电动机温升试验测量审核结果分析

钟伟

摘 要：为了解实验室的检测能力，根据实验室能力验证计划的要求，笔者参加了由测量审核主导实验室组织的电动机温升试验。依据《三相异步电动机试验方法》（GB/T 1032—2012）进行试验，电动机温升试验测量审核结果令人满意。其间分析了电机温升测试的影响因素和试验结果的不确定度。结果表明，实验室电机温升测量审核结果数据是准确的和可靠的。

关键词：电动机温升;测量审核;结果分析;不确定度

中图分类号：TM506 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0140-04

Analysis of Test Results for Temperature Rise Test

ZHONG Wei

（Fishery Machinery and Instrument Reserch Institute，Shanghai 200092）

Abstract： In order to understand the laboratory's testing capabilities， according to the requirements of the laboratory's proficiency testing program， the author participated in the motor temperature rise test organized by the measurement audit leading laboratory. According to "Test Method for Three-phase Asynchronous Motor" （GB/T 1032—2012）， the experiment was carried out， the motor temperature rise test measurement results were satisfactory. In the meantime， the influencing factors of the motor temperature rise test and the uncertainty of the test results were analyzed. The results showed that the laboratory motor temperature rise measurement audit data was accurate and reliable.

Keywords： motor temperature rise;measurement audit;result analysis;uncertainty

能力驗证是评价实验室技术能力的有效手段，是实验室通过外部措施进行内部质量控制的一种重要补充手段，是确保实验室质量管理体系持续改进的有效措施之一[1]。测量审核是一个参加者对被测物品（材料或制品）进行实际测试，然后将测试结果与参考值进行比较的活动，是对一个参加者进行“一对一”能力评价的能力验证计划[2]。它是实验室能力验证的重要方式之一。实验室通过向由中国合格评定国家认可委员会（CNAS）发布的测量审核主导实验室申请完成测量审核工作，可以验证实验室开展该项目校准或检测的能力，确保量值传递的准确性和一致性。实验室参加的是一对一的小型电动机温升测量审核计划。电动机的温升是检验电机性能最通用、最重要的指标参数[3]，能体现出实验室在电气方面的检测能力水平。

1 测量审核样品及试验方法

1.1 样品

试验样品为测量审核主导实验室提供的一台1.1kW 4级三相异步电动机，主要技术参数如下：机座号H90、额定功率1.1kW、转速1 420r/min、额定电压380V、额定频率50Hz、安装方式B3、能效等级3级，如图1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 检测环境工况。环境工况为：环境温度为19.1℃，相对湿度为67%。检测设备的工况为：供电电源380V。试验中用到的仪器设备及其允差如表1所示。

1.2.2 设备安装。设备安装采用“被试电机+转矩转速传感器+负载”的方法。被试电机电源线按照正相序接线，轴伸端视之，顺时针方向旋转，现场安装如图2所示。

1.2.3 试验方法。依据《三相异步电动机试验方法》（GB/T 1032—2012）及测量审核提供机构的作业指导书，采用电阻法测量电动机温升，采用“被试电机+转矩转速传感器+负载”的连接方式。试验前测量电动机三相端子之间的冷态电阻和电机绕组的初始温度值。启动负载，调节负载使电动机达到额定的输出功率，持续至电动机达到热稳定状态时测量电动机绕组的热态电阻及当前冷却介质（空气）温度。

1.2.4 数据处理。用电阻法测量绕组温度时，冷热态电阻必须在相同的出线端上测量。绕组的平均温升按式（1）计算[4]，即

[Δθ=RN-RcRc（K1+θc）+θc-θb]                          （1）

式中，[RN]为外推至[t]=0s时的热态电阻，Ω;[Rc]为热试验开始前测得的冷态绕组电阻，Ω;[θb]为热试验结束时的冷却介质温度，℃;[θc]为测量[Rc]时的绕组实际温度，℃;[K1]为常数，铜绕组取值为235。

2 测量审核结果

2.1 试验结果

2.1.1 检测过程数据。试验过程中所测得的数据如表2、表3所示。

2.1.2 温升测量值。根据表4中停机后测量的热态电阻值，绘制热态电阻值曲线随时间变化的曲线，如图2所示。人们从图2中可外推出[t]=0s时的热态端电阻为6.67Ω。结合测试过程相关数据及温升计算公式，可得出此次电动机温升试验温升值为64.0K。

2.2 测量审核结果

2.2.1 评价原则。实验室将测得的温升结果上报至测量审核主导实验室，由主导实验室对试验结果进行评价。评价采用[Z]比分数法[2]。采用测量审核主导实验室的指定值和能力评定标准差进行计算，计算公式为：

[Z=x-Xσ]                                       （2）

式中，[x]為实验室测试结果;[X]为指定值;[σ]为能力评定标准差。

根据实验室[Z]比分数，按照如下原则进行结果评价。满意结果为：温升值的[Z]值满足[Z≤2];有问题结果为：温升值的[Z]值满足[2<Z<3];不满意结果为：温升值的[Z]值满足[Z≥3]。

2.2.2 测量审核结果。根据测量审核主导实验室给出的报告，本次测量审核[Z]值为-1.9，满足2<[Z]<3，结果为满意。测量审核结果报告如表5所示。

3 讨论

本次实验室得出的测量审核结果为满意。但是，从表3可以看出，实测值小于指定值，且相差较大。[Z]比分数值为-1.9，在满意结果[Z]≤2边缘，接近有问题结果[Z>2]。这说明实验室对温升测试系统误差的考虑还有欠缺之处。

3.1 影响因素分析

一般电动机温升系统测量误差主要从以下几个方面考虑：绕组初始温度和冷却介质（空气）温度的测量、冷态电阻测量、热态电阻测量以及对热稳定的判断。以下分别从上述几个因素来分析试验误差的来源。

3.1.1 绕组初始温度和冷却介质（空气）温度的测量影响。对于温升测量场地，《三相异步电动机试验方法》（GB/T 1032—2012）要求，控制周边外来辐射热影响及气流的影响。实验室场地相对宽敞，无其他热源及对流空气影响，因此测试场地影响几乎可以忽略不计。研究发现[5]，正常电机温升受周边环境影响，温度每降低1℃，电阻值降低约0.4%。试验中所用的测量冷却介质（空气）温度的温湿度计误差为±1℃，对电阻测量结果影响达到0.4%。这是影响冷却介质测量的关键因素。《三相异步电动机试验方法》（GB/T 1032—2012）没有对测量温度的设备允差进行规定，但是为了提高温升的测量准确度，实验室应采用精度更高、误差更小的仪器设备测量绕组及冷却介质的温度。对绕组测量采用的是红外测温仪，其存在同样的问题，该设备在0～100℃时示值误差为±2℃，对结果影响很大。

3.1.2 冷态电阻测量。测量时温度调节很重要，至少在测试环境中放置4h。有关标准规定，电机各部分温度与冷却介质温差不超过5K。并且有研究称[6]，绕组中金属铜的温度与室温存在响应关系时间，测得的绕组冷态电阻可能与同时测得的室温不对应，因此在进行冷态电阻测量时，样品应提前在测量环境放置一段时间，使样品和环境温度达到一定平衡，测量的电阻值才能与测量时的环境温度相对应。

3.1.3 热态电阻测量。热态电阻测量需要在热稳定试验停止后进行，人们应在断电后测量电阻值，每组测试需30s。王宪安等认为，断电测量时间超出热试验结束时刻越久，热态电阻测量值越偏低[3]。测试时间越短，得到的绕组电阻值越准确。如不能快速地测得电阻值，对最终的测试结果影响是很大的。

3.1.4 对热稳定的判断。热试验应进行到相隔30min的两个相继读数之间温升变化在1K以内为止[4]。试验期间需要每隔0.5h测量一次，实验室所用的测量直流电阻设备需要在断电后测量，每次测量的时间达30s。这时，选取最终的电阻值作为最后的结果值很重要，停止试验需要一个很准确的判断。不同的测量周期，每次达到热平衡的时间可能不同。

3.2 不确定度评定

测量审核结果显示，[Z]比分数绝对值接近2，虽然达到满意结果，但是接近有问题结果，因此对试验结果进行不确定度评定。在实际测量工作中，当两个（或多个）量相互独立，且互不相关时不能或不需进行多次重复测量，其不确定度用非统计分析的方法进行B类评定[7，8]。电机温升单次试验测试周期较长，进行重复测量的两次间隔时间较长，采用B类不确定度方法评估试验测量不确定度。

3.2.1 不确定度来源。从数学模型可知，影响电动机温升测量结果的主要因素包括：绕组初始温度、冷却介质（空气）温度、冷态电阻和热态电阻。此外，还包括对热稳定的判断。

3.2.2 数学模型。式（1）为电动机温升测量不确定度数学模型，各不确定度分量[uRN]、[uRC]、[uθc]、[uθb]、[ut]之间可视为互不相关，则电动机温升合成不确定度[u（Δθ）]计算公式如下：

[u（Δθ）=（∂∂Δθ∂RN）2uRN2+（∂∂Δθ∂RC）2uRC2+（∂∂Δθ∂θc）2uθc2+（∂∂Δθ∂θb）2uθb2+μt2]      （3）

式中，[u（Δθ）]为电动机温升测量合成不确定度;各分量[RN]、[RC]、[θc]、[θb]对应的不确定度分别为[uRN]、[uRC]、[uθc]和[uθb];[ut]为热稳定的判断所引起的不确定度分量。各分量灵敏系数为：

[c1=∂∂Δθ∂RN=-RN（235+θc）RC2]               （4）

[c2=∂∂Δθ∂RC=-235+θcRN]                      （5）

[c3=∂∂Δθ∂θc=RNRC]                          （6）

[c4=∂∂Δθ∂θb=-1]                                （7）

3.2.3 各不确定度分量计算。一是冷态电阻和热态电阻测量不确定度分量[uRN]、[uRC]。冷态电阻和热态电阻测量引起的不确定度主要来源于测试所用的数字直流电桥。由QJ84数字直流电桥的校准证书给出的扩展不确定度[U=0.003Ω]（k=2）得出，不确定度分量[uRN=0.001 5Ω];不确定度分量[uRC=0.001 5Ω]。

根据式（4）、式（5）和表1相关数据可得，[c1=-60.0℃/Ω];[c2=-37.9]。

二是初始绕组温度测量引起的不确定度分量[uθc]。初始绕组温度测量引起的不确定度主要来源于所用的红外测温仪。红外测温仪校准证书给出的扩展不确定度为0.6℃，包含因子[k]=2。由此可得，不确定度分量[uθc=0.3℃]，根据式（6）及表1数据得出[c3=1.3]。

三是冷却介质温度测量引起的不确定度分量[uθb]。根据测量冷却介质所用的温湿度计的校准证书给出的扩展不确定[U=0.3℃]（[k]=2），得出不确定度分量[uθb=0.15]℃，[c4=-1]。

四是对热稳定的判断引起的不确定度分量[ut]。试验过程中通过相隔30min观察相继读数之间温升变化在1K以内来判断是否达到热稳定。测量温度均匀分布，故包含因子[k=3]，[ut=0.53=0.29K]。

五是合成不确定度。各不确定度分量和灵敏系数计算结果代入式（3），可以得[u（Δθ）=0.154K]。

六是扩展不确定度。取置信概率为95%，包含因子[k]=2，电动机温升试验测量结果扩展不确定度[U=0.308K]。

4 结语

结合不确定度评定结果，电机温升测量审核实验室测试结果表示为[（64.0±0.308）K]。结合不确定度评定结果，得出[Z]比分数绝对值为2，依然在满意结果范围内。结果表明，实验室的电机温升检测水平是可信的。从不确定度评定过程发现，温度测量误差影响最大，实验室应加强仪器设备质量管理。通过参加此次测量审核计划，实验室对后续检测有了一定的认知，可以举一反三，提高整体的检测水平。

参考文献：

[1]中国合格评定国家认可委员会.检测和校准实验室能力认可准则：CNAS-CL01—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[2]中国合格评定国家认可委员会.能力验证结果的统计处理和能力评价指南：CNAS-GL02—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[3]王宪安，王灏，陈剑.3kW及以下异步电动机定子绕组温升性能研究[J].现代商贸工业，2018（36）：193-194.

[4]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.三相异步电动机试验方法：GB/T 1032—2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[5]李明哲，帅安文.浅谈电动机温升及影响因素[J].工程技术，2016（8）：143.

[6]陳文.绕组温升试验中的影响因素及不确定度分析[J].安全与电磁兼容，2002（4）：29-31.

[7]国家质量监督检验检疫总局.通用计量术语及定义：JJF 1001—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[8]国家质量监督检验检疫总局.测量不确定度评定与表示：JJF 1059.1—2012[S].北京：中国标准出版社，2012.