三相異步電動(dòng)機(jī)在不同風(fēng)道開度下的溫升探究分析

陸月星，黎和俊，張 興，俞 昊，張 俊

（安徽省電機(jī)產(chǎn)品及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城 242500）

交流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)交流電能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的電機(jī)，可以將其分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類，同步電機(jī)通常作為發(fā)電機(jī)使用，而異步電機(jī)主要作為電動(dòng)機(jī)使用。異步電機(jī)中，使用量較大的是三相異步電機(jī)。三相異步電機(jī)以三相對(duì)稱交流電為驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁作用原理，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，從而作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的動(dòng)力源。三相異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、繞組和機(jī)座等構(gòu)成[1-2]。交變的電流通過(guò)繞組，在氣隙中產(chǎn)生以一定速度旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條或者繞組在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，從而形成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外缺乏電動(dòng)機(jī)風(fēng)道對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定溫升值影響的研究。電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，尾部風(fēng)扇從尾部通過(guò)冷卻介質(zhì)，將電動(dòng)機(jī)的熱量通過(guò)外殼散熱片帶走，對(duì)電動(dòng)機(jī)起到降溫作用。但是，如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在灰塵較大的煤礦廠、砂石廠、石灰廠中，且不能及時(shí)清理電動(dòng)機(jī)尾部風(fēng)罩孔，冷卻空氣流通就會(huì)不暢，導(dǎo)致散熱效果較差，使得電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫升值較高，而這其中電動(dòng)機(jī)的風(fēng)道開度對(duì)溫升值影響程度尚未明確。

通過(guò)本項(xiàng)目的研究，有利于建立電機(jī)風(fēng)道開度與效率之間的關(guān)系，研究不同開度下的定子損耗和轉(zhuǎn)子損耗，指導(dǎo)使用者根據(jù)電機(jī)工況及時(shí)清理風(fēng)罩通風(fēng)孔，使電機(jī)高效率運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。通過(guò)上述關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)某已知風(fēng)道開度下的電機(jī)溫升值推算其他開度情況下的溫升值，可以預(yù)估長(zhǎng)時(shí)間工作在灰塵較大導(dǎo)致風(fēng)道通風(fēng)孔被堵的電機(jī)，其工作時(shí)的穩(wěn)定溫升是否仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，是否可以繼續(xù)安全運(yùn)行，與此同時(shí)，電機(jī)穩(wěn)定溫升的不同，必然引發(fā)輸出效率的改變。

使用者明晰風(fēng)道進(jìn)風(fēng)量對(duì)溫升值的影響，能夠促進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的防護(hù)工作。有利于電動(dòng)機(jī)使用者根據(jù)研究成果，關(guān)注風(fēng)道通暢情況對(duì)電機(jī)效率的影響，并且依據(jù)風(fēng)道開度以及溫升值、定轉(zhuǎn)子損耗、效率之間的聯(lián)系，通過(guò)人工干預(yù)，使電機(jī)工作在高效率狀態(tài)下，預(yù)計(jì)每年能夠節(jié)約幾百萬(wàn)千瓦時(shí)的電能。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)本項(xiàng)目的研究成果能夠兼顧電機(jī)生產(chǎn)成本和電機(jī)使用安全，為合理設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)風(fēng)罩提供參考。

1 熱試驗(yàn)基本要求

利用直接法進(jìn)行電機(jī)的熱試驗(yàn)，在試驗(yàn)中應(yīng)在額定電壓、額定頻率和額定負(fù)載或銘牌額定電流下進(jìn)行。按照連續(xù)工作S1 制下的電機(jī)，每隔30 min 記錄一次電機(jī)的三相端電壓U、三相線電流I、輸入功率P、頻率f、轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、繞組溫度θ（通常為PT100 測(cè)量的溫度）以及定子鐵芯、軸承、風(fēng)道進(jìn)出口冷卻介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度。

試驗(yàn)前，需在冷態(tài)情況下利用直流電阻測(cè)試儀量取三相繞組電阻，計(jì)算溫升的過(guò)程中，會(huì)利用冷態(tài)繞組的阻值。擬選擇不同系列不同功率的電動(dòng)機(jī)（如0.37～315 kW 的YX 系列或0.37～315 kW 的YE 系列），依據(jù)GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》和GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》進(jìn)行熱試驗(yàn)。其中在試驗(yàn)結(jié)果的處理上，考慮按照GB/T 755—2019 非基準(zhǔn)條件下的定額將間接冷卻繞組在運(yùn)行地點(diǎn)的溫升值修正到同一環(huán)境溫度下開展研究。假設(shè)取型號(hào)為YX3-112M-4 的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)堵風(fēng)道的方式控制電機(jī)風(fēng)道開度。按照前文交代的分別實(shí)施40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%風(fēng)道開度試驗(yàn)。為了便于試驗(yàn)，將紙板進(jìn)行環(huán)型切割，采取從外圈向內(nèi)的堵風(fēng)道的模式，即90%開度對(duì)應(yīng)堵10%風(fēng)罩面積，根據(jù)計(jì)算選取相應(yīng)大小的圓形紙板堵住風(fēng)罩。100%開度對(duì)應(yīng)不堵風(fēng)道。將待試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載進(jìn)行熱試驗(yàn)。熱試驗(yàn)過(guò)程中需要注意將電動(dòng)機(jī)保持在額定負(fù)載工況下運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)不同系列不同功率的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行大量試驗(yàn)，得到不同開度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)溫升值，并進(jìn)行分析計(jì)算和制表作圖，找出對(duì)應(yīng)的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)在復(fù)雜工況下，使用者在明晰風(fēng)道開度或進(jìn)風(fēng)量與溫升值之間的影響關(guān)系時(shí)，能夠指導(dǎo)使用者在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)不暢情形下預(yù)估工作中電動(dòng)機(jī)的實(shí)際溫度。與此同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員在明晰風(fēng)道開度或進(jìn)風(fēng)量與溫升值之間的關(guān)系的情況下，根據(jù)研究成果為電動(dòng)機(jī)風(fēng)罩設(shè)計(jì)提供參考。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)的熱試驗(yàn)計(jì)算原理

熱試驗(yàn)在電機(jī)穩(wěn)定之后，進(jìn)行斷電停機(jī)，對(duì)于S1工作制的電機(jī)，熱試驗(yàn)進(jìn)行到相隔30 min 的相繼兩個(gè)PT100 讀數(shù)變化在1 K 之內(nèi)，即可視為穩(wěn)定。電機(jī)停機(jī)后，測(cè)取的并非是0 s 時(shí)的電阻，而是間隔10～60 s的幾組數(shù)據(jù)，記錄5～10 組數(shù)據(jù)，利用外推法獲得0 s時(shí)的熱態(tài)繞組阻值。

電機(jī)熱試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)被試電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如電機(jī)繞組的冷態(tài)電阻、冷態(tài)環(huán)境溫度，熱態(tài)環(huán)境溫度、電機(jī)繞組的熱態(tài)電阻等。為了獲得以上參數(shù)的數(shù)值，必須按一定的試驗(yàn)步驟進(jìn)行檢測(cè)：①將被試電機(jī)吊放到合適的實(shí)驗(yàn)室，并和陪試機(jī)一起固定在合適的試驗(yàn)平臺(tái)上；②接好電纜、溫度傳感器PT100（或熱電偶）及其他測(cè)試所需儀器儀表等；③等到被試電機(jī)繞組冷態(tài)溫度基本等于環(huán)境溫度時(shí)，測(cè)量電機(jī)三相繞組的冷態(tài)電阻，并記錄其阻值和此時(shí)的冷態(tài)溫度；④被試電機(jī)通電至額定電壓和額定頻率狀態(tài)后，再加載至額定負(fù)載進(jìn)行熱試驗(yàn)，一般被試電機(jī)經(jīng)過(guò)3～5 h額定負(fù)載的運(yùn)行，基本能達(dá)到熱平衡；⑤電機(jī)熱平衡后，停機(jī)后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)量電機(jī)繞組的熱態(tài)電阻，觀察被試電機(jī)繞組溫度在1 h 內(nèi)溫度變化，如果是在1 K 內(nèi)，說(shuō)明電機(jī)繞組熱平衡達(dá)到即可停機(jī)，并等電機(jī)完全停下來(lái)，及時(shí)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量第一時(shí)刻的電機(jī)繞組電阻，并在連續(xù)時(shí)間間隔測(cè)量5～7 個(gè)時(shí)刻的電機(jī)繞組電阻。通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程可以將被試電機(jī)熱試驗(yàn)所需參數(shù)全部測(cè)量并記錄好，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并得出電機(jī)繞組的溫升值。

3 繞組工作溫度θw及定子繞組溫升的確定

繞組工作溫度θw計(jì)算公式如下：

式（1）中：Rw為外推至t=0 時(shí)的熱態(tài)繞組電阻，Ω；Rc為熱試驗(yàn)開始前測(cè)得的冷態(tài)繞組電阻，Ω；θc為測(cè)量Rc時(shí)的繞組實(shí)際溫度，℃。

采用電阻法計(jì)算定子繞組溫升Δθ，計(jì)算公式為：

式（2）中：RN為電停機(jī)后測(cè)得的第一點(diǎn)熱態(tài)端電阻，Ω；Rc為熱試驗(yàn)開始前測(cè)得的冷態(tài)繞組電阻，Ω；θb為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的冷卻介質(zhì)溫度，℃。

4 影響電機(jī)溫升結(jié)果因素的分析

用埋置溫度計(jì)法和溫度計(jì)法測(cè)電機(jī)繞組溫度時(shí)必須要測(cè)取電機(jī)熱平衡時(shí)的繞組最高溫度。電機(jī)冷卻介質(zhì)為空氣時(shí)，由于電機(jī)繞組發(fā)熱，熱量由里及外散發(fā)。又由于風(fēng)扇從電機(jī)一端部對(duì)電機(jī)吹風(fēng)的情況下，電機(jī)內(nèi)部的溫度肯定不是均勻分布。所以試驗(yàn)前多布置溫度傳感器，熱試驗(yàn)平衡時(shí)讀取電機(jī)繞組溫度的最高值。由于溫度傳感器埋置時(shí)，可能出現(xiàn)埋置點(diǎn)不合適以及與電機(jī)繞組接觸不好等因素，導(dǎo)致得不到電機(jī)繞組溫度真實(shí)的最高值。試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度在不停地變化會(huì)影響電機(jī)最終熱平衡點(diǎn)位置，從而影響電機(jī)繞組溫度最高值的測(cè)量。由于電機(jī)散熱從里往外，環(huán)境溫度變化不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度的同步變化。因此在結(jié)合公式計(jì)算出電機(jī)繞組溫升時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度變化和溫度傳感器埋置都會(huì)影響最后的溫升計(jì)算結(jié)果。而采用電阻法確定定子繞組溫升時(shí)，就不會(huì)因電機(jī)溫度分布不均勻問(wèn)題而導(dǎo)致采集不到電機(jī)繞組的真實(shí)溫度，從而不能準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的溫升。但環(huán)境溫度在測(cè)量時(shí)就必須精準(zhǔn)測(cè)量，否則對(duì)電機(jī)溫升值有一定的影響，特別是電機(jī)繞組冷態(tài)電阻值的測(cè)量，一定要求環(huán)境溫度變化不要太快，否則無(wú)法測(cè)量到電機(jī)繞組準(zhǔn)確的冷態(tài)電阻值。如果電機(jī)的試驗(yàn)區(qū)比較空曠，試驗(yàn)室內(nèi)的溫度會(huì)受到室外氣溫的影響?？赡苌衔鐨鉁厥?0 ℃，到了下午14：00 左右的時(shí)候氣溫就升到20 ℃，并且一直在變化。這種情況很難找到電機(jī)的熱穩(wěn)定狀態(tài)，也會(huì)造成熱平衡停機(jī)的熱態(tài)電阻測(cè)量不準(zhǔn)確。

5 型式試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖如圖1 所示。在試驗(yàn)中，取電機(jī)型號(hào)為 YX3-112M-4 、 YX3-180M-4 、 YX3-250M-4 和YX3-315M-4 的三相四極電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。陪試機(jī)選用相應(yīng)額定功率的4 極電動(dòng)機(jī)。

圖1 加裝風(fēng)道前后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

表1 試驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)表

對(duì)不同型號(hào)的電機(jī)進(jìn)行不同風(fēng)道開度工況下的型式試驗(yàn)，首先在4 個(gè)試驗(yàn)操作臺(tái)上對(duì)4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)開展電機(jī)溫升試驗(yàn)，然后在三相異步電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)中開展不同風(fēng)道開度的溫升試驗(yàn)，最后得到相應(yīng)的溫升值。

對(duì)應(yīng)風(fēng)道開度測(cè)取的定子繞組溫升值如表2所示。定子繞組溫升與風(fēng)道開度的試驗(yàn)結(jié)果圖如圖2 所示。設(shè)風(fēng)道開度為a，定子繞組溫升為ΔT，根據(jù)結(jié)果圖2可 以 擬 合 得 到 YX3-112M-4 、 YX3-180M-4 、YX3-250M-4 和YX3-315M-4 四種電機(jī)型號(hào)的關(guān)系式分別為：

表2 試驗(yàn)結(jié)果（單位：K）

圖2 定子繞組溫升與風(fēng)道開度的試驗(yàn)結(jié)果圖

6 結(jié)論

根據(jù)不同風(fēng)道開度下電機(jī)溫升試驗(yàn)的結(jié)果可知，對(duì)于同一臺(tái)三相四極電機(jī)型號(hào)，隨著風(fēng)道開度的增加，定子繞組溫升變化趨勢(shì)較為明顯，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，風(fēng)道開度每增加10%，定子繞組溫升減少約2 K。對(duì)于同一個(gè)風(fēng)道開度，隨著三相四極電機(jī)中心高的增加，定子繞組溫升逐漸減小，電機(jī)中心高每增加65 mm左右，定子繞組溫升減少約2 K。因此對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)而言，定子繞組溫升會(huì)隨著風(fēng)道開度的增加而減少，另外定子繞組溫升也會(huì)隨著電機(jī)中心高的增加而減小。