三相异步电动机在不同风道开度下的温升探究分析

陆月星，黎和俊，张 兴，俞 昊，张 俊

（安徽省电机产品及零部件质量监督检验中心，安徽 宣城 242500）

交流电机是实现交流电能和机械能之间转换的电机，可以将其分为同步电机和异步电机两大类，同步电机通常作为发电机使用，而异步电机主要作为电动机使用。异步电机中，使用量较大的是三相异步电机。三相异步电机以三相对称交流电为驱动源，通过特定的机械结构和电磁作用原理，实现电能到机械能的转化，从而作为现代工业生产和日常生活中的动力源。三相异步电机主要由定子、转子、绕组和机座等构成[1-2]。交变的电流通过绕组，在气隙中产生以一定速度旋转的磁场，转子中导条或者绕组在磁场中产生感应电流，带电导体在磁场中受到安培力的作用，从而形成驱动转子运动的转矩[3-4]。目前，国内外缺乏电动机风道对电动机稳定温升值影响的研究。电动机在额定负载运行时，尾部风扇从尾部通过冷却介质，将电动机的热量通过外壳散热片带走，对电动机起到降温作用。但是，如果电动机长时间运行在灰尘较大的煤矿厂、砂石厂、石灰厂中，且不能及时清理电动机尾部风罩孔，冷却空气流通就会不畅，导致散热效果较差，使得电动机稳定运行时的温升值较高，而这其中电动机的风道开度对温升值影响程度尚未明确。

通过本项目的研究，有利于建立电机风道开度与效率之间的关系，研究不同开度下的定子损耗和转子损耗，指导使用者根据电机工况及时清理风罩通风孔，使电机高效率运行，达到节能目的。通过上述关联关系，根据某已知风道开度下的电机温升值推算其他开度情况下的温升值，可以预估长时间工作在灰尘较大导致风道通风孔被堵的电机，其工作时的稳定温升是否仍符合标准要求，是否可以继续安全运行，与此同时，电机稳定温升的不同，必然引发输出效率的改变。

使用者明晰风道进风量对温升值的影响，能够促进电动机使用过程中的防护工作。有利于电动机使用者根据研究成果，关注风道通畅情况对电机效率的影响，并且依据风道开度以及温升值、定转子损耗、效率之间的联系，通过人工干预，使电机工作在高效率状态下，预计每年能够节约几百万千瓦时的电能。同时，设计人员根据本项目的研究成果能够兼顾电机生产成本和电机使用安全，为合理设计电机进风罩提供参考。

1 热试验基本要求

利用直接法进行电机的热试验，在试验中应在额定电压、额定频率和额定负载或铭牌额定电流下进行。按照连续工作S1 制下的电机，每隔30 min 记录一次电机的三相端电压U、三相线电流I、输入功率P、频率f、转速n、转矩T、绕组温度θ（通常为PT100 测量的温度）以及定子铁芯、轴承、风道进出口冷却介质温度和环境温度。

试验前，需在冷态情况下利用直流电阻测试仪量取三相绕组电阻，计算温升的过程中，会利用冷态绕组的阻值。拟选择不同系列不同功率的电动机（如0.37～315 kW 的YX 系列或0.37～315 kW 的YE 系列），依据GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》和GB/T 755—2019《旋转电机定额和性能》进行热试验。其中在试验结果的处理上，考虑按照GB/T 755—2019 非基准条件下的定额将间接冷却绕组在运行地点的温升值修正到同一环境温度下开展研究。假设取型号为YX3-112M-4 的电动机，通过堵风道的方式控制电机风道开度。按照前文交代的分别实施40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%风道开度试验。为了便于试验，将纸板进行环型切割，采取从外圈向内的堵风道的模式，即90%开度对应堵10%风罩面积，根据计算选取相应大小的圆形纸板堵住风罩。100%开度对应不堵风道。将待试验电动机在额定负载进行热试验。热试验过程中需要注意将电动机保持在额定负载工况下运行。

通过对不同系列不同功率的电动机进行大量试验，得到不同开度对应的电动机温升值，并进行分析计算和制表作图，找出对应的关系。电动机在复杂工况下，使用者在明晰风道开度或进风量与温升值之间的影响关系时，能够指导使用者在风道进风不畅情形下预估工作中电动机的实际温度。与此同时，在电动机设计过程中，设计人员在明晰风道开度或进风量与温升值之间的关系的情况下，根据研究成果为电动机风罩设计提供参考。

2 三相异步电动机的热试验计算原理

热试验在电机稳定之后，进行断电停机，对于S1工作制的电机，热试验进行到相隔30 min 的相继两个PT100 读数变化在1 K 之内，即可视为稳定。电机停机后，测取的并非是0 s 时的电阻，而是间隔10～60 s的几组数据，记录5～10 组数据，利用外推法获得0 s时的热态绕组阻值。

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被试电机通电至额定电压和额定频率状态后，再加载至额定负载进行热试验，一般被试电机经过3～5 h额定负载的运行，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，如果是在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，并在连续时间间隔测量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。

3 绕组工作温度θw及定子绕组温升的确定

绕组工作温度θw计算公式如下：

式（1）中：Rw为外推至t=0 时的热态绕组电阻，Ω；Rc为热试验开始前测得的冷态绕组电阻，Ω；θc为测量Rc时的绕组实际温度，℃。

采用电阻法计算定子绕组温升Δθ，计算公式为：

式（2）中：RN为电停机后测得的第一点热态端电阻，Ω；Rc为热试验开始前测得的冷态绕组电阻，Ω；θb为试验结束时的冷却介质温度，℃。

4 影响电机温升结果因素的分析

用埋置温度计法和温度计法测电机绕组温度时必须要测取电机热平衡时的绕组最高温度。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，可能出现埋置点不合适以及与电机绕组接触不好等因素，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，从而影响电机绕组温度最高值的测量。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。因此在结合公式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。而采用电阻法确定定子绕组温升时，就不会因电机温度分布不均匀问题而导致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。如果电机的试验区比较空旷，试验室内的温度会受到室外气温的影响。可能上午气温是10 ℃，到了下午14：00 左右的时候气温就升到20 ℃，并且一直在变化。这种情况很难找到电机的热稳定状态，也会造成热平衡停机的热态电阻测量不准确。

5 型式试验

现场试验图如图1 所示。在试验中，取电机型号为 YX3-112M-4 、 YX3-180M-4 、 YX3-250M-4 和YX3-315M-4 的三相四极电机进行温升试验，电机的相关参数如表1 所示。陪试机选用相应额定功率的4 极电动机。

图1 加装风道前后的现场试验图

表1 试验样机的参数表

对不同型号的电机进行不同风道开度工况下的型式试验，首先在4 个试验操作台上对4 台电动机同时开展电机温升试验，然后在三相异步电动机的试验系统中开展不同风道开度的温升试验，最后得到相应的温升值。

对应风道开度测取的定子绕组温升值如表2所示。定子绕组温升与风道开度的试验结果图如图2 所示。设风道开度为a，定子绕组温升为ΔT，根据结果图2可 以 拟 合 得 到 YX3-112M-4 、 YX3-180M-4 、YX3-250M-4 和YX3-315M-4 四种电机型号的关系式分别为：

表2 试验结果（单位：K）

图2 定子绕组温升与风道开度的试验结果图

6 结论

根据不同风道开度下电机温升试验的结果可知，对于同一台三相四极电机型号，随着风道开度的增加，定子绕组温升变化趋势较为明显，呈现逐渐降低的趋势，风道开度每增加10%，定子绕组温升减少约2 K。对于同一个风道开度，随着三相四极电机中心高的增加，定子绕组温升逐渐减小，电机中心高每增加65 mm左右，定子绕组温升减少约2 K。因此对于三相异步电动机而言，定子绕组温升会随着风道开度的增加而减少，另外定子绕组温升也会随着电机中心高的增加而减小。