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级电气工程及自动化论文
燕山大学
毕业设计(论文)
论述变频器供电条件下电机的升温与对策
学院燕山大学
年级专业2009级电气工程及自动化
学生姓名张志刚
指导教师马英
专业负责人
答辩日期
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
燕山大学继续教育学院教研室:
学
号
学生
姓名
张志刚
专业
班级
2009级电气工程及自动化
课
题
题目
论变频器供电条件下电机的温升与对策
来源
题目自拟
主
要
内
容
本文论述变频器供电条件下电动机的温升与对策,首先讨论了电动机的温升限度;然后结合感应电机温升实验的相关数据分析了变频器供电对电动机温升的影响及其原因;最后从降低发热量和提高散热能力两方面提出缓解电机温升的措施,并指出了实际应用中应注意的问题。
基
本
要
求
1.电动机的温升限度
2.变频供电时电动机的温升
3.缓解电动机温升的对策
参
考
资
料
【1】高潮.安川电机公司变频器的发展概况[J],电气传动,1997
(2):
53-56
【2】王玉申.通用变频器的选择与使用[J],中华纸业,200122
(1):
44
【3】张选正,张金远编著,变频器应用经验,中国电力出版社,2006年
【4】周志敏等.变频器工程应用,电磁兼容,故障诊断,电子工业出版社,2005年
【5】张兴华,催桂梅,王洪希.交直流传动技术实训教材,科学出版社,2005年
【6】李良仁.变频调速技术与应和,电子工业出版社,2004年
【7】石秋洁.变频器应用基础,机械工业出版社,2005年
【8】变频技术.中国劳动社会保障出版社,2004年
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
1.进行资料的筛选和收集,确定论文方向。
2.了解变频器供电条件下电动机的升温与对策。
3.对变频器供电条件下电动机升温与对策的构思。
4.开始对变频器供电条件下电动机的升温与对策进行设计。
5.完成设计并完成论文写作。
指导教师:
马英
教研室审批:
说明:
如计算机输入,表题黑体小三号字,内容五号字。
本任务书一式三份,教务科、教师、学生各执一份。
摘要
随着变频调速技术的蓬勃发展,变频器供电电机的温升问题已引起人们的广泛关注。
本文论述变频器供电条件下电动机的温升与对策,首先讨论了电动机的温升限度;然后结合感应电机温升实验的相关数据分析了变频器供电对电动机温升的影响及其原因;最后从降低发热量和提高散热能力两方面提出缓解电机温升的措施,并指出了实际应用中应注意的问题。
关键词 变频器感应电动机温升对策
目录
摘要I
第1章绪论1
1.1课题背景1
第2章电动机的温升限度2
2.1电动机常用的绝缘材料的选择2
2.2电动机的温升条件2
2.3电动机的温升测试3
第3章变频供电时电动机的温升3
3.1变频器供电电动机内部附加损耗3
3.2变频器给供电电动机带来的温升效应4
3.3传感器安装位置说明5
第4章缓解电动机温升的对策8
4.1电动机升温因素及抑制措施8
4.2电动机的轻载使用9
4.3电动机的冷却方法10
结论12
参考文献13
致谢14
第1章绪论
1.课题背景
为节约能源和改善工艺控制,越来越多的工业过程利用变频器来提高生产系统的综合效率。
变频器输出的PWM脉冲电压谐波成分丰富、脉冲频率高且上升沿陡直,这种状况与用50Hz的交流正弦波驱动电动机的状况大不相同,在能量转换过程中,电动机内部将不可避免地产生损耗,使电动机的温度升高。
当温升超过最高容许工作温度时,电动机的使用寿命将大幅缩短。
为此,研究电动机的温升问题及其缓解对策是十分重要的。
此外,由于电机结构复杂,散热条件不同,电机内部各个部分的温度分布和温升也不完全相同,然而目前却很少有具体的数据资料可供参考。
本论文首先介绍电动机的温升限度,然后通过试验数据和原理分析相结合的方法说明变频器供电条件下电动机的温升问题,进而介绍缓解温升的对策。
第2章电动机的温升限度
2.1电动机常用的绝缘材料的选择
电动机中常用的绝缘材料,按其耐热能力,分为A、E、B、F和H等五级。
A级绝缘采用经过浸渍或使用时浸于油中的棉纱、丝和纸等有机材料,E级绝缘是聚脂树脂、环氧树脂及三醋酸纤维等制成的绝缘薄膜,B、F、H级绝缘的基本材料均为云母、石棉及玻璃纤维,但浸渍用漆的耐热性能不同。
表1列出各级绝缘的最高容许工作温度。
表1各级绝缘的最高容许工作温度
绝缘材料
A级
E级
B级
F级
H级
容许工作温度/℃
105
120
130
155
180
上述耐热能力是指可以长期在该温度下使用。
当工作温度超过最高容许工作温度时,使用寿命将迅速缩短。
试验表明,对A级绝缘,若一直处于90~95℃时,其使用寿命可达20年;当工作温度在95℃以上时,温度每增高8℃,绝缘的使用寿命就将减少一半(俗称8℃定理);例如一直工作在110℃,寿命就只有4~5年。
一般电动机多用E级和B级绝缘。
要求在高温场合下使用的电动机,如起重及冶金用电动机,常采用F级和H级绝缘。
2.2电动机的温升条件
电动机某一部分的温度和周围冷却介质的温度之差称为该部件的温升,一般用θ表示。
当该部分所用绝缘材料确定后,部件的最高容许工作温度就确定了,此时温升限度就取决于冷却介质的温度。
冷却介质的温度越高,容许的温升就越低。
考虑到全国各地区和各个季节环境温度的变化较大,国家标准GB755-87(电动机基本技术要求)明确规定,在海拔1000m以下时,环境空气温度规定为40℃,当最高环境温度比40℃高出Δt0时(Δt0不超过20℃),温升限度应相应地减低Δt0;如低于40℃时,温升限度一般维持原值不变。
当海拔在1000m以上,但不超过4000m时,温升限度按试验和使用地点的海拔差别进行校正[2]。
2.3电动机的温升测试
电动机试制以后,须进行温升试验以确定其实际温升。
由于不同的测量方法得到的测量结果不同,因此在规定温升限度的同时,还应规定测温方法。
常用的测量方法有三种:
温度计法、电阻法和埋置检温计法。
国标中所规定的部件容许最高温度,也因测量方法不同而不同。
例如环境空气温度为40℃时,采用B级绝缘的5000kW以下的交流电动机的交流绕组,其温升限度规定为:
电阻法—80℃;检温计法—90℃;加上环境温度后,其值低于或等于B级材料的容许工作温度。
第3章变频供电时电动机的温升
3.1变频器供电电动机内部附加损耗
对于变频器供电电动机而言,由于高次谐波的存在,电机内部会产生以下附加损耗[3]:
(1)高次谐波带来的定子和转子附加铜损耗;
(2)高次谐波带来的定子附加铁耗;
(3)高次谐波带来的附加杂散损耗;
(4)三相异步电动机在高频下运行时,集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加。
3.2变频器给供电电动机带来的温升效应
这些高次谐波电压和电流产生的附加损耗,致使电动机温升增大。
另一方面,对于普通标准电动机而言,冷却风扇直接安装在转子轴上,电动机低频运转时冷却效果大幅下降,更会加剧电动机温升的提高。
通常电动机温升同冷却风量产生的冷却效果的关系为[4]:
θ∝
(1)
∝N
式中,Q为冷却风量,N为电动机转速。
如果电动机产生的损耗不变,温升同转速的0.4~0.5次方成反比。
总之,电动机特别是普通电动机在采用变频器供电时,由于发热和散热两方面因素会致使电动机温升增大。
电动机温升增大影响绕组的使用寿命,限制电动机的输出,严重的甚至会烧毁电动机。
文献[1]介绍的实际测量温升的实验结果,对于了解电动机的温度分布规律特别是变频电源对电动机温升的影响十分有用。
以一台三相4极230V,2.2kW的笼型感应电动机为实验对象,分别采用典型的SPWM变频器(运行在50Hz)和工频正弦供电,将电机温升情况作对比。
采用专门的设计和制造方法,在电动机体内(定子、转子、气隙、壳体)安置或埋置了20个热敏电阻传感器(性能稳定、精度高),其中三个传感器放置在转子中。
定子端部绕组传感器位于定子绕组的径向中心位置(位置1、位置10),一般地,取轴伸端和风扇端的两个传感器的温度平均值作为最终温度。
温度传感器布局如图1所示。
图1温度传感器分布图
3.3传感器安装位置说明
转子:
13(轴中心),14(轴伸侧表面),15(风扇侧表面);定子绕组端部:
1(轴伸侧),10(风扇侧);定子铁心槽部:
17(轴伸侧),4(风扇侧);壳内空间气隙:
8(轴伸侧),19(轴伸侧靠近定子绕组),20(风扇侧);电动机壳体:
6。
工频正弦和变频电源供电的情况下,每一个温度点都测量大量的数据,由最小二乘法得到该点的温度曲线。
图2所示是满载条件下,由变频器和正弦电源分别供电时对应各测量点的温度曲线。
图3所示是变频器供电电动机在不同负荷条件下的温度曲线(工作频率为50Hz)。
图4所示是正弦波供电时不同负载条件下的温度曲线图。
图2满载条件下温度曲线
图3不同负载条件下的温度曲线
图4正弦供电时不同负载条件下温度曲线
显而易见,在变频器和正弦电源供电条件下,温度曲线具有相同的上升趋势。
由变频器谐波引起的附加温升较大,定子侧为7℃左右(位置1),转子侧大约为15℃(位置13)。
对于结构材料相似的其他容量的感应电动机,上述结果同样适用。
另外,电动机各部位温度分布差异很大,定子端部绕组(位置1)的温度低于定子中心(位置17)温度,这是因为定子端部绕组冷却条件比较好;同时由于风扇的冷却作用,风扇侧的定子端部绕组(位置10)温度和壳内空间气隙(位置20)温度均低于相应轴伸侧的定子端部绕组(位置1)温度和壳内气隙(位置8)温度。
由于热量传递的复杂性以及冷却条件的不一致,温度和损耗的关系是非线性的。
对于平方转矩负载而言,低速运行时负载转矩减小,电动机铜耗和发热量降低,虽然低速时冷却能力降低(如采用自冷式或自扇冷式),但电动机温升增大的不会太多。
对于恒转矩负载而言,低速运行时负载转矩不变,电动机铜耗和发热量并不比高速运行时小,而低速时冷却能力却降低了,因此电动机温升将会有较大的增大,使用时要特别注意。
表2给出了变频器供电条件下Y100I2-4型自扇冷式电动机的转速对温升的影响实测的数据。
频率(Hz)
转速转矩(r/min)
负载(kg.m)
应输出P(kW)
实际输出P(kW)
温升(℃)
容量下降率(1-P1/P2)
50
1430
2.02
3.0
3.0
74
0
40
1130
1.96
2.4
2.3
79.4
4%
30
835
1.83
1.8
1.6
84.6
11%
20
550
1.65
1.2
0.93
90
22.5%
10
250
1.56
0.6
0.4
96
33%
表2自扇冷式电动机的转速对温升的影响实测的数据
由上表中可以看出变频调速时,虽然电动机的转矩、输出功率都随频率的下降而降低(即发热量减小),但电动机的温度却升高了,特别是电动机运行在30Hz以下时,温升尤其严重。
因此可见,电动机变频运行后其温升增加几乎是不可避免的,特别是普通电动机低速运行时,极易发生过热现象。
为此,了解电动机的温升缓解方法是十分重要的。
第4章缓解电动机温升的对策
4.1电动机升温因素及抑制措施
温升是影响电动机使用寿命的关键因素,电动机温升的“8℃定理”就是这一观点的佐证。
如前所述,电动机在变频器供电时的温升会比工频电源时有明显增加,一般地,电机运行频率越低温升越高。
切实需要采取措施,限制或缓解电动机温升的增加,保证设备安全运行。
在电动机选定的条件下,限制或缓解电动机温升无非有两个方面,一是合理地减少损耗,即降低发热量;再就是改善冷却条件,使热能有效地散发出去。
减少损耗的根本措施一是抑制谐波,二是限制负载转矩,具体措施如下:
(1)采取各种抑制谐波的措施,例如在变频器的输出侧加装滤波器,以改善输出谐波性能,减少由于高次谐波引起的附加损耗。
(2)合理调试“载波频率”参数,改善谐波性能,减小电动机的各种损耗。
一般认为载波频率适度提高,高次谐波含量将降低,电机损耗小。
但是必须注意:
载波频率过高将加剧电动机的冲击电压,对电动机绝缘不利,而且变频器自身的损耗要增大,因此载波频率的设置也不宜过高。
(3)对于减负载场合或电动机轻载运行情形,适度减低变频器输出电压,即减小U/f给定。
(4)对于减负载场合,适当降低最高运行频率限制,降低电机出力。
(5)适当地提高电动机和变频器的容量,减小其负载系数。
4.2电动机的轻载使用
如果生产工艺允许,电动机轻载使用也是一种简单有效的方法。
图5示出变频供电时(变频器容量与电机容量的组合为1∶1)电动机容许的连续运转转矩和短时最大转矩特性的一例[4]。
这些特性随电机的种类、结构等的不同而不同,详细情况需要根据各厂家提供的资料进行研究。
图5容许连续运转转矩和最大转矩
图5中,容许连续运转转矩表示通用电机连续运转时,可以将电机温升限制在规定值以内的容许转矩值。
如用220V、60Hz电源以20Hz的速度连续运转电机时,如果负载转矩在电机额定值的80%以内,则可以使电机的温升不超过规定值。
最大转矩表示通用电机用变频器传动时电机可以产生的最大转矩值。
以此转矩值不能连续运转,所以为短时定额。
在提高散热能力方面的具体措施:
(1)选用变频专用电动机或采用强迫通风式电动机。
(2)改造原有设备,另设专用冷却风扇。
4.3电动机的冷却方法
如果生产工艺允许,限制电动机运行的最低频率,保证自扇冷式电动机在低速时的冷却能力,也是一种简单有效的方法。
值得指出的是,目前大量使用的普通中小型交流电动机都是按恒频/恒压(50Hz/380V)设计的,为了降低成本这些电动机都是自带风扇型冷却的,冷却风量也是基本按电动机额定速度设计的,较少考虑电动机调速(降速)后,自扇冷式电动机的散热能力下降的问题。
在变频器广泛应用的今天,这种电动机实际上已经不能适应变频调速的要求,变频电动机是理想的选择之一。
相比普通交流电动机,目前变频电动机价格昂贵,许多企业难以承受。
改造中小型电动机冷却方式,即采用他扇冷式这种以往多用于大型电动机的冷却方式,是一种简单有效且价廉物美的方案。
应用通用变频器改造旧有的普通异步机恒速系统时,尤其应该注意以下几点问题。
对于平方转矩负载(如风机、水泵)一般直接选用容量适当的变频器即可;但是对于恒转矩负载应注意实测或估算电动机长期运转的频率,判明电动机实际功耗与电动机余量。
对于调速范围比较宽的电动机,特别是具有恒转矩调速和恒功率调速两个运行范围的电动机,不能采用自扇冷式电动机,这种方式对高速和低速都不利,低速时冷却效果差,高速时冷却能力过剩使系统效率下降。
结论
本文研究了变频器供电条件下感应电动机的温升问题,分析了由于电动机的损耗和散热问题所引起的电动机温升增大的原因,并通过试验数据详实的说明电动机的温度分布规律和变频电源对电机温升的影响,提出了减少损耗和改善散热方面的具体措施,为解决电动机温升问题提供了参考。
当然,本次论文还存在一些不足之处,许多地方还欠。
但由于时间有限,本人有些地方没有考虑到。
设计中肯定还有其他不足和纸漏之处,请各位老师指正。
参考文献
【1】高潮.安川电机公司变频器的发展概况[J],电气传动,1997
(2):
53-56
【2】王玉申.通用变频器的选择与使用[J],中华纸业,200122
(1):
44
【3】张选正,张金远编著,变频器应用经验,中国电力出版社,2006年
【4】周志敏等.变频器工程应用,电磁兼容,故障诊断,电子工业出版社,2005年
【5】张兴华,催桂梅,王洪希.交直流传动技术实训教材,科学出版社,2005年
【6】李良仁.变频调速技术与应和,电子工业出版社,2004年
【7】石秋洁.变频器应用基础,机械工业出版社,2005年
【8】变频技术.中国劳动社会保障出版社,2004
致谢
通过本次毕业设计,使我深深的体会到了知识的价值,体会到了理论和实际结合的重要性,只有掌握更丰富的知识才能在现实生活中力于不败之地,才能与现代的科技的大发展同时前进。
在这里,我首先要感谢我的指导老师,感谢他在设计中给我的帮助和指导。
使我学会了解决实际问题的方法和查资料的能力。
同时还要感谢各位老师,让我们不仅学会了课本中的知道,还学会了查阅资料的方法,学会了理论与实际结合的重要性。
让我懂得了该怎样学习。
感谢老师的悉心指导,感谢同学的热心帮助,并向我所引用资料的作者致敬,感谢他们对学术的贡献和对我的帮助。
燕山大学毕业设计(论文)评审意见表
指导教师评语:
成绩:
指导教师签字:
年月日
评阅人评语:
成绩:
评阅人签字:
年月日
燕山大学毕业设计(论文)答辩委员会评语表
答辩委员会评语:
总成绩:
答辩委员会主席签字:
年月日
个人简介
姓名:
张志刚
性别:
男
政治面貌:
党员
出生年月:
1972年6月1日
班级系别:
2009级电气工程及自动化
张志刚同志1972年6月1日生,中国共产党党员,1991年7月毕业于承钢技校电工班,同年参加工作。
2008年1月毕业于燕山大学机电一体化专业。
曾任承德钢铁厂动力厂电气试验工、锅炉二工段电工组组长、维检工段电工二组组长、维检工段调度主任、自动化工段段长助理,现任维检车间作业长。
专业知识:
技师、助理工程师
英语水平:
A级
计算机水平:
1级
社会实践:
曾任职:
维检车间作业长
获奖情况:
毕业走向:
承钢
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