变频电机绝缘早期损坏的探讨

2010-04-05陈洁

电机与控制应用 2010年7期

关键词：匝间电晕变频

陈洁

(德州学院机电工程系，山东德州 253023)

0 引言

变频电机是电子工业的新宠，其工作原理与普通工频电路完全不同，所产生的脉冲高频方波会对普通电机的绝缘系统产生严重的破坏。因此，对变频电机绝缘的探讨具有重要意义。

1 变频电机绝缘早期损坏是普遍存在的问题

变频电机绝缘早期损坏是由电晕引起的局部放电、介质发热、尖峰脉冲导致有机高分子绝缘材料裂解的结果。因此，在设计交流变频电机绝缘结构时，必须采用耐电晕的电磁线、绝缘材料和低挥发份甚至无挥发份的浸渍树脂，形成“无气隙绝缘”，以提高绝缘结构的整体性。变频电机的绝缘性能不仅要能满足传统意义上的抗热老化、抗电老化要求，还要满足耐高频脉冲、耐局部放电的要求。研究开发变频电机绝缘技术，应密切关注国内、外相关标准的升级，并按这些标准进行有关变频电机绝缘结构寿命评定的试验研究工作。

与直流调速电机相比，采用交流变频调速电机的主要优点如下:(1)节能，调速方便;(2)由于采用高频技术，电机结构简单，节约原材料、造价低，体积、重量均较小，易于维修;(3)可以实现电机的软起动和快速制动控制;(4)工作时无火花，具有较强的环境适应能力。

现在，变频调速电机的市场占有率正以每年18%～20%的速度增长。由于普通异步电机以恒频、恒压的供电方式进行设计，应用于变频调速系统时存在着很大的局限性，故国内外有关厂商陆续推出专用的变频交流电动机系列。这些专用的变频异步电动机根据具体应用环境和应用要求，在设计上有所侧重，例如:有提高低速转矩特性的专用电机;有高速专用电机;有低噪声、低振动用的电机;有带测速发电机的电机及矢量控制专用电机等。

值得注意的是:随着交流变频电动机的广泛使用，国内、外大量用户和研究机构反映，交流变频调速电动机普遍存在绝缘早期损坏的现象。许多交流变频电机的使用寿命很短，长则两年或一年，短则只有几个星期，甚至个别电机在试运行期间就出现电机绝缘损坏的情况，而且损坏通常发生在匝间。这引起了国内、外学者和专家的广泛关注，是电力逆变技术的发展应用给电机绝缘技术提出的新课题。实践证明，过去几十年研究和制定的有关工频正弦电机的绝缘设计理论，不能完全适用于交流变频调速电机。需要研究变频电机绝缘损坏的原因，探讨交流变频电机绝缘设计的基本原理，寻求改进绝缘设计的方式方法，建立交流变频电机的工业标准和规则。

2 交流变频电机绝缘损坏原理

2.1 电磁线匝间绝缘损坏

全幅电压的跃变形成2倍于单个尖峰电压的瞬间高压，将击穿匝间绝缘。变频调速交流电机大多采用绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipoler Transistors，IGBT)元件和脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技术。

(1)第一个尖锋电压的生成。IGBT可以提供上升时间极短的电涌，其上升时间约几十s，可以产生较高频率的开关脉冲，频率高达几十kHz，甚至几百kHz。当电压的快速上升沿从变频器传导至电机终端电缆时，由于电机和电缆的阻抗不匹配，产生第一个反射电压波，反射波返回变频器。在该反射波的感应下，另一个由电缆和变频器阻抗不匹配产生两个反射波。这个反射波和原始电压波重叠被放大，第一个尖峰电压在电压波前沿生成。

(2)全幅电压的形成。由于变频电机采用了PWM控制技术，其脉冲波形有两种频率。一是开关频率，开关频率增加多少倍，尖锋电压的重复频率也增加多少倍;第二个是基本频率，直接控制电机的转速。在每一个基本频率开始时，脉冲极性从正到负或从负到正。由IGBT产生的尖峰电压和PWM产生的脉冲电压重叠形成了一个全幅电压，它的值是尖峰电压值的2倍。在变频电机开起的这一刻，电机绝缘受着巨大全幅电压的冲击。

(3)电晕的形成。由于三相变频电机采用散嵌绕组，相邻两匝绕组可能会分属不同的相，在两个相邻绕组中的电流极性可能会不同，所产生的全幅电压跃变也有可能达到2倍于单个尖锋电压值。通过测试电机端PWM变频器输出的电压波形、在一个380/480 V系统中，测得的尖锋电压值为1.2～1.5 kV，而在576/600 V的交流系统中，测得的尖锋电压值为1.6～1.8 kV。在如此高的全幅电压作用下，绕组匝间产生表面局部放电，绝缘体空隙中的空气被电击成为带电离子而形成电晕，冲击着电机的绝缘层，影响绝缘的寿命。

空气被电离形成一个外加电场，当绕组中电流所产生的电场与外加电场方向相同时，两电场叠加，形成更高强度的电场，进而引起更大强度的放电，最终将绝缘击穿。

研究表明，匝间绝缘的电击穿取决于导线的绝缘性能和PWM驱动瞬间电压。导线的绝缘性能越差，被击穿的程度越高，同时，电压上升时间越短瞬间电压越大，并且作用在绕组前两匝的电量越大。例如，上升时间在0.1 s之内，那么将有80%的电势作用在绕组的前两匝上，即上升时间越短，对前两匝电冲击就越大，绝缘的寿命就越短。另外，高频脉冲的快速上升沿与下降沿将导致电介质发热，绝缘软化导致绝缘性能下降，这也是变频电机绝缘过早老化的原因之一。

综上所述，在全幅电压作用下，内外电场的叠加形成过高的电场，引发局部放电、电晕的形成、电介质被加热等，这些因素的共同作用引起电磁线绝缘的软化、击穿，影响电机绝缘的使用寿命，使绝缘早期损坏。

2.2 主绝缘、相绝缘早期损坏

PWM变频电源使变频电机的端子处出现幅值增加的振荡电压，受变频器输出端电压上升时间、电缆长度和开关频率等因素的共同影响，变频电机端子电压峰值超过3 kV。因此，电机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受着高强度电场作用力。当主绝缘有空隙时即产生电晕，或主绝缘性能降低时容易被击穿。

当电机绕组匝间发生局部放电时，相绝缘系统中的分布电容所储存的电能变为热能。一是熔融趋势状态下，使绝缘体绝缘性能和机械性能下降，相绝缘容易被击穿;二是长时间的高温会引起绝缘材料老化，大大降低绝缘的击穿电压阈，最终导致整个相绝缘系统的损坏，引发故障。

2.3 频繁起停影响绝缘寿命

采用PWM控制的变频电源供电，变频电机可以在很低的频率和较低的电压下起动，无冲击电流，可以利用变频器所提供的各种方式进行快速制动。当电机工作于高频状态或频繁的起动、制动状态时，使电机绝缘经常处于循环交变应力作用下，遭受高压电流冲击。起动、制动时间越短、越频繁，受到的冲击力越大，绝缘被击穿的机率越高。

2.4 三相异步电动机绝缘结构损坏机理

与变频电动机相比，普通三相异步电动机的绝缘标准低，其定子绝缘无层间绝缘，因此隙间空气较多，当用于变频供电电路中时非常容易发生绝缘损坏。就普通的三相异步电动机绝缘结构而言，槽绝缘也因机械原因引起绝缘损坏，或受潮等原因引起绝缘性能下降导致绝缘体受热损坏;相绝缘绕组短路也是造成绝缘损坏的重要原因。绕组线圈导线因外力损伤或绝缘介质性能下降，使本不应该相通的线匝直接相连短路，构成一个低阻抗环路，产生高于正常电流很多倍的大电流，使线圈迅速发热加速绝缘的老化，加大短路面积而击穿电机绝缘体。另外电机的长期过载、欠压运行也是引起电路中电流过大，导线发热加剧绝缘体老化而损坏的原因之一。

3 改善变频电机绝缘状况的措施

(1)选用抗电晕性能好的电磁线，降低电晕强度。如前所述，电晕是击穿匝间绝缘的主要原因。因此，使用抗电晕性能好的电磁线，降低电晕强度就抓住了解决问题的主要矛盾。变频电机采用漆包线。漆包线的漆膜绝缘作用越好，电磁感应越小，电晕强度越低。变频电机采用饶包线，饶包线的外包膜也有与漆包线相同的抗电晕作用。

(2)主绝缘须采用无气隙绝缘。变频电机绝缘结构中的气隙，是产生电晕的外部因素。因此，主绝缘采用无气隙绝缘是解决了电晕后采取的又一关键措施。同时，无气隙还可以在保证额定磁场的条件下，减小线圈中的电流有效值，进而延长电机的绝缘寿命。选择无溶剂的浸渍漆，采用浸渍干燥工艺是解决主绝缘产生空隙的关键措施。根据国家标准GB/T21707—2008《变频调速专用三相异步电动机绝缘规范》的规定，变频调速专用三相异步电动机用的浸渍漆必须是挥发份小于10%的F级无溶剂漆。

(3)采用VPI工艺，提高绝缘结构整体机械强度。提高变频电机绝缘结构的整体机械强度是抵抗电磁激振力、振动和热融的基础。VPI工艺能最大限度保证绝缘结构的整体性和机械强度。

(4)采用合理的绕线、嵌线等加工工艺。对于变频电机，绕线、嵌线、绑扎等加工工艺必须严加管理，特别是在绕线、嵌线过程中防止损伤导线，嵌线过程应保证槽绝缘、相绝缘放置到位。相绝缘应采用容易被绝缘漆浸透的材料，线圈端部应加强绑扎、固定，确保端部成为一个整体，采用VPI及旋转烘培固化工艺，也有利于提高绝缘结构整体机械强度。