高效電機(jī)能效測(cè)試損耗修正分析

王麗嬋，李學(xué)文，朱明遠(yuǎn)

中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007

效率是評(píng)判電機(jī)是否節(jié)能的首要指標(biāo)，電機(jī)效率可簡(jiǎn)記為電機(jī)輸出功率與輸入功率之比，但由于電機(jī)工作狀態(tài)、環(huán)境及測(cè)量方法的限制，很多時(shí)候均不能理想測(cè)量電機(jī)在規(guī)定條件下的額定效率，因而不能簡(jiǎn)單地把不同工作狀態(tài)、不同工作環(huán)境以及不同測(cè)量方法下得到的效率進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，來(lái)判定電機(jī)效率。

1 電機(jī)損耗的組成

從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，電機(jī)可分為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，文章以三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行舉例分析。電源提供的輸入電流I1經(jīng)過(guò)電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生電阻損耗，即定子繞組銅耗Pcu1。

式中：R1為定子繞組電阻。

三相對(duì)稱交變激磁電流Im流過(guò)三相對(duì)稱繞組時(shí)，在電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，由旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)產(chǎn)生電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)主磁通φ1，即定子基波磁通，以同步速n1旋轉(zhuǎn)。主磁通φ1旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)切割定子和轉(zhuǎn)子繞組，并在兩者中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在交變磁場(chǎng)的作用下，電機(jī)鐵芯上的磁疇來(lái)回翻轉(zhuǎn)摩擦，從而引起磁滯損耗。交變磁通在電機(jī)鐵芯內(nèi)也會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，這些電流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通成渦狀流動(dòng)，稱為渦流，渦流在鐵芯內(nèi)會(huì)引起渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗共同組成電機(jī)鐵芯損耗，其與電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平方成正比。因此，輸入功率P1中的另一小部分供電機(jī)鐵芯中的渦流及磁滯損耗，稱為電機(jī)鐵耗PFe。

式中：Rm為勵(lì)磁電阻。

輸入功率減去定子銅耗及鐵耗，其余部分則通過(guò)電磁作用從定子經(jīng)過(guò)氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱為電磁功率PM。

電磁功率的小部分又轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子繞組中的電阻損耗，稱為轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2。

電磁功率的剩余部分即全部轉(zhuǎn)化為總機(jī)械功率PΩ。但是總機(jī)械功率并不能全部輸出，因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)還存在軸承摩擦、風(fēng)阻摩擦等損耗，稱為機(jī)械損耗Pm。此外，由于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組中流過(guò)電流時(shí)，除了產(chǎn)生基波主磁通，還產(chǎn)生高次諧波磁通及漏磁通，這些磁通也隨著電流而交變。當(dāng)這些磁通穿過(guò)導(dǎo)線、定轉(zhuǎn)子鐵芯、基座、端蓋等金屬部件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和渦流，并引起損耗，這部分損耗稱為附加損耗P△。

綜上所述，總機(jī)械功率減去機(jī)械損耗Pm及附加損耗P△后，得到異步電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率P2。雖然電機(jī)中的各項(xiàng)損耗可以通過(guò)一定的試驗(yàn)測(cè)試及基于一定的電機(jī)模型條件進(jìn)行分析計(jì)算得出，但是通過(guò)型式試驗(yàn)求取電機(jī)效率時(shí)，電機(jī)的測(cè)試條件和工作狀態(tài)往往不盡相同。如果只是用試驗(yàn)時(shí)的輸出功率除以輸入功率進(jìn)行效率的簡(jiǎn)單求取，并將其用于對(duì)比，會(huì)由于比較基準(zhǔn)不一致，不具有可比性。因此，為了使同類型電機(jī)采用相同效率測(cè)試方法測(cè)得的效率值具備一定的可比性，需將不同的前提條件修正至統(tǒng)一前提條件，建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使不同試驗(yàn)條件下測(cè)出的電機(jī)效率盡可能地具備可比性，從而更真實(shí)地反映出電機(jī)在效率方面的優(yōu)劣性。

2 電機(jī)損耗數(shù)據(jù)的修正

2.1 定子銅耗

在額定輸入條件下，定子銅耗受定子電阻影響，電機(jī)繞組阻值隨溫度變化，且電阻阻值與溫度滿足：

式中：R1、R2、θ1、θ2分別為冷態(tài)和熱態(tài)下定子繞組的電阻和溫度；K為材料溫度系數(shù)。

由此可知，定子銅耗受溫度影響，在進(jìn)行損耗分析時(shí)，需要消除不同溫度條件下產(chǎn)生的額外損耗。從使用者角度看，電機(jī)還有一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)——溫升，拋開(kāi)溫升談效率或者拋開(kāi)效率談溫升都不合適，使用者更關(guān)心電機(jī)穩(wěn)定溫升時(shí)的效率。溫升是電機(jī)運(yùn)行溫度穩(wěn)定時(shí)繞組溫度與冷卻介質(zhì)溫度之差。當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度為10～40℃時(shí)，溫升不作修正，認(rèn)為同一臺(tái)電機(jī)其溫升為固定值。但對(duì)于不同電機(jī)，由于產(chǎn)品差異，在冷卻介質(zhì)溫度相同的條件下，溫升值可能不同，即計(jì)算電機(jī)定子銅耗需要?dú)w算至規(guī)定溫度條件下對(duì)比才有意義。規(guī)定溫度是假設(shè)電機(jī)在冷卻介質(zhì)溫度為25℃運(yùn)行至穩(wěn)定溫升狀態(tài)時(shí)電機(jī)繞組的溫度值。即實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，冷卻介質(zhì)溫度為θc，穩(wěn)定溫升狀態(tài)時(shí)電機(jī)繞組溫度為θw，則規(guī)定溫度θs滿足：

如電機(jī)冷態(tài)電阻阻值為R1，溫度為θ1，則規(guī)定溫度下電阻Rs為

電流采用實(shí)測(cè)電流值，電阻采用上述換算至規(guī)定溫度下的電阻值，計(jì)算所得的定子銅耗經(jīng)過(guò)統(tǒng)一前提條件的修正。

2.2 轉(zhuǎn)子銅耗

轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化而變化，使得其損耗也相應(yīng)變化，最終可以反映到轉(zhuǎn)差產(chǎn)生相應(yīng)的變化上，滿足一次線性關(guān)系。因此，同樣采用將電阻值修正至規(guī)定溫度下的方法，對(duì)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)差進(jìn)行修正，再用修正后的轉(zhuǎn)差乘以電磁功率，即可得到修正至規(guī)定溫度的轉(zhuǎn)子損耗。如試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)差為st，此時(shí)定子繞組溫度為θt，電機(jī)規(guī)定溫度為θs，修正的轉(zhuǎn)差ss為

采用修正的轉(zhuǎn)差計(jì)算轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2s=ssPM，從而使轉(zhuǎn)子銅耗經(jīng)過(guò)統(tǒng)一前提條件的修正。

2.3 電機(jī)鐵耗

電機(jī)鐵耗與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平方成正比。電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，在額定電壓條件下進(jìn)行，故不同電機(jī)鐵耗比較的前提條件是一致的，無(wú)須修正。

2.4 電機(jī)械損耗

電機(jī)械損耗是由電機(jī)軸承摩擦及風(fēng)阻摩擦產(chǎn)生的，與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速條件，故不同電機(jī)鐵耗比較的前提條件基本一致，無(wú)須修正。

2.5 電機(jī)附加損耗

影響電機(jī)附加損耗的因素較多，不易獲得。在電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032—2012）中，對(duì)附加損耗的求取給出了多種不同的方式，可總結(jié)為直接測(cè)量法、間接測(cè)量法、推薦值法。不同的附加損耗求取方法均在不同電機(jī)模型或者假設(shè)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3 測(cè)試儀器讀數(shù)及測(cè)試不確定性的修正

在國(guó)標(biāo)《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032—2012）中，電機(jī)效率的試驗(yàn)方法有 A、B、C（C1）、E（E1）、F（F1）、G（G1）、H法等。上述試驗(yàn)方案除了對(duì)電機(jī)各項(xiàng)損耗進(jìn)行修正，還對(duì)測(cè)試儀器設(shè)備的測(cè)量值進(jìn)行了修正，并且利用一定的計(jì)算方法，對(duì)測(cè)試的不確定性進(jìn)行了修正。主要體現(xiàn)在以下方面：（1）A、B法中采用扭矩測(cè)量?jī)x對(duì)電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行直接測(cè)量，需要通過(guò)連接負(fù)載與不連接負(fù)載的比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)扭矩測(cè)量?jī)x的讀數(shù)進(jìn)行修正，消除扭矩測(cè)量?jī)x的影響。（2）B、C（C1）法中，在進(jìn)行附加損耗計(jì)算時(shí)，采用線性回歸的計(jì)算法對(duì)測(cè)試的不確定性進(jìn)行了修正。（3）F（F1）、G（G1）、H法都是在測(cè)試條件不足的情況下，間接求取效率的方法，是在一定假定條件下，通過(guò)一定的實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，從而求取電機(jī)效率。（4）F（F1）法是通過(guò)不同頻率下的堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)求取等值參數(shù)，然后通過(guò)計(jì)算方法得到電機(jī)效率。（5）G（G1）法是通過(guò)等效折算法，假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)速保持恒定時(shí)，隨著電壓的降低，電機(jī)的負(fù)載電流隨電壓同比減少，功率隨電壓平方減少。通過(guò)一個(gè)小負(fù)載換算至額定情況，從而求取電機(jī)效率。（6）H法是根據(jù)電動(dòng)機(jī)空載試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取電機(jī)參數(shù)，然后通過(guò)計(jì)算方法得到電機(jī)效率。

A、B、C（C1）、E（E1）、G（G1）法在求取效率時(shí)，實(shí)際都不是直接對(duì)額定點(diǎn)效率的簡(jiǎn)單求取，而是對(duì)各個(gè)負(fù)載點(diǎn)均進(jìn)行效率的計(jì)算，然后做出效率曲線，再?gòu)男是€上求取額定點(diǎn)的效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)效率是電機(jī)的重要技術(shù)參數(shù)，對(duì)不同電機(jī)效率的比較要基于相同試驗(yàn)條件的對(duì)比才具有意義。但因?yàn)槊看卧囼?yàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、試驗(yàn)條件不一致，所以在效率的求取過(guò)程中需要對(duì)電機(jī)效率計(jì)算過(guò)程中受影響較大的參量進(jìn)行統(tǒng)一前提的修正。此外，電機(jī)效率求取是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不同試驗(yàn)方法所建立的假設(shè)條件和電機(jī)模型不同，不同試驗(yàn)方法下得出的效率并不適合進(jìn)行直接比較。