分析北美能效法规对电动机的效率及其测试方法的要求

李军丽

[广东加华美认证有限公司上海分公司(CSA)，上海　200000]



分析北美能效法规对电动机的效率及其测试方法的要求

李军丽

[广东加华美认证有限公司上海分公司(CSA)，上海200000]

摘要：介绍了美国和加拿大现行能效法规对电动机的类型和定额的规定，详细分析了两国法规对电动机的效率及其测试方法的要求，通过具体实例给出了对比结果，为国内能效电机的出口企业提供了技术帮助。

关键词：能效法规； 电动机的效率； 效率测试方法

0引言

电动机作为各种设备的驱动动力，广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等领域。对一般工业发达国家及较大的发展中国家，电动机的用电量在各个国家的总用电量中占有相当大的比重。据统计，这个比重在美国达到了50%，在欧盟达到了42%，而在中国这个比重更是高达70%。据英国和欧盟相继对不同型式电动机在全部电动机用电量(除家用电器外)的比例统计结果显示，电动机总用电量中的90%是由异步电动机所消耗。因此，从能源节约和环境保护的角度出发，目前世界上许多国家包括美国、加拿大、欧盟以及我国在内都相继将异步电动机的效率作为强制性指标来考核，并采用法律行政手段来积极推进。

1北美能效法规

北美能效法规主要包括美国能效法规和加拿大能效法规。

美国是世界上第一个采用法律形式来推广高效电动机的国家，早在1992年，美国国会就通过了“能源政策法令(Energy Policy Act， EPACT)”，其中对电动机的最低效率做出了规定，并于1997年生效实施。为了进一步推进节能政策，美国随后对能效法规进行了四次更新，其现行有效的法规为能源部(Department of Energy, DOE)于2014年5月29号发布的10 CFR Part 431,其中对电动机的能效要求主要分布在Subpart B和Subpart X两大子部分，类型包括开启式或封闭式单、三相异步电动机。法规对于Subpart B规定范围内的电机(消防泵电机除外)，全部要求其标称效率达到超高效率水平(Premium Efficiency),其中封闭式结构电机的效率水平相当于欧洲能效电机IE3，时间上的缓冲周期为24个月，即于2016年6月1号正式生效。法规对于Subpart X规定范围内的电机，分为两步走逐步生效实施，第一步是针对独立使用或作为部件装配在能效法规未覆盖的系统设备中的电机(该电机可以不用单独取得安全认证)，能效法规已经于2015年3月9号生效；第二步是针对单独出售时需要取得安全认证的通用电动机，能效法规将于2017年3月9号生效。

加拿大也在1992年制定了能源效率法令(EEACT)，并规定于1995年开始正式生效。其电动机效率指标和当时美国EPACT相同，随后定期更新，以跟随美国能效法规的发展要求。其现行有效的法规是由加拿大自然资源部(Natural Resource Canada, NRcan)于2011年1月1号正式实施的。其对电动机部分的要求仅包含三相笼型异步电动机，效率要求分为普通高效和超高效两大类。

北美能效法规对电动机的要求包含了电机的类型及范围、效率指标、测试方法、评定程序、能效标志以及监管要求等内容。本文重点分析能效法规对电动机的效率及测试方法的要求，并请注意：

(1) 本文中所说的电机是指电动机，法规是指能效法规；

(2) 据悉，加拿大法规将于今年下半年更新，部分法规将有所调整，具体以新法规为准。

2能效电机的范围

美国和加拿大现行的能效法规都对电机类型和定额具有明确的规定，而对于这一规定，两国根据各自的实际情况又有不同之处，具体描述如下：

2.1加拿大能效法规

电机范围为旋转电动机，或直接驱动负载，或作为部件装配于其他系统设备中间接驱动负载，不管此系统设备是否有能效要求。具体包含如下内容：

(1) 单速、三相笼型异步电动机;

(2) 连续工作制;

(3) 机座号带T或U的NEMA设计A、B、C电机，或机座号为IEC90及以上的N或H设计的电机；

(4) 额定输出功率范围为1～500HP；

(5) 额定电压不高于600V;

(6) 额定频率为50/60Hz或60Hz；

(7) 极数为2、4、6、8极；

(8) 外壳防护型式为开启式或封闭式结构，防护等级为IP00～IP66;

(9) 底脚式安装或法兰式安装结构；

(10) R型或S型标准轴伸结构，或紧凑型安装的泵类电机或立式安装实心轴带普通止推轴承的电机。

注意： 包含适合以上内容的防爆电机及齿轮减速电机。

目前被法规排除在外的电机如下：

(1) 额定输出功率大于200HP的NEMA设计A或C电机；

(2) 额定输出功率大于200HP的IEC H设计的电机。

2.2美国能效法规

包含Subpart B和Subpart X两大子部分，对应不同的电机类型及定额范围，具体描述如下：

2.2.1Subpart B内容

(1) 单速、三相笼型异步电动机；

(2) 连续工作制；

(3) 供电频率为交流三相正弦波60Hz；

(4) 额定电压小于600V；

(5) 极数为2、4、6、8极；

(6) NEMA 3位数或4位数机座号(或等效的IEC机座号)，包括机座号位于2个连续NEMA机座号之间(或等效的IEC机座号)的，或封闭式NEMA 56机座号(或等效的IEC机座号)；

(7) 外壳防护型式为开启式或封闭式结构；

(8) 额定输出功率范围为1～500HP；

(9) NEMA设计A、B、C电机，IEC N或H设计的电机。

注意： 包含适合以上内容的分装式电机及消防泵电机。

目前被法规排除在外的电机如下：

(1) 带风扇对机壳表面进行冷却的电机(air-over motor)；

(2) 电机的部件；

(3) 液体冷却的电机；

(4) 潜水电机；

(5) 专用变频器电机。

2.2.2Subpart X内容

(1) 小型交流单、三相异步电动机；

(2) 单速运转；

(3) 开启式结构；

(4) 单相电机包含电容起动式或电容起动电容运转式；

(5) NEMA2位数机座号(或等效的IEC机座号)；

(6) 额定输出功率范围为0.25～3HP；

(7) 极数为2、4、6极。

3能效法规对电机效率的要求

加拿大现行能效法规根据电机不同设计，将效率要求分为普通高效和超高效两大类。美国现行能效法规对于子部分Subpart B范围内封闭式结构的电机(消防泵电机除外)，全部要求其标称效率达到超高效水平。对于子部分Subpart X范围内的电机，类型及定额与Subpart B相同的部分(忽略机座号的不同)，要求其平均效率等于或略低于超高效水平。

3.1效率指标

在分析效率指标之前，有必要理解一下标称效率(Nominal Efficiency)的概念。标准NEMA MG1—2014条款12.58.2对其解释如下：

对于相同设计的电机，由于材料、加工工艺的偏差以及测试的误差，导致批量生产的电机满载效率之间产生了差异。这些效率既不是一个单一的数值，也不是一个范围，因此在NEMA MG1—2014表12～10确定了一系列具有逻辑关系的标称效率及其对应的最小效率值，用来反映一台电机或多台电机消耗电能的水平。

对于大批量生产的电机，标称效率一般都小于或等于平均效率。标称效率需要标示在电机铭牌上，并且单台电机在额定条件下运行时，其满载效率应不低于标称效率所对应的最小值。

目前北美能效法规及欧洲能效法规都是对电机的标称效率做出了规定，具体标称效率值都选自于表1。

3.1.1加拿大能效法规的效率指标

3.1.1.1超高效率指标

对于法规范围内符合以下所有条件的电机，其最低标称效率需满足表2中的要求：

表1　标称效率指标

(1) 额定输出功率范围为1～200HP；

(2) 极数为2、4、6极；

(3) NEMAT机座号或IEC90及以上机座号；

(4) NEMA设计A、B或IEC N设计的电机；

(5) 底脚式安装、C型端盖式安装(有底脚或底脚可拆卸)或D型法兰式安装(有底脚或底脚可拆卸)；

(6) R型或S型标准轴伸结构，以及等效的IEC轴伸结构。

但对满足以上条件的齿轮减速电机或消防泵电机，不作超高效率要求。

表2　(60Hz)超高效率指标

3.1.1.2普通高效率指标

对于法规范围内符合以下任一条件的电机，其最低标称效率需满足表3的要求：

(1) 极数为8极；

(2) NEMAU机座号；

(3) NEMA设计C或IEC H设计；

(4) 紧凑型安装的泵类电机；

(5) 立式安装实心轴带普通止推轴承的电机；

(6) 消防泵电机；

(7) 无底脚式安装，包括C型端盖式安装(无底脚)或D型法兰式安装(无底脚)；

(8) 齿轮减速电机；

(9) 额定输出功率范围为200～500HP，2、4、6极，NEMA设计B或IEC N设计。

表3　(60Hz)普通高效率指标

3.1.2美国能效法规中效率指标

3.1.2.1Subpart X效率指标

(1) 小型交流三相异步电机,满载时平均效率要求见表4。

表4　小型三相异步电机效率指标

(2) 小型交流单相异步电动机,满载时平均效率要求见表5。

表5　小型单相异步电机效率指标

3.1.2.2Subpart B效率指标

从2016年6月1日起，美国能效法规Subpart B根据电机的不同设计，对其效率指标简化为三部分，分布在三个表格中，具体见表6～表8。

表6　超高效率指标NEMA设计A、B及IEC N设计(不包含消防泵电机)60Hz

续表

表7　超高效率指标NEMA设计C及IEC H设计(60Hz)

表8　普通高效率指标消防泵电机(60Hz)

续表

3.1.3效率指标对比

对于美国能效法规Subpart X的内容，目前加拿大法规中还没有包含，而对于美国能效法规Subpart B，其包含的电机类型、机座号范围以及定额范围，与加拿大能效法规的内容几乎相同，所以有必要对这两部分的内容进行比较，如表9所示。

表9　美国能效法规Subpart B和加拿大能效法规的效率指标对比

3.1.4效率验证方法

效率验证方法包含效率确定方法、测试所依据的标准及抽样判定方法，目前两国能效法规对效率的验证方法有着各自的规定。

3.1.4.1美国能效法规对效率的验证方法

(1) 效率确定方法。Subpart B和Subpart X对效率的确定方法一样，可以采用测试的方法或替代效率确定方法(AEDM)。AEDM适合于一个基本型号设计时采用能够代表其机械和电气特性的数学模型，基于工程或统计分析，采用计算机仿真建模或其他分析方法评估电机的性能数据。如果客户需要采用AEDM的方法确定效率，首先需要将所采用的数学模型、通过仿真分析的性能数据以及至少5个型号的效率测试数据提交给美国能源部DOE进行审核。如果这些型号通过仿真分析所得总损耗值与测试所得的总损耗值偏差在±10%范围内，则认为AEDM的准确度和可靠性已满足要求。本文重点介绍采用测试的方法确定效率。

(2) 测试所依据的标准。Subpart B规定效率测试依据IEEE Std 112—2004 B法或CSA C390—10；而Subpart X根据电机种类和功率范围规定了不同的测试方法，具体如下：

① 小型单相异步电机： 依据IEEE Std 114-2010或CSA C747；

② 功率小于或等于1HP的小型三相异步电机： 依据IEEE Std 112—2004 A法或CSA C747；

③ 功率大于1HP的小型三相异步电机： 依据IEEE Std 112—2004 B法或CSA C390—10。

(3) 抽样原则。Subpart B和Subpart X的抽样原则是一致的，具体内容如下：

① 至少抽取5个型号，每个型号至少提供5台样机进行测试(除非此型号在180天内所生产的数量不足5台，那么这些电机每台都需要测试)，其中有2个型号是制造商在上一年度或之前12个月期间有较大的生产量；

② 所抽取的每个型号应具有不同的输出功率；

③ 所抽取的每个型号应具有不同的机座号；

④ 希望抽取的每个型号所对应的效率值应是其他型号中具有同样定额电机所对应效率中的最小值。

(4) 效率判定方法。Subpart B和Subpart X的效率判定方法是一致的。对于所抽取每个型号至少提供5台样机进行测试的结果，满足式(1)要求即可判定合格：

① 效率平均值应大于或等于式(1)计算值：

(1)

式中：n——样机的数量；

Xi——第i个样机测量的满载效率值。

其中： 对于Subpart B中的电机，RE是指对应表格中的标称效率；对于Subpart X中的电机，RE是指对应表格中所要求的平均效率。

② 最小效率值应大于或等于式(2)、式(3)的计算值：

Xmin=min(Xi)

(2)

(3)

此条件仅对Subpart B中的电机有要求。

3.1.4.2加拿大能效法规对效率的验证方法

加拿大能效法规规定采用测试的方法进行效率的确定，测试所依据的标准为CSA C390-10。法规并没有明确规定抽样原则和效率的判定方法，而是依据所认可的第三方机构相应的规定。本文以CSA(加拿大标准协会的简称)的规定来说明。

(1) 抽样原则。基本上与美国能效法规相同，不同之处在于每个机座号都要抽取样机，并包含到所有极数和所有电压种类，要求每个型号至少提供一台样机。

(2) 效率判定方法。样机测试所得效率的平均值应大于或等于标称效率，而每台样机测试的效率值应不低于标称效率所对应的最小值(见表1)。如果每个型号只提供一台样机进行测试，那么这台样机的效率测试结果应大于或等于标称效率。如果这台样机的效率测试结果小于标称效率，那么需要增加样机进行测试，直到样机测试所得效率的平均值大于或等于标称效率为止。

关于效率的判定方法，从上述来看两国法规稍有不同，举例说明见表10的内容。

表10　举例说明两国法规对效率判定方法的区别

从表10中可以看出，对于样机测试效率的平均值，美国法规验收的要求稍低于加拿大法规；而对于样机测试效率的最小值，美国法规验收的要求则稍高于加拿大法规。两者之间的差异随功率的大小而变化，功率越大，差异越小。

4对效率测试方法的分析

对于同一台电机采用不同的测试方法得出来的效率值相差较大，因此在进行效率评价时，前提必须是采用相同的测试方法。

如前面3.1.4所述，加拿大能效法规要求效率测试依据标准CSA C390-10中的方法进行，而与加拿大能效法规包含相同的电机类型和定额范围的美国法规Subpart B，则要求效率的测试既可以依据标准CSA C390-10的方法进行，也可以依据标准IEEE Std 112—2004中的B法进行。

CSA C390-10中效率测试方法也称为测量输入和输出功率的损耗分析法，其中间接测量负载杂散损耗和直接测量定子铁耗、机械损耗、定子铜耗、转子铜耗。IEEE Std 112—2004中对B法的描述也称为测量输入和输出功率的损耗分析法。至此，我们可能会提出疑问： CSA C390-10的测试方法和IEEE Std 112—2004中的B法是否完全一样？如果一样，那么这两个测试方法将可以合二为一，没必要再分开描述了。为此，本文对这两种方法进行了详细的分析和对比。

4.1试验程序

两种方法的试验程序基本相同，具体如下描述：

(1) 温升试验。效率测试过程中温升试验的目的是确定电机在额定负载条件下达到热稳定时定子绕组的温度。为了缩短试验时间，在试验初期允许加大负载加快热平衡，预计温升快要稳定时将负载降至额定直至温升稳定。对于温升稳定的判断，两个标准稍有不同，加拿大标准认为半小时内绕组温度变化不超过2K则认为温升已稳定，而112B法(IEEE Std 112—2004中B法的简称)判断温升稳定的条件是半小时内绕组温度变化应不超过1K。试验时采用电阻法确定绕组的温度，热态电阻需要在转子停止旋转后尽快测量，如果不能在表11规定的时间内完成，则需要采用外推法或插值法确定。

表11　测量热态电阻的延迟时间

(2) 负载试验。试验时需要选取6个负载点进行，其中在25%～100%负载之间，大致均匀选取4个负载点，其余2个负载点应在100%～150%负载之间大致均匀选取。试验从最高负载点开始，依次降低至最低负载点进行。为减少试验过程中温度变化对试验结果的影响，试验时间应尽可能短，整个过程中绕组测量的温度与温升试验时绕组最高温度相差不超过10K。

在每一负载点处，需记录转矩、输入功率、三个线电压、三个线电流、转速、定子绕组温度、环境温度和频率。

负载测试时，对于被试电机转矩的测量是否需要修正，C390-10和112B法的要求相同，即当转矩的测量是通过位于被试电机与测功机(负载)之间的转矩传感器进行，那么所测的转矩就近似等于被试电机轴端输出的转矩，设备之间连接产生的机械损耗对效率测量结果的影响很小，一般来说不必再进行修正。对于这一点要求，国家标准GB/T 1032—2012条款7.3中也有着近似的描述，认为转矩的修正是适用于转矩测量仪与被试电机之间有轴承的情况。

如果转矩需要修正，C390-10和112B法对修正测试的方法相同，这也与国家标准GB/T 1032—2012条款7.3内容一样,本文不再赘述。

(3) 空载试验。空载试验的目的是确定被试电机的铁耗和机械损耗。C390-10要求试验时至少选取6个空载点进行，其中在60%～125%额定电压之间，大致均匀选取至少3个点(中点尽量靠近100%额定电压)，在20%～50%额定电压之间，也大致均匀选取至少3个空载点进行测试，电压最小点的电流要达到最小的稳定电流。112B法对于空载测试点数的选确没有明确的要求，只是规定试验过程中电压从125%额定电压变化到空载电流达到最小的稳定电流为止。

当空载运行稳定后，在每一空载点处记录输入功率、三个线电压、三个线电流、定子绕组温度及频率。空载运行稳定的条件是半小时内输入功率变化不超过3%。

4.2数据计算

数据计算的过程也就是从上述试验测量值中计算出定子铁耗、机械损耗、定子铜耗、转子铜耗以及负载杂散损耗共五大损耗的过程。对于机械损耗、定子铜耗、转子铜耗以及负载杂散损耗的计算，C390-10和112B法的处理方法相同，并且定、转子铜耗以及负载杂散损耗的计算也与国家标准GB/T 1032—2012中相应的内容一致,本文不再赘述。

对于定子铁耗计算，C390-10和112B法的处理方法不同，具体分析如下：

4.2.1C390-10 中铁耗计算

首先通过空载试验时在60%～125%额定电压之间所记录至少3个点的参数来确定铁耗+机械损耗之和Pcore+mec与空载平均电压U0之间的关系曲线I，然后计算出负载试验下6个负载点时施加于铁心中的电压降Vcorr(i)，根据所计算的铁心压降从所得的曲线I中得出每个负载点下对应的铁耗+机械损耗之和Pcore+mec(i),然后再减去机械损耗Pmec，最后得出每个负载电压下的铁耗值PFe(i)。在异步电机损耗分析计算中，机械损耗认为是不变损耗,为了更清楚地描述计算过程，可作如下推导：

(1) 首先确定Pcore+mec∝U0的关系曲线I；

(2) 计算出6个负载点的铁心压降Vcorr(i)，i表示不同的负载点；

(3) 从曲线I中得出对应于不同铁心压降Vcorr(i)下的铁耗和机械损耗之和Pcore+mec(i)；

(4) 然后从所得的铁耗和机械损耗之和减去机械损耗，即可得到每点的铁耗PFe(i)=Pcore+mec(i)-Pmec。

4.2.2112B法中铁耗的计算

相比C390-10中的计算要简单明了。先根据空载试验所记录的参数值确定出铁耗与电压之间的关系曲线，然后根据每个负载下的平均电压得出相应的铁耗值。

4.3两种方法测试结果的对比

同一台电机按4.1的程序进行测试，记录的原始数据分别按C390-10及112B法进行处理，得出额定负载下各损耗值及效率值，如表12所示。

表12　C390-10和112B法测试结果对比

从表12可以看出，采用C390-10方法处理得出的铁耗值都较低，这是因为铁耗的大小与电压成正比，采用C390-10所得的铁耗值是对应于定子铁心中的压降(从总电压降中减去定子绕组的电阻压降)，而采用112B法所得的铁耗值是对应于总电压降。由于两种方法对负载杂散损耗的求取方法都是采用剩余损耗法(即基于剩余损耗与转矩平方的关系，采用线性回归分析法得出负载杂散损耗)，所以铁耗值的不同导致负载杂散损耗值也略有不同，但最后两种方法所得的效率值几乎相同，最大仅相差0.1%。

112B法目前是世界上比较公认的一种效率测试方法。为了验证其准确性，英国诺丁汉大学曾经采用热量计量法计算电动机的效率，数据标明热量计量法和112B所测的结果相当接近，平均值仅相差0.12个百分点。如前所述，采用C390-10所测的效率与112B几乎相同，因此可以说C390-10测试效率的准确性也很高，并且笔者认为其对铁耗的计算更接近于实际值。

5结语

我国是一个能效电机出口大国，对于国内出口北美市场的电机企业，在国际贸易中首先需要对北美能效方面的技术法规和技术标准了解清楚，才能积极应对贸易中的技术壁垒。希望本文的分析结果能对企业的出口提供帮助。

【参 考 文 献】

[1]秦和.电动机的能效水平及其影响.中小型电机,2003,30(1)： 1-13.

[2]美国能效法规10 CFR Part 431 Subpart B, Subpart X.

[3]加拿大能效法规NRcan.

[4]NEMA MG-1—2009 Motors and Generators.

[5]IEEE 112—2004 IEEE Standard test procedure poly-phase induction motors and generators.

[6]CSA C390-10 Test methods, marking requirements, and energy efficiency levels for three-phase induction motors.

[7]IEC 60034-30-1 Efficiency classes of line operated AC motors(IE code).

[8]GB/T 1032—2012三相异步电动机试验方法.北京： 中国标准出版社，2012.

作者简介：李军丽(1977—)，女，硕士研究生，工程师，研究方向为旋转电机及其标准技术的分析。

中图分类号：TM 306

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)06- 0084- 10

收稿日期：2016-05-21

Analyze the Requirement of Motor’s Efficiency and Test Method Prescribed by America’s EPCA and Canada’s NRcan

LIJunli

(CCIC-CSA International Certification Co.,Ltd., Shanghai Branch, Shanghai 200000, China)

Abstract：Describes the motor’s category and electric rating included in the energy efficiency regulation prescribed by America’s EPCA and Canada’s NRcan respectively, analyze the requirement of motor efficiency and test method, illustrate the difference between the two regulations. This analysis result provide reference for export motorcompany in china.

Key words：energy efficiency regulation; motor efficiency; test method of efficiency