冷凝风机电机温升测试分析

邹建平

约克广州空调冷冻设备有限公司，广东 广州 511685

0 引言

随着人们生活水平的提高，节能减排是社会发展的要求。特别是在空调应用领域，对零部件的效率、寿命也比以前提升了一个档次。电机作为空调设备中关键部件之一，它的寿命长短对空调设备的影响至关重要，因此在空调设计选型中对电机的可靠性要求也越来越高，而温升是考核电机可靠性的最重要的因素之一。

电机温度是指电机各部分实际发热温度,它对电机的绝缘材料影响很大,温度过高会使绝缘老化缩短电动机寿命,甚至导致绝缘破坏。为使绝缘不致老化和破坏,对电机绕组等各部分温度作了限制,这个温度限制就是电机的最高允许温度。电机的绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分A、E、B、F、H 级[1]。

表1 电机绝缘等级参数

从表1可知，电机中不同耐热等级的绝缘材料有不同的最高允许工作温度。而最高允许工作温度是指低于此温度长期使用时，绝缘材料的物理、机械、化学和电气性能不发生显著恶性变化，如果超过此温度，则绝缘材料的性能发生质变，或引起快速老化。

1 电机温升测试方法介绍

为验证电机的使用寿命、稳定性等特性，通常会测试它的温升。温升是电机温度与环境温度的温度差（温升=电机温度－环境温度，单位:K），是由电机发热引起的。温升是电机设计及运行中的一项重要指标，它标志着电机的发热程度。电机的最高允许温度确定了，此时温升的限值就取决于冷却介质的温度。一般电机冷却介质是空气，它的温度随地区及季节而不同，为了制造出能在全国各地全年都能适用的电机，并明确统一的检查标准，国家标准规定:冷却空气的温度定为40oC。在此环境温度下，电机绕组的温升限值:如F级绝缘为115K。按国家标准规定，对额定输出为200kW（或kVA）及以下交流电机，除非另有规定，制造厂应选用电阻法的直接测量法[2]。在一定的温度范围（-50℃～150℃）内，电机绕组的电阻值将随着温度的上升而相应的增加，而且其阻值与温度之间存在着一定的函数关系。根据这一原理，可以通过测定电机绕组的电阻来确定其温度，故称电阻测量法。

以约克广州空调冷冻设备有限公司某项目开发的2个风机电机为研究对象，其规格为380V/3¢/50Hz、绝缘等级为F级、额定功率为2HP三相交流异步电动机（以下简称电机）。此电机用于某型号空调设备换热器中，其原理是通过电机带动风叶旋转，从而把热量排放到大气中而实现热交换。结合约克广州空调冷冻设备有限公司的应用，电机装配风叶且放在机组中以实际负载进行测试。

据此，我们策划了以下测试工况:

1）被测电机（机组）在不同环境温度（从21℃～52℃）下运行。测试要求:在此温度范围内取四个温度点，被测电机（机组）100%负荷运行，工况稳定运行时间不小于2小时且测试数值已稳定，被测风机风叶必须在20s内停止，立即记录数据；2）被测电机（机组）在环境温度为“最大制冷负荷[3]”时环境温度（43℃）+不同电机供电电压（额定电压±10%）下运行。测试要求:测试电压分别为340V和418V，被测电机（机组）100%负荷运行，工况稳定运行时间不小于2小时且测试数值已稳定，被测风机风叶必须在20秒内停止，立即记录数据；3）被测电机（机组）在环境温度为“最大制冷负荷[3]”时环境温度（43℃）+不同换热器迎风面风阻（堵换热器迎风面积20%～100%）下运行。测试要求:被测电机（机组）100%负荷运行，用纸片堵换热器 20%、40%、60%、80%、100%迎风面积，每个工况稳定运行时间不小于2小时且测试数值已稳定，被测风机风叶必须在20s内停止，立即记录数据；4）被测电机（机组）在环境温度为“空调设备的最高运行温度（52℃）”+额定电压下运行。测试要求:被测电机（机组）100%负荷运行，工况稳定运行时间不小于2小时且测试数值已稳定，被测风机风叶必须在20s内停止，立即记录数据。

2 试验及分析

按测试策划要求，电机被安排在实验室作为期7天的连续测试，在各工况测试过程中采集记录了近百组数据。按规定，温升（θ2-θa）可按下式得[2]:

式中:θ1为测量绕组（冷态）初始电阻时的温度，单位为摄氏度（℃）；

θ2为热试验结束时绕组的温度，单位为摄氏度（℃）；

θa 为热试验结束时冷却介质温度，单位为摄氏度（℃）；

R1为温度为θ1时的绕组电阻，单位为欧姆（Ω）；

R2为热试验结束时的绕组电阻，单位为欧姆（Ω）；

K为导体材料在0℃时电阻温度系数的倒数。铜 K=235，铝K=225，除非另有规定。

将测试数据代入式（1），计算整理可得温升随环境温度、电压、风阻的变化趋势如图1所示:

图1 实测温升随环境温度、电压、风阻的变化趋势

从图1 分析可得:

1）电机A的实测温升比电机B低25%～40%，经研究发现，电机A的设计功率大于电机B，所以电机A的温升比电机B好。虽然电机A温升低于电机B，但功率会影响空调设备的能效，故在满足温升的要求同时，消耗功率应越小越好；2）实测温升随着电机的冷却介质温度升高而上升，随着供电电压的增加而平缓上升，同样，电机温升也会随着换热器风阻的变大而增加，特别是风阻从40%到60%这个阶段，电机的温升急骤变化，上升幅度接近20K。值得注意的是，当换热器风阻在80%～100%时，电机温升会继续上升，但在实际应用中，这种情况几乎是不会出现的，因为换热器风阻的增加到80%～100%时，空调设备会出现在高（低）压保护停机，所以此区间的测试数据只作参考。

通过以上的测试结果分析可得，电机A和电机B在整个测试过程中无异常停机现象，且温升也可以满足绝缘等级F级要求。但从效率和经济性考虑，电机B优于电机A。

根据本次测试分析结果笔者认为，如果只在常温及电机额定电压下测试温升的话，并不能全面反映电机的温升，因为它只代表了电机一个温升状态点。我们在做电机测试策划时应考虑到机组各种应用工况，特别是应用在一些特殊场所。

3 结论

1）电机温升随着电机的冷却介质温度升高而上升，在测试电机温升时须在电机的最高运行环境温度下进行，这样不仅可以测试温升，同时也可以验证电机在最恶劣的环境下是否出现内置保护器跳脱；2）电机温升随供电电压的增加而平缓上升，因中国的电网供电电压允许波动范围为±10%，所以在测试电机温升时必须包括电机额定电压±10%的两个温升值；3）电机温升随着换热器风阻的变大而上升，因为机组实际运行一段时间后，机组的换热器会脏，或者机组在冬季运行时，换热器会结霜（冰），从而会增加换热器的风阻，所以在测试电机温升时必须包含堵60%～80%换热器迎风面积的温升。

[1]电气绝缘结构（EIS）GB/T 20113-2006/IEC 62114:2001 [M].

[2]旋转电机 定额和性能 GB 755-2008/IEC 60034-1:2004 [M].

[3]蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组 GB/T 18430.1-2007[M].