电机杂散损耗的不同测试方法对电机效率的影响.docx
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电机杂散损耗的不同测试方法对电机效率的影响
电机杂散损耗的不同测试方法对电机效率的影响
二Ο一六年十二月
1电机杂散损耗的不同测试方法
IEC60034-30:
2008“单速,三相笼型感应电动机的能效分级(IE代码)”标准规定:
效率的测试方法要参照IEC60034-2-1(2007版),对于IE2(高效率)及以上效率指标的电动机,必须采用低不确定度的测试方法。
在IEC60034-2-1(2007版)中,取消了欧盟及中国现行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IEEE112B法为低不确定度的杂散损耗测试方法。
本文采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法和IEEE112B法对比试验,通过试验方法和试验数据的分析,找出影响试验数据的因素和两种测试方法效率和损耗的实际的差距,为今后的电机设计提供参考依据。
2两种杂散损耗的不同测试方法对效率的影响
(1)IEEE112B法与按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法的区别
目前我国Y、Y2、Y3、YX3等系列电动机均采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法(一般按GB/T1032-2005中的E法进行测量,以下简称E法)。
这种方法目前应用比较广泛。
对于IEEE112B法,目前应用的不是很普遍。
下面对IEEE112B法进行简要的介绍:
IEEE112B法是通过测出电动机的输入和输出功率以及定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械耗,输入功率减输出功率得出电机的总损耗ΣP,再以总损耗ΣP减各项已知的损耗就得出电机的杂散损耗。
通过对不同负载点下测得的杂散损耗值进行线性回归分析,得出线性回归方程,可以求得电机额定负载点的杂散损耗。
从测量电机杂散损耗的基本原理上讲,IEEE112B法没有作任何理论上的假定和测定中模拟,用此法测出的是电机真正的各项杂散损耗的总和。
IEEE112B法对测量仪表的精度要求较高,同时对测量的技术和实际操作过程中的技巧要求较高。
表1是按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法和IEEE112B法的比较。
1两种试验方法的比较
测量方式
假定负载杂散损耗为0.5%P1的损耗分析法
用输入输出法间接测定负载杂损耗分析法IEEE112B法
负载杂耗采用回归分析
否
是
绕组损耗温度修正
绕组电阻修正到相应绝缘等级的基准温度(B级为95°C)
绕组电阻修正到额定负载试验时的温升加25°C
额定负载时达到热平衡
否
是
空载损耗达到稳定
否
是
测功机转矩进行修正
否
是
仪器精度
(±%满刻度)
电量
0.5
0.2
仪器互感器
0.2
0.2
频率
0.1
0.1
转速
1转/分
1转/分
转矩
0.5
0.2
电阻
0.2
0.2
可以看出,采用IEEE112B法时不但仪表的精度比原来的试验方法高,数据更加准确,而且引入了绕组损耗温度修正和实测杂散损耗,试验数据更加合理。
(2)两种杂散损耗测试方法对效率的影响
由于IEEE112B法采用绕组损耗温度修正和实测杂散损耗,与E法相比,对电动机的效率测试值有很大的影响。
为对比两种试验方法的差异,我们对部分电动机采用这两种方法分别测试,图1为不同测试方法效率的对比。
图1两种测试方法所测效率对比
通过图可以看出,电动机采用IEEE112B法后效率基本上都降低了,效率的差值最大为2.25%,最小为0.25%,平均为0.82%,这主要是由于实测的杂散损耗普遍高于按输入功率0.5%估算的杂散损耗的缘故。
同时,温升对效率也有一定的的影响,温升的大小直接关系到定、转子损耗的大小,从而影响到效率的变化。
下面就杂散损耗和温升对效率的影响进行具体分析。
3、杂散损耗测试方法对效率的影响
现行的Y系列、Y2系列、Y3系列、YX3系列电动机杂散损耗的取值主要采用采用按输入功率0.5%估算杂散损耗(以下称固定值)。
在IEC60034-2-1(2007版)给出了推荐值法(以下称推荐值)见图2:
图2杂散损耗与输入功率的比值
通过这条曲线可以看出,小功率电动机杂散损耗占输入功率的比例大,大功率电动机杂散损耗占输入功率的比例小,推荐值法考虑了功率对杂散损耗的影响,比固定值法更合理。
下面是我们对样机按IEEE112B法实测杂散损耗数据按不同极数和推荐值法进行的对比,分别见图3-3、图3-4、图3-5:
图3-32极电机112B法实测杂散损耗与IEC推荐值的对比
图3-44极电机112B法实测杂散损耗与IEC推荐值的对比
图3-56极电机112B法实测杂散损耗与IEC推荐值的对比
从图3-3~3-5可以看出,按IEEE112B法实测电动机杂散损耗与额定功率的比值随着功率的增大逐渐减小,这与推荐值法所给数据的规律是一致的,但是,杂散损耗的推荐值比IEEE112B法实测值总体偏大。
同时,从图中也可以看出,杂散损耗实测值大于固定值。
通过试验对比可以看出,电机实际的杂散损耗高于固定值,固定值法虽然最简单方便但最不准确,不能真实的反映不同电机的杂散损耗差异。
电机的杂散损耗与电磁设计和加工工艺有很大关系,不同设计、不同工艺的同一规格电机的杂散损耗可能有很大差别。
IEC推荐值考虑到这些因素,所给的的推荐值有一定余量,从试验结果也可以看出,推荐值比IEEE112B法实测值总体偏大。
采用推荐值法方便,但会牺牲部分效率。
因此,采用IEC推荐值进行系列设计,会导致电机有效材料增加。
由此可见,采用IEEE112B法测试电机后,获得比较准确的杂散损耗设计参数对高效、超高效电机的设计和开发是十分重要的。
掌握了杂散损耗分布的规律,可以为设计提供合理的杂散损耗参数,用来指导电磁设计工作。
4、温升对效率的影响
(1)IEEE112B法对定、转子损耗的规定:
IEEE112B法中与采用按输入功率0.5%估算杂散损耗的测试方法相比,增加了绕组损耗温度修正,标准中对定、转子损耗的规定如下:
a)定子绕组I2R损耗
Pcul=1.5I12Rs(3-1)
(3-2)
式中:
I1:
负载试验测得的线电流的平均值(A)
Rs:
折算到规定温度时的绕组端电阻(Ω)
RN:
额定负载热试验后测得的端电阻的平均值(Ω)
K1:
导体材料在0℃时电阻温度系数的倒数
θN:
额定负载热试验测得的绕组最高温度(℃)
θa:
热试验环境温度(℃)
b)转子铜耗的计算公式为:
Pcu2=(P1-Pcul-PFe)SS(3-3)
(3-4)
式中:
P1:
输入功率(W)
Pcul:
规定温度下定子绕组I2R损耗(W)
PFe:
铁耗(W)
SS:
规定温度下的转差率
S:
负载试验时的转差率
K1:
导体材料在0℃时电阻温度系数的倒数
θN:
额定负载热试验测得的绕组最高温度(℃)
θa:
热试验环境温度(℃)
θt:
试验时各负载点的定子绕组温度(℃)
通过式(3-1)--(3-4)可以看出,定、转子铜耗与电动机的温升,随着电动机温升的升高损耗增加,随着温升的降低损耗减小。
(2)试验数据分析
由于电机功率、极数不同,温度修正对效率影响程度也是不同的,以下是按不同测试方法所测定、转子损耗的数据见图3-6、图3-7
图3-6不同测试方法所测定子损耗数据对比
图3-7不同测试方法所测转子损耗数据对比
通过图3-6、图3-7可以看出温升对损耗是有一定的影响。
这主要是采用IEEE112B法测试,温升的大小直接影响电阻的基准温度。
对于F级绝缘(按B级考核)的电动机,采用E法,定、转子损耗均换算到电阻基准温度130(B)级95℃,IEEE112B法的电阻基准温度相当于温升加25℃,温升的不同导致了两种试验方法中定、转子损耗的试验值的差异。
众所周知,电机功率、极数不同,损耗分布也不相同,因此,试验方法改变后,温升对不同规格电机的影响是不同的,表3-2是对部分规格电机采用不同试验方法测得定、转子损耗的统计数据:
表3-2部分规格电机采用不同试验方法统计数据
型号
功率
kW
试验
方法
温升
K
基准
温度
℃
定子铜耗
W
转子铝耗
W
80M1-2
0.75
112B
40.4
64.8
85.62
28.32
80M1-2
0.75
E
40.3
95
91.19
27.9
180M-4
18.5
112B
49.4
72.5
494.1
348.9
180M-4
18.5
E
48.3
95
516.8
366.6
200L2-6
22
112B
55.1
84
741.1
361.8
200L2-6
22
E
55.6
95
762.5
372.6
这里需要说明的是,电机的温升是按电阻法计算的,试验时电阻的基准温度是按热电偶的测量值计算的,二者之间会有一定的偏差,根据我们的数据分析表明,温升加25℃与电阻的基准温度偏差在-5~7℃之间,这会导致电机的定、转子损耗设计值与试验值有一定的偏差。
从表3-2可以看出,采用不同的试验方法后80M1-20.75kW的定、转子损耗增加值占输出功率的0.69%,180M-418.5kW的定、转子损耗增加值占输出功率的0.22%,200L2-622kW的定、转子损耗增加值占输出功率的0.15%。
这种差异是由于不同规格电机损耗分布不同造成的,对于小功率电机,特别是4、6极电机,总损耗中定、转子铜耗所占比重较大,受温升影响大。
对于大功率电机,机械损耗和铁耗所占比重较大,定、转子铜耗所占比重较小,受温升影响比较小。
(3)两种试验方法对电动机设计的影响:
通过上述分析可以看出,采用E法测试,由于定、转子损耗均换算到电阻基准温度130(B)级95℃、155(F)级115℃时进行,与电动机的实际温升无关。
在其他性能指标合格的情况下,对于温升不高的电动机,可以通过减小风扇,降低机械损耗,提高电动机的效率,同时降低通风噪声。
虽然降低冷却风量提高了电动机的温升,减小了温升裕度,但温升还在标准的规定范为内。
通过减小风扇提高效率的方法经常被设计者采用,效果也很好。
如果采用IEEE112B法,温升对电动机的效率有一定的影响,特别是小电机,铜耗所占比重较大,受温升影响的幅度更大,在材料不变的情况下,温升的大小与风扇的风量有很大的关系,冷却风量增加、机械损耗增大,电动机温升降低,反之则电动机温升升高。
设计时必须考虑到温升与风量的合理匹配,使定、转子损耗与机械损耗的关系达到最佳,而单纯采用降低机械损耗的方法不一定能提高电动机的效率。
5、结论
采用IEEE112B法测试后,对电动机效率测试值的影响很大,主要有以下几个方面:
1)与原来的试验方法相比,电动机采用IEEE112B法后效率基本上都降低了,这主要是由于实测杂散损耗和绕组损耗温度修正对电动机的定、转子铜耗的影响造成的。
2)电动机的杂散损耗实测值随功率的增加逐渐减小,实测值要比按输入功率0.5%估算杂散损耗的计算值大,比IEC推荐值小,实测值随功率增加而减小。
3)对于温升对效率的影响,电机损耗分布不同,温升对效率的影响也不同,小功率电机,定、转子铜耗所占比重较大,受温升影响大,大功率电机定、转子铜耗所占比重较小,受温升影响比较小。
综上所述,试验方法不同,对效率有很大的影响,在电机的设计和生产过程中,需要通过多种措施的实施,降低杂散损耗,合理的控制温升、匹配电动机的风路结构,提高电动机的效率。
生产出性价比高的高效率电动机。
在本项目中,针对新的试验方法,采取了有针对性的设计,改变了以往的设计理念,收到了很好的效果。
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