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IEEE PES非洲2007年会议和博览会
约翰内斯堡,南非,2007年7月16 - 20日
三相异步机的损耗和效率测试标准比较
H. M. Mzungu, A. B. Sebitosi, M. A. Khan
电气工程系 开普敦大学
手机: 27 216502750,电话: 27 7343605494，邮箱：mznhes@uct.uc.za
摘要：异步电动机的效率在节能领域里拥有最大的潜力。对于节能已经成为最严峻问题的南非来说这是很重要的。本文着眼于不同的电机效率标准试图比较它们。本文在一个3kW高效电机上做试验研究结果。三标准采用csa-390一加拿大标准，IEEE 112的美标和欧洲新标准，IEC 61971。结果表明,IEEE和csa - 390生产效率高于IEC标准。对于这一结果的原因进行了讨论。设备精度和供应谐波是这一结果的主要因素。对一个南非标准，采用60034-2 SANS IEC（1972）标准的建议已经过时了。
关键词：电机效率，电机效率标准，感应电机，损耗
1.简介
受原材料的消耗和温室气体的负面环境影响，国家开始制定节能政策、计划并在世界各地展开调查。在南非，日益增长的负荷需求和低的发电能力加剧了它的处境。作为南非的电力的主要供应商Eskom公司拥有生产能力8%的备用容量，但与所需的15%的备用容量相比有很大差距。这个小容量和不断增长的需求导致众多断电进而导致数百万兰德的利润的损失。对应侧管理计划的需求，如负载效率，这些已经成为一个优先级来解决的问题。
在南非，工业和采矿业是能源的主要使用者，占全国电力使用量的三分之二以上。对于主导工业部门并占64%国家负担的电动负载，负载的能源利用效率的提高会潜在地节约能源和减少温室气体排放（相当于每年减少7.4亿吨二氧化碳排放）。
鼠笼式感应电动机是工业中最常用的电动负载。他们也是世界上最大的单用电终端用户。这些电机的额定功率在几百瓦到几兆瓦之间。感应电机的特点是参照制造商提供的信息，如额定转速，功率，电压，电流和效率。铭牌上的效率（由厂家提供）可以根据效率标准进行测定和计算。在南非，许多来自世界各地的发动机的效率需要一致。这不是由于不同的标准所使用的情况。在本文中，我将对不同的电机效率标准进行讨论。本文将讨论以下标准：IEEE 112，IEC 61972，csa-390，SANS IEC 60034-2（1972），is4337和JEC 2137。在文章结尾，我将提出对南非标准的建议。
本文将从效率和电机损耗的理论上展开。然后将讨论电机效率的标准。文章将对csa-390，IEEE 112和IEC 61972等标准测试程序和效率测定进行比较。对于测试的结果，然后将公布并讨论。根据实验结果本文将得出结论。
2.测定感应电动机的效率和损失
感应电机的效率是指机器在输入电能通过轴（或输出）转换为机械能的效率。这可以用效率方程表示：
因此，效率是输入的电功率和输出机械功率之比。输入（电能）和输出（机械能）之间的差是电机损失的总和。这是说明了在图1中的功率流图[ 6 ]。在能源传递的某些阶段，电动机损失了输入电能的百分之六十。下面将分别讨论不同损失。
2.1铁芯损耗（定子和转子铁心损耗）
铁芯损耗（图1）是由涡流和磁滞效应引起的叠片和受电机磁链和频率导致。回程时由于磁饱导致铁改变极性（由正变负每秒五十次）。涡流是由磁场引起的循环和非生产性的电流在定子磁场中产生。这些损失都是相对恒定的，通过对电机空载试验可以验证。
2.2铜损（定子和转子铜损）
如图一所示，可以看出铜或12R的损失在转子和定子绕组处。定子和转子绕组存在内阻，内阻与电能损耗成正比，与电线的直径长度以及转子槽数成正比。这些损耗以热能或随应用的负载的变化形式体现。
2.3机械损失（摩擦和风阻损失）运动部件如转子和定子之间的气隙
机械损失或摩擦和风阻损失存在于运动部件如转子与定子之间的气隙之间，在转子两端的轴承摩擦，以及任何连接到转子的散热风扇。
图1：功率流程图
杂散损失最大的贡献是谐波能量运动负荷下运行时生成
2.4杂散损耗
杂散损耗一直以来是许多研究和分析的主题。这是因为他们很难来模拟和测定。杂散损耗可以描述为除电机铁耗，机械损耗和定转子铜耗以外，由电机的负载电流所引起的各种损耗之和。杂散损耗主要是当电机在负载下运行时产生的谐波能量产生[ 10]。这些能量耗散是由于谐波电流绕组的谐波磁通在铁部件和组件叠片铁芯的泄漏。电动机振动也可以视为杂散损耗的另一个来源。
3.电机的效率标准
在这一节中，文章将主要阐述不同的电机效率标准这一重要方面。
IEC 61972取代IEC 60034标准成为目前的欧洲标准。澳大利亚和中国等其他国家也同样使用IEC 61972的标准。这一标准由两种测试电机效率的方法构成。
方法1使用扭矩测量装置测量的输出功率，从而推算出杂散损耗。这种方法是直接测量法，指定电机功率达到150KW。
方法2是通过电机的额定功率从而确定一个值为杂散损耗，例如一个1KW的电机，杂散损耗为满负荷的2.5%和10MW电机的0.5%。这种类型的方法被称为“间接法”。
IEEE 112是一个美标，它提供了许多测试电机效率的方法。这些可以根据测试电机的大小或接近的方法进行分类。巴西采用IEEE 112标准。
方法A是限于低于1KW的电机，对电机评级。该方法只考虑了测量的输入和输出，计算效率。
方法B和B 1是用来测试（水平或垂直安装)额定功率在1-300kw范围内的电机。考虑到计算效率过程中的电机损耗。杂散损耗用公式四间接测量。当需要同时测定大量电机时，可以运用方法B测定高于300KW的电机。在方法B1中要给出假定的温度。
方法E、E1、F和F1是用来测试额定功率在1-300KW范围内的垂直安装的电机。
方法B 1，C，E，F或E1，F1是试验额定功率在300KW及以上的电机。
前三个方法和其余的方法的区别是后者使用的等效电路来计算效率。
csa-390是加拿大标准，它提供了三种方法：
方法1类似于IEEE 112方法B，所有损失和杂散损耗通过间接的方法获得。
方法2通过求和基频和杂散损耗的高频部分，忽略了扭矩读数和直接测量杂散耗损。
方法3是类似方法F，使用等效电路直接测量磁芯损耗，偏差的摩擦损失，杂散耗损。
表1，取自标准csa-390，显示了根据不同大小的电机采用的方法。
表1：csa-390试验方法
SANS IEC 60034-2（1972）是南非的一个标准，替代了IEC 60034-2 [ 12 ]。这一标准是欧洲标准的完全相同的副本，在技术方面没有任何改变。这一标准描述了旋转机械效率的测试方法。
同步和直流电动机在这一标准中可以采用两种方法。
方法1中想要求取效率首先要计算的电机损失的总和。杂散损耗估算为电能消耗的0.5%。
方法2是直接测量在电机轴的上输入和输出功率从而求取效率。
在论文提交时间范围内无法从印度标准（is4337）和日本标准JEC 2137中求取效率。以下是对这两种标准的讨论。
印度标准和IEC 60034-2标准相同，将杂散损耗估算为输入电能的百分之0.5。人们发现此值被高估了，不受支持。因此人们发现采用这一标准所求效率值偏高。
JEC 2137采用间接法（这一标准不是分配给杂散损耗一个动态值，就是在这种情况下，不考虑杂散损耗）测定效率。忽略了杂散损耗，所求效率因而远远高于IEEE 112和IEC 60034-2变准所求效率 。该标准不仅忽视了杂散耗损而且忽视了温度对铜损的影响。
因为选用IEEE 112b，c390 1和IEC 61972三种方法在1个3KW高效电机测试实验结果。这三种方法可以测量功率在150KW一下的电机，因而选中他们。这些电机是在机械行业中常见的机器。
3.实验装置
实验装置如图2所示。
图2：实验室设置
三相电源电压由电源和从250KVA同步发电机产生的电源提供。这是为了尽量减少电压不平衡和电压谐波对效率测试的影响。供应特性可以用过表2比较。电压谐波含量、电压不平衡在标准范围内。
表2：供应量比较
采用横河公司的功率计记录输入频率、功率、电压和电流。采用3kW高效感应电动机来比较三种效率标准。三个热电偶插入前端的定子绕组（见图3）。由于前端的绕组距离散热风扇远，所以前端的绕组是最高温度的点。每一阶段都插入热电偶。以下显示了不同的温度。测试电机的底部是最热的部分。
表3：热电偶读数
采用15kW直流电机作为测试电机机的负载同时测量测试电机的功率。直流和测试电机通过转矩传感器耦合。采用光学转速表测量电机转速。
测试设备的精度在标准规范（见附录表A1）。
4.程序和计算
csa-390-1，IEC和IEEE 112-B 61972-1遵循以下主要的测试程序和计算：
温度测试：要准确计算电机的损耗，必须考虑温度。试验机在额定载荷加载并运行直到在两次（定子绕组）温度测量间温度不超过1摄氏度（每30分钟测温一次）。此测试允许定子绕组电阻温度校正，因此修正定子损耗。
变负荷试验：机器运行在额定工况下；将机器的负载用25%到150%分为六个档次。对IEEE 112和csa390标准在测试开始前的绕组温度要超过10摄氏度，对IEC 61972在测试中要在5摄氏度。从这个测试中，定子和转子的损失可以计算出来（方程在附录IX）。
空载试验：这一实验是在电机与负载不耦合的状态下完成。然后，该测试电机在额定频率和电压下运行（一些电机可能需要几个小时来稳定轴承）。IEEE和csa-390使用可变电压范围从125%到电流开始增加点（因电压损失在和增量减少）而IEC至少使用四个125%到60%的额定电压和三个或更多的50%和20%额定电压。偏差和摩擦，和从本次测试（在附录中的方程）得到的铁芯损失。
在三的标准中，杂散损耗都是计算公式1计算。这是一种间接的计算方法。
计算杂散耗损用线性回归法和回归的关系决定了实验的可靠性。
这三种标准之间的差异主要是在计算效率。这些差异以效率为主要课题在5节中讨论。
5.结果
在本节中，将根据大量的测试中结果进行讨论提出结论。
5.1效率
根据IEEE 112和csa-390标准计算的效率值几乎相等。效率值的平均差值为0.176%。这可以从图4中看出。这是因为这两个标准有类似的程序和计算。研究发现，这两个标准的效率高于IEC标准。这是因为在在上一节中提到程序计算的差异。
IEC标准要求在负载测试后立即进行空载测试。这确保了绕组的温度保持尽可能高。而CSA标准要求一个轴承稳定，这是两个标准的不同点。此过程允许绕组温度下降。不同的温度与低电阻和高电阻值分别有关。这将意味着IEEE和CSA标准与IEC标准相比会降低定子损失。这样做的效果是会影响摩擦和游隙损失的计算（FW）。IEC与另外两个变准相比将有一个更高的游隙损失。
图3计算效率的比较
在IEC标准中的方程2是效率值偏低的另一个原因。从方程计算出的降低电压产生较小的铁芯损失值。
I是空载测试期间传入的电流
U是电源电压
R是定子绕组电阻
Ur是近似电压
该方程可以计算出主电机的近似的损失值。
5.2杂散负载损耗
杂散负载值进行线性回归（SLL与转矩的平方）作为质量的检验。IEEE 112和csa-390一起与IEC 61972所需的相关系数的分别为0.90和0.95。通过表1，可以看出这是因为相对其他损耗来说杂散损耗的灵敏度不同。如果在测试设备或/和数据采集的错误是普遍的，相关系数会降低。
5.3供应谐波的影响
当谐波量在规定的最低标准内，谐波对效率值的影响是很小的。谐波的存在会导致杂散耗损的增加，这将会导致不准确的测试质量分析（见5.2节）。在图5中可以看出效率的差异。
图4：供给中的谐波含量的影响
曲线的平均差值为 0.296。这是一个0.400的偏差，这是非常小的。
5.4.加载试验
有人发现电机负载达到150%是不可行的。过负荷可以导致电机运行寿命减少。
过载时高温可以导致绕组绝缘性降低。这可以从方程3中看出。定子绕组温度越高电机寿命越低。
5.5.设备精度
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