浅谈电机能效标准及其测试技术

赵万星，王刚，王友建，罗林聪，廖喆明

（ 重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123 ）

浅谈电机能效标准及其测试技术

赵万星，王刚，王友建，罗林聪，廖喆明

（ 重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123 ）

基于电机能效标准的发展，介绍电机能效测试方法和技术特点。指出电机能效标准的不断发展对测试技术提出的要求，而计算机和传感器技术的发展促进了测试手段的完善，推动了电机能效标准的提高。充分认识电机能效标准和测试技术的发展，对电机生产和应用具有指导意义。

电机能效；电机能效标准；能效测试

0 引言

电动机（以下简称“电机”，主要指三相异步电动机）自19世纪奥斯特发现电磁感应现象而诞生以来，至今已近200年，其技术已经相当成熟。作为将电磁能转换为机械能的主要设备，理想电机并不消耗能量。然而，在实际过程中，各种能量转换带来的损耗造成的电机效率问题，成为工业节能的关键。

1 概述

据统计，我国电机装机容量已超过4亿kW，其耗电量占总用电量的60%，占工业总用电量的80%。电机应用中普遍存在运行效率低下，高效电机占有率不高的特点。在国家实施“节能减排”战略，加快工业设备升级换代，提高生产效率等政策形势下，推广高效电机、提升电机能效、开展电机能效检测成为当前电机节能的主要方向。了解和掌握国内外电机能效标准及其发展是开展电机节能的前提。

2 相关标准

2.1 美国中小型电机能效标准

能效标准产生的背景来源于上世纪70年代世界性能源危机。当时，持续三年的石油危机爆发后，造成极度依赖进口能源的美国发生了二战后最严重的经济危机，其工业生产下降了14个百分点，对国民经济和社会稳定造成极大冲击。从那以后，美国不得不考虑从国家层面开展节能行动。

1992年美国国会通过了《能源政策法案》（Energy Policy Act）。该法案规定了一系列用能产品的能效要求，包括电机，也被电机行业称作“EPACT”标准。该标准规定自1997年10月24 日起，凡是出厂电机、从国外进口的、安装在成套设备上的一般用途的电机，必须满足EPACT 标准。标准从1992年制定到1997年实施，给了电机生产厂家近五年的缓冲期。

在此基础上，2001年美国能源效率联盟(CEE)与美国电气制造商协会(NEMA)联合制定的超高效率电机标准，称为NEMA Premium标准，是北美地区的主要电气标准规范。该标准的启动性能要求与EPACT一致，其效率指标基本上发映了当时美国市场上超高效率电机的平均水平，较EPACT指标提高了1%～3%，损耗较EPACT指标下降了15%～20%。

在电机能效测试方面，美国能源部于1999年10月5日公布了有关工业及特定商用电气产品和设备能效试验程序、标志和认证要求的最终规则，即10CFR Part431，其中包括电机部分的内容在Subpart B、Subpart U和Subpart X三个部分，于1999年11月4日生效。向美国出口的电机必须符合该规则的要求。测试效率的试验方法必须按该规则规定的统一试验IEEE112(B)法或者CSA标准C390-93试验方法。出口美国的电机产品必须经NIST/ NVLAP认可的实验室检测合格后方能进入美国市场。

2.2 欧盟电机能效政策和标准

欧盟开始电机节能大约始于上世纪90年代。1999年，欧盟交通能源局与“欧洲电机和电力电子制造商协会”(CEMEP)制定的电机能效标准(简称EU-CEMEP协议)是欧盟的第一个自愿性电机能效标准。该协议将电机能效水平分为三级，即eff3—低效率(Low efficiency)电机，eff2—改善(Improved efficiency)电机，eff1—高效率(High efficiency)电机，并计划在2006年后，禁止销售和生产eff3级电机。该协议规定了在铭牌和样品说明书上的能效等级标识和数值标注，以便于用户选用和识别。目前自愿参加的公司包括ABB、西门子、英国BrookCrompton、Leroy-Somer等国际知名电机制造公司， 覆盖了欧洲80%的产量。随着新标准EN 60034-30：2009的施行，旧的eff1，eff2将被IE标准所替代。

2003年，欧委会发出了《建立耗能产品生态设计框架》指令草案，属强制性，该草案准备在欧共体层面对耗能产品实施生态设计管理（ECO）。2005年欧洲议会和理事会正式发布了2005/32/EC指令（简称“EuP 指令”），规定了工作计划和EuP指令所涉及的产品清单。电机、泵、风扇被列为EuP第11类产品。欧盟在2008年5月召开了EuP指令第7次会议，对EuP执行措施草案进行讨论；2009年7月正式出台了欧盟电机生态设计指令EC No.640-2009。执行方案分三步：一是自2011年6月16日，电机能效不得少于IE2；二是自2015年1月1日起，额定功率为7.5kW～200kW的电机，其最小能耗应达到标准规定的效率3水平；三是从2017年1月1日开始，额定输出功率为0.75kW ～375kW的电机效率水平不得少于IE3，或至少满足IE2效率水平；另外规定，自2011年1月1日起，铭牌和出厂产品文件应标示满载效率和能效等级。在电机能效测试方面，EN 60034-2-1：2007取代了EN 60034-2：1996，修订低电压三相异步电动机能效测量方法，提高了在规定实验室条件下的测试精度。

此外，欧洲各国对高效电机推广还有额外补贴政策。如丹麦对用户购置效率高于最低标准的电机，能源署对新购置电机或更换老电机补贴100或250克郎/kW；荷兰则除了补贴外，还给予税收优惠；英国则通过减免气候变化税和实施“提高投资补贴计划”来促进高效率电机等节能产品的市场转化，政府还组织实施一系列市场转化计划，包括媒体、网络推广节能产品，提供节能产品的信息、节能方案和设计方法等。

2.3 中国电机能效政策和标准

我国从上世纪90年代后期开始， 将电机作为重要的用能产品列入节能产品认证。2002年国家质检总局批准发布第一版的GB 18613-2002《中小型三相异步电动机能效限定值和节能评价值》，2006年做了修改，2012发布了第三版，即现行的GB 18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》。该标准参考了欧盟EU-CEMEP协议、澳大利亚与新西兰AS/NZS1359.5等同类标准，部分采用了欧洲eff1和eff2效率标准， 能效2级为正在执行的能效限定值，能效3级值在该标准实施之日4年后开始执行。目前，GB 18613对中小型三相异步电动机效率规定了3个等级，分别是3级（能效限定值）、2级（目标能效限定值）和1级（节能评价值），1级相当于IEC 60034-31：2010的超超高效指标，2级相当于IE3，3级相当于IE2，前两项是强制性指标，后一项为推荐性指标。

GB 18613—2012新标准的实施，提升了我国三相异步电动机系列产品的效率水平，目前还在大批量生产的Y、Y2、Y3系列三相异步电动机应立即停止生产，由符合新国标GB 18613-2012能效3级标准的YE2和YX3等系列产品和符合新国标GB 18613－2012能效2级标准的YE3系列等产品来替代。YE2、YE3系列产品等已成为中小型三相异步电动机的主导产品。

2.4 其它国际或国家能效标准

加拿大在1991年由加拿大标准协会与加拿大电机行业协会共同制订了推荐性电机最低能效标准。1992年加拿大议会通过了能源效率法令(EEACT)，法案包括了电机的最低能效标准，其电机效率指标和美国EPACT指标相同；该法案在2010年做了一次修改。

澳大利亚于1999年开始针对家用电器和工业设备实施强制性能效标准计划(Mandatory energy efficiency performance standards)或称MEPS计划， 由澳大利亚政府下属温室气体办公室和澳大利亚标准委员会管理，电机也在管理范围内。电机强制性标准于2001年10月批准生效， 标准号为AS/NZS 1359.5。澳洲和新西兰生产和进口的电机均需达到或超过此标准所规定的最低效率指标。该标准对应的试验有2种：一套为方法A的指标， 对应于美国IEEE 112-B方法；另一套为B方法的指标，对应于IEC 34-2，其指标数值与欧盟EUCEMEP的Eff2基本相同。该标准除规定了强制性的最低标准外，还规定了高效率电机指标，为推荐性标准，并鼓励用户采用。其数值与欧盟EU-CEMEP的Eff1及美国的EPACT相近。

墨西哥于1997年制订了标准(NOM-016 -ENER-1997)，其效率指标值与美国早期的高效率电机指标，即NEMA12-9标准相同。2002年与美国签定自由贸易协定后，该标准进行了修订，现标准为NOM-016-ENER-2002，从2003年3月开始生效执行。墨西哥标准效率指标与美国EPACT相同，但范围较美国EPACT有所扩大，功率从0.746kW～373kW(即1500HP)，安装方式除卧式外，还包括立式电机。巴西的电动机最低能效标准仍保持与NEMA12-9相同，略低于美国EPACT指标。巴西、墨西哥的单相电机实施自愿性标签计划。

伊朗对电机能效有较严格的控制政策。伊朗海关规定从2009年7月1日起，出口伊朗的电机必须加贴能效标识后才能通关。伊朗电机能效标准ISIRI 7966，按A、B、C、D、E进行5级分类，A级为能效的最高级， E级最低，现阶段在伊朗国内销售的电机能效限值为B级。进口商凭出口企业的能效标识到伊朗海关进行备案， 有备案的货物才能通关。

作为世界上最早和最权威的国际性电工标准机构，IEC（国际电工委员会）将电机标准纳入TC2（技术委员会），TC2也是IEC的第一个产品委员会，原名为“第2顾问委员会-电机规范”。为协调各国电机能效分级标准，IEC/TC2在2006年成立了一个新的工作组，开展电机能效标准制定的相关工作。2008年，IEC/TC2发布了第一版IEC 60034-30《单级、三相、鼠笼式感应电动机效率分级标准（IE代码）》。目前，IEC已经更新到2014版的IEC 60034-30-1和2016版的IEC 60034-30-2，分别针对单级和变速电机的能效。

3 能效测试技术及发展

3.1 电机能效测试标准

在电机能效测试方面，各国大多采用基于测量各损耗分量进而求取效率的损耗分析法，但在具体方法上很难统一。比如美国采用IEEE 112B标准，欧洲采用IEC 60034-2，日本采用JEC 37，澳大利亚采用IEC 61972。IEEE 112-B采用了测功机测定各损耗分量之和的效率间接测定法，这是一种直接测量电机载荷以及输出功率的方法，即电机负载的附加损耗是通过实测得出来的。IEC 60034-2是假定杂耗为0.5%输入功率的效率间接测定法；IEC 61972类似于IEEE 112-B。

我国的GB/T 1032《三相异步电动机试验方法》综合了IEC 60034-2、IEC 61972和IEEE 112等标准。JJF 1608-2016《中小型三相异步电动机能源效率计量检测规则》于2016年11月30日发布，采用了GB/T1032-2012的B法，主要用于规范电机能源效率标识计量检测工作，适用范围为：1000V以下的电压，50Hz三相交流电源供电，额定功率在0.75kW～375kW范围内，极数为2极、4极和6极，单速封闭自扇冷式、N设计、连续工作制的一般用途异步电动机和一般用途的防爆异步电动机。

3.2 测量方法和原理

JJF 1608规定了电动机能效测试方法应按GB/T 1032-2012中B法-测量输入和输出功率的损耗分析法进行。其实质是采用实测负载杂散损耗Ps的效率测试方法。具体是通过热试验、负载试验和空载试验获得电动机各损耗，包括铁损PFe、风摩耗Pfw、试验温度下定子绕组损耗PCu1、试验温度下转子绕组损耗PCu2和负载杂散损耗Ps，并最终确定效率。其步骤：

1）热试验

实测输入功率P1、电压U、电流I和频率f和输出转矩Tt、转速n，绕组温度θW和环境温度θb得到负载绕组温升，计算效率用绕组规定温度θs

2）负载特性试验

实测输入功率P1、电压U、电流I、频率f、输出转矩和转速（输出功率P2），得到定子绕组损耗PCu1和转子绕组损耗PCu2

3）空载试验

实测输入功率P0、电压U0、电流I0和频率f，得到铁损PFe和风摩擦Pfw

数据分析：

剩余损耗：

基于PL与轴转矩T平方的函数关系，通过线性回归分析，消除仪表和读数误差，可确定Ps；

规定温度下的负载总损耗：

3.3 测量要求和特点

如前所述，电机是将电磁能转化为机械能的装置，因此电机能效测量必然涉及到电量、温度和力值等各基本量的测量。同时，能效值是一个综合量，除了对测量人员和测量仪器的较高要求，合理的测量模型和完整的数据处理都是关键。

1）B法对测试设备和测试人员素质要求较高

对供电电源的要求包括：电压波形和对称性、频率偏差和稳定性；规定HVF不超过0.03（N设计电动机）或0.02（未加说明）；三相电压系统的负序分量应小于正序分量的0.5%，且零序分量的影响应予消除；电源频率的波动量应在额定频率的±0.3%范围内。电量测量仪器至少满足0.2级，温度测量仪的最大允许误差为±1℃，转矩传感器及测量仪的准确度等级应不低于0.2级。测量人员也需要有较高的综合素质，除了需要熟练操作外，还需要有处理繁杂的数据，正确出具测量报告的能力。

2）测量结果更符合实际情况、不确定度较低

通过多年实践总结，国际通行的B法测量负载杂散损耗和效率较合理，测量不确定度优于0.4%。

3）测量过程较为复杂

测试前，需对中安装电机，使被测电机和陪试电机处于同一中心；需做绕组埋置热电偶、电机传感器安装等。热试验前，需测定定子绕组冷态直流电阻和绝缘电阻；热试验需在额定输出功率下，达到热平衡态。停止时，需立即读取热态电阻，绘制热电阻对时间的冷却曲线。

4）数据处理量大

B法测量参数包括电参数测量、转矩转速测量、电阻和温度测量等，而各种损耗则需要复杂的数据处理过程，仪表分辨力和数据有效位数的处理，这些都将会对测量结果产生影响。

近年来，随着计算机技术和传感器技术的发展，电机测量技术和手段不断发展，电机动态性能测量、电机诊断技术和能量反馈等新技术新方法在电机测量方面取得长足进步。

4 结语

电机能效标准的不断发展，对测量要求和技术手段都提出了较高要求。同时，计算机和传感器技术的进步，也不断推动了电机测量技术的发展，促进了电机能效标准的进步。在当前国家推行“电机能效提升、促进绿色制造”的时机，充分认识电机能效标准及其测量方法，对电机生产和应用具有重要意义。

[1]赵跃进.美国中小型电机能效标准概况[J].中小型电机，2000，27(4).

[2]GB18613-2012 中小型三相异步电动机能效限定值和节能评价值[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3]陈伟华.IEC电机能效标准最新进展[J].电机与控制应用，2008，35(4).

[4]强雄.高效电动机效率测试方法的研究[J].电机与控制应用，2016，43(7).

[5]GB/T 1032-2012 三相异步电动机试验方法[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6]JJF1062-2016 中小型三相异步电动机能源效率计量检测规则[S]. 北京：中国计量出版社，2016.

Discussion on the motor energy efficiency standards and testing technology

Zhao wanxing, wang gang, Wang youjian, Luo lincong, Liao zheming

(Chongqing Institute of Metrology and Quality Inspection, Chongqing 401123, China)

The development of motor energy efficiency standards was summarized, and the tested methods and technical features of motor was introduced. It was pointed that the development of motor energy efficiency standards influence improved the test technology, and with the development of the computer and the sensor had promoted the test technology, and then promoted the improvement of motor energy efficiency standards. It was of great significance for the motor production and application to fully understand the development course of motor energy efficiency and test technology.

motor efficiency; motor efficiency standard; efficiency test

TM930.12

A

1674-2796（2017）01-0020-05

2016-12-10

赵万星（1971—），男，博士，教授级高级工程师，主要从事能效测试研究与技术工作。