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电机温升()


电机发热程度 大家都知道衡量电机发热程度是用“温升”而不是用“温度”,当“温升”突然增大或超过最高工作温度时,说明 电机已发生故障。下面就一些基本概念进行讨论。 1 绝缘材料的绝缘等级 绝缘材料按耐热能力分为 y、a、e、b、f、h、c7 个等级,其极限工作温度分别为 90、105、120、130、 155、180℃、及 180℃以上。 所谓绝缘材料的极限工作温度,系指电机在设计

预期寿命内,运行时绕组绝缘中最热点的温度。根据 经验,a 级材料在 105℃、b 级材料在 130℃的情况下寿命可达 10 年,但在实际情况下环境温度和温升均 不会长期达设计值,因此一般寿命在 15~20 年。如果运行温度长期超过材料的极限工作温度,则绝缘的 老化加剧,寿命大大缩短。所以电机在运行中,温度是寿命的主要因素之一。 2 温 升 温升是电机与环境的温度差,是由电机发热引起的。运行中的电机铁芯处在交变磁场中会产生铁损, 绕组通电后会产生铜损,还有其它杂散损耗等。这些都会使电机温度升高。另一方面电机也会散热。当发 热与散热相等时即达到平衡状态,温度不再上升而稳定在一个水平上。当发热增加或散热减少时就会破坏 平衡, 使温度继续上升,扩大温差,则增加散热,在另一个较高的温度下达到新的平衡。但这时的温差 即温升已比以前增大了,所以说温升是电机设计及运行中的一项重要指标,标志着电机的发热程度,在运 行中,如电机温升突然增大,说明电机有故障,或风道阻塞或负荷太重。 3 温升与气温等因素的关系 对于正常运行的电机,理论上在额定负荷下其温升应与环境温度的高低无关,但实际上还是受环境温 度等因素影响的。 (1) 当气温下降时,正常电机的温升会稍许减少。 这是因为绕组电阻 r 下降,铜耗减少。温度每降 1 ℃,r 约降 0.4%。 (2) 对自冷电机,环境温度每增 10℃,则温升增加 1.5~3℃。这是因为绕组铜损随气温上升而增加。 所以气温变化对大型电机和封闭电机影响较大。 (3) 空气湿度每高 10%,因导热改善,温升可降 0.07~0.38℃,平均为 0.19℃。 (4) 海拔以 1 000 m 为标准,每升 100 m,温升增加温升极限值的 1%。 4 极限工作温度与最高允许工作温度 通常说 a 级的极限工作温度为 105℃,a 级的最高允许工作温度是 90℃。那么,极限工作温度与最高 允许工作温度有何不同?其实,这与测量方法有关,不同的测量方法,其反映出的数值不同,含义也不一 样。 (1) 温度计法 其测量结果反映的是绕组绝缘的局部表面温度。这个数字平均比绕组绝缘的实际最高温 度即“最热点”低 15℃左右。该法最简单,在中、小电机现场应用最广。 (2) 电阻法 其测量结果反映的是整个绕组铜线温度的平均值。该数比实际最高温度按不同的绝缘等级 降低 5~15℃。该法是测出导体的冷态及热态电阻,按有关公式算出平均温升。 (3) 埋置温度计试验时将铜或铂电阻温度计或热电偶埋置在绕组、铁心或其它需要测量预期温度最高 的部件里。其测量结果反映出测温元件接触处的温度。大型电机常采用此法来监视电机的运行温度。 各种测量方法所测量到的温度与实际最高温度都有一定差值,因此需将绝缘材料的“极限工作温度”减 去此差值才是“最高允许工作温度”。 5 电机各部位的温度限度 (1) 与绕组接触的铁心温升(温度计法)应不超过所接触的绕组绝缘的温升限度(电阻法),即 a 级为 60 ℃,e 级为 75℃,b 级为 80℃,f 级为 100℃,h 级为 125℃。 (2) 滚动轴承温度应不超过 95℃,滑动轴承的温度应不超过 80℃。因温度太高会使油质发生变化和破 坏油膜。

(3) 机壳温度实践中往往以不烫手为准。 (4) 鼠笼转子表面杂散损耗很大,温度较高,一般以不危及邻近绝缘为限。可预先刷上不可逆变色漆 来估计。 6 电机发热故障的排除 当电机温度超过最高工作温度或温升超过规定或温升虽然未超过规定,但在低负荷时温升突然增大 时,说明电机有故障,其判断和排除方法是: (1) 在额定负荷下温升未超过温升限度,仅由于环境温度超过 40℃,而使电机温度超过最大允许工作 温度。这种现象说明电机本身是正常的。解决的办法是用人工方法使环境温度下降,如办不到,则必须减 负载运行。 (2) 在额定负载下温升超出铭牌规定。 不管什么情况,均属电机有故障,必须停机检查,特别对温 升突然变大更要注意。其外部原因有:电网电压太低或线路压降太大(超过 10%),负载太重(超过 10%), 电机与机械配合不当;内部原因有:单相运行、匝间短路、相间短路、定子接地、风扇损坏或未固紧、风 道阻塞、轴承损坏,定转子相擦、电机与电缆接头发热(特别是铜铝或铝铝连接)、电机受腐蚀或受潮等。 此外,从理论上讲电机均可正反转,但有些电机的风扇有方向性,如反了,温升会超出许多。总之,必须 针对各种具体情况,排除故障。

温升?它的影响有哪些?

导体通流后产生电流热效应,随着时间的推移, 导体表面的温度不断地上升直至稳定。稳定的条件是 在 3 个小时内前后温差不超过 2℃,此时测得导体表面的温度为此导体的最终温度,温度的单位为度 (℃) 。 上升的温度中超过周围空气的温度(环境温度)的这一部分温度称为温升,温升的单位为开氏(K)。有 些关于温升方面的文章和试验报告及试题中,经常把温升的单位写成(℃),单位用度(℃)来表示温升 是不妥当的。 如:电动机温度是指电动机各部分实际发热温度,它对电动机的绝缘材影响很大,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,对电动机绕组等各部分温度作了一不定期 的限制,这个温度限制就是电动机的允许温度. 电动机的各部温度的高低还与外界条件有关,温升就是电动机温度比周围环境温度高出的数值. θ=T2-T1 式中 θ-------温升 T1-------实际冷却状态下的绕组温度(即环境温度,室温不允许超过 40℃);

T2-------发热状态下绕组温度. 温升是指电动机在额定运行状态下,定子绕组的温度高出环境温度的数值(环境温度规定为 35℃或 40 ℃以下,如果铭牌上未标出具体数值,则为 40℃)

电机轴承损坏,因摩擦增大而且过流而发热; 电机线圈匝间短路,轻负载发热无力,重负载烧毁; 电机接线端接线不实,会电阻过大,引起电机过流而发热; 散热风扇脱落或风叶损坏,以及风道堵塞会引起电机发热; 电机定子外壳散热槽堵塞,会使电机发热; 额定电压过低会使电机发热; 外部环境温度高会使电机发热; 电机转子变形,饶度过大会使电机发热; 电机启动时间过长(重负载启动) ,会使电机发热; 过负荷及缺相会使电机发热等等。
.室温过高 2.散热不良 3.过载 4.过压欠压或电压不平衡 5.频繁起停或频繁正反转 6.缺相 7.风扇坏或进出风口堵 8.轴承缺油 9.机械卡住堵转 10,负载转动惯量过大启动时间过长 11.匝间短路 12.新电机内部接线有误 13.星三角接线有误 14.星三角或自偶降压启动负载重启动时间长或因故障未正常转换 15.电机受潮 16..鼠笼式异步电机转子断条,绕线式异步电机转子绕组断线或电阻不平衡 17.电源谐波过大,例如附近有大型整流设备,高频设备等 18. 多次维修的电机铁心磁通减小

、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的,不可能完全适应变频调速的要求。以下为变频器 对电机的影响 1、 电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器, 在运行中均 产生不同程度的谐波电压和电流,使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍,以目 前普遍使用的正弦波 PWM 型变频器为例,其低次谐波基本为零,剩下的比载波频率大一倍 左右的高次谐波分量为:2u+1(u 为调制比) 。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子 铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加,最为显著的是转子铜(铝)耗。因为异步电动机是以 接近于基波频率所对应的同步转速旋转的, 因此, 高次谐波电压以较大的转差切割转子导条 后,便会产生很大的转子损耗。除此之外,还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损 耗都会使电动机额外发热,效率降低,输出功率减小,如将普通三相异步电动机运行于变频 器输出的非正弦电源条件下,其温升一般要增加 10%--20%。 2、电动机绝缘强度问题

目前中小型变频器,不少是采用 PWM 的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫,这 就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率,相当于对电动机施加陡度很大的冲击电 压,使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外,由 PWM 变频器产生的矩形斩波冲击 电压叠加在电动机运行电压上, 会对电动机对地绝缘构成威胁, 对地绝缘在高压的反复冲击 下会加速老化。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时,会使 由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间 谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉, 形成各种电磁激振力。 当电磁力波的频率 和电动机机体的固有振动频率一致或接近时,将产生共振现象,从而加大噪声。由于电动机 工作频率范围宽, 转速变化范围大, 各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震 动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后,电动机 可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动, 并可利用变频器所供的各种制动方式 进行快速制动, 为实现频繁启动和制动创造了条件, 因而电动机的机械系统和电磁系统处于 循环交变力的作用下,给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 5、低转速时 的冷却问题 首先,异步电动机的阻抗不尽理想,当电源频率较底时,电源中高次谐波 所引起的损耗较大。其次,普通异步电动机再转速降低时,冷却风量与转速的三次方成比例 减小,致使电动机的低速冷却状况变坏,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出。 二、变频电动机的特点 1、电磁设计 对普通异步电动机来说,再设计时主要考虑的 性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机,由于临界转差率反比于 电源频率,可以在临界转差率接近 1 时直接启动,因此,过载能力和启动性能不在需要过多 考虑,而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下: 1) 尽可能的减小定子和转子电阻。 减小定子电阻即可降低基波铜耗,以弥补高次谐波 引起的铜耗增 2)为抑制电流中的高次谐波,需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗 较大其集肤效应也大,高次谐波铜耗也增大。因此,电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范 围内阻抗匹配的合理性。 3)变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态,一是考虑高 次谐波会加深磁路饱和, 二是考虑在低频时, 为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电 压。 2、结构设计 再结构设计时,主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘 结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响,一般注意以下问题: 1)绝缘等级,一般为 F 级或更高,加强对地绝缘和线匝绝缘强度,特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。 2) 对电机的振动、噪声问题,要充分考虑电动机构件及整体的刚性,尽力提高其固有频率,以 避开与各次力波产生共振现象。 3)冷却方式:一般采用强迫通风冷却,即主电机散热 风扇采用独立的电机驱动。 4)防止轴电流措施,对容量超过 160KW 电动机应采用轴 承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称,也会产生轴电流,当其他高频分量所产生的电流结 合一起作用时,轴电流将大为增加,从而导致轴承损坏,所以一般要采取绝缘措施。 5) 对恒功率变频电动机,当转速超过 3000/min 时,应采用耐高温的特殊润滑脂,以补偿轴承 的温度升高。 变频电机可在 0。1HZ--130HZ 范围长期运行, 普通电机可在:2 极的为 20--65hz 范围长期运行. 4 极的为 25--75hz 范围长期运行. 6 极的为 30--85hz 范围长期运行. 8 极的为 35--100hz 范围长期运行

山西铝厂氧化铝二分厂三车间有 3 个油隔泵站,每个泵站 3 台喂料 油隔泵,分别担负着 2 台熟料窖的供料任务,是生产流程中的一个关 键环节。油隔泵为恒转矩负载,电机采用变频控制,根据生产需要, 调节电机转速以改变熟料窖的下料量。因泵的流量不同,一泵站电机 工作频率为 25Hz 左右,二、三泵站电机均为 30Hz 以上。9 台电机从 1991 年陆续投用以来运行稳定,基本上满足了生产要求。但从 1995 年 7 月份起,电机普遍发热严重,一泵站电机尤为明显,3 台电机先 后发生了匝间短路故障。原电机为 10 极、115kW,因无同型号备用电 机,用别处改造换下的 8 极、130kW 电机替代。可使用后发现,与原 115kW 电机相比,电机过热现象更为严重,虽然加了轴流风机冷却, 但运行不到一周就发生绕组烧损故障。起初以为电机质量有问题,便 又换了 1 台 130kW 电机,运行时间不长,再次发生绕组过热烧损。

2 原因分析 变频器及油隔泵电机型号如下。变频器型号:富士 FRN160P5 5 台、FRN160P7 4 台。电机型号:JR127-10 型,380V、

115kW、238A,B 级绝缘,1590kg,将转子端接作笼型电机使用。代 用电机型号:JS127-8 型,380V、130kW、249A,B 级绝缘,1300kg。 (1)变频控制电机发热的原因分析 1 高次谐波引起电机的效率和功率因数变差, 电机损耗增 加 变频装置用交-直-交控制,变频器输出的电压、电流波形均

有高次谐波。由于普遍电机是按正弦波电源制造的,当有高次谐波流 过电动机绕组时,铜损增大,并引起附加损耗,从而引起绕组发热。 有资料表明,变频器传动与工频电源传动相比,电流约增加 10%,温 升约增加 20%。

2 电机低速运转,散热能力变差 使用变频调速后电机往往处于低于额定转速的运行状态, 标 准电机的冷却风扇装在转子轴上,所以在低频下运转的电机,因电机 转速降低而使冷却效果大幅度下降。

3 电压变化率 du/dt 增高,电机故障率增加 目前市场上的变频器大部分是交-直-交变频器, 其逆变部分 是将直流电压转换为三相交流电压, 通过控制六个桥臂的开关元件导 通、关断来实现三相交流电压的输出。如常见的改变变频器输出电压 的 PWM 方式,它虽与正弦波电压幅值等效,但实际上是由一系列矩形 波组成,由于电机绕组匝间电压变化率 du/dt 很高,电机绕组的电压 分布变得很不均匀,使绕组匝间短路的故障增加。从我厂变频控制电 机的故障情况来看,几乎全是由匝间短路引起,由此可见,变频控制 对电机的绝缘等级的要求更高。

(2)115kW 电机发热原因分析

115kW 电机发热除上述原因外,还由于该电机长期运行在粉 尘含量较高的环境中,未定期清扫,造成定转子风道堵塞,致使气流 不畅,散热效果降低,尤其是夏季,环境温度高,电机工作温度大大 增加,导致电机过热烧毁。 (3)代用电机过热原因分析 除因高次谐波引起损耗增加,造成过热外,主要原因还是 电机工作频率太低。

代用电机工作频率仅为 25Hz,电机的工作转速为额定转速 的 50%,这对于单靠自扇风冷的电机来说,散热条件恶化。另外,从 电机参数看,代换电机的重量,约为原电机重量的 81.7%。热流量与 电机重量成正比,吸收相同的热量,重量轻的 130kW 电机的温升比 115kW 电机温升要高,而两个电机的外表面积基本相同,即散热系数 相同,对于电机发出相同的热量,代用电机的稳定温升要高出原电 机。

3 对策

(1)合理选用变频控制电机,原电机如果工作频率达不到 30Hz, 在峰值电流不致引起过电流保护动作的情况下, 可以极数更高的电机 替代,尤其对于恒转矩负载要适当加大电机的功率等级与电机极数, 以提高其带载能力;有条件的地方,应采用变频专用电机。

(2)加强电机的计划检修,尤其在夏季来临前,要对定转子风道 进行清扫,改善电机的散热条件。在夏季时应采用外加风机对电机强 迫风冷。 (3)将电子过热保护器的整定值调小,配外加热过载继电器,最 好在电机绕组内配 PTC 热保护。

(4)提高电机的绝缘材料等级,如在电机检修时,将 B 级绝缘提 高为 F 级绝缘,以提高匝间绝缘性能及绕组的耐热能力,这样可从根 本上解决变频控制电机使用寿命短的问题。

(5)尽可能提高电机的运行频率。针对一泵站电机运行频率低 的问题,将原传动皮带轮改为小皮带轮,通过计算其运行频率可达到 30Hz 以上,使用证明电机工作频率 30Hz 以上时,基本可以解决变频 电机的散热问题。

在对油隔泵电机采取加强计划笔录, 夏季强迫风冷及提高运行频 率等手段以后, 基本上保证油隔泵电机的平稳运行, 满足了生产需要。 [/size]
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