楊志華 王根才

【摘要】闡述研究離心式壓縮機(jī)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行溫度分布的重要意義。介紹一種電機(jī)繞組溫度測(cè)試方法，以電機(jī)的實(shí)際溫度測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)其溫度場(chǎng)分析，然后對(duì)電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)和制冷劑供液量控制進(jìn)行優(yōu)化，解決了電機(jī)局部溫度過(guò)高的問(wèn)題，有效提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和使用壽命。

【關(guān)鍵詞】離心式壓縮機(jī)；電機(jī)；溫度場(chǎng)分析

目前，離心式制冷壓縮機(jī)用電機(jī)生產(chǎn)廠家較少，電機(jī)結(jié)構(gòu)主要有兩種：開式（壓縮機(jī)主體與電機(jī)用連軸器聯(lián)接）和半封閉式（壓縮機(jī)主體與電機(jī)直聯(lián)）。開式電機(jī)一般采用風(fēng)冷形式；半封閉式電機(jī)采用制冷劑R134a、R123等冷卻介質(zhì)冷卻。開式電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量一部分由大量冷空氣迅速流過(guò)電機(jī)鐵心及繞組表面，將其帶走，另一部分通過(guò)機(jī)殼散熱出去。制冷劑冷卻屬于內(nèi)部冷卻方式，電機(jī)五大損耗產(chǎn)生的熱量，小部分通過(guò)液態(tài)制冷劑對(duì)流帶走熱量，大部分通過(guò)液態(tài)制冷體汽化吸熱，從而降低電機(jī)內(nèi)腔溫度。由于制冷劑冷卻電機(jī)具有外形尺寸小，冷卻效果好等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)上大多數(shù)離心式制冷壓縮機(jī)廠家均使用半封閉式電機(jī)。半封閉式電機(jī)冷卻效果取決于電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)與制冷劑供液量分配的合理匹配。匹配不好易導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部冷卻不均勻，局部溫度過(guò)高，故需在電機(jī)開發(fā)階段安裝溫度傳感器對(duì)電機(jī)繞組溫度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，然后對(duì)其溫度場(chǎng)分析，優(yōu)化電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)制冷劑供液量。本文選擇MG電機(jī)作為試驗(yàn)研究對(duì)象，在不同熱區(qū)埋置熱電偶，對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，然后通過(guò)分析，對(duì)電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1、研究電機(jī)溫度場(chǎng)的意義

熱劣化是電機(jī)出現(xiàn)絕緣故障最重要的原因之一，熱劣化的速度取決于絕緣材料和絕緣的運(yùn)行溫度。通常情況下，電機(jī)生產(chǎn)廠家選定絕緣材料后，不會(huì)輕易更換，其絕緣材料的絕緣性能穩(wěn)定，從而熱劣化的速度主要取決于電機(jī)使用階段的運(yùn)行溫度。

絕緣劣化過(guò)程是一種氧化化學(xué)反應(yīng)，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快，絕緣發(fā)生劣化的時(shí)間就越短。經(jīng)驗(yàn)表明，絕緣的運(yùn)行溫度每升高10℃，其熱壽命就大約縮短一半。如果絕緣運(yùn)行在它的額定熱等級(jí)溫度下（例如F級(jí)繞組的155℃），預(yù)計(jì)幾年之后就會(huì)出現(xiàn)明顯的熱劣化。如果絕緣運(yùn)行在比額定熱等級(jí)溫度低30℃的溫度下，其預(yù)期壽命將延長(zhǎng)約8倍，即約25～30年，因此，運(yùn)行溫度越高，絕緣劣化進(jìn)程越快[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)電機(jī)的損壞都表現(xiàn)為電機(jī)的局部過(guò)熱或整體過(guò)熱導(dǎo)致絕緣失效而燒毀。對(duì)離心式壓縮機(jī)電機(jī)而言，由于其工作在制冷劑環(huán)境中.工作負(fù)荷與冷卻條件是隨機(jī)組運(yùn)行的不同工況而變化的，對(duì)其電機(jī)的運(yùn)行溫度分布研究就愈顯得復(fù)雜而必須，具有十分重要的實(shí)際意義。

2、溫度試驗(yàn)

本文選擇MG電機(jī)作為研究對(duì)象，電機(jī)額定功率840kW、額定電壓10kV、額定電流64A。電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)冷卻介質(zhì)為R134a制冷劑。一路液態(tài)制冷劑是利用冷凝-蒸發(fā)壓差通過(guò)軸向噴管進(jìn)入電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸向流道。轉(zhuǎn)子的徑向流道與軸向流道相通。制冷劑在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，由轉(zhuǎn)子徑向流道甩出，進(jìn)入定子徑向流道和定轉(zhuǎn)子氣隙中進(jìn)行冷卻。另一路液態(tài)制冷劑利用冷凝-蒸發(fā)壓差進(jìn)入繞組外圈上面的盤管對(duì)繞組端部進(jìn)行噴射冷卻。最后，全部制冷劑從電機(jī)內(nèi)腔流出返回機(jī)組蒸發(fā)器。

2.1試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)條件，利用離心式冷水機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備對(duì)其安裝在離心式冷水機(jī)組上的MG電機(jī)進(jìn)行溫度測(cè)試，如圖2所示。電機(jī)內(nèi)部埋置熱電偶，熱電偶引線通過(guò)電機(jī)機(jī)殼上安裝的熱電偶密封端子引出，然后通過(guò)連接導(dǎo)線連接在溫度測(cè)試儀上。溫度測(cè)試儀采用具有32路萬(wàn)能全切換信號(hào)輸入、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ艿亩喙δ軣o(wú)紙記錄儀。

2.2測(cè)量?jī)x器

該電機(jī)繞組為F級(jí)絕緣，即繞組額定熱等級(jí)溫度為155℃。電機(jī)溫度測(cè)試中最常見的溫度傳感器是電阻式溫度傳感器和熱電偶。考慮到成本和測(cè)試范圍，選擇T型熱電偶作為測(cè)試儀器，最大允許誤差為±1℃。電機(jī)的運(yùn)行功率、電流等參數(shù)由離心式冷水機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)配置的數(shù)字功率計(jì)測(cè)量。測(cè)量參數(shù)及測(cè)量?jī)x器見表1。

2.3測(cè)溫點(diǎn)的布置

為客觀真實(shí)反映電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的內(nèi)部冷卻效果和溫度場(chǎng)分布，在MG電機(jī)內(nèi)部埋置32個(gè)T型熱電偶。定子鐵心中部的繞組外層埋置4個(gè)熱電偶，近似90°分布；定子鐵心兩側(cè)的繞組外層各埋置8個(gè)，近似45°分布；引出線側(cè)繞組端部埋置6個(gè)，近似60°分布；非引出線側(cè)繞組端部埋置6個(gè)，近似60°分布。T型熱電偶的埋置如圖3所示。

2.4試驗(yàn)流程

試驗(yàn)的目的是研究電機(jī)在機(jī)組不同運(yùn)行工況下的繞組溫度場(chǎng)分布。具體步驟為：調(diào)節(jié)離心式冷水機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在不同工況下，同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行電流達(dá)電機(jī)額定電流值，測(cè)試不同工況下的繞組溫度。每個(gè)工況下，待電機(jī)熱平衡后穩(wěn)定運(yùn)行30分鐘后，再記錄數(shù)據(jù)。為了節(jié)約測(cè)試時(shí)間，測(cè)試時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算選擇典型的運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)試。

3、測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3.1測(cè)試數(shù)據(jù)

⑴ 電機(jī)在0.9倍至1.05倍額定電流下運(yùn)行的4組典型溫度測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。

⑵ 在測(cè)試?yán)@組溫度的同時(shí)，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量電機(jī)機(jī)殼表面溫度作為參考。機(jī)殼表面測(cè)溫點(diǎn)位置如圖5所示，電機(jī)機(jī)殼表面溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。

注：括號(hào)內(nèi)的序號(hào)表示背面：如（4）表示2的背面區(qū)域。

3.2數(shù)據(jù)分析

⑴ 從整體冷卻效果來(lái)看，電機(jī)繞組端部，鐵心均冷卻較為充分，運(yùn)行溫度較低。額定電流下電機(jī)最高點(diǎn)溫度為80℃是F級(jí)絕緣熱等級(jí)溫度的52%，冷卻效果較為理想。

⑵ 從局部冷卻效果來(lái)看，電機(jī)冷卻不均勻，電機(jī)內(nèi)部測(cè)試平均溫度為51℃、電機(jī)最高溫度為80℃，最低溫度為24℃。溫度高點(diǎn)為熱電偶19、20、21、22、23、24、、25、26測(cè)點(diǎn)區(qū)域，即電機(jī)鐵心偏繞組非引線側(cè)區(qū)域，此區(qū)域遠(yuǎn)離軸向噴管，局部溫度過(guò)熱。

⑶ 電機(jī)運(yùn)行電流與溫度的關(guān)系—電機(jī)溫度受運(yùn)行電流的影響最大，運(yùn)行電流高則電機(jī)溫度升高非常明顯。特別是在冷卻不均勻，局部過(guò)熱的情況下，該電機(jī)非引線側(cè)鐵心區(qū)域在運(yùn)行電流超過(guò)額定電流5%時(shí)，溫度上升了約15℃?？梢?，電機(jī)局部過(guò)熱危害很大。不消除局部過(guò)熱對(duì)電機(jī)運(yùn)行可靠性會(huì)造成影響，負(fù)荷大的時(shí)候，甚至?xí)?dǎo)致絕緣失效電機(jī)燒毀。

⑷ 對(duì)比圖4與圖6的溫度曲線表明：制冷劑冷卻電機(jī)其機(jī)殼溫度不能真實(shí)的反映出電機(jī)內(nèi)部繞組溫度場(chǎng)的情況。特別是電機(jī)局部過(guò)熱的情況下，電機(jī)機(jī)殼溫度場(chǎng)與電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)相差更大。

4、優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析：電機(jī)偏非引線側(cè)鐵心區(qū)域局部溫度過(guò)高，說(shuō)明該段鐵心得到的制冷劑供液量少，冷卻不夠。該段鐵心的冷卻是制冷劑經(jīng)轉(zhuǎn)子軸向流道孔流入其徑向流道，再經(jīng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力將制冷劑壓入定子徑向流道和定轉(zhuǎn)子氣隙中進(jìn)行冷卻。冷卻不夠是由于流經(jīng)該部分轉(zhuǎn)子徑向流道的制冷劑量少。該處制冷劑量少的原因是在電機(jī)內(nèi)腔制冷劑供液總量相同的情況下，由于轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)不合理，轉(zhuǎn)子上靠近軸向噴管段的4個(gè)徑向流道中制冷劑分配流量過(guò)多，致使到達(dá)遠(yuǎn)離軸向噴管段的4個(gè)徑向流道中的制冷劑流量極少。

為了解決此問(wèn)題，對(duì)轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。修改轉(zhuǎn)子制冷劑流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由每個(gè)軸向流道與兩個(gè)徑向流道相連，改為每個(gè)軸向流道只與一個(gè)徑向流道相連，確保從轉(zhuǎn)子上各個(gè)徑向流道流出的制冷劑均勻，來(lái)消除冷卻不均勻、局部溫度過(guò)高。

4.2測(cè)試驗(yàn)證

電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)修改后，制作新轉(zhuǎn)子替換原來(lái)的轉(zhuǎn)子后，重新進(jìn)行了溫度測(cè)試驗(yàn)證。優(yōu)化前后電機(jī)溫度曲線如圖7所示。

對(duì)比分析可知：轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，電機(jī)制冷劑供液量分配與電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)匹配更合理。電機(jī)鐵心局部溫度過(guò)高得到了有效解決。電機(jī)內(nèi)部最高溫度為57℃，最低溫度為31℃，各測(cè)點(diǎn)平均溫度為41℃。電機(jī)整體和局部冷卻效果都非常好。

5、結(jié)論

通過(guò)對(duì)電機(jī)溫度測(cè)試，研究電機(jī)溫度分布，有效地對(duì)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。以上述MG電機(jī)為例，電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，電機(jī)局部過(guò)熱溫度減低了30℃，電機(jī)平均運(yùn)行溫度降低了10℃，大大提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和使用壽命。同時(shí)后續(xù)進(jìn)行對(duì)電機(jī)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的分析，并以此為依據(jù)，對(duì)找到最合適的熱敏電阻的埋設(shè)點(diǎn)與控制溫度具有指導(dǎo)意義，達(dá)到對(duì)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)目的。

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作者簡(jiǎn)介

楊志華，出生年月：1978年12月，性別：男，民族：漢，籍貫：四川省廣安市，學(xué)歷：重慶大學(xué)工程碩士，職稱：工程師，研究方向：主要從事離心式冷水機(jī)組性能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制工作。