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淺談變頻器供電條件下電動(dòng)機的溫升與對策
作者：
時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1 引言
為節約能源和改善工藝控制，越來(lái)越多的工業(yè)過(guò)程利用變頻器來(lái)提高生產(chǎn)系統的綜合效率。變頻器輸出的pwm脈沖電壓諧波成分豐富、脈沖頻率高且上升沿陡直，這種狀況與用50hz的交流正弦波驅動(dòng)電動(dòng)機的狀況大不相同，在能量轉換過(guò)程中，電動(dòng)機內部將不可避免地產(chǎn)生損耗，使電動(dòng)機的溫度升高。當溫升超過(guò)最高容許工作溫度時(shí)，電動(dòng)機的使用壽命將大幅縮短。為此，研究電動(dòng)機的溫升問(wèn)題及其緩解對策是十分重要的。此外，由于電機結構復雜，散熱條件不同，電機內部各個(gè)部分的溫度分布和溫升也不完全相同［1］，然而目前卻很少有具體的數據資料可供參考。
本文首先介紹電動(dòng)機的溫升限度，然后通過(guò)試驗數據和原理分析相結合的方法說(shuō)明變頻器供電條件下電動(dòng)機的溫升問(wèn)題，進(jìn)而介紹緩解溫升的對策。
2 電動(dòng)機的溫升限度
電動(dòng)機中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為a、e、b、f和h等五級。a級絕緣采用經(jīng)過(guò)浸漬或使用時(shí)浸于油中的棉紗、絲和紙等有機材料，e級絕緣是聚脂樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及三醋酸纖維等制成的絕緣薄膜，b、f、h級絕緣的基本材料均為云母、石棉及玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性能不同。表1列出各級絕緣的最高容許工作溫度。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/330879.htm
上述耐熱能力是指可以長(cháng)期在該溫度下使用。當工作溫度超過(guò)最高容許工作溫度時(shí)，使用壽命將迅速縮短。試驗表明，對a級絕緣，若一直處于90～95℃時(shí)，其使用壽命可達20年；當工作溫度在95℃以上時(shí)，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（俗稱(chēng)8℃定理）；例如一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。
一般電動(dòng)機多用e級和b級絕緣。要求在高溫場(chǎng)合下使用的電動(dòng)機，如起重及冶金用電動(dòng)機，常采用f級和h級絕緣。
電動(dòng)機某一部分的溫度和周?chē)鋮s介質(zhì)的溫度之差稱(chēng)為該部件的溫升，一般用θ表示。當該部分所用絕緣材料確定后，部件的最高容許工作溫度就確定了，此時(shí)溫升限度就取決于冷卻介質(zhì)的溫度。冷卻介質(zhì)的溫度越高，容許的溫升就越低。
考慮到全國各地區和各個(gè)季節環(huán)境溫度的變化較大，國家標準gb755-87（電動(dòng)機基本技術(shù)要求）明確規定，在海拔1000m以下時(shí)，環(huán)境空氣溫度規定為40℃，當最高環(huán)境溫度比40℃高出δt0時(shí)（δt0不超過(guò)20℃），溫升限度應相應地減低δt0；如低于40℃時(shí)，溫升限度一般維持原值不變。當海拔在1000m以上，但不超過(guò)4000m時(shí)，溫升限度按試驗和使用地點(diǎn)的海拔差別進(jìn)行校正［2］。
電動(dòng)機試制以后，須進(jìn)行溫升試驗以確定其實(shí)際溫升。由于不同的測量方法得到的測量結果不同，因此在規定溫升限度的同時(shí)，還應規定測溫方法。常用的測量方法有三種：溫度計法、電阻法和埋置檢溫計法。國標中所規定的部件容許最高溫度，也因測量方法不同而不同。例如環(huán)境空氣溫度為40℃時(shí)，采用b級絕緣的5000kw以下的交流電動(dòng)機的交流繞組，其溫升限度規定為：電阻法—80℃；檢溫計法—90℃；加上環(huán)境溫度后，其值低于或等于b級材料的容許工作溫度。
3 變頻供電時(shí)電動(dòng)機的溫升
對于變頻器供電電動(dòng)機而言，由于高次諧波的存在，電機內部會(huì )產(chǎn)生以下附加損耗［3］：
?。?）高次諧波帶來(lái)的定子和轉子附加銅損耗；
?。?）高次諧波帶來(lái)的定子附加鐵耗；
?。?）高次諧波帶來(lái)的附加雜散損耗；
?。?）三相異步電動(dòng)機在高頻下運行時(shí)，集膚效應使轉子電阻增加導致轉差銅耗顯著(zhù)增加。
這些高次諧波電壓和電流產(chǎn)生的附加損耗，致使電動(dòng)機溫升增大。
另一方面，對于普通標準電動(dòng)機而言，冷卻風(fēng)扇直接安裝在轉子軸上，電動(dòng)機低頻運轉時(shí)冷卻效果大幅下降，更會(huì )加劇電動(dòng)機溫升的提高。通常電動(dòng)機溫升同冷卻風(fēng)量產(chǎn)生的冷卻效果的關(guān)系為［4］：
式中，q為冷卻風(fēng)量，n為電動(dòng)機轉速。如果電動(dòng)機產(chǎn)生的損耗不變，溫升同轉速的0.4～0.5次方成反比。
總之，電動(dòng)機特別是普通電動(dòng)機在采用變頻器供電時(shí)，由于發(fā)熱和散熱兩方面因素會(huì )致使電動(dòng)機溫升增大。電動(dòng)機溫升增大影響繞組的使用壽命，限制電動(dòng)機的輸出，嚴重的甚至會(huì )燒毀電動(dòng)機。
文獻［1］介紹的實(shí)際測量溫升的實(shí)驗結果，對于了解電動(dòng)機的溫度分布規律特別是變頻電源對電動(dòng)機溫升的影響十分有用。以一臺三相4極230v，2.2kw的籠型感應電動(dòng)機為實(shí)驗對象，分別采用典型的spwm變頻器（運行在50hz）和工頻正弦供電，將電機溫升情況作對比。采用專(zhuān)門(mén)的設計和制造方法，在電動(dòng)機體內（定子、轉子、氣隙、殼體）安置或埋置了20個(gè)熱敏電阻傳感器（性能穩定、精度高），其中三個(gè)傳感器放置在轉子中。定子端部繞組傳感器位于定子繞組的徑向中心位置（位置1、位置10），一般地，取軸伸端和風(fēng)扇端的兩個(gè)傳感器的溫度平均值作為最終溫度。
溫度傳感器布局如圖1所示。
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