張 昊， 殷 強， 馬冬梅

(南車株洲電機有限公司技術(shù)中心，湖南株洲 412000)

0 引言

電機效率的精確測定已成為發(fā)展高效電機的關(guān)鍵。本文分析比較了主流的電機效率測定試驗方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種三相異步電機效率測試系統(tǒng)，滿足不同效率測定方法和型式試驗的要求。

1 效率測定試驗方法

從電機的基礎(chǔ)理論中可知，電機的效率高低實際上取決于其自身運行過程中的損耗，損耗越高，效率越低。從某種意義上說，效率的精確測量就是損耗的精確測量。在電機運行的各種損耗當(dāng)中，定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、風(fēng)摩耗都是比較容易測得的，而且精度也可以得到保證，唯一有難度的就是雜散損耗的測量。

三相異步電機的負載雜散損耗的測試方法分為間接測量法、直接測量法和推薦值法。間接測量法(輸入－輸出法、回饋法)通過測量電機總的損耗，減去鐵耗、風(fēng)摩耗及定、轉(zhuǎn)子銅耗后，所余下的值即為負載雜散損耗。直接測量法將負載雜散損耗分為基頻雜散損耗和高頻雜散損耗兩部分，通過抽轉(zhuǎn)子試驗測得基頻雜散損耗，以及通過外部驅(qū)動設(shè)備使被試電機反轉(zhuǎn)測得高頻雜散損耗。推薦值法根據(jù)電機輸出功率的大小分段，每一段的雜散損耗值與額定輸入或輸出功率的比值恒定。

各國對三相異步電機大都采用測量各損耗分量，從而求取效率的損耗分析法，但在具體方法上并不統(tǒng)一。目前，電機效率的確定方法主要有輸入－輸出損耗分析法、假定負載雜散損耗為0.5 P1(輸入功率)的損耗分析法、回饋法、圓圖法、等值電路法等。

電機效率隨試驗方法的不同有較大不同，引起差異的原因主要有如下三點:(1)由于實際負荷(輸入－輸出損耗分析法、損耗分析法、回饋法)或等值電路法(包括圓圖法)的不同造成效率的不同;(2)由于處理雜散損耗方法不同而效率不同;(3)基準溫度選擇的不同。

輸入－輸出損耗分析法(IEEE 112B)是對電機進行效率認證時，推薦采用的一種效率測試方法。輸入－輸出法需要能直接測定電機輸出功率(或轉(zhuǎn)矩)的設(shè)備，負載雜散損耗間接測量并通過線性回歸確定。假定負載雜散損耗為0.5%P1(輸入功率)的損耗分析法在無法直接測得輸出功率(或轉(zhuǎn)矩)的情況下，通過測定電機的輸入功率，由輸入功率減去總損耗即為輸出功率。負載雜散損耗假定為輸入功率的0.5%?；仞伔▽膳_相同電機用聯(lián)軸器機械連接進行負載試驗，規(guī)定負載雜散損耗通過電動態(tài)負載試驗和發(fā)電態(tài)負載試驗平均并線性回歸確定。圓圖法是根據(jù)空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)，利用圓圖求取電機效率和其他特性數(shù)據(jù)。圓圖法不需要進行負載試驗，負載雜散損耗一般通過推薦值法確定。等值電路法是改進的圓圖法，根據(jù)電機空載和堵轉(zhuǎn)試驗、低頻堵轉(zhuǎn)試驗的數(shù)據(jù)，利用電機的等效電路中有關(guān)參數(shù)的關(guān)系來間接求取電機效率和其他特性數(shù)據(jù)的方法。等值電路法不需要進行負載試驗，負載雜散損耗一般通過推薦值法確定。

不同試驗方法的比較如表1所示。

2 效率試驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

由表1可知，不同效率測定方法的試驗項目不盡相同。南車株洲電機有限公司技術(shù)中心新建電機綜合型式試驗系統(tǒng)，滿足了大中型三相異步電機效率試驗和型式試驗的需要。

表1 不同試驗方法的比較

2.1 系統(tǒng)總體要求

由表1可知，不同效率測定方法的試驗項目主要有空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、低頻堵轉(zhuǎn)試驗、額定負載熱試驗和負載特性試驗。

試驗系統(tǒng)要求能進行空載、堵轉(zhuǎn)試驗，一般可通過調(diào)壓器和變壓器實現(xiàn)，但只適用于50 Hz的三相異步電機，不能滿足60 Hz NEMA電機的試驗要求。等值電路法要求進行1/4頻率低頻堵轉(zhuǎn)試驗，因此需要采用頻率可以調(diào)節(jié)的試驗變頻器。

電機進行額定負載熱試驗和負載特性試驗需要給電機加機械負載。目前用于電機試驗的負載設(shè)備主要包括直流電機、測功機、由交流異步電機轉(zhuǎn)化成的交流發(fā)電機等。后一種方法用一臺陪試電機與被試電機用聯(lián)軸器相聯(lián)結(jié)，被試電機接額定頻率電源，陪試電機接可變頻率的電源，試驗中陪試電機以異步發(fā)電機狀態(tài)運行，與前兩種方法相比具有能源消耗小、對中簡單等優(yōu)點，此方法需要一套變頻電源或其他形式的回饋電源設(shè)備。

異步電機的熱試驗分為直接負載法和等效負載法。隨著異步電機容量的提高和型式的增多，越來越多的異步電機產(chǎn)品無法進行直接負載法溫升試驗。等效負載法中最常用的就是疊頻法。疊頻法做異步電機溫升時不需要進行機械連接，可以減少對組裝配的時間，目前仍然被廣大電機制造廠家使用。試驗系統(tǒng)要求能進行疊頻溫升試驗，滿足異步電機型式試驗的要求。

測控系統(tǒng)要實現(xiàn)主回路各開關(guān)、輔助系統(tǒng)的自動控制，并測量電機電壓、電流、功率、功率因數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，確保數(shù)據(jù)的實時性、準確性、抗干擾性、可靠性，降低安裝、維護、擴充條件和難度。

2.2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由通用型高壓變頻器U1、四象限高壓變頻器U2、調(diào)壓器和試驗變壓器、測量接線柜等組成，如圖1所示。工頻10 kV分成三路電源:第一路輸出接入調(diào)壓器的上端，經(jīng)調(diào)壓后進入試驗變壓器和測量接線柜;第二路輸出接入通用高壓變頻器U1的上端，作為變頻器U1的供電電源;第三路輸出接入四象限高壓變頻器U2的供電電源。調(diào)壓器和試驗變壓器滿足50 Hz電機空載和堵轉(zhuǎn)試驗的要求。試驗變壓器安裝無勵磁分接開關(guān)，通過改變變壓器的匝數(shù)比實現(xiàn)多檔位二次電壓輸出。

U1和U2均為串聯(lián)型多電平高壓變頻器。它主要由輸入移相變壓器、功率單元和控制單元組成。采用模塊化設(shè)計，由于采用功率單元相互串聯(lián)的方式，解決了高壓輸出的問題。

U1和U2都可以發(fā)出正弦波三相電作為三相電源使用，滿足60 Hz電機空載和堵轉(zhuǎn)試驗的需要，同時可以進行低頻堵轉(zhuǎn)試驗。

圖1 效率試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

U2還可以通過調(diào)節(jié)負載電機的頻率，把負載電機發(fā)出的電回饋到電網(wǎng)。被試電機與陪試電機用聯(lián)軸器對軸聯(lián)結(jié)。被試電機通過調(diào)壓器由電網(wǎng)供電(50 Hz)或通用高壓變頻器U1(60 Hz)供電;陪試電機由低于它本身額定頻率的四象限高壓變頻器U2供電，調(diào)節(jié)變頻電源U2的輸出頻率，則可達到調(diào)節(jié)被試電機輸出功率的目的。該頻率越低，被試電機輸出功率越大。

2.3 疊頻熱試驗

疊頻法通過利用異步電機旋轉(zhuǎn)機軸的轉(zhuǎn)動慣量起到增加電機電流的效果。當(dāng)機軸的轉(zhuǎn)速低于定子磁場同步轉(zhuǎn)速時，其感應(yīng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速同向，電機工作于電動狀態(tài)，而當(dāng)機軸轉(zhuǎn)速高于定子磁場同步轉(zhuǎn)速時，感應(yīng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，起制動作用，電機工作于發(fā)電機狀態(tài)。如果能使定子磁場的同步轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，也就可以讓電機交替工作于電動和發(fā)電兩種狀態(tài)。這時轉(zhuǎn)子頻繁加減速運動，利用電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，可以在電機繞組中引起電流。從電機損耗的觀點考慮，電機此時工作于一個等效的機械負載下。

傳統(tǒng)的疊頻法采用兩套發(fā)電機組構(gòu)成主副機組，將兩套機組的輸出疊加后供給被試電機。主機組工作在額定電壓和頻率下，通過調(diào)節(jié)副機組的電壓和頻率使被試電機工作在額定電流下，從而考核溫升。由于電機功率不斷提高，傳統(tǒng)疊頻法電源機組的電壓和容量要與被試電機相當(dāng)，這對于大電機制造廠來說可以實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)和微處理技術(shù)的進步，使得用基于電力電子技術(shù)的靜止變頻電源替代發(fā)電機組作為等效溫升試驗電源成為可能。

南車株洲電機有限公司技術(shù)中心采用專用靜止變頻電源完成疊頻試驗，高壓變頻器U1和U2均具有疊頻熱試驗功能。靜止變頻電源疊頻溫升試驗系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。靜止變頻電源通過設(shè)定的疊頻參數(shù)(主副電壓和頻率)使用DSP作為運算控制器件，計算出疊頻試驗用電壓，將相關(guān)參數(shù)作為PWM的調(diào)制波參數(shù)，經(jīng)與三角波載波參數(shù)進行比較運算，得到三相逆變橋的觸發(fā)信號。用產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖控制逆變橋的通斷生成疊頻電壓波形。

2.4 測控系統(tǒng)的實現(xiàn)

測控系統(tǒng)由控制計算機和測量計算機及相應(yīng)的測控單元組成。由于測控設(shè)備接口類型多樣，本系統(tǒng)設(shè)計了一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)滿足控制和測量的要求，該網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、串口485總線、Profibus現(xiàn)場總線，如圖3所示。系統(tǒng)的主干網(wǎng)為以太網(wǎng)，主干網(wǎng)上的設(shè)備有控制計算機、測量計算機、控制服務(wù)器、主PLC、功率分析儀等。

控制計算機通信的設(shè)備主要有高壓變頻器U1、U2，控制服務(wù)器，主PLC。控制計算機通過串口485總線實現(xiàn)對高壓變頻器U1和U2的控制?？刂品?wù)器通過串口485與高壓主回路開關(guān)柜中的綜保裝置通信，實現(xiàn)對斷路器KM1～KM6的控制。主PLC為西門子S7－300，主PLC通過Profibus現(xiàn)場總線與油系統(tǒng)、水系統(tǒng)的從PLC、低壓配電系統(tǒng)的ET200通信，實現(xiàn)對油系統(tǒng)、水系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)的控制。

測量計算機采集和處理接線柜中的功率分析儀、溫度巡檢儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的數(shù)據(jù)。

圖2 靜止變頻電源溫升試驗系統(tǒng)功能框圖

圖3 測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 試驗實例

通過南車株洲電機有限公司的NEMA5812電機驗證各效率測試方法和效率測試系統(tǒng)。

NEMA5812電機的額定電壓為4 160 V，額定電流為178 A，額定功率為1 118.55 kW，額定頻率為60 Hz，效率為95.3%。分別使用輸入－輸出損耗分析法、假定負載雜散損耗為0.5P1(輸入功率)的損耗分析法、回饋法、圓圖法、等值電路法確定電機效率。試驗結(jié)果如表2所示。

從效率測定結(jié)果可以看出，不同試驗方法的效率測定精度從高到低依次為輸入－輸出損耗分析法、回饋法、等值電路法、假定負載雜散損耗為0.5P1(輸入功率)的損耗分析法、圓圖法。

4 結(jié) 語

本文對三相異步電機目前主流的效率測定技術(shù)進行研究。根據(jù)不同試驗方法的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了電機效率試驗系統(tǒng)，滿足電機效率測定和型式試驗的要求，比較了不同試驗方法的效率測定結(jié)果。目前該系統(tǒng)在南車株洲電機有限公司已投入使用。

表2 不同試驗方法效率測定結(jié)果

［1］GB/T 1032—2005 三相異步電動機試驗方法［S］.

［2］才學(xué)剛.電機試驗技術(shù)及設(shè)備手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［3］顧德軍.不同測試方法對電動機效率的影響［J］.電機與控制應(yīng)用，2010，37(5):52-55.

［4］秦和.電動機效率測定方法的進展［J］.中小型電機，2004，31(1):65-74.