国内外关于EHstar法杂散损耗测试技术的对比研究.docx

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国内外关于EHstar法杂散损耗测试技术的对比研究

国内外关于EH-star法杂散损耗测试技术的对比研究

异步电动机输入电功率，输出机械功率，在运行过程中产生恒定损耗和负载损耗。

恒定损耗包含风摩损耗和铁心损耗，是不随负载大小变化的损耗。

负载损耗包含定子绕组损耗、转子绕组损耗和负载附加损耗（或称负载杂散损耗），对绕线转子电机还包含电刷电损耗。

随着各国对节能和环保的重视，相继开发高效率节能电动机，并提出更准确地测定电动机效率的要求。

在电机的各项损耗确定中，负载附加损耗的确定最为复杂，EH-star法杂散损耗测试最初由“欧洲电机与电力电子制造商协会（CEMEP）”提出并对其进行研究论证，2005年12月发表论文，论文列举了试验数据，并与现行的试验方法进行比照，证明了其准确性和稳定性，我国也参加了该方法的巡回验证试验，并在验证试验的过程中积累一定数据和经验，在最新出版的IEC60034-2-12007《Standardmethodsfordetermininglossesandefficiencyofrotatingelectricalmachinesfromtests（excludingmachinesfortractionvehicles）》标准中正式颁布了负载杂散损耗的Eh-star测试方法。

杂散损耗测试的最终目的是为了确定电机的效率，下文结合对IEC60034-2-1：

2007试验标准的研究，介绍三相异步笼型感应电动机的效率测试方法，重点说明试验要点，分析影响测量结果准确性的要素，效率测量不确定的分析及所述试验方法的适用范围。

1直接法（8.1）

（1）转矩测量法（8.1.1,6.3.1.1）

试验线路见图1。

通过测量轴输出转矩T和转速n确定电机的输出功率P2，电动机的输入功率P1由功率表直接测量。

为了提高试验结果的准确性，建议对每一个负载点在短时内读几个读数，取其算术平均值作为该点的读数。

转矩测量可用转矩传感器或测功机。

电机的效率按本文式（1-1）计算。

与GB/T1032-2005之A法不同的是，未规定对定子输入功率P1作修正。

电机效率按下式计算：

η=100P2/P1（%）

（1）

图1转矩测量法试验原理图

（2）双电源对拖法（8.1.2,6.3.2.1，6.3.2.2）

两台完全相同的电机机械上连接在一起（图2）。

图2双电源对拖法原理图

其中一台作为电动机运行，另一台作为感应发电机运行。

感应发电机的出线端与变频机组或变频器（低谐波）联结，机组或变频器供应无功功率并吸收有功功率。

一台电机为额定电压和额定频率，另一台电机作为发电机时其电源频率低于第一台电机，但作为电动机时其电源频率大于第一台电机。

调节第二台电机的电压能保持设计的电压/频率比。

颠倒电动机和发电机的接线并重复试验，但每台电机的仪表和仪用互感器的接线不变。

每次试验记录：

电动机：

UM，IM，P1，Fm，SM

发电机：

UG，IG，P2，fG，SG，θC

如两台完全相同的电机基本上运行在相同的额定工况时，则可根据电动机和发电机总损耗的一半和平均输入功率计算效率：

（2）

式中，

直接法

（1）和

（2）的效率测量不确定度小。

2间接法（8.2）

（1）测定总损耗法（8.2.1）——绕线转子感应电动机单电源对拖法（6.4.1.1.3）

以单电源对拖法确定电机的总损耗。

两台相同的电机机械上连接在一起，见图3。

两台电机的定子接到同一电源，这样两台电机在额定转速和额定电压下运行。

一台作为电动机，其转子绕组短路，另一台作为发电机，其转子绕组由多相低频电源（低频旋转磁场方向与转子转向相同）供电。

通过调节低频电源的频率和电流，调节电动机的负载。

图3单源对拖法原理图

测量并记录：

——U1，P1，I1，主电源；

——Ur，Pr，Ir，低频励磁电源；

——PM，电动机吸收的功率；

——PG；发电机输出功率；

——θC；初级冷却介质温度。

如两台完全相同的电机基本上在额定工况下运行时，用两台电机总损耗的一半，计算电机的效率。

（3）

式中，PM为电动机吸收的功率；

总损耗法测定的效率不确定度较小。

（2）损耗分析法

损耗分析法属于间接法。

电动机的总损耗PT等于风摩耗Pfw,铁耗Pfe,修正后定子绕组Ⅰ2R损耗Pcu1s、修正后的转子绕组Ⅰ2R损耗Pcu2s和负载杂散损耗PS之和。

（4）

（a）试验程序

（ⅰ）额定负载热试验（6.4.4.1）。

测量并记录试验终止时：

——PN，IN，UN，S，f，θc，θN；

●RN——按5.7.1条确定的额定负载热试验热电阻；

●θN——按5.7.2确定的额定负载热试验绕组温度。

（ⅱ）负载试验（6.4.4.2）。

本试验主要用于确定负载杂散损耗

定子电阻可以通过测量绕组温度确定温度由置于绕组上的热敏元件测量。

根据试验测得的绕组电阻和温度与该点绕组温度和电阻的关系确定每一负载点的电阻。

（ⅲ）空载试验（6.4.2.2，6.4.2.3）。

（b）各项损耗的确定

（ⅰ）风摩耗Pfw（8.2.2.3.2）

Pfw的确定方法见（8.2.2.3.2）所述的方法。

（ⅱ）铁耗Pfe（8.2.2.3.3）

Pfe的确定方法见（8.2.2.3.3）所述的方法。

（ⅲ）修正后定子绕组Ⅰ2R损耗Pcu1s（8.2.2.4.1.2）

●绕组温度（5.7.2）

绕组温度应按下述一种方法（按优先顺序）确定：

○1.由外推法求得的热电阻RN确定绕阻温度；

○2.对结构和电磁设计完全相同的电机，按（○1）的绕组温度；

○3.由ETD和热电偶确定温度；

○4.如负载能力不够时，可用IEC61986（间接法）确定绕组温度；

○5.当不能直接测得额定负载热电阻RN时，假定绕组温度等于定额热分级的基准温度（表1）

表1基准温度

绝缘系统分级

基准温度℃

130（B）

95

155（F）

115

180（F）

130

●修正到基准冷却介质温度（5.7.3）

试验记录的绕组温度应换算到25℃基准环境温度，修正系数是将绕组电阻和转差率（笼型感应电机）修正到25℃基准环境温度。

（5）

式中：

Kθ：

绕组温度修正系数；

θC：

热试验进口冷却介质温度；

θW：

按本条（A）确定的绕组温度。

●修正后定子绕组Ⅰ2R损耗Pcu1s（8.2.2.4.1.2）（同GB/T1032-2005的B1法）

（6）

式中：

I、R见6.4.4.2，

Kθ见式中（5）

（ⅳ）修正后转子绕组Ⅰ2R损耗Pcu2s（8.2.2.4.1.3）（同GB/T1032的B1法）

（7a）

（7b）

（7c）

式中：

P1,n,f见6.4.4.2。

P:

电机极对数

Pcu1s：

按本文式（7）确定；

Kθ：

按本文式（5）确定

（ⅴ）负载杂散耗PS的确定（8.2.2.5）

IEC60034-2-1规定了两种确定PS的方法，其一是实测法，如剩余损耗法（即B法）；Eh-star法（新提出的方法）和反转法，其二是推荐值法8.2.2.5.3（即IEC61972给出的推荐值，见GB/T1032的9.5.4.1条），取消了PS=0.5%P1的规定。

对通用笼型感应电动机而言，由于Pfw和Pfe由空载试验确定已普遍认同。

Pcu1s和Pcu2s是修正到25℃基准环境温度的数值。

上述4项损耗的确定方法已经一致，现在就是确定杂散损耗PS的方法还不相同。

因此，在一定程度上确定PS的方法就是确定电机效率的试验方法。

●剩余损耗法（8.2.2.5.1.1）

同GB/T1032的B（B1）法。

●Eh-star法（8.2.2.5.4）

本法是试验时被试电机绕组为Y接，在不平衡电压下由空载试验求取PS。

详见本文3条。

●反转法（8.2.2.5.2），见GB/T1032的9.5.3条。

应当说明的是在数据处理上与GB/T1032的9.5.3条不同。

IEC60034-2-1提出的回归分析数据处理方法与IEEE112相同。

●推荐值法（8.2.2.5.3）

同GB/T1032的9.5.4.1条

（3）损耗分析法的特点和适用范围

（a）特点

（ⅰ）需要直接负载（实际负载）法进行负载试验，需要有合适的试验电源和负载设备。

不需要测量轴输出机械功率。

（ⅱ）缺点是效率测量不确定度相对偏大（对E法）或大（对E1法Ps=0.5%P1）

（ⅲ）试验简单易行。

（b）适用范围

（ⅰ）适用于卧式或立式电机，被试电机的容量决定于试验电源和负载设备能力。

（ⅱ）适用于对效率不确定要求可相对偏大，或可大的场合。

（4）输入-输出间接法的特点合适用范围

（a）按规定温度θs确定PCU1S,PCU2S。

（ⅰ）规定温度θs=△θ+25℃,就是将实际试验确定的绕组温度换算到基准环境温度为25℃时的绕组温度。

这样做的好处，其一是损耗：

PCU1S和PCU2S与其绕组实际工作温度有关；其二是：

25℃在10℃和40℃中间，电机的实际工作环温大多在10℃～40℃之间。

因此θs代表实际运行的平均温度。

（ⅱ）按θS计算的PCU1S和PCU2S接近电机实际额定工况时的损耗。

PCU1S和PCU2S之和通常大于总损耗的50%。

因此按θs确定PCU1s和PCU2s是比较合理的。

（b）实测Ps，PFe和Pfw。

因此总损耗PT是接近电机实际运行时的总损耗。

（c）根据实测的P1和总损耗PT按式（1-9）计算的电机效率值比较符合电机实际工作情况。

用B（B1）法确定的效率可用于计算电机的能耗。

例如，美国能源部指定B法是CC认证的唯一试验方法。

（d）缺点是需要高准确的转矩仪。

（e）适用范围

●300KW及以下，卧式底脚安装（适合安装转矩传感器）连续（S1）工作制，通用三相异步电动机；

●要求效率测量不确定度小；

●不适用于立式电机（不能卧式试验）。

3Eh-star法（8.2.2.5.4）

本试验要求被试电动机在不平衡电压下空载运转。

试验线路如图4所示。

试验时，被试电机绕组为Y接（如为△接，也改为Y接）。

中性点必须悬空，以免产生零序电流。

电动机的第三相（W）经电阻器Reh接到电源上（见图4）。

Reh的典型数值：

对按Y接设计的电动机：

对按△接设计的电动机：

图4Eh-star试验线路

试验时，调节电阻Reh使正序电流Iips保持小于负序电流Iins的30%和转速保持在接近额定转速的范围内。

建议开始试验时，实际电阻Reh与计算值R′eh相差不大于20%。

试验电流：

对按Y接设计的电动机：

；

对按△接设计的电动机：

试验电压：

对按Y接设计的电动机：

对按△接设计的电动机：

在测取试验读数之前，电动机的空载损耗已经稳定（见6.4.2.2）。

试验之前和试验以后测量V和W相之间的端电阻R11vw。

为了避免三相不平衡发热，试验应从电冷态开始并尽快做完试验。

对大型电动机，应在无电阻器Reh（图与中开关S在1位置）降低电压（25%-45%Un起动，电动机起动完成之后，开关S置于位置2。

小型电动机可带已接好的电阻器Reh起动，这样就不需要开关。

改变电源电压做6点试验。

在实测的150%和75%V相额定电流（IV）之间大致均匀分布6点。

试验自最大电流开始，此后依次降低到最小电流。

100%及较小试验电流试验点的端电阻R11vw用最小读数之后（试验结束时）测取的电阻由外推（到断电时刻）法确定。

用完成试验前后的读数，根据与电流线性关系确定大于100%试验电流的电阻。

4不确定度（5.2）

IEC60034-2-1所用的不确定度是测定实际效率的不确定度，它反映试验方法和试验装备的偏差。

虽然不确定度应当用数值表示，但这需要大量的试验以确定代表性和确切的数值。

IEC60034-2-1标准使用相对不确定度术语：

“小”适用于完全依据试验结果确定效率；

“中”适用于依据有限近似计算确定效率；

“大”适用于依据若干假设确定效率；

表2几种试验方法效率的不确定度

方法

条款

适用于

所需设备

不确定度

直接法

转矩测量法

8.1.1

1KW及以下单相

和三相电动机

可测满载的转矩仪或测功机

小

双馈对拖法

8.1.2

一台变频电源两台完全相同的被试电机

小

总损耗法

单电源对拖法

8.2.1

完全相同的两台绕线转子电动机

小

损耗分析法（负载试验）

剩余损耗法确定PS

8.2.2.5.1

1～150KW

三相电动机

转矩仪或测功机定额≥1.25倍满载

小

推荐值PS

8.2.2.5.3

中到大

反转法确定PS

8.2.2.5.2

辅助电动机定额≤5倍总损耗PT

大

Eh-star法确定PS

8.2.2.5.4

电阻器可承载1.5倍额定相电流

中（见注3）

损耗分析法（无负载试验）

电流、功率、转差率由等值电路求得。

PS为推荐值

8.2.2.4.3

如不能进行其它试验（不能用额定负载，无完全相同的电动机）

中/大

注1：

由于测量不确定度的存在，根据剩余损耗法确定PS，其相关系数（见8.2.2.5.1.2）必须大于0.95。

注2：

不确定度栏中，“小”表示各项损耗均经试验测定，“中”表示试验方法是依据被试电机简化物理模型确定的。

注3：

用Eh-star法确定PS，适合于1KW～150KW电动机，对更大定额的电动机正在研究中。

5效率测试方法对照表

通过对IEC60034-2-1：

2007《旋转电机（牵引电机除外）确定损耗和效率的试验方法》和GB/T1032：

2005《三相异步电动机试验方法》的对比研究，效率测试的主要方法及其应用情况如表3.

表3GB/T1032-2005与IEC60034-2-1

GB/T1032-2005

条款

IEC60034-2-1

条款

A法：

输入-输出法

10.3

转矩测量法

8.1.1

B（B1）法：

测量输入-输出的损耗分析法

10.4

剩余损耗分析法

8.2.2.5.1

C（C1）法：

回馈法

10.5

双电源对拖法

8.1.2

E法：

测量输入功率的损耗分析法

（直接法测PS）

10.6

反转法测PS

8.2.2.5.2

E1法：

测量输入

功率的损耗分

析法，推荐PS

9.5.4.3

______________

______________

9.5.4.1

PS推荐值

8.2.2.5.3

9.5.4.2

______________

______________

F（F1）法：

等值电路法

10.7

等值电路法

8.2.2.4.3

G（G1）法：

降低电压负载法

10.8

降低电压负载法

8.2.2.4.2

H法：

圆图计算法

10.9

______________

______________

______________

Eh-star法

8.2.2.5.4

______________

单电源对拖法（绕线转子）

8.2.1

6结论

通过上述对比，可以发现，Eh-star法相对与IEEE112.B来说，试验投资小的多，试验过程更方便，但是此方法困难的是配置不平衡负载所需要的电阻，并且在试验过程中要实施监测电机转差率和内相电流的正序分量和负序分量，确保实验条件符合标准之规定。

目前国内还没有资料表明已经研发自动化程度较高的Eh-star法电机杂散耗测试装置，利用标准规定的基本原理，同时将标准中规定的不平衡负载电阻（可调节电阻）、试验中转差率的监测、杂散耗数据的回归分析、EH_STAR数值计算等功能进行了集成，使试验繁琐的调节及计算过程变得简单。

我国生产的中小型异步电动机采用分离损耗累加法（损耗分析法）并以负载试验确定负载损耗的方法，负载附加损耗习惯按额定输入的0.5%确定，或按移出转子及反转法试验确定，出口北美电机按带转矩测量的负载试验求取剩余损耗（112B法）来确定。

目前最多用的还是按额定输入的0.5%确定负载附加损耗。

如文中所述，IEC标准已经作出修订，废除了按额定输入的0.5%确定负载附加损耗。