电机效率测试技术的研究

张 昊， 殷 强， 马冬梅

(南车株洲电机有限公司技术中心，湖南株洲 412000)

0 引言

电机效率的精确测定已成为发展高效电机的关键。本文分析比较了主流的电机效率测定试验方法，设计并实现了一种三相异步电机效率测试系统，满足不同效率测定方法和型式试验的要求。

1 效率测定试验方法

从电机的基础理论中可知，电机的效率高低实际上取决于其自身运行过程中的损耗，损耗越高，效率越低。从某种意义上说，效率的精确测量就是损耗的精确测量。在电机运行的各种损耗当中，定、转子铜耗、铁耗、风摩耗都是比较容易测得的，而且精度也可以得到保证，唯一有难度的就是杂散损耗的测量。

三相异步电机的负载杂散损耗的测试方法分为间接测量法、直接测量法和推荐值法。间接测量法(输入－输出法、回馈法)通过测量电机总的损耗，减去铁耗、风摩耗及定、转子铜耗后，所余下的值即为负载杂散损耗。直接测量法将负载杂散损耗分为基频杂散损耗和高频杂散损耗两部分，通过抽转子试验测得基频杂散损耗，以及通过外部驱动设备使被试电机反转测得高频杂散损耗。推荐值法根据电机输出功率的大小分段，每一段的杂散损耗值与额定输入或输出功率的比值恒定。

各国对三相异步电机大都采用测量各损耗分量，从而求取效率的损耗分析法，但在具体方法上并不统一。目前，电机效率的确定方法主要有输入－输出损耗分析法、假定负载杂散损耗为0.5 P1(输入功率)的损耗分析法、回馈法、圆图法、等值电路法等。

电机效率随试验方法的不同有较大不同，引起差异的原因主要有如下三点:(1)由于实际负荷(输入－输出损耗分析法、损耗分析法、回馈法)或等值电路法(包括圆图法)的不同造成效率的不同;(2)由于处理杂散损耗方法不同而效率不同;(3)基准温度选择的不同。

输入－输出损耗分析法(IEEE 112B)是对电机进行效率认证时，推荐采用的一种效率测试方法。输入－输出法需要能直接测定电机输出功率(或转矩)的设备，负载杂散损耗间接测量并通过线性回归确定。假定负载杂散损耗为0.5%P1(输入功率)的损耗分析法在无法直接测得输出功率(或转矩)的情况下，通过测定电机的输入功率，由输入功率减去总损耗即为输出功率。负载杂散损耗假定为输入功率的0.5%。回馈法将两台相同电机用联轴器机械连接进行负载试验，规定负载杂散损耗通过电动态负载试验和发电态负载试验平均并线性回归确定。圆图法是根据空载试验、堵转试验数据，利用圆图求取电机效率和其他特性数据。圆图法不需要进行负载试验，负载杂散损耗一般通过推荐值法确定。等值电路法是改进的圆图法，根据电机空载和堵转试验、低频堵转试验的数据，利用电机的等效电路中有关参数的关系来间接求取电机效率和其他特性数据的方法。等值电路法不需要进行负载试验，负载杂散损耗一般通过推荐值法确定。

不同试验方法的比较如表1所示。

2 效率试验系统的实现

由表1可知，不同效率测定方法的试验项目不尽相同。南车株洲电机有限公司技术中心新建电机综合型式试验系统，满足了大中型三相异步电机效率试验和型式试验的需要。

表1 不同试验方法的比较

2.1 系统总体要求

由表1可知，不同效率测定方法的试验项目主要有空载试验、堵转试验、低频堵转试验、额定负载热试验和负载特性试验。

试验系统要求能进行空载、堵转试验，一般可通过调压器和变压器实现，但只适用于50 Hz的三相异步电机，不能满足60 Hz NEMA电机的试验要求。等值电路法要求进行1/4频率低频堵转试验，因此需要采用频率可以调节的试验变频器。

电机进行额定负载热试验和负载特性试验需要给电机加机械负载。目前用于电机试验的负载设备主要包括直流电机、测功机、由交流异步电机转化成的交流发电机等。后一种方法用一台陪试电机与被试电机用联轴器相联结，被试电机接额定频率电源，陪试电机接可变频率的电源，试验中陪试电机以异步发电机状态运行，与前两种方法相比具有能源消耗小、对中简单等优点，此方法需要一套变频电源或其他形式的回馈电源设备。

异步电机的热试验分为直接负载法和等效负载法。随着异步电机容量的提高和型式的增多，越来越多的异步电机产品无法进行直接负载法温升试验。等效负载法中最常用的就是叠频法。叠频法做异步电机温升时不需要进行机械连接，可以减少对组装配的时间，目前仍然被广大电机制造厂家使用。试验系统要求能进行叠频温升试验，满足异步电机型式试验的要求。

测控系统要实现主回路各开关、辅助系统的自动控制，并测量电机电压、电流、功率、功率因数、温度、转速等参数，确保数据的实时性、准确性、抗干扰性、可靠性，降低安装、维护、扩充条件和难度。

2.2 试验系统结构

系统主要由通用型高压变频器U1、四象限高压变频器U2、调压器和试验变压器、测量接线柜等组成，如图1所示。工频10 kV分成三路电源:第一路输出接入调压器的上端，经调压后进入试验变压器和测量接线柜;第二路输出接入通用高压变频器U1的上端，作为变频器U1的供电电源;第三路输出接入四象限高压变频器U2的供电电源。调压器和试验变压器满足50 Hz电机空载和堵转试验的要求。试验变压器安装无励磁分接开关，通过改变变压器的匝数比实现多档位二次电压输出。

U1和U2均为串联型多电平高压变频器。它主要由输入移相变压器、功率单元和控制单元组成。采用模块化设计，由于采用功率单元相互串联的方式，解决了高压输出的问题。

U1和U2都可以发出正弦波三相电作为三相电源使用，满足60 Hz电机空载和堵转试验的需要，同时可以进行低频堵转试验。

图1 效率试验系统结构图

U2还可以通过调节负载电机的频率，把负载电机发出的电回馈到电网。被试电机与陪试电机用联轴器对轴联结。被试电机通过调压器由电网供电(50 Hz)或通用高压变频器U1(60 Hz)供电;陪试电机由低于它本身额定频率的四象限高压变频器U2供电，调节变频电源U2的输出频率，则可达到调节被试电机输出功率的目的。该频率越低，被试电机输出功率越大。

2.3 叠频热试验

叠频法通过利用异步电机旋转机轴的转动惯量起到增加电机电流的效果。当机轴的转速低于定子磁场同步转速时，其感应转矩与转速同向，电机工作于电动状态，而当机轴转速高于定子磁场同步转速时，感应转矩与转速反向，起制动作用，电机工作于发电机状态。如果能使定子磁场的同步转速发生振荡，也就可以让电机交替工作于电动和发电两种状态。这时转子频繁加减速运动，利用电机转子转动惯量，可以在电机绕组中引起电流。从电机损耗的观点考虑，电机此时工作于一个等效的机械负载下。

传统的叠频法采用两套发电机组构成主副机组，将两套机组的输出叠加后供给被试电机。主机组工作在额定电压和频率下，通过调节副机组的电压和频率使被试电机工作在额定电流下，从而考核温升。由于电机功率不断提高，传统叠频法电源机组的电压和容量要与被试电机相当，这对于大电机制造厂来说可以实现。随着电力电子技术和微处理技术的进步，使得用基于电力电子技术的静止变频电源替代发电机组作为等效温升试验电源成为可能。

南车株洲电机有限公司技术中心采用专用静止变频电源完成叠频试验，高压变频器U1和U2均具有叠频热试验功能。静止变频电源叠频温升试验系统功能框图如图2所示。静止变频电源通过设定的叠频参数(主副电压和频率)使用DSP作为运算控制器件，计算出叠频试验用电压，将相关参数作为PWM的调制波参数，经与三角波载波参数进行比较运算，得到三相逆变桥的触发信号。用产生的触发脉冲控制逆变桥的通断生成叠频电压波形。

2.4 测控系统的实现

测控系统由控制计算机和测量计算机及相应的测控单元组成。由于测控设备接口类型多样，本系统设计了一个异构网络满足控制和测量的要求，该网络包括以太网、串口485总线、Profibus现场总线，如图3所示。系统的主干网为以太网，主干网上的设备有控制计算机、测量计算机、控制服务器、主PLC、功率分析仪等。

控制计算机通信的设备主要有高压变频器U1、U2，控制服务器，主PLC。控制计算机通过串口485总线实现对高压变频器U1和U2的控制。控制服务器通过串口485与高压主回路开关柜中的综保装置通信，实现对断路器KM1～KM6的控制。主PLC为西门子S7－300，主PLC通过Profibus现场总线与油系统、水系统的从PLC、低压配电系统的ET200通信，实现对油系统、水系统和低压配电系统的控制。

测量计算机采集和处理接线柜中的功率分析仪、温度巡检仪、转矩转速仪的数据。

图2 静止变频电源温升试验系统功能框图

图3 测控系统网络结构

3 试验实例

通过南车株洲电机有限公司的NEMA5812电机验证各效率测试方法和效率测试系统。

NEMA5812电机的额定电压为4 160 V，额定电流为178 A，额定功率为1 118.55 kW，额定频率为60 Hz，效率为95.3%。分别使用输入－输出损耗分析法、假定负载杂散损耗为0.5P1(输入功率)的损耗分析法、回馈法、圆图法、等值电路法确定电机效率。试验结果如表2所示。

从效率测定结果可以看出，不同试验方法的效率测定精度从高到低依次为输入－输出损耗分析法、回馈法、等值电路法、假定负载杂散损耗为0.5P1(输入功率)的损耗分析法、圆图法。

4 结 语

本文对三相异步电机目前主流的效率测定技术进行研究。根据不同试验方法的需求，设计并实现了电机效率试验系统，满足电机效率测定和型式试验的要求，比较了不同试验方法的效率测定结果。目前该系统在南车株洲电机有限公司已投入使用。

表2 不同试验方法效率测定结果

［1］GB/T 1032—2005 三相异步电动机试验方法［S］.

［2］才学刚.电机试验技术及设备手册［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［3］顾德军.不同测试方法对电动机效率的影响［J］.电机与控制应用，2010，37(5):52-55.

［4］秦和.电动机效率测定方法的进展［J］.中小型电机，2004，31(1):65-74.