高效率電動機能效測試與不確定度評定

曾立英，蘇邦偉，甘 浩

（國家工礦電傳動車輛質量監督檢驗中心，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著工業化程度的提高，環境惡化加劇，節能降耗、減排和減少溫室氣體排放等問題日漸突出，已成全球普通關注的重點，影響著世界經濟的發展?，F代工業生產中三相異步電機應用廣泛，在降低能耗的背景下，高效節能電機成全世界電機產業發展的共識；是我國“十三五”期間實施節能減排既定國策所重點關注的領域、更是持續提升工業能效和綠色發展水平，助推工業經濟高質量發展的重要內容。近年來國家政策高度重視，產業支持力度大，電機能效水平得到很大提高，但總能效水平仍較低。對于電機的生產及出口大國，國家非常重視高效電動機推廣工作，電機效率的準確檢測日益重要。參照IEC標準對電動機的能效等級評定和檢驗方法進行了修訂，現有效標準是GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級 》及GB/T 1032-2012《三相異步電動機試驗方法》，標志著能效等級評定和測試方法均已與國際接軌。高效電動機的損耗值非常小，準確地測量電動機的損耗和效率直接影響該行業健康發展。

1 效率測試程序及注意事項

1.1 效率測試程序

電動機效率評定GB18613-2012標準規定其檢測應按GB/T 1032-2012中的B法——測量輸入和輸出功率的損耗分析法。此法不需要理論上的假定及檢測中的模擬，檢出的是電機最趨近于實際運轉各項附加損耗之和。B法測量電機的效率，關鍵是檢測負載雜散損耗PS，通過空載、熱試驗和負載試驗得到電動機定、轉子繞組損耗Pcu1、Pcu2、鐵耗 PFe、風摩耗 Pfw和負載雜散損耗 PS，依此確定電機效率，其程序如下：

（1）空載試驗：實測冷態定子繞組直流電阻、環境溫度、輸入功率P1、電壓U、電流I和頻率f、分析后確定鐵耗PFe和風摩耗 Pfw。

（2）熱試驗：保持電源電壓和頻率穩定為額定值、實測輸入功率P1、電壓U、電流I、頻率f及輸出轉矩Ta、轉速n（即輸出功率P2），待溫升穩定后，斷電停機，迅速測量繞組直流電阻隨時間下降的關系曲線，分析后獲得定子繞組溫升△θ及斷電瞬間電阻。

（3）負載試驗：熱試驗基礎上，從1.5倍額定輸出功率開始到0.25倍輸出功率為止，實測輸入參數功率P1、電流I和輸出轉矩Ta、電機轉速n（即輸出功率P2）。通過分析獲得定子繞組損耗Pcu1、轉子繞組損耗Pcu2。

（4）數據分析。按標準剩余損耗：

將PL與軸轉矩T平方的函數關系繪制成P=AT2+B曲線，對PL與T的進行線性回歸分析，消除儀表與讀數誤差，即 PS=AT2，確定了 PS。

效率計算：

1.2 B法注意事項

實現B法必須具備符合標準要求的電源、電量測量儀、輸出機械功率測量儀器及負載設備，為保證測試精度應注意：

（1）供電電源一定要控制在標準要求范圍內。

（2）電量及轉速、轉矩傳感器精度至少為0.2級。

（3）測量冷態直流電阻R1C和溫度θC，應在繞組的溫度與周圍環境溫度之差不超過2K的狀態下，測量3次定子繞組電阻的平均值，且環境溫度θC應取距電機進風部位1～2m、測溫點高度為電機的1/2位置的2～3個測量點溫度的平均值。

（4）熱試驗和負載試驗時應保持電源電壓和頻率為額定值。

（5）溫升穩定后斷電停機，測量繞組直流電阻隨時間下降的冷卻關系曲線，要求在規定時間內準確完成，并且測量點不少于5個。

（6）安裝時，負載電機軸線與被試電機軸線保持同軸度良好并保證安全運行。

2 系統不確定度評定

“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。根據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示 》在整個測量過程中，影響測量結果的每個因素都將以各自的方式向最終結果傳遞，這種傳遞都必須建立相應數學模型，找出傳遞因子，合成得出最終測量結果的總不確定度。

2.1 數學模型分析

風摩耗以對約50%額定電壓至最低電壓點范圍內的各測試點值作空載特性曲線，將恒定損耗Pcon對（u0/uN）2的直線延長至零電壓，零電壓與縱軸上的截距。

鐵耗以對60%額定電壓和125%額定電壓之間的各電壓點，作PFe=Pcon-Pfw對u0/uN的關系曲線，不同負載時的鐵耗，根據電壓u0/uN在曲線上求得，空載額定電壓鐵耗以ub=uN確定。

再將剩余損耗PL對軸轉矩T2進行線性回歸分析，得直線斜率A，則PS=AT2。

以上公式中：P1—輸入功率；P2—輸出功率；P0—空載輸入功率；PST—視在功率；Pmech—軸功率；T—軸轉矩；Pocu1—空載定子銅耗；ΣP—總損耗 ΣP；η—效率；PFe—鐵耗；Pfw—風摩耗；θS—規定溫度；Pcu1—定子銅耗 （Pcu1s定子在規定溫度（θS）下的損耗）；Pcu2——轉子銅耗（Pcu2s轉子在規定溫度（θs）下的 損耗）；PS—負載雜散損耗；Pcon—恒定損耗；PL—剩余損耗；SS—規定溫度下（θs）轉差率；I1—定子電流；R1—定子繞組冷態電阻；ns—同步轉速。

以YE2-100L-4 3kW 1410r/min三相異步電機為例，作效率不確定度評定。

2.2 重復性測量的A類不確定度

在相同的試驗條件下（相同試驗程序、人員、檢測設備及地點），環境溫度16.5℃，相對濕度58%RH，分別對同一臺電機進行效率測量試驗，測試數據見表1。

表1 測量數據記錄Tab.1 Measurement data records

按JJF 1059-2012中貝塞爾公式得：

2.3 B類標準不確定度

B類不確定度直接測量法和間接測量。

電動機實際輸出功率采用測量輸入輸出功率的損耗分析法。

輸入功率P1為直接測量，其不確定度由電參數儀決定，采用橫河WP1800的電參數儀。根據其校準證書Urel（P1）=0.2%，K=2，所以由計量標準引入的不確定度分量為：

urel（Pcu1）為定子銅耗的相對合成B類不確定度：

urel（I）產生影響的是WP1800的電參數儀，查閱其校準證書，電流 Urel（I）=0.08%，K=2，所以由設備計量引入的不確定度分量為

urel（R）產生影響的是電阻測量儀，本試驗采用PC36C直流電阻測量儀，查閱其校準證書，不確定Urel（R）=0.03%，K=2，因此該設備計量校準引入的不確定度分量

urel（Pcu2）為轉子銅耗的相對合成B類不確定度

由于 Pcu2＝（P1－Pcu1－PFe），設定 PD=P1－Pcu1－PFe，則

其中：Pcu1=112.13，PD=3413.83，P1=3665.1，PFe=139.14，urel（P1）=0.1%，urel（Pcu1）=0.081%，urel（Pst）為轉差率相對合成B類不確定度，以電機實際轉速不確定度計，該試驗采用轉速傳感器。依據校準證書，un=0.1%，K=2。

由計量校準所引入的不確定度分量為：

urel（Pp0′）為電動機鐵耗和風摩耗的相對B類不確定度。

其中：Pp0′=PFe+Pfw=139.14+20.26=159.39，P0=201.2，Pocu1=39.22

urel（P0）電功率分析儀綜合標準不確定度計為0.10%

urel（Pocu1）由空載時電流示值及電阻值綜合標準不確定度計0.081%。

PS由線性回歸分析法確定。取決于P1軸功率Pmech、Pfw、PFe、Pcu1、Pcu2及相關系數，實際回歸數據，剩余損耗 PL＝AT2＋B、PL－B 與轉矩的平方成正比。

轉矩測量儀精度： urel（T）＝0.1%

按置信度95%置信因子K=1.96

采用損耗分析法，P2的相對合成B類不確定度為：

測量效率的相對B類不確定度urel1（η）為輸入功率P1、輸出功率P2相對不確定度的合成：

三相異步電機效率的擴展不確定度。

型號為YE2－100L－4 3kW異步電機效率測量的合成不確定度 urel1（η）為：

則擴展不確定度為：Urel（η）=2urel（η）=0.32%，K=2

3 結束語

目前世界上先進國家對電機效率低不確定度的測試方法及測試系統已發展成熟，運行良好，我國在能效測試標準上已與IEC一致，能效評定上要求采用三相異步電機效率測試方法B法測量輸入和輸出功率的損耗分析法，該方法要求儀器、設備精度高，穩定性好，人員操作、分析水平也要求較高，本文介紹了B法測試方法、操作注意事項，分析了影響效率測試準確的因素，同時，通過YE2－100L－4 3kW三相異步電機對我測試系統進行了不確定度評定，從而得到比較符合實際的電機效率，對電機能效評級及節能設計提供了比較可靠的依據。