電機熱試驗中環(huán)境溫度控制的探究

潘柏根，萬天勝，陸月星，張 俊，黎和俊，周堂鑫

（安徽省電機產(chǎn)品及零部件質量監(jiān)督檢驗中心，安徽 宣城 242500）

1 研究背景

北美CSA 全球檢測檢驗與認證機構在發(fā)放安規(guī)實驗室和能效實驗室資質時，明確要求所申請CSA 資質的實驗室必須有環(huán)境溫度控制裝置或恒溫室。目前國內(nèi)行業(yè)領軍者上海電器科學研究所已對電機檢測實驗室都加裝空調(diào)。國內(nèi)其他大多數(shù)電機檢測檢驗機構還沒有使用恒溫室或恒溫箱對試驗環(huán)境溫度進行控制[1]。如何更能精準反應電機在實際工況下的運行的性能數(shù)據(jù)，本文嘗試通過制作恒溫箱體對電機試驗環(huán)境溫度進行控制[2]。

2 環(huán)境溫度對電機熱試驗結果的影響

在電機試驗標準中關于求取電機繞組溫升值時，若環(huán)境溫度不在規(guī)定下時需要進行修正。因此，各個標準上都進行了大量的編寫如何計算修正值。其中，GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》、GB/T 755—2019《旋轉電機 定額和性能》和GB/T 22670—2018《變頻器供電三相龍型感應電動機試驗方法》等相關標準都對環(huán)境溫度提出一定要求和修正[3]。為了更好地了解環(huán)境溫度對電機熱試驗結果的影響，本文先通過對電機熱試驗原理介紹及電機溫升計算進行闡述，最后結合試驗參數(shù)和電機溫升計算，分析了環(huán)境溫度對電機熱試驗結果的影響[4]。

2.1 電機熱試驗的試驗原理

電機熱試驗是通過對被試電機相關參數(shù)進行測量，如電機繞組的冷態(tài)電阻、冷態(tài)環(huán)境溫度，熱態(tài)環(huán)境溫度、電機繞組的熱態(tài)電阻等。為了獲得以上參數(shù)的數(shù)值，必須按一定的試驗步驟進行檢測：①將被試電機吊放到合適的實驗室，并和陪試機一起固定在合適的試驗平臺上；②接好電纜、溫度傳感器Pt100（或熱電偶）及其他測試所需儀器儀表等；③等到被試電機繞組冷態(tài)溫度基本等于環(huán)境溫度時，測量電機三相繞組的冷態(tài)電阻，并記錄其阻值和此時的冷態(tài)溫度；④將被試電機通額定電壓和額定頻率后，再對其加載直至額定負載時進行熱試驗，一般被試電機通過3～5 h額定負載運行下，基本能達到熱平衡；⑤電機熱平衡后，停機后在規(guī)定的時間內(nèi)測量電機繞組的熱態(tài)電阻，觀察被試電機繞組溫度在1 h 內(nèi)溫度變化是在1 K 內(nèi)，說明電機繞組熱平衡達到即可停機，并等電機完全停下來，及時在規(guī)定時間內(nèi)測量第一時刻的電機繞組電阻，并連續(xù)時間間隔測量5～7個時刻的電機繞組電阻。通過上述試驗過程可以將被試電機熱試驗所需參數(shù)全部測量并記錄好，然后對試驗數(shù)據(jù)進行計算并得出電機繞組的溫升值。

2.2 電機溫升的計算

根據(jù)GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》條款6.7 可知：電機溫升測試方法有3 種，即電阻法確定子溫升、埋置溫度計（ETD）法、溫度計法。其中，埋置溫度計（ETD）法、溫度計法只需溫度傳感器測得電機繞組最高溫度即可，計算公式為：

式（1）中：θmax為熱試驗結束時的繞組溫度中最高值；θc為熱試驗開始時冷卻介質溫度；θb為熱試驗結束時冷卻介質溫度。

電阻法確定定子繞組溫升，繞組的平均溫升Δθ（K）的計算公式為：

式（2）中：RN為斷電停機后測得的第一點熱態(tài)電阻；Rc為熱試驗開始前的冷態(tài)繞組端電阻；K1為定子繞組導體在0 ℃時電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，銅K1=225，鋁K1=235；θc為測量Rc時繞組實際溫度；θb為熱試驗結束時冷卻介質溫度。

2.3 影響電機溫升結果因素的分析

對于埋置溫度計（ETD）法、溫度計法進行測電機繞組溫度，必須找出電機熱平衡時繞組最高溫度。電機冷卻介質為空氣時，由于電機繞組發(fā)熱，熱量由里及外散發(fā)。又由于風扇從電機一端部對電機吹風的情況下，電機內(nèi)部的溫度肯定不是均勻分布。所以試驗前多布置溫度傳感器，熱試驗平衡時讀取電機繞組溫度的最高值。由于溫度傳感器埋置時，可能埋置點不合適以及與電機繞組接觸不好等因素會導致得不到電機繞組溫度真實的最高值。試驗過程中環(huán)境溫度在不停地變化會影響電機最終熱平衡點位置，從而導致電機繞組溫度的最高值的測量。由于電機散熱從里往外，環(huán)境溫度變化不會導致電機繞組溫度的同步變化。因此再結合公式（1）計算出電機繞組溫升時，就會發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度變化和溫度傳感器埋置都會影響最后的溫升計算結果。

電阻法確定定子繞組溫升，就不會因為電機溫度分布不均勻問題而采集不到電機繞組的真實溫度，從而不能準確計算電機的溫升。但環(huán)境溫度在測量時就必須精準測量，否則對電機溫升值有一定的影響。特別是電機繞組冷態(tài)電阻值的測量一定要求環(huán)境溫度變化不要太快，否則無法測量到電機繞組準確的冷態(tài)電阻值。同樣如果電機試驗區(qū)域是空曠的情況下，試驗室內(nèi)的溫度受到室外氣溫的影響。在可能上午氣溫是10 ℃，到了下午14：00 左右的時候氣溫升到20 ℃，并且一直在變化。這種情況很難找到電機熱穩(wěn)定狀態(tài)，也會造成熱平衡停機的熱態(tài)電阻測量不準確。

通過上述分析可知，環(huán)境溫度對電機繞組溫升有一定的影響。一方面環(huán)境溫度的變化導致很難獲得準確的電機繞組熱平衡狀態(tài)，另一方面會造成無法測量到熱平衡時電機繞組真實的最高值溫度、冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻。因此，對熱試驗過程中要對環(huán)境溫度進行控制。

3 環(huán)境溫度控制的實現(xiàn)

3.1 傳統(tǒng)恒溫室對環(huán)境溫度的控制

按電機國家標準要求，恒溫室的溫度一般控制在16～30 ℃。通常做法就是用保溫材質將電機檢測區(qū)密封起來，在密封區(qū)域內(nèi)部安裝多個大功率的空調(diào)和一些排氣扇。在試驗前將被試電機固定在試驗平臺上并接好電機進線及各類傳感器線等，打開空調(diào)并調(diào)節(jié)到指定的溫度。待電機繞組的溫度值與環(huán)境溫度基本一致時，方可進行電機試驗。一般情況下時間控制在2～5 h，要根據(jù)恒溫室的大小、電機的發(fā)熱功率、指定溫度值以及當時氣溫等因素決定。目前，國內(nèi)大的電機檢驗中心都是采用這種模式對電機環(huán)境溫度進行控制，完全可實現(xiàn)標準要求的環(huán)溫。

3.2 電機試驗專用恒溫箱對環(huán)境溫度的控制

如果要快速將環(huán)境溫度調(diào)到0～40 ℃范圍的任意一個指定的溫度，上述的恒溫實驗室可很難實現(xiàn)。為了實現(xiàn)這一目標，本文提出一種在電機試驗中用到的恒溫箱。這種電機試驗專用恒溫箱是由一個主箱和多個副箱體進行合適搭配來實現(xiàn)，它可以對中小型電機試驗的環(huán)境溫度進行控制，主箱外觀如圖1 所示。主箱是由1 個無底的長方體鋼架（尺寸為長4.5 m×寬2.5 m×高2.5 m）、1 個頂板、4 個側面墻板、1 個大功率的低溫制冷機組、若干取暖器以及電氣控制盒構成，如圖2所示。中小功率電機試驗時，發(fā)熱功率小，單位時間內(nèi)放出的熱量少，因此，單獨使用主箱即可。大功率的電機試驗時，發(fā)熱功率大，單位時間內(nèi)放出的熱量多，空間太小不容易控制室內(nèi)溫度，這時可以將主箱的前后兩側墻板拆卸下來，并在其兩側加上副箱體來增加恒溫室空間，這樣就不會因為溫度變化太快，而無法控制恒溫室內(nèi)的溫度。

圖1 主箱外觀圖

圖2 主箱鋼架圖

電機試驗前，也將電機固定在試驗平臺上，并接好電機進線和其他各類采樣線。再將恒溫箱體吊起來將被試電機和負載機全部罩起來，然后將恒溫箱上的電氣全部接好。如果指定溫度高于當時氣溫，就開啟加熱裝置。在試驗過程中，通過Pt100 熱電阻采集環(huán)境溫度。首先將恒溫箱內(nèi)的溫度升到指定溫度，并等電機繞組溫度幾乎與箱體內(nèi)的溫度相同時，進行冷態(tài)電阻采樣。然后對電機進行加載熱試驗，電機在運行中一直在發(fā)熱，當恒溫箱內(nèi)的溫度也在緩慢持續(xù)增加時，這時就要停止加熱，并根據(jù)環(huán)境溫度的變化調(diào)節(jié)水平推拉觀察窗開口大小，當電機的發(fā)熱量與對外散熱量達到一個動態(tài)平衡時，環(huán)境溫度基本就穩(wěn)定下來。如果指定溫度低于當時氣溫，就開啟制冷裝置。

4 對電機熱試驗過程中環(huán)境溫度控制的實例

為了驗證在電機試驗中能控制住環(huán)境溫度，選擇了一臺常規(guī)三相異步電機動機進行了熱試驗。首先，讓恒溫箱的溫度升到指定的溫度θ1，并觀察電機繞組中Pt100 的溫度也穩(wěn)定在θ1。然后，在指定環(huán)境溫度下測量出電機三相繞組的冷態(tài)電阻。測完冷態(tài)電機繞組的電阻后，給被試電機加載到滿載的115%。等到繞組溫度升的速度慢下來時，將被試電機的負載降到滿載。同時開始通過冷凍機溫度和調(diào)整取暖器的抽風大小，從而來控制箱內(nèi)發(fā)熱和散熱保持平衡。通過最終的試驗可以得到環(huán)境溫度在35 ℃左右下的電機時的溫升，數(shù)據(jù)如圖3 所示。溫升試驗停機溫度下降曲線如圖4所示。

圖3 三相異步電機熱負荷試驗原始記錄

圖4 溫升試驗停機溫度下降曲線

通過本次對電機熱試驗，可以輕松測量出電機繞組冷態(tài)電阻、得到電機熱平衡狀態(tài)、電機繞組熱態(tài)電阻以及冷態(tài)環(huán)境溫度和熱態(tài)環(huán)境溫度。從而成功實現(xiàn)對電機熱試驗環(huán)境溫度進行了控制。

5 環(huán)境溫度控制的意義

從環(huán)境溫度對電機溫升值計算的影響來看，一個穩(wěn)定的環(huán)境溫度有以下幾方面的好處：①控制環(huán)境溫度可以避免電機繞組溫度隨環(huán)境溫度的波動而波動，從而快速獲得電機熱平衡，節(jié)省試驗時間；②控制環(huán)境溫度可以準確測量出指定的電機繞組冷態(tài)溫度及其冷態(tài)電阻；③控制環(huán)境溫度可以實現(xiàn)在任何季節(jié)、任何氣溫下都能正常做電機型試試驗；④通過控制環(huán)境，可以提供可控的環(huán)境溫度進行電機熱試驗，可根據(jù)電機實際的使用環(huán)境溫度進行針對性試驗，從而使電機廠家獲得與電機實際工況時相接近的數(shù)據(jù)，這樣電機廠家設計人員根據(jù)準確反映的電機參數(shù)，可以更加合理地設計出優(yōu)質的電機。

6 環(huán)境溫度控制的展望

本文通過上述恒溫箱對電機型式試驗的環(huán)境溫度進行精準控制，給電機檢測提供了一種新的方法。最終讓客戶有了更多的選擇，也給電機檢驗檢測機構帶來更多的試驗項目和業(yè)務。相信更多的電機生產(chǎn)公司要求采用這種方法，從而得到更多的電機檢測精準數(shù)據(jù)。最終更好地推動電機生產(chǎn)、電機檢驗的發(fā)展。