高效低壓三相異步電動機(jī)效率測試方法對比分析

項京成 徐華月 黃和平 翁曉偉 鄭海杰

（1.臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 臺州 318000；2.臺州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

電動機(jī)是用電量最大的終端耗電設(shè)備，目前，我國國內(nèi)中小型電動機(jī)保有量達(dá)16億kW，成為世界上最大的中小型電動機(jī)生產(chǎn)、使用和出口國。隨著GB 18613—2020《電動機(jī)能效限定值及能效等級》標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實施及國家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略構(gòu)想的大力推進(jìn)，提升電動機(jī)效率成為國內(nèi)市場上大小電機(jī)企業(yè)的重要目標(biāo)，而在這一過程中，電動機(jī)能效的精準(zhǔn)測量無疑是重要的一環(huán)。鑒于此，本文將著重探討三相異步電動機(jī)效率的不同測試方法可能存在的差異。

1 試驗方法介紹

目前，中小型三相異步電動機(jī)能量效率的確定方法主要有以下幾種[1]：A法（輸入-輸出法）、B法（測量輸入和輸出功率的損耗分析法）、C法（成對電機(jī)雙電源對拖回饋試驗損耗分析法）、E法或E1法（測量輸入功率的損耗分析法）、F法或F1法（等值電路法）、G法或G1法（降低電壓負(fù)載法）、H法（原圖法）。其中最常用以及適用范圍較廣的方法為A法、B法及E1法3種，現(xiàn)針對3種能效確定方法的異同進(jìn)行分析。

1）A法。輸入-輸出法，即只需要通過熱試驗和負(fù)載試驗確定電機(jī)在基準(zhǔn)冷卻介質(zhì)溫度、額定負(fù)載下的輸入功率、輸出功率，通過輸入/輸出的比值確定效率，如式（1）所示：

式中：P1為修正至基準(zhǔn)冷卻介質(zhì)溫度的輸入功率；P2為修正至基準(zhǔn)冷卻介質(zhì)溫度的輸出功率。

2）B法。測量輸入和輸出功率的損耗分析法，即進(jìn)行空載試驗、熱試驗、負(fù)載試驗及轉(zhuǎn)矩修正試驗等確定各項損耗及額定負(fù)載下的輸入功率，通過輸入功率與總損耗的差值比上輸入功率得到效率，如式（2）所示：

式中：P1為修正至基準(zhǔn)冷卻介質(zhì)溫度的輸入功率；PT為修正至基準(zhǔn)冷卻介質(zhì)溫度的總損耗。

3）E1法。測量輸入功率的損耗分析法，E1法與B法的區(qū)別主要在于不需要測定輸出端參數(shù)，如輸出功率、輸出扭矩等。此外，E1法按照推薦值確定負(fù)載雜散損耗，而B法通過負(fù)載、空載試驗分析確定，與輸入功率、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)相關(guān)。

2 試驗方案

計劃進(jìn)行如表1所示的共9組低壓三相異步電動機(jī)能效試驗，以探究不同測試方法對電動機(jī)效率確定的影響以及對不同機(jī)座號電動機(jī)的影響情況。

表1 效率確定試驗組的設(shè)置

3種測試方法所需要測試的參數(shù)如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，A法與B法所測量的參數(shù)較全，相對的不確定度也較小，而E1法不確定度較高。

表2 A法、B法和E1法確定效率需要測試的參數(shù)

3 測試結(jié)果及分析

3.1 測試結(jié)果匯總

對3種不同型號的電動機(jī)分別用A法、B法和E1法進(jìn)行效率測試，具體數(shù)據(jù)及結(jié)果如表3～表5所示。在電動機(jī)檢測過程中，定/轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、風(fēng)摩耗都比較容易測得，唯有雜散損耗的測量較為復(fù)雜[2]。

表3 YE4-160M-4三相異步電動機(jī)測試結(jié)果匯總

3.2 各方法所得效率數(shù)據(jù)分析

對表3、表4、表5的數(shù)據(jù)分析可得3種型號的電動機(jī)通過上述3種效率確定方法得到的效率折線圖，如圖1所示。

圖1 采用A法、B法、E1法測得的效率結(jié)果

表4 YE4-180M-4三相異步電動機(jī)測試結(jié)果匯總

表5 YE4-280S-6三相異步電動機(jī)測試結(jié)果匯總

可以看到，采用B法，各臺樣機(jī)的效率均能達(dá)到2級能效的要求。以YE4-160M-4這臺樣機(jī)舉例，對比分析可得，B法確定的能效較A法和E1法分別高出了0.70個百分點和1.40個百分點。其他兩臺樣機(jī)B法效率相較A法、E1法分別高出0.65個百分點、0.90個百分點與0.65個百分點、1.07個百分點。

3.3 各方法參數(shù)分析

由于A法測量時各項損耗測量不全，故對B法、E1法的各項損耗進(jìn)行比對，同樣以YE4-160M-4樣機(jī)為例，各項損耗比對如圖2所示。

圖2 B法、E1法各項損耗對比

從圖2可得，針對同一臺電機(jī)，采用B法和E1法得到的鐵耗、機(jī)械耗及定/轉(zhuǎn)子損耗的測量值相差不大，但是雜散損耗差距較大，可達(dá)兩倍以上。究其原因，B法雜散損耗為試驗計算得出，E1法雜散損耗為按推薦值確定。而雜散損耗與功率大小、極數(shù)、材料等因素有關(guān)[3]，能效越高的電動機(jī)，其質(zhì)量越好，雜散損耗也相對越小，與E1法中雜散損耗的推薦值偏離也越遠(yuǎn)。因此，高能效等級三相異步電動機(jī)的效率確定不宜應(yīng)用E1法，E1法適用于B法難以直接測量的、1000 kW以上的異步電動機(jī)。

同樣以YE4-160M-4樣機(jī)為例，圖3繪制了該電動機(jī)在A法及B法各負(fù)載點的效率值，可以看到，額定點的A法效率與B法效率值接近，但額定點兩側(cè)的效率值存在較大差值，導(dǎo)致最終擬合得到的負(fù)載點效率相差較大。分析可得，在采用A法進(jìn)行測試時，設(shè)備精度高，會降低分析及測量誤差，以減小結(jié)果偏差。

圖3 A法及B法各負(fù)載點的效率值及擬合曲線

4 結(jié)論

為了準(zhǔn)確確定高效三相異步電動機(jī)的能量效率，對IE4能效等級的3組電動機(jī)樣機(jī)在3種測試方法（A法、B法、E1法）下進(jìn)行效率測試。通過數(shù)據(jù)處理及分析，得出以下結(jié)論：

1）3種效率確定方法中，A法、B法檢測測試的參數(shù)較全，且對同一型號電動機(jī)，B法效率最高，A法次之，E1法測得的效率最低，不同的測試方法效率結(jié)果存在差異。

2）在2級能效的中小型三相異步電動機(jī)效率確定過程中，E1法的結(jié)果相較于B法的結(jié)果低1個百分點以上。主要原因是E1法的雜散損耗為推薦值，難以準(zhǔn)確反映高水平電動機(jī)的實際情況，造成較大的偏差。因此，較高能效等級的電動機(jī)，即能效1級、2級的異步電動機(jī)不適用E1法確定效率，會導(dǎo)致確定效率值偏低。

3）A法確定效率的準(zhǔn)確度受儀器精度的影響較大，對于功率較小電動機(jī)的效率確定值存在一定偏差。因此，推薦小功率電動機(jī)在條件允許的情況下，盡量用B法檢測，保證測量效率值的準(zhǔn)確度。