金惟偉， 王傳軍， 陳 亙， 童陟嵩

(1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063;

2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

國(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC 2于2006年提出制定一項(xiàng)電動(dòng)機(jī)能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將電動(dòng)機(jī)的效率分為 IE1、IE2、IE3、IE4共4級(jí)，效率指標(biāo)覆蓋范圍為0.75～375 kW，極數(shù)為2、4、6 極，分50 Hz和60 Hz兩類(lèi)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)于2008年底正式發(fā)布。目前，各國(guó)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)上效率等級(jí)情況為:美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)市場(chǎng)為IE2效率等級(jí)，且IE2為該國(guó)的最低強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn);歐洲于2008年強(qiáng)制執(zhí)行IE2效率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn);我國(guó)市場(chǎng)上使用的電動(dòng)機(jī)效率水平僅為 IE1效率(平均效率約為87%)等級(jí)。按照我國(guó)節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃中明確的指標(biāo)要求，到2010年，電動(dòng)機(jī)的效率水平應(yīng)達(dá)到IE2效率(平均效率約為90%)等級(jí)。

世界各國(guó)都在致力于研究開(kāi)發(fā)高效率電機(jī)，電機(jī)效率的準(zhǔn)確測(cè)試也就被提上了日程。IEC 60034-30(2008版)規(guī)定對(duì)高效、超高效電機(jī)的效率測(cè)試方法必須采用低不確定度的方法。

1 電機(jī)效率測(cè)試的發(fā)展及現(xiàn)狀

本文分析的系統(tǒng)基于電機(jī)測(cè)試的損耗分析法，首先測(cè)試出電機(jī)的各種損耗，再根據(jù)輸入總功率求取電機(jī)的效率。在電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)損耗中，雜散損耗的構(gòu)成和影響因素較為復(fù)雜，測(cè)試也相對(duì)困難，且雜散損耗的測(cè)量和估算也直接影響電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。因此，IEC標(biāo)準(zhǔn)及多數(shù)國(guó)家都推薦用輸入功率的0.5%或反轉(zhuǎn)法來(lái)確定雜散損耗，并將其作為電機(jī)設(shè)計(jì)輸入值和測(cè)試結(jié)果。但是，實(shí)際的比例與功率大小、極數(shù)及設(shè)計(jì)、制造、材料等因素均有關(guān)，一律用固定值來(lái)替代，不能真實(shí)反映制造和設(shè)計(jì)水平，也導(dǎo)致有些實(shí)際上并沒(méi)有達(dá)到高效率的電機(jī)被判定為高效率電機(jī)。以美國(guó)和加拿大為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)90年代相繼推出了較為精確的實(shí)測(cè)負(fù)載雜散損耗的IEEE 112B法和CSA 390法，于2002年被IEC采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61972《三相籠型異步電動(dòng)機(jī)損耗和效率的確定方法》，經(jīng)過(guò)不斷完善后，于2007年9月納入發(fā)布實(shí)施的IEC 60034-2-1《旋轉(zhuǎn)電機(jī)(牽引電機(jī)除外)確定效率和損耗的試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)中明確取消了按輸入功率0.5%來(lái)假定雜散損耗的做法。

我國(guó)的國(guó)標(biāo)GB 1032—2005《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中已納入了IEEE 112B方法，但由于高效電機(jī)的研發(fā)推進(jìn)較慢，該方法與按輸入功率0.5%來(lái)假定雜散損耗的傳統(tǒng)做法共存，僅有極少數(shù)出口北美地區(qū)的電機(jī)制造商使用該方法。IEC 60034-2-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該方法提出了更高的要求，要在中國(guó)電機(jī)全行業(yè)推廣需跨越以下障礙:(1)電機(jī)雜散損耗和效率測(cè)試的不確定度評(píng)價(jià)方法，目前國(guó)際上尚無(wú)此類(lèi)文獻(xiàn);(2)國(guó)內(nèi)一直在使用的兩種雜散損耗測(cè)試方法均為高不確定度方法，IEC 60034-2-1標(biāo)準(zhǔn)推薦的美國(guó)IEEE 112B法絕大部分企業(yè)尚未掌握;(3)要實(shí)現(xiàn)效率的低不確定度測(cè)試，必須研究更精確的數(shù)學(xué)模型和測(cè)試數(shù)據(jù)校正技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制測(cè)量。

2 高效和超高效電機(jī)效率測(cè)試系統(tǒng)

高效和超高效電機(jī)效率測(cè)試系統(tǒng)所組成的高效電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)包括了正弦波變頻電源、負(fù)載穩(wěn)定系統(tǒng)、高精度測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等幾大部分，如圖1所示。系統(tǒng)的容量可以根據(jù)被試驗(yàn)電機(jī)規(guī)格來(lái)選配，滿(mǎn)足0.37～375 kW高效和超高效電機(jī)的效率試驗(yàn)。

2.1 雙反饋三穩(wěn)(穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)負(fù)載)正弦波變頻試驗(yàn)電源

2.1.1 工作原理

圖1 高效、超高效電機(jī)效率測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)采用靜止正弦波變頻試驗(yàn)電源，該電源采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，以交-直-交結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靜止式變頻電源，與傳統(tǒng)的機(jī)組模式相比，靜止式變頻電源土建要求低、控制自動(dòng)化程度高、噪聲低，可以明顯降低運(yùn)行能耗，保證良好的控制精度，可擴(kuò)展性強(qiáng)，在電機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域也得到了良好應(yīng)用。

正弦波變頻試驗(yàn)電源系統(tǒng)工作原理和組成如圖2所示。

主電路為交 -直 -交結(jié)構(gòu)，包括整流器(ZL)，直流濾波器、逆變器(BP1和BP2)、交流濾波(L和C)等組成部分。整流器將50 Hz交流市電(380 V)經(jīng)橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變?yōu)橹绷?P+和P-)。橋式整流電路為半控結(jié)構(gòu)，起動(dòng)過(guò)程中，調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，可以控制直流電壓由低到高逐漸變化，減少?zèng)_擊電流，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。在大功率系統(tǒng)中，考慮到整流系統(tǒng)對(duì)電源的污染等因素，可以將整流電路分為獨(dú)立的兩組，組成12脈波整流。逆變部分(BP1和BP2)采用單相全橋結(jié)構(gòu)，是該電源的核心。逆變器選用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。利用IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方式對(duì)逆變器進(jìn)行控制，將平穩(wěn)直流變換為脈寬調(diào)制(PWM)輸出的交流，輸出SPWM(U10和U20)波幅值恒定，寬度按正弦規(guī)律變化，該交流基波頻率為所需要的電源輸出頻率。逆變器輸出的PWM波經(jīng)無(wú)源LC濾波電路濾波后，得到純正的正弦波交流電(U1和U2)。

2.1.2 試驗(yàn)電源控制器的設(shè)計(jì)

目前在正弦波變頻試驗(yàn)電源的開(kāi)發(fā)中，國(guó)內(nèi)外研究較多的主要有數(shù)字PID控制、諧波補(bǔ)償控制、無(wú)差拍控制、雙環(huán)反饋控制、瞬時(shí)值反饋控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。瞬時(shí)值反饋控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)，控制效果好，應(yīng)用較多。在設(shè)計(jì)正弦波變頻電源控制器時(shí)，采用一種帶有輸出電壓有效值控制及負(fù)載電流控制的雙環(huán)反饋控制模式，對(duì)輸出電壓的幅值、頻率、波形進(jìn)行精確控制，穩(wěn)定輸出電壓和頻率，同時(shí)通過(guò)外環(huán)負(fù)載電流的反饋控制，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)同樣能達(dá)到穩(wěn)定電源的目的，如圖3所示。

圖2 雙反饋正弦波變頻電源工作原理圖

圖3 雙反饋正弦波變頻電源控制器結(jié)構(gòu)

圖3是負(fù)載電流前饋控制，在很多系統(tǒng)中變頻逆變單元后面通常要連一級(jí)變壓器，該變壓器的主要作用有:(1)改變變頻電源的輸出電壓，滿(mǎn)足不同電壓等級(jí)的電機(jī)試驗(yàn)需求，增加變壓器可以改善逆變器升壓的局限，例如該系統(tǒng)可以利用380 V的逆變器，經(jīng)過(guò)變壓器升壓，滿(mǎn)足660 V被試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，可以充分利用逆變器的容量;(2)通過(guò)變壓器的Y-△變化，改變逆變器的輸出波形質(zhì)量;(3)通過(guò)變壓器輸出端的負(fù)載電流變化，完成電流環(huán)的前饋控制，有效進(jìn)行多單元并聯(lián)運(yùn)行的環(huán)流控制，改善電流環(huán)的響應(yīng)速度。

2.1.3 諧波電壓因數(shù)及電源品質(zhì)的改善

衡量變頻電源的一個(gè)重要指標(biāo)就是諧波電壓因數(shù)(HVF)。按GB 755—2000的規(guī)定，HVF值按式(1)計(jì)算:

式中:Un——諧波電壓的標(biāo)幺值(以額定電壓UN為基值);

n——諧波次數(shù)(不包含3及3的倍數(shù))。

為滿(mǎn)足電機(jī)試驗(yàn)需求，電源必須滿(mǎn)足:HVF≤0.015。因此，必須對(duì)逆變器的電源輸出進(jìn)行濾波處理。如圖2所示，電感和電容組成低通濾波器LC，濾出高頻載波。低通濾波器LC輸出設(shè)計(jì)，直接影響變頻電源輸出電壓波形的失真度。因此，濾波器的設(shè)計(jì)原則是考慮最高輸出頻率，只要最高輸出頻率下正弦波的失真度得到滿(mǎn)足，則低頻輸出時(shí)由于載波比增加，正弦波失真度可自然滿(mǎn)足，如圖4所達(dá)到的效果。

圖4 系統(tǒng)試驗(yàn)電源品質(zhì)的改善

正弦波濾波器實(shí)際上是LC低通濾波器，一般按要求的輸出諧波含量值經(jīng)驗(yàn)選取時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)的選取一般按下文介紹的方法計(jì)算得到。

正弦波濾波器需要抑制的諧波最低頻率為:

式中:fc——靜止電源載波頻率;

fe——試驗(yàn)電源額定頻率;

k——系數(shù)，k的大小可根據(jù)最高諧波次數(shù)選取。

正弦波濾波器的最高通過(guò)頻率為:

根據(jù)對(duì)電源品質(zhì)的要求和靜止電源的載波頻率等參數(shù)，可以確定濾波器的最高通過(guò)頻率fT，fT的取值應(yīng)小于fmin。

正弦波濾波器的時(shí)間常數(shù)為:

在電源的設(shè)計(jì)中，IGBT關(guān)斷和開(kāi)通電流都很大，主電路引線(xiàn)的電感容易在IGBT功率回路中引起浪涌電壓，浪涌電壓將增加功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，可能危及器件的安全。因此，減少主回路的配線(xiàn)，降低逆變器輸出主回路中的布線(xiàn)，并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)中運(yùn)行的單元線(xiàn)路電感量保持一致。

該系統(tǒng)的諧波電壓因數(shù)，實(shí)測(cè)值為0.011，完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.1.4 電壓和頻率的波動(dòng)率

電源在額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行后，負(fù)載功率要求在(100±10%)額定負(fù)載范圍內(nèi)，分別在額定頻率50 Hz和60 Hz下連續(xù)運(yùn)行10 min，且每隔1 min中讀取電壓(RS)和頻率值。

電壓和頻率的10 min波動(dòng)率按式(5)計(jì)算:

頻率穩(wěn)定率≤0.05%，得益于電子技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，本系統(tǒng)最優(yōu)水平可達(dá)0.01%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)組模式。

2.2 系統(tǒng)的測(cè)量及控制

該系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用RS-485總線(xiàn)結(jié)構(gòu)模式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示，主要組成有控制主回路的可編程邏輯控制器(PLC)，集線(xiàn)器HUB，RS-485總線(xiàn)的服務(wù)器，用于進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集的高精度測(cè)試儀器，用于整流單元、逆變單元控制用的光纖傳導(dǎo)部分，以及反饋數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)、系統(tǒng)的電氣邏輯控制和系統(tǒng)的電量閉環(huán)控制等，由RS-485總線(xiàn)將測(cè)量、控制、遠(yuǎn)傳集為一體，在總線(xiàn)上連接各下位機(jī)(控制終端和數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng))和上位機(jī)(控制計(jì)算機(jī))，是由上位機(jī)統(tǒng)一管理的主從式總線(xiàn)型的控制和檢測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以由通信管理層和遠(yuǎn)程系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 系統(tǒng)自動(dòng)控制及測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)可分為三個(gè)層次，首先是控制計(jì)算機(jī)(上位機(jī))，其次是通信管理層，最后是各個(gè)終端，包括控制終端和數(shù)據(jù)采集終端。通信管理層負(fù)責(zé)溝通各下級(jí)單元監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集，通過(guò)通信管理層實(shí)現(xiàn)承上啟下的目的;控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)布命令，并將通信上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，按照預(yù)先的設(shè)定進(jìn)行處理。終端是控制計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括命令的輸出和測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入。

系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)部分試驗(yàn)的自動(dòng)過(guò)程，自動(dòng)過(guò)程由計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置控制試驗(yàn)電源調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行下一點(diǎn)控制。

測(cè)試部分由高精度功率分析儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、堵轉(zhuǎn)測(cè)試儀、直流電阻測(cè)試儀、絕緣電阻測(cè)試儀和溫度巡檢儀組成。功率分析儀通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)通信，在計(jì)算機(jī)上顯示電壓、電流、功率等電量。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、堵轉(zhuǎn)測(cè)試儀、直流電阻測(cè)試儀、絕緣電阻測(cè)試儀和溫度巡檢儀通過(guò)研華EDG4508服務(wù)器連接到工業(yè)以太網(wǎng)，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。試驗(yàn)過(guò)程中顯示的電量和非電量數(shù)據(jù)可直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)相應(yīng)的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)被試電機(jī)的參數(shù)及性能計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和報(bào)表打印。

3 系統(tǒng)不確定度評(píng)價(jià)及驗(yàn)證

所謂“測(cè)量不確定度”是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，以確定測(cè)量結(jié)果的可信程度。測(cè)量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。因此，測(cè)量結(jié)果必須附有不確定度說(shuō)明才是完整并有意義的。根據(jù)不確定度分析評(píng)定的理論，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，影響最終測(cè)量結(jié)果的每一個(gè)量或每一個(gè)因素都將以各自的方式向最終結(jié)果傳遞，這種傳遞都必須逐一建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并按數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行分析計(jì)算，找出傳遞因子，最后作合成，得出最終測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

3.1 主要測(cè)量?jī)x器精度指標(biāo)

依據(jù)試驗(yàn)方法規(guī)定，系統(tǒng)需測(cè)量的參數(shù)如下。

(1)輸入電參數(shù):電壓U、電流I、功率W、頻率f;測(cè)試精度為:電壓，±0.1%rdg.±0.1%f.s;電流，±0.1%rdg.±0.1%f.s;電流互感器精度0.2級(jí);功率，±0.1%rdg.±0.1%f.s;頻率，±0.1%rdg.±1%dgt.。

(2)輸出機(jī)械參數(shù):轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n;測(cè)試精度為:轉(zhuǎn)矩，0.1 級(jí);轉(zhuǎn)速，0.1 級(jí);

(3)其他非電量參數(shù):溫度，±0.5℃;直流電阻，分辨率0.1 μΩ，2 mΩ ～2 kΩ，0.2 級(jí)。

3.2 不確定度評(píng)價(jià)方法

(1)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度導(dǎo)致的效率不確定度。在重復(fù)性條件下(相同的試驗(yàn)程序、相同條件、相同的人員、相同測(cè)量?jī)x器、相同地點(diǎn))，對(duì)同一臺(tái)電機(jī)，進(jìn)行n(n≥10)次獨(dú)立的效率測(cè)試，共得n個(gè)效率 ηi的測(cè)試結(jié)果，分別為:92.70%，92.62%，92.38%，92.75%，92.81%，92.80%，92.44% ，92.35% ，92.73% ，92.84% 。

算術(shù)平均值:

單次測(cè)量的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

平均值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度導(dǎo)致的效率不確定度:

(2)B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度導(dǎo)致的效率不確定度:

式中:∑P——額定負(fù)載時(shí)總損耗，W;

P1——額定負(fù)載時(shí)定子輸入功率，W。

效率不確定度uB(η):

式中:U∑()P——額定負(fù)載時(shí)總損耗的不確定度;

U(P1)——輸入功率的不確定度。

(3)合成不確定度為:

3.3 該系統(tǒng)不確定度驗(yàn)證

該系統(tǒng)的主要用途是用于高效、超高效電機(jī)的效率測(cè)試(當(dāng)然也適合普通電機(jī)的效率測(cè)試)，具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，低不確定度是本系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)。為保證效率測(cè)試水平，對(duì)本系統(tǒng)效率測(cè)試的不確定度進(jìn)行了驗(yàn)證，以15HP，4極，60 Hz，460 V三相籠型電動(dòng)機(jī)為例:

其中:η(%)=92.64;S(η)(%)=0.050 66;S)(%)=0.016。

其中:UB(P1)=31.4 W;UB(∑P)=10.2 W;P1=12 230 W;∑P=909.4 W。

合成不確定度為:

系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度為:

結(jié)論:η(%)=(效率測(cè)試值 ±U)(%)=(92.64±0.17)%，k=2。

4 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)際上先進(jìn)國(guó)家對(duì)電機(jī)效率的低不確定度測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)的研究已進(jìn)入到相當(dāng)成熟的階段，在我國(guó)局限于測(cè)試技術(shù)及相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的滯后等原因，落后于先進(jìn)國(guó)家和相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本文分析的試驗(yàn)系統(tǒng)，自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性高，性能優(yōu)良，測(cè)量的不確定度達(dá)到優(yōu)于0.4%，主要技術(shù)指標(biāo)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具有良好的推廣價(jià)值，主要應(yīng)用于電機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)、電機(jī)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)等。

［1］IEC 60034-2-1，Rotating electrical machines-Part2-1:Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)［S］.2007.

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