號(或等效的IEC機座號)，包括機座號位于2個連續NEMA機座號之間(或等效的IEC機座號)的，或封閉式NEMA 56機座號(或等效的IEC機座號)；

(7) 外殼防護型式為開啟式或封閉式結構；

(8) 額定輸出功率范圍為1～500HP；

(9) NEMA設計A、B、C電機，IEC N或H設計的電機。

注意： 包含適合以上內容的分裝式電機及消防泵電機。

目前被法規排除在外的電機如下：

(1) 帶風扇對機殼表面進行冷卻的電機(air-over motor)；

(2) 電機的部件；

(3) 液體冷卻的電機；

(4) 潛水電機；

(5) 專用變頻器電機。

2.2.2Subpart X內容

(1) 小型交流單、三相異步電動機；

(2) 單速運轉；

(3) 開啟式結構；

(4) 單相電機包含電容起動式或電容起動電容運轉式；

(5) NEMA2位數機座號(或等效的IEC機座號)；

(6) 額定輸出功率范圍為0.25～3HP；

(7) 極數為2、4、6極。

3能效法規對電機效率的要求

加拿大現行能效法規根據電機不同設計，將效率要求分為普通高效和超高效兩大類。美國現行能效法規對于子部分Subpart B范圍內封閉式結構的電機(消防泵電機除外)，全部要求其標稱效率達到超高效水平。對于子部分Subpart X范圍內的電機，類型及定額與Subpart B相同的部分(忽略機座號的不同)，要求其平均效率等于或略低于超高效水平。

3.1效率指標

在分析效率指標之前，有必要理解一下標稱效率(Nominal Efficiency)的概念。標準NEMA MG1—2014條款12.58.2對其解釋如下：

對于相同設計的電機，由于材料、加工工藝的偏差以及測試的誤差，導致批量生產的電機滿載效率之間產生了差異。這些效率既不是一個單一的數值，也不是一個范圍，因此在NEMA MG1—2014表12～10確定了一系列具有邏輯關系的標稱效率及其對應的最小效率值，用來反映一臺電機或多臺電機消耗電能的水平。

對于大批量生產的電機，標稱效率一般都小于或等于平均效率。標稱效率需要標示在電機銘牌上，并且單臺電機在額定條件下運行時，其滿載效率應不低于標稱效率所對應的最小值。

目前北美能效法規及歐洲能效法規都是對電機的標稱效率做出了規定，具體標稱效率值都選自于表1。

3.1.1加拿大能效法規的效率指標

3.1.1.1超高效率指標

對于法規范圍內符合以下所有條件的電機，其最低標稱效率需滿足表2中的要求：

表1　標稱效率指標

(1) 額定輸出功率范圍為1～200HP；

(2) 極數為2、4、6極；

(3) NEMAT機座號或IEC90及以上機座號；

(4) NEMA設計A、B或IEC N設計的電機；

(5) 底腳式安裝、C型端蓋式安裝(有底腳或底腳可拆卸)或D型法蘭式安裝(有底腳或底腳可拆卸)；

(6) R型或S型標準軸伸結構，以及等效的IEC軸伸結構。

但對滿足以上條件的齒輪減速電機或消防泵電機，不作超高效率要求。

表2　(60Hz)超高效率指標

3.1.1.2普通高效率指標

對于法規范圍內符合以下任一條件的電機，其最低標稱效率需滿足表3的要求：

(1) 極數為8極；

(2) NEMAU機座號；

(3) NEMA設計C或IEC H設計；

(4) 緊湊型安裝的泵類電機；

(5) 立式安裝實心軸帶普通止推軸承的電機；

(6) 消防泵電機；

(7) 無底腳式安裝，包括C型端蓋式安裝(無底腳)或D型法蘭式安裝(無底腳)；

(8) 齒輪減速電機；

(9) 額定輸出功率范圍為200～500HP，2、4、6極，NEMA設計B或IEC N設計。

表3　(60Hz)普通高效率指標

3.1.2美國能效法規中效率指標

3.1.2.1Subpart X效率指標

(1) 小型交流三相異步電機,滿載時平均效率要求見表4。

表4　小型三相異步電機效率指標

(2) 小型交流單相異步電動機,滿載時平均效率要求見表5。

表5　小型單相異步電機效率指標

3.1.2.2Subpart B效率指標

從2016年6月1日起，美國能效法規Subpart B根據電機的不同設計，對其效率指標簡化為三部分，分布在三個表格中，具體見表6～表8。

表6　超高效率指標NEMA設計A、B及IEC N設計(不包含消防泵電機)60Hz

續表

表7　超高效率指標NEMA設計C及IEC H設計(60Hz)

表8　普通高效率指標消防泵電機(60Hz)

續表

3.1.3效率指標對比

對于美國能效法規Subpart X的內容，目前加拿大法規中還沒有包含，而對于美國能效法規Subpart B，其包含的電機類型、機座號范圍以及定額范圍，與加拿大能效法規的內容幾乎相同，所以有必要對這兩部分的內容進行比較，如表9所示。

表9　美國能效法規Subpart B和加拿大能效法規的效率指標對比

3.1.4效率驗證方法

效率驗證方法包含效率確定方法、測試所依據的標準及抽樣判定方法，目前兩國能效法規對效率的驗證方法有著各自的規定。

3.1.4.1美國能效法規對效率的驗證方法

(1) 效率確定方法。Subpart B和Subpart X對效率的確定方法一樣，可以采用測試的方法或替代效率確定方法(AEDM)。AEDM適合于一個基本型號設計時采用能夠代表其機械和電氣特性的數學模型，基于工程或統計分析，采用計算機仿真建模或其他分析方法評估電機的性能數據。如果客戶需要采用AEDM的方法確定效率，首先需要將所采用的數學模型、通過仿真分析的性能數據以及至少5個型號的效率測試數據提交給美國能源部DOE進行審核。如果這些型號通過仿真分析所得總損耗值與測試所得的總損耗值偏差在±10%范圍內，則認為AEDM的準確度和可靠性已滿足要求。本文重點介紹采用測試的方法確定效率。

(2) 測試所依據的標準。Subpart B規定效率測試依據IEEE Std 112—2004 B法或CSA C390—10；而Subpart X根據電機種類和功率范圍規定了不同的測試方法，具體如下：

① 小型單相異步電機： 依據IEEE Std 114-2010或CSA C747；

② 功率小于或等于1HP的小型三相異步電機： 依據IEEE Std 112—2004 A法或CSA C747；

③ 功率大于1HP的小型三相異步電機： 依據IEEE Std 112—2004 B法或CSA C390—10。

(3) 抽樣原則。Subpart B和Subpart X的抽樣原則是一致的，具體內容如下：

① 至少抽取5個型號，每個型號至少提供5臺樣機進行測試(除非此型號在180天內所生產的數量不足5臺，那么這些電機每臺都需要測試)，其中有2個型號是制造商在上一年度或之前12個月期間有較大的生產量；

② 所抽取的每個型號應具有不同的輸出功率；

③ 所抽取的每個型號應具有不同的機座號；

④ 希望抽取的每個型號所對應的效率值應是其他型號中具有同樣定額電機所對應效率中的最小值。

(4) 效率判定方法。Subpart B和Subpart X的效率判定方法是一致的。對于所抽取每個型號至少提供5臺樣機進行測試的結果，滿足式(1)要求即可判定合格：

① 效率平均值應大于或等于式(1)計算值：

(1)

式中：n——樣機的數量；

Xi——第i個樣機測量的滿載效率值。

其中： 對于Subpart B中的電機，RE是指對應表格中的標稱效率；對于Subpart X中的電機，RE是指對應表格中所要求的平均效率。

② 最小效率值應大于或等于式(2)、式(3)的計算值：

Xmin=min(Xi)

(2)

(3)

此條件僅對Subpart B中的電機有要求。

3.1.4.2加拿大能效法規對效率的驗證方法

加拿大能效法規規定采用測試的方法進行效率的確定，測試所依據的標準為CSA C390-10。法規并沒有明確規定抽樣原則和效率的判定方法，而是依據所認可的第三方機構相應的規定。本文以CSA(加拿大標準協會的簡稱)的規定來說明。

(1) 抽樣原則。基本上與美國能效法規相同，不同之處在于每個機座號都要抽取樣機，并包含到所有極數和所有電壓種類，要求每個型號至少提供一臺樣機。

(2) 效率判定方法。樣機測試所得效率的平均值應大于或等于標稱效率，而每臺樣機測試的效率值應不低于標稱效率所對應的最小值(見表1)。如果每個型號只提供一臺樣機進行測試，那么這臺樣機的效率測試結果應大于或等于標稱效率。如果這臺樣機的效率測試結果小于標稱效率，那么需要增加樣機進行測試，直到樣機測試所得效率的平均值大于或等于標稱效率為止。

關于效率的判定方法，從上述來看兩國法規稍有不同，舉例說明見表10的內容。

表10　舉例說明兩國法規對效率判定方法的區別

從表10中可以看出，對于樣機測試效率的平均值，美國法規驗收的要求稍低于加拿大法規；而對于樣機測試效率的最小值，美國法規驗收的要求則稍高于加拿大法規。兩者之間的差異隨功率的大小而變化，功率越大，差異越小。

4對效率測試方法的分析

對于同一臺電機采用不同的測試方法得出來的效率值相差較大，因此在進行效率評價時，前提必須是采用相同的測試方法。

如前面3.1.4所述，加拿大能效法規要求效率測試依據標準CSA C390-10中的方法進行，而與加拿大能效法規包含相同的電機類型和定額范圍的美國法規Subpart B，則要求效率的測試既可以依據標準CSA C390-10的方法進行，也可以依據標準IEEE Std 112—2004中的B法進行。

CSA C390-10中效率測試方法也稱為測量輸入和輸出功率的損耗分析法，其中間接測量負載雜散損耗和直接測量定子鐵耗、機械損耗、定子銅耗、轉子銅耗。IEEE Std 112—2004中對B法的描述也稱為測量輸入和輸出功率的損耗分析法。至此，我們可能會提出疑問： CSA C390-10的測試方法和IEEE Std 112—2004中的B法是否完全一樣？如果一樣，那么這兩個測試方法將可以合二為一，沒必要再分開描述了。為此，本文對這兩種方法進行了詳細的分析和對比。

4.1試驗程序

兩種方法的試驗程序基本相同，具體如下描述：

(1) 溫升試驗。效率測試過程中溫升試驗的目的是確定電機在額定負載條件下達到熱穩定時定子繞組的溫度。為了縮短試驗時間，在試驗初期允許加大負載加快熱平衡，預計溫升快要穩定時將負載降至額定直至溫升穩定。對于溫升穩定的判斷，兩個標準稍有不同，加拿大標準認為半小時內繞組溫度變化不超過2K則認為溫升已穩定，而112B法(IEEE Std 112—2004中B法的簡稱)判斷溫升穩定的條件是半小時內繞組溫度變化應不超過1K。試驗時采用電阻法確定繞組的溫度，熱態電阻需要在轉子停止旋轉后盡快測量，如果不能在表11規定的時間內完成，則需要采用外推法或插值法確定。

表11　測量熱態電阻的延遲時間

(2) 負載試驗。試驗時需要選取6個負載點進行，其中在25%～100%負載之間，大致均勻選取4個負載點，其余2個負載點應在100%～150%負載之間大致均勻選取。試驗從最高負載點開始，依次降低至最低負載點進行。為減少試驗過程中溫度變化對試驗結果的影響，試驗時間應盡可能短，整個過程中繞組測量的溫度與溫升試驗時繞組最高溫度相差不超過10K。

在每一負載點處，需記錄轉矩、輸入功率、三個線電壓、三個線電流、轉速、定子繞組溫度、環境溫度和頻率。

負載測試時，對于被試電機轉矩的測量是否需要修正，C390-10和112B法的要求相同，即當轉矩的測量是通過位于被試電機與測功機(負載)之間的轉矩傳感器進行，那么所測的轉矩就近似等于被試電機軸端輸出的轉矩，設備之間連接產生的機械損耗對效率測量結果的影響很小，一般來說不必再進行修正。對于這一點要求，國家標準GB/T 1032—2012條款7.3中也有著近似的描述，認為轉矩的修正是適用于轉矩測量儀與被試電機之間有軸承的情況。

如果轉矩需要修正，C390-10和112B法對修正測試的方法相同，這也與國家標準GB/T 1032—2012條款7.3內容一樣,本文不再贅述。

(3) 空載試驗。空載試驗的目的是確定被試電機的鐵耗和機械損耗。C390-10要求試驗時至少選取6個空載點進行，其中在60%～125%額定電壓之間，大致均勻選取至少3個點(中點盡量靠近100%額定電壓)，在20%～50%額定電壓之間，也大致均勻選取至少3個空載點進行測試，電壓最小點的電流要達到最小的穩定電流。112B法對于空載測試點數的選確沒有明確的要求，只是規定試驗過程中電壓從125%額定電壓變化到空載電流達到最小的穩定電流為止。

當空載運行穩定后，在每一空載點處記錄輸入功率、三個線電壓、三個線電流、定子繞組溫度及頻率。空載運行穩定的條件是半小時內輸入功率變化不超過3%。

4.2數據計算

數據計算的過程也就是從上述試驗測量值中計算出定子鐵耗、機械損耗、定子銅耗、轉子銅耗以及負載雜散損耗共五大損耗的過程。對于機械損耗、定子銅耗、轉子銅耗以及負載雜散損耗的計算，C390-10和112B法的處理方法相同，并且定、轉子銅耗以及負載雜散損耗的計算也與國家標準GB/T 1032—2012中相應的內容一致,本文不再贅述。

對于定子鐵耗計算，C390-10和112B法的處理方法不同，具體分析如下：

4.2.1C390-10 中鐵耗計算

首先通過空載試驗時在60%～125%額定電壓之間所記錄至少3個點的參數來確定鐵耗+機械損耗之和Pcore+mec與空載平均電壓U0之間的關系曲線I，然后計算出負載試驗下6個負載點時施加于鐵心中的電壓降Vcorr(i)，根據所計算的鐵心壓降從所得的曲線I中得出每個負載點下對應的鐵耗+機械損耗之和Pcore+mec(i),然后再減去機械損耗Pmec，最后得出每個負載電壓下的鐵耗值PFe(i)。在異步電機損耗分析計算中，機械損耗認為是不變損耗,為了更清楚地描述計算過程，可作如下推導：

(1) 首先確定Pcore+mec∝U0的關系曲線I；

(2) 計算出6個負載點的鐵心壓降Vcorr(i)，i表示不同的負載點；

(3) 從曲線I中得出對應于不同鐵心壓降Vcorr(i)下的鐵耗和機械損耗之和Pcore+mec(i)；

(4) 然后從所得的鐵耗和機械損耗之和減去機械損耗，即可得到每點的鐵耗PFe(i)=Pcore+mec(i)-Pmec。

4.2.2112B法中鐵耗的計算

相比C390-10中的計算要簡單明了。先根據空載試驗所記錄的參數值確定出鐵耗與電壓之間的關系曲線，然后根據每個負載下的平均電壓得出相應的鐵耗值。

4.3兩種方法測試結果的對比

同一臺電機按4.1的程序進行測試，記錄的原始數據分別按C390-10及112B法進行處理，得出額定負載下各損耗值及效率值，如表12所示。

表12　C390-10和112B法測試結果對比

從表12可以看出，采用C390-10方法處理得出的鐵耗值都較低，這是因為鐵耗的大小與電壓成正比，采用C390-10所得的鐵耗值是對應于定子鐵心中的壓降(從總電壓降中減去定子繞組的電阻壓降)，而采用112B法所得的鐵耗值是對應于總電壓降。由于兩種方法對負載雜散損耗的求取方法都是采用剩余損耗法(即基于剩余損耗與轉矩平方的關系，采用線性回歸分析法得出負載雜散損耗)，所以鐵耗值的不同導致負載雜散損耗值也略有不同，但最后兩種方法所得的效率值幾乎相同，最大僅相差0.1%。

112B法目前是世界上比較公認的一種效率測試方法。為了驗證其準確性，英國諾丁漢大學曾經采用熱量計量法計算電動機的效率，數據標明熱量計量法和112B所測的結果相當接近，平均值僅相差0.12個百分點。如前所述，采用C390-10所測的效率與112B幾乎相同，因此可以說C390-10測試效率的準確性也很高，并且筆者認為其對鐵耗的計算更接近于實際值。

5結語

我國是一個能效電機出口大國，對于國內出口北美市場的電機企業，在國際貿易中首先需要對北美能效方面的技術法規和技術標準了解清楚，才能積極應對貿易中的技術壁壘。希望本文的分析結果能對企業的出口提供幫助。

【參 考 文 獻】

[1]秦和.電動機的能效水平及其影響.中小型電機,2003,30(1)： 1-13.

[2]美國能效法規10 CFR Part 431 Subpart B, Subpart X.

[3]加拿大能效法規NRcan.

[4]NEMA MG-1—2009 Motors and Generators.

[5]IEEE 112—2004 IEEE Standard test procedure poly-phase induction motors and generators.

[6]CSA C390-10 Test methods, marking requirements, and energy efficiency levels for three-phase induction motors.

[7]IEC 60034-30-1 Efficiency classes of line operated AC motors(IE code).

[8]GB/T 1032—2012三相異步電動機試驗方法.北京： 中國標準出版社，2012.

作者簡介：李軍麗(1977—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向為旋轉電機及其標準技術的分析。

中圖分類號：TM 306

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)06- 0084- 10

收稿日期：2016-05-21

Analyze the Requirement of Motor’s Efficiency and Test Method Prescribed by America’s EPCA and Canada’s NRcan

LIJunli

(CCIC-CSA International Certification Co.,Ltd., Shanghai Branch, Shanghai 200000, China)

Abstract：Describes the motor’s category and electric rating included in the energy efficiency regulation prescribed by America’s EPCA and Canada’s NRcan respectively, analyze the requirement of motor efficiency and test method, illustrate the difference between the two regulations. This analysis result provide reference for export motorcompany in china.

Key words：energy efficiency regulation; motor efficiency; test method of efficiency