李建軍， 王 慶， 汪玉山

(1. 河北新四達(dá)電機(jī)制造有限公司，河北 石家莊 052160；2. 江蘇電力節(jié)能服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210019；3. 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)

籠型異步電機(jī)能效辨識(shí)方法對(duì)比

李建軍1， 王 慶2， 汪玉山3

(1. 河北新四達(dá)電機(jī)制造有限公司，河北 石家莊 052160；2. 江蘇電力節(jié)能服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210019；3. 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)

對(duì)不同三相異步電機(jī)效率在線辨識(shí)方法精度分別進(jìn)行研究，并改進(jìn)傳統(tǒng)T型等效電路算法。以一臺(tái)5.5kW、4極異步電機(jī)為例，對(duì)提出的方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明利用氣隙轉(zhuǎn)矩法辨識(shí)電機(jī)效率具有較高精度。不同方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析為工程實(shí)際電機(jī)能效在線辨識(shí)提供了重要參考。

異步電機(jī)； IEEE 112B法； 精度； 在線辨識(shí)； 能效

0 引 言

電機(jī)運(yùn)行效率在線評(píng)估是電機(jī)系統(tǒng)能效評(píng)估的重要環(huán)節(jié)，利用電機(jī)輸入功率和輸出機(jī)械功率求取電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行效率。但現(xiàn)場(chǎng)中電機(jī)輸出功率不能根據(jù)電機(jī)機(jī)端電氣量直接獲取，導(dǎo)致電機(jī)效率無法精確辨識(shí)。鑒于異步電機(jī)用電量占全部電機(jī)用電量85%以上，本文對(duì)多種電機(jī)能效辨識(shí)方法進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)籠型異步電機(jī)能效辨識(shí)方法[1-8]的文獻(xiàn)很多，目前普遍使用IEEE 112B能效測(cè)試方法是標(biāo)準(zhǔn)能效測(cè)試方法中不確定度最低的方法，電機(jī)能效判定或試驗(yàn)中普遍采用該方法。該方法通過在電機(jī)和負(fù)載之間安裝扭矩儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量，進(jìn)而求得電機(jī)效率。但工程實(shí)際中扭矩儀的安裝過程十分繁瑣，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子軸輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩難以直接測(cè)出，導(dǎo)致輸出機(jī)械功率求解十分困難。

電機(jī)能效辨識(shí)方法包含基本方法或結(jié)合不同基本方法。本文根據(jù)每種方法原理和誤差精度對(duì)不同方法分開比較研究。這有助于工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選出有助于測(cè)試電機(jī)能效的方法。其中辨識(shí)能效主要基本方法包括： 銘牌法、轉(zhuǎn)差率法、電流法、損耗分析法、等效電路法、氣隙轉(zhuǎn)矩法。

對(duì)于上述所說結(jié)合不同基本方法能效辨識(shí)，以電流法為例，就是結(jié)合銘牌法與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)電機(jī)數(shù)據(jù)改進(jìn)法。如果結(jié)合得當(dāng)，這種不同基本方法相結(jié)合有助于電機(jī)能效辨識(shí)精度的提高。

所有方法的能效計(jì)算公式都可用式(1)表示：

η=P2/P1

(1)

式中：P2——輸出功率；P1——輸入功率。

1 籠型異步電機(jī)效率辨識(shí)法

由于現(xiàn)場(chǎng)條件下電機(jī)能效評(píng)估或測(cè)試特殊性，測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)方法有所不同。使用者往往通過銘牌數(shù)據(jù)了解電機(jī)效率，但是銘牌效率為電機(jī)額定條件下效率，而實(shí)際運(yùn)行的負(fù)載并不是恒定不變的。另外，實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)中有相當(dāng)一部分電機(jī)內(nèi)部曾被改動(dòng)，例如更換定轉(zhuǎn)子繞組，其額定負(fù)載性能也與銘牌數(shù)據(jù)不同，因此希望通過一些簡(jiǎn)單的方法能在使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的效率。因?yàn)樾视呻姍C(jī)的輸出功率與輸入功率的比值來衡量，而輸入功率從電源輸入端可相對(duì)較容易地測(cè)定，關(guān)鍵在于如何測(cè)定電機(jī)軸端的輸出功率。傳統(tǒng)的電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法有如下幾種。

1.1 銘牌法

通過電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)直接獲取電機(jī)能效是最簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)能效辨識(shí)方法。該方法假定電機(jī)效率為常值且與銘牌數(shù)據(jù)相關(guān)，電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)是電機(jī)在滿載、額定電壓情況下的數(shù)據(jù)。對(duì)于效率負(fù)載曲線較為平滑的電機(jī)來說，這種方法較為適用。但實(shí)際工程中電機(jī)機(jī)端電壓與負(fù)載不斷變化，尤其對(duì)于小功率、多極數(shù)的電機(jī)，電機(jī)的效率也會(huì)隨著電壓與負(fù)載的變化更大，不同極電機(jī)效率負(fù)載曲線如圖1所示[9]。

圖1 不同功率極對(duì)數(shù)電機(jī)效率負(fù)荷曲線

從圖1可看出，不同極對(duì)數(shù)及功率電機(jī)的效率負(fù)載曲線并不都是平滑曲線，利用銘牌法計(jì)算所得電機(jī)效率并不能真實(shí)反映實(shí)際情況。另外如果電機(jī)經(jīng)過更換定轉(zhuǎn)子繞組等維修，銘牌數(shù)據(jù)不能代表實(shí)際狀態(tài)，那么這種方法所得的效率誤差很大。

1.2 轉(zhuǎn)差率法

轉(zhuǎn)差率法假定電機(jī)負(fù)載與額定負(fù)載的比值等于轉(zhuǎn)差率與額定負(fù)載轉(zhuǎn)差率比值，則電機(jī)輸出功率為

P2=(s/sN)PN

(2)

式中：s——測(cè)量轉(zhuǎn)差率；sN——額定負(fù)載轉(zhuǎn)差率；PN——額定功率。

轉(zhuǎn)差率法只需在現(xiàn)場(chǎng)通過光感測(cè)速計(jì)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單。但是，在實(shí)際工程中電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)受到負(fù)載的影響，一般容許電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差率與額定轉(zhuǎn)差率有±20%的偏差，尤其在輕載情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本接近同步轉(zhuǎn)速，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)差率誤差很大，對(duì)效率的辨識(shí)產(chǎn)生較大誤差。

1.3 電流法

電流法假定電機(jī)負(fù)載與額定負(fù)載的比值等于電機(jī)電流與額定負(fù)載電流的比值，因此，電機(jī)軸端輸出功率可表示如下：

P2=(I/IN)PN

(3)

式中：I——實(shí)測(cè)定子電流；IN——額定負(fù)載電流。

由于電機(jī)定子電流中包含空載電流，且這部分電流不隨負(fù)載的變化而變化，因此為了避免產(chǎn)生較大誤差，應(yīng)當(dāng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，測(cè)取空載電流，進(jìn)而可以得出電機(jī)輸出功率為

P2=[(I-I0)/(IN-I0)]PN

(4)

式中：I0——空載電流。

圖2所示為感應(yīng)電機(jī)圓圖，從圖2中可看出其不同負(fù)荷下電流相對(duì)電壓的變化關(guān)系。

根據(jù)感應(yīng)電機(jī)原圖和電流法能效計(jì)算式(3)和式(4)，可以得到采用式(3)和式(4)的負(fù)荷電流曲線如圖3所示。

圖2 感應(yīng)電機(jī)圓圖

圖3 負(fù)荷電流曲線

從圖3可看出，式(3)在低負(fù)載時(shí)過高地估計(jì)了負(fù)荷值，式(4)往往計(jì)算所得負(fù)載較實(shí)際負(fù)荷低，因此最好的方法是將以上兩式所獲得軸端輸出功率取平均值，就能較好地接近電機(jī)實(shí)際情況的負(fù)載。應(yīng)該指出，對(duì)于一般通用的異步電機(jī)，其銘牌電流值與實(shí)際滿載電流值可能有10%的偏差，從而使這種方法的準(zhǔn)確性受到較大影響。

1.4 損耗分析法

損耗分析法根據(jù)電機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、雜散損耗和風(fēng)摩耗與輸入功率之間的關(guān)系求取電機(jī)的輸出功率。由于現(xiàn)場(chǎng)條件下并不能完全獲得這些損耗值，因此該方法經(jīng)常與前述方法相結(jié)合，通過對(duì)電壓、電流、輸入功率、繞組電阻和轉(zhuǎn)速的測(cè)定，結(jié)合一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后求得五項(xiàng)損耗數(shù)值，從而求得電機(jī)效率。這種方法與IEEE 112E法比較相近，但需要一臺(tái)電機(jī)與被試電機(jī)用聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，輔助電機(jī)施以額定頻率、額定電壓，在試驗(yàn)過程中，頻率和電壓應(yīng)保持不變，且需要做反轉(zhuǎn)試驗(yàn)來求取電機(jī)雜散損耗。這種方法試驗(yàn)要求高，在現(xiàn)場(chǎng)不易實(shí)現(xiàn)。本文采用IEC法估算電機(jī)雜散損耗的方法，規(guī)定額定負(fù)載時(shí)的雜散損耗約為電機(jī)額定輸入功率的0.5%。

具體方法如下：

(1) 定子銅耗Pcu1=3I12R1；

(2) 鐵耗Pfe=(E1/E2)2Pofe，Pofe為空載鐵耗；

(3) 電磁功率PM=P1-pcu1-Pfe；

(4) 轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2=sPM；

(5) 雜散損耗Pa約為額定輸入功率的0.5%；

(6) 風(fēng)摩耗Pfw由空載試驗(yàn)獲得。

由上可得電機(jī)輸出功率為

P2=P1-Pcu1-Pcu2-Pfe-Pfw-Pa

(5)

1.5 等效電路法

等效電路法辨識(shí)電機(jī)效率建立在等效電路的6個(gè)參數(shù)之上，即定子電阻R1、轉(zhuǎn)子電阻R2、定子漏電抗X1、轉(zhuǎn)子漏電抗X2、激磁電阻Rm和激磁電抗Xm，如圖4所示。

圖4 異步電機(jī)等效電路

等效電路法的優(yōu)點(diǎn)在于若等效電路的6個(gè)參數(shù)已知，便可求得任何負(fù)載情況下的電機(jī)效率。等效電路的參數(shù)并不是恒定不變的，比如轉(zhuǎn)子電阻，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速由滿載到空載之間變化較大，且由于鼠籠深槽效應(yīng)和磁滯飽和等因素的影響，所以等效電路參數(shù)的求取尤為重要。這些參數(shù)可以通過空載試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)獲得，然后利用有關(guān)參數(shù)與電機(jī)機(jī)端電氣量可求得不同轉(zhuǎn)速情況下的輸入功率、輸出功率及效率。這種方法與IEEE 112F法比較相近，其中雜散損耗是按照IEC法估算求得。

基于上述方法，空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)所測(cè)得的轉(zhuǎn)子電阻、電抗并不能反映實(shí)際狀況下電機(jī)的參數(shù)，就導(dǎo)致電機(jī)效率估算出現(xiàn)較大偏差。為此，提出一種基于可測(cè)電氣量的轉(zhuǎn)子電阻、電抗辨識(shí)方法。

根據(jù)T型等效電路求取電機(jī)總阻抗：

(6)

從路的方法出發(fā)，求取電機(jī)的總阻抗為

(7)

進(jìn)而求得電機(jī)的轉(zhuǎn)子電抗為：

(8)

式中：U——輸入電壓；I——輸入電流；Z2——轉(zhuǎn)子阻抗；Rm——激磁電阻；Xm——激磁電抗；R1——定子電阻；X1——定子電抗。

與前述方法相比，傳統(tǒng)T型等效電路在空載和堵轉(zhuǎn)運(yùn)行條件下對(duì)電機(jī)的T型等效電路做了理想化近似，空載時(shí)忽略了轉(zhuǎn)子回路，堵轉(zhuǎn)時(shí)忽略了勵(lì)磁回路。這種近似必然會(huì)引入誤差。新型T型等效電路通過電機(jī)可測(cè)電氣量求解電機(jī)的轉(zhuǎn)子阻抗，避免了上述因素引起的誤差，大大增加了電機(jī)效率辨識(shí)的精度。

1.6 氣隙轉(zhuǎn)矩法

在估算輸出轉(zhuǎn)矩的過程中，首先測(cè)試輸入端電壓和電流，得出Δt時(shí)間內(nèi)的平均輸入功率P1[6]：

(9)

其中：

(10)

式中：ua、ub、uc——電動(dòng)機(jī)相電壓；ia、ib、ic——電動(dòng)機(jī)相電流。

將式(10)代入式(9)中可得

(11)

其中，輸入功率減去鐵耗和銅耗等項(xiàng)后可得氣隙轉(zhuǎn)矩方程式如下：

(12)

式中：ψCA、ψAB——分別代表t時(shí)刻線電壓uCA和uAB對(duì)應(yīng)的繞組磁鏈。

(13)

式中：ψCA(0)、ψAB(0)——線電壓uCA、uAB對(duì)應(yīng)的繞組的初始磁鏈；

iA、iB——線電流；

uCA、uAB——線電壓；

R——線間電阻值；

P——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

圖5為氣隙轉(zhuǎn)矩法試驗(yàn)圖。

圖5 氣隙轉(zhuǎn)矩法流程圖

通過以上分析可知，將氣隙轉(zhuǎn)矩減去機(jī)械損耗和負(fù)載雜耗所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩即可求出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而求得電機(jī)輸出功率：

P2=Tgap×2πn/60-Pfw-Pa

(14)

根據(jù)上述求取電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可知，電機(jī)風(fēng)摩耗Pfw和Pa并不能從電機(jī)的機(jī)端電氣量中直接獲取，所以氣隙轉(zhuǎn)矩法仍需進(jìn)行空載試驗(yàn)，這在工程實(shí)際中有點(diǎn)困難，但可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。氣隙轉(zhuǎn)矩法的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過電機(jī)機(jī)端電氣量直接求取輸出轉(zhuǎn)矩，而不必考慮電機(jī)不平衡等因素。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)有關(guān)分析，一般認(rèn)為采用較準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法(如IEEE 112-B)進(jìn)行試驗(yàn)。其試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的差別將受到下面三方面因素的影響：

(1) 設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確性，影響效率精度為±0.5%；

(2) 制造和材料波動(dòng)，影響效率精度為±0.5%；

(3) 試驗(yàn)精度，影響效率精度為±0.5%。

由此可見，效率設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值的最大偏差可達(dá)±1.5%。

各種電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法中，轉(zhuǎn)矩法不確定度最低。該方法將轉(zhuǎn)矩傳感器代替聯(lián)軸器安裝在電動(dòng)機(jī)與負(fù)載設(shè)備之間，通過電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速直接測(cè)定求取電機(jī)效率，該效率包含難以直接測(cè)量的風(fēng)摩耗、負(fù)載雜耗等，因此原理上最準(zhǔn)確，其測(cè)量精度約為±1%(對(duì)應(yīng)制造波動(dòng)和試驗(yàn)誤差)。這種方法雖然精度較高，但在現(xiàn)場(chǎng)很難實(shí)施，本文中主要作為試驗(yàn)精度比較的一個(gè)參照基準(zhǔn)。

對(duì)電機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法比較，除了準(zhǔn)確性之外，還應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施可行性和經(jīng)濟(jì)性。例如某些電機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，不允許將電動(dòng)機(jī)與被驅(qū)動(dòng)機(jī)械在機(jī)械連接上分解，也沒有可改變電壓的電源，因此就不可能進(jìn)行空載試驗(yàn)來確定鐵耗和風(fēng)摩耗，一些精度尚可的測(cè)試方法，如等效電路法和損耗分析法較難實(shí)現(xiàn)，通常將這些方法與統(tǒng)計(jì)法結(jié)合，使用損耗或參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，既提高了方法的可操作性，又具有一定的準(zhǔn)確度。

對(duì)一臺(tái)Y132S-4、5.5kW，定轉(zhuǎn)子槽數(shù)為36/32異步電機(jī)，對(duì)其在不同電壓不同負(fù)載時(shí)的電機(jī)效率進(jìn)行比較，如表1所示。其中空載電流I0為2.9A，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，額定電流IN為11.64A。

表1 5.5kW異步電機(jī)能效辨識(shí)方法對(duì)比

表1得出轉(zhuǎn)差率法辨識(shí)電機(jī)效率隨著電壓變化有很大波動(dòng)，且誤差最大達(dá)到20%；電流法辨識(shí)電機(jī)效率隨著負(fù)載而變化，誤差最大達(dá)到13%；傳統(tǒng)等效電路法因?yàn)樵诳蛰d和堵轉(zhuǎn)運(yùn)行條件下對(duì)電機(jī)的T型等效電路做了理想化近似，空載時(shí)忽略了轉(zhuǎn)子回路，堵轉(zhuǎn)時(shí)忽略了勵(lì)磁回路，這樣近似導(dǎo)致電機(jī)效率誤差最大達(dá)到16.7%；改進(jìn)后等效電路通過電機(jī)可測(cè)電氣量獲得電機(jī)參數(shù)避免上述影響，其效率辨識(shí)精度有了很大改善，誤差約為2.3%；損耗分析法通過求取各個(gè)部分電機(jī)損耗，避免了依賴電機(jī)參數(shù)對(duì)效率的影響，其誤差約1.6%；氣隙轉(zhuǎn)矩法通過氣隙磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，僅僅依靠電機(jī)的機(jī)端電壓與電流，大大避免了其他因素的影響，其誤差約為1.1%。

根據(jù)表1分析，可以得出現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)電機(jī)效率的精確度由高到低分別為氣隙轉(zhuǎn)矩法、損耗分析法、改進(jìn)T型等效電路法、電流法、傳統(tǒng)T型等效電路法、轉(zhuǎn)差率法、銘牌法。

3 結(jié) 語

本文對(duì)三相異步電機(jī)效率在線辨識(shí)方法精度分別進(jìn)行了研究，并對(duì)T型等效電路傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)，使其避免了依靠堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)求取轉(zhuǎn)子電阻對(duì)電機(jī)能效精度的影響，大大提高了電機(jī)能效的辨識(shí)精度。最終以5.5kW異步電機(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)其在不同電壓、不同負(fù)載情況下，不同方法辨識(shí)電機(jī)能效的精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明氣隙轉(zhuǎn)矩法辨識(shí)精度最高，誤差約為1.1%，基本滿足工程的要求。

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Comparison of Squirrel Cage Asynchronous Motor Energy Efficiency Methods

LIJianjun1,WANGQing2,WANGYushan3

(1. Hebei Xinsida Motor Manufacturing Co., Ltd.， Shijiazhuang 052160， China;2. Jiangsu Electric Power Energy Service Corporation Nanjing 210019， China;3. Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co.,Ltd., Shanghai 200063， China)

Several online identification methods of three-phase induction motors separately was discussed, and the traditional T-equivalent method was also improved. Taking a 5.5kW asynchronous motor with four poles as an example, the proposed method was verified through experiment, the results showed that the air torque method has the highest accuracy to identify motor efficiency. The achievement could provide a technical support for on-line identification of motor efficiency.

Asynchronous motor; IEEE 112B; accuracy; online identification; efficiency

汪玉山

TM 343

A

1673-6540(2015)05-0069-06

2014-12-19