實(shí)驗(yàn)室工程師知識(shí)點(diǎn)分享：淺談變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升與對(duì)策，技術(shù)人員建議必看！
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1 引言
為節(jié)約能源和改善工藝控制，越來越多的工業(yè)過程利用變頻器來提高生產(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Zui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，然后通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原理分析相結(jié)合的方法說明變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升問題，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)絕緣是聚脂樹脂、環(huán)氧樹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Zui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Zui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圍冷卻介質(zhì)的溫度之差稱為該部件的溫升，一般用θ表示。當(dāng)該部分所用絕緣材料確定后，部件的Zui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)Zui高環(huán)境溫度比40℃高出δt0時(shí)（δt0不超過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Zui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］：
?。?）高次諧波帶來的定子和轉(zhuǎn)子附加銅損耗；
?。?）高次諧波帶來的定子附加鐵耗；
?。?）高次諧波帶來的附加雜散損耗；
（4）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。
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)。
傳感器安裝位置說明：
轉(zhuǎn)子：13（軸中心），14（軸伸側(cè)表面），15（風(fēng)扇側(cè)表面）；
定子繞組端部：1（軸伸側(cè)），10（風(fēng)扇側(cè)）；
定子鐵心槽部：17（軸伸側(cè)），4（風(fēng)扇側(cè)）；
殼內(nèi)空間氣隙：8（軸伸側(cè)），19（軸伸側(cè)靠近定子繞組），20（風(fēng)扇側(cè)）；電動(dòng)機(jī)殼體：6。
工頻正弦和變頻電源供電的情況下，每一個(gè)溫度點(diǎn)都測(cè)量大量的數(shù)據(jù)，由Zui小二乘法得到該點(diǎn)的溫度曲線。
圖2所示是滿載條件下，由變頻器和正弦電源分別供電時(shí)對(duì)應(yīng)各測(cè)量點(diǎn)的溫度曲線。圖3所示是變頻器供電電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷條件下的溫度曲線（工作頻率為50hz）。圖4所示是正弦波供電時(shí)不同負(fù)載條件下的溫度曲線圖。
顯而易見，在變頻器和正弦電源供電條件下，溫度曲線具有相同的上升趨勢(shì)。由變頻器諧波引起的附加溫升較大，定子側(cè)為7℃左右（位置1），轉(zhuǎn)子側(cè)大約為15℃（位置13）。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料相似的其他容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，上述結(jié)果同樣適用。另外，電動(dòng)機(jī)各部位溫度分布差異很大，定子端部繞組（位置1）的溫度低于定子中心（位置17）溫度，這是因?yàn)槎ㄗ佣瞬坷@組冷卻條件比較好；同時(shí)由于風(fēng)扇的冷卻作用，風(fēng)扇側(cè)的定子端部繞組（位置10）溫度和殼內(nèi)空間氣隙（位置20）溫度均低于相應(yīng)軸伸側(cè)的定子端部繞組（位置1）溫度和殼內(nèi)氣隙（位置8）溫度。由于熱量傳遞的復(fù)雜性以及冷卻條件的不一致，溫度和損耗的關(guān)系是非線性的。
對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)銅耗和發(fā)熱量降低，雖然低速時(shí)冷卻能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但電動(dòng)機(jī)溫升增大的不會(huì)太多。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電動(dòng)機(jī)銅耗和發(fā)熱量并不比高速運(yùn)行時(shí)小，而低速時(shí)冷卻能力卻降低了，因此電動(dòng)機(jī)溫升將會(huì)有較大的增大，使用時(shí)要特別注意。
表2給出了變頻器供電條件下y100i2-4型自扇冷式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)溫升的影響實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)。
由上表中可以看出變頻調(diào)速時(shí)，雖然電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、輸出功率都隨頻率的下降而降低（即發(fā)熱量減?。妱?dòng)機(jī)的溫度卻升高了，特別是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在30hz以下時(shí)，溫升尤其嚴(yán)重。因此可見，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行后其溫升增加幾乎是不可避免的，特別是普通電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，極易發(fā)生過熱現(xiàn)象。為此，了解電動(dòng)機(jī)的溫升緩解方法是十分重要的。
圖5中，容許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩表示通用電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以將電機(jī)溫升限制在規(guī)定值以內(nèi)的容許轉(zhuǎn)矩值。如用220v、60hz電源以20hz的速度連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩在電機(jī)額定值的80%以內(nèi)，則可以使電機(jī)的溫升不超過規(guī)定值。Zui大轉(zhuǎn)矩表示通用電機(jī)用變頻器傳動(dòng)時(shí)電機(jī)可以產(chǎn)生的Zui大轉(zhuǎn)矩值。以此轉(zhuǎn)矩值不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以為短時(shí)定額。
在提高散熱能力方面的具體措施：
?。?）選用變頻專用電動(dòng)機(jī)或采用強(qiáng)迫通風(fēng)式電動(dòng)機(jī)。
?。?）改造原有設(shè)備，另設(shè)專用冷卻風(fēng)扇。
另外，如果生產(chǎn)工藝允許，限制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的Zui低頻率，保證自扇冷式電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的冷卻能力，也是一種簡(jiǎn)單有效的方法。
值得指出的是，目前大量使用的普通中小型交流電動(dòng)機(jī)都是按恒頻/恒壓（50hz/380v）設(shè)計(jì)的，為了降低成本這些電動(dòng)機(jī)都是自帶風(fēng)扇型冷卻的，冷卻風(fēng)量也是基本按電動(dòng)機(jī)額定速度設(shè)計(jì)的，較少考慮電動(dòng)機(jī)調(diào)速（降速）后，自扇冷式電動(dòng)機(jī)的散熱能力下降的問題。在變頻器廣泛應(yīng)用的今天，這種電動(dòng)機(jī)實(shí)際上已經(jīng)不能適應(yīng)變頻調(diào)速的要求，變頻電動(dòng)機(jī)是理想的選擇之一。相比普通交流電動(dòng)機(jī)，目前變頻電動(dòng)機(jī)價(jià)格昂貴，許多企業(yè)難以承受。改造中小型電動(dòng)機(jī)冷卻方式，即采用他扇冷式這種以往多用于大型電動(dòng)機(jī)的冷卻方式，是一種簡(jiǎn)單有效且價(jià)廉物美的方案。
應(yīng)用通用變頻器改造舊有的普通異步機(jī)恒速系統(tǒng)時(shí)，尤其應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)問題。對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如風(fēng)機(jī)、水泵）一般直接選用容量適當(dāng)?shù)淖冾l器即可；但是對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)注意實(shí)測(cè)或估算電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率，判明電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗與電動(dòng)機(jī)余量。對(duì)于調(diào)速范圍比較寬的電動(dòng)機(jī)，特別是具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速兩個(gè)運(yùn)行范圍的電動(dòng)機(jī)，不能采用自扇冷式電動(dòng)機(jī)，這種方式對(duì)高速和低速都不利，低速時(shí)冷卻效果差，高速時(shí)冷卻能力過剩使系統(tǒng)效率下降。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文研究了變頻器供電條件下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫升問題，分析了由于電動(dòng)機(jī)的損耗和散熱問題所引起的電動(dòng)機(jī)溫升增大的原因，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳實(shí)的說明電動(dòng)機(jī)的溫度分布規(guī)律和變頻電源對(duì)電機(jī)溫升的影響，提出了減少損耗和改善散熱方面的具體措施，為解決電動(dòng)機(jī)溫升問題提供了參考。
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