電機(jī)繞組溫升的測(cè)量與計(jì)算

董改花

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215009)

0 引 言

電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組作為電機(jī)的主要部件，其溫升試驗(yàn)的目的是通過試驗(yàn)得到電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組部件在規(guī)定的工作條件下運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)定溫升時(shí)的溫升值，用于考核被試電機(jī)所用絕緣材料、生產(chǎn)工藝能否滿足電機(jī)正常工作及設(shè)計(jì)壽命的要求［1］。此外，其溫升試驗(yàn)值還是計(jì)算電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組熱損耗求取效率的必備參數(shù)［2］。本文以一小功率交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例，分析其定轉(zhuǎn)子繞組溫升的測(cè)量及計(jì)算方法。

1 電機(jī)繞組溫升試驗(yàn)方法［3-5］

電機(jī)繞組溫升的測(cè)量方法有很多。常用的有溫度計(jì)法、電阻法、疊加法、埋置檢溫度計(jì)法和紅外測(cè)溫法。

(1)電阻法

電阻法是利用金屬導(dǎo)體在一定的溫度范圍內(nèi)，其電阻值與溫度之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系的原理，通過測(cè)量導(dǎo)體電阻值的變化情況來計(jì)算溫度變化的一種測(cè)溫方法?？梢?，電阻法是一種間接測(cè)溫法。

電阻法特別適用于溫度計(jì)不能直接觸及測(cè)量的發(fā)熱元件的溫度測(cè)量。

(2)疊加法

疊加法實(shí)際上也是電阻法，只是它是在電機(jī)通電運(yùn)行的工作狀態(tài)下直接測(cè)量電阻繞組的電阻值，也稱為“帶電測(cè)量電阻法”，和電阻法相比，從理論上來講，其測(cè)量值應(yīng)是電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的數(shù)值，所以要比上述電阻法準(zhǔn)確，但所用測(cè)量設(shè)備及其接線和操作要復(fù)雜得多，所以使用較少。

(3)溫度計(jì)法

溫度計(jì)法是將溫度計(jì)的測(cè)溫元件直接帖附在被測(cè)元件上獲得其溫度的直接測(cè)溫法，所得溫度為測(cè)量點(diǎn)的局部溫度值。

(4)埋置檢溫度計(jì)法

埋置檢溫度計(jì)法簡(jiǎn)稱為ETD法，它是用埋入電機(jī)內(nèi)部的檢溫計(jì)作為溫度傳感元件，將所得溫度信號(hào)通過導(dǎo)線傳到外接的配套儀器，從而顯示出被測(cè)元件溫度的一種測(cè)溫方法。所測(cè)溫度是測(cè)量點(diǎn)的局部溫度值。

(5)紅外測(cè)溫法

紅外測(cè)溫法較適用于電機(jī)表面和外露元件(如集電環(huán)、換向器等)溫度的測(cè)量。

2 電機(jī)繞組溫升測(cè)量方法選擇

一般情況下，電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組溫升測(cè)量方法選擇可根據(jù)表1［1］來確定。

本文的測(cè)量對(duì)象是一個(gè)交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其定轉(zhuǎn)子繞組是帶換向器的電樞繞組和勵(lì)磁繞組，由表1可知，可采用電阻法和溫度計(jì)法。此外，該電機(jī)為一小功率電機(jī)，通風(fēng)口全開功率為1 086 W，通風(fēng)口全閉功率為798 W，其平均功率為942 W，由表1得知可采用電阻法、疊加法及ETD法。綜合考慮，我們對(duì)交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)測(cè)量采用電阻法。

3 電阻法測(cè)量溫升試驗(yàn)步驟

被試單相交流串勵(lì)電機(jī)用電阻法測(cè)量溫升試驗(yàn)步驟如下:

3.1 測(cè)量冷態(tài)直流電阻和冷態(tài)環(huán)境溫度

電機(jī)的溫升試驗(yàn)可在任一溫度下開始進(jìn)行，但必須在實(shí)際冷態(tài)時(shí)測(cè)取其繞組的直流電阻和當(dāng)時(shí)的繞組溫度。本文測(cè)量的交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的定子繞組冷態(tài)直流電阻R1用直流低電阻測(cè)試儀直接測(cè)量。轉(zhuǎn)子繞組冷態(tài)直流電阻R2的測(cè)量，先在轉(zhuǎn)子換向器上選擇一片換向片在其鉤部(定子碳刷不接觸的地方)用圓錐鑿一小圓錐坑，并在換向器圓周對(duì)角換向片上用同樣方法也鑿一小圓錐坑［6］，用直流低電阻測(cè)試儀測(cè)試棒用力壓在兩個(gè)小孔中測(cè)量轉(zhuǎn)子冷態(tài)直流電阻R2，測(cè)量時(shí)碳刷不能接觸到換向器。冷態(tài)繞組溫度T1用溫度計(jì)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

3.2 放置其它溫度計(jì)

試驗(yàn)時(shí)，還需放置溫度計(jì)用于相關(guān)溫度的測(cè)量。一般用酒精膨脹式溫度計(jì)。該溫度計(jì)用于測(cè)量電機(jī)的進(jìn)、出風(fēng)溫度，其目的是取得電機(jī)進(jìn)、出風(fēng)溫度的差值，以便了解該電機(jī)通風(fēng)散熱的效果。差值小說明散熱效果好。

3.3 與負(fù)載連接

選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載設(shè)備與被試電機(jī)進(jìn)行連接。對(duì)本文測(cè)量的交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)采用直徑為14 mm的孔堵住通風(fēng)口運(yùn)行。

4 電機(jī)繞組溫升計(jì)算

4.1 電機(jī)定子繞組溫升計(jì)算

4.1.1 停機(jī)后測(cè)量定子熱態(tài)繞組的直流電阻值R′1

被試電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行45 min后，熱試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定，記錄斷電前環(huán)境溫度T′1。并盡快使被試電機(jī)斷能停轉(zhuǎn)，同時(shí)秒表開始計(jì)時(shí)，并迅速用直流低電阻測(cè)試儀測(cè)試該定子繞組的熱態(tài)電阻R′1。需在所規(guī)定時(shí)間［1］內(nèi)讀取第一個(gè)數(shù)據(jù)。由于本文被試電機(jī)功率為1 000 W左右，所以電機(jī)斷能到測(cè)得第一點(diǎn)電阻值之間的時(shí)間必須小于15 s。此時(shí)間越快越好，試驗(yàn)人員需日常加強(qiáng)測(cè)量操作技術(shù)鍛煉外，事先還要連接好測(cè)量電阻的線路和儀表。為更準(zhǔn)確分析電機(jī)斷能瞬間熱態(tài)電阻值，需記錄10組數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表1 電機(jī)繞組溫升測(cè)量方法選擇

表2 被試交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組冷態(tài)溫升試驗(yàn)測(cè)量值

表3 被試交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組熱態(tài)溫升試驗(yàn)測(cè)量值

4.1.2求取定子零秒熱態(tài)電阻［7］

根據(jù)表3對(duì)定子熱態(tài)電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制定子熱態(tài)電阻曲線=f(t)，將該曲線延長，讀取時(shí)間在t=0時(shí)電機(jī)定子熱態(tài)電阻值=0.283 9Ω。如圖1所示。

圖1 定子熱態(tài)電阻測(cè)試曲線

4.1.3計(jì)算定子繞組溫升

繞組溫升計(jì)算如下:

式中:△T為繞組溫升;R′1為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)溫度為T′1時(shí)的定子直流電阻值;R1為試驗(yàn)開始之前溫度為T1時(shí)的定子直流電阻;T′1為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)周圍介質(zhì)溫度;T1為試驗(yàn)開始前周圍介質(zhì)的溫度;K為一常數(shù)，當(dāng)繞組為銅制導(dǎo)線時(shí)取235，如果是鋁制導(dǎo)線取225。將前面測(cè)量數(shù)據(jù)代入式(1)，得出本文被試電動(dòng)機(jī)定子繞組溫升△T=72.2402K。

4.2被試電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫升計(jì)算

4.2.1停機(jī)后測(cè)量轉(zhuǎn)子熱態(tài)繞組的直流電阻值R′2及熱態(tài)環(huán)境溫度

本文被試交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫升計(jì)算過程與定子繞組溫升計(jì)算過程基本相似。電機(jī)運(yùn)行至熱穩(wěn)定大約45min后，記錄斷電前環(huán)境溫度T′2。斷開電機(jī)電源，同時(shí)秒表開始計(jì)時(shí)。斷電后將直流低電阻測(cè)試儀的測(cè)試棒沿徑向緊壓于換向片的圓錐坑中，以最快的速度測(cè)轉(zhuǎn)子繞組的熱態(tài)電阻值R′2，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。共測(cè)取10組數(shù)據(jù)。

由于本文要求測(cè)試被試電機(jī)的定轉(zhuǎn)子溫升，可先讓電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行45min后測(cè)定子熱電阻值，測(cè)完后再讓該電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行45min后再測(cè)轉(zhuǎn)子熱電阻值。

4.2.2求取轉(zhuǎn)子零秒熱態(tài)電阻［9］

根據(jù)表3對(duì)熱態(tài)轉(zhuǎn)子電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制熱態(tài)轉(zhuǎn)子電阻曲線R′2=f(t)，將該曲線延長到時(shí)間t=0得出該電機(jī)斷能后熱態(tài)電阻值R′2=0.757Ω。如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子熱態(tài)電阻測(cè)試曲線

代入式(1)得出該串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫升△T=90.775 9K。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)地給出了電機(jī)繞組溫升試驗(yàn)的具體步驟及計(jì)算方法。被試小功率交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)要求定子繞組溫升不超過80K，轉(zhuǎn)子繞組溫升不超過115K。通過溫升試驗(yàn)，測(cè)得該電機(jī)定子繞組溫升72.240 2K，轉(zhuǎn)子繞組溫升90.775 9K均小于規(guī)定值，被試電機(jī)繞組溫升指標(biāo)合格。

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