郁建周，沈勇，盛露華，張永煉

（ 1.上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233 2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433 ）

鐵耗測(cè)量的準(zhǔn)確度研究

郁建周1，沈勇2，盛露華1，張永煉2

（ 1.上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233 2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433 ）

通過對(duì)鐵耗測(cè)量的精確研究，建立數(shù)學(xué)模型，找到負(fù)載下電樞電壓與感應(yīng)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高鐵耗測(cè)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)也提高了效率的測(cè)量準(zhǔn)確度。

鐵耗；低功率因素；效率

0 引言

出于節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的考慮，目前世界上許多國家（包括中國在內(nèi)）都積極投身到電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作中。IEC 60034-30標(biāo)準(zhǔn)將電動(dòng)機(jī)的效率分為IE1、IE2、IE3、IE4四個(gè)等級(jí)。美國、加拿大、澳大利亞等國市場(chǎng)為IE2效率等級(jí)，并成為該國的最低強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，歐洲于2008年起強(qiáng)制執(zhí)行IE2效率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，中國從2011年7月1日起執(zhí)行IE2及以上標(biāo)準(zhǔn)。

1 概述

從國際和國內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)來看，在我國推廣高效率電動(dòng)機(jī)是非常有必要的。數(shù)據(jù)顯示，我國電機(jī)耗電占全國耗電量的60%以上，其中小型三相異步電機(jī)耗電約占35%，是耗電大戶，所以開發(fā)中國高效電動(dòng)機(jī)是提高能源利用率的重要措施之一。目前，世界各國都在致力于研究和開發(fā)高效率電機(jī)，電機(jī)效率的準(zhǔn)確測(cè)試則為高效率電機(jī)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的保證。

2 空載鐵耗測(cè)試方法

由異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行理論及其運(yùn)行特性分析可知，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，空載輸入功率是電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的總損耗。由減去試驗(yàn)溫度下的定子損耗，得到風(fēng)摩耗（包括繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的電刷摩擦損耗）和鐵耗之和。

認(rèn)為風(fēng)摩耗與負(fù)載無關(guān)，在不同負(fù)載下的風(fēng)摩耗是相同的。

圖1 空載特性曲線

在電機(jī)的效率計(jì)算中通常假定電機(jī)鐵耗不變，即：在求取電機(jī)效率時(shí)使用的鐵耗，可用空載試驗(yàn)下求得鐵耗參與計(jì)算。實(shí)際中負(fù)載試驗(yàn)下的鐵耗和空載試驗(yàn)下的鐵耗有較大的區(qū)別，將對(duì)電機(jī)效率的計(jì)算產(chǎn)生一定影響。

2 負(fù)載鐵耗計(jì)算

電機(jī)鐵耗包含磁滯損耗和渦流損耗，磁滯損耗是鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。磁滯指鐵磁材料的磁性狀態(tài)變化時(shí)，磁化強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度，它的磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系。經(jīng)一次循環(huán)，每單位體積鐵芯中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使設(shè)備升溫，效率降低。又因?yàn)殍F芯本身也是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)在鐵芯斷面形成閉合回路并產(chǎn)生電流，稱為“渦流”?！皽u流”使電機(jī)鐵芯發(fā)熱，電機(jī)溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗稱為“渦流損耗”。在IEEE 112B法中，假定鐵芯上的感應(yīng)電勢(shì)等于電機(jī)電樞電壓，由于鐵耗僅與鐵芯上的感應(yīng)電勢(shì)有關(guān)，在額定電壓負(fù)載試驗(yàn)下負(fù)載的鐵耗近似等同于空載試驗(yàn)的鐵耗。鐵芯是導(dǎo)體，存在阻抗，鐵芯上的感應(yīng)電勢(shì)不等于電機(jī)電樞電壓，為了更準(zhǔn)確測(cè)定負(fù)載下鐵耗，必須找到鐵芯感應(yīng)電勢(shì)與電機(jī)電樞電壓的關(guān)系，通過電機(jī)電樞電壓推算出負(fù)載試驗(yàn)下鐵芯的感應(yīng)電勢(shì)，然后通過空載試驗(yàn)曲線查找試驗(yàn)點(diǎn)的鐵耗。

由電機(jī)的T型等效電路（見圖2）和矢量圖（見圖3）可得到式（5）方程。

圖2 T型等效電路

圖3 矢量圖

在正常工作范圍內(nèi)，定子漏抗基本為一常值，所以定子漏抗可由額定頻率堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)近似求得，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)中由于轉(zhuǎn)差s=1，圖2可轉(zhuǎn)化為圖4。

圖4 感應(yīng)電機(jī)T形等效電路

將式（5）的矢量方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程得到式（9）。

式中

3 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

以額定電壓380 V、額定功率75 kW電機(jī)空載和負(fù)載的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上述2種方法的計(jì)算數(shù)據(jù)加以對(duì)比。

3.1 負(fù)載電壓和感應(yīng)電勢(shì)以及負(fù)載鐵耗和空載鐵耗對(duì)比

在空載試驗(yàn)中測(cè)得在額定電壓下的鐵耗為1 537.0 W，機(jī)械耗為882.4 W。在負(fù)載試驗(yàn)下將負(fù)載電壓修正至鐵芯感應(yīng)電勢(shì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 負(fù)載電壓和感應(yīng)電勢(shì)以及負(fù)載鐵耗和空載鐵耗

由表1可以看出，負(fù)載下電機(jī)端電壓380 V時(shí)，不同負(fù)載點(diǎn)的鐵芯感應(yīng)電勢(shì)略低于額定電壓，不同負(fù)載點(diǎn)的鐵耗也低于空載試驗(yàn)的鐵耗。如在電機(jī)性能計(jì)算中認(rèn)為鐵耗為不變的損耗，僅利用空載試驗(yàn)的鐵耗代替負(fù)載下的鐵耗勢(shì)必對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

以下對(duì)由于負(fù)載鐵耗的不同而對(duì)電機(jī)性能計(jì)算中的輸入功率、轉(zhuǎn)子銅耗和效率加以分析。

3.2 對(duì)轉(zhuǎn)子銅耗和輸入功率影響

IEEE 112B法中對(duì)定、轉(zhuǎn)子損耗的規(guī)定如下：

由式（10）～（12），轉(zhuǎn)子繞組損耗隨著負(fù)載鐵耗的減小而減小。

3）輸入功率

表2 修正前后輸入功率和轉(zhuǎn)子銅耗對(duì)比數(shù)據(jù)

由表2可以看出，由于負(fù)載試驗(yàn)中通過鐵心感應(yīng)電壓求取的鐵耗比空載試驗(yàn)鐵耗低，修正后輸入功率和轉(zhuǎn)子銅耗比直接利用空載鐵耗計(jì)算的值略低。

3.3 對(duì)效率影響

效率=輸出功率/輸入功率×100% （17）修正前后效率對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。

表3 修正前后效率對(duì)比數(shù)據(jù)

由表3可以看出不同負(fù)載點(diǎn)修正至鐵芯感應(yīng)電壓后的效率比修正前高0.04%～0.05%。

3.4 不同規(guī)格電機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證負(fù)載鐵耗對(duì)電機(jī)性能測(cè)試的影響，在0.75 kW～315 kW不同規(guī)格100臺(tái)電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽樣10臺(tái)進(jìn)行修正前后效率對(duì)比，表4列出了不同功率下鐵耗修正前后效率的對(duì)比圖。

表4 不同功率下修正前后效率對(duì)比

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出結(jié)論：由于負(fù)載電樞電壓不等于負(fù)載感應(yīng)電壓，負(fù)載試驗(yàn)下的鐵耗不可采用空載試驗(yàn)的鐵耗代替，否則計(jì)算得出的電機(jī)效率將偏低。該種情況在0.75 kW～90 kW的電機(jī)試驗(yàn)中較明顯，從表4可以看出0.75 kW電機(jī)修正后的效率比修正前的效率提高了0.51%，而對(duì)于90 kW以上的電機(jī)影響較小，修正后比修正前提高0.02%～0.04%。

采用本文所述的計(jì)算方法對(duì)負(fù)載鐵耗進(jìn)行修正，對(duì)提高中小電機(jī)測(cè)試的準(zhǔn)確性有較大提升，且上述計(jì)算方法不僅可用于IEEE 112B法，也可用于E法對(duì)負(fù)載鐵耗進(jìn)行修正。但上述計(jì)算方法忽略了定子鐵芯的感抗，隨著電機(jī)測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，如能在試驗(yàn)中測(cè)得或計(jì)算出定子鐵芯感抗，再對(duì)上述計(jì)算方法略加修正，負(fù)載試驗(yàn)的鐵耗可更加精確。

4 結(jié)語

IEC 60034-30:2008標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)我國的電機(jī)企業(yè)既是一個(gè)挑戰(zhàn)也是一個(gè)機(jī)遇。為適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，我國大部分電機(jī)企業(yè)都在研究和開發(fā)高效電機(jī)，以滿足國內(nèi)市場(chǎng)和對(duì)外出口的需求，相配套的電機(jī)試驗(yàn)方法也在不斷地發(fā)展和完善。我國已經(jīng)提出高效電機(jī)必須采用IEEE 112B法，對(duì)于負(fù)載鐵耗的修正在GB/T 1032-2010中已經(jīng)提及，電機(jī)效率的準(zhǔn)確測(cè)試將為我國的電機(jī)制造企業(yè)對(duì)高效及超高效電機(jī)的設(shè)計(jì)提供基本的保證。

[1]王傳軍,金惟偉,陳亙,等.高效和超高效電機(jī)低不確定度效率測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電機(jī)控制與應(yīng)用,2010,37(4):1-5.

[2]顧德軍.不同測(cè)試方法對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響[J].電機(jī)控制與應(yīng)用.2010.37(5):52-54.

[3]國際電工委員會(huì).單速三相鼠筆式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的有效等級(jí)(IE代碼)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4]Rotating electricalmachines-Part 2-1:Standard methods for determining losses and efficiencyfrom tests (excluding machines for traction vehicles):IEC60034-2-1-2007 [S].

The Study of the Iron Loss Measurement

Yu Jianzhou, Shen Yong, Sheng Luhua, Zhang Yonglian
( 1.Shanghai Bao Zhun Power Technology Co., Ltd., Shanghai 200233, China 2.Chengxi shipyard Co. Ltd. Jiangyin 214433, Jiangsu )

Through the study of the iron loss test, a mathematical model is bulit, while the correspondence between the armature voltage and the induction voltage under load test has also been discovered. By doing so, the test accuracy of iron loss measurement has been improved and efficiency measurement.

Iron loss; Low power factor; Efficiency

TM306

A

1674-2796（2017）04-0005-05

2017-02-18

郁建周（1981—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。