冷凝風機電機溫升測試分析

鄒建平

約克廣州空調冷凍設備有限公司，廣東 廣州 511685

0 引言

隨著人們生活水平的提高，節能減排是社會發展的要求。特別是在空調應用領域，對零部件的效率、壽命也比以前提升了一個檔次。電機作為空調設備中關鍵部件之一，它的壽命長短對空調設備的影響至關重要，因此在空調設計選型中對電機的可靠性要求也越來越高，而溫升是考核電機可靠性的最重要的因素之一。

電機溫度是指電機各部分實際發熱溫度,它對電機的絕緣材料影響很大,溫度過高會使絕緣老化縮短電動機壽命,甚至導致絕緣破壞。為使絕緣不致老化和破壞,對電機繞組等各部分溫度作了限制,這個溫度限制就是電機的最高允許溫度。電機的絕緣等級是指其所用絕緣材料的耐熱等級，分A、E、B、F、H 級[1]。

表1 電機絕緣等級參數

從表1可知，電機中不同耐熱等級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期使用時，絕緣材料的物理、機械、化學和電氣性能不發生顯著惡性變化，如果超過此溫度，則絕緣材料的性能發生質變，或引起快速老化。

1 電機溫升測試方法介紹

為驗證電機的使用壽命、穩定性等特性，通常會測試它的溫升。溫升是電機溫度與環境溫度的溫度差（溫升=電機溫度－環境溫度，單位:K），是由電機發熱引起的。溫升是電機設計及運行中的一項重要指標，它標志著電機的發熱程度。電機的最高允許溫度確定了，此時溫升的限值就取決于冷卻介質的溫度。一般電機冷卻介質是空氣，它的溫度隨地區及季節而不同，為了制造出能在全國各地全年都能適用的電機，并明確統一的檢查標準，國家標準規定:冷卻空氣的溫度定為40oC。在此環境溫度下，電機繞組的溫升限值:如F級絕緣為115K。按國家標準規定，對額定輸出為200kW（或kVA）及以下交流電機，除非另有規定，制造廠應選用電阻法的直接測量法[2]。在一定的溫度范圍（-50℃～150℃）內，電機繞組的電阻值將隨著溫度的上升而相應的增加，而且其阻值與溫度之間存在著一定的函數關系。根據這一原理，可以通過測定電機繞組的電阻來確定其溫度，故稱電阻測量法。

以約克廣州空調冷凍設備有限公司某項目開發的2個風機電機為研究對象，其規格為380V/3￠/50Hz、絕緣等級為F級、額定功率為2HP三相交流異步電動機（以下簡稱電機）。此電機用于某型號空調設備換熱器中，其原理是通過電機帶動風葉旋轉，從而把熱量排放到大氣中而實現熱交換。結合約克廣州空調冷凍設備有限公司的應用，電機裝配風葉且放在機組中以實際負載進行測試。

據此，我們策劃了以下測試工況:

1）被測電機（機組）在不同環境溫度（從21℃～52℃）下運行。測試要求:在此溫度范圍內取四個溫度點，被測電機（機組）100%負荷運行，工況穩定運行時間不小于2小時且測試數值已穩定，被測風機風葉必須在20s內停止，立即記錄數據；2）被測電機（機組）在環境溫度為“最大制冷負荷[3]”時環境溫度（43℃）+不同電機供電電壓（額定電壓±10%）下運行。測試要求:測試電壓分別為340V和418V，被測電機（機組）100%負荷運行，工況穩定運行時間不小于2小時且測試數值已穩定，被測風機風葉必須在20秒內停止，立即記錄數據；3）被測電機（機組）在環境溫度為“最大制冷負荷[3]”時環境溫度（43℃）+不同換熱器迎風面風阻（堵換熱器迎風面積20%～100%）下運行。測試要求:被測電機（機組）100%負荷運行，用紙片堵換熱器 20%、40%、60%、80%、100%迎風面積，每個工況穩定運行時間不小于2小時且測試數值已穩定，被測風機風葉必須在20s內停止，立即記錄數據；4）被測電機（機組）在環境溫度為“空調設備的最高運行溫度（52℃）”+額定電壓下運行。測試要求:被測電機（機組）100%負荷運行，工況穩定運行時間不小于2小時且測試數值已穩定，被測風機風葉必須在20s內停止，立即記錄數據。

2 試驗及分析

按測試策劃要求，電機被安排在實驗室作為期7天的連續測試，在各工況測試過程中采集記錄了近百組數據。按規定，溫升（θ2-θa）可按下式得[2]:

式中:θ1為測量繞組（冷態）初始電阻時的溫度，單位為攝氏度（℃）；

θ2為熱試驗結束時繞組的溫度，單位為攝氏度（℃）；

θa 為熱試驗結束時冷卻介質溫度，單位為攝氏度（℃）；

R1為溫度為θ1時的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

R2為熱試驗結束時的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

K為導體材料在0℃時電阻溫度系數的倒數。銅 K=235，鋁K=225，除非另有規定。

將測試數據代入式（1），計算整理可得溫升隨環境溫度、電壓、風阻的變化趨勢如圖1所示:

圖1 實測溫升隨環境溫度、電壓、風阻的變化趨勢

從圖1 分析可得:

1）電機A的實測溫升比電機B低25%～40%，經研究發現，電機A的設計功率大于電機B，所以電機A的溫升比電機B好。雖然電機A溫升低于電機B，但功率會影響空調設備的能效，故在滿足溫升的要求同時，消耗功率應越小越好；2）實測溫升隨著電機的冷卻介質溫度升高而上升，隨著供電電壓的增加而平緩上升，同樣，電機溫升也會隨著換熱器風阻的變大而增加，特別是風阻從40%到60%這個階段，電機的溫升急驟變化，上升幅度接近20K。值得注意的是，當換熱器風阻在80%～100%時，電機溫升會繼續上升，但在實際應用中，這種情況幾乎是不會出現的，因為換熱器風阻的增加到80%～100%時，空調設備會出現在高（低）壓保護停機，所以此區間的測試數據只作參考。

通過以上的測試結果分析可得，電機A和電機B在整個測試過程中無異常停機現象，且溫升也可以滿足絕緣等級F級要求。但從效率和經濟性考慮，電機B優于電機A。

根據本次測試分析結果筆者認為，如果只在常溫及電機額定電壓下測試溫升的話，并不能全面反映電機的溫升，因為它只代表了電機一個溫升狀態點。我們在做電機測試策劃時應考慮到機組各種應用工況，特別是應用在一些特殊場所。

3 結論

1）電機溫升隨著電機的冷卻介質溫度升高而上升，在測試電機溫升時須在電機的最高運行環境溫度下進行，這樣不僅可以測試溫升，同時也可以驗證電機在最惡劣的環境下是否出現內置保護器跳脫；2）電機溫升隨供電電壓的增加而平緩上升，因中國的電網供電電壓允許波動范圍為±10%，所以在測試電機溫升時必須包括電機額定電壓±10%的兩個溫升值；3）電機溫升隨著換熱器風阻的變大而上升，因為機組實際運行一段時間后，機組的換熱器會臟，或者機組在冬季運行時，換熱器會結霜（冰），從而會增加換熱器的風阻，所以在測試電機溫升時必須包含堵60%～80%換熱器迎風面積的溫升。

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

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

[3]蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組第1部分:工業或商業用及類似用途的冷水（熱泵）機組 GB/T 18430.1-2007[M].