高压电动机变频运行温升分析

陈可登

【摘要】浅析高压异步电动机变频运行时，电机冷却仍由转子自携同轴风扇冷却下的电动机温升情况。

【关键词】高压电动机；变频运行；电动机温升

前言：

我厂2×330MW机组每台机配有两台定速凝结水泵，其型号参数如下表：

凝结水泵

系统配置的两台凝结水泵容量与扬程均有较大裕量。机组运行时，除氧器水位调节阀在0～50%间，有较大节流损失，电机电流在90～125A。为降低机组能耗，我厂决定采用变速调节，利用高压变频器改变水泵电机驱动电源的周波，实现无级变速，满足除氧器水位调节。改造方案采用“一拖二手动旁路”，一台变频器供两台凝结水泵，通过旁路柜的高压刀闸切换。在变频方式下，凝泵通过变频器的逆变输出，控制电动机的转速，达到控制凝泵的转速的目的。本次改造不涉及电机冷却系统，电机冷却仍为转子自携同轴风扇冷却。

1 变频改造前后工况

变频改造前后，电机及水泵主要参数见下表：

2 变频改造前后损耗分析

电动机运行时本体温升，主要与电机的各种损耗产生的热量有关系。电机损耗主要有：定子铜耗pcu1 ，定子铁耗pfe ，转子铜耗pcu2，机械损耗pmec，附加损耗pad 。

小电机各种损耗见下表：

将定子铜耗，定子铁耗，转子铜耗，附加损耗这4种发热损耗之和称为发热总损耗。通过实例，发现对于大型电机，随着功率增大，定转子铜损耗下降到发热总损耗的35～50%，铁芯损耗相反增加到发热总损耗的26～38%，附加损耗增加到发热总损耗的21～35%且功率足够大时超过定转子铜损成为发热损耗第一因素。

我厂凝泵电机额定功率为1120KW，效率93%，在变频方式下运行定子铁芯损耗和附加损耗增大，机械（主要为风摩）损耗减小。为了方便分析将凝泵电机各损耗取中值列如下表：

3 变频改造前后散热分析

根据热力学第一定律，即能量转化和守恒原理：体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等，即ΔE=Q+W。且根据发热体能量平衡方程式，发热体温升θ=θ0+（θ∞-θ0）（1-e1/T t ），实际上t=（4～5）T温升已接近稳定值。当t=4T，θ=0.982θ∞。（θ∞：稳定温升 θ0：初始温升）。对于电动机，即发热体产生的热量Q=电机通风量Qm带走的热量时，电机温升为稳定温升。

又根据发热物体能量平衡方程式，发热体带走的热量Q与发热体散热面积S、发热体表面积与冷却介质之间温差θa ，发热体表面散热系数α成正比，即Q=Sαθa 。对电机而言，散热面积S固定，温差θa稳定下，热量Q决定于散热系数α。而散热系数α取决发热体表面材料和发热体表面冷却介质（空气）的气流速度。得出，电机带走的热量Q和通风量Qm有关。

通风量Qm=0.45π2df0 bf（n/60），df0 ：风扇外径 bf ：外风扇宽度。

对凝泵电机来说，电机冷却风量的大小跟电机的转速有关，即电机冷却风量与转速成正比：Qm1/ Qm2=n1/n2 。

负荷330MW，f有50Hz↘45.5 Hz，根据f=pn/60，f1/f2=n1/n2得：f2/f1=n2/n1= Qm2/ Qm1=45.5/50=91/100=91%，即冷却风量下降到额定风量的91%。

负荷150MW，f有50 Hz↘37.5 Hz，根据f=pn/60，f1/f2=n1/n2得：f2/f1=n2/n1= Qm2/ Qm1=37.5/50=75%，即冷却风量下降到额定风量的75%。

对于电动机，温度测点一般布置在定子绕组三相及轴承处。轴承采用润滑油脂直接传热，负荷对其温度影响有限，忽略。这里通过定子绕组温升来了解电机散热情况。

4 变频改造前后损耗计算分析

我厂凝结水泵采用变频调节前后损耗

5.1、负荷330MW

1） 工频：pcu1=0.20∑p= m1I12R1 = m1I12R1= 1252m1R1

变频：pcu1= m1I12R1= 942 m1R1

2） pcu2=0.20∑p，变频器按照u/f=常数控制原理调速，电机转差率较小，故转子铜耗基本不变。

3） pfe=0.25∑p，旋转磁场在定子铁芯中产生的涡流和磁滞损耗，变频器按照u/f=常数控制原理调速，，故定子铁芯损耗基本不变。

4） 工频：pmec=0.10∑p，电机旋转时产生的轴承及风摩擦等损耗，主要为风摩擦损耗，与电机旋转速度n有关。

变频：pmec= n1/n2=91%×0.10∑p，下降了9% 。

5） pad=0.25∑p 定、转子开槽及电机中的高次谐波原因产生附加损耗，在变频方式下会增大10%左右。

由上得到：

∑p变频/ ∑p工频=（94/128.9）2×16+20+16+8×91%+20×110%/

（125/128.9）2×16+20+16+8+20

=93.42/100

得出：變频下电动机损耗下降，电动机温升下降。

5.2、 负荷150MW

1） 工频：pcu1 =0.25∑p = m1I12R1= 1102m1R1

变频：pcu1= m1I12R1= 592 m1R1

2） 工频：pmec=0.10∑p

变频：pmec= n1/n2=75%×0.10∑p，下降了25% 。

3） pcu2=0.20∑p pfe=0.25∑p pad=0.25∑p ，同330MW工况。

由上得到：

∑p变频/ ∑p工频=（59/128.9）2×16+20+16+8×75%+20×110%/

（110/128.9）2×16+20+16+8+20

=89.03/100

得出：变频下电动机损耗下降，电动机温升下降。

结束语：

转子自携同轴风扇冷却下的电动机在变频运行时，变频电机总损耗∑p 小于工频时电机总损耗∑p。330MW时，电机计算总损耗下降7%；150MW时，电机计算总损耗下降11% ，分析计算电动机温升约下降10%左右。实际运行时，330MW，温升下降15℃；150MW，温升下降16℃。因此，转子自携同轴风扇冷却下的电动机，采用变频器后，在变频器运行方式为调压（设定凝结水母管压力2.0Mpa），除氧器水位调节阀负责除氧器水位调节的方式下，电动机温升下降，电动机运行安全。

参考文献：

（1）汤蕴璆，罗应立，梁艳萍 电机学北京：机械工业出版社 2008-01-01.

（2）江钟衍 异步电机质量控制（第2版） 北京：机械工业出版社 2008年7月1日.

（3）才家刚 电机试验技术及设备手册（第2版） 北京：机械工业出版社 2004.3.