潘柏根，萬天勝，陸月星，張 俊，黎和俊，周堂鑫

（安徽省電機(jī)產(chǎn)品及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城 242500）

1 研究背景

北美CSA 全球檢測(cè)檢驗(yàn)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)在發(fā)放安規(guī)實(shí)驗(yàn)室和能效實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)時(shí)，明確要求所申請(qǐng)CSA 資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室必須有環(huán)境溫度控制裝置或恒溫室。目前國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)軍者上海電器科學(xué)研究所已對(duì)電機(jī)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室都加裝空調(diào)。國(guó)內(nèi)其他大多數(shù)電機(jī)檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)還沒有使用恒溫室或恒溫箱對(duì)試驗(yàn)環(huán)境溫度進(jìn)行控制[1]。如何更能精準(zhǔn)反應(yīng)電機(jī)在實(shí)際工況下的運(yùn)行的性能數(shù)據(jù)，本文嘗試通過制作恒溫箱體對(duì)電機(jī)試驗(yàn)環(huán)境溫度進(jìn)行控制[2]。

2 環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)結(jié)果的影響

在電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于求取電機(jī)繞組溫升值時(shí)，若環(huán)境溫度不在規(guī)定下時(shí)需要進(jìn)行修正。因此，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上都進(jìn)行了大量的編寫如何計(jì)算修正值。其中，GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》、GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》和GB/T 22670—2018《變頻器供電三相龍型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)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(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文先通過對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)原理介紹及電機(jī)溫升計(jì)算進(jìn)行闡述，最后結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)和電機(jī)溫升計(jì)算，分析了環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)結(jié)果的影響[4]。

2.1 電機(jī)熱試驗(yàn)的試驗(yàn)原理

電機(jī)熱試驗(yàn)是通過對(duì)被試電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如電機(jī)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(jī)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(yàn)步驟進(jìn)行檢測(cè)：①將被試電機(jī)吊放到合適的實(shí)驗(yàn)室，并和陪試機(jī)一起固定在合適的試驗(yàn)平臺(tái)上；②接好電纜、溫度傳感器Pt100（或熱電偶）及其他測(cè)試所需儀器儀表等；③等到被試電機(jī)繞組冷態(tài)溫度基本等于環(huán)境溫度時(shí)，測(cè)量電機(jī)三相繞組的冷態(tài)電阻，并記錄其阻值和此時(shí)的冷態(tài)溫度；④將被試電機(jī)通額定電壓和額定頻率后，再對(duì)其加載直至額定負(fù)載時(shí)進(jìn)行熱試驗(yàn)，一般被試電機(jī)通過3～5 h額定負(fù)載運(yùn)行下，基本能達(dá)到熱平衡；⑤電機(jī)熱平衡后，停機(jī)后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)量電機(jī)繞組的熱態(tài)電阻，觀察被試電機(jī)繞組溫度在1 h 內(nèi)溫度變化是在1 K 內(nèi)，說明電機(jī)繞組熱平衡達(dá)到即可停機(jī)，并等電機(jī)完全停下來，及時(shí)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量第一時(shí)刻的電機(jī)繞組電阻，并連續(xù)時(shí)間間隔測(cè)量5～7個(gè)時(shí)刻的電機(jī)繞組電阻。通過上述試驗(yàn)過程可以將被試電機(jī)熱試驗(yàn)所需參數(shù)全部測(cè)量并記錄好，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并得出電機(jī)繞組的溫升值。

2.2 電機(jī)溫升的計(jì)算

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

式（1）中：θmax為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的繞組溫度中最高值；θc為熱試驗(yàn)開始時(shí)冷卻介質(zhì)溫度；θb為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷卻介質(zhì)溫度。

電阻法確定定子繞組溫升，繞組的平均溫升Δθ（K）的計(jì)算公式為：

式（2）中：RN為斷電停機(jī)后測(cè)得的第一點(diǎn)熱態(tài)電阻；Rc為熱試驗(yàn)開始前的冷態(tài)繞組端電阻；K1為定子繞組導(dǎo)體在0 ℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，銅K1=225，鋁K1=235；θc為測(cè)量Rc時(shí)繞組實(shí)際溫度；θb為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷卻介質(zhì)溫度。

2.3 影響電機(jī)溫升結(jié)果因素的分析

對(duì)于埋置溫度計(jì)（ETD）法、溫度計(jì)法進(jìn)行測(cè)電機(jī)繞組溫度，必須找出電機(jī)熱平衡時(shí)繞組最高溫度。電機(jī)冷卻介質(zhì)為空氣時(shí)，由于電機(jī)繞組發(fā)熱，熱量由里及外散發(fā)。又由于風(fēng)扇從電機(jī)一端部對(duì)電機(jī)吹風(fēng)的情況下，電機(jī)內(nèi)部的溫度肯定不是均勻分布。所以試驗(yàn)前多布置溫度傳感器，熱試驗(yàn)平衡時(shí)讀取電機(jī)繞組溫度的最高值。由于溫度傳感器埋置時(shí)，可能埋置點(diǎn)不合適以及與電機(jī)繞組接觸不好等因素會(huì)導(dǎo)致得不到電機(jī)繞組溫度真實(shí)的最高值。試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度在不停地變化會(huì)影響電機(jī)最終熱平衡點(diǎn)位置，從而導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度的最高值的測(cè)量。由于電機(jī)散熱從里往外，環(huán)境溫度變化不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度的同步變化。因此再結(jié)合公式（1）計(jì)算出電機(jī)繞組溫升時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度變化和溫度傳感器埋置都會(huì)影響最后的溫升計(jì)算結(jié)果。

電阻法確定定子繞組溫升，就不會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)溫度分布不均勻問題而采集不到電機(jī)繞組的真實(shí)溫度，從而不能準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的溫升。但環(huán)境溫度在測(cè)量時(shí)就必須精準(zhǔn)測(cè)量，否則對(duì)電機(jī)溫升值有一定的影響。特別是電機(jī)繞組冷態(tài)電阻值的測(cè)量一定要求環(huán)境溫度變化不要太快，否則無法測(cè)量到電機(jī)繞組準(zhǔn)確的冷態(tài)電阻值。同樣如果電機(jī)試驗(yàn)區(qū)域是空曠的情況下，試驗(yàn)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(shí)候氣溫升到20 ℃，并且一直在變化。這種情況很難找到電機(jī)熱穩(wěn)定狀態(tài)，也會(huì)造成熱平衡停機(jī)的熱態(tài)電阻測(cè)量不準(zhǔn)確。

通過上述分析可知，環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)繞組溫升有一定的影響。一方面環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致很難獲得準(zhǔn)確的電機(jī)繞組熱平衡狀態(tài)，另一方面會(huì)造成無法測(cè)量到熱平衡時(shí)電機(jī)繞組真實(shí)的最高值溫度、冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻。因此，對(duì)熱試驗(yàn)過程中要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制。

3 環(huán)境溫度控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 傳統(tǒng)恒溫室對(duì)環(huán)境溫度的控制

按電機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)將電機(jī)檢測(cè)區(qū)密封起來，在密封區(qū)域內(nèi)部安裝多個(gè)大功率的空調(diào)和一些排氣扇。在試驗(yàn)前將被試電機(jī)固定在試驗(yàn)平臺(tái)上并接好電機(jī)進(jìn)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(jī)繞組的溫度值與環(huán)境溫度基本一致時(shí)，方可進(jìn)行電機(jī)試驗(yàn)。一般情況下時(shí)間控制在2～5 h，要根據(jù)恒溫室的大小、電機(jī)的發(fā)熱功率、指定溫度值以及當(dāng)時(shí)氣溫等因素決定。目前，國(guó)內(nèi)大的電機(jī)檢驗(yàn)中心都是采用這種模式對(duì)電機(jī)環(huán)境溫度進(jìn)行控制，完全可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)溫。

3.2 電機(jī)試驗(yàn)專用恒溫箱對(duì)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(gè)指定的溫度，上述的恒溫實(shí)驗(yàn)室可很難實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文提出一種在電機(jī)試驗(yàn)中用到的恒溫箱。這種電機(jī)試驗(yàn)專用恒溫箱是由一個(gè)主箱和多個(gè)副箱體進(jìn)行合適搭配來實(shí)現(xiàn)，它可以對(duì)中小型電機(jī)試驗(yàn)的環(huán)境溫度進(jìn)行控制，主箱外觀如圖1 所示。主箱是由1 個(gè)無底的長(zhǎng)方體鋼架（尺寸為長(zhǎng)4.5 m×寬2.5 m×高2.5 m）、1 個(gè)頂板、4 個(gè)側(cè)面墻板、1 個(gè)大功率的低溫制冷機(jī)組、若干取暖器以及電氣控制盒構(gòu)成，如圖2所示。中小功率電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)熱功率小，單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量少，因此，單獨(dú)使用主箱即可。大功率的電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)熱功率大，單位時(shí)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(shí)可以將主箱的前后兩側(cè)墻板拆卸下來，并在其兩側(cè)加上副箱體來增加恒溫室空間，這樣就不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓欤鵁o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(jī)試驗(yàn)前，也將電機(jī)固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，并接好電機(jī)進(jìn)線和其他各類采樣線。再將恒溫箱體吊起來將被試電機(jī)和負(fù)載機(jī)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(dāng)時(shí)氣溫，就開啟加熱裝置。在試驗(yàn)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(jī)繞組溫度幾乎與箱體內(nèi)的溫度相同時(shí)，進(jìn)行冷態(tài)電阻采樣。然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行加載熱試驗(yàn)，電機(jī)在運(yùn)行中一直在發(fā)熱，當(dāng)恒溫箱內(nèi)的溫度也在緩慢持續(xù)增加時(shí)，這時(shí)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(dāng)電機(jī)的發(fā)熱量與對(duì)外散熱量達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，環(huán)境溫度基本就穩(wěn)定下來。如果指定溫度低于當(dāng)時(shí)氣溫，就開啟制冷裝置。

4 對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度控制的實(shí)例

為了驗(yàn)證在電機(jī)試驗(yàn)中能控制住環(huán)境溫度，選擇了一臺(tái)常規(guī)三相異步電機(jī)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱試驗(yàn)。首先，讓恒溫箱的溫度升到指定的溫度θ1，并觀察電機(jī)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(cè)量出電機(jī)三相繞組的冷態(tài)電阻。測(cè)完冷態(tài)電機(jī)繞組的電阻后，給被試電機(jī)加載到滿載的115%。等到繞組溫度升的速度慢下來時(shí)，將被試電機(jī)的負(fù)載降到滿載。同時(shí)開始通過冷凍機(jī)溫度和調(diào)整取暖器的抽風(fēng)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(yàn)可以得到環(huán)境溫度在35 ℃左右下的電機(jī)時(shí)的溫升，數(shù)據(jù)如圖3 所示。溫升試驗(yàn)停機(jī)溫度下降曲線如圖4所示。

圖3 三相異步電機(jī)熱負(fù)荷試驗(yàn)原始記錄

圖4 溫升試驗(yàn)停機(jī)溫度下降曲線

通過本次對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)，可以輕松測(cè)量出電機(jī)繞組冷態(tài)電阻、得到電機(jī)熱平衡狀態(tài)、電機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)熱試驗(yàn)環(huán)境溫度進(jìn)行了控制。

5 環(huán)境溫度控制的意義

從環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)溫升值計(jì)算的影響來看，一個(gè)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(jī)繞組溫度隨環(huán)境溫度的波動(dòng)而波動(dòng)，從而快速獲得電機(jī)熱平衡，節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間；②控制環(huán)境溫度可以準(zhǔn)確測(cè)量出指定的電機(jī)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(shí)現(xiàn)在任何季節(jié)、任何氣溫下都能正常做電機(jī)型試試驗(yàn)；④通過控制環(huán)境，可以提供可控的環(huán)境溫度進(jìn)行電機(jī)熱試驗(yàn)，可根據(jù)電機(jī)實(shí)際的使用環(huán)境溫度進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)，從而使電機(jī)廠家獲得與電機(jī)實(shí)際工況時(shí)相接近的數(shù)據(jù)，這樣電機(jī)廠家設(shè)計(jì)人員根據(jù)準(zhǔn)確反映的電機(jī)參數(shù)，可以更加合理地設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的電機(jī)。

6 環(huán)境溫度控制的展望

本文通過上述恒溫箱對(duì)電機(jī)型式試驗(yàn)的環(huán)境溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，給電機(jī)檢測(cè)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(jī)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)帶來更多的試驗(yàn)項(xiàng)目和業(yè)務(wù)。相信更多的電機(jī)生產(chǎn)公司要求采用這種方法，從而得到更多的電機(jī)檢測(cè)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。最終更好地推動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)、電機(jī)檢驗(yàn)的發(fā)展。