用损耗总和法确定变流器供电的交流电动机检测

基于损耗总和法确定变流器供电交流电动机效率的检测技术

摘要
随着电力电子变流技术的广泛应用，由变频器、伺服驱动器等供电的交流电动机（以下简称“变流器供电电机”）已成为工业传动领域的核心部件。其效率的准确评估对于系统节能、性能优化及合规性认证至关重要。传统的直接负载法在变流器供电条件下因非正弦电源特性而面临巨大挑战。损耗总和法作为一种间接测量方法，通过分离并测量各项损耗分量来确定总损耗与效率，已成为国际公认的针对此类电机效率检测的核心方法。本文系统阐述基于损耗总和法的完整检测技术体系。

1. 检测项目：方法及原理

损耗总和法的核心思想是将电机总损耗分解为若干可独立测量或计算的分量，总损耗等于各分量之和，进而计算效率：η = (P₂ / (P₂ + ΣP_loss)) × 100%，其中 P₂ 为输出功率，ΣP_loss 为总损耗。主要检测项目及原理如下：

1.1 定子绕组损耗 (P_cu1)
测量原理：通过测量绕组直流电阻（折算至基准工作温度，通常为95℃或按标准规定）和定子电流有效值计算得出，P_cu1 = 1.5 × I₁² × R₁’。其中，I₁ 为定子相电流有效值，R₁’ 为折算到基准温度后的定子相电阻。
关键点：需在热态下快速测量电阻，或通过冷态电阻和温升进行折算，以考虑温度影响。

1.2 铁芯损耗 (P_fe) 与空载附加损耗 (P_fw)
测量原理：通常通过空载试验分离。电机由变频器供电，在额定频率和正弦波电压下（或规定调制方式下）空载。输入功率 P_0 扣除此时的定子绕组损耗 P_cu10 后，剩余部分即为铁芯损耗 P_fe 与风摩损耗 P_fw 之和。通常通过不同电压点的测试数据，绘制曲线分离出与电压平方相关的铁耗和与转速相关的风摩耗。
变流器供电特殊性：标准（如IEC 60034-2-3）要求还需在变频器供电下进行空载试验，以评估变流器开关调制对铁耗和附加损耗的影响。

1.3 负载附加损耗 (P_LL)
测量原理：又称杂散损耗，是负载时除上述损耗外，由磁通谐波、电流谐波等引起的额外损耗。传统方法通过反转试验或间接法确定。对于变流器供电电机，国际标准（如IEEE 112 Method B, IEC 60034-2-3）推荐采用“推荐损耗值法”或“输入-输出法间接计算”作为约定值，或通过精确的测量回路分离高频分量。
输入-输出间接计算：在给定负载点，总损耗 ΣP_loss = P₁ - P₂。扣除已直接测得的 P_cu1、P_fe、P_fw 及转子损耗 P_cu2 后，剩余部分即为负载附加损耗 P_LL。转子损耗 P_cu2 通过转差率计算：P_cu2 = (P₁ - P_cu1 - P_fe) × s，其中 s 为实测转差率。

1.4 风摩损耗 (P_fw)
如上所述，通常在空载试验中与铁耗分离得到，被视为与负载无关的常数。

1.5 转子绕组损耗 (P_cu2)
对于感应电动机，如上所述，通过转差率计算。需精确测量电机实际转速或电源频率与旋转频率之差。

2. 检测范围

本方法适用于各类由变流器供电的交流旋转电机，主要检测需求领域包括：

• 工业变频驱动系统：风机、水泵、压缩机等调速系统用感应电动机的效率评估与能效认证。

• 电动汽车电驱系统：牵引电机在变频供电下的宽范围效率MAP图绘制，对车辆能耗至关重要。

• 伺服与主轴驱动系统：用于机床、机器人等的高动态响应永磁同步电机、感应伺服电机损耗与温升特性分析。

• 家用电器：变频空调、冰箱压缩机用电机效率评测。

• 可再生能源系统：风力发电机中变流器驱动的双馈异步电机或全功率变流同步电机的损耗分析。

• 航空航天与特种装备：采用变频供电的飞机发电机、高功率密度电机性能验证。

3. 检测标准

检测工作严格遵循国内外相关标准规范，确保结果的可比性与权威性。

• 国际标准：

  • IEC 60034-2-1:2014 《旋转电机(牵引电机除外)确定损耗和效率的试验方法》。该标准是基础，详细规定了损耗总和法（第9章）等多种方法。

  • IEC 60034-2-3:2020 《变流器供电的交流感应电动机确定损耗和效率的特定试验方法》。这是针对变流器供电电机的核心标准，它基于IEC 60034-2-1，但明确了电源条件、试验步骤和损耗分离的特殊要求，特别是规定了电机与指定变频器组合体的测试方法。

  • IEEE 112-2017 《多相感应电动机和发电机试验方法》。其Method B（输入-输出损耗分析法）与损耗总和法原理一致，在北美地区广泛应用。

• 国家标准：

  • GB/T 1032-2023 《三相异步电动机试验方法》。等效采用IEC 60034-2-1及2-3，是中国境内的权威标准。

  • GB 18613-2020 《电动机能效限定值及能效等级》。规定了最低能效要求，其测试方法依据GB/T 1032。

• 行业及团体标准：各特定行业（如汽车、家电）亦会引用或制定基于损耗总和法的更具体测试规范。

4. 检测仪器

实施损耗总和法需构建高精度、宽频带的测量系统，主要仪器包括：

1. 可编程交流电源或被测指定变频器：作为电机供电电源。标准要求使用电机实际配套的指定变频器或符合标准要求的宽频带可编程电源，以真实反映谐波损耗。

2. 高精度功率分析仪：核心测量设备。需具备多通道（通常4通道以上）、宽带宽（至少500kHz以上以准确测量PWM谐波）、高采样率及同步采样能力。用于精确测量输入电压、电流、功率（包括基波及各次谐波成分）、功率因数等。其精度等级通常要求不低于0.1级（读数的0.1%）。

3. 数字化扭矩-转速测量系统：包括高精度扭矩传感器（应变片式或磁弹式）和转速测量单元。扭矩传感器安装于电机与被拖机械负载之间，直接测量输出机械扭矩（T）和转速（n），从而计算输出功率 P₂ = T × n / 9.549。扭矩精度需达±0.1% FS或更高。

4. 电气参数测量仪：包括高精度直流电阻测试仪（用于绕组冷态和热态电阻测量，分辨率达微欧级）、匝间绝缘测试仪等。

5. 温度测量系统：包括铂电阻（Pt100）、热电偶或红外热像仪，用于监测绕组、轴承和铁芯温度，以便进行电阻的温度折算。

6. 数据采集与控制系统：集成化的计算机系统，用于控制电源、负载（如磁粉制动器、电涡流测功机或对拖电机）、同步采集所有仪器数据，并自动按照标准流程计算各项损耗和效率。

7. 负载设备：可控的负载装置，如四象限回馈式测功机，能够在电机整个工作范围内提供稳定、可调的负载，并实现能量的回收利用。

结论
损耗总和法通过精细化分离与测量各项损耗分量，有效规避了变流器供电条件下直接测量输入输出功率因波形畸变、宽频域带来的巨大误差，是确定变流器供电交流电动机效率最为科学和可靠的技术途径。完整的检测实施需基于严谨的标准框架（尤其是IEC 60034-2-3）、依托高精度宽频带仪器系统、并严格遵循规定的试验流程。该方法的普及与应用，对推动高效电机系统设计、实现精准能效管理及促进全球节能减排具有重要意义。