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IEC 61986：旋转电机 — 温升试验的等效负载法与叠加单相法
✅ 标准速览
IEC 61986 由 IEC 第 2 技术委员会（旋转电机）于 2002 年发布，规定了无需在轴上连接机械负载即可进行旋转电机温升试验的等效加载方法。该标准对于测试大型电机（500 kW 以上）特别有价值，因为提供额定负载的机械负载通常不切实际，或现场没有合适的负载电机。主要方法是叠加单相法，通过在电机绕组中注入单相电流，同时电机以同步或接近同步速度运行且不带机械负载，从而创造额定负载热条件。
IEC 61986 由 IEC 第 2 技术委员会（旋转电机）于 2002 年发布，规定了无需在轴上连接机械负载即可进行旋转电机温升试验的等效加载方法。该标准对于测试大型电机（500 kW 以上）特别有价值，因为提供额定负载的机械负载通常不切实际，或现场没有合适的负载电机。主要方法是叠加单相法，通过在电机绕组中注入单相电流，同时电机以同步或接近同步速度运行且不带机械负载，从而创造额定负载热条件。
🔌 一、叠加单相（SSP）法
1.1 工作原理
SSP 法的工作原理是旋转电机的温升主要取决于总损耗（I²R 损耗、铁耗、杂散损耗），而非机械输出功率。通过对电机绕组施加单相励磁，同时转子由电机自身或辅助电机驱动以额定速度旋转，正转和反转旋转磁场的组合效应在绕组中产生电流分布，该电流分布密切近似额定负载运行的热条件。
对于三相感应电动机，SSP 法的应用如下：
ISSP = IN × √(1 + sN)
其中 ISSP 是在电机两相之间注入的单相电流（第三相开路或通过特定阻抗连接），IN 是额定线电流，sN 是额定转差率。该公式考虑了在 SSP 励磁下，绕组中的有效电流必须略高于额定电流，因为在反转磁场中产生的机械功率（与正转反向）产生了正常三相运行中不存在的额外损耗。
| 电机类型 | SSP 连接 | 试验电流公式 | 转子条件 |
|---|---|---|---|
| 感应电动机（鼠笼式） | 两相间单相供电； 第三相开路 |
ISSP = IN × √(1 + sN) | 以额定速度自由旋转 （自驱动或辅助电机） |
| 感应电动机（绕线转子） | 定子单相供电； 转子短路或通过外部阻抗 |
ISSP 根据 等效电路计算确定 |
由辅助电机驱动 以同步速度旋转 |
| 同步电机 | 电枢单相供电； 励磁绕组单独励磁 |
ISSP = IN（直轴） 或为功率因数零调整 |
由辅助电机驱动 以同步速度旋转 |
💡 工程直觉
SSP 方法背后的关键工程直觉是对正转和反转磁场的理解。当对三相定子绕组施加单相电流时，产生的磁动势（MMF）可以分解为两个等幅分量：正转磁场（以同步速度、沿转子旋转方向）和反转磁场（以同步速度、与转子旋转方向相反）。正转磁场在转子中感应出转差频率（s × f）的电流，产生试图加速转子的转矩。反转磁场在转子中感应出（2-s）× f 的电流，产生制动转矩。当转子以同步速度驱动时，净转矩接近于零，但定子和转子绕组中的 I²R 损耗近似于满载条件下的损耗。这种优雅的电磁等效性使 SSP 法成为大型电机测试的强大工具。
SSP 方法背后的关键工程直觉是对正转和反转磁场的理解。当对三相定子绕组施加单相电流时，产生的磁动势（MMF）可以分解为两个等幅分量：正转磁场（以同步速度、沿转子旋转方向）和反转磁场（以同步速度、与转子旋转方向相反）。正转磁场在转子中感应出转差频率（s × f）的电流，产生试图加速转子的转矩。反转磁场在转子中感应出（2-s）× f 的电流，产生制动转矩。当转子以同步速度驱动时，净转矩接近于零，但定子和转子绕组中的 I²R 损耗近似于满载条件下的损耗。这种优雅的电磁等效性使 SSP 法成为大型电机测试的强大工具。
1.2 试验设置与程序
IEC 61986 规定了 SSP 法的详细试验设置。试验布置要求：
电源：具有足够容量的单相交流电源，可提供 SSP 电流（通常为电机额定相电流的 0.8-1.2 倍）。电源电压必须可调且在试验期间稳定在 ±2% 以内。对于大型电机，通常使用单相变压器或背靠背变流器布置。
辅助驱动：当被试电机无法在 SSP 励磁下维持同步速度时（对于感应电动机即是如此），需要辅助原动机以额定速度驱动转子。辅助电机的功率必须足以克服摩擦、风阻和 SSP 感生的制动转矩。通常，辅助驱动功率需求为被试电机额定功率的 10-20%。对于同步电机，电机本身可以在空载下作为同步电动机运行，SSP 电源叠加在电枢电流上。
仪器：标准要求测量：（1）SSP 电流（真 RMS，精度 ±0.5%）；（2）SSP 电压；（3）输入功率（功率表法）；（4）转子转速（精度 ±0.1%）；（5）绕组温度（电阻法或嵌入式热电偶）；（6）定子绕组电阻（环境温度和冷却过程中）；（7）环境温度。
💡 二、验证与精度考量
2.1 等效性验证
IEC 61986 要求通过证明 SSP 励磁下的损耗分布密切匹配额定负载条件下的损耗分布来验证等效加载试验的有效性。标准定义了一个基于计算损耗分量比较的等效性准则：
| 损耗分量 | 额定负载（三相） | SSP 法（等效） | 所需匹配度 |
|---|---|---|---|
| 定子 I²R 损耗（总数） | 3 × IN² × Rs | 2 × ISSP² × Rs（两相） + Izero² × Rs（第三相如适用） |
≤ ±5% 偏差 |
| 转子 I²R 损耗 | (Pag × sN) / (1 – sN) | 使用测量的电学量从等效电路计算 | ≤ ±10% 偏差 |
| 铁耗 | 来自额定电压下空载试验 | 随 SSP 电压设置变化；必须匹配 | ≤ ±5% 偏差 |
| 杂散损耗 | 输入功率的 0.5-2% | 由 SSP 场模式自然重现 | 无需单独调节 |
| 总损耗 | 所有分量之和 | 所有分量之和 | ≤ ±5% 偏差 |
如果损耗一致性不满足这些容差，可以迭代调整试验电流或 SSP 电压，或者可能需要使用标准中描述的替代等效加载方法进行试验。
⚠️ 设计警告
IEC 61986 明确警告的 SSP 法的一个关键实际限制是两倍供电频率的转矩脉动增加（100 Hz 或 120 Hz），由正转和反转磁场的相互作用引起。这些转矩脉动的幅度为额定转矩的 10-30%，如果轴系的固有扭转频率与 100/120 Hz 或其分谐波重合，可能激发轴系中的扭转共振。在大型电机（尤其是 5 MW 以上）上进行 SSP 试验之前，标准建议对轴系进行扭转振动分析，以确保 2f 转矩脉动不与任何扭转固有频率在 ±10% 范围内重合。如果检测到共振，应调整试验速度（在额定速度的 ±5% 以内）以避免共振，或选择不同的等效加载方法。
IEC 61986 明确警告的 SSP 法的一个关键实际限制是两倍供电频率的转矩脉动增加（100 Hz 或 120 Hz），由正转和反转磁场的相互作用引起。这些转矩脉动的幅度为额定转矩的 10-30%，如果轴系的固有扭转频率与 100/120 Hz 或其分谐波重合，可能激发轴系中的扭转共振。在大型电机（尤其是 5 MW 以上）上进行 SSP 试验之前，标准建议对轴系进行扭转振动分析，以确保 2f 转矩脉动不与任何扭转固有频率在 ±10% 范围内重合。如果检测到共振，应调整试验速度（在额定速度的 ±5% 以内）以避免共振，或选择不同的等效加载方法。
2.2 温度测量与修正
IEC 61986 规定，等效加载试验期间的绕组温度应使用电阻法（测量冷态和热态之间的绕组电阻变化）作为主要方法。温升 Δθ 计算公式为：
Δθ = (Rh - Rc) / Rc × (235 + θc) + (θc - θa)
其中 Rh 和 Rc 分别是热态和冷态电阻，θc 是冷态绕组温度，θa 是测量时的环境温度。标准规定铜绕组的温度系数 1/α = 235（铝：225），与 IEC 60034-1 一致。
标准还提供了在试验条件与额定运行条件存在偏差时修正测量温升的指导。如果 SSP 试验期间测量的总损耗与额定负载下计算的总损耗偏差超过 ±5%，则必须使用以下关系修正温升：
Δθ修正 = Δθ测量 × (P额定损耗 / P试验损耗)n
其中 n 是 0.8 到 1.0 之间的指数（感应电机通常为 0.9，基于经验数据）。
💻 三、其他等效加载方法与工程应用
3.1 方法比较
IEC 61986 描述了除 SSP 法之外的几种等效加载方法，各有特定的优势和局限性：
| 方法 | 原理 | 功率需求 | 最适合 | 局限性 |
|---|---|---|---|---|
| 叠加单相法（SSP） | 在三个相绕组上叠加单相励磁 | 额定功率的 10-20% | 大型感应电动机和同步电机 | 2f 频率的转矩脉动； 不适用于 <100 kW 电机 |
| 反相法 | 两台相同电机耦合， 一台作电动机，一台作发电机 |
≈ 额定功率的 10% （仅提供损耗） |
具有两台相同单元的 中大型电机 |
需要两台相同电机； 设置复杂 |
| 回馈法（背靠背） | 两台相同电机机械耦合 并电气连接 |
≈ 额定功率的 10% （仅损耗） |
标准化电机的 生产测试 |
需要两台相同电机 |
| 降低频率法 | 电机以降低频率供电， 转子以额定速度驱动 |
额定功率的 20-40% | 调试期间的大型 同步电机 |
需要变频电源； 仅限于同步电机 |
| 零功率因数励磁法 | 同步电机过励磁以 按额定值吸收滞后电流 |
低（仅无功功率） | 发电厂中的大型 同步发电机 |
仅重现电枢损耗； 需要特殊励磁 |
✅ 最佳实践推荐
对于工业装置（泵、压缩机、风机）中大型感应电动机的调试试验，当驱动负载无法长时间运行时，根据 IEC 61986 的 SSP 法是最实用的方法。标准建议以下程序：（1）进行空载试验以建立铁耗和风摩耗基线；（2）测量定子直流电阻并计算参考温度下的额定 I²R 损耗；（3）设置带辅助电机（如果需要）的 SSP 试验电路并验证电机达到额定转速；（4）从公式计算出的 SSP 电流施加并调整辅助功率以维持额定转速；（5）监测温度直至热稳定（变化 < 1 K/小时）；（6）停机后立即（30 秒内）记录热态电阻；（7）如果测量损耗与额定负载目标偏差超过 ±5%，则应用修正公式。该方法已成功应用于石化装置中高达 15 MW 的电机，与带机械负载的满载测试相比节省了数周的调试时间。
对于工业装置（泵、压缩机、风机）中大型感应电动机的调试试验，当驱动负载无法长时间运行时，根据 IEC 61986 的 SSP 法是最实用的方法。标准建议以下程序：（1）进行空载试验以建立铁耗和风摩耗基线；（2）测量定子直流电阻并计算参考温度下的额定 I²R 损耗；（3）设置带辅助电机（如果需要）的 SSP 试验电路并验证电机达到额定转速；（4）从公式计算出的 SSP 电流施加并调整辅助功率以维持额定转速；（5）监测温度直至热稳定（变化 < 1 K/小时）；（6）停机后立即（30 秒内）记录热态电阻；（7）如果测量损耗与额定负载目标偏差超过 ±5%，则应用修正公式。该方法已成功应用于石化装置中高达 15 MW 的电机，与带机械负载的满载测试相比节省了数周的调试时间。
3.2 应用范围与限制
IEC 61986 适用于所有电压等级的感应和同步电机。然而，标准明确说明，当驱动负载可用且可以安全应用时，等效加载方法无意替代满载测试。等效加载方法适用于：（1）调试试验，驱动负载尚不可用或无法运行（如管道中的泵尚未调试完成）；（2）大型电机的型式试验，提供额定机械负载需要特殊设施（如容量超过 10 MW 的测功机）；（3）日常维护试验，将电机从驱动负载上拆下不切实际；（4）重绕或修理后的验证试验，以确认热性能符合原始设计规范。
❓ 常见问题
❔ SSP 法如何处理 SSP 与满载条件下杂散损耗分布的差异？
SSP 法固有地重现了杂散损耗模式，因为反转 MMF 分量产生的谐波场形成了与三相满载运行相似的漏磁通模式和感应涡流。然而，杂散损耗分布并非完全相同——SSP 法倾向于产生略高的定子杂散损耗和略低的转子杂散损耗。IEC 61986 通过等效性验证程序解决此问题，要求 SSP 下的总损耗在三相额定负载总损耗的 ±5% 以内。如果偏差超过此容差，则对温升测量应用修正系数。对于杂散损耗占总损耗显著比例的电机（例如带有深槽转子导条的大型 2 极电机），通常对测量温升应用 1.0-1.05 的修正系数。
❔ SSP 法能否用于变频器供电的电机？IEC 61986 标准主要是为在正弦波电源上运行的电机开发的。对于变频器供电的电机，SSP 法使用工频下的纯正弦波电源，不重现逆变器开关波形引起的附加谐波损耗。然而，SSP 法可用于确定变频器供电基波分量引起的温升，而附加谐波损耗可使用 IEC 60034-2-3（变频器供电电机的特定试验方法）中的程序单独估算。然后通过叠加计算总温升。工程师应注意，对于变频器应用，电机基波（额定）频率下的温升可能仅为变流器运行下总温升的 60-70%，具体取决于电缆长度、开关频率和调制技术。
❔ 对感应电动机进行 SSP 测试需要多大的辅助电机功率？辅助电机必须提供总机械损耗（摩擦和风阻）加上 SSP 配置中反转磁场产生的制动转矩。对于标准感应电动机，辅助功率需求通常为电机额定功率的 10-20%。一台 5 MW 感应电动机可能需要 500-1000 kW 的辅助驱动。辅助电机应配备变速驱动，以便将转子速度精确调整到额定值。在没有足够功率的辅助电机的情况下，可以考虑反相法或回馈法，因为这些方法需要较低的辅助功率（通常为额定功率的 5-10%，仅覆盖损耗）。
❔ 使用 SSP 法测量温升的典型不确定度是多少？使用 SSP 法测量的绕组温升的扩展不确定度（k=2，95% 置信水平）通常为 ±2-5 K，而直接满载测试为 ±1-3 K。SSP 法的额外不确定度来自：（1）损耗等效近似（±1-2 K）；（2）损耗偏差修正系数（±1 K）；（3）冷却过程中的温度测量（电阻法不确定度约为 ±0.5-1 K，取决于冷却速度和电阻桥的精度）；（4）环境变化的温度修正（±0.5 K）。尽管不确定度较高，SSP 法被认为可接受用于 IEC 60034-1 的所有标准验收测试，该标准对电机验收的保证温升规定了 +10 K 的容差。
