強(qiáng)　雄

(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)

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新國標(biāo)《電動機(jī)系統(tǒng)節(jié)能量測量和驗證方法第1部分： 電動機(jī)現(xiàn)場能效測試方法》的介紹

強(qiáng)雄

(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)

摘要：詳細(xì)闡述了電動機(jī)現(xiàn)場能效測試的工作程序、前期準(zhǔn)備要求、7種現(xiàn)場能效測試方法和方法的不確定度、適用范圍場合等內(nèi)容。同時選取5臺電動機(jī)與國標(biāo)GB/T 1032—2012(B法)效率測試結(jié)果進(jìn)行了比較，驗證了方法的準(zhǔn)確性和有效性。

關(guān)鍵詞：電動機(jī); 現(xiàn)場測試; 能效; 不確定度

0引言

電動機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，用于拖動風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等各種設(shè)備。電動機(jī)消耗了大部分的工業(yè)用電，是“用電大戶”，也是節(jié)能潛力最大的產(chǎn)業(yè)，電動機(jī)節(jié)能對能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有重要地位和作用。

我國在電動機(jī)及系統(tǒng)節(jié)能研究領(lǐng)域起步較晚，電動機(jī)及系統(tǒng)節(jié)能缺乏相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，對節(jié)能效果和節(jié)能量不能進(jìn)行權(quán)威的判定，嚴(yán)重影響了電動機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程的實施。本文將詳細(xì)介紹新制訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《電動機(jī)系統(tǒng)節(jié)能量測量和驗證方法 第1部分： 電動機(jī)現(xiàn)場能效測試方法》，標(biāo)準(zhǔn)為開展合同能源管理、節(jié)能技術(shù)改造的節(jié)能效果和節(jié)能量的判定提供科學(xué)的測試方法，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容有測試邊界的確定、現(xiàn)場測試點的要求、測試儀表及讀數(shù)要求、測試項目及工作程序、現(xiàn)場能效測試方法及計算、能效測試方法與測量不確定度等。

1現(xiàn)場能效測試程序及準(zhǔn)備

1.1測試項目

(1) 控制裝置的輸入功率、用能(需要時)。

(2) 電動機(jī)的輸入功率(即控制裝置輸出功率)、用能和控制裝置運(yùn)行效率(需要時)。

(3) 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)差)。

(4) 電動機(jī)的輸出功率和運(yùn)行效率。

1.2現(xiàn)場測試工作程序

(1) 現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集(如： 控制裝置工況、負(fù)載工況、原材料構(gòu)成、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品、產(chǎn)量、質(zhì)量、氣候和環(huán)境控制等)。

(2) 確定測試邊界及條件。

(3) 選擇測試方法、制訂現(xiàn)場測試計劃。

(4) 設(shè)計測試方案，安裝、調(diào)試所需測試設(shè)備。

(5) 開展現(xiàn)場測試工作，記錄測試數(shù)據(jù)并加以分析。

(6) 確定電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)和能效。

1.3測試邊界確定

典型的測試邊界包括控制裝置(如有)和電動機(jī)。根據(jù)測試目的、要求及測試條件，確定測試邊界的輸入點和輸出點(電動機(jī)能量的輸入和輸出點)。

測試邊界的輸入點通常是控制裝置或電動機(jī)的電源輸入點，測試邊界的輸出點通常是電動機(jī)的軸功率輸出點。

若現(xiàn)場存在相互影響運(yùn)行的多臺控制裝置或電動機(jī)，應(yīng)將所涉及的控制裝置或電動機(jī)劃入測試邊界內(nèi)。同時，確定測試邊界時應(yīng)關(guān)注影響其能效的其他因素，如： 控制裝置工況、負(fù)載工況、原材料構(gòu)成、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品、產(chǎn)量等的變化。

1.4測試點要求

電動機(jī)輸入功率的測試，通常在電動機(jī)的電源輸入端處，對于高壓電動機(jī)則在高壓電動機(jī)的電壓和電流互感器的二次側(cè)；如電動機(jī)帶有控制裝置運(yùn)行，則應(yīng)同時在控制裝置和電動機(jī)的輸入端處測試。

電動機(jī)輸出功率的測試，通常在電動機(jī)的軸功率輸出處。

電動機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)差)的測試，通常在電動機(jī)的軸功率輸出處。

電量測試儀表的電壓和電流測量端子應(yīng)接在同一位置點。

1.5測試儀表及讀數(shù)要求

測量儀表及精度如表1所示。各種測量儀表的精度應(yīng)符合表1的規(guī)定，應(yīng)是國家計量部門認(rèn)可的產(chǎn)品，并在檢定有效期內(nèi)。現(xiàn)場測試可使用便攜式、具有連續(xù)數(shù)據(jù)記錄功能的電功率表、電能表及非電量測量儀表。

表1　測量儀表及精度

同一工況下電壓、電流、功率因數(shù)、功率及電能等被測量參數(shù)應(yīng)同時、連續(xù)的進(jìn)行讀數(shù)或記錄。每種被測量參數(shù)應(yīng)重復(fù)獲取3組以上的數(shù)據(jù)，以各組數(shù)據(jù)的平均值作計算值。

每種工況測試過程時間不少于1h，同一工況點應(yīng)間隔重復(fù)測量3次，每次測量間隔10～15min。以3次測量的平均值作計算值。

2七種現(xiàn)場能效測試方法

2.1銘牌法

按1.3的規(guī)定，測量電動機(jī)輸入功率P1，電動機(jī)輸出功率P2按式(1)計算：

P2=P1×η

(1)

式中：P2——輸出功率，kW；

P1——輸入功率,kW；

η——效率，%。

式中：PN——額定功率，kW；

ηN——額定效率，%。

2.2效率特性曲線查取法

當(dāng)保留有電動機(jī)制造廠提供的效率特性曲線時，按1.3的規(guī)定，測量的電動機(jī)輸入功率P1，查取對應(yīng)P1時的效率η，電動機(jī)輸出功率P2按式(2)計算：

P2=P1×η

(2)

2.3轉(zhuǎn)差率法

按1.3的規(guī)定，測量電動機(jī)輸入功率P1和轉(zhuǎn)速n，電動機(jī)輸出功率P2按式(3)計算：

(3)

式中：n0——同步轉(zhuǎn)速，r/min；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

nN——額定轉(zhuǎn)速，r/min；

U——施加在電動機(jī)端的電壓，V；

UN——額定電壓，V。

2.4電流法

按1.3的規(guī)定，測量電動機(jī)負(fù)載電流I1和輸入功率P1，電動機(jī)輸出功率P2按式(4)計算：

(4)

式中：I1——負(fù)載電流，A；

I0——空載電流，當(dāng)限于現(xiàn)場測試條件，可查閱電動機(jī)制造廠提供的原始資料或參照附錄A中的曲線確定，A；

IN——額定電流，A。

杰克坐在床上，捧著筆記本看著。蘇婷婷趴過來，問：怎么樣，誰的支持率高？杰克自信地：肯定我的高！咱爸觀點早過時了！蘇婷婷說：你就這么自信？杰克回答：當(dāng)然自信，要不敢承諾聽觀眾的？蘇婷婷擔(dān)憂地：我覺得你不該做這個承諾。杰克說：你放心，絕對沒問題！結(jié)果出來了！杰克打開網(wǎng)站頁面，突然愣住了：不會吧？咱爸怎么會比我高？蘇婷婷失望地：我說么，你就不該做出承諾。杰克又刷新了一遍網(wǎng)頁，喃喃地：怎么會呢？怎么會呢？蘇婷婷提醒他：杰克，你忘了，這不是華盛頓，是在中國！杰克瞪大眼睛：中國不是早就和世界接軌了嗎？蘇婷婷說：有些接了，有些還沒接。

按1.3的規(guī)定，測量電動機(jī)負(fù)載電流I1和輸入功率P1，電動機(jī)輸出功率P2按式(5)計算：

[(1/ηN-1)·PN-ΔP0]

(5)

式中： ΔP0——空載損耗，當(dāng)限于現(xiàn)場測試條件，可查閱電動機(jī)制造廠提供的原始資料或參照標(biāo)準(zhǔn)中附錄提供的的曲線確定，kW。

2.6功率法

按1.3的規(guī)定，測量電動機(jī)的輸入功率P1，電動機(jī)輸出功率P2按式(6)計算：

[(1/ηN-1)·PN-ΔP0]

(6)

(7)

式中：T——輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.8電動機(jī)的效率(能效)η

按式(8)計算：

(8)

3與國標(biāo)GB/T 1032—2012(B法)效率測試結(jié)果的比較

我們在YE2系列三相異步電動機(jī)中選取了5臺電動機(jī)(≤H160 2臺、H180～H280 2臺、H315 1臺)，與國標(biāo)GB/T 1032—2012三相異步電動機(jī)試驗方法中B法的測試結(jié)果進(jìn)行了比較。

表2　選取的電動機(jī)額定參數(shù)

4能效測試方法與測量不確定度

現(xiàn)場測試時，需根據(jù)電動機(jī)的現(xiàn)場控制裝置工況、負(fù)載工況、原材料構(gòu)成、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品、產(chǎn)量、質(zhì)量、氣候和環(huán)境控制情況選用測試方案。現(xiàn)場測試相對試驗室測試較復(fù)雜和特殊，除了測試精度外，還需考慮現(xiàn)場實施的可行性和經(jīng)濟(jì)性。由于實驗室常用的測試方法現(xiàn)場無法實施，所以通常對損耗和部分參數(shù)采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將測試方法與統(tǒng)計方法相結(jié)合，使得既能便于操作又能達(dá)到一定精度。

效率測試結(jié)果比較如表3所示。由表3的試驗數(shù)據(jù)可知，通過與B法效率測試結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)各方法的誤差除了方法本身帶來的誤差外，還與銘牌額定值與實際值的差異有關(guān)，同時由于公式在額定負(fù)載率下進(jìn)行推算，造成大部分的方法在負(fù)載率較低時有較大的不確定度。電流法相對不確定度最高，只適用于負(fù)載率較高時；轉(zhuǎn)差率法的相對不確定度次之；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速法相對不確定度最低，誤差較小。

表4給出了不同測試方法結(jié)果的相對不確定度、推薦負(fù)載率范圍和功率范圍。采用相對不確定度，以區(qū)分不同測試方法測試結(jié)果的相對準(zhǔn)確性。其中： “低不確定度”表示完全根據(jù)試驗結(jié)果確定效率；表明效率測試值的不確定范圍小，此法較準(zhǔn)確；“中不確定度”表示依據(jù)部分試驗結(jié)果和簡化物理模型確定效率；表明效率測試值的不確定范圍為中等大小，準(zhǔn)確性也為中等；“高不確定度”表示依據(jù)部分試驗結(jié)果和若干假設(shè)確定效率；表明效率測試值的不確定范圍較大，準(zhǔn)確性較差。

表3　效率測試結(jié)果比較(效率，%)

續(xù)表

表4　相對不確定度

注： 小型電動機(jī)功率范圍為≤1kW(含)，中小型為1～400kW(含)，中型為400～3550kW(含)。

5兩種改進(jìn)的方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測試技術(shù)集電子技術(shù)、通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等為一體的技術(shù)領(lǐng)域，部分?jǐn)?shù)學(xué)模型、需查表的數(shù)據(jù)可直接存儲在儀表中，經(jīng)儀表處理計算可直接顯示所需的值。下面介紹兩種新出現(xiàn)的、結(jié)合現(xiàn)代測試技術(shù)的現(xiàn)場能效測試方法。

5.1氣隙轉(zhuǎn)矩法

首先對電動機(jī)輸入端電壓、電流進(jìn)行測試，利用三相相電壓與相電流乘積之和在單位時間內(nèi)的積分求得平均輸入功率P1。該平均輸入功率減去鐵耗和銅耗等項后可計算得到氣隙轉(zhuǎn)矩T1；從而求得電機(jī)輸出功率P2為

P2=T1×2πn/60-Pfw-Ps

(9)

式中：T1——氣隙轉(zhuǎn)矩，N·m；

Pfw——電動機(jī)風(fēng)摩耗，kW；

Ps——電動機(jī)雜散損耗，kW。

由式(9)可見，氣隙轉(zhuǎn)矩法如有風(fēng)摩耗和雜散損耗數(shù)據(jù)，可直接求取輸出轉(zhuǎn)矩。

5.2基于遺傳算法的效率測試方法

遺傳算法試驗時不需要進(jìn)行空載試驗，是根據(jù)電動機(jī)等效電路圖求取適配函數(shù)最大值的過程。異步電機(jī)的等效電路需要確定x1、r2、xm和rm參數(shù)的值。利用遺傳算法給予每一個參數(shù)一個14位的二進(jìn)制數(shù)碼，這些參數(shù)的編碼通過隨機(jī)選擇得到足夠大的參數(shù)組，將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。

遺傳算法的目標(biāo)就是使得等效電路的輸入功率和定子電流的測量值與計算值之間的誤差最小。輸入功率和定子電流的誤差函數(shù)產(chǎn)生一個適配函數(shù)，對每一組參數(shù)組進(jìn)行復(fù)制、交叉和變異等運(yùn)算，使得誤差函數(shù)值最小，從而確定精確的效率值。

6結(jié)語

本文闡述了7種現(xiàn)場能效測試方法和精度、應(yīng)用場合，也對兩種新型的能效測試方法進(jìn)行了初步介紹。由于現(xiàn)場測試的復(fù)雜性，實施時應(yīng)兼顧考慮準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，改造前后建議使用相同的測試方法，同時可在報告中明確測試的不確定度以滿足節(jié)能工程的不同需求。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]GB/T 1032—2012三相異步電動機(jī)試驗方法.

[2]秦和.電動機(jī)效率測定方法的進(jìn)展.中小型電機(jī)，2004，31(1)： 60-64.

[3]李建軍，王慶，汪玉山.籠形異步電機(jī)能效辨識方法對比.電機(jī)與控制應(yīng)用，2015(5)： 69-74.

作者簡介：強(qiáng)雄(1968—)，男，本科，高級工程師，研究方向為電機(jī)及系統(tǒng)能效測試技術(shù)、測試標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)能技術(shù)。

中圖分類號：TM 306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)06- 0079- 05

收稿日期：2016-04-20

Introduction of the New National Standard 《Procedures for Measurement and Verification of Motor-System Energy-Savings—Part 1： Test Procedures on Working Site for Energy Efficiency of Motor》

QIANGXiong

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Abstract：Describes the motor field efficiency test of working procedure, preliminary requirements, seven kinds of site energy efficiency testing method and method of uncertain degree and scope of application occasions of content; and selected five motors with the GB/T 1032—2012 (method B) efficiency test results of the compared to verify the accuracy and validity of the method.

Key words：motor； field test； energy efficiency； uncertainty