[发明专利]一种大中型电机运行温升可靠度的预测方法

权利要求书

1.一种大中型电机运行温升可靠度的预测方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

A.电机绕组温升主要影响因素确定；

B.电机发热量的计算；

C.不同环境温度下电机绕组温升计算；

D.电机绕组温升影响因素随机数字特征确定；

E.不同环境温度下电机绕组运行温度理论最小、最大值计算；

F.电机绕组运行温度小于某一给定温度的可靠度的计算；

G.不同环境温度下电机绕组运行温度小于给定温度的可靠度计算；

H.电机绕组运行温升可靠度的计算；

步骤A中所述的电机绕组温升主要影响因素确定如下：

电机温升的热源包括：绕组损耗、铁芯损耗、励磁损耗，采用风机强迫通风的方式来进行电机冷却时，还需考虑通风摩擦产生的热量；经计算比较，影响电机温升的主要因素有电机运行功率、电网电压波动、绕组绝缘层厚度、通风槽换热面积、通风量；

步骤B中所述的电机发热量计算如下：

电机的发热量，主要来源于铁芯损耗、绕组损耗和励磁损耗，电机推力轴承和导轴承机械损耗产生的热量由冷却器中的冷却水带走，不计入通风冷却负荷，其中铁芯损耗计算公式为：

式中：K_a—经验系数；f—交变频率；p₀—f为50Hz时铁芯单位质量铁耗；B—磁通密度；M_Fe—铁芯的质量；

定子绕组铜耗可用计算公式为：

式中：m_p—电机相数；m_c—绝缘温升系数，B级绝缘选1.4，F级绝缘选1.48；I₁—相电流；r₁—相电阻；

同步电机励磁绕组铜耗可用下式计算：

式中：I₂—励磁电流；r₂—励磁绕组电阻；

采用风机通风的电机，需考虑通风摩阻损耗，通风摩阻损耗功率为：

P_V＝Qp (4)

式中:Q-通风量；p-电机通风时，空气通过电机过程中产生的全压损失；

步骤C中所述的不同环境温度下电机绕组温升计算如下：

首先计算电机通风道及通风回路各部分的阻力系数，根据配用风机的风量～全压性能曲线与通风系统需要风压曲线，确定风机实际工况点的风量；再根据风道布置，确定各段通风道内的实际风速；由风速求得换热表面的换热系数，然后代入温升计算公式，求得某环境温度下的电机温升；

沿程压力损失为：

式中，i—通风回路沿程损失序号；m—通风回路沿程损失总数；λ—沿程阻力系数；l—流道长度；d—流道等效直径，当流道为矩形管道时h—矩形管道断面的高；b—矩形管道断面的宽；ρ—空气的密度；v—空气平均流速；A—为流道横截面面积；

局部压力损失为：

式中：j—局部阻力的序号；n—局部风阻总数；ζ—局部损失系数；

n个局部风阻串联而成的风路，其等值风阻为：

n个局部风阻并联而成的风路，其等值风阻为：

定子通风槽总面积为：

S₁＝2z₁l₁(h_n+b_n) (9)

式中：h_n—槽高；b_n—槽宽；l₁—定子铁芯长度；z₁—定子通风槽数；

定子铁芯的通风口总面积为：

S₂＝z₁b_nh_n (10)

定子铁芯内外圆总面积为：

S₃＝π(D₁+D₂)h_s (11)

式中：D₁—定子铁芯外圆直径；D₂—定子铁芯内圆直径；h_s—定子铁芯高度；

定子铁芯总散热面积为：

S_Fe＝S₁+S₃-2S₂ (12)

定子绕组与铁芯的接触面积为：

S₄＝n₁L₁h₁ (13)

式中：n₁—绕组条数；L₁—绕组与铁芯接触面周长；h₁—绕组与铁芯接触面高度；

风道空气平均流速为：

v＝Q/s (14)

式中：s—风道截面积；

径向通风槽表面换热系数：

绕组温升为：

式中：Δt₁—绕组绝缘层温降；Δt_Fe1—铁芯内部平均温差；Δt_Fea—铁芯段表面与空气之间温差；Δt_a—空气温升；—由铜传至铁芯的损耗分量；δ—绕组绝缘层厚度；q—沿铁芯轴向流动的单位体积热量；L_Fe1—铁芯长；P₁—通过铁芯散发的损耗；λ₁—绕组绝缘导热系数，绝缘导热系数与温度有关，用迭代逼近法求得不同环境温度下的绝缘导热系数；k_Fe—系数；α—通风槽表面换热系数；∑P—电机总发热量；C_a—空气体积比热容；Q—通风量；

计算电机通风道阻力系数，结合风机性能曲线可确定风机实际通风量和通风磨阻损耗，计算出不同环境温度下，电机绕组在确定的影响因素作用下的温升，加上环境温度，得到电机绕组运行温度；

步骤D中所述的电机绕组温升影响因素随机数字特征确定是通过取任一随机变化的因素值与原确定的值之比，即为该因素的相对值，随机影响因素包括电机相对功率δ_P、电网相对电压δ_V、绕组绝缘层相对厚度δ_D、通风槽相对换热面积δ_A和相对通风量δ_Q，上述因素的随机变化范围分别为：[δ_Pmin,δ_Pmax]、[δ_Vmin,δ_Vmax]、[δ_Dmin，δ_Dmax]、[δ_Amin，δ_Amax]和[δ_Qmin，δ_Qmax]，各个影响因素的温升变化计算公式分别表达为随机影响因素δ_P、δ_V、δ_D、δ_A和δ_Q的函数g₁(δ_P)、g₂(δ_V)、g₃(δ_D)、g₄(δ_A)和g₅(δ_Q)，即：

Δt_P＝g₁(δ_P) (17)

Δt_V＝g₂(δ_V) (18)

Δt_D＝g₃(δ_D) (19)

Δt_A＝g₄(δ_A) (20)

Δt_Q＝g₅(δ_Q) (21)

影响因素相对值随机变化的概率密度函数确定方法如下：

根据电机绕组影响因素随机变化范围(x_min,x_max)，确定概率密度函数f(x)，概率密度分布形式为抛物线分布，开口向下，计算公式为：

f(x)＝ax²+bx+c(a≠0) (22)

式中：a、b、c为x的二次多项式系数；

按照概率密度函数的非负性，将影响因素随机变化范围的上限、下限值代入，概率密度值为0，定义域内其他取值的概率密度值均大于0；按照概率密度函数的规范性，概率密度函数与x轴围成的面积为1，具体公式如下：

联立式(23)、(24)和(25)求解出概率密度函数二次多项式系数a、b、c，从而得到概率密度函数；电机绕组温升几类影响因素均采用该方法分别求解出对应的概率密度函数；

步骤E中所述的不同环境温度下电机绕组运行温度理论最小、最大值计算是将某一环境温度下电机运行基础温度与各因素引起温升减小或增大的极限值相累加得到该环境温度下电机绕组运行温度的理论最小、最大值，计算公式如下：

t_Cu1min＝t_a+t_m+Δt_Pmin+Δt_Vmin+Δt_Dmin+Δt_Amin+Δt_Qmin (26)

t_Cu1max＝t_a+t_m+Δt_Pmax+Δt_Vmax+Δt_Dmax+Δt_Amax+Δt_Qmax (27)

式中：t_a为环境温度；Δt_Pmin、Δt_Vmin、Δt_Dmin、Δt_Amin、Δt_Qmin和Δt_Pmax、Δt_Vmax、Δt_Dmax、Δt_Amax、Δt_Qmax分别为式(17)～(21)计算的最小值和最大值；用式(26)、(27)分别计算出不同环境温度下电机绕组运行理论最低温度和理论最高温度。