IE5能效等級中小型三相異步電動機效率測試方法對比分析*

徐崇巍, 潘文文

[上海電器科學研究所(集團)有限公司,上海 200063]

0 引 言

我國電動機能效標準GB 18613—2020[1]已于2021年6月正式實施。標準規定的1級能效相當于國際電工委員會(IEC)標準的IE5效率，較IE3能效電動機又提升了3%左右的效率，并規定了效率測試方法采用GB/T 1032—2012 《三相異步電動機試驗方法》中的B法(損耗分析法)[2]。在實際運行中，大部分電動機容量選擇比系統需求大，使得電動機經常運行在輕載狀態，出現“大馬拉小車”的現象，造成能源浪費，而且，生產機械大部分時間是變負載運行，其平均輸出功率與最高輸出功率之比一般為0.3～0.4，有的還更低，運行點常常偏離額定工作點。因此，準確測量三相異步電動機現場運行效率顯得尤為重要。

以IE5能效等級為目標，研究人員利用鑄銅轉子技術[3]、低壓不等匝繞組技術[4]、低損耗硅鋼材料技術[5]等技術進行設計，已經研制出三相異步電動機測試樣機[6]。為進一步探討不同的測試方法(A法、B法和E1法)對電動機效率測試結果的影響，本文對3種規格的IE5能效等級電動機樣機在不同測試方法下開展效率測試，進行了對比分析。

1 試驗方法介紹

低壓中小型三相異步電動機采用GB/T 1032—2012 《三相異步電動機試驗方法》中“試驗準備”“熱試驗”“負載特性試驗”及“空載試驗”等內容規定的試驗方法進行低壓電動機能效的測試，并根據“效率的確定”中的計算方法，最終計算得到電動機的效率[7]。本文主要針對A法、B法和E1法之間的差異進行分析。

(1) A法，即輸入輸出法。該方法由測得的輸出功率與輸入功率之比獲得電機的效率。效率值與測試時的冷卻介質溫度值直接有關。為提高測試結果的準確性和便于分析比較，需用修正到基準冷卻介質溫度(25 ℃)的輸出功率和輸入功率計算電機的效率。

在該方法下，無需進行損耗分離，由記錄的輸入功率、輸出功率、繞組溫度及環境溫度進行折算，并進行轉矩修正，最終計算出電機效率[8]。

(2) B法，即輸入功率和輸出功率的損耗分析法。該方法要求將損耗修正至各負載點繞組溫度，并對剩余損耗進行線性回歸分析，要求計算后相關系數≥0.95方可認為結果有效。

(3) E1法為輸入功率的損耗分析法。與B法不同的是，在進行負載特性試驗時，E1法無需測量轉矩、轉速等輸出信息，其雜散損耗按GB/T 1032—2012中的推薦值法確定。A法、B法和E1法需要測試的參數如表1所示。

由表1可見，A法與B法需要測試的參數差異主要體現在空載試驗部分，E1法則在負載特性試驗中無需記錄轉速、轉矩相關數據，增加了計算過程中的不確定度。

表1 A法、B法和E1法需要測試的參數

2 試驗準備

2.1 試驗電源準備

三相異步電動機的性能不僅與電源電壓和頻率相關，還與電壓波形和電壓系統的對稱性及頻率的偏差和穩定性有關。對于試驗電源的要求如下：

(1) 電壓波形，試驗電壓的諧波電壓因數(HVF)應符合GB/T 1032—2012中“端電壓波形”的要求。

(2) 三相電壓系統對稱性，三相電壓系統的負序分量應小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響應予以消除。

(3) 頻率，試驗過程中頻率的波動量應在額定頻率的±0.3%范圍內。

2.2 試驗設備準備

試驗設備包括直流雙臂電橋、功率分析儀、電流互感器、溫度傳感器、轉矩轉速傳感器等。設備的精度等級直接影響試驗的數據準確性，應在滿足GB/T 1032—2012中“測量儀器與測量要求”規定的前提下，盡可能使用精度等級更高的設備。試驗設備精度等級要求如表2所示。

表2 試驗設備精度等級要求

3 測試結果及分析

本文選用3種規格的試制樣機，分別為YE5-100L1-4(2.2 kW)、YE5-112M-4(4 kW)和YE5-280S-8SH(37 kW)，每個規格各有2臺樣機進行測試。

3.1 測試結果匯總

通過對3種規格的IE5電動機測試，整理出A法、B法和E1法測試結果，具體數據如表3～表5所示。

表3 2.2 kW四極電動機測試結果匯總

表4 4 kW四極電動機測試結果匯總

表5 37 kW八極電動機測試結果匯總

3.2 測試結果分析

3.2.1 各方法所得效率分析

采用A法、B法和E1法測試，計算得到的效率結果如圖1所示。

圖1 采用A法、B法和E1法測得的效率結果

由圖1可見，采用B法，各臺IE5試制樣機的計算效率均能達到GB 18613—2020 《電動機能效限定值及能效等級》中1級能效的要求。

通過對比分析可知，采用B法所得的計算效率要高于其他兩種方法的計算效率：以B法計算效率為基準，對于2.2 kW四極電動機，B法計算效率相較于其他方法高了1.08%～1.55%；其他兩個規格的IE5試制樣機測試結果類似，B法計算效率較其他方法高了0.46%～1.56%。

3.2.2 各方法參數分析

A法無需計算各項損耗，因此無法就損耗將A法與其他方法進行對比。

損耗方面，B法和E1法的主要區別在于雜散損耗。B法的雜散損耗是通過線性回歸計算得到的，而E1法的雜散損耗是由推薦值法計算的，以1號電動機為例，兩種方法差值為24.3 W，占B法輸入功率的0.82%。增加差值后，B法計算效率將與E1法基本一致。

同理，對4 kW四極電動機和37 kW八極電動機進行分析，B法與E1法之間的差異主要體現在雜散損耗。隨著電動機能效等級的提升，雜散損耗逐步降低，E1法的雜散損耗不確定度被逐步放大，因此E1法不適合用于測試IE5電動機的效率。E1法適用于1 000 kW以上、B法難以測試的電動機。

根據測試數據繪制出IE5三相異步電動機雜散損耗占比曲線，并根據GB/T 1032—2012中的推薦值法繪制出推薦雜散損耗占比曲線，如圖2所示。由圖2可見，對于IE5三相異步電動機，考慮雜散損耗,B法計算效率比E1法高了1%以上。

圖2 三相異步電動機雜散損耗占比

直接由原始記錄擬合效率曲線，發現A法在額定輸出時效率與B法基本一致，在擬合輸入功率曲線時，讀數發生了微小的偏移，擬合后輸入功率發生了明顯偏移。在采用A法測試時，設備精度越高，結果偏差越小。

4 試驗設備精度對最終結果的影響

根據表2試驗設備精度等級要求，分別對A法、B法和E1法中設備對試驗結果的影響進行分析。

4.1 試驗設備精度對A法結果的影響

在A法的計算中，主要計算參數為輸入功率、轉矩、轉速、繞組溫度、冷卻介質溫度，涉及設備為功率分析儀、轉矩傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器。以1號樣機2.2 kW四極電機為例，具體精度等級、量程及允許誤差如表6所示，樣機相關數據情況如表7所示。

表6 A法計算中設備精度等級、量程及允許誤差

表7 A法計算中樣機數據情況

根據計算，效率區間為87.60%～92.75%，區間范圍為5.15%。若將功率分析儀、轉矩傳感器和轉速傳感器的精度等級分別提高至0.2級、0.2級及±0.5 r/min，則效率區間為89.09%～91.22%，區間范圍為2.13%，區間范圍降幅58.64%。這再次證明，在采用A法測試時，設備精度越高，結果偏差越小。

4.2 試驗設備精度對B法結果的影響

在B法的計算中，主要計算參數為輸入功率、轉矩、轉速、繞組溫度、冷卻介質溫度，涉及設備為功率分析儀、轉矩傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器。以1號樣機為例，具體精度等級、量程及允許誤差如表8所示，樣機相關數據情況如表9所示。

表8 B法計算中設備精度等級、量程及允許誤差

表9 B法計算中樣極電機數據情況

根據計算，B法的計算效率區間為90.34%～92.51%，區間范圍為2.17%，與本文中使用更高精度等級設備的A法基本一致。但B法計算了多項電機損耗，可為研究者提供更多對比信息和優化方向。

4.3 試驗設備精度對E1法計算結果的影響

由于E1法為B法的簡化方法，且其設備精度要求比B法低，在計算效率時，其不確定度更高。

5 結 語

為了準確測量三相異步電動機現場運行效率，對3種規格的IE5能效等級電動機樣機在不同測試方法下開展效率測試。通過對比分析，得出如下結論：

(1) 3個系列IE5能效等級試制樣機的B法計算效率均能達到GB 18613—2020 《電動機能效限定值及能效等級》中1級能效的要求。

(2) 在IE5能效等級中小型三相異步電動機效率測試中，B法的結果較E1法的結果普遍高1%以上，且隨著電動機能效水平的提升，E1法測試的不確定度會被放大。

(3) 由于A法直接受設備精度等級的影響，其計算結果偏差較大，在本次IE5電動機測試中，B法的測試結果較A法高0.44%～1.55%。

(4) 在設備精度等級相同的情況下，設備精度對A法和B法計算結果的影響均較小。B法計算了多項電機損耗,故對于研究開發者更具參考價值。