淺談變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升與對(duì)策
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時(shí)間：2016-12-16
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為節(jié)約能源和改善工藝控制，越來(lái)越多的工業(yè)過(guò)程利用變頻器來(lái)提高生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合效率。變頻器輸出的pwm脈沖電壓諧波成分豐富、脈沖頻率高且上升沿陡直，這種狀況與用50hz的交流正弦波驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的狀況大不相同，在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部將不可避免地產(chǎn)生損耗，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高。當(dāng)溫升超過(guò)最高容許工作溫度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的使用壽命將大幅縮短。為此，研究電動(dòng)機(jī)的溫升問(wèn)題及其緩解對(duì)策是十分重要的。此外，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件不同，電機(jī)內(nèi)部各個(gè)部分的溫度分布和溫升也不完全相同［1］，然而目前卻很少有具體的數(shù)據(jù)資料可供參考。
本文首先介紹電動(dòng)機(jī)的溫升限度，然后通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原理分析相結(jié)合的方法說(shuō)明變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升問(wèn)題，進(jìn)而介紹緩解溫升的對(duì)策。
2 電動(dòng)機(jī)的溫升限度
電動(dòng)機(jī)中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為a、e、b、f和h等五級(jí)。a級(jí)絕緣采用經(jīng)過(guò)浸漬或使用時(shí)浸于油中的棉紗、絲和紙等有機(jī)材料，e級(jí)絕緣是聚脂樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及三醋酸纖維等制成的絕緣薄膜，b、f、h級(jí)絕緣的基本材料均為云母、石棉及玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性能不同。表1列出各級(jí)絕緣的最高容許工作溫度。
上述耐熱能力是指可以長(zhǎng)期在該溫度下使用。當(dāng)工作溫度超過(guò)最高容許工作溫度時(shí)，使用壽命將迅速縮短。試驗(yàn)表明，對(duì)a級(jí)絕緣，若一直處于90～95℃時(shí)，其使用壽命可達(dá)20年；當(dāng)工作溫度在95℃以上時(shí)，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（俗稱(chēng)8℃定理）；例如一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。
一般電動(dòng)機(jī)多用e級(jí)和b級(jí)絕緣。要求在高溫場(chǎng)合下使用的電動(dòng)機(jī)，如起重及冶金用電動(dòng)機(jī)，常采用f級(jí)和h級(jí)絕緣。
電動(dòng)機(jī)某一部分的溫度和周?chē)鋮s介質(zhì)的溫度之差稱(chēng)為該部件的溫升，一般用θ表示。當(dāng)該部分所用絕緣材料確定后，部件的最高容許工作溫度就確定了，此時(shí)溫升限度就取決于冷卻介質(zhì)的溫度。冷卻介質(zhì)的溫度越高，容許的溫升就越低。
考慮到全國(guó)各地區(qū)和各個(gè)季節(jié)環(huán)境溫度的變化較大，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb755-87（電動(dòng)機(jī)基本技術(shù)要求）明確規(guī)定，在海拔1000m以下時(shí)，環(huán)境空氣溫度規(guī)定為40℃，當(dāng)最高環(huán)境溫度比40℃高出δt0時(shí)（δt0不超過(guò)20℃），溫升限度應(yīng)相應(yīng)地減低δt0；如低于40℃時(shí)，溫升限度一般維持原值不變。當(dāng)海拔在1000m以上，但不超過(guò)4000m時(shí)，溫升限度按試驗(yàn)和使用地點(diǎn)的海拔差別進(jìn)行校正［2］。
電動(dòng)機(jī)試制以后，須進(jìn)行溫升試驗(yàn)以確定其實(shí)際溫升。由于不同的測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果不同，因此在規(guī)定溫升限度的同時(shí)，還應(yīng)規(guī)定測(cè)溫方法。常用的測(cè)量方法有三種：溫度計(jì)法、電阻法和埋置檢溫計(jì)法。國(guó)標(biāo)中所規(guī)定的部件容許最高溫度，也因測(cè)量方法不同而不同。例如環(huán)境空氣溫度為40℃時(shí)，采用b級(jí)絕緣的5000kw以下的交流電動(dòng)機(jī)的交流繞組，其溫升限度規(guī)定為：電阻法—80℃；檢溫計(jì)法—90℃；加上環(huán)境溫度后，其值低于或等于b級(jí)材料的容許工作溫度。
3 變頻供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的溫升
對(duì)于變頻器供電電動(dòng)機(jī)而言，由于高次諧波的存在，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生以下附加損耗［3］：
?。?）高次諧波帶來(lái)的定子和轉(zhuǎn)子附加銅損耗；
?。?）高次諧波帶來(lái)的定子附加鐵耗；
（3）高次諧波帶來(lái)的附加雜散損耗；
?。?）三相異步電動(dòng)機(jī)在高頻下運(yùn)行時(shí)，集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)差銅耗顯著增加。
這些高次諧波電壓和電流產(chǎn)生的附加損耗，致使電動(dòng)機(jī)溫升增大。
另一方面，對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)而言，冷卻風(fēng)扇直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻效果大幅下降，更會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)溫升的提高。通常電動(dòng)機(jī)溫升同冷卻風(fēng)量產(chǎn)生的冷卻效果的關(guān)系為［4］：
式中，q為冷卻風(fēng)量，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的損耗不變，溫升同轉(zhuǎn)速的0.4～0.5次方成反比。
總之，電動(dòng)機(jī)特別是普通電動(dòng)機(jī)在采用變頻器供電時(shí)，由于發(fā)熱和散熱兩方面因素會(huì)致使電動(dòng)機(jī)溫升增大。電動(dòng)機(jī)溫升增大影響繞組的使用壽命，限制電動(dòng)機(jī)的輸出，嚴(yán)重的甚至?xí)龤щ妱?dòng)機(jī)。
文獻(xiàn)［1］介紹的實(shí)際測(cè)量溫升的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于了解電動(dòng)機(jī)的溫度分布規(guī)律特別是變頻電源對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的影響十分有用。以一臺(tái)三相4極230v，2.2kw的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別采用典型的spwm變頻器（運(yùn)行在50hz）和工頻正弦供電，將電機(jī)溫升情況作對(duì)比。采用專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)和制造方法，在電動(dòng)機(jī)體內(nèi)（定子、轉(zhuǎn)子、氣隙、殼體）安置或埋置了20個(gè)熱敏電阻傳感器（性能穩(wěn)定、精度高），其中三個(gè)傳感器放置在轉(zhuǎn)子中。定子端部繞組傳感器位于定子繞組的徑向中心位置（位置1、位置10），一般地，取軸伸端和風(fēng)扇端的兩個(gè)傳感器的溫度平均值作為最終溫度。
溫度傳感器布局如圖1所示。
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