基于內(nèi)反饋式變頻電源的高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)

徐國長，吳啟震，黃碧霞

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）

1 高效電動(dòng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r

自從1997年10月美國以法律形式（EPAct）推廣高效電動(dòng)機(jī)以來，在世界范圍內(nèi)推進(jìn)了高效電動(dòng)機(jī)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國政府對節(jié)能問題非常重視，國家發(fā)展改革委向社會(huì)發(fā)布了節(jié)能中長期規(guī)劃，把電動(dòng)機(jī)節(jié)能列為工業(yè)設(shè)備節(jié)能的重點(diǎn)，正在制、修訂出一系列的用能產(chǎn)品的能效標(biāo)準(zhǔn)，來促進(jìn)用能設(shè)備效率的提高。目前，我國主要有Y和Y2兩個(gè)低壓三相異步電動(dòng)機(jī)系列在生產(chǎn)和使用，Y系列是20世紀(jì)80年代全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，Y2系列是90年代中期的產(chǎn)品，二者占據(jù)了市場大部分份額。但是這兩個(gè)系列都屬于傳統(tǒng)高耗能產(chǎn)品。日前，工業(yè)和信息化部2012年第14號(hào)公告發(fā)布了《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第二批）》，Y系列電機(jī)已列入淘汰產(chǎn)品目錄，并且明確該淘汰目錄的執(zhí)行日期為2012年10月1日。目前，我國對中小型三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)行能效標(biāo)識(shí)管理，對高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)實(shí)行自愿性節(jié)能認(rèn)證，列入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程目錄。因此，高效電動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)是目前國內(nèi)和國際上的發(fā)展趨勢，我國也對電動(dòng)機(jī)的節(jié)能工作都給予了高度的重視，積極通過法令推動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)降低損耗、提高效率。

2 國內(nèi)外高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)和測試方法

高效電機(jī)是指一般用途電動(dòng)機(jī)具有高效率的電機(jī)，即效率水平能夠達(dá)到或超過電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)（GB18613-2012）所規(guī)定的能效限定值和節(jié)能評價(jià)值的電動(dòng)機(jī)。高效節(jié)能電機(jī)通常比普通的三相異步電動(dòng)機(jī)效率高出1-3個(gè)百分點(diǎn)。 由于電機(jī)的效率值是判定高效電機(jī)的最重要指標(biāo)，因此相比于普通電機(jī)，高效電機(jī)的效率測試方法及其相應(yīng)的測試系統(tǒng)都要復(fù)雜和嚴(yán)格得多。在世界各國推廣應(yīng)用高效電動(dòng)機(jī)的過程中，效率的測試方法始終是個(gè)討論的焦點(diǎn)。國際電工委員會(huì)(IEC)通過大量的試驗(yàn)研究工作，于2007年9月頒布了IEC 60034-2-1“旋轉(zhuǎn)電機(jī)（牽引電機(jī)除外）確定損耗和效率的試驗(yàn)方法”，2008年10月頒布了IEC 60034-30“三相單速籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率分級(jí)(IE代碼)”，這將是世界各國共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60034-30:2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：效率的測試方法要參照IEC 60034-2-l(2007版)，對IEl(普通效率)及以下能效指標(biāo)的電動(dòng)機(jī)，可以采用中和低不確定度的測試方法，對于IE2(高效率)及以上效率指標(biāo)的電動(dòng)機(jī)，只能采用低不確定度的測試方法。在IEC 60034-2-l(2007版)中，取消了歐盟及中國能效原標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的按輸入功率0.5%估算雜散損耗的測試方法，并明確反轉(zhuǎn)法為高不確定度的雜散損耗測試方法，歐盟新推出的EH-star法為中不確定度的雜散損耗測試方法，美國的IEEE 112B法為低不確定度的雜散損耗測試方法。

為加快高效電動(dòng)機(jī)的推廣，我國也對舊版GB18613-2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，國家標(biāo)準(zhǔn)委2012年5月發(fā)布新版GB18613-2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2012年9月1日實(shí)施。新版GB18613-2012全面提高了我國電動(dòng)機(jī)的能效指標(biāo)，能效3級(jí)、能效2級(jí)與國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-30的IE2和IE3保持一致，同時(shí)也規(guī)定了效率確定方法采用按GB/T 1032中的B法——測量輸入和輸出功率的損耗分析法測量。新標(biāo)準(zhǔn)的效率值要求對雜散損耗采用實(shí)測值，取消了原能效標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的按輸入功率0.5%估算雜散損耗的計(jì)算方法。

隨著IEC 60034-30:2008標(biāo)準(zhǔn)和我國能效新標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2012的實(shí)施，國內(nèi)外對高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)的效率確定測試都采用新的測試方法。試驗(yàn)方法的改變，對電動(dòng)機(jī)效率的影響很大，也影響電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路。隨著高效率電動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)，低不確定度測試方法的使用會(huì)更加廣泛，一方面要求電動(dòng)機(jī)的制造廠對設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)要求更高；另一方面對于準(zhǔn)確測試高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)的效率提出了更高的要求，研究一套高精度，符合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的高效節(jié)能電機(jī)的自動(dòng)測試系統(tǒng)也迫在眉睫。

3 高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)概述

本文介紹的是一種新型的基于內(nèi)反饋式變頻電源的高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用靜止變頻電源進(jìn)行供電，最終是以兩臺(tái)變頻電源提供頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的電源分別供給被試電機(jī)和陪試電機(jī)。其輸出接點(diǎn)通過內(nèi)部控制可以輸出電壓不同、頻率不同和波形不同的電源來滿足不同電機(jī)的試驗(yàn)要求，其簡化的框圖如圖1。具體來說就是，對拖試驗(yàn)中，供電側(cè)采用數(shù)字變頻電源給被試電機(jī)供電與回饋側(cè)采用數(shù)字變頻電源通過陪試電機(jī)將能量回饋，兩臺(tái)變頻電源采用共直流母線的形式進(jìn)行回饋，實(shí)現(xiàn)了能量循環(huán)使用，節(jié)能效果達(dá)70%以上。

圖1 高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)原理框圖

此系統(tǒng)由變頻電源、測量傳感器和計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)組成，具體各單元的組成和功能下面詳述。

（1）變頻電源：能滿足電機(jī)加載試驗(yàn)的要求，同時(shí)能夠?qū)Σ煌妷旱燃?jí)的交流電機(jī)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)和空載試驗(yàn)。系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包含：整流模塊、逆變模塊、濾波變壓器模塊、制動(dòng)單元等。整流模塊將輸入市電電源整流成直流，再經(jīng)過逆變模塊和濾波變壓器將直流母線的直流電壓變換成電壓、頻率可調(diào)的正弦波電源；并可將交流輸出側(cè)的再生能量反饋到直流母線，給負(fù)載電機(jī)提供加載電源。在變頻電源中增加了制動(dòng)單元，主要目的是為了防止母線電壓升高，并在電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)將能量消耗掉。

（2）測量傳感器：主要測量被試電機(jī)的輸入?yún)?shù)（電壓、電流、輸入功率、功率因素等）和輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速參數(shù)。為保證精度，采用0.2級(jí)的電流傳感器，功率分析儀采用日本橫河公司0.01級(jí)的WT3000電參數(shù)表，由于帶有電機(jī)測試模塊，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速顯示也可以通過WT3000電參數(shù)表同步顯示。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用進(jìn)口的0.1級(jí)的傳感器。在本系統(tǒng)中被試電機(jī)的測量參數(shù)都傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（即：工控機(jī)），通過軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控.

（3）計(jì)算機(jī)測控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：主要由PLC系統(tǒng)、智能測量系統(tǒng)單元和測試軟件單元等組成，整個(gè)測控系統(tǒng)可以分為兩個(gè)簡單層級(jí)，分別是以工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)筑而成的上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和以工業(yè)現(xiàn)場總線為骨干構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)。二者之間經(jīng)由PLC主機(jī)構(gòu)成一個(gè)不可分割的系統(tǒng)。結(jié)合智能儀表測試數(shù)據(jù)采集，具備本方案設(shè)備的監(jiān)控和操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析功能。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具備完整的被試機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析處理的能力。計(jì)算機(jī)可以經(jīng)由通訊接口提取儀表的測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對被試機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集功能。同時(shí)上位機(jī)軟件依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求完成對測試數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算和處理。

4 內(nèi)反饋式變頻電源質(zhì)量分析

為保證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)可靠，以及可追溯性，試驗(yàn)用電源應(yīng)達(dá)到一定的質(zhì)量要求。高效電機(jī)效率測試方法標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-2-l：2007以及GB1032-2012標(biāo)準(zhǔn)上都對電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用交流電源提出要求：諧波電壓因數(shù)（HVF）≤1.5%；三相電壓系統(tǒng)的負(fù)序分量小于正序分量的0.5%，零序分量要求消除；試驗(yàn)過程中頻率的波動(dòng)量應(yīng)在額定頻率的±0.3%范圍內(nèi)。

4.1 系統(tǒng)電源波形品質(zhì)的分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變頻電源具有標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流輸出（見圖2），能提供完全滿足被試電機(jī)所要求的試驗(yàn)電源，且輸出電壓和輸出頻率均可單獨(dú)調(diào)整；利用WT3000高精度功率分析儀對系統(tǒng)試驗(yàn)電源輸出端在空載的情況下，分析測量50Hz和60Hz以及不同電壓下的諧波含量，得到的電壓正弦性畸變率和諧波電壓因數(shù)如表1。由表中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)電源在不同頻率和不同電壓下的波形近似正弦波，諧波含量很小，諧波電壓因數(shù)均小于1.5%，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)上對試驗(yàn)電源的要求。

圖2 內(nèi)反饋式變頻電源輸出電壓波形（空載）

表1 內(nèi)反饋式變頻電源電壓正弦性畸變率和諧波電壓因數(shù)（空載）

4.2 頻率波動(dòng)量

電源在額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行后，負(fù)載功率要求在額定負(fù)載下，分別在額定頻率50Hz和60Hz下運(yùn)行10min，每隔1min讀取頻率值，測得頻率的波動(dòng)量小于0.04%，頻率穩(wěn)定性好，變化量小。滿足標(biāo)準(zhǔn)上對試驗(yàn)電源頻率的要求。

4.3 三相電源對稱性

三相交流電源的三相不對稱表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是相角的不對稱；第二個(gè)是三相電壓幅值的不對稱。由于內(nèi)反饋?zhàn)冾l電源采用三相三線制供電，所以不會(huì)出現(xiàn)零序分量。以變頻電源輸出380V，50Hz的三相交流電壓為例，通過高精度功率分析儀WT3000測量，測量參數(shù)分別為UAB=379.326V,UCA=380.869V, UBC=380.326V ,φ（UAB-UCA）=119.842°，φ（UAB –UBC）=240.189°。采用對稱分量法進(jìn)行分析，計(jì)算公式如式（1）、（2）：

5 電動(dòng)機(jī)效率測試實(shí)例

該電機(jī)測試系統(tǒng)可自動(dòng)完成三相異步電動(dòng)機(jī)的空載，溫升，負(fù)載，雜散損耗等試驗(yàn)。下面以采用B法——輸入-輸出損耗分析法測試18.5kW，4極三相異步電動(dòng)機(jī)（稱為“被試電機(jī)”）效率的負(fù)載試驗(yàn)為例介紹該系統(tǒng)操作過程。試驗(yàn)以同規(guī)格的三相異步電動(dòng)機(jī)為負(fù)載，稱為“陪試電機(jī)”。首先通電試方向，分別對被試和陪試電機(jī)通電記下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，若兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)向一致，則繼續(xù)試驗(yàn)；否則改變其中一臺(tái)電機(jī)的電源相序，使其改變轉(zhuǎn)向。點(diǎn)擊測試軟件起動(dòng)被試電機(jī)，待試驗(yàn)電壓和頻率穩(wěn)定后，再點(diǎn)擊起動(dòng)陪試電機(jī)，陪試電機(jī)按照“先加頻后加壓”的原則自動(dòng)增加到額定頻率和加電壓至額定電壓附近。起動(dòng)電機(jī)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的額定電流或額定功率進(jìn)行加載；待運(yùn)行穩(wěn)定后，測試系統(tǒng)將根據(jù)測量負(fù)載試驗(yàn)要求自動(dòng)調(diào)節(jié)被試電機(jī)的負(fù)載大小，計(jì)算機(jī)將在1.25-0.25倍額定功率范圍內(nèi)測取若干點(diǎn)讀數(shù)，測試完后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。結(jié)合溫升，負(fù)載，空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)分析計(jì)算，得到如下數(shù)據(jù)：實(shí)測負(fù)載雜散損耗PS=147.2W，線性回歸分析相關(guān)系數(shù)r=0.988，效率η＝91.77%。.

6 總結(jié)

文中介紹的高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)所采用的電子內(nèi)反饋?zhàn)冾l電源是一種新型的電機(jī)試驗(yàn)電源及加載設(shè)備，在電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中利用電功率回饋的方式是在電源內(nèi)部進(jìn)行，很好地克服了傳統(tǒng)電源和機(jī)組模式負(fù)載設(shè)備的缺點(diǎn)，特別對于電機(jī)生產(chǎn)廠家來說，無需另外購置負(fù)載機(jī)，直接采用生產(chǎn)的同種規(guī)格三相異步電動(dòng)機(jī)就可以試驗(yàn)，操作方便，自動(dòng)化程度高，占地小、無噪聲，節(jié)能效果顯著，頻率可調(diào)，解決出口電機(jī)（60Hz）的測試電源問題，具有很好的推廣性。

[1]才家剛，吳亞旗等編著.電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備手冊 第2版，機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]中國電力科學(xué)研究院.范瀅，閆華光，于海波，宗建華，電動(dòng)機(jī)能效測試方法及智能測試系統(tǒng)的研究.《電氣技術(shù)》.2008年第9期.

[3]國際銅業(yè)協(xié)會(huì).趙凱，周勝，中國高校電動(dòng)機(jī)市場現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢展望《電氣時(shí)代》.2008年第6期.

[4]《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第二批）》中華人民共和國工業(yè)和信息化部公告，2012年第14號(hào).

[5]IEC 60034-2-1-2007, Rotating electrical machines - Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles).