笼型异步电机能效辨识方法对比

李建军， 王 庆， 汪玉山

(1. 河北新四达电机制造有限公司，河北 石家庄 052160；2. 江苏电力节能服务有限公司，江苏 南京 210019；3. 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司,上海 200063)

笼型异步电机能效辨识方法对比

李建军1， 王 庆2， 汪玉山3

(1. 河北新四达电机制造有限公司，河北 石家庄 052160；2. 江苏电力节能服务有限公司，江苏 南京 210019；3. 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司,上海 200063)

对不同三相异步电机效率在线辨识方法精度分别进行研究，并改进传统T型等效电路算法。以一台5.5kW、4极异步电机为例，对提出的方法进行了试验验证，结果表明利用气隙转矩法辨识电机效率具有较高精度。不同方法试验数据的比较分析为工程实际电机能效在线辨识提供了重要参考。

异步电机； IEEE 112B法； 精度； 在线辨识； 能效

0 引 言

电机运行效率在线评估是电机系统能效评估的重要环节，利用电机输入功率和输出机械功率求取电机实时运行效率。但现场中电机输出功率不能根据电机机端电气量直接获取，导致电机效率无法精确辨识。鉴于异步电机用电量占全部电机用电量85%以上，本文对多种电机能效辨识方法进行研究。

国内外有关笼型异步电机能效辨识方法[1-8]的文献很多，目前普遍使用IEEE 112B能效测试方法是标准能效测试方法中不确定度最低的方法，电机能效判定或试验中普遍采用该方法。该方法通过在电机和负载之间安装扭矩仪，实现对转矩和转速的精确测量，进而求得电机效率。但工程实际中扭矩仪的安装过程十分繁琐，使得电机转子轴输出机械转矩难以直接测出，导致输出机械功率求解十分困难。

电机能效辨识方法包含基本方法或结合不同基本方法。本文根据每种方法原理和误差精度对不同方法分开比较研究。这有助于工作人员根据现场实际情况选出有助于测试电机能效的方法。其中辨识能效主要基本方法包括： 铭牌法、转差率法、电流法、损耗分析法、等效电路法、气隙转矩法。

对于上述所说结合不同基本方法能效辨识，以电流法为例，就是结合铭牌法与实测统计电机数据改进法。如果结合得当，这种不同基本方法相结合有助于电机能效辨识精度的提高。

所有方法的能效计算公式都可用式(1)表示：

η=P2/P1

(1)

式中：P2——输出功率；P1——输入功率。

1 笼型异步电机效率辨识法

由于现场条件下电机能效评估或测试特殊性，测试方法与标准方法有所不同。使用者往往通过铭牌数据了解电机效率，但是铭牌效率为电机额定条件下效率，而实际运行的负载并不是恒定不变的。另外，实际工程现场中有相当一部分电机内部曾被改动，例如更换定转子绕组，其额定负载性能也与铭牌数据不同，因此希望通过一些简单的方法能在使用现场测得电机实际运行时的效率。因为效率由电机的输出功率与输入功率的比值来衡量，而输入功率从电源输入端可相对较容易地测定，关键在于如何测定电机轴端的输出功率。传统的电机效率现场测试方法有如下几种。

1.1 铭牌法

通过电机铭牌数据直接获取电机能效是最简单的现场能效辨识方法。该方法假定电机效率为常值且与铭牌数据相关，电机铭牌数据是电机在满载、额定电压情况下的数据。对于效率负载曲线较为平滑的电机来说，这种方法较为适用。但实际工程中电机机端电压与负载不断变化，尤其对于小功率、多极数的电机，电机的效率也会随着电压与负载的变化更大，不同极电机效率负载曲线如图1所示[9]。

图1 不同功率极对数电机效率负荷曲线

从图1可看出，不同极对数及功率电机的效率负载曲线并不都是平滑曲线，利用铭牌法计算所得电机效率并不能真实反映实际情况。另外如果电机经过更换定转子绕组等维修，铭牌数据不能代表实际状态，那么这种方法所得的效率误差很大。

1.2 转差率法

转差率法假定电机负载与额定负载的比值等于转差率与额定负载转差率比值，则电机输出功率为

P2=(s/sN)PN

(2)

式中：s——测量转差率；sN——额定负载转差率；PN——额定功率。

转差率法只需在现场通过光感测速计获取电机转子转速即可实现，操作简单。但是，在实际工程中电机转速会受到负载的影响，一般容许电机的实际转差率与额定转差率有±20%的偏差，尤其在轻载情况下，电机转速基本接近同步转速，这样电机的转差率误差很大，对效率的辨识产生较大误差。

1.3 电流法

电流法假定电机负载与额定负载的比值等于电机电流与额定负载电流的比值，因此，电机轴端输出功率可表示如下：

P2=(I/IN)PN

(3)

式中：I——实测定子电流；IN——额定负载电流。

由于电机定子电流中包含空载电流，且这部分电流不随负载的变化而变化，因此为了避免产生较大误差，应当对电机进行空载试验，测取空载电流，进而可以得出电机输出功率为

P2=[(I-I0)/(IN-I0)]PN

(4)

式中：I0——空载电流。

图2所示为感应电机圆图，从图2中可看出其不同负荷下电流相对电压的变化关系。

根据感应电机原图和电流法能效计算式(3)和式(4)，可以得到采用式(3)和式(4)的负荷电流曲线如图3所示。

图2 感应电机圆图

图3 负荷电流曲线

从图3可看出，式(3)在低负载时过高地估计了负荷值，式(4)往往计算所得负载较实际负荷低，因此最好的方法是将以上两式所获得轴端输出功率取平均值，就能较好地接近电机实际情况的负载。应该指出，对于一般通用的异步电机，其铭牌电流值与实际满载电流值可能有10%的偏差，从而使这种方法的准确性受到较大影响。

1.4 损耗分析法

损耗分析法根据电机定子铜耗、转子铜耗、铁耗、杂散损耗和风摩耗与输入功率之间的关系求取电机的输出功率。由于现场条件下并不能完全获得这些损耗值，因此该方法经常与前述方法相结合，通过对电压、电流、输入功率、绕组电阻和转速的测定，结合一些经验数据，然后求得五项损耗数值，从而求得电机效率。这种方法与IEEE 112E法比较相近，但需要一台电机与被试电机用联轴器联结，辅助电机施以额定频率、额定电压，在试验过程中，频率和电压应保持不变，且需要做反转试验来求取电机杂散损耗。这种方法试验要求高，在现场不易实现。本文采用IEC法估算电机杂散损耗的方法，规定额定负载时的杂散损耗约为电机额定输入功率的0.5%。

具体方法如下：

(1) 定子铜耗Pcu1=3I12R1；

(2) 铁耗Pfe=(E1/E2)2Pofe，Pofe为空载铁耗；

(3) 电磁功率PM=P1-pcu1-Pfe；

(4) 转子铜耗Pcu2=sPM；

(5) 杂散损耗Pa约为额定输入功率的0.5%；

(6) 风摩耗Pfw由空载试验获得。

由上可得电机输出功率为

P2=P1-Pcu1-Pcu2-Pfe-Pfw-Pa

(5)

1.5 等效电路法

等效电路法辨识电机效率建立在等效电路的6个参数之上，即定子电阻R1、转子电阻R2、定子漏电抗X1、转子漏电抗X2、激磁电阻Rm和激磁电抗Xm，如图4所示。

图4 异步电机等效电路

等效电路法的优点在于若等效电路的6个参数已知，便可求得任何负载情况下的电机效率。等效电路的参数并不是恒定不变的，比如转子电阻，因为电机转速由满载到空载之间变化较大，且由于鼠笼深槽效应和磁滞饱和等因素的影响，所以等效电路参数的求取尤为重要。这些参数可以通过空载试验和堵转试验获得，然后利用有关参数与电机机端电气量可求得不同转速情况下的输入功率、输出功率及效率。这种方法与IEEE 112F法比较相近，其中杂散损耗是按照IEC法估算求得。

基于上述方法，空载试验和短路试验所测得的转子电阻、电抗并不能反映实际状况下电机的参数，就导致电机效率估算出现较大偏差。为此，提出一种基于可测电气量的转子电阻、电抗辨识方法。

根据T型等效电路求取电机总阻抗：

(6)

从路的方法出发，求取电机的总阻抗为

(7)

进而求得电机的转子电抗为：

(8)

式中：U——输入电压；I——输入电流；Z2——转子阻抗；Rm——激磁电阻；Xm——激磁电抗；R1——定子电阻；X1——定子电抗。

与前述方法相比，传统T型等效电路在空载和堵转运行条件下对电机的T型等效电路做了理想化近似，空载时忽略了转子回路，堵转时忽略了励磁回路。这种近似必然会引入误差。新型T型等效电路通过电机可测电气量求解电机的转子阻抗，避免了上述因素引起的误差，大大增加了电机效率辨识的精度。

1.6 气隙转矩法

在估算输出转矩的过程中，首先测试输入端电压和电流，得出Δt时间内的平均输入功率P1[6]：

(9)

其中：

(10)

式中：ua、ub、uc——电动机相电压；ia、ib、ic——电动机相电流。

将式(10)代入式(9)中可得

(11)

其中，输入功率减去铁耗和铜耗等项后可得气隙转矩方程式如下：

(12)

式中：ψCA、ψAB——分别代表t时刻线电压uCA和uAB对应的绕组磁链。

(13)

式中：ψCA(0)、ψAB(0)——线电压uCA、uAB对应的绕组的初始磁链；

iA、iB——线电流；

uCA、uAB——线电压；

R——线间电阻值；

P——电机极对数。

图5为气隙转矩法试验图。

图5 气隙转矩法流程图

通过以上分析可知，将气隙转矩减去机械损耗和负载杂耗所对应转矩即可求出电机输出转矩,进而求得电机输出功率：

P2=Tgap×2πn/60-Pfw-Pa

(14)

根据上述求取电机输出转矩可知，电机风摩耗Pfw和Pa并不能从电机的机端电气量中直接获取，所以气隙转矩法仍需进行空载试验，这在工程实际中有点困难，但可以根据经验进行估算。气隙转矩法的优点在于可以通过电机机端电气量直接求取输出转矩，而不必考虑电机不平衡等因素。

2 试验验证

根据有关分析，一般认为采用较准确的试验方法(如IEEE 112-B)进行试验。其试验值与设计值的差别将受到下面三方面因素的影响：

(1) 设计计算准确性，影响效率精度为±0.5%；

(2) 制造和材料波动，影响效率精度为±0.5%；

(3) 试验精度，影响效率精度为±0.5%。

由此可见，效率设计值和试验值的最大偏差可达±1.5%。

各种电机效率现场测试方法中，转矩法不确定度最低。该方法将转矩传感器代替联轴器安装在电动机与负载设备之间，通过电机输出转矩和转速直接测定求取电机效率，该效率包含难以直接测量的风摩耗、负载杂耗等，因此原理上最准确，其测量精度约为±1%(对应制造波动和试验误差)。这种方法虽然精度较高，但在现场很难实施，本文中主要作为试验精度比较的一个参照基准。

对电机效率现场测试方法比较，除了准确性之外，还应考虑现场实施可行性和经济性。例如某些电机运行现场，不允许将电动机与被驱动机械在机械连接上分解，也没有可改变电压的电源，因此就不可能进行空载试验来确定铁耗和风摩耗，一些精度尚可的测试方法，如等效电路法和损耗分析法较难实现，通常将这些方法与统计法结合，使用损耗或参数的统计数据，既提高了方法的可操作性，又具有一定的准确度。

对一台Y132S-4、5.5kW，定转子槽数为36/32异步电机，对其在不同电压不同负载时的电机效率进行比较，如表1所示。其中空载电流I0为2.9A，额定转速为1440r/min，额定电流IN为11.64A。

表1 5.5kW异步电机能效辨识方法对比

表1得出转差率法辨识电机效率随着电压变化有很大波动，且误差最大达到20%；电流法辨识电机效率随着负载而变化，误差最大达到13%；传统等效电路法因为在空载和堵转运行条件下对电机的T型等效电路做了理想化近似，空载时忽略了转子回路，堵转时忽略了励磁回路，这样近似导致电机效率误差最大达到16.7%；改进后等效电路通过电机可测电气量获得电机参数避免上述影响，其效率辨识精度有了很大改善，误差约为2.3%；损耗分析法通过求取各个部分电机损耗，避免了依赖电机参数对效率的影响，其误差约1.6%；气隙转矩法通过气隙磁场对电机转矩进行分析，仅仅依靠电机的机端电压与电流，大大避免了其他因素的影响，其误差约为1.1%。

根据表1分析，可以得出现场辨识电机效率的精确度由高到低分别为气隙转矩法、损耗分析法、改进T型等效电路法、电流法、传统T型等效电路法、转差率法、铭牌法。

3 结 语

本文对三相异步电机效率在线辨识方法精度分别进行了研究，并对T型等效电路传统算法进行改进，使其避免了依靠堵转试验求取转子电阻对电机能效精度的影响，大大提高了电机能效的辨识精度。最终以5.5kW异步电机为例进行试验研究，对其在不同电压、不同负载情况下，不同方法辨识电机能效的精度进行了统计，结果表明气隙转矩法辨识精度最高，误差约为1.1%，基本满足工程的要求。

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[9] JOHN S H, JOHN D K, MITCHELL O. Comparison of induction motor field efficiency evaluation methods [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(1)： 117-125.

Comparison of Squirrel Cage Asynchronous Motor Energy Efficiency Methods

LIJianjun1,WANGQing2,WANGYushan3

(1. Hebei Xinsida Motor Manufacturing Co., Ltd.， Shijiazhuang 052160， China;2. Jiangsu Electric Power Energy Service Corporation Nanjing 210019， China;3. Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co.,Ltd., Shanghai 200063， China)

Several online identification methods of three-phase induction motors separately was discussed, and the traditional T-equivalent method was also improved. Taking a 5.5kW asynchronous motor with four poles as an example, the proposed method was verified through experiment, the results showed that the air torque method has the highest accuracy to identify motor efficiency. The achievement could provide a technical support for on-line identification of motor efficiency.

Asynchronous motor; IEEE 112B; accuracy; online identification; efficiency

汪玉山

TM 343

A

1673-6540(2015)05-0069-06

2014-12-19