新国标《电动机系统节能量测量和验证方法第1部分： 电动机现场能效测试方法》的介绍

强　雄

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海　200063)



新国标《电动机系统节能量测量和验证方法第1部分： 电动机现场能效测试方法》的介绍

强雄

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海200063)

摘要：详细阐述了电动机现场能效测试的工作程序、前期准备要求、7种现场能效测试方法和方法的不确定度、适用范围场合等内容。同时选取5台电动机与国标GB/T 1032—2012(B法)效率测试结果进行了比较，验证了方法的准确性和有效性。

关键词：电动机; 现场测试; 能效; 不确定度

0引言

电动机广泛应用于工业生产和生活的各个领域，用于拖动风机、泵、压缩机等各种设备。电动机消耗了大部分的工业用电，是“用电大户”，也是节能潜力最大的产业，电动机节能对能源节约和环境保护具有重要地位和作用。

我国在电动机及系统节能研究领域起步较晚，电动机及系统节能缺乏相应的检测标准，对节能效果和节能量不能进行权威的判定，严重影响了电动机系统节能工程的实施。本文将详细介绍新制订的国家标准《电动机系统节能量测量和验证方法 第1部分： 电动机现场能效测试方法》，标准为开展合同能源管理、节能技术改造的节能效果和节能量的判定提供科学的测试方法，填补了国内空白。标准的主要内容有测试边界的确定、现场测试点的要求、测试仪表及读数要求、测试项目及工作程序、现场能效测试方法及计算、能效测试方法与测量不确定度等。

1现场能效测试程序及准备

1.1测试项目

(1) 控制装置的输入功率、用能(需要时)。

(2) 电动机的输入功率(即控制装置输出功率)、用能和控制装置运行效率(需要时)。

(3) 电动机的转速(转差)。

(4) 电动机的输出功率和运行效率。

1.2现场测试工作程序

(1) 现场调研和数据收集(如： 控制装置工况、负载工况、原材料构成、生产工艺和产品、产量、质量、气候和环境控制等)。

(2) 确定测试边界及条件。

(3) 选择测试方法、制订现场测试计划。

(4) 设计测试方案，安装、调试所需测试设备。

(5) 开展现场测试工作，记录测试数据并加以分析。

(6) 确定电动机运行参数和能效。

1.3测试边界确定

典型的测试边界包括控制装置(如有)和电动机。根据测试目的、要求及测试条件，确定测试边界的输入点和输出点(电动机能量的输入和输出点)。

测试边界的输入点通常是控制装置或电动机的电源输入点，测试边界的输出点通常是电动机的轴功率输出点。

若现场存在相互影响运行的多台控制装置或电动机，应将所涉及的控制装置或电动机划入测试边界内。同时，确定测试边界时应关注影响其能效的其他因素，如： 控制装置工况、负载工况、原材料构成、生产工艺和产品、产量等的变化。

1.4测试点要求

电动机输入功率的测试，通常在电动机的电源输入端处，对于高压电动机则在高压电动机的电压和电流互感器的二次侧；如电动机带有控制装置运行，则应同时在控制装置和电动机的输入端处测试。

电动机输出功率的测试，通常在电动机的轴功率输出处。

电动机转速(转差)的测试，通常在电动机的轴功率输出处。

电量测试仪表的电压和电流测量端子应接在同一位置点。

1.5测试仪表及读数要求

测量仪表及精度如表1所示。各种测量仪表的精度应符合表1的规定，应是国家计量部门认可的产品，并在检定有效期内。现场测试可使用便携式、具有连续数据记录功能的电功率表、电能表及非电量测量仪表。

表1　测量仪表及精度

同一工况下电压、电流、功率因数、功率及电能等被测量参数应同时、连续的进行读数或记录。每种被测量参数应重复获取3组以上的数据，以各组数据的平均值作计算值。

每种工况测试过程时间不少于1h，同一工况点应间隔重复测量3次，每次测量间隔10～15min。以3次测量的平均值作计算值。

2七种现场能效测试方法

2.1铭牌法

按1.3的规定，测量电动机输入功率P1，电动机输出功率P2按式(1)计算：

P2=P1×η

(1)

式中：P2——输出功率，kW；

P1——输入功率,kW；

η——效率，%。

式中：PN——额定功率，kW；

ηN——额定效率，%。

2.2效率特性曲线查取法

当保留有电动机制造厂提供的效率特性曲线时，按1.3的规定，测量的电动机输入功率P1，查取对应P1时的效率η，电动机输出功率P2按式(2)计算：

P2=P1×η

(2)

2.3转差率法

按1.3的规定，测量电动机输入功率P1和转速n，电动机输出功率P2按式(3)计算：

(3)

式中：n0——同步转速，r/min；

n——转速，r/min；

nN——额定转速，r/min；

U——施加在电动机端的电压，V；

UN——额定电压，V。

2.4电流法

按1.3的规定，测量电动机负载电流I1和输入功率P1，电动机输出功率P2按式(4)计算：

(4)

式中：I1——负载电流，A；

I0——空载电流，当限于现场测试条件，可查阅电动机制造厂提供的原始资料或参照附录A中的曲线确定，A；

IN——额定电流，A。

杰克坐在床上，捧着笔记本看着。苏婷婷趴过来，问：怎么样，谁的支持率高？杰克自信地：肯定我的高！咱爸观点早过时了！苏婷婷说：你就这么自信？杰克回答：当然自信，要不敢承诺听观众的？苏婷婷担忧地：我觉得你不该做这个承诺。杰克说：你放心，绝对没问题！结果出来了！杰克打开网站页面，突然愣住了：不会吧？咱爸怎么会比我高？苏婷婷失望地：我说么，你就不该做出承诺。杰克又刷新了一遍网页，喃喃地：怎么会呢？怎么会呢？苏婷婷提醒他：杰克，你忘了，这不是华盛顿，是在中国！杰克瞪大眼睛：中国不是早就和世界接轨了吗？苏婷婷说：有些接了，有些还没接。

按1.3的规定，测量电动机负载电流I1和输入功率P1，电动机输出功率P2按式(5)计算：

[(1/ηN-1)·PN-ΔP0]

(5)

式中： ΔP0——空载损耗，当限于现场测试条件，可查阅电动机制造厂提供的原始资料或参照标准中附录提供的的曲线确定，kW。

2.6功率法

按1.3的规定，测量电动机的输入功率P1，电动机输出功率P2按式(6)计算：

[(1/ηN-1)·PN-ΔP0]

(6)

(7)

式中：T——输出转矩，N·m。

2.8电动机的效率(能效)η

按式(8)计算：

(8)

3与国标GB/T 1032—2012(B法)效率测试结果的比较

我们在YE2系列三相异步电动机中选取了5台电动机(≤H160 2台、H180～H280 2台、H315 1台)，与国标GB/T 1032—2012三相异步电动机试验方法中B法的测试结果进行了比较。

表2　选取的电动机额定参数

4能效测试方法与测量不确定度

现场测试时，需根据电动机的现场控制装置工况、负载工况、原材料构成、生产工艺和产品、产量、质量、气候和环境控制情况选用测试方案。现场测试相对试验室测试较复杂和特殊，除了测试精度外，还需考虑现场实施的可行性和经济性。由于实验室常用的测试方法现场无法实施，所以通常对损耗和部分参数采用统计数据，将测试方法与统计方法相结合，使得既能便于操作又能达到一定精度。

效率测试结果比较如表3所示。由表3的试验数据可知，通过与B法效率测试结果的比较，发现各方法的误差除了方法本身带来的误差外，还与铭牌额定值与实际值的差异有关，同时由于公式在额定负载率下进行推算，造成大部分的方法在负载率较低时有较大的不确定度。电流法相对不确定度最高，只适用于负载率较高时；转差率法的相对不确定度次之；转矩转速法相对不确定度最低，误差较小。

表4给出了不同测试方法结果的相对不确定度、推荐负载率范围和功率范围。采用相对不确定度，以区分不同测试方法测试结果的相对准确性。其中： “低不确定度”表示完全根据试验结果确定效率；表明效率测试值的不确定范围小，此法较准确；“中不确定度”表示依据部分试验结果和简化物理模型确定效率；表明效率测试值的不确定范围为中等大小，准确性也为中等；“高不确定度”表示依据部分试验结果和若干假设确定效率；表明效率测试值的不确定范围较大，准确性较差。

表3　效率测试结果比较(效率，%)

续表

表4　相对不确定度

注： 小型电动机功率范围为≤1kW(含)，中小型为1～400kW(含)，中型为400～3550kW(含)。

5两种改进的方法

随着科学技术的发展，测试技术集电子技术、通信技术、现代控制技术等为一体的技术领域，部分数学模型、需查表的数据可直接存储在仪表中，经仪表处理计算可直接显示所需的值。下面介绍两种新出现的、结合现代测试技术的现场能效测试方法。

5.1气隙转矩法

首先对电动机输入端电压、电流进行测试，利用三相相电压与相电流乘积之和在单位时间内的积分求得平均输入功率P1。该平均输入功率减去铁耗和铜耗等项后可计算得到气隙转矩T1；从而求得电机输出功率P2为

P2=T1×2πn/60-Pfw-Ps

(9)

式中：T1——气隙转矩，N·m；

Pfw——电动机风摩耗，kW；

Ps——电动机杂散损耗，kW。

由式(9)可见，气隙转矩法如有风摩耗和杂散损耗数据，可直接求取输出转矩。

5.2基于遗传算法的效率测试方法

遗传算法试验时不需要进行空载试验，是根据电动机等效电路图求取适配函数最大值的过程。异步电机的等效电路需要确定x1、r2、xm和rm参数的值。利用遗传算法给予每一个参数一个14位的二进制数码，这些参数的编码通过随机选择得到足够大的参数组，将这些参数转换成十进制。

遗传算法的目标就是使得等效电路的输入功率和定子电流的测量值与计算值之间的误差最小。输入功率和定子电流的误差函数产生一个适配函数，对每一组参数组进行复制、交叉和变异等运算，使得误差函数值最小，从而确定精确的效率值。

6结语

本文阐述了7种现场能效测试方法和精度、应用场合，也对两种新型的能效测试方法进行了初步介绍。由于现场测试的复杂性，实施时应兼顾考虑准确性和经济性，改造前后建议使用相同的测试方法，同时可在报告中明确测试的不确定度以满足节能工程的不同需求。

【参 考 文 献】

[1]GB/T 1032—2012三相异步电动机试验方法.

[2]秦和.电动机效率测定方法的进展.中小型电机，2004，31(1)： 60-64.

[3]李建军，王庆，汪玉山.笼形异步电机能效辨识方法对比.电机与控制应用，2015(5)： 69-74.

作者简介：强雄(1968—)，男，本科，高级工程师，研究方向为电机及系统能效测试技术、测试标准及节能技术。

中图分类号：TM 306

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)06- 0079- 05

收稿日期：2016-04-20

Introduction of the New National Standard 《Procedures for Measurement and Verification of Motor-System Energy-Savings—Part 1： Test Procedures on Working Site for Energy Efficiency of Motor》

QIANGXiong

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Abstract：Describes the motor field efficiency test of working procedure, preliminary requirements, seven kinds of site energy efficiency testing method and method of uncertain degree and scope of application occasions of content; and selected five motors with the GB/T 1032—2012 (method B) efficiency test results of the compared to verify the accuracy and validity of the method.

Key words：motor； field test； energy efficiency； uncertainty