3kW及以下異步電動機定子繞組溫升性能研究

王憲安 王灝 陳劍

摘 要：溫升是反映電機性能最重要的指標參數，直接影響著電機的故障概率和使用壽命。主要針對3kW及其以下異步電動機定子繞組的溫升性能，對溫升的相關影響因素進行了提取和分析，并對異步電動機定子繞組溫升的檢測經驗和重要性進行了詳細的研究與闡述。

關鍵詞：異步電動機；溫升；檢測

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.36.099

1 引言

目前，微小型異步電動機特別是3kW及其以下異步電動機常見故障一般可歸納為機械故障和電氣故障兩類，機械故障包括機械噪聲、機械變形、掃膛、外殼碎裂、漆膜脫落等，電氣故障包括繞組燒毀、電磁噪聲、外殼帶電等。一般來說，3kW及其以下異步電動機最常見的故障為機械噪聲與繞組燒毀。其中，機械噪聲主要體現部件為電機軸承，產生原因為軸承軸向間隔不當、內部進水、軸承溫度過高、環境選型不當等因素。繞組燒毀主要體現部件為定子繞組，產生原因為缺相、匝間短路、相間短路、過載、三相不平衡等因素，其中以缺相原因最多。而在3kW及其以下異步電動機應用中，產生機械故障相對于電氣故障來說，機械故障受工藝及使用環境影響較大，占故障比例相對較小，因此，3kW及其以下異步電動機故障主要仍以電氣故障為主。

電動機性能最主要的評價指標是電動機的溫升，也就是說電動機主要故障基本都與溫升有關，包括電動機定子繞組溫升、鐵芯溫升、軸承溫升等。其中定子繞組溫升引起的電機故障最為常見（占故障比例最大）。以3kW及其以下異步電動機為例，其定子繞組一般為星形連接，缺相（一般缺一相電）會造成定子繞組兩相溫升過高，匝間短路、相間短路及三相不平衡均會造成定子繞組局部溫升過高，過載會造成定子繞組整體溫升過高等等。因此，溫升是檢驗電機性能最通用、最重要的指標參數。

2 影響溫升的常見因素

2.1 負載影響

一是恒定功率負載，電動機在額定電壓、頻率下工作，恒定功率負載過載會引起異步電動機輸出功率增加，輸入電流過大，效率減少，定子繞組溫升較高。過載嚴重（或過載運行時間較長）時，定子繞組溫升過高（或長期在高于耐熱等級條件下運行）會引起異步電動機繞組燒毀。因此，在異步電動機應用時，應避免異步電動機過載運行，即小馬拉大車。

二是可變負載，負載會隨著環境（如大氣壓力、溫度等）等因素變換而變化。因此，電動機在額定電壓、頻率下工作，在不同環境內可能會出現在有的環境是額定負載內運行，有的環境屬于過載運行（有繞組燒毀的風險）。因此，對于可變負載來說，在異步電動機應用時，要考慮最殘酷環境條件下的異步電動機的溫升，使其滿足異步電動機部件及絕緣等級的要求。

2.2 電源影響

一是電源缺相，一般情況以斷一相電居多，又由于3kW及其以下異步電動機一般定子繞組為星形連接，當出現缺相（斷一相電）的情況時，會造成未斷電的兩相定子繞組中電流增大較多，從而使該兩相定子繞組溫升過高，導致其兩相對稱燒毀。缺相目前是異步電動機溫升過高燒毀最多的原因。

二是電源電壓過低，在3kW及其以下異步電動機帶額定負載運行時，電壓過低會導致異步電動機的輸入電流過大，等同于異步電動機的過載運行，會造成異步電動機定子繞組電流整體增大，從而使三相定子繞組溫升過高，導致其整體燒毀。

三是電源電壓三相不平衡，在3kW及其以下異步電動機帶額定負載運行過程中，較小的電壓不平衡會造成較大的三相電流不平衡，致使異步電動機個別相定子繞組電流過大，溫升過高，導致其繞組局部燒毀。

2.3 外殼影響

一是異步電動機外殼材質，其導熱性能對異步電動機的溫升也影響較大，目前，3kW及其以下異步電動機外殼材質常見為鋼板材質、鋁材質及鑄鐵材質三種。材質的導熱性能關系到電機外部的散熱性能及電機運行時的溫升積累，導熱好的材料能夠使異步電動機額定負載長時間運行時的散熱性能完全滿足其本身運行的生成熱量，避免溫升積累現象。

二是異步電動機外殼形狀，其外殼形狀與異步電動機表面的散熱面積息息相關，在外殼材質確定，異步電動機外殼的散熱面積直接影響其散熱性能，目前異步電動機多采用加散熱筋的形式來增加其外殼的散熱面積。也就是說，在異步電動機尺寸與結構強度允許的情況下，適當地增加異步電動機外殼的散熱面積也能有效地抑制溫升積累。

2.4 絕緣影響

一是異步電動機的絕緣材料，按照不同的絕緣材料和標準，一般分為A、E、B、F、H五個等級，其中A絕緣等級最低，H絕緣等級最高。不同絕緣等級絕緣材料的耐熱溫度也是不同的，絕緣等級越高，異步電機定子繞線繞組允許的溫升就越高，其本身的耐溫能力就越強。

二是異步電動機絕緣性能，其絕緣層受環境和工藝的影響較大，絕緣層不均勻、局部被刮傷、局部被腐蝕以及局部被擊穿造成的絕緣局部薄弱，容易導致異步電動機定子繞組匝間短路、相間短路以及外殼帶電，從而使異步電動機定子繞組局部溫升過高，造成繞組局部燒毀。

3 溫升的檢測

目前微小型異步電動機最常用的溫升測試方法為電阻法測試，異步電動機電阻法溫升計算如公式（1）、公式（2）所示：

R熱態R初始=k+θ熱態k+θ初始（1）

θ=θ熱態-θ熱態環溫（2）

式中參數：

R熱態-熱試驗結束時的繞組電阻；

R初始-電機沒運轉時的冷態繞組電阻；

θ熱態環溫-熱試驗結束時的環境溫度；

θ初始-電機沒運轉時冷態的環境溫度；

k-導體材料在0℃時電阻溫度系數的倒數，銅材料k取235，鋁材料k取225；

θ-電機定子線圈的溫升。

考慮到試驗溫度的要求，溫升測試應盡量在類似恒溫的房間內進行，同時，電阻法測試需要等效到熱試驗結束0時刻的熱態電阻值，這就需要很短時間內進行多點測量記錄，然后反推至熱試驗結束0時刻的熱態電阻值，進行溫升計算。然而，很多異步電動機應用方，一般沒有電動機溫升測試專用設備，無法短時內多點測量記錄。只能通過電阻測量儀器，簡單手動地對斷電停轉短時內的熱態電阻進行單點測量，這就導致了測量時間要超出熱試驗結束0時刻幾秒乃至十幾秒的時間，導致熱態電阻測量值略低（短時間內差距不大），但是，在斷電測量時間超出熱試驗結束0時刻時間越久，熱態電阻測量值越偏低（最低為冷態電阻值），從而導致計算的溫升就越偏低。因此，對于單點測試時刻點離異步電動機熱試驗結束斷電停轉瞬間0時刻越近，測量的溫升越接近準確值。

4 結束語

溫升可以檢驗異步電動機的帶載能力，同時也為異步電動機的選型及應用提供重要的參考依據。隨著異步電動機的不斷發展，對其絕緣能力和溫升的要求也越來越高，即常見的B級絕緣等級逐漸向F級及以上絕緣等級趨勢發展，并且溫升要求也逐步嚴格，對于F級及以上絕緣等級的溫升，逐漸采用降級評判的方法，例如F-B、H-F法。因此，為保障異步電動機的可靠性、可用性和安全性，必須要把溫升作為異步電動機應用的重要著眼點去考慮，溫升才是減少異步電動機應用故障最基本的指標。

參考文獻

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