冷凝風(fēng)機(jī)電機(jī)溫升測(cè)試分析

鄒建平

約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司，廣東 廣州 511685

0 引言

隨著人們生活水平的提高，節(jié)能減排是社會(huì)發(fā)展的要求。特別是在空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)零部件的效率、壽命也比以前提升了一個(gè)檔次。電機(jī)作為空調(diào)設(shè)備中關(guān)鍵部件之一，它的壽命長(zhǎng)短對(duì)空調(diào)設(shè)備的影響至關(guān)重要，因此在空調(diào)設(shè)計(jì)選型中對(duì)電機(jī)的可靠性要求也越來(lái)越高，而溫升是考核電機(jī)可靠性的最重要的因素之一。

電機(jī)溫度是指電機(jī)各部分實(shí)際發(fā)熱溫度,它對(duì)電機(jī)的絕緣材料影響很大,溫度過(guò)高會(huì)使絕緣老化縮短電動(dòng)機(jī)壽命,甚至導(dǎo)致絕緣破壞。為使絕緣不致老化和破壞,對(duì)電機(jī)繞組等各部分溫度作了限制,這個(gè)溫度限制就是電機(jī)的最高允許溫度。電機(jī)的絕緣等級(jí)是指其所用絕緣材料的耐熱等級(jí)，分A、E、B、F、H 級(jí)[1]。

表1 電機(jī)絕緣等級(jí)參數(shù)

從表1可知，電機(jī)中不同耐熱等級(jí)的絕緣材料有不同的最高允許工作溫度。而最高允許工作溫度是指低于此溫度長(zhǎng)期使用時(shí)，絕緣材料的物理、機(jī)械、化學(xué)和電氣性能不發(fā)生顯著惡性變化，如果超過(guò)此溫度，則絕緣材料的性能發(fā)生質(zhì)變，或引起快速老化。

1 電機(jī)溫升測(cè)試方法介紹

為驗(yàn)證電機(jī)的使用壽命、穩(wěn)定性等特性，通常會(huì)測(cè)試它的溫升。溫升是電機(jī)溫度與環(huán)境溫度的溫度差（溫升=電機(jī)溫度－環(huán)境溫度，單位:K），是由電機(jī)發(fā)熱引起的。溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它標(biāo)志著電機(jī)的發(fā)熱程度。電機(jī)的最高允許溫度確定了，此時(shí)溫升的限值就取決于冷卻介質(zhì)的溫度。一般電機(jī)冷卻介質(zhì)是空氣，它的溫度隨地區(qū)及季節(jié)而不同，為了制造出能在全國(guó)各地全年都能適用的電機(jī)，并明確統(tǒng)一的檢查標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:冷卻空氣的溫度定為40oC。在此環(huán)境溫度下，電機(jī)繞組的溫升限值:如F級(jí)絕緣為115K。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)額定輸出為200kW（或kVA）及以下交流電機(jī)，除非另有規(guī)定，制造廠應(yīng)選用電阻法的直接測(cè)量法[2]。在一定的溫度范圍（-50℃～150℃）內(nèi)，電機(jī)繞組的電阻值將隨著溫度的上升而相應(yīng)的增加，而且其阻值與溫度之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)這一原理，可以通過(guò)測(cè)定電機(jī)繞組的電阻來(lái)確定其溫度，故稱電阻測(cè)量法。

以約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司某項(xiàng)目開發(fā)的2個(gè)風(fēng)機(jī)電機(jī)為研究對(duì)象，其規(guī)格為380V/3￠/50Hz、絕緣等級(jí)為F級(jí)、額定功率為2HP三相交流異步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱電機(jī)）。此電機(jī)用于某型號(hào)空調(diào)設(shè)備換熱器中，其原理是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，從而把熱量排放到大氣中而實(shí)現(xiàn)熱交換。結(jié)合約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司的應(yīng)用，電機(jī)裝配風(fēng)葉且放在機(jī)組中以實(shí)際負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。

據(jù)此，我們策劃了以下測(cè)試工況:

1）被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）在不同環(huán)境溫度（從21℃～52℃）下運(yùn)行。測(cè)試要求:在此溫度范圍內(nèi)取四個(gè)溫度點(diǎn)，被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）100%負(fù)荷運(yùn)行，工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不小于2小時(shí)且測(cè)試數(shù)值已穩(wěn)定，被測(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉必須在20s內(nèi)停止，立即記錄數(shù)據(jù)；2）被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）在環(huán)境溫度為“最大制冷負(fù)荷[3]”時(shí)環(huán)境溫度（43℃）+不同電機(jī)供電電壓（額定電壓±10%）下運(yùn)行。測(cè)試要求:測(cè)試電壓分別為340V和418V，被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）100%負(fù)荷運(yùn)行，工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不小于2小時(shí)且測(cè)試數(shù)值已穩(wěn)定，被測(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉必須在20秒內(nèi)停止，立即記錄數(shù)據(jù)；3）被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）在環(huán)境溫度為“最大制冷負(fù)荷[3]”時(shí)環(huán)境溫度（43℃）+不同換熱器迎風(fēng)面風(fēng)阻（堵?lián)Q熱器迎風(fēng)面積20%～100%）下運(yùn)行。測(cè)試要求:被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）100%負(fù)荷運(yùn)行，用紙片堵?lián)Q熱器 20%、40%、60%、80%、100%迎風(fēng)面積，每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不小于2小時(shí)且測(cè)試數(shù)值已穩(wěn)定，被測(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉必須在20s內(nèi)停止，立即記錄數(shù)據(jù)；4）被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）在環(huán)境溫度為“空調(diào)設(shè)備的最高運(yùn)行溫度（52℃）”+額定電壓下運(yùn)行。測(cè)試要求:被測(cè)電機(jī)（機(jī)組）100%負(fù)荷運(yùn)行，工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不小于2小時(shí)且測(cè)試數(shù)值已穩(wěn)定，被測(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉必須在20s內(nèi)停止，立即記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)及分析

按測(cè)試策劃要求，電機(jī)被安排在實(shí)驗(yàn)室作為期7天的連續(xù)測(cè)試，在各工況測(cè)試過(guò)程中采集記錄了近百組數(shù)據(jù)。按規(guī)定，溫升（θ2-θa）可按下式得[2]:

式中:θ1為測(cè)量繞組（冷態(tài)）初始電阻時(shí)的溫度，單位為攝氏度（℃）；

θ2為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)繞組的溫度，單位為攝氏度（℃）；

θa 為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷卻介質(zhì)溫度，單位為攝氏度（℃）；

R1為溫度為θ1時(shí)的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

R2為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

K為導(dǎo)體材料在0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)。銅 K=235，鋁K=225，除非另有規(guī)定。

將測(cè)試數(shù)據(jù)代入式（1），計(jì)算整理可得溫升隨環(huán)境溫度、電壓、風(fēng)阻的變化趨勢(shì)如圖1所示:

圖1 實(shí)測(cè)溫升隨環(huán)境溫度、電壓、風(fēng)阻的變化趨勢(shì)

從圖1 分析可得:

1）電機(jī)A的實(shí)測(cè)溫升比電機(jī)B低25%～40%，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電機(jī)A的設(shè)計(jì)功率大于電機(jī)B，所以電機(jī)A的溫升比電機(jī)B好。雖然電機(jī)A溫升低于電機(jī)B，但功率會(huì)影響空調(diào)設(shè)備的能效，故在滿足溫升的要求同時(shí)，消耗功率應(yīng)越小越好；2）實(shí)測(cè)溫升隨著電機(jī)的冷卻介質(zhì)溫度升高而上升，隨著供電電壓的增加而平緩上升，同樣，電機(jī)溫升也會(huì)隨著換熱器風(fēng)阻的變大而增加，特別是風(fēng)阻從40%到60%這個(gè)階段，電機(jī)的溫升急驟變化，上升幅度接近20K。值得注意的是，當(dāng)換熱器風(fēng)阻在80%～100%時(shí)，電機(jī)溫升會(huì)繼續(xù)上升，但在實(shí)際應(yīng)用中，這種情況幾乎是不會(huì)出現(xiàn)的，因?yàn)閾Q熱器風(fēng)阻的增加到80%～100%時(shí)，空調(diào)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)在高（低）壓保護(hù)停機(jī)，所以此區(qū)間的測(cè)試數(shù)據(jù)只作參考。

通過(guò)以上的測(cè)試結(jié)果分析可得，電機(jī)A和電機(jī)B在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中無(wú)異常停機(jī)現(xiàn)象，且溫升也可以滿足絕緣等級(jí)F級(jí)要求。但從效率和經(jīng)濟(jì)性考慮，電機(jī)B優(yōu)于電機(jī)A。

根據(jù)本次測(cè)試分析結(jié)果筆者認(rèn)為，如果只在常溫及電機(jī)額定電壓下測(cè)試溫升的話，并不能全面反映電機(jī)的溫升，因?yàn)樗淮砹穗姍C(jī)一個(gè)溫升狀態(tài)點(diǎn)。我們?cè)谧鲭姍C(jī)測(cè)試策劃時(shí)應(yīng)考慮到機(jī)組各種應(yīng)用工況，特別是應(yīng)用在一些特殊場(chǎng)所。

3 結(jié)論

1）電機(jī)溫升隨著電機(jī)的冷卻介質(zhì)溫度升高而上升，在測(cè)試電機(jī)溫升時(shí)須在電機(jī)的最高運(yùn)行環(huán)境溫度下進(jìn)行，這樣不僅可以測(cè)試溫升，同時(shí)也可以驗(yàn)證電機(jī)在最惡劣的環(huán)境下是否出現(xiàn)內(nèi)置保護(hù)器跳脫；2）電機(jī)溫升隨供電電壓的增加而平緩上升，因中國(guó)的電網(wǎng)供電電壓允許波動(dòng)范圍為±10%，所以在測(cè)試電機(jī)溫升時(shí)必須包括電機(jī)額定電壓±10%的兩個(gè)溫升值；3）電機(jī)溫升隨著換熱器風(fēng)阻的變大而上升，因?yàn)闄C(jī)組實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)組的換熱器會(huì)臟，或者機(jī)組在冬季運(yùn)行時(shí)，換熱器會(huì)結(jié)霜（冰），從而會(huì)增加換熱器的風(fēng)阻，所以在測(cè)試電機(jī)溫升時(shí)必須包含堵60%～80%換熱器迎風(fēng)面積的溫升。

[1]電氣絕緣結(jié)構(gòu)（EIS）GB/T 20113-2006/IEC 62114:2001 [M].

[2]旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能 GB 755-2008/IEC 60034-1:2004 [M].

[3]蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組第1部分:工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組 GB/T 18430.1-2007[M].