基于内反馈式变频电源的高效节能电动机自动测试系统

徐国长，吴启震，黄碧霞

（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）

1 高效电动机发展状况

自从1997年10月美国以法律形式（EPAct）推广高效电动机以来，在世界范围内推进了高效电动机的研究、开发、生产和应用。随着中国经济的不断发展，我国政府对节能问题非常重视，国家发展改革委向社会发布了节能中长期规划，把电动机节能列为工业设备节能的重点，正在制、修订出一系列的用能产品的能效标准，来促进用能设备效率的提高。目前，我国主要有Y和Y2两个低压三相异步电动机系列在生产和使用，Y系列是20世纪80年代全国统一设计的产品，Y2系列是90年代中期的产品，二者占据了市场大部分份额。但是这两个系列都属于传统高耗能产品。日前，工业和信息化部2012年第14号公告发布了《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第二批）》，Y系列电机已列入淘汰产品目录，并且明确该淘汰目录的执行日期为2012年10月1日。目前，我国对中小型三相异步电动机实行能效标识管理，对高效节能电动机实行自愿性节能认证，列入节能产品惠民工程目录。因此，高效电动机的开发与应用已经是目前国内和国际上的发展趋势，我国也对电动机的节能工作都给予了高度的重视，积极通过法令推动电机系统降低损耗、提高效率。

2 国内外高效节能电动机能效标准和测试方法

高效电机是指一般用途电动机具有高效率的电机，即效率水平能够达到或超过电动机能效标准（GB18613-2012）所规定的能效限定值和节能评价值的电动机。高效节能电机通常比普通的三相异步电动机效率高出1-3个百分点。 由于电机的效率值是判定高效电机的最重要指标，因此相比于普通电机，高效电机的效率测试方法及其相应的测试系统都要复杂和严格得多。在世界各国推广应用高效电动机的过程中，效率的测试方法始终是个讨论的焦点。国际电工委员会(IEC)通过大量的试验研究工作，于2007年9月颁布了IEC 60034-2-1“旋转电机（牵引电机除外）确定损耗和效率的试验方法”，2008年10月颁布了IEC 60034-30“三相单速笼型感应电动机的效率分级(IE代码)”，这将是世界各国共同遵守的标准。IEC 60034-30:2008标准规定：效率的测试方法要参照IEC 60034-2-l(2007版)，对IEl(普通效率)及以下能效指标的电动机，可以采用中和低不确定度的测试方法，对于IE2(高效率)及以上效率指标的电动机，只能采用低不确定度的测试方法。在IEC 60034-2-l(2007版)中，取消了欧盟及中国能效原标准所依据的按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法，并明确反转法为高不确定度的杂散损耗测试方法，欧盟新推出的EH-star法为中不确定度的杂散损耗测试方法，美国的IEEE 112B法为低不确定度的杂散损耗测试方法。

为加快高效电动机的推广，我国也对旧版GB18613-2006标准进行了修订，国家标准委2012年5月发布新版GB18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》国家标准，并于2012年9月1日实施。新版GB18613-2012全面提高了我国电动机的能效指标，能效3级、能效2级与国际标准IEC60034-30的IE2和IE3保持一致，同时也规定了效率确定方法采用按GB/T 1032中的B法——测量输入和输出功率的损耗分析法测量。新标准的效率值要求对杂散损耗采用实测值，取消了原能效标准所依据的按输入功率0.5%估算杂散损耗的计算方法。

随着IEC 60034-30:2008标准和我国能效新标准GB18613-2012的实施，国内外对高效节能电动机的效率确定测试都采用新的测试方法。试验方法的改变，对电动机效率的影响很大，也影响电动机的设计思路。随着高效率电动机的研制和生产，低不确定度测试方法的使用会更加广泛，一方面要求电动机的制造厂对设计与制造环节要求更高；另一方面对于准确测试高效节能电动机的效率提出了更高的要求，研究一套高精度，符合国内外标准的高效节能电机的自动测试系统也迫在眉睫。

3 高效节能电动机测试系统概述

本文介绍的是一种新型的基于内反馈式变频电源的高效节能电动机自动测试系统。系统设计采用静止变频电源进行供电，最终是以两台变频电源提供频率可调、电压可调的电源分别供给被试电机和陪试电机。其输出接点通过内部控制可以输出电压不同、频率不同和波形不同的电源来满足不同电机的试验要求，其简化的框图如图1。具体来说就是，对拖试验中，供电侧采用数字变频电源给被试电机供电与回馈侧采用数字变频电源通过陪试电机将能量回馈，两台变频电源采用共直流母线的形式进行回馈，实现了能量循环使用，节能效果达70%以上。

图1 高效节能电动机测试系统原理框图

此系统由变频电源、测量传感器和计算机测试系统组成，具体各单元的组成和功能下面详述。

（1）变频电源：能满足电机加载试验的要求，同时能够对不同电压等级的交流电机进行负载试验和空载试验。系统的关键部件，包含：整流模块、逆变模块、滤波变压器模块、制动单元等。整流模块将输入市电电源整流成直流，再经过逆变模块和滤波变压器将直流母线的直流电压变换成电压、频率可调的正弦波电源；并可将交流输出侧的再生能量反馈到直流母线，给负载电机提供加载电源。在变频电源中增加了制动单元，主要目的是为了防止母线电压升高，并在电机发电状态时将能量消耗掉。

（2）测量传感器：主要测量被试电机的输入参数（电压、电流、输入功率、功率因素等）和输出转矩转速参数。为保证精度，采用0.2级的电流传感器，功率分析仪采用日本横河公司0.01级的WT3000电参数表，由于带有电机测试模块，转矩转速显示也可以通过WT3000电参数表同步显示。转矩转速传感器采用进口的0.1级的传感器。在本系统中被试电机的测量参数都传输到上位机（即：工控机），通过软件实现实时监控.

（3）计算机测控及数据处理系统：主要由PLC系统、智能测量系统单元和测试软件单元等组成，整个测控系统可以分为两个简单层级，分别是以工业以太网构筑而成的上位机网络系统和以工业现场总线为骨干构成的控制网络。二者之间经由PLC主机构成一个不可分割的系统。结合智能仪表测试数据采集，具备本方案设备的监控和操作、数据采集、数据分析功能。数据处理系统具备完整的被试机试验数据自动采集、分析处理的能力。计算机可以经由通讯接口提取仪表的测试数据，实现对被试机试验数据的自动采集功能。同时上位机软件依据相关标准要求完成对测试数据自动计算和处理。

4 内反馈式变频电源质量分析

为保证试验结果的真实可靠，以及可追溯性，试验用电源应达到一定的质量要求。高效电机效率测试方法标准IEC 60034-2-l：2007以及GB1032-2012标准上都对电动机试验用交流电源提出要求：谐波电压因数（HVF）≤1.5%；三相电压系统的负序分量小于正序分量的0.5%，零序分量要求消除；试验过程中频率的波动量应在额定频率的±0.3%范围内。

4.1 系统电源波形品质的分析

系统设计的变频电源具有标准正弦波交流输出（见图2），能提供完全满足被试电机所要求的试验电源，且输出电压和输出频率均可单独调整；利用WT3000高精度功率分析仪对系统试验电源输出端在空载的情况下，分析测量50Hz和60Hz以及不同电压下的谐波含量，得到的电压正弦性畸变率和谐波电压因数如表1。由表中数据可知，系统电源在不同频率和不同电压下的波形近似正弦波，谐波含量很小，谐波电压因数均小于1.5%，完全满足标准上对试验电源的要求。

图2 内反馈式变频电源输出电压波形（空载）

表1 内反馈式变频电源电压正弦性畸变率和谐波电压因数（空载）

4.2 频率波动量

电源在额定工况下稳定运行后，负载功率要求在额定负载下，分别在额定频率50Hz和60Hz下运行10min，每隔1min读取频率值，测得频率的波动量小于0.04%，频率稳定性好，变化量小。满足标准上对试验电源频率的要求。

4.3 三相电源对称性

三相交流电源的三相不对称表现在两个方面，一个是相角的不对称；第二个是三相电压幅值的不对称。由于内反馈变频电源采用三相三线制供电，所以不会出现零序分量。以变频电源输出380V，50Hz的三相交流电压为例，通过高精度功率分析仪WT3000测量，测量参数分别为UAB=379.326V,UCA=380.869V, UBC=380.326V ,φ（UAB-UCA）=119.842°，φ（UAB –UBC）=240.189°。采用对称分量法进行分析，计算公式如式（1）、（2）：

5 电动机效率测试实例

该电机测试系统可自动完成三相异步电动机的空载，温升，负载，杂散损耗等试验。下面以采用B法——输入-输出损耗分析法测试18.5kW，4极三相异步电动机（称为“被试电机”）效率的负载试验为例介绍该系统操作过程。试验以同规格的三相异步电动机为负载，称为“陪试电机”。首先通电试方向，分别对被试和陪试电机通电记下电动机的转向，若两台电机的转向一致，则继续试验；否则改变其中一台电机的电源相序，使其改变转向。点击测试软件起动被试电机，待试验电压和频率稳定后，再点击起动陪试电机，陪试电机按照“先加频后加压”的原则自动增加到额定频率和加电压至额定电压附近。起动电机后，系统会根据设定的额定电流或额定功率进行加载；待运行稳定后，测试系统将根据测量负载试验要求自动调节被试电机的负载大小，计算机将在1.25-0.25倍额定功率范围内测取若干点读数，测试完后对采集的数据进行分析处理。结合温升，负载，空载试验数据，系统自动分析计算，得到如下数据：实测负载杂散损耗PS=147.2W，线性回归分析相关系数r=0.988，效率η＝91.77%。.

6 总结

文中介绍的高效节能电动机测试系统所采用的电子内反馈变频电源是一种新型的电机试验电源及加载设备，在电动机试验中利用电功率回馈的方式是在电源内部进行，很好地克服了传统电源和机组模式负载设备的缺点，特别对于电机生产厂家来说，无需另外购置负载机，直接采用生产的同种规格三相异步电动机就可以试验，操作方便，自动化程度高，占地小、无噪声，节能效果显著，频率可调，解决出口电机（60Hz）的测试电源问题，具有很好的推广性。

[1]才家刚，吴亚旗等编著.电机试验技术及设备手册 第2版，机械工业出版社.

[2]中国电力科学研究院.范滢，闫华光，于海波，宗建华，电动机能效测试方法及智能测试系统的研究.《电气技术》.2008年第9期.

[3]国际铜业协会.赵凯，周胜，中国高校电动机市场现状和发展趋势展望《电气时代》.2008年第6期.

[4]《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第二批）》中华人民共和国工业和信息化部公告，2012年第14号.

[5]IEC 60034-2-1-2007, Rotating electrical machines - Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles).