YJKK系列中型高压电动机绕组温升的工程计算方法

夏云彦，孟大伟，何金泽，夏云双

(1．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨150080; 2．广西电网公司百色供电局，广西 百色533000)

YJKK系列中型高压电动机绕组温升的工程计算方法

夏云彦1，孟大伟1，何金泽1，夏云双2

(1．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨150080; 2．广西电网公司百色供电局，广西 百色533000)

针对YJKK系列箱式紧凑型中型高压电机起动温升在工程中难以准确计算的问题，对电机起动时绕组的发热和散热过程进行分析，从工程实用的角度出发，建立了相互关联的电机通风网络模型和发热散热计算模型，对电机发热和散热情况进行计算。以时间为步长，根据在每个时间段内电机的生热量和散热量来计算电机绕组温升。用所建立的模型对YJKK500-4，2500kW电机带不同负载时绕组的温升进行计算，仿真结果与实验结果吻合，满足工程中实用要求。

中型高压电机;绕组温升;风阻网络;起动特性

1 引言

YJKK系列紧凑型中型高压电动机是我国电机行业新生产品，具有功率密度大、效率高等优点。功率密度的增加，会使电机内部的发热问题变得更为突出。电机设计过程中需要对电机温升进行初步判断来调整或改进设计方案，工程使用中需要了解不同负载对电机温升的影响。对于高压电机，测取起动过程温升的试验方法不易实现，需要一种切实可行的方法进行仿真计算。

求解瞬态温度场可以获得电机内温度分布，但建模复杂，计算耗时，不适合工程计算使用。现行的温升工程计算方法用电机稳态特性来代替起动过程中电流和转矩的变化，计算绝热温升后乘以相应的经验系数得到电机的实际温升［1］。如此虽简化了计算过程，但降低了计算准确性。

计算起动温升的关键是准确描述电机起动过程的发热和散热状况。本文采用考虑起动过程磁通变化的动态特性曲线对电机定转子绕组的发热进行计算;针对电机具体通风结构建立风阻网络模型，计算电机散热量。实用表明，本文计算方法提高了计算的准确性并保证了计算速度。

2 电机散热计算

针对型号为 YJKK500-4，6kV，2500kW的电机进行计算。电机采用轴径向混合通风冷却，通风结构如图1所示。

图1 电机通风结构示意图Fig．1 Motor ventilation structure

为准确计算散热情况，需要了解电机内风量的分配和风速等。利用带有集中参数的等值风路求解风量可以把复杂的空气动力学问题转化为由风阻和风压源构成的等效风路［2］。随着现有流阻实验的发展，已能够准确计算电机内各处的通风风阻。等效风阻网络如图2所示。

对比图1，图2中各风阻的含义不难明确。其

图2 电机风阻网络示意图Fig．2 Motor windage network

中定子径向通风道的风阻 Z定子由如下局部风阻构成:风道入口处由于绕组存在使过流面积突然缩小的风阻、风道内导条等效风阻、风道内定子齿部沿程风阻、风道内齿部到轭部过流面积突然扩大风阻、风道内轭部沿程风阻。风阻计算如下:

其中，ξ为局部阻力系数;ρ为流体密度;Qf为流体流量;S为流体的过流面积。

由于短道效应，风道内总风阻会小于各个风阻之和。设 Z定子是定子一个径向通风道内总风阻，Zsi是一个径向风道内各处的局部风阻，则对于中型异步电机。

转子风道处于旋转状态，需要在静止阻力系数的基础上对转子风阻进行旋转修正。电机内各处局部阻力系数可根据文献［3］进行计算。

风阻Z上对应的压降为

给定风压和流量的初值，采用网络拓扑法求解电机风阻网络，得到电机内气体流量和流速计算值，利用流量和速度的计算值对风阻值进行修正。当‖［Z］(k)－［Z］(k－1)‖∞≤ ε时，视为收敛，第 k次流量计算结果视为风阻网络的流量解。图3为计算所得额定转速下电机14个通风沟内的风量图。

电机散热计算是以表面散热系数为媒介，已知电机内流体运动速度，便能够提高散热系数计算的准确度。电机内表面散热系数是雷诺数的函数，根据风速可计算电机各处气体雷诺数［4］，从而对散热系数和电机内对流散热热阻进行计算。

定子绕组在时间t内的散热量为

其中，Rs1、Rs2、Rs3分别为定子绕组与铁心、绕组端部与空气、径向通风道中绕组与空气之间的热阻; Δθs1，Δθs2，Δθs3分别为定子绕组与铁心、端部空气和通风道内气体的温差［5］。

同理，可计算转子导条的热阻和在起动过程某一时间段内导条的散热量QB1。端环主要通过与空气对流散热，不计转子导条和端环之间的热传递，根据端环散热热阻可以计算出端环的散热量QK1。

图3 额定转速下电机通风沟内风量匹配Fig．3 Air distribution in ventilation ditch at rated speed

3 绕组温升计算

电机起动过程绕组的发热与散热情况直接影响到电机的温升，而起动过程绕组发热主要受起动特性的影响。根据电机的设计参数求解电机的动态方程组，可得到动态特性曲线［6-8］，如图4所示。

图4 电机动态特性曲线Fig．4 Dynamic characteristic curve of motor

利用动态起动特性对电机的生热量进行计算，可以提高计算的准确性。在起动过程定子电流在单位体积定子绕组内生成热量和不考虑热交换时热容量计算式分别为:

由式(4)可得

对式(5)进行积分，并考虑绕组电阻率随温度变化，可得定子绕组在时间t内绝热温升计算公式

其中，A=ρ［1+(θ0－15)α］/(ρsCs);θ0为环境温度;α为定子电阻温度系数;B =ρα/ρsCs;js、Is、ρ分别为定子绕组电流密度、电流和电阻率;Cs、Ms分别为定子绕组比热和质量;ρs为定子绕组密度。

在起动特性的计算中，得到电磁转矩的变化，在电机起动时，转子绕组铜耗可表示成电磁转矩与转差率的函数

感应电机转动系运动方程为

其中，Mm为负载转矩;Me为电磁转矩。

转差率s=(Ωs－Ω)/Ωs，同时对转差和转速求微分为dΩ =－Ωsds。将此微分形式代入转动系运动方程可得

对起动时间进行离散，根据不同转速下转子铜耗，计算每个时间步长内转子的发热量。设起动过程时间t1对应的转差率为s1，时间t2对应的转差率为s2，时间t1～t2内转子绕组的发热量为

根据转子发热量，按转子导条和端环的电阻比例可分离出导条和端环的发热量QB和QK。导条和端环的绝热温升为

转差由s1到s2的时间段t内定子绕组的实际温升为

导条和端环在时间段t内的实际温升分别为

其中，CB、CK分别为导条和端环比热;MB、MK分别为导条和端环质量。

电机起动过程的计算是对起动时间进行离散，在每个时间步长内对电机发热及散热进行计算。在一个时间步长内计算步骤为:①根据感应电机动态方程组对电机定子电流和电磁转矩进行计算;②由式(6)和式(11)计算定、转子绕组的绝热温升，此时绕组与周围环境产生温差Δθ;③将 Δθ代入式(3)可计算定子绕组在此时间步长内的散热量，同理，可计算导条和端环在此时间段内的散热量;④将绕组在一个时间步长内的散热量代入式(12)、式(13)，对绕组的绝热温升进行修正，得到电机在这个时间步长内的实际温升。在每个时间步长内根据绕组传导到周围环境的热量以及铁心的损耗情况对铁心的温度进行修正。至此，一个时间步长内电机起动特性及温升的计算结束，以此步长内的计算结果作为初值，进入下一个步长的计算。至电机达到稳定温升，计算结束。

负载情况如图4变化，取室温为16℃时，起动过程定转子平均温升计算结果如图5所示。随着电机运行时间的增加，绕组的温升逐渐升高。在电机起动开始阶段，起动电流较大，绕组温度上升较快，当起动过程结束，电流和转速都达到额定值时，绕组温度上升趋势减缓，最后达到稳定温度值。定子绕组稳定温升计算值为92.1K。

图5 定转子平均温升Fig．5 Average temperature rise of stator and rotor

图6为采用铂热电阻测量定子绕组温升的试验图，铂热电阻埋置在定子端部直线部分，试验环境温度为16℃。测得定子绕组的稳定温升值为90.9K，与计算结果吻合。

4 电机的安全运行计算

当电机稳定温度符合电机设计要求后，还需要考核起动时间对温升的影响。若拖动较大负载，电机起动时间过长时，会引起绕组迅速过热，破坏绝缘。为避免起动时间过长，在设计电机时要确定电机最大允许负载转动惯量。负载按图4中负载曲线变化时，定子一相电流随起动时间的变化曲线如图7所示，此时的起动时间约5s。

图6 绕组温升测量图Fig．6 Measurement of temperature rise

图7 起动电流随时间变化曲线Fig．7 Curve of a phase starting current versus time

将负载转矩增大到1.5倍，图8、图9分别为此时定子起动电流和定子绕组温升随时间变化曲线。可以看出此时电机的起动时间已经超过16s，电流在16s内都维持较大值，而此时电机冷却条件还较差，绕组会有大量热量积累，使温度迅速升高。从图9可以看出此时定子绕组温升在 16s时已经接近110K。所以电机起动时要限定所带负载情况，避免起动时间过长影响电机正常工作。

5 结论

通过求解电机风阻网络，得到电机内部冷却气体流量的分布，结合电机动态起动特性对电机发热和散热进行计算，得到了起动过程电机绕组平均温升变化曲线。解决了YJKK系列紧凑型中型高压电机在开发及使用中绕组起动温升难以计算的问题。计算并分析了不同负载对电机起动温升的影响，为保证新系列电机在安全负载下运行提供了依据。对起动时间进行离散，计算起动过程每个时间下电机的发热和散热情况，避免了求解电机温度场耗时的问题。通过风阻网络模型和动态特性曲线相结合对绕组起动温升进行计算，提高了电机起动温升工程计算的准确性，适合工程中应用。

图8 负载增大到1.5倍时起动电流随时间变化曲线Fig．8 Curve of a phase starting current versus time when load increases to 1.5 times

图9 负载增大到1.5倍时定子绕组温升Fig．9 Stator average temperature when load increases to 1.5 times

［1］盛志伟 (Sheng Zhiwei)．鼠笼异步电机转子笼条和端环起动温升的计算 (Calculation of temperature rise of rotor bars and end rings of squirrel cage induction motors during starting)［J］．防爆电机 (Explosion-proof Electric Machine)，2005，40(5):12-14．

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Engineering calculation of winding temperature rise for YJKK series high-voltage motor

XIA Yun-yan1，MENG Da-wei1，HE Jin-ze1，XIA Yun-shuang2
(1．College of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;2．Guangxi Power Grid Corporation，Baise Power Supply Bureau，Baise 533000，China)

The heating and cooling process of motor stator and rotor windings in motor starting operation has been analyzed to carry out the accurately calculation of starting temperature rise and safety running for box-type compact medium-sized high-voltage motors．To obtain a practical calculation method，which is used to calculate motor average starting temperature rise，the ventilation network model is established and studied according to the specific ventilation structure of the motor．The heating of motor stator and rotor winding is calculated by motor dynamic characteristic curves considering the flux changes;and motor heat dissipation is calculated by the cooling gas flow．The successive time is segmented and winding temperature rise is calculated according to the heat generation and heat dissipation in each time period．The method is used to calculate the winding temperature rise of YJKK500-4，2500kW motor with different load，the simulation results are close to experimental results，which satisfy the engineering demands．

medium-sized high-voltage motor;winding temperature rise;windage network;starting characteristic

TM343

A

1003-3076(2014)04-0071-05

2013-01-29

国家科技支撑计划重点项目(2008BAF34B04);黑龙江省科技攻关重点项目(GB08A301)资助

夏云彦(1987-)，女，黑龙江籍，博士研究生，研究方向为电机优化设计;孟大伟(1956-)，男(满族)，辽宁籍，教授/博导，博士，主要从事电机设计及电机内综合物理场计算。