三相異步電動機在不同風道開度下的溫升探究分析

陸月星，黎和俊，張 興，俞 昊，張 俊

（安徽省電機產品及零部件質量監督檢驗中心，安徽 宣城 242500）

交流電機是實現交流電能和機械能之間轉換的電機，可以將其分為同步電機和異步電機兩大類，同步電機通常作為發電機使用，而異步電機主要作為電動機使用。異步電機中，使用量較大的是三相異步電機。三相異步電機以三相對稱交流電為驅動源，通過特定的機械結構和電磁作用原理，實現電能到機械能的轉化，從而作為現代工業生產和日常生活中的動力源。三相異步電機主要由定子、轉子、繞組和機座等構成[1-2]。交變的電流通過繞組，在氣隙中產生以一定速度旋轉的磁場，轉子中導條或者繞組在磁場中產生感應電流，帶電導體在磁場中受到安培力的作用，從而形成驅動轉子運動的轉矩[3-4]。目前，國內外缺乏電動機風道對電動機穩定溫升值影響的研究。電動機在額定負載運行時，尾部風扇從尾部通過冷卻介質，將電動機的熱量通過外殼散熱片帶走，對電動機起到降溫作用。但是，如果電動機長時間運行在灰塵較大的煤礦廠、砂石廠、石灰廠中，且不能及時清理電動機尾部風罩孔，冷卻空氣流通就會不暢，導致散熱效果較差，使得電動機穩定運行時的溫升值較高，而這其中電動機的風道開度對溫升值影響程度尚未明確。

通過本項目的研究，有利于建立電機風道開度與效率之間的關系，研究不同開度下的定子損耗和轉子損耗，指導使用者根據電機工況及時清理風罩通風孔，使電機高效率運行，達到節能目的。通過上述關聯關系，根據某已知風道開度下的電機溫升值推算其他開度情況下的溫升值，可以預估長時間工作在灰塵較大導致風道通風孔被堵的電機，其工作時的穩定溫升是否仍符合標準要求，是否可以繼續安全運行，與此同時，電機穩定溫升的不同，必然引發輸出效率的改變。

使用者明晰風道進風量對溫升值的影響，能夠促進電動機使用過程中的防護工作。有利于電動機使用者根據研究成果，關注風道通暢情況對電機效率的影響，并且依據風道開度以及溫升值、定轉子損耗、效率之間的聯系，通過人工干預，使電機工作在高效率狀態下，預計每年能夠節約幾百萬千瓦時的電能。同時，設計人員根據本項目的研究成果能夠兼顧電機生產成本和電機使用安全，為合理設計電機進風罩提供參考。

1 熱試驗基本要求

利用直接法進行電機的熱試驗，在試驗中應在額定電壓、額定頻率和額定負載或銘牌額定電流下進行。按照連續工作S1 制下的電機，每隔30 min 記錄一次電機的三相端電壓U、三相線電流I、輸入功率P、頻率f、轉速n、轉矩T、繞組溫度θ（通常為PT100 測量的溫度）以及定子鐵芯、軸承、風道進出口冷卻介質溫度和環境溫度。

試驗前，需在冷態情況下利用直流電阻測試儀量取三相繞組電阻，計算溫升的過程中，會利用冷態繞組的阻值。擬選擇不同系列不同功率的電動機（如0.37～315 kW 的YX 系列或0.37～315 kW 的YE 系列），依據GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》和GB/T 755—2019《旋轉電機定額和性能》進行熱試驗。其中在試驗結果的處理上，考慮按照GB/T 755—2019 非基準條件下的定額將間接冷卻繞組在運行地點的溫升值修正到同一環境溫度下開展研究。假設取型號為YX3-112M-4 的電動機，通過堵風道的方式控制電機風道開度。按照前文交代的分別實施40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%風道開度試驗。為了便于試驗，將紙板進行環型切割，采取從外圈向內的堵風道的模式，即90%開度對應堵10%風罩面積，根據計算選取相應大小的圓形紙板堵住風罩。100%開度對應不堵風道。將待試驗電動機在額定負載進行熱試驗。熱試驗過程中需要注意將電動機保持在額定負載工況下運行。

通過對不同系列不同功率的電動機進行大量試驗，得到不同開度對應的電動機溫升值，并進行分析計算和制表作圖，找出對應的關系。電動機在復雜工況下，使用者在明晰風道開度或進風量與溫升值之間的影響關系時，能夠指導使用者在風道進風不暢情形下預估工作中電動機的實際溫度。與此同時，在電動機設計過程中，設計人員在明晰風道開度或進風量與溫升值之間的關系的情況下，根據研究成果為電動機風罩設計提供參考。

2 三相異步電動機的熱試驗計算原理

熱試驗在電機穩定之后，進行斷電停機，對于S1工作制的電機，熱試驗進行到相隔30 min 的相繼兩個PT100 讀數變化在1 K 之內，即可視為穩定。電機停機后，測取的并非是0 s 時的電阻，而是間隔10～60 s的幾組數據，記錄5～10 組數據，利用外推法獲得0 s時的熱態繞組阻值。

電機熱試驗是通過對被試電機相關參數進行測量，如電機繞組的冷態電阻、冷態環境溫度，熱態環境溫度、電機繞組的熱態電阻等。為了獲得以上參數的數值，必須按一定的試驗步驟進行檢測：①將被試電機吊放到合適的實驗室，并和陪試機一起固定在合適的試驗平臺上；②接好電纜、溫度傳感器PT100（或熱電偶）及其他測試所需儀器儀表等；③等到被試電機繞組冷態溫度基本等于環境溫度時，測量電機三相繞組的冷態電阻，并記錄其阻值和此時的冷態溫度；④被試電機通電至額定電壓和額定頻率狀態后，再加載至額定負載進行熱試驗，一般被試電機經過3～5 h額定負載的運行，基本能達到熱平衡；⑤電機熱平衡后，停機后在規定的時間內測量電機繞組的熱態電阻，觀察被試電機繞組溫度在1 h 內溫度變化，如果是在1 K 內，說明電機繞組熱平衡達到即可停機，并等電機完全停下來，及時在規定時間內測量第一時刻的電機繞組電阻，并在連續時間間隔測量5～7 個時刻的電機繞組電阻。通過上述試驗過程可以將被試電機熱試驗所需參數全部測量并記錄好，然后對試驗數據進行計算并得出電機繞組的溫升值。

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計算公式如下：

式（1）中：Rw為外推至t=0 時的熱態繞組電阻，Ω；Rc為熱試驗開始前測得的冷態繞組電阻，Ω；θc為測量Rc時的繞組實際溫度，℃。

采用電阻法計算定子繞組溫升Δθ，計算公式為：

式（2）中：RN為電停機后測得的第一點熱態端電阻，Ω；Rc為熱試驗開始前測得的冷態繞組電阻，Ω；θb為試驗結束時的冷卻介質溫度，℃。

4 影響電機溫升結果因素的分析

用埋置溫度計法和溫度計法測電機繞組溫度時必須要測取電機熱平衡時的繞組最高溫度。電機冷卻介質為空氣時，由于電機繞組發熱，熱量由里及外散發。又由于風扇從電機一端部對電機吹風的情況下，電機內部的溫度肯定不是均勻分布。所以試驗前多布置溫度傳感器，熱試驗平衡時讀取電機繞組溫度的最高值。由于溫度傳感器埋置時，可能出現埋置點不合適以及與電機繞組接觸不好等因素，導致得不到電機繞組溫度真實的最高值。試驗過程中環境溫度在不停地變化會影響電機最終熱平衡點位置，從而影響電機繞組溫度最高值的測量。由于電機散熱從里往外，環境溫度變化不會導致電機繞組溫度的同步變化。因此在結合公式計算出電機繞組溫升時，就會發現環境溫度變化和溫度傳感器埋置都會影響最后的溫升計算結果。而采用電阻法確定定子繞組溫升時，就不會因電機溫度分布不均勻問題而導致采集不到電機繞組的真實溫度，從而不能準確計算電機的溫升。但環境溫度在測量時就必須精準測量，否則對電機溫升值有一定的影響，特別是電機繞組冷態電阻值的測量，一定要求環境溫度變化不要太快，否則無法測量到電機繞組準確的冷態電阻值。如果電機的試驗區比較空曠，試驗室內的溫度會受到室外氣溫的影響。可能上午氣溫是10 ℃，到了下午14：00 左右的時候氣溫就升到20 ℃，并且一直在變化。這種情況很難找到電機的熱穩定狀態，也會造成熱平衡停機的熱態電阻測量不準確。

5 型式試驗

現場試驗圖如圖1 所示。在試驗中，取電機型號為 YX3-112M-4 、 YX3-180M-4 、 YX3-250M-4 和YX3-315M-4 的三相四極電機進行溫升試驗，電機的相關參數如表1 所示。陪試機選用相應額定功率的4 極電動機。

圖1 加裝風道前后的現場試驗圖

表1 試驗樣機的參數表

對不同型號的電機進行不同風道開度工況下的型式試驗，首先在4 個試驗操作臺上對4 臺電動機同時開展電機溫升試驗，然后在三相異步電動機的試驗系統中開展不同風道開度的溫升試驗，最后得到相應的溫升值。

對應風道開度測取的定子繞組溫升值如表2所示。定子繞組溫升與風道開度的試驗結果圖如圖2 所示。設風道開度為a，定子繞組溫升為ΔT，根據結果圖2可 以 擬 合 得 到 YX3-112M-4 、 YX3-180M-4 、YX3-250M-4 和YX3-315M-4 四種電機型號的關系式分別為：

表2 試驗結果（單位：K）

圖2 定子繞組溫升與風道開度的試驗結果圖

6 結論

根據不同風道開度下電機溫升試驗的結果可知，對于同一臺三相四極電機型號，隨著風道開度的增加，定子繞組溫升變化趨勢較為明顯，呈現逐漸降低的趨勢，風道開度每增加10%，定子繞組溫升減少約2 K。對于同一個風道開度，隨著三相四極電機中心高的增加，定子繞組溫升逐漸減小，電機中心高每增加65 mm左右，定子繞組溫升減少約2 K。因此對于三相異步電動機而言，定子繞組溫升會隨著風道開度的增加而減少，另外定子繞組溫升也會隨著電機中心高的增加而減小。