張智華，李勝永，陳偉華，孫 旭

(1.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通226010;2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海200063)

0 引 言

電動機是實現(xiàn)負(fù)載驅(qū)動的重要裝置，是工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的動力裝備，因此對電機及其拖動系統(tǒng)的節(jié)能研究是目前關(guān)注的熱點問題。

電機效率的提高直接影響到電機的能效狀態(tài)，因此電機能效測試方法的研究變得迫切，尤其隨著高效、超高效電機的推行，電機能效測試系統(tǒng)也需相應(yīng)的推進(jìn)和更新。本文通過對能效測試方法112B法的分析，在此基礎(chǔ)上來設(shè)計高效電機能效測試系統(tǒng)則符合今后的節(jié)能發(fā)展需求［1－2］。

1 低不確定度電機效率測試方法及原理

IEC 規(guī)定的高效電機低不確定度測試方法為輸入輸出損耗分析法，即112B 法，它是能比較真實反映電機實際工作效率水平的試驗方法［3－4］。

1.1 基本測試步驟分析

a)直接負(fù)載法下額定負(fù)載熱試驗。額定負(fù)載是指電動機軸端輸出額定功率，并在試驗過程中保持額定電壓、額定頻率和額定輸出。

b)負(fù)載試驗按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。其重點是在實際負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行試驗，使負(fù)載試驗數(shù)據(jù)接近額定負(fù)載熱試驗情況，為此負(fù)載試驗最好是緊接在熱試驗之后進(jìn)行。

c)轉(zhuǎn)矩讀數(shù)修正值的測定，如負(fù)載用消耗法(直接發(fā)電機)或回饋法(變頻回饋)測定。

d)進(jìn)行空載試驗，目的是求取被測電機鐵耗和風(fēng)摩耗。為了測得準(zhǔn)確的鐵耗和風(fēng)摩耗數(shù)值，讀取足夠的空載試驗數(shù)據(jù)是必須的，為此，在0.2UN≤U0=0.5UN范圍內(nèi)，至少設(shè)置5 個電壓點(包括電流不穩(wěn)定點)，在0.6UN＜U0≤1.25UN范圍內(nèi)，至少設(shè)置5 個電壓點(包括U0=UN)，這樣獲得的試驗結(jié)果會有較好的重復(fù)性。

1.2 各項損耗的確定

(1)風(fēng)摩耗pfw的確定

空載輸入功率P0是電動機空載運行時的總損耗，它主要包括:試驗溫度下定子繞組銅損耗、鐵耗、風(fēng)摩耗、轉(zhuǎn)子銅損耗以及空載雜散損耗。由于空載雜散損耗已計入鐵耗，空載試驗時電動機的轉(zhuǎn)速n0接近同步轉(zhuǎn)速ns，即轉(zhuǎn)差率s0≈0，所以轉(zhuǎn)子銅損耗可以忽略不計。當(dāng)U0降到很低時，此時電動機的轉(zhuǎn)速n 會不穩(wěn)定或轉(zhuǎn)速n0降低，表現(xiàn)為定子線電流不穩(wěn)或上升，這時轉(zhuǎn)子銅損耗相對于此時的輸入功率而言已不可忽視，因此計算p'0 時，這一不穩(wěn)定點的試驗數(shù)據(jù)應(yīng)舍棄。

由P0減去試驗溫度下的定子銅損耗，即為鐵耗pFe和風(fēng)摩耗pfw之和p'0，p'0又稱不變損耗，可認(rèn)為p'0與負(fù)載無關(guān)。

式中:P0為空載輸入功率，由功率表測量而得，其數(shù)值是比較準(zhǔn)確的;I0為空載線電流的算術(shù)平均值，由電流表測量而得，數(shù)值比較準(zhǔn)確;R0為試驗溫度下定子繞組三相端電阻的平均值。

pfw的確定:對U0≤0.5UN的各試驗點，至少需有4 組有效數(shù)據(jù)，作=f(U0/ UN)2曲線，此曲線為一直線，延長此直線至U0=0 處，與縱軸交于M點，M 點的縱坐標(biāo)即為pfw(如圖1 所示)，pfw可用手工作圖法求得，也可用線性回歸分析法求得。若用線性回歸分析法，相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于0.95，至少應(yīng)當(dāng)有4 ～5 組有效數(shù)據(jù)，才可以得到較好試驗結(jié)果，即使得試驗數(shù)據(jù)有重復(fù)性。pfw僅與電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與外施試驗電壓無關(guān)，所以可以作= f(U0/UN)2曲線求取pfw。

圖1 風(fēng)摩耗和鐵耗求取曲線

(2)鐵耗pFe的確定

對0.6UN＜U0≤1.25UN范圍內(nèi)的各試驗點，作=f(U0/UN)曲線(圖1)。因為pfw與U0大小無關(guān)，曲線上對應(yīng)于某一電壓點的p'0 減去pfw，即為對應(yīng)于該電壓的鐵耗pFe。

112B 法鐵耗的確定:B 法規(guī)定取U0=UN，即曲線上對應(yīng)于(U0/UN)=1.0 處的p'0－pfw= pFe(圖1)。但在電動機負(fù)載運行時，其內(nèi)電勢E ＜UN，而電機的鐵耗則是由E 決定的。在負(fù)載試驗中，各負(fù)載點的E 是不同的，空載時E≈U0，額定負(fù)載(特別是P2=1.5pN)時E 比UN小很多。所以按U0=UN確定的pFe比額定負(fù)載時實際鐵耗大。電動機設(shè)計時根據(jù)E 確定pFe。這樣由于規(guī)定的差異，導(dǎo)致pFe的試驗值大于其設(shè)計值。

(3)在規(guī)定溫度下定子繞組銅損耗pCU1S的確定

規(guī)定溫度θS:

式中:θN為額定負(fù)載熱試驗測定的繞組溫度;θa為熱試驗環(huán)溫。

修正后定子繞組端電阻的平均值RS:

式中:RS為定子繞組熱電阻的平均值;θS和θN為相同的測溫方法。

修正后定子I2R 損耗pCU1S:

式中:I1為負(fù)載試驗測得的線電流的平均值。

(4)在規(guī)定溫度下轉(zhuǎn)子繞組銅損耗pCU2S的確定

規(guī)定溫度θS時的轉(zhuǎn)差率sS:

式中:S 為負(fù)載試驗確定的轉(zhuǎn)差率;θS和θt均為定子繞組溫度，應(yīng)為相同的測溫方法。如θS為電阻法求得的平均溫度，而θt是熱電偶溫度計測得的局部溫度。最好是將θt折算為平均溫度θtav代替θt。

規(guī)定溫度θS時轉(zhuǎn)子銅損耗pCU2S:

式中:P1為負(fù)載試驗的輸入功率。

(5)負(fù)載雜散損耗pS的確定

負(fù)載雜散損耗是在總損耗中沒有統(tǒng)計鐵耗、風(fēng)摩耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗的損耗。若能夠測得總損耗pT，結(jié)合以上實驗求得的損耗，就可以得到剩余損耗pL，進(jìn)行對剩余損耗線性回歸，便可求取雜散損耗pS。

式中:P1為輸入入功率;P2為輸出功率。

剩余損耗pL是負(fù)載雜散損耗求取的基礎(chǔ)，根據(jù)圖2 所示其線性回歸求取方程為:

圖2 負(fù)載雜散損耗線性回歸求取示意圖

式(8)中A，B 及相關(guān)系數(shù)r 的計算公式(i 為負(fù)載試驗的點數(shù)):斜率A

截距B

相關(guān)系數(shù)r

負(fù)載雜散損耗pS=A ×T2，根據(jù)各預(yù)定負(fù)載點的轉(zhuǎn)矩T，求得各點雜散損耗。

(6)112B 法效率的計算

112B 法是損耗分析法，輸入功率P1減去總損耗pT，即為輸出功率P2，則電機效率:

通過112B 法求取的最終效率可用于計算電機的能耗，該法是高效率電機測試系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，高效電機精度的提升使得能效測試系統(tǒng)設(shè)計時需要采用高精度儀器儀表。

2 高效電機能效測試系統(tǒng)的總體設(shè)計

高效電機自動測試系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計部分包含了正弦波變頻電源系統(tǒng)、高精度參數(shù)測試系統(tǒng)、負(fù)載模擬及穩(wěn)定裝置、自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，總體設(shè)計構(gòu)成了寬頻高精度穩(wěn)頻穩(wěn)壓純正弦波及PWM 波的靜止電源，并組成了自反饋節(jié)能型高穩(wěn)定度負(fù)載系統(tǒng)，由0. 1% 級FLUKE Norma 高精度功率分析儀和0.1 級HBM 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成的低不確定度效率測量系統(tǒng)，滿足工頻電機、變頻電機及其配套控制器效率的精確測量，同時使得高穩(wěn)定度負(fù)載系統(tǒng)可按實際工況模擬不同特性的負(fù)載，圖3 為測試系統(tǒng)原理框圖。陪試電機模式可以為直流陪試或交流陪試電機模式，測試系統(tǒng)的容量可以根據(jù)被試驗電機規(guī)格來選配，滿足0.37 ～355 kW 電機的效率測試試驗;軟件設(shè)計部分主要由兩部分組成:PLC 程序的設(shè)計和上位機的軟件設(shè)計［5－6］。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

(1)試驗電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)實驗用電源設(shè)計采用大功率開關(guān)器件IGBT 以傳統(tǒng)的交流－直流－交流的形式實現(xiàn)的變頻電源，包括整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、交流濾波、穩(wěn)壓等部分，如圖4 所示，該電源設(shè)計能夠減少電流沖擊，實現(xiàn)平穩(wěn)起動［7］。

實際使用中可以利用圖4 中KM10 的合閘來實現(xiàn)逆變單元的并聯(lián)運行。采用小電流器件實現(xiàn)大容量裝置的功率變換，這種模式相對于直接利用IGBT功率元件并聯(lián)來實現(xiàn)擴(kuò)容，具有更高的可靠性，測試系統(tǒng)的并聯(lián)運行和單獨運行功能使得系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性大大加強，同時整個系統(tǒng)具有了擴(kuò)展功能。

圖4 靜止試驗電源系統(tǒng)原理圖

(2)電機負(fù)載模擬及穩(wěn)定系統(tǒng)

電機負(fù)載的模擬及穩(wěn)定系統(tǒng)主要功能是模擬電機機械功率輸出，根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載、穩(wěn)定負(fù)載的作用。系統(tǒng)中負(fù)載模擬系統(tǒng)還有自動調(diào)節(jié)、能量反饋(節(jié)能)，適合各種類型和各種規(guī)格電機的試驗需求，應(yīng)用范圍廣泛。其中以直流機作為陪試機的系統(tǒng)說明，而交流機作為陪試機的負(fù)載模擬系統(tǒng)類似于直流機作為陪試機的系統(tǒng)，二者的主要區(qū)別在于:直流陪試機系統(tǒng)通過直流裝置調(diào)節(jié)直流機電樞和勵磁來達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載的目的，交流陪試機系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率來調(diào)節(jié)負(fù)載［8］。

(3)自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

能效測試系統(tǒng)采用RS－485 總線結(jié)構(gòu)模式，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要組成有上位監(jiān)控操作界面、下位PLC 控制系統(tǒng)、ADAM5000E 分布式RS－485 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和各測試儀器等，RS－485 能實現(xiàn)一臺上位機與多臺下位機之間的串行通信，通過主從通信模式，實現(xiàn)PC 機與連接終端進(jìn)行實時通訊，這種模式在工業(yè)自動化工程中被廣泛應(yīng)用［9］。

圖5 能效測試數(shù)據(jù)采集示意圖

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位監(jiān)控操作界面通過VB 編程實現(xiàn)。控制系統(tǒng)采用松下AFPX 系列C60R PLC，考慮到可擴(kuò)展性等方面原因，采用FP－X 擴(kuò)展單元FP－XE16，通信插卡采用RS－485 通信的AFPX－COM3。軟件設(shè)計包含PLC 控制程序編程、PLC 與上位機的通訊編程、數(shù)據(jù)庫的訪問編程以及試驗算法與操作的編程等，進(jìn)而實現(xiàn)對電機的全面試驗檢測及性能分析［10］。

(1)VB 中通訊程序的實現(xiàn)

通過VB 進(jìn)行串行通訊編程的基本思路為:初始化設(shè)置、打開串口、生成塊檢查碼、生成命令幀、向PLC 發(fā)送命令幀、數(shù)據(jù)傳輸、關(guān)閉串口。串行通訊程序的軟件設(shè)計流程如圖6 所示。

圖6 串口通訊流程圖

(2)電機實驗項目編程實現(xiàn)

該能效測試系統(tǒng)具體可對一般三相異步電動機、三相變頻電機、高效和超高效三相異步電動機、永磁同步電動機等品種電機試驗，其中空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、熱試驗、負(fù)載試驗以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速試驗是基本測試項目，具體項目的流程結(jié)合上述過程實驗步驟，通過VB 實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)實驗測試分析

3.1 電源質(zhì)量測試

通過對正弦波電源電壓變化率、電壓系統(tǒng)對稱性、諧波電壓因數(shù)以及頻率變化率的試驗測試分析，該正弦波電源系統(tǒng)，可以降低運行能耗，保證良好的控制精度，且自動化程度高。

測試說明:100%負(fù)載時用200 kW 三相異步電動機，4 極，功率因數(shù)0.89，I =164 A，U =380 V;50 Hz 和60 Hz 電源下均使用上述電機作為負(fù)載電機進(jìn)行系統(tǒng)測試分析。

(1)正弦波電源電壓變化率

通過各不同輸出電壓、不同頻率下試驗測量10 min，每隔1 min 記錄一次數(shù)據(jù)。380 V/50 Hz 的供給下測得電壓變化的最高電壓URSmax=380.81 V、最低電壓URSmin=379.76 V;400 V/60 Hz 的供給下測得電壓變化的最高電壓URSmax=400.92 V、最低電壓URSmin=399.57 V。將其代入公式:

得到δusB分別為0.138%和0.169%。

(2)正弦波電源電壓系統(tǒng)對稱性測試電源電源系統(tǒng)對稱性測試需要測試各相電壓值，并通過負(fù)序分量與正序分量比值得到，具體公式如下所示:

根據(jù)正弦波電源電壓系統(tǒng)對稱性測試要求，通過在380 V/50 Hz 下進(jìn)行測試得到a，b，c 的相電壓依次為220.15 V，220.00 V，220.12 V，則計算電壓對稱性為0.385%;在400 V/60 Hz 下進(jìn)行測試得到a，b，c 的相電壓依次為230.09 V，230.01 V，230.03 V，則計算電壓對稱性為0.384%。通過數(shù)據(jù)測試滿足要求。

(3)正弦波電源頻率的變化率

通過各不同輸出電壓、不同頻率下試驗測量10 min，每隔1 min 記錄一次數(shù)據(jù)，380 V/50 Hz 供給100%負(fù)載下測得頻率變化的最高頻率fmax=50.008 Hz、最低fmin=49.995 Hz;400 V/60 Hz 的供給下測得頻率變化的最高頻率fmax=60.011 Hz、最低fmin=59.996 Hz。將數(shù)據(jù)代入公式:得到fusB分別為0.012 99%和0.012 49%。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，該電源系統(tǒng)符合要求，且實際試驗效果性能較好。

3.2 負(fù)載系統(tǒng)穩(wěn)定度測試

電機負(fù)載穩(wěn)定系統(tǒng)主要功能根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)定和控制的作用。試驗主要通過采用兩臺電動機對拖加載。測試情況說明:

1)被試電機:①11 kW 異步電動機，4 極;②90 kW 三相異步電動機，4 極;③200 kW 三相異步電動機，4 極。

2)HBM 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器:①10 N·m，0.2 級;②1 000 N·m，0.1 級;③2 000 N·m，0.1 級。

3)陪試電機為三相異步變頻電機:①18.5 kW，4 極;②110 kW，4 極;③250 kW，4 極。

4)測試在穩(wěn)定運行后進(jìn)行，每隔1 min 連續(xù)測量10 min。

測試記錄如表1 所示。

表1 負(fù)載系統(tǒng)穩(wěn)定度測試記錄(380 V/50 Hz)

從表1 可以看出，波動率符合要求，且變化不是很大，比較平穩(wěn)。

3.3 效率測試不確定度試驗分析［5，11］

被試電機采用三相異步電動機參數(shù)為18. 5 kW、4 極，測試方法按照低不確定度112B 法進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2 所示。由表2 可以通過A 類和B 類不確定度評定計算得到不確定度的結(jié)果。

(1)A 類不確定度評定計算

由A 類不確定度評定的計算方法有:

表2 10 次測量的效率值

式中:s2(η)是ηk的概率分布的總體方差的無偏估計;s()為效率測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，UA(η)為A 類不確定度。通過計算可以得到表3。

表3 測量計算數(shù)值結(jié)果

(2)B 類不確定度評定計算

式中:UB(P1)為輸入功率的不確定度;UB(∑p)為額定負(fù)載下的總損耗不確定度。

通過能效系統(tǒng)測量得到以下數(shù)值:UB(P1)=31.4 W;UB(∑p)=10.2 W;P1=12 230 W;∑p =909.4 W。

經(jīng)公式計算有，B 類不確定度UB(η)=0.086。

(3)不確定度U 的計算

則有:η=(效率測試值±U)% =(92.65 ±0.18)%

以上對能效測試系統(tǒng)進(jìn)行了實驗性能指標(biāo)的具體測試，結(jié)果表明該套系統(tǒng)能夠滿足高精度的測試要求。該套系統(tǒng)在結(jié)合國標(biāo)三相異步電動機試驗方法的基礎(chǔ)上，已經(jīng)用于高效、超高效電機的型式試驗檢測、效率的測定，系統(tǒng)采用IEC 推行的低不確定度效率測量，在效率測量的精度和準(zhǔn)確性上有了較大的提升，符合電機測試的實驗條件要求。

4 結(jié) 語

通過對高效電機能效自動測試系統(tǒng)的設(shè)計及實驗分析，適應(yīng)了電機行業(yè)發(fā)展的新形勢，主要創(chuàng)新點在于:其為包含了電機效率試驗在內(nèi)的完整能效測試系統(tǒng)，滿足了高效電機、專用電機的測試要求，通過高效電機、變頻電機的測試試驗的應(yīng)用檢測，對測試系統(tǒng)的各項指標(biāo)進(jìn)行了全面的檢測，滿足高效率電機的測試指標(biāo)，使得該測試系統(tǒng)能提高了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和重復(fù)測試的一致性，但是電機自動測試系統(tǒng)的研究是一個不斷變化發(fā)展的課題，隨著電機測試方法及電子技術(shù)的發(fā)展，測試系統(tǒng)也將不斷的更新完善。

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