朱 岷， 強(qiáng) 雄

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；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)

國標(biāo)《變頻器供電交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)確定損耗和效率的特定試驗(yàn)方法》介紹

朱 岷1， 強(qiáng) 雄2

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；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)

詳細(xì)介紹了變頻器供電的電動(dòng)機(jī)附加諧波損耗和效率的測試原理、方法和程序，為如何評估非正弦波電源供電的電動(dòng)機(jī)附加諧波損耗提供了新方法。這對變頻器供電的電動(dòng)機(jī)的效率評定有很好的指導(dǎo)意義。

變頻器； 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)； 諧波損耗

0 引 言

變頻器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組成可變速控制的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)正在廣泛普及，變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的損耗不僅有基波損耗，還有變頻器諧波產(chǎn)生的諧波損耗，諧波損耗附加在基波鐵耗、基波轉(zhuǎn)子損耗、基波定子損耗和附加損耗中。本文將介紹新國家標(biāo)準(zhǔn)《變頻器供電交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)確定損耗和效率的特定試驗(yàn)方法》，討論如何確定諧波損耗。該標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC/TS 60034-2-3—2013《變頻器供電交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)確定損耗和效率的特定試驗(yàn)方法》(英文版)。

1 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)和變頻器通常由不同制造商提供，而統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)被大批量生產(chǎn)，它們可能由電網(wǎng)或者不同制造商提供的不同型號的變頻器驅(qū)動(dòng)，各變頻器的性能(如開關(guān)頻率、直流母線電壓等級等)可能也會(huì)影響系統(tǒng)的效率。因此標(biāo)準(zhǔn)提出了一個(gè)試驗(yàn)用變頻器的概念。它是一個(gè)基于脈寬調(diào)制、脈沖模式固定，為被試電動(dòng)機(jī)提供重復(fù)諧波含量的電壓源型變頻器。目的在于比較變頻器供電情況下的不同交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的諧波損耗。本標(biāo)準(zhǔn)最終得到一個(gè)諧波損耗率，用符號rHL表示，表示電動(dòng)機(jī)在變頻器供電測得的附加諧波損耗與標(biāo)準(zhǔn)正弦波供電測得的損耗之比。

標(biāo)準(zhǔn)明確了測試儀表要求、測量要求和變頻器設(shè)置要求，提出了試驗(yàn)用變頻器供電下的損耗求和法、特定變頻器供電下的損耗求和法、輸入-輸出法、量熱法共4種測試方法和測試程序。

2 測試儀表要求、測量要求和變頻器設(shè)置要求

2.1 測試儀表要求

(1) 在50Hz或60Hz測量頻率下，功率分析儀的標(biāo)稱精度應(yīng)該為0.2%級及以上；當(dāng)測量頻率為fr時(shí)，功率儀表的標(biāo)稱精度至少為0.5%。

(2) 功率分析儀應(yīng)直接測量電流和電壓參數(shù)，如果需要外接電流傳感器，應(yīng)使用寬帶寬的分流器或零磁通傳感器，不能使用傳統(tǒng)的電流傳感器。電流傳感器和采樣通道的帶寬范圍應(yīng)至少為0～100kHz；同時(shí)，應(yīng)關(guān)閉功率分析儀內(nèi)部的濾波器。

(3) 測量轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)使用數(shù)字式測速儀。對于轉(zhuǎn)矩的測量，除了堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩的測量外，轉(zhuǎn)矩測量儀的標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩應(yīng)不超過電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2倍。

2.2 測量要求

(1) 當(dāng)試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)帶載時(shí)，輸出功率和其他被測量的波動(dòng)是不可避免的。因此對于每個(gè)負(fù)載點(diǎn)覆蓋一個(gè)時(shí)間周期(大約30s)的幾個(gè)被測量應(yīng)同時(shí)采樣，并且應(yīng)使用這些值的平均值來確定效率。

(2) 計(jì)算時(shí)，應(yīng)使用電動(dòng)機(jī)的三相線電壓和線電流的算術(shù)平均值。

(3) 由于電容電流的存在使得輸入電流向量之和可能不為零，在脈沖頻率較高的場合使用兩瓦特表法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此在這里采用三瓦特表法來測量功率。

(4) 對于所有傳遞測量信號的電纜應(yīng)做好屏蔽和抗干擾措施，避免受到變頻器或其他設(shè)備的電磁影響，使得測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。

2.3 變頻器設(shè)置要求

如果試驗(yàn)時(shí)用的是特定變頻器和電動(dòng)機(jī)的組合，對于這個(gè)特定的應(yīng)用，變頻器的參數(shù)要根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置；如使用試驗(yàn)用變頻器進(jìn)行測試，應(yīng)按該標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)置。所選擇的參數(shù)設(shè)置應(yīng)記錄在試驗(yàn)報(bào)告中。

試驗(yàn)用變頻器的額定電壓為1kV及以下、電動(dòng)機(jī)在額定電壓和基波頻率(50Hz或60Hz)時(shí)，設(shè)置要求如下：

(1) 試驗(yàn)用變頻器應(yīng)為兩電平電壓源變頻器。

(2) 不得使用電動(dòng)機(jī)電流反饋控制和變頻器的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能。

(3) 試驗(yàn)用變頻器與電動(dòng)機(jī)之間不應(yīng)安裝其他任何影響輸出電流或輸出電壓的器件(除測量儀表)。

(4) 變頻器的輸入電壓應(yīng)滿足其輸出電壓達(dá)到額定值即可，同時(shí)要避免過調(diào)制。

(5) 當(dāng)變頻器額定輸出功率為90kW及以下時(shí)，調(diào)整開關(guān)頻率為4kHz；當(dāng)變頻器額定輸出功率為90kW以上時(shí)，調(diào)整開關(guān)頻率為2kHz。

(6) 連接變頻器與電動(dòng)機(jī)的屏蔽電纜長度應(yīng)小于100m，電纜尺寸應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率大小來確定。

3 4種測試方法和測試程序

標(biāo)準(zhǔn)中給出了4種測試方法： 試驗(yàn)用變頻器供電的損耗求和法、特定變頻器供電的損耗求和法、輸入-輸出法、量熱法。

3.1 試驗(yàn)用變頻器供電的損耗求和法

電動(dòng)機(jī)負(fù)載附加諧波損耗基本上還是隨負(fù)載的增加而增加。由變頻器供電引起的負(fù)載附加諧波損耗可以通過分別由變頻器供電和正弦波供電的負(fù)載試驗(yàn)來確定。負(fù)載附加諧波損耗為該兩項(xiàng)試驗(yàn)測得的損耗之差。

電動(dòng)機(jī)恒定附加諧波損耗基本與負(fù)載無關(guān)，由變頻器供電引起的恒定附加諧波損耗可以通過分別由變頻器供電和正弦波供電的空載試驗(yàn)來確定，恒定附加諧波損耗為該兩項(xiàng)試驗(yàn)測得的損耗之差?？偟母郊又C波損耗為負(fù)載附加諧波損耗與恒定附加諧波損耗之和。

測試程序如下。

如圖1所示，分別在正弦波電源供電下和試驗(yàn)用變頻器供電下進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)在額定電壓和基準(zhǔn)頻率下運(yùn)行。待電動(dòng)機(jī)各部溫升達(dá)到熱穩(wěn)定后，在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)測量相關(guān)電量參數(shù)，取其平均值來計(jì)算電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)損耗。

圖1 試驗(yàn)用變頻器供電的損耗求和法

各個(gè)負(fù)載點(diǎn)的輸入功率減去輸出功率，再減去試驗(yàn)溫度下的定子損耗Ps，對應(yīng)于實(shí)測轉(zhuǎn)差率下轉(zhuǎn)子損耗Pr、鐵耗Pfe和風(fēng)摩耗Pfw即為剩余損耗PL：

PL=P1-P2-PS-Pr-Pfe-Pfw

(1)

式(1)中風(fēng)摩耗Pfw應(yīng)通過式(2)修正到實(shí)測轉(zhuǎn)差率下：

Pfw=Pfw0×(1-s)2.5

(2)

式中：Pfw0——同步風(fēng)摩耗。

由于剩余損耗PL與負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2呈線性關(guān)系，剩余損耗應(yīng)通過線性回歸分析法進(jìn)行修正，分別建立斜率常數(shù)A和AC，確定在額定負(fù)載點(diǎn)下的電動(dòng)機(jī)負(fù)載附加損耗PLL、PLLC：

(3)

(4)

試驗(yàn)用變頻器供電下的附加損耗與正弦波電源供電下的附加損耗的差值即為變頻器供電下電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的負(fù)載附加諧波損耗PHLLoad。

空載試驗(yàn)在負(fù)載試驗(yàn)后進(jìn)行，讀取并記錄數(shù)據(jù)前輸入功率應(yīng)穩(wěn)定。試驗(yàn)分別在正弦電源和試驗(yàn)用變頻器電源下以相同基波頻率進(jìn)行。

試驗(yàn)用變頻器供電下的恒定損耗減去正弦波電源供電下的恒定損耗即可得到變頻器供電下電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的恒定附加諧波損耗PHLNo-Load。

由此，可以得到變頻器供電下總的附加諧波損耗PHL：

PHL=PHLLoad+PHLNo-Load

(5)

通過式(5)計(jì)算得出的附加諧波損耗PHL與正弦波電源供電下的基波損耗PTsin之和即為變頻器供電下電動(dòng)機(jī)總損耗PT。通過測量電動(dòng)機(jī)輸出功率P2，可以得到變頻器供電下電動(dòng)機(jī)效率η為

(6)

諧波損耗率rHL為

(7)

它表示電動(dòng)機(jī)在變頻器供電下產(chǎn)生的附加諧波損耗與標(biāo)準(zhǔn)正弦波電源供電下產(chǎn)生的損耗之比。

3.2 特定變頻器供電的損耗求和法

該方法適用于由終端設(shè)備的特定變頻器供電的電動(dòng)機(jī)損耗的確定，不同于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用變頻器，特定變頻器是指滿足不同生產(chǎn)要求和工藝目標(biāo)而設(shè)計(jì)的變頻器。對于這一類型的變頻器供電產(chǎn)生的附加諧波損耗也應(yīng)通過在基頻正弦電壓源供電下的負(fù)載測試和在特定變頻器供電下的負(fù)載測試來最終確定，測試原理和程序與“試驗(yàn)用變頻器供電的損耗求和法”一致。

3.3 輸入-輸出法

該方法是通過測量電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來確定變頻器供電下的電動(dòng)機(jī)輸出功率。電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行直到熱平衡，測量電機(jī)轉(zhuǎn)速n、輸出轉(zhuǎn)矩T及變頻器供電的電動(dòng)機(jī)輸入功率P1。

輸出功率P2為

P2=2π×T×n/60

(8)

電動(dòng)機(jī)效率η為

(9)

3.4 量熱法

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)的溫度上升。因此，可以通過測溫儀測量電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量來推算電動(dòng)機(jī)的損耗，從而確定電動(dòng)機(jī)的效率。

首先，給電動(dòng)機(jī)規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)表面，將電動(dòng)機(jī)總損耗分為基準(zhǔn)表面內(nèi)損耗和基準(zhǔn)表面外損耗。試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)各部分溫升達(dá)到熱穩(wěn)定后，測量由冷卻系統(tǒng)帶走和基準(zhǔn)表面散發(fā)的內(nèi)損耗，以及外部輔助設(shè)備損耗和軸承摩擦損耗等基準(zhǔn)表面外損耗。通過計(jì)算確定電動(dòng)機(jī)的實(shí)際損耗和效率。

3.5 其他程序

如果電動(dòng)機(jī)的功率等級超過現(xiàn)有的測試能力，那么也可以通過計(jì)算來確定變頻器運(yùn)行引起的附加諧波損耗。這種計(jì)算必須是基于實(shí)際情況下的變頻器脈沖模式，與頻率相關(guān)的電動(dòng)機(jī)的等效電路參數(shù)和能夠覆蓋諧波影響的電機(jī)模型。

4 與GB/T 22670—2008《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》的關(guān)系

目前相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 22670—2008《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)從試驗(yàn)要求、試驗(yàn)準(zhǔn)備、空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、損耗的確定、效率的確定等方面規(guī)定了變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)機(jī)分別在正弦波電源和變頻器電源下以相同基波頻率進(jìn)行試驗(yàn)，諧波損耗為空載試驗(yàn)下的輸入功率減去定子繞組損耗、風(fēng)摩耗和鐵耗。同時(shí)，針對變頻器的不同類型(電壓型或電流型)，該標(biāo)準(zhǔn)提出兩種試驗(yàn)方法： 輸入-輸出法和損耗分析法來確定電動(dòng)機(jī)效率。

本標(biāo)準(zhǔn)是對GB/T 22670—2008的完善和補(bǔ)充，增加了變頻器供電的電動(dòng)機(jī)負(fù)載諧波損耗的試驗(yàn)和計(jì)算方法，同時(shí)給出4種不同試驗(yàn)條件下確定電動(dòng)機(jī)效率的試驗(yàn)方法，對變頻器供電電動(dòng)機(jī)的能效評估有很好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 語

本文在研究國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了變頻器供電的電動(dòng)機(jī)附加諧波損耗和效率的測試原理、方法和程序，為如何評估非正弦波電源供電的電動(dòng)機(jī)附加諧波損耗提供了新方法，符合我國不斷提高的能源效率法規(guī)要求。

[1] 旋轉(zhuǎn)電機(jī)(牽引電機(jī)除外)確定損耗和效率的試驗(yàn)方法： GB/T 25442—2010/IEC 60034-2-1—2007[S].

[2] 旋轉(zhuǎn)電機(jī)—第25部分： 專為變頻電源設(shè)計(jì)的交流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能指南： IEC/TS 60034-25—2007[S].

[3] 旋轉(zhuǎn)電機(jī)—第2-2部分： 從試驗(yàn)測定大型機(jī)器分離損耗的特殊方法-IEC 60034-2-1的補(bǔ)充： IEC 60034-2-2—2010[S].

Introduction to National Standard Specific Test Methods for Determining Losses and Efficiency of Converter-Fed AC Induction Motors

ZHUMin1,QIANGXiong2

(1. College of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China；2. Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd.,Shanghai 200063, China)

The testing principle, method and procedure of converter-fed motors harmonic losses and efficiency was introduced, a new method for how to evaluate the additional motor harmonic losses in non sine wave power supply was provided, the motor of the converter power supply efficiency evaluation has great guiding significance.

converter； AC induction motor； harmonic loss

朱 岷(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。 強(qiáng) 雄(1968—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)及測試技術(shù)。

TM 306

A

1673-6540(2016)12- 0096- 04

2016-06-20