鼠笼式三相异步电动机温升解析

发布时间:2015-12-10
陈金刚 王强
(德州恒力电机有限责任公司,253002)
  摘 要:主要讲述了三相异步电动机定子绕组温升的影响因素和轴承温升的测量方法,对电机各部分温升及电机温升过高造成绕组烧坏的情况进行了分析,并对H315及以上机座号电机轴承温升过高的情况提出修理措施。
  关键词:鼠笼式三相异步电动机;定子;热敏电阻;轴承
  电机烧毁是电机绕组或轴承的累积温度超过电机所能承受的温度极限所造成的。当电机出现过载、缺相运行和匝间故障时,常会引起电机过热烧坏。电机运转过程中各零部件受热产生变形,使轴承的间隙发生变化,从而造成轴承游隙变小,温度升高。上述问题如不及时处理,将会造成严重的设备事故。
  1 温升限值
  温升是电机温度与环境温度的温度差,是电机设计及运行中考核的一项重要指标,由电机运转过程中各部分散热引起,国家标准规定正常电机的环境温度为40℃。温升限度是电机在额定负载下长期运行,达到热稳定时,电机各部件的温升的允许极限。运行中的电机铁心处在交变磁场中会产生铁损;绕组通电后产生铜损;还有其它杂散损耗;这些损耗都会使电机温度升高。同时电机依靠风扇和散热片散热,当发热与散热相等时,即达到平衡状态,此时电机温度不再上升,稳定在一个水平上。当发热增加或散热减少时就会破坏这一平衡,使温度继续上升,扩大温差。若增加散热,则在另一个较低的温度下达到新的平衡。
  对于正常运行的电机,理论上在额定负荷下其温升应与环境温度的高低无关,但实际电机温升要受环境温度等因素影响。当气温下降时,正常电机的温升会稍许减少,这是因为绕组电阻R下降,铜耗减少,温度每降1℃,R约降0.4%。对自冷电机,环境温度每增10℃,则温升增加1.5~3℃,这是因为绕组铜损随气温上升而增加,所以气温变化对大型电机和封闭电机影响较大。空气湿度每高10%,因导热改善,温升可降0.07~0.38℃,平均为0.19℃。海拔以1000m为标准,每升100m,将增加温升限度值的1%。
  在环境温度40℃的情况下,电机常用绝缘的允许温度和电机外壳允许温升限值如表1,定子铁心温升应不超过所接触的绕组绝缘的温升限度值。普通轴承的温升限度为55℃,滚动轴承温度应不超过95℃,滑动轴承的温度应不超过80℃,如果轴承温度太高会使油质发生变化并破坏油膜,造成轴承过早损坏。鼠笼转子表面杂散损耗很大,温度较高,一般以不损害邻近绝缘为限。
  2 绕组
  在额定负载下若电机温升超出铭牌规定,其外部原因主要是电网电压太低或线路压降太大,常有输入电机的电压超出额定电压的±5%,负载太重,长时间过载运行,电机与机械配合不当和风道不畅等;内部原因主要是缺相运行、匝间短路、相间短路、定子接地、风扇损坏或紧固不牢、风道阻塞、轴承损坏,定转子相擦、电机与电缆接头发热、电机受腐蚀或受潮等。此外,从理论上讲电机均可正反转,但有些电机的风扇有方向性,如接反、温升会超出许多。当电机在额定负荷下,正常运转过程中温度超过最高工作温度,致使电机温升超过规定,或温升虽然未超过规定,但在低负荷时温升突然增大,说明电机存在隐患。在额定负荷下温升虽未超过温升限度,但由于环境温度超过40℃,而使电机温度超过最大允许工作温度,这种现象说明电机本身是正常的,可采用人工方法降低环境温度或减小负载运行。
  2.1过载
  正常运转的电机在运转过程中,由于电源电压忽高忽低或被拖动负载的机械故障,会引起电机运行电流超过电机的额定电流,造成电机发热,若不进行处理,长时间运行就会造成电机温升超过限值。这种情况下,电机三相线圈温度上升速度随过流量的增大而加快,随过流量的减小而减缓。当绕组温度超过绝缘所承受的最高温度时,绝缘就会损坏,造成电机线圈损坏,此时,三相线圈均有不同程度的过热烧坏现象。修理时需更换整台电机绕组。
  2.2缺相运行
  当三相异步电动机运转过程中缺一相后,电动机仍能继续运行,但转速下降,转差变大。如图1所示,当电机为△接时,电源缺W相后,电机在U、V相电源下仍继续运行,其中B、C两相线圈变为串联关系后与A相线圈并联,在负荷不变的情况下,A相电流过大,长时间运行,该相绕组温度超过允许温度极限,如不及时停机,A相线圈就会烧毁。如图2所示,当三相异步电动机绕组为Y接时,电源缺相后,电动机可继续运行,但同样转速明显下降,转差变大,磁场切割导体的速率加大,当电源缺U相时,电机在V、W相下运行,B相绕组被开路,A、C两相绕组变为串联关系,且通过电流过大,长时间运行,A、C两相绕组温升超过温升限度,将导致A,C两相绕组同时烧坏。如果停止的电动机缺一相电源合闸时,只会发生嗡嗡声而不能起动,这是因为电动机通入对称的三相交流电会在定子铁心中产生圆形旋转磁场,但当缺一相电源后,定子铁心中产生的是单相脉动磁场,它不能使电动机产生起动转矩。因此,电源缺相时电动机不能起动。但在运行中,电动机气隙中产生的是三相谐波成分较高的椭圆形旋转磁场,所以正在运行中的电动机缺相后仍能运转,只是磁场发生畸变,有害电流成分急剧增大,温度增高,如不及时停机,会最终导致绕组烧坏。
  2.3匝间短路
  绕组匝间短路、相间短路、多速电机绕组极间短路常造成电机线圈局部烧坏。由于电机线圈短路处绝缘损坏,运行电流增大,产生热量增多,长时间运转致使局部温升限值超标,造成电机烧坏,此种情况属电机质量问题。初期表现为三相电流不平衡,故障部位温度高,如果故障点在电机线圈表面,可通过匝间放电找出故障点进行局部修理,否则长时间运行线圈故障点就会因过热而烧坏;如在电机内部,只能通过更换线圈进行修理。
  2.4保护措施
  无论电动机是静态还是动态,缺相运行带来的直接危害就是电机一相或两相绕组过热甚至烧坏。与此同时,由于动力电缆的过流运行加速了绝缘老化,特别是在静态时,缺相会在电机绕组中产生几倍于额定电流的堵转电流,其绕组烧坏的速度比运行中突然缺相更快更严重。所以我们对电机进行日常维护和检修的同时,必须对电机电源线路进行全面的检修和试验,尤其是要认真检查负荷开关、动力线路和静动触点的可靠性,杜绝缺相运行。
  电机运行过程中预防绕组过载和缺相运行造成线圈温升超限度而烧坏的直接措施是:在电机三相绕组中埋置正温度热敏电阻,当三相绕组中任何一相温度升高到极限温度时,热敏电阻阻值突变,控制线路动作,断开主电路,电机停转,故障排除后再送电运转,热敏电阻埋置如图3。
  3 轴承
  三相异步电动机轴承温度是电机温升考核的另一重要指标,特别对于机座号为H355及以上电机轴承温升考核更是一项必不可少的项目。为此,在H355及以上机座号电机的轴承处一般装有轴承测温元件PT100,轴承温度测试一般按如图4方法进行温度测量。
  电机轴承温升超限值的原因与电机各零部件的配合密切相关,关键零部件的尺寸直接影响轴承运行时的间隙。应高度重视机械加工质量,轴承安装质量和总装环境的清洁,能保证轴承在良好的状态下运行,这些都是避免电机轴承温升过高的良好做法。
  一般来说,轴承的内、外套在轴和轴承室之间不应发生有害的相对滑动,但从目前通用轴承与零件间隙尺寸公差设计来看,当轴承室实际尺寸正好在下偏差时,容易导致过盈量大的紧配合。电机运转过程中,转子产生感应电流,温度升高,热量通过轴传到轴承内圈和轴承本身,运转过程中滚动摩擦产生热量,导致轴承温升增高。轴承温度升高后,内外圈均膨胀,外圈膨胀受到轴承室的限制,致使轴承的径向游隙缩小,即使是选用大游隙轴承,这样的配合也会使轴承内外套几何形状变坏,使轴承的噪声和振动变大,温度增高。将轴承外圈与轴承室的配合由紧配合改为有微小间隙配合,保证轴承有充分的工作游隙,轴承无噪声,同时轴承温升降低。轴承外圈与轴承室的配合由紧配合改为微小间隙配合后,电机开始运转时,外圈会跟着轴承同时转动。此时,可在自由端轴承外壁与轴承室内壁外侧位置加工一U型槽,槽内放一合适的滚珠,采用滚珠定位法固定轴承外圈。
  为防止轴承外圈在轴承室内产生有害的轴向窜动,可加一波形弹簧片,对轴承外圈产生一个轴向的预压力,将抵消造成轴向窜动的力,消除轴承噪声。但必须保证轴承外圈在波形弹簧垫的作用下,能够在轴承室中自由移动,否则转子受热膨胀后,轴承的轴向游隙变小或消失,将引起轴承温升增高或抱死。另外,轴承是比较精密的部件,需要清洁的润滑,只有良好的润滑,电机在运转过程中,轴与轴承间隙形成负压,油通过间隙被吸入,形成油膜,产生油楔,在轴承内将轴托起,防止轴承内、外圈与轴承滚动体间彼此硬性接触,保证电机正常运转。所以,要求轴承安装现场必须严格清洁,润滑油中不能混入杂质,避免轴承发热。
  引起轴承温升高的原因还包括:润滑不足或润滑脂过多;转动部分与静止部分相擦;轴承走内圈或走外圈(轴承与端盖配合过松或过紧)等。V1安装电机后端轴承受轴向力,若前端轴承不到位,这时必须停止运转,采取必要的措施。对于中型低压大功率电机来说,由于定、转子长度均在1m以上,所以需要考虑定、转子温度升高后的膨胀量问题,设计时应根据电机的冷却方式,不同材料的膨胀系数,考虑机壳与转子膨胀量因温升的差异问题,避免电机温度增高以后,轴承间隙趋向于零的现象发生,保证轴承始终在良好的状态下运行。总之,在电机运转过程中,测试轴承本身或其它与之关联的重要部件温度,任何温度的骤变均可表示与轴承配合的零部件存在问题或轴承发生故障,需立刻停转,进行修理。
  4 结论
  电机过热是电机烧坏的直接原因,无论是定子线圈的过载、缺相、匝间绝缘损坏还是轴承温度过高,若能及早发现,提前预防,都能避免故障的进一步发展。所以,对电机定子和轴承温度的测量监控是电机维护的重要项目。对中型低压大功率电机通常在定子线圈中埋置热敏电阻,轴承处加装PT100轴承测温元件进行温度监控,从而对电机实行实时在线运行温度监控。
  参考文献
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来源:《电机技术》2013年第1期