分析北美能效法規(guī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率及其測(cè)試方法的要求

李軍麗

[廣東加華美認(rèn)證有限公司上海分公司(CSA)，上?！?00000]

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分析北美能效法規(guī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率及其測(cè)試方法的要求

李軍麗

[廣東加華美認(rèn)證有限公司上海分公司(CSA)，上海200000]

摘要：介紹了美國(guó)和加拿大現(xiàn)行能效法規(guī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的類型和定額的規(guī)定，詳細(xì)分析了兩國(guó)法規(guī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率及其測(cè)試方法的要求，通過(guò)具體實(shí)例給出了對(duì)比結(jié)果，為國(guó)內(nèi)能效電機(jī)的出口企業(yè)提供了技術(shù)幫助。

關(guān)鍵詞：能效法規(guī)； 電動(dòng)機(jī)的效率； 效率測(cè)試方法

0引言

電動(dòng)機(jī)作為各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等領(lǐng)域。對(duì)一般工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家及較大的發(fā)展中國(guó)家，電動(dòng)機(jī)的用電量在各個(gè)國(guó)家的總用電量中占有相當(dāng)大的比重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這個(gè)比重在美國(guó)達(dá)到了50%，在歐盟達(dá)到了42%，而在中國(guó)這個(gè)比重更是高達(dá)70%。據(jù)英國(guó)和歐盟相繼對(duì)不同型式電動(dòng)機(jī)在全部電動(dòng)機(jī)用電量(除家用電器外)的比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，電動(dòng)機(jī)總用電量中的90%是由異步電動(dòng)機(jī)所消耗。因此，從能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，目前世界上許多國(guó)家包括美國(guó)、加拿大、歐盟以及我國(guó)在內(nèi)都相繼將異步電動(dòng)機(jī)的效率作為強(qiáng)制性指標(biāo)來(lái)考核，并采用法律行政手段來(lái)積極推進(jìn)。

1北美能效法規(guī)

北美能效法規(guī)主要包括美國(guó)能效法規(guī)和加拿大能效法規(guī)。

美國(guó)是世界上第一個(gè)采用法律形式來(lái)推廣高效電動(dòng)機(jī)的國(guó)家，早在1992年，美國(guó)國(guó)會(huì)就通過(guò)了“能源政策法令(Energy Policy Act， EPACT)”，其中對(duì)電動(dòng)機(jī)的最低效率做出了規(guī)定，并于1997年生效實(shí)施。為了進(jìn)一步推進(jìn)節(jié)能政策，美國(guó)隨后對(duì)能效法規(guī)進(jìn)行了四次更新，其現(xiàn)行有效的法規(guī)為能源部(Department of Energy, DOE)于2014年5月29號(hào)發(fā)布的10 CFR Part 431,其中對(duì)電動(dòng)機(jī)的能效要求主要分布在Subpart B和Subpart X兩大子部分，類型包括開(kāi)啟式或封閉式單、三相異步電動(dòng)機(jī)。法規(guī)對(duì)于Subpart B規(guī)定范圍內(nèi)的電機(jī)(消防泵電機(jī)除外)，全部要求其標(biāo)稱效率達(dá)到超高效率水平(Premium Efficiency),其中封閉式結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率水平相當(dāng)于歐洲能效電機(jī)IE3，時(shí)間上的緩沖周期為24個(gè)月，即于2016年6月1號(hào)正式生效。法規(guī)對(duì)于Subpart X規(guī)定范圍內(nèi)的電機(jī)，分為兩步走逐步生效實(shí)施，第一步是針對(duì)獨(dú)立使用或作為部件裝配在能效法規(guī)未覆蓋的系統(tǒng)設(shè)備中的電機(jī)(該電機(jī)可以不用單獨(dú)取得安全認(rèn)證)，能效法規(guī)已經(jīng)于2015年3月9號(hào)生效；第二步是針對(duì)單獨(dú)出售時(shí)需要取得安全認(rèn)證的通用電動(dòng)機(jī)，能效法規(guī)將于2017年3月9號(hào)生效。

加拿大也在1992年制定了能源效率法令(EEACT)，并規(guī)定于1995年開(kāi)始正式生效。其電動(dòng)機(jī)效率指標(biāo)和當(dāng)時(shí)美國(guó)EPACT相同，隨后定期更新，以跟隨美國(guó)能效法規(guī)的發(fā)展要求。其現(xiàn)行有效的法規(guī)是由加拿大自然資源部(Natural Resource Canada, NRcan)于2011年1月1號(hào)正式實(shí)施的。其對(duì)電動(dòng)機(jī)部分的要求僅包含三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，效率要求分為普通高效和超高效兩大類。

北美能效法規(guī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求包含了電機(jī)的類型及范圍、效率指標(biāo)、測(cè)試方法、評(píng)定程序、能效標(biāo)志以及監(jiān)管要求等內(nèi)容。本文重點(diǎn)分析能效法規(guī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率及測(cè)試方法的要求，并請(qǐng)注意：

(1) 本文中所說(shuō)的電機(jī)是指電動(dòng)機(jī)，法規(guī)是指能效法規(guī)；

(2) 據(jù)悉，加拿大法規(guī)將于今年下半年更新，部分法規(guī)將有所調(diào)整，具體以新法規(guī)為準(zhǔn)。

2能效電機(jī)的范圍

美國(guó)和加拿大現(xiàn)行的能效法規(guī)都對(duì)電機(jī)類型和定額具有明確的規(guī)定，而對(duì)于這一規(guī)定，兩國(guó)根據(jù)各自的實(shí)際情況又有不同之處，具體描述如下：

2.1加拿大能效法規(guī)

電機(jī)范圍為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，或直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，或作為部件裝配于其他系統(tǒng)設(shè)備中間接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，不管此系統(tǒng)設(shè)備是否有能效要求。具體包含如下內(nèi)容：

(1) 單速、三相籠型異步電動(dòng)機(jī);

(2) 連續(xù)工作制;

(3) 機(jī)座號(hào)帶T或U的NEMA設(shè)計(jì)A、B、C電機(jī)，或機(jī)座號(hào)為IEC90及以上的N或H設(shè)計(jì)的電機(jī)；

(4) 額定輸出功率范圍為1～500HP；

(5) 額定電壓不高于600V;

(6) 額定頻率為50/60Hz或60Hz；

(7) 極數(shù)為2、4、6、8極；

(8) 外殼防護(hù)型式為開(kāi)啟式或封閉式結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級(jí)為IP00～I(xiàn)P66;

(9) 底腳式安裝或法蘭式安裝結(jié)構(gòu)；

(10) R型或S型標(biāo)準(zhǔn)軸伸結(jié)構(gòu)，或緊湊型安裝的泵類電機(jī)或立式安裝實(shí)心軸帶普通止推軸承的電機(jī)。

注意： 包含適合以上內(nèi)容的防爆電機(jī)及齒輪減速電機(jī)。

目前被法規(guī)排除在外的電機(jī)如下：

(1) 額定輸出功率大于200HP的NEMA設(shè)計(jì)A或C電機(jī)；

(2) 額定輸出功率大于200HP的IEC H設(shè)計(jì)的電機(jī)。

2.2美國(guó)能效法規(guī)

包含Subpart B和Subpart X兩大子部分，對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)類型及定額范圍，具體描述如下：

2.2.1Subpart B內(nèi)容

(1) 單速、三相籠型異步電動(dòng)機(jī)；

(2) 連續(xù)工作制；

(3) 供電頻率為交流三相正弦波60Hz；

(4) 額定電壓小于600V；

(5) 極數(shù)為2、4、6、8極；

(6) NEMA 3位數(shù)或4位數(shù)機(jī)座號(hào)(或等效的IEC機(jī)座號(hào))，包括機(jī)座號(hào)位于2個(gè)連續(xù)NEMA機(jī)座號(hào)之間(或等效的IEC機(jī)座號(hào))的，或封閉式NEMA 56機(jī)座號(hào)(或等效的IEC機(jī)座號(hào))；

(7) 外殼防護(hù)型式為開(kāi)啟式或封閉式結(jié)構(gòu)；

(8) 額定輸出功率范圍為1～500HP；

(9) NEMA設(shè)計(jì)A、B、C電機(jī)，IEC N或H設(shè)計(jì)的電機(jī)。

注意： 包含適合以上內(nèi)容的分裝式電機(jī)及消防泵電機(jī)。

目前被法規(guī)排除在外的電機(jī)如下：

(1) 帶風(fēng)扇對(duì)機(jī)殼表面進(jìn)行冷卻的電機(jī)(air-over motor)；

(2) 電機(jī)的部件；

(3) 液體冷卻的電機(jī)；

(4) 潛水電機(jī)；

(5) 專用變頻器電機(jī)。

2.2.2Subpart X內(nèi)容

(1) 小型交流單、三相異步電動(dòng)機(jī)；

(2) 單速運(yùn)轉(zhuǎn)；

(3) 開(kāi)啟式結(jié)構(gòu)；

(4) 單相電機(jī)包含電容起動(dòng)式或電容起動(dòng)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式；

(5) NEMA2位數(shù)機(jī)座號(hào)(或等效的IEC機(jī)座號(hào))；

(6) 額定輸出功率范圍為0.25～3HP；

(7) 極數(shù)為2、4、6極。

3能效法規(guī)對(duì)電機(jī)效率的要求

加拿大現(xiàn)行能效法規(guī)根據(jù)電機(jī)不同設(shè)計(jì)，將效率要求分為普通高效和超高效兩大類。美國(guó)現(xiàn)行能效法規(guī)對(duì)于子部分Subpart B范圍內(nèi)封閉式結(jié)構(gòu)的電機(jī)(消防泵電機(jī)除外)，全部要求其標(biāo)稱效率達(dá)到超高效水平。對(duì)于子部分Subpart X范圍內(nèi)的電機(jī)，類型及定額與Subpart B相同的部分(忽略機(jī)座號(hào)的不同)，要求其平均效率等于或略低于超高效水平。

3.1效率指標(biāo)

在分析效率指標(biāo)之前，有必要理解一下標(biāo)稱效率(Nominal Efficiency)的概念。標(biāo)準(zhǔn)NEMA MG1—2014條款12.58.2對(duì)其解釋如下：

對(duì)于相同設(shè)計(jì)的電機(jī)，由于材料、加工工藝的偏差以及測(cè)試的誤差，導(dǎo)致批量生產(chǎn)的電機(jī)滿載效率之間產(chǎn)生了差異。這些效率既不是一個(gè)單一的數(shù)值，也不是一個(gè)范圍，因此在NEMA MG1—2014表12～10確定了一系列具有邏輯關(guān)系的標(biāo)稱效率及其對(duì)應(yīng)的最小效率值，用來(lái)反映一臺(tái)電機(jī)或多臺(tái)電機(jī)消耗電能的水平。

對(duì)于大批量生產(chǎn)的電機(jī)，標(biāo)稱效率一般都小于或等于平均效率。標(biāo)稱效率需要標(biāo)示在電機(jī)銘牌上，并且單臺(tái)電機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)，其滿載效率應(yīng)不低于標(biāo)稱效率所對(duì)應(yīng)的最小值。

目前北美能效法規(guī)及歐洲能效法規(guī)都是對(duì)電機(jī)的標(biāo)稱效率做出了規(guī)定，具體標(biāo)稱效率值都選自于表1。

3.1.1加拿大能效法規(guī)的效率指標(biāo)

3.1.1.1超高效率指標(biāo)

對(duì)于法規(guī)范圍內(nèi)符合以下所有條件的電機(jī)，其最低標(biāo)稱效率需滿足表2中的要求：

表1　標(biāo)稱效率指標(biāo)

(1) 額定輸出功率范圍為1～200HP；

(2) 極數(shù)為2、4、6極；

(3) NEMAT機(jī)座號(hào)或IEC90及以上機(jī)座號(hào)；

(4) NEMA設(shè)計(jì)A、B或IEC N設(shè)計(jì)的電機(jī)；

(5) 底腳式安裝、C型端蓋式安裝(有底腳或底腳可拆卸)或D型法蘭式安裝(有底腳或底腳可拆卸)；

(6) R型或S型標(biāo)準(zhǔn)軸伸結(jié)構(gòu)，以及等效的IEC軸伸結(jié)構(gòu)。

但對(duì)滿足以上條件的齒輪減速電機(jī)或消防泵電機(jī)，不作超高效率要求。

表2　(60Hz)超高效率指標(biāo)

3.1.1.2普通高效率指標(biāo)

對(duì)于法規(guī)范圍內(nèi)符合以下任一條件的電機(jī)，其最低標(biāo)稱效率需滿足表3的要求：

(1) 極數(shù)為8極；

(2) NEMAU機(jī)座號(hào)；

(3) NEMA設(shè)計(jì)C或IEC H設(shè)計(jì)；

(4) 緊湊型安裝的泵類電機(jī)；

(5) 立式安裝實(shí)心軸帶普通止推軸承的電機(jī)；

(6) 消防泵電機(jī)；

(7) 無(wú)底腳式安裝，包括C型端蓋式安裝(無(wú)底腳)或D型法蘭式安裝(無(wú)底腳)；

(8) 齒輪減速電機(jī)；

(9) 額定輸出功率范圍為200～500HP，2、4、6極，NEMA設(shè)計(jì)B或IEC N設(shè)計(jì)。

表3　(60Hz)普通高效率指標(biāo)

3.1.2美國(guó)能效法規(guī)中效率指標(biāo)

3.1.2.1Subpart X效率指標(biāo)

(1) 小型交流三相異步電機(jī),滿載時(shí)平均效率要求見(jiàn)表4。

表4　小型三相異步電機(jī)效率指標(biāo)

(2) 小型交流單相異步電動(dòng)機(jī),滿載時(shí)平均效率要求見(jiàn)表5。

表5　小型單相異步電機(jī)效率指標(biāo)

3.1.2.2Subpart B效率指標(biāo)

從2016年6月1日起，美國(guó)能效法規(guī)Subpart B根據(jù)電機(jī)的不同設(shè)計(jì)，對(duì)其效率指標(biāo)簡(jiǎn)化為三部分，分布在三個(gè)表格中，具體見(jiàn)表6～表8。

表6　超高效率指標(biāo)NEMA設(shè)計(jì)A、B及IEC N設(shè)計(jì)(不包含消防泵電機(jī))60Hz

續(xù)表

表7　超高效率指標(biāo)NEMA設(shè)計(jì)C及IEC H設(shè)計(jì)(60Hz)

表8　普通高效率指標(biāo)消防泵電機(jī)(60Hz)

續(xù)表

3.1.3效率指標(biāo)對(duì)比

對(duì)于美國(guó)能效法規(guī)Subpart X的內(nèi)容，目前加拿大法規(guī)中還沒(méi)有包含，而對(duì)于美國(guó)能效法規(guī)Subpart B，其包含的電機(jī)類型、機(jī)座號(hào)范圍以及定額范圍，與加拿大能效法規(guī)的內(nèi)容幾乎相同，所以有必要對(duì)這兩部分的內(nèi)容進(jìn)行比較，如表9所示。

表9　美國(guó)能效法規(guī)Subpart B和加拿大能效法規(guī)的效率指標(biāo)對(duì)比

3.1.4效率驗(yàn)證方法

效率驗(yàn)證方法包含效率確定方法、測(cè)試所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)及抽樣判定方法，目前兩國(guó)能效法規(guī)對(duì)效率的驗(yàn)證方法有著各自的規(guī)定。

3.1.4.1美國(guó)能效法規(guī)對(duì)效率的驗(yàn)證方法

(1) 效率確定方法。Subpart B和Subpart X對(duì)效率的確定方法一樣，可以采用測(cè)試的方法或替代效率確定方法(AEDM)。AEDM適合于一個(gè)基本型號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)采用能夠代表其機(jī)械和電氣特性的數(shù)學(xué)模型，基于工程或統(tǒng)計(jì)分析，采用計(jì)算機(jī)仿真建?；蚱渌治龇椒ㄔu(píng)估電機(jī)的性能數(shù)據(jù)。如果客戶需要采用AEDM的方法確定效率，首先需要將所采用的數(shù)學(xué)模型、通過(guò)仿真分析的性能數(shù)據(jù)以及至少5個(gè)型號(hào)的效率測(cè)試數(shù)據(jù)提交給美國(guó)能源部DOE進(jìn)行審核。如果這些型號(hào)通過(guò)仿真分析所得總損耗值與測(cè)試所得的總損耗值偏差在±10%范圍內(nèi)，則認(rèn)為AEDM的準(zhǔn)確度和可靠性已滿足要求。本文重點(diǎn)介紹采用測(cè)試的方法確定效率。

(2) 測(cè)試所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。Subpart B規(guī)定效率測(cè)試依據(jù)IEEE Std 112—2004 B法或CSA C390—10；而Subpart X根據(jù)電機(jī)種類和功率范圍規(guī)定了不同的測(cè)試方法，具體如下：

① 小型單相異步電機(jī)： 依據(jù)IEEE Std 114-2010或CSA C747；

② 功率小于或等于1HP的小型三相異步電機(jī)： 依據(jù)IEEE Std 112—2004 A法或CSA C747；

③ 功率大于1HP的小型三相異步電機(jī)： 依據(jù)IEEE Std 112—2004 B法或CSA C390—10。

(3) 抽樣原則。Subpart B和Subpart X的抽樣原則是一致的，具體內(nèi)容如下：

① 至少抽取5個(gè)型號(hào)，每個(gè)型號(hào)至少提供5臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試(除非此型號(hào)在180天內(nèi)所生產(chǎn)的數(shù)量不足5臺(tái)，那么這些電機(jī)每臺(tái)都需要測(cè)試)，其中有2個(gè)型號(hào)是制造商在上一年度或之前12個(gè)月期間有較大的生產(chǎn)量；

② 所抽取的每個(gè)型號(hào)應(yīng)具有不同的輸出功率；

③ 所抽取的每個(gè)型號(hào)應(yīng)具有不同的機(jī)座號(hào)；

④ 希望抽取的每個(gè)型號(hào)所對(duì)應(yīng)的效率值應(yīng)是其他型號(hào)中具有同樣定額電機(jī)所對(duì)應(yīng)效率中的最小值。

(4) 效率判定方法。Subpart B和Subpart X的效率判定方法是一致的。對(duì)于所抽取每個(gè)型號(hào)至少提供5臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，滿足式(1)要求即可判定合格：

① 效率平均值應(yīng)大于或等于式(1)計(jì)算值：

(1)

式中：n——樣機(jī)的數(shù)量；

Xi——第i個(gè)樣機(jī)測(cè)量的滿載效率值。

其中： 對(duì)于Subpart B中的電機(jī)，RE是指對(duì)應(yīng)表格中的標(biāo)稱效率；對(duì)于Subpart X中的電機(jī)，RE是指對(duì)應(yīng)表格中所要求的平均效率。

② 最小效率值應(yīng)大于或等于式(2)、式(3)的計(jì)算值：

Xmin=min(Xi)

(2)

(3)

此條件僅對(duì)Subpart B中的電機(jī)有要求。

3.1.4.2加拿大能效法規(guī)對(duì)效率的驗(yàn)證方法

加拿大能效法規(guī)規(guī)定采用測(cè)試的方法進(jìn)行效率的確定，測(cè)試所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為CSA C390-10。法規(guī)并沒(méi)有明確規(guī)定抽樣原則和效率的判定方法，而是依據(jù)所認(rèn)可的第三方機(jī)構(gòu)相應(yīng)的規(guī)定。本文以CSA(加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的簡(jiǎn)稱)的規(guī)定來(lái)說(shuō)明。

(1) 抽樣原則。基本上與美國(guó)能效法規(guī)相同，不同之處在于每個(gè)機(jī)座號(hào)都要抽取樣機(jī)，并包含到所有極數(shù)和所有電壓種類，要求每個(gè)型號(hào)至少提供一臺(tái)樣機(jī)。

(2) 效率判定方法。樣機(jī)測(cè)試所得效率的平均值應(yīng)大于或等于標(biāo)稱效率，而每臺(tái)樣機(jī)測(cè)試的效率值應(yīng)不低于標(biāo)稱效率所對(duì)應(yīng)的最小值(見(jiàn)表1)。如果每個(gè)型號(hào)只提供一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，那么這臺(tái)樣機(jī)的效率測(cè)試結(jié)果應(yīng)大于或等于標(biāo)稱效率。如果這臺(tái)樣機(jī)的效率測(cè)試結(jié)果小于標(biāo)稱效率，那么需要增加樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，直到樣機(jī)測(cè)試所得效率的平均值大于或等于標(biāo)稱效率為止。

關(guān)于效率的判定方法，從上述來(lái)看兩國(guó)法規(guī)稍有不同，舉例說(shuō)明見(jiàn)表10的內(nèi)容。

表10　舉例說(shuō)明兩國(guó)法規(guī)對(duì)效率判定方法的區(qū)別

從表10中可以看出，對(duì)于樣機(jī)測(cè)試效率的平均值，美國(guó)法規(guī)驗(yàn)收的要求稍低于加拿大法規(guī)；而對(duì)于樣機(jī)測(cè)試效率的最小值，美國(guó)法規(guī)驗(yàn)收的要求則稍高于加拿大法規(guī)。兩者之間的差異隨功率的大小而變化，功率越大，差異越小。

4對(duì)效率測(cè)試方法的分析

對(duì)于同一臺(tái)電機(jī)采用不同的測(cè)試方法得出來(lái)的效率值相差較大，因此在進(jìn)行效率評(píng)價(jià)時(shí)，前提必須是采用相同的測(cè)試方法。

如前面3.1.4所述，加拿大能效法規(guī)要求效率測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CSA C390-10中的方法進(jìn)行，而與加拿大能效法規(guī)包含相同的電機(jī)類型和定額范圍的美國(guó)法規(guī)Subpart B，則要求效率的測(cè)試既可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CSA C390-10的方法進(jìn)行，也可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 112—2004中的B法進(jìn)行。

CSA C390-10中效率測(cè)試方法也稱為測(cè)量輸入和輸出功率的損耗分析法，其中間接測(cè)量負(fù)載雜散損耗和直接測(cè)量定子鐵耗、機(jī)械損耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗。IEEE Std 112—2004中對(duì)B法的描述也稱為測(cè)量輸入和輸出功率的損耗分析法。至此，我們可能會(huì)提出疑問(wèn)： CSA C390-10的測(cè)試方法和IEEE Std 112—2004中的B法是否完全一樣？如果一樣，那么這兩個(gè)測(cè)試方法將可以合二為一，沒(méi)必要再分開(kāi)描述了。為此，本文對(duì)這兩種方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對(duì)比。

4.1試驗(yàn)程序

兩種方法的試驗(yàn)程序基本相同，具體如下描述：

(1) 溫升試驗(yàn)。效率測(cè)試過(guò)程中溫升試驗(yàn)的目的是確定電機(jī)在額定負(fù)載條件下達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)定子繞組的溫度。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，在試驗(yàn)初期允許加大負(fù)載加快熱平衡，預(yù)計(jì)溫升快要穩(wěn)定時(shí)將負(fù)載降至額定直至溫升穩(wěn)定。對(duì)于溫升穩(wěn)定的判斷，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)稍有不同，加拿大標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為半小時(shí)內(nèi)繞組溫度變化不超過(guò)2K則認(rèn)為溫升已穩(wěn)定，而112B法(IEEE Std 112—2004中B法的簡(jiǎn)稱)判斷溫升穩(wěn)定的條件是半小時(shí)內(nèi)繞組溫度變化應(yīng)不超過(guò)1K。試驗(yàn)時(shí)采用電阻法確定繞組的溫度，熱態(tài)電阻需要在轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)后盡快測(cè)量，如果不能在表11規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，則需要采用外推法或插值法確定。

表11　測(cè)量熱態(tài)電阻的延遲時(shí)間

(2) 負(fù)載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)需要選取6個(gè)負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行，其中在25%～100%負(fù)載之間，大致均勻選取4個(gè)負(fù)載點(diǎn)，其余2個(gè)負(fù)載點(diǎn)應(yīng)在100%～150%負(fù)載之間大致均勻選取。試驗(yàn)從最高負(fù)載點(diǎn)開(kāi)始，依次降低至最低負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行。為減少試驗(yàn)過(guò)程中溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)盡可能短，整個(gè)過(guò)程中繞組測(cè)量的溫度與溫升試驗(yàn)時(shí)繞組最高溫度相差不超過(guò)10K。

在每一負(fù)載點(diǎn)處，需記錄轉(zhuǎn)矩、輸入功率、三個(gè)線電壓、三個(gè)線電流、轉(zhuǎn)速、定子繞組溫度、環(huán)境溫度和頻率。

負(fù)載測(cè)試時(shí)，對(duì)于被試電機(jī)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是否需要修正，C390-10和112B法的要求相同，即當(dāng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是通過(guò)位于被試電機(jī)與測(cè)功機(jī)(負(fù)載)之間的轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行，那么所測(cè)的轉(zhuǎn)矩就近似等于被試電機(jī)軸端輸出的轉(zhuǎn)矩，設(shè)備之間連接產(chǎn)生的機(jī)械損耗對(duì)效率測(cè)量結(jié)果的影響很小，一般來(lái)說(shuō)不必再進(jìn)行修正。對(duì)于這一點(diǎn)要求，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2012條款7.3中也有著近似的描述，認(rèn)為轉(zhuǎn)矩的修正是適用于轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x與被試電機(jī)之間有軸承的情況。

如果轉(zhuǎn)矩需要修正，C390-10和112B法對(duì)修正測(cè)試的方法相同，這也與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2012條款7.3內(nèi)容一樣,本文不再贅述。

(3) 空載試驗(yàn)?？蛰d試驗(yàn)的目的是確定被試電機(jī)的鐵耗和機(jī)械損耗。C390-10要求試驗(yàn)時(shí)至少選取6個(gè)空載點(diǎn)進(jìn)行，其中在60%～125%額定電壓之間，大致均勻選取至少3個(gè)點(diǎn)(中點(diǎn)盡量靠近100%額定電壓)，在20%～50%額定電壓之間，也大致均勻選取至少3個(gè)空載點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，電壓最小點(diǎn)的電流要達(dá)到最小的穩(wěn)定電流。112B法對(duì)于空載測(cè)試點(diǎn)數(shù)的選確沒(méi)有明確的要求，只是規(guī)定試驗(yàn)過(guò)程中電壓從125%額定電壓變化到空載電流達(dá)到最小的穩(wěn)定電流為止。

當(dāng)空載運(yùn)行穩(wěn)定后，在每一空載點(diǎn)處記錄輸入功率、三個(gè)線電壓、三個(gè)線電流、定子繞組溫度及頻率。空載運(yùn)行穩(wěn)定的條件是半小時(shí)內(nèi)輸入功率變化不超過(guò)3%。

4.2數(shù)據(jù)計(jì)算

數(shù)據(jù)計(jì)算的過(guò)程也就是從上述試驗(yàn)測(cè)量值中計(jì)算出定子鐵耗、機(jī)械損耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗以及負(fù)載雜散損耗共五大損耗的過(guò)程。對(duì)于機(jī)械損耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗以及負(fù)載雜散損耗的計(jì)算，C390-10和112B法的處理方法相同，并且定、轉(zhuǎn)子銅耗以及負(fù)載雜散損耗的計(jì)算也與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2012中相應(yīng)的內(nèi)容一致,本文不再贅述。

對(duì)于定子鐵耗計(jì)算，C390-10和112B法的處理方法不同，具體分析如下：

4.2.1C390-10 中鐵耗計(jì)算

首先通過(guò)空載試驗(yàn)時(shí)在60%～125%額定電壓之間所記錄至少3個(gè)點(diǎn)的參數(shù)來(lái)確定鐵耗+機(jī)械損耗之和Pcore+mec與空載平均電壓U0之間的關(guān)系曲線I，然后計(jì)算出負(fù)載試驗(yàn)下6個(gè)負(fù)載點(diǎn)時(shí)施加于鐵心中的電壓降Vcorr(i)，根據(jù)所計(jì)算的鐵心壓降從所得的曲線I中得出每個(gè)負(fù)載點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的鐵耗+機(jī)械損耗之和Pcore+mec(i),然后再減去機(jī)械損耗Pmec，最后得出每個(gè)負(fù)載電壓下的鐵耗值PFe(i)。在異步電機(jī)損耗分析計(jì)算中，機(jī)械損耗認(rèn)為是不變損耗,為了更清楚地描述計(jì)算過(guò)程，可作如下推導(dǎo)：

(1) 首先確定Pcore+mec∝U0的關(guān)系曲線I；

(2) 計(jì)算出6個(gè)負(fù)載點(diǎn)的鐵心壓降Vcorr(i)，i表示不同的負(fù)載點(diǎn)；

(3) 從曲線I中得出對(duì)應(yīng)于不同鐵心壓降Vcorr(i)下的鐵耗和機(jī)械損耗之和Pcore+mec(i)；

(4) 然后從所得的鐵耗和機(jī)械損耗之和減去機(jī)械損耗，即可得到每點(diǎn)的鐵耗PFe(i)=Pcore+mec(i)-Pmec。

4.2.2112B法中鐵耗的計(jì)算

相比C390-10中的計(jì)算要簡(jiǎn)單明了。先根據(jù)空載試驗(yàn)所記錄的參數(shù)值確定出鐵耗與電壓之間的關(guān)系曲線，然后根據(jù)每個(gè)負(fù)載下的平均電壓得出相應(yīng)的鐵耗值。

4.3兩種方法測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

同一臺(tái)電機(jī)按4.1的程序進(jìn)行測(cè)試，記錄的原始數(shù)據(jù)分別按C390-10及112B法進(jìn)行處理，得出額定負(fù)載下各損耗值及效率值，如表12所示。

表12　C390-10和112B法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從表12可以看出，采用C390-10方法處理得出的鐵耗值都較低，這是因?yàn)殍F耗的大小與電壓成正比，采用C390-10所得的鐵耗值是對(duì)應(yīng)于定子鐵心中的壓降(從總電壓降中減去定子繞組的電阻壓降)，而采用112B法所得的鐵耗值是對(duì)應(yīng)于總電壓降。由于兩種方法對(duì)負(fù)載雜散損耗的求取方法都是采用剩余損耗法(即基于剩余損耗與轉(zhuǎn)矩平方的關(guān)系，采用線性回歸分析法得出負(fù)載雜散損耗)，所以鐵耗值的不同導(dǎo)致負(fù)載雜散損耗值也略有不同，但最后兩種方法所得的效率值幾乎相同，最大僅相差0.1%。

112B法目前是世界上比較公認(rèn)的一種效率測(cè)試方法。為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，英國(guó)諾丁漢大學(xué)曾經(jīng)采用熱量計(jì)量法計(jì)算電動(dòng)機(jī)的效率，數(shù)據(jù)標(biāo)明熱量計(jì)量法和112B所測(cè)的結(jié)果相當(dāng)接近，平均值僅相差0.12個(gè)百分點(diǎn)。如前所述，采用C390-10所測(cè)的效率與112B幾乎相同，因此可以說(shuō)C390-10測(cè)試效率的準(zhǔn)確性也很高，并且筆者認(rèn)為其對(duì)鐵耗的計(jì)算更接近于實(shí)際值。

5結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)能效電機(jī)出口大國(guó)，對(duì)于國(guó)內(nèi)出口北美市場(chǎng)的電機(jī)企業(yè)，在國(guó)際貿(mào)易中首先需要對(duì)北美能效方面的技術(shù)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)了解清楚，才能積極應(yīng)對(duì)貿(mào)易中的技術(shù)壁壘。希望本文的分析結(jié)果能對(duì)企業(yè)的出口提供幫助。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]秦和.電動(dòng)機(jī)的能效水平及其影響.中小型電機(jī),2003,30(1)： 1-13.

[2]美國(guó)能效法規(guī)10 CFR Part 431 Subpart B, Subpart X.

[3]加拿大能效法規(guī)NRcan.

[4]NEMA MG-1—2009 Motors and Generators.

[5]IEEE 112—2004 IEEE Standard test procedure poly-phase induction motors and generators.

[6]CSA C390-10 Test methods, marking requirements, and energy efficiency levels for three-phase induction motors.

[7]IEC 60034-30-1 Efficiency classes of line operated AC motors(IE code).

[8]GB/T 1032—2012三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法.北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：李軍麗(1977—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)電機(jī)及其標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的分析。

中圖分類號(hào)：TM 306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)06- 0084- 10

收稿日期：2016-05-21

Analyze the Requirement of Motor’s Efficiency and Test Method Prescribed by America’s EPCA and Canada’s NRcan

LIJunli

(CCIC-CSA International Certification Co.,Ltd., Shanghai Branch, Shanghai 200000, China)

Abstract：Describes the motor’s category and electric rating included in the energy efficiency regulation prescribed by America’s EPCA and Canada’s NRcan respectively, analyze the requirement of motor efficiency and test method, illustrate the difference between the two regulations. This analysis result provide reference for export motorcompany in china.

Key words：energy efficiency regulation; motor efficiency; test method of efficiency