高效率电动机能效测试与不确定度评定

曾立英，苏邦伟，甘 浩

（国家工矿电传动车辆质量监督检验中心，湖南 湘潭 411201）

0 引言

随着工业化程度的提高，环境恶化加剧，节能降耗、减排和减少温室气体排放等问题日渐突出，已成全球普通关注的重点，影响着世界经济的发展。现代工业生产中三相异步电机应用广泛，在降低能耗的背景下，高效节能电机成全世界电机产业发展的共识；是我国“十三五”期间实施节能减排既定国策所重点关注的领域、更是持续提升工业能效和绿色发展水平，助推工业经济高质量发展的重要内容。近年来国家政策高度重视，产业支持力度大，电机能效水平得到很大提高，但总能效水平仍较低。对于电机的生产及出口大国，国家非常重视高效电动机推广工作，电机效率的准确检测日益重要。参照IEC标准对电动机的能效等级评定和检验方法进行了修订，现有效标准是GB 18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级 》及GB/T 1032-2012《三相异步电动机试验方法》，标志着能效等级评定和测试方法均已与国际接轨。高效电动机的损耗值非常小，准确地测量电动机的损耗和效率直接影响该行业健康发展。

1 效率测试程序及注意事项

1.1 效率测试程序

电动机效率评定GB18613-2012标准规定其检测应按GB/T 1032-2012中的B法——测量输入和输出功率的损耗分析法。此法不需要理论上的假定及检测中的模拟，检出的是电机最趋近于实际运转各项附加损耗之和。B法测量电机的效率，关键是检测负载杂散损耗PS，通过空载、热试验和负载试验得到电动机定、转子绕组损耗Pcu1、Pcu2、铁耗 PFe、风摩耗 Pfw和负载杂散损耗 PS，依此确定电机效率，其程序如下：

（1）空载试验：实测冷态定子绕组直流电阻、环境温度、输入功率P1、电压U、电流I和频率f、分析后确定铁耗PFe和风摩耗 Pfw。

（2）热试验：保持电源电压和频率稳定为额定值、实测输入功率P1、电压U、电流I、频率f及输出转矩Ta、转速n（即输出功率P2），待温升稳定后，断电停机，迅速测量绕组直流电阻随时间下降的关系曲线，分析后获得定子绕组温升△θ及断电瞬间电阻。

（3）负载试验：热试验基础上，从1.5倍额定输出功率开始到0.25倍输出功率为止，实测输入参数功率P1、电流I和输出转矩Ta、电机转速n（即输出功率P2）。通过分析获得定子绕组损耗Pcu1、转子绕组损耗Pcu2。

（4）数据分析。按标准剩余损耗：

将PL与轴转矩T平方的函数关系绘制成P=AT2+B曲线，对PL与T的进行线性回归分析，消除仪表与读数误差，即 PS=AT2，确定了 PS。

效率计算：

1.2 B法注意事项

实现B法必须具备符合标准要求的电源、电量测量仪、输出机械功率测量仪器及负载设备，为保证测试精度应注意：

（1）供电电源一定要控制在标准要求范围内。

（2）电量及转速、转矩传感器精度至少为0.2级。

（3）测量冷态直流电阻R1C和温度θC，应在绕组的温度与周围环境温度之差不超过2K的状态下，测量3次定子绕组电阻的平均值，且环境温度θC应取距电机进风部位1～2m、测温点高度为电机的1/2位置的2～3个测量点温度的平均值。

（4）热试验和负载试验时应保持电源电压和频率为额定值。

（5）温升稳定后断电停机，测量绕组直流电阻随时间下降的冷却关系曲线，要求在规定时间内准确完成，并且测量点不少于5个。

（6）安装时，负载电机轴线与被试电机轴线保持同轴度良好并保证安全运行。

2 系统不确定度评定

“测量不确定度”是对测量结果质量的定量表征，以确定测量结果的可信程度。根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示 》在整个测量过程中，影响测量结果的每个因素都将以各自的方式向最终结果传递，这种传递都必须建立相应数学模型，找出传递因子，合成得出最终测量结果的总不确定度。

2.1 数学模型分析

风摩耗以对约50%额定电压至最低电压点范围内的各测试点值作空载特性曲线，将恒定损耗Pcon对（u0/uN）2的直线延长至零电压，零电压与纵轴上的截距。

铁耗以对60%额定电压和125%额定电压之间的各电压点，作PFe=Pcon-Pfw对u0/uN的关系曲线，不同负载时的铁耗，根据电压u0/uN在曲线上求得，空载额定电压铁耗以ub=uN确定。

再将剩余损耗PL对轴转矩T2进行线性回归分析，得直线斜率A，则PS=AT2。

以上公式中：P1—输入功率；P2—输出功率；P0—空载输入功率；PST—视在功率；Pmech—轴功率；T—轴转矩；Pocu1—空载定子铜耗；ΣP—总损耗 ΣP；η—效率；PFe—铁耗；Pfw—风摩耗；θS—规定温度；Pcu1—定子铜耗 （Pcu1s定子在规定温度（θS）下的损耗）；Pcu2——转子铜耗（Pcu2s转子在规定温度（θs）下的 损耗）；PS—负载杂散损耗；Pcon—恒定损耗；PL—剩余损耗；SS—规定温度下（θs）转差率；I1—定子电流；R1—定子绕组冷态电阻；ns—同步转速。

以YE2-100L-4 3kW 1410r/min三相异步电机为例，作效率不确定度评定。

2.2 重复性测量的A类不确定度

在相同的试验条件下（相同试验程序、人员、检测设备及地点），环境温度16.5℃，相对湿度58%RH，分别对同一台电机进行效率测量试验，测试数据见表1。

表1 测量数据记录Tab.1 Measurement data records

按JJF 1059-2012中贝塞尔公式得：

2.3 B类标准不确定度

B类不确定度直接测量法和间接测量。

电动机实际输出功率采用测量输入输出功率的损耗分析法。

输入功率P1为直接测量，其不确定度由电参数仪决定，采用横河WP1800的电参数仪。根据其校准证书Urel（P1）=0.2%，K=2，所以由计量标准引入的不确定度分量为：

urel（Pcu1）为定子铜耗的相对合成B类不确定度：

urel（I）产生影响的是WP1800的电参数仪，查阅其校准证书，电流 Urel（I）=0.08%，K=2，所以由设备计量引入的不确定度分量为

urel（R）产生影响的是电阻测量仪，本试验采用PC36C直流电阻测量仪，查阅其校准证书，不确定Urel（R）=0.03%，K=2，因此该设备计量校准引入的不确定度分量

urel（Pcu2）为转子铜耗的相对合成B类不确定度

由于 Pcu2＝（P1－Pcu1－PFe），设定 PD=P1－Pcu1－PFe，则

其中：Pcu1=112.13，PD=3413.83，P1=3665.1，PFe=139.14，urel（P1）=0.1%，urel（Pcu1）=0.081%，urel（Pst）为转差率相对合成B类不确定度，以电机实际转速不确定度计，该试验采用转速传感器。依据校准证书，un=0.1%，K=2。

由计量校准所引入的不确定度分量为：

urel（Pp0′）为电动机铁耗和风摩耗的相对B类不确定度。

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

urel（P0）电功率分析仪综合标准不确定度计为0.10%

urel（Pocu1）由空载时电流示值及电阻值综合标准不确定度计0.081%。

PS由线性回归分析法确定。取决于P1轴功率Pmech、Pfw、PFe、Pcu1、Pcu2及相关系数，实际回归数据，剩余损耗 PL＝AT2＋B、PL－B 与转矩的平方成正比。

转矩测量仪精度： urel（T）＝0.1%

按置信度95%置信因子K=1.96

采用损耗分析法，P2的相对合成B类不确定度为：

测量效率的相对B类不确定度urel1（η）为输入功率P1、输出功率P2相对不确定度的合成：

三相异步电机效率的扩展不确定度。

型号为YE2－100L－4 3kW异步电机效率测量的合成不确定度 urel1（η）为：

则扩展不确定度为：Urel（η）=2urel（η）=0.32%，K=2

3 结束语

目前世界上先进国家对电机效率低不确定度的测试方法及测试系统已发展成熟，运行良好，我国在能效测试标准上已与IEC一致，能效评定上要求采用三相异步电机效率测试方法B法测量输入和输出功率的损耗分析法，该方法要求仪器、设备精度高，稳定性好，人员操作、分析水平也要求较高，本文介绍了B法测试方法、操作注意事项，分析了影响效率测试准确的因素，同时，通过YE2－100L－4 3kW三相异步电机对我测试系统进行了不确定度评定，从而得到比较符合实际的电机效率，对电机能效评级及节能设计提供了比较可靠的依据。