电机热试验中环境温度控制的探究

潘柏根，万天胜，陆月星，张 俊，黎和俊，周堂鑫

（安徽省电机产品及零部件质量监督检验中心，安徽 宣城 242500）

1 研究背景

北美CSA 全球检测检验与认证机构在发放安规实验室和能效实验室资质时，明确要求所申请CSA 资质的实验室必须有环境温度控制装置或恒温室。目前国内行业领军者上海电器科学研究所已对电机检测实验室都加装空调。国内其他大多数电机检测检验机构还没有使用恒温室或恒温箱对试验环境温度进行控制[1]。如何更能精准反应电机在实际工况下的运行的性能数据，本文尝试通过制作恒温箱体对电机试验环境温度进行控制[2]。

2 环境温度对电机热试验结果的影响

在电机试验标准中关于求取电机绕组温升值时，若环境温度不在规定下时需要进行修正。因此，各个标准上都进行了大量的编写如何计算修正值。其中，GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》、GB/T 755—2019《旋转电机 定额和性能》和GB/T 22670—2018《变频器供电三相龙型感应电动机试验方法》等相关标准都对环境温度提出一定要求和修正[3]。为了更好地了解环境温度对电机热试验结果的影响，本文先通过对电机热试验原理介绍及电机温升计算进行阐述，最后结合试验参数和电机温升计算，分析了环境温度对电机热试验结果的影响[4]。

2.1 电机热试验的试验原理

电机热试验是通过对被试电机相关参数进行测量，如电机绕组的冷态电阻、冷态环境温度，热态环境温度、电机绕组的热态电阻等。为了获得以上参数的数值，必须按一定的试验步骤进行检测：①将被试电机吊放到合适的实验室，并和陪试机一起固定在合适的试验平台上；②接好电缆、温度传感器Pt100（或热电偶）及其他测试所需仪器仪表等；③等到被试电机绕组冷态温度基本等于环境温度时，测量电机三相绕组的冷态电阻，并记录其阻值和此时的冷态温度；④将被试电机通额定电压和额定频率后，再对其加载直至额定负载时进行热试验，一般被试电机通过3～5 h额定负载运行下，基本能达到热平衡；⑤电机热平衡后，停机后在规定的时间内测量电机绕组的热态电阻，观察被试电机绕组温度在1 h 内温度变化是在1 K 内，说明电机绕组热平衡达到即可停机，并等电机完全停下来，及时在规定时间内测量第一时刻的电机绕组电阻，并连续时间间隔测量5～7个时刻的电机绕组电阻。通过上述试验过程可以将被试电机热试验所需参数全部测量并记录好，然后对试验数据进行计算并得出电机绕组的温升值。

2.2 电机温升的计算

根据GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》条款6.7 可知：电机温升测试方法有3 种，即电阻法确定子温升、埋置温度计（ETD）法、温度计法。其中，埋置温度计（ETD）法、温度计法只需温度传感器测得电机绕组最高温度即可，计算公式为：

式（1）中：θmax为热试验结束时的绕组温度中最高值；θc为热试验开始时冷却介质温度；θb为热试验结束时冷却介质温度。

电阻法确定定子绕组温升，绕组的平均温升Δθ（K）的计算公式为：

式（2）中：RN为断电停机后测得的第一点热态电阻；Rc为热试验开始前的冷态绕组端电阻；K1为定子绕组导体在0 ℃时电阻温度系数的倒数，铜K1=225，铝K1=235；θc为测量Rc时绕组实际温度；θb为热试验结束时冷却介质温度。

2.3 影响电机温升结果因素的分析

对于埋置温度计（ETD）法、温度计法进行测电机绕组温度，必须找出电机热平衡时绕组最高温度。电机冷却介质为空气时，由于电机绕组发热，热量由里及外散发。又由于风扇从电机一端部对电机吹风的情况下，电机内部的温度肯定不是均匀分布。所以试验前多布置温度传感器，热试验平衡时读取电机绕组温度的最高值。由于温度传感器埋置时，可能埋置点不合适以及与电机绕组接触不好等因素会导致得不到电机绕组温度真实的最高值。试验过程中环境温度在不停地变化会影响电机最终热平衡点位置，从而导致电机绕组温度的最高值的测量。由于电机散热从里往外，环境温度变化不会导致电机绕组温度的同步变化。因此再结合公式（1）计算出电机绕组温升时，就会发现环境温度变化和温度传感器埋置都会影响最后的温升计算结果。

电阻法确定定子绕组温升，就不会因为电机温度分布不均匀问题而采集不到电机绕组的真实温度，从而不能准确计算电机的温升。但环境温度在测量时就必须精准测量，否则对电机温升值有一定的影响。特别是电机绕组冷态电阻值的测量一定要求环境温度变化不要太快，否则无法测量到电机绕组准确的冷态电阻值。同样如果电机试验区域是空旷的情况下，试验室内的温度受到室外气温的影响。在可能上午气温是10 ℃，到了下午14：00 左右的时候气温升到20 ℃，并且一直在变化。这种情况很难找到电机热稳定状态，也会造成热平衡停机的热态电阻测量不准确。

通过上述分析可知，环境温度对电机绕组温升有一定的影响。一方面环境温度的变化导致很难获得准确的电机绕组热平衡状态，另一方面会造成无法测量到热平衡时电机绕组真实的最高值温度、冷态电阻和热态电阻。因此，对热试验过程中要对环境温度进行控制。

3 环境温度控制的实现

3.1 传统恒温室对环境温度的控制

按电机国家标准要求，恒温室的温度一般控制在16～30 ℃。通常做法就是用保温材质将电机检测区密封起来，在密封区域内部安装多个大功率的空调和一些排气扇。在试验前将被试电机固定在试验平台上并接好电机进线及各类传感器线等，打开空调并调节到指定的温度。待电机绕组的温度值与环境温度基本一致时，方可进行电机试验。一般情况下时间控制在2～5 h，要根据恒温室的大小、电机的发热功率、指定温度值以及当时气温等因素决定。目前，国内大的电机检验中心都是采用这种模式对电机环境温度进行控制，完全可实现标准要求的环温。

3.2 电机试验专用恒温箱对环境温度的控制

如果要快速将环境温度调到0～40 ℃范围的任意一个指定的温度，上述的恒温实验室可很难实现。为了实现这一目标，本文提出一种在电机试验中用到的恒温箱。这种电机试验专用恒温箱是由一个主箱和多个副箱体进行合适搭配来实现，它可以对中小型电机试验的环境温度进行控制，主箱外观如图1 所示。主箱是由1 个无底的长方体钢架（尺寸为长4.5 m×宽2.5 m×高2.5 m）、1 个顶板、4 个侧面墙板、1 个大功率的低温制冷机组、若干取暖器以及电气控制盒构成，如图2所示。中小功率电机试验时，发热功率小，单位时间内放出的热量少，因此，单独使用主箱即可。大功率的电机试验时，发热功率大，单位时间内放出的热量多，空间太小不容易控制室内温度，这时可以将主箱的前后两侧墙板拆卸下来，并在其两侧加上副箱体来增加恒温室空间，这样就不会因为温度变化太快，而无法控制恒温室内的温度。

图1 主箱外观图

图2 主箱钢架图

电机试验前，也将电机固定在试验平台上，并接好电机进线和其他各类采样线。再将恒温箱体吊起来将被试电机和负载机全部罩起来，然后将恒温箱上的电气全部接好。如果指定温度高于当时气温，就开启加热装置。在试验过程中，通过Pt100 热电阻采集环境温度。首先将恒温箱内的温度升到指定温度，并等电机绕组温度几乎与箱体内的温度相同时，进行冷态电阻采样。然后对电机进行加载热试验，电机在运行中一直在发热，当恒温箱内的温度也在缓慢持续增加时，这时就要停止加热，并根据环境温度的变化调节水平推拉观察窗开口大小，当电机的发热量与对外散热量达到一个动态平衡时，环境温度基本就稳定下来。如果指定温度低于当时气温，就开启制冷装置。

4 对电机热试验过程中环境温度控制的实例

为了验证在电机试验中能控制住环境温度，选择了一台常规三相异步电机动机进行了热试验。首先，让恒温箱的温度升到指定的温度θ1，并观察电机绕组中Pt100 的温度也稳定在θ1。然后，在指定环境温度下测量出电机三相绕组的冷态电阻。测完冷态电机绕组的电阻后，给被试电机加载到满载的115%。等到绕组温度升的速度慢下来时，将被试电机的负载降到满载。同时开始通过冷冻机温度和调整取暖器的抽风大小，从而来控制箱内发热和散热保持平衡。通过最终的试验可以得到环境温度在35 ℃左右下的电机时的温升，数据如图3 所示。温升试验停机温度下降曲线如图4所示。

图3 三相异步电机热负荷试验原始记录

图4 温升试验停机温度下降曲线

通过本次对电机热试验，可以轻松测量出电机绕组冷态电阻、得到电机热平衡状态、电机绕组热态电阻以及冷态环境温度和热态环境温度。从而成功实现对电机热试验环境温度进行了控制。

5 环境温度控制的意义

从环境温度对电机温升值计算的影响来看，一个稳定的环境温度有以下几方面的好处：①控制环境温度可以避免电机绕组温度随环境温度的波动而波动，从而快速获得电机热平衡，节省试验时间；②控制环境温度可以准确测量出指定的电机绕组冷态温度及其冷态电阻；③控制环境温度可以实现在任何季节、任何气温下都能正常做电机型试试验；④通过控制环境，可以提供可控的环境温度进行电机热试验，可根据电机实际的使用环境温度进行针对性试验，从而使电机厂家获得与电机实际工况时相接近的数据，这样电机厂家设计人员根据准确反映的电机参数，可以更加合理地设计出优质的电机。

6 环境温度控制的展望

本文通过上述恒温箱对电机型式试验的环境温度进行精准控制，给电机检测提供了一种新的方法。最终让客户有了更多的选择，也给电机检验检测机构带来更多的试验项目和业务。相信更多的电机生产公司要求采用这种方法，从而得到更多的电机检测精准数据。最终更好地推动电机生产、电机检验的发展。