高效電機能效測試損耗修正分析

王麗嬋，李學文，朱明遠

中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007

效率是評判電機是否節(jié)能的首要指標，電機效率可簡記為電機輸出功率與輸入功率之比，但由于電機工作狀態(tài)、環(huán)境及測量方法的限制，很多時候均不能理想測量電機在規(guī)定條件下的額定效率，因而不能簡單地把不同工作狀態(tài)、不同工作環(huán)境以及不同測量方法下得到的效率進行簡單的比較，來判定電機效率。

1 電機損耗的組成

從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，電機可分為電動機和發(fā)電機，文章以三相異步電動機進行舉例分析。電源提供的輸入電流I1經(jīng)過電機的定子繞組產(chǎn)生電阻損耗，即定子繞組銅耗Pcu1。

式中：R1為定子繞組電阻。

三相對稱交變激磁電流Im流過三相對稱繞組時，在電機內(nèi)部會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁勢，由旋轉(zhuǎn)磁勢產(chǎn)生電機內(nèi)的旋轉(zhuǎn)主磁通φ1，即定子基波磁通，以同步速n1旋轉(zhuǎn)。主磁通φ1旋轉(zhuǎn)時，同時切割定子和轉(zhuǎn)子繞組，并在兩者中產(chǎn)生感應電動勢。在交變磁場的作用下，電機鐵芯上的磁疇來回翻轉(zhuǎn)摩擦，從而引起磁滯損耗。交變磁通在電機鐵芯內(nèi)也會感應電動勢和電流，這些電流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通成渦狀流動，稱為渦流，渦流在鐵芯內(nèi)會引起渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗共同組成電機鐵芯損耗，其與電機感應電動勢的平方成正比。因此，輸入功率P1中的另一小部分供電機鐵芯中的渦流及磁滯損耗，稱為電機鐵耗PFe。

式中：Rm為勵磁電阻。

輸入功率減去定子銅耗及鐵耗，其余部分則通過電磁作用從定子經(jīng)過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱為電磁功率PM。

電磁功率的小部分又轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子繞組中的電阻損耗，稱為轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2。

電磁功率的剩余部分即全部轉(zhuǎn)化為總機械功率PΩ。但是總機械功率并不能全部輸出，因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時還存在軸承摩擦、風阻摩擦等損耗，稱為機械損耗Pm。此外，由于電機定、轉(zhuǎn)子繞組中流過電流時，除了產(chǎn)生基波主磁通，還產(chǎn)生高次諧波磁通及漏磁通，這些磁通也隨著電流而交變。當這些磁通穿過導線、定轉(zhuǎn)子鐵芯、基座、端蓋等金屬部件時，會產(chǎn)生感應電動勢和渦流，并引起損耗，這部分損耗稱為附加損耗P△。

綜上所述，總機械功率減去機械損耗Pm及附加損耗P△后，得到異步電動機軸上的輸出功率P2。雖然電機中的各項損耗可以通過一定的試驗測試及基于一定的電機模型條件進行分析計算得出，但是通過型式試驗求取電機效率時，電機的測試條件和工作狀態(tài)往往不盡相同。如果只是用試驗時的輸出功率除以輸入功率進行效率的簡單求取，并將其用于對比，會由于比較基準不一致，不具有可比性。因此，為了使同類型電機采用相同效率測試方法測得的效率值具備一定的可比性，需將不同的前提條件修正至統(tǒng)一前提條件，建立統(tǒng)一的評價標準，使不同試驗條件下測出的電機效率盡可能地具備可比性，從而更真實地反映出電機在效率方面的優(yōu)劣性。

2 電機損耗數(shù)據(jù)的修正

2.1 定子銅耗

在額定輸入條件下，定子銅耗受定子電阻影響，電機繞組阻值隨溫度變化，且電阻阻值與溫度滿足：

式中：R1、R2、θ1、θ2分別為冷態(tài)和熱態(tài)下定子繞組的電阻和溫度；K為材料溫度系數(shù)。

由此可知，定子銅耗受溫度影響，在進行損耗分析時，需要消除不同溫度條件下產(chǎn)生的額外損耗。從使用者角度看，電機還有一個重要的技術指標——溫升，拋開溫升談效率或者拋開效率談溫升都不合適，使用者更關心電機穩(wěn)定溫升時的效率。溫升是電機運行溫度穩(wěn)定時繞組溫度與冷卻介質(zhì)溫度之差。當冷卻介質(zhì)溫度為10～40℃時，溫升不作修正，認為同一臺電機其溫升為固定值。但對于不同電機，由于產(chǎn)品差異，在冷卻介質(zhì)溫度相同的條件下，溫升值可能不同，即計算電機定子銅耗需要歸算至規(guī)定溫度條件下對比才有意義。規(guī)定溫度是假設電機在冷卻介質(zhì)溫度為25℃運行至穩(wěn)定溫升狀態(tài)時電機繞組的溫度值。即實際試驗時，冷卻介質(zhì)溫度為θc，穩(wěn)定溫升狀態(tài)時電機繞組溫度為θw，則規(guī)定溫度θs滿足：

如電機冷態(tài)電阻阻值為R1，溫度為θ1，則規(guī)定溫度下電阻Rs為

電流采用實測電流值，電阻采用上述換算至規(guī)定溫度下的電阻值，計算所得的定子銅耗經(jīng)過統(tǒng)一前提條件的修正。

2.2 轉(zhuǎn)子銅耗

轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化而變化，使得其損耗也相應變化，最終可以反映到轉(zhuǎn)差產(chǎn)生相應的變化上，滿足一次線性關系。因此，同樣采用將電阻值修正至規(guī)定溫度下的方法，對實測轉(zhuǎn)差進行修正，再用修正后的轉(zhuǎn)差乘以電磁功率，即可得到修正至規(guī)定溫度的轉(zhuǎn)子損耗。如試驗時實測的轉(zhuǎn)差為st，此時定子繞組溫度為θt，電機規(guī)定溫度為θs，修正的轉(zhuǎn)差ss為

采用修正的轉(zhuǎn)差計算轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2s=ssPM，從而使轉(zhuǎn)子銅耗經(jīng)過統(tǒng)一前提條件的修正。

2.3 電機鐵耗

電機鐵耗與感應電動勢的平方成正比。電機負載試驗時，在額定電壓條件下進行，故不同電機鐵耗比較的前提條件是一致的，無須修正。

2.4 電機械損耗

電機械損耗是由電機軸承摩擦及風阻摩擦產(chǎn)生的，與電機轉(zhuǎn)速相關。電機負載試驗時，電機處于額定轉(zhuǎn)速條件，故不同電機鐵耗比較的前提條件基本一致，無須修正。

2.5 電機附加損耗

影響電機附加損耗的因素較多，不易獲得。在電機試驗標準《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032—2012）中，對附加損耗的求取給出了多種不同的方式，可總結為直接測量法、間接測量法、推薦值法。不同的附加損耗求取方法均在不同電機模型或者假設條件的基礎上進行。

3 測試儀器讀數(shù)及測試不確定性的修正

在國標《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032—2012）中，電機效率的試驗方法有 A、B、C（C1）、E（E1）、F（F1）、G（G1）、H法等。上述試驗方案除了對電機各項損耗進行修正，還對測試儀器設備的測量值進行了修正，并且利用一定的計算方法，對測試的不確定性進行了修正。主要體現(xiàn)在以下方面：（1）A、B法中采用扭矩測量儀對電機輸出扭矩進行直接測量，需要通過連接負載與不連接負載的比對試驗，對扭矩測量儀的讀數(shù)進行修正，消除扭矩測量儀的影響。（2）B、C（C1）法中，在進行附加損耗計算時，采用線性回歸的計算法對測試的不確定性進行了修正。（3）F（F1）、G（G1）、H法都是在測試條件不足的情況下，間接求取效率的方法，是在一定假定條件下，通過一定的實際數(shù)據(jù)驗證，從而求取電機效率。（4）F（F1）法是通過不同頻率下的堵轉(zhuǎn)試驗求取等值參數(shù)，然后通過計算方法得到電機效率。（5）G（G1）法是通過等效折算法，假設當轉(zhuǎn)速保持恒定時，隨著電壓的降低，電機的負載電流隨電壓同比減少，功率隨電壓平方減少。通過一個小負載換算至額定情況，從而求取電機效率。（6）H法是根據(jù)電動機空載試驗和堵轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)求取電機參數(shù)，然后通過計算方法得到電機效率。

A、B、C（C1）、E（E1）、G（G1）法在求取效率時，實際都不是直接對額定點效率的簡單求取，而是對各個負載點均進行效率的計算，然后做出效率曲線，再從效率曲線上求取額定點的效率。

4 結束語

電機效率是電機的重要技術參數(shù)，對不同電機效率的比較要基于相同試驗條件的對比才具有意義。但因為每次試驗電機運行狀態(tài)、試驗條件不一致，所以在效率的求取過程中需要對電機效率計算過程中受影響較大的參量進行統(tǒng)一前提的修正。此外，電機效率求取是一個復雜的過程，不同試驗方法所建立的假設條件和電機模型不同，不同試驗方法下得出的效率并不適合進行直接比較。