CN109029792A - 一种电气设备散热量测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气设备散热量测试系统及测试方法，该系统包括：空压机、储气罐、空气冷干机、流量计、进风口温度计、出风口温度计、数据采集及分析系统、绝热箱、管路附件、标准热源；外部空气通过管路附件流经空压机、储气罐、空气冷干机、绝热箱，流量计、进风口温度计、出风口温度计安装在管路附件上，数据采集及分析系统与流量计、进风口温度计、出风口温度计通过硬接线连接；本发明实现了电气设备的散热量测量，便于有效明确电气设备散热量裕度和指标；采用智能化、自动化技术，实现了电气设备散热量的自动测试和无人值守，大大提高了测试准确率和测试效率改善了船舶能耗、噪声和大气环境质量等方面的性能要求。

Description

一种电气设备散热量测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及电气测试领域，尤其涉及一种电气设备散热量测试系统及测试方法。

背景技术

空调通风系统、水冷系统和空气净化系统是船舶的典型耗能系统。电气设备散热量是船舶舱室的主要热负荷之一，直接影响通风空调系统的设计能耗、制冷量、风量等参数，进而影响水冷系统的设计能耗、流量、压差等参数。另一方面，船舶电气设备大都采用风扇散热，是设备的主要空气噪声源，设备内部的异味也将通过散热通道散发舱室中，给舱室大气环境质量带来不利影响，从而影响空气净化系统的设计能耗、净化量、风量等参数。

为降低空调通风和水冷等系统能耗、改善舱内空气质量并减小设备空气噪声，国外先进船舶均将散热量指标作为船舶机电设备设计、考核的一项重要内容。为满足节能环保型绿色船舶低能耗、低噪声和大气环境质量的更高要求，很有必要开展电气设备散热量测量与控制研究，通过测量性试验和裕度清理分析，摸清电气设备实际热负荷情况，确定散热量指标，从而为空调通风系统、水冷系统和空气净化系统节能设计和电气设备高效冷却方案设计提供数据支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种电气设备散热量测试系统及测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种电气设备散热量测试系统，该系统包括：空压机、储气罐、空气冷干机、流量计、进风口温度计、出风口温度计、数据采集及分析系统、绝热箱、管路附件、标准热源；其中：

空压机、储气罐、空气冷干机、流量计、进风口温度计、绝热箱、出风口温度计依次串接安装在管路附件中，被测设备和标准热源设置在绝热箱中；

外部空气通过管路附件的进气端流入空压机，流经置于绝热箱内的被测设备后，从靠近出风口温度计的出气端流出；数据采集及分析系统与流量计、进风口温度计、出风口温度计通过硬接线连接；

空压机、储气罐和空气冷干机配合工作，用于提供压力可调的稳定气源；流量计用于获取流量数据；进风口温度计、出风口温度计用于获取进、出口空气温度；

数据采集以及分析系统用于对系统采集的进、出口空气温度以及流量数据进行处理以及分析，计算出被测设备的实时发热量。

进一步地，本发明的流量计、进风口温度计、出风口温度计的标称精度为5％，且具备现场总线接口，通过现场总线接口与数据采集及分析系统连接。

进一步地，本发明的绝热箱为定制保温绝热柜，被测设备在绝热箱内进行散热量测试。

进一步地，本发明的绝热箱上设置有接口，接口用于连接被测设备上的供电和供水管路。

进一步地，本发明的被测设备上连接有模拟负载。

本发明提供一种电气设备散热量测试方法，该方法包括以下步骤：

S1、测试准备：在空压机停机的情况下，将被测设备以及标准热源同时放置于绝热箱中；

S2、设备启动及校准：开启压气机，开启标准热源；随后开启数据采集及分析系统；将数据采集及分析系统在观测状态下运行，数据采集及分析系统将实时显示散热量测试系统的温度、流量以及功率变化情况；在进出口温度不在发生变化的情况下，散热量测试系统即达到平衡状态，查看实际测试数据与标准热源是否一致；若偏差在10％以内，进行下一步测试工作；否则对散热量测试系统进行调整；

S3、发热量测试：散热量测试系统校准后开启被测设备，同时关闭标准热源；观测散热量测试系统进出口温度变化情况，在进出口温度不在发生变化的情况下，散热量测试系统即达到新的平衡状态；此时，将数据采集及分析系统运行于开启测试记录状态，按照数据采集及分析系统提示完成测试结果命名操作，系统将自动记录保持平衡状态下一段时间的测试数据，对该时间段内的测试数据进行均值处理，即得到被测设备散热量数据。

进一步地，本发明的数据采集及分析系统进行电气设备散热量数据测试的方法具体为：

电气设备散热量数据由电气设备理论散热量和电气设备试验散热量，取设计权重系数计算得到；

电气设备试验散热量Q为：Q＝AQ₁+BQ₂

其中，电气设备理论、试验散热量的权重系数为A、B，电气设备理论散热量为Q₁，电气设备试验散热量为Q₂。

进一步地，本发明的电气设备理论散热量的计算方法具体为：

电气设备理论散热量按电源类、监控类、电动机类进行分类，电气设备理论散热量Q₁采用不同公式计算获得；

当电气设备为电源类，计算公式为：

Q₁＝P/η*(1-η)

当电气设备为电动机类时，计算公式为：

Q₁＝P*n₁*n₂*(1-η)

当电气设备为监控类时，计算公式为：

Q₁＝P

式中:Q₁为电气设备理论散热量，单位W；P为电气设备的标称功率，单位kW；η为电气设备效率；n₁为设计系数,电气设备设计轴功率与标称功率之比；n₂为负荷系数,电气设备小时的平均实耗功率与设计轴功率之比,根据设备运转的实际情况而定。

进一步地，本发明的电气设备试验散热量的计算方法具体为：

步骤1、T时间段内进、出风口温度计实时采集进、出风口空气的温度，分别记为t_进i、t_出i，i＝1，2，…，T；

步骤2、若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)≤0.01℃，即可认为电气设备散热量测试系统达到热平衡及空气平衡；若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)＞0.01℃，电气设备散热量测试系统继续试验直至达到热平衡及空气平衡；

步骤3、计算T时间段内进、出风口空气温度的平均值t_进、t_出，即：

步骤4、流量计实时采集空气的流量，分别记为L_i，i＝1，2，…，T；

步骤5、计算T时间段内空气流量的平均值L，即：

步骤6、计算T时间段内空气的热量，即电气设备试验散热量：

Q₂＝C*L*(t_出-t_进)

其中，C表示空气比热。

本发明产生的有益效果是：本发明的电气设备散热量测试系统及测试方法，电气设备散热量测试系统及方法实现对电气设备的散热量测量，可以摸清电气设备实际热负荷情况，便于有效明确电气设备散热量裕度和指标，便于空调通风系统、水冷系统和空气净化系统节能设计，便于电气设备高效冷却方案设计；可以实现电气设备散热量的自动测试和无人值守，大大提高了测试准确率和测试效率；有利于提高船舶总体、系统及设备的能效、噪声、可靠、舒适等综合性能水平。综上所述，电气设备散热量测试系统及方法对保证总体、系统及设备的可靠性、高效性、舒适性、优质性和经济性具有深远意义。

(1)实现了电气设备的散热量测量，摸清了电气设备实际热负荷情况，便于有效明确电气设备散热量裕度和指标；(2)采用智能化、自动化技术，实现了电气设备散热量的自动测试和无人值守，大大提高了测试准确率和测试效率；(3)通过测量性试验和裕度清理分析，为船舶空调通风系统、水冷系统和空气净化系统节能设计和电气设备高效冷却方案设计提供数据支撑，从而改善了船舶能耗、噪声和大气环境质量等方面的性能要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为一种电气设备散热量测试系统的工作原理图；

图2为一种电气设备散热量测试方法的流程图。

图中：空压机1、储气罐2、空气冷干机3、流量计4、进风口温度计5、出风口温度计6、数据采集及分析系统7、绝热箱8、管路附件9、标准热源10。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，空压机1、储气罐2、空气冷干机3、流量计4、进风口温度计5、出风口温度计6、数据采集及分析系统7、绝热箱8、管路附件9、标准热源10。

外部空气通过管路附件9流经空压机1、储气罐2、空气冷干机3、绝热箱8，流量计4、进风口温度计5、出风口温度计6安装在管路附件9上，数据采集及分析系统7与流量计4、进风口温度计5、出风口温度计6通过硬接线连接。

本发明实施例的电气设备散热量测试系统，包括空压机、储气罐、空气冷干机、流量计、进风口温度计、出风口温度计、数据采集及分析系统、绝热箱、管路附件、标准热源。外部空气通过管路附件流经空压机、储气罐、空气冷干机、绝热箱，流量计、进风口温度计、出风口温度计安装在管路附件上，数据采集及分析系统与流量计、进风口温度计、出风口温度计通过硬接线连接；

空压机、储气罐以及空气冷干机用来提供纯净、稳定的以及压力可调的持续、稳定气源(8公斤、1kg/s)；进风口温度计、出风口温度计测量进、出口空气的温度，流量计测量空气的流量，温度计、流量计标称精度5％且具备现场总线接口；绝热箱为2.0m*2.0m*2.0m定制保温绝热柜，待测电气设备在绝热箱中进行散热量测试；标准热源为标准发热电阻，用于对测量系统进行校准；

数据采集以及分析系统用于对系统采集的进、出口空气温度以及流量数据进行处理以及分析，计算出系统测得的电气设备实时发热量；

电气设备发出的热量最终都散到环境中，也就是所有热量都用于加热环境中的空气，那么空气所带走的热量就是电气设备的发热量。换句话说，测量电气设备的发热量就可转化成测量空气的吸热量。因此，为测量电气设备发热量，用绝热箱将电气设备罩住，通过管路向绝热罩中通入冷空气，冷空气经电气设备加热后，将电气设备所发出的热量带走。通过测量进出口温度以及风的流量就可以计算出电气设备的发热量。

本发明系统测量精度较高，在绝热良好的条件下测量精度可达10％以内。应用该方法的条件是要有一定空间可以将电气设备罩住(需要针对设备专门做绝热箱，陆上舱段、实艇散热量测量对舱室做绝热箱)，同时要准确测量发热气体流量以及进出口温差。

如图2所示，一种电气设备散热量测试系统及方法，其特征在于包括如下操作步骤：

1)测试准备：在空压机1停机的情况下，将待测设备以及标准热源10同时放置于绝热箱4中，同时对风的流通过程进行一定规划，新风在绝热箱4中的流通通道长，有利于换热。

2)设备启动及校准：在步骤1)完成后，开启压气机1，开启标准热源10(200W以上)；随后开启数据采集及分析系统7。将数据采集及分析系统7在观测状态“View”下运行，数据采集及分析系统7将实时显示系统的温度、流量以及功率变化情况。在进出口温度不在发生变化的情况下，系统即达到平衡状态(首次启动，约需4～5小时达到平衡状态)，查看实际测试数据与标准热源10是否一致。若偏差在10％以内，可以进行下一步测试工作。否则需要对设备进行调整(由开发人员完成)。

3)发热量测试：系统校准后开启待测设备，同时关闭标准热源10。观测系统进出口温度变化情况，在进出口温度不在发生变化的情况下，系统即达到新的平衡状态(约需2小时)。此时，将数据采集系统运行于测试记录状态“start”，按照系统提示完成测试结果命名操作，系统将自动记录平衡状态下的10分钟测试数据。对测试的10分钟数据进行均值处理，即得被测设备发热量数据。

电气设备散热量由电气设备理论散热量、电气设备试验散热量取设计权重系数得到，电气设备理论散热量按电源类、监控类、电动机类进行分类采用不同公式计算获得。。

所述的电源类设备理论散热量的计算步骤如下：

Q₁＝P/η*(1-η) (1)

式中:Q₁——电气设备理论散热量(W)；

P——电气设备的标称功率(kW)；

η——电气设备效率。

所述的电动机类设备理论散热量的计算步骤如下：

Q₁＝P*n₁*n₂*(1-η) (2)

式中:Q₁——电气设备理论散热量(W)；

P——电气设备的标称功率(kW)；

n₁——设计系数,电气设备设计轴功率与标称功率之比；

n₂——负荷系数,电气设备小时的平均实耗功率与设计轴功率之比,根据设备运转的实际情况而定；

η——电气设备效率。

所述的监控类设备理论散热量的计算步骤如下：

Q₁＝P (3)

式中:Q₁——电气设备理论散热量(W)；

P——电气设备的标称功率(kW)。

所述的电气设备试验散热量的测试计算步骤如下：

1)T时间段内进、出风口温度计实时采集进、出风口空气的温度，分别记为t_进i、t_出i，i＝1，2，…，T；

2)若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)≤0.01℃，即可认为电气设备散热量测试系统达到热平衡及空气平衡；若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)＞0.01℃，电气设备散热量测试系统继续试验直至达到热平衡及空气平衡；

3)计算T时间段内进、出风口空气温度的平均值t_进、t_出，即：

4)流量计实时采集空气的流量，分别记为L_i，i＝1，2，…，T

5)计算T时间段内空气流量的平均值L，即：

6)根据公式(1)～(3)，计算T时间段内空气的热量，即电气设备试验散热量：

Q₂＝C*L*(t_出-t_进) (7)

其中，C表示空气比热。

所述的电气设备试验散热量的计算步骤如下：

根据公式(1)～(3)、(7)，分别记电气设备理论、试验散热量的权重系数为A、B，计算电气设备试验散热量Q：

Q＝AQ₁+BQ₂ (8)

至此，已完成电气设备试验散热量测试计算。

在本发明的另一个具体实施例中：

为了摸清电源类设备如逆变器实际发热量的情况，对逆变器的实际发热量进行测试。逆变器散热量的测试分别在25％、50％、75％和100％额定负载工况下进行。

电源类设备理论散热量的计算步骤如下：

以25％额定负载工况为例：

1)电源类设备效率为：

式中:U——电源类设备三相电压(V)；

I——电源类设备三相电流(A)；

U_A、U_B、U_C——电源类设备三相电压(V)；

I_A、I_B、I_C——电源类设备三相电流(A)；

η——电源类设备效率。

2)电源类设备功率为：

式中:P——电气设备的标称功率(kW)。

3)电源类设备理论散热量为：

Q₁＝P/η*(1-η)＝1386.32W (11)

式中:Q₁——电气设备理论散热量(W)。

50％、75％和100％额定负载工况电源类设备理论散热量测试、计算结果如表1所示。

表1 20％、50％、75％和100％额定负载工况理论散热量计算结果

电气设备试验散热量的测试计算步骤如下：

以100％额定负载工况为例：

1)T时间段内进、出风口温度计实时采集进、出风口空气的温度，分别记为t_进i、t_出i，i＝1，2，…，T；

表2 100％额定负载工况进、出风口温度计实时采集数据

2)若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)≤0.01℃，即可认为电气设备散热量测试系统达到热平衡及空气平衡；若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)＞0.01℃，电气设备散热量测试系统继续试验直至达到热平衡及空气平衡；

3)计算T时间段内进、出风口空气温度的平均值t_进、t_出，即：

4)流量计实时采集空气的流量，分别记为L_i，i＝1，2，…，T

表3 100％额定负载工况流量计实时采集数据

5)计算T时间段内空气流量的平均值L，即：

6)根据公式(1)～(3)，计算T时间段内空气的热量，即电气设备试验散热量：

Q₂＝C*L*(t_出-t_进)＝3617.9707425W (15)

所述的电气设备试验散热量的计算步骤如下：

根据公式(11)、(15)，分别记电气设备理论、试验散热量的权重系数为A＝0.5、B＝0.5，计算电气设备试验散热量Q：

Q＝AQ₁+BQ₂＝3784.16537125W (16)

至此，已完成电气设备试验散热量测试计算。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电气设备散热量测试系统，其特征在于，该系统包括：空压机(1)、储气罐(2)、空气冷干机(3)、流量计(4)、进风口温度计(5)、出风口温度计(6)、数据采集及分析系统(7)、绝热箱(8)、管路附件(9)、标准热源(10)；其中：

空压机(1)、储气罐(2)、空气冷干机(3)、流量计(4)、进风口温度计(5)、绝热箱(8)、出风口温度计(6)依次串接安装在管路附件(9)中，被测设备和标准热源(10)设置在绝热箱(8)中；

外部空气通过管路附件(9)的进气端流入空压机(1)，流经置于绝热箱(8)内的被测设备后，从靠近出风口温度计(6)的出气端流出；数据采集及分析系统(7)与流量计(4)、进风口温度计(5)、出风口温度计(6)通过硬接线连接；

空压机(1)、储气罐(2)和空气冷干机(3)配合工作，用于提供压力可调的稳定气源；流量计(4)用于获取流量数据；进风口温度计(5)、出风口温度计(6)用于获取进、出口空气温度；

数据采集以及分析系统(7)用于对系统采集的进、出口空气温度以及流量数据进行处理以及分析，计算出被测设备的实时发热量。

2.根据权利要求1所述的电气设备散热量测试系统，其特征在于，流量计(4)、进风口温度计(5)、出风口温度计(6)的标称精度为5％，且具备现场总线接口，通过现场总线接口与数据采集及分析系统(7)连接。

3.根据权利要求1所述的电气设备散热量测试系统，其特征在于，绝热箱(8)为定制保温绝热柜，被测设备在绝热箱(8)内进行散热量测试。

4.根据权利要求1所述的电气设备散热量测试系统，其特征在于，绝热箱(8)上设置有接口，接口用于连接被测设备上的供电和供水管路。

5.根据权利要求1所述的电气设备散热量测试系统，其特征在于，被测设备上连接有模拟负载。

6.一种采用权利要求1所述的电气设备散热量测试系统的电气设备散热量测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、测试准备：在空压机停机的情况下，将被测设备以及标准热源同时放置于绝热箱中；

S2、设备启动及校准：开启压气机，开启标准热源；随后开启数据采集及分析系统；将数据采集及分析系统在观测状态下运行，数据采集及分析系统将实时显示散热量测试系统的温度、流量以及功率变化情况；在进出口温度不在发生变化的情况下，散热量测试系统即达到平衡状态，查看实际测试数据与标准热源是否一致；若偏差在10％以内，进行下一步测试工作；否则对散热量测试系统进行调整；

S3、发热量测试：散热量测试系统校准后开启被测设备，同时关闭标准热源；观测散热量测试系统进出口温度变化情况，在进出口温度不在发生变化的情况下，散热量测试系统即达到新的平衡状态；此时，将数据采集及分析系统运行于开启测试记录状态，按照数据采集及分析系统提示完成测试结果命名操作，系统将自动记录保持平衡状态下一段时间的测试数据，对该时间段内的测试数据进行均值处理，即得到被测设备散热量数据。

7.根据权利要求6所述的电气设备散热量测试方法，其特征在于，数据采集及分析系统进行电气设备散热量数据测试的方法具体为：

电气设备散热量数据由电气设备理论散热量和电气设备试验散热量，取设计权重系数计算得到；

电气设备试验散热量Q为：Q＝AQ₁+BQ₂

其中，电气设备理论、试验散热量的权重系数为A、B，电气设备理论散热量为Q₁，电气设备试验散热量为Q₂。

8.根据权利要求7述的电气设备散热量测试方法，其特征在于，电气设备理论散热量的计算方法具体为：

电气设备理论散热量按电源类、监控类、电动机类进行分类，电气设备理论散热量Q₁采用不同公式计算获得；

当电气设备为电源类，计算公式为：

Q₁＝P/η*(1-η)

当电气设备为电动机类时，计算公式为：

Q₁＝P*n₁*n₂*(1-η)

当电气设备为监控类时，计算公式为：

Q₁＝P

式中:Q₁为电气设备理论散热量，单位W；P为电气设备的标称功率，单位kW；η为电气设备效率；n₁为设计系数,电气设备设计轴功率与标称功率之比；n₂为负荷系数,电气设备小时的平均实耗功率与设计轴功率之比,根据设备运转的实际情况而定。

9.根据权利要求8述的电气设备散热量测试方法，其特征在于，电气设备试验散热量的计算方法具体为：

步骤1、T时间段内进、出风口温度计实时采集进、出风口空气的温度，分别记为t_进i、t_出i，i＝1，2，…，T；

步骤2、若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)≤0.01℃，即可认为电气设备散热量测试系统达到热平衡及空气平衡；若(t_进i-t_出i)-(t_进i-1-t_出i-1)＞0.01℃，电气设备散热量测试系统继续试验直至达到热平衡及空气平衡；

步骤3、计算T时间段内进、出风口空气温度的平均值t_进、t_出，即：

步骤4、流量计实时采集空气的流量，分别记为L_i，i＝1，2，…，T；

步骤5、计算T时间段内空气流量的平均值L，即：

步骤6、计算T时间段内空气的热量，即电气设备试验散热量：

Q₂＝C*L*(t_出-t_进)

其中，C表示空气比热。