什么原因?qū)е玛?yáng)江變頻電機(jī)絕緣損壞呢

　　?在交流變頻電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用過(guò)程中 ,曾出現(xiàn)大批交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣早期損壞的情況。許多交流變頻電機(jī)運(yùn)行的壽命只有 1～ 2年 ,有的只有幾個(gè)星期 ,甚至在試運(yùn)行中電機(jī)絕緣就出現(xiàn)損壞 ,而且通常發(fā)生在匝間絕緣 ,這給電機(jī)絕緣技術(shù)提出了新的課題。 
實(shí)踐證明 ,過(guò)去幾十年研究發(fā)展起來(lái)的工頻正弦波電壓下的電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)理論不能適用于交流變頻調(diào)速電機(jī)。 需要研究變頻電機(jī)絕緣的損壞機(jī)理 ,建立交流變頻電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)的基本理論 ,制定交流變頻電機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

一、電磁線的損壞

1、局部放電和空間電荷

目前 ,變頻調(diào)速交流電機(jī)均采用 IGB T( 絕緣柵二極管 )技術(shù)PWM ( Pulse width m odulatio n- 脈寬調(diào)制 )變頻器控制。其功率范圍約是 0. 75～ 500kW。 IGBT技術(shù)可以提供上升時(shí)間極短的電流 ,其上升時(shí)間在 20～100μs,所產(chǎn)生的電脈沖有極高的開(kāi)關(guān)頻率 ,達(dá)到20kHz。 

當(dāng)一個(gè)快速上升沿電壓從變頻器到電機(jī)端時(shí) ,由于電機(jī)和電纜的阻抗不匹配 ,產(chǎn)生一個(gè)反射電壓波。 這個(gè)反射波返回變頻器 ,并再感應(yīng)出另一個(gè)由于電纜和變頻器阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射波加在原始電壓波上 ,從而在電壓波前沿產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于脈沖電壓的上升時(shí)間和電纜的長(zhǎng)度。

通常電線長(zhǎng)度增加時(shí) ,電線二端都產(chǎn)生過(guò)電壓 ,電機(jī)端的過(guò)電壓幅值隨電纜長(zhǎng)度增加而增加 ,并趨于飽和 ,而電源端的過(guò)電壓比電機(jī)端的過(guò)電壓小 ,并且?guī)缀跖c電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。 

試驗(yàn)表明 ,過(guò)電壓產(chǎn)生于電壓上升沿和下降沿處 ,并發(fā)生衰減振蕩 ,其衰減服從指數(shù)規(guī)律 ,振蕩周期隨電纜長(zhǎng)度而增加。對(duì) PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖波形有二種頻率 ,其一是開(kāi)關(guān)頻率。尖峰電壓的重復(fù)頻率與開(kāi)關(guān)頻率成正比。

另一是基本頻率 ,直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在每一個(gè)基本頻率開(kāi)始時(shí) ,脈沖極性從正到負(fù)或從負(fù)到正 ,在這一時(shí)刻 ,電機(jī)絕緣承受著一個(gè)二倍于尖峰電壓值的全幅電壓。

另外 ,在一個(gè)散嵌繞組的三相電機(jī)中 ,不同相的相鄰二匝之間的電壓極性可能會(huì)不同 ,全幅電壓的躍變也有可能達(dá)到二倍于一個(gè)尖峰電壓值。 

據(jù)測(cè)試 ,PWM 變頻器輸出的電壓波形 ,在 380 /480V 交流系統(tǒng)中 ,在電機(jī)端測(cè)得的尖峰電壓值為 1. 2～ 1. 5kV,而在 576 /600V的交流系統(tǒng)中 ,測(cè)得的尖峰電壓值達(dá)到 1. 6～ 1. 8kV。 非常明顯 ,在此全幅電壓作用下 ,繞組匝間產(chǎn)生表面局部放電。 

由于電離作用 ,在氣隙中又會(huì)產(chǎn)生空間電荷 ,從而形成一個(gè)與外加電場(chǎng)反向的感應(yīng)電場(chǎng)。 當(dāng)電壓極性改變時(shí) ,這個(gè)反向電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向一致。這樣 ,一個(gè)更高的電場(chǎng)產(chǎn)生 ,它會(huì)導(dǎo)致局部放電的數(shù)量增加 ,最終引起擊穿。

測(cè)試表明 ,作用于這些匝間絕緣的電沖擊大小取決于導(dǎo)線特定的性能和 PWM 驅(qū)動(dòng)電流的上升時(shí)間。 若上升時(shí)間小于0.1μs,則將有 80% 的電勢(shì)加在繞組的前二匝上 ,即上升時(shí)間越短 ,電沖擊就越大 ,匝間絕緣的壽命就越短。

2、介質(zhì)損耗發(fā)熱

當(dāng) E超過(guò)絕緣體臨界值時(shí) ,其介質(zhì)損耗迅速增加。當(dāng)頻率增加時(shí) ,局部放電隨之增加 ,結(jié)果產(chǎn)生熱量 ,這些熱量則引起更大的漏電流 ,從而使 Ni上升更快 ,即電機(jī)溫升上升 ,絕緣加速老化?？傊?,在變頻電機(jī)中正是由于上述局部放電、電介質(zhì)加熱、空間電荷感應(yīng)等因素的共同作用引起電磁線的過(guò)早損壞。

二、主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞

如前所述 ,采用 PWM 變頻電源 ,使變頻電機(jī)的端子處出現(xiàn)振蕩電壓幅值增加。因而 ,電機(jī)的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場(chǎng)強(qiáng)度。據(jù)測(cè)試 ,由于變頻器輸出端電壓上升時(shí)間、電纜長(zhǎng)度和開(kāi)關(guān)頻率等因素的綜合影響 ,上述端電壓峰值可超過(guò) 3kV。 

另外 ,當(dāng)電機(jī)繞組匝間發(fā)生局部放電時(shí) ,會(huì)使絕緣中分布電容所儲(chǔ)存的電能變?yōu)闊?、幅射、機(jī)械和化學(xué)能 ,從而使整個(gè)絕緣系統(tǒng)劣化 ,絕緣的擊穿電壓降低 ,最終導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)被擊穿。

三、循環(huán)交變應(yīng)力造成的絕緣加速老化

采用 PWM 變頻電源供電 ,使變頻電機(jī)可以在很低的頻率、較低的電壓下以及無(wú)沖擊電流情況下起動(dòng) ,并可以利用變頻器所提供的各種方式進(jìn)行快速制動(dòng)。 由于變頻電機(jī)可實(shí)現(xiàn)頻繁的起動(dòng)制動(dòng) ,使電機(jī)絕緣頻繁地處于循環(huán)交變應(yīng)力作用下 ,使電機(jī)絕緣加速老化。

普通異步電機(jī)中存在的由于電磁激振力、機(jī)械傳動(dòng)等引起的振動(dòng)等問(wèn)題在變頻電機(jī)中變得更為復(fù)雜。變頻電源中含有的各種時(shí)間諧波與電磁部分固有的空間諧波相互干涉 ,形成各種電磁激振力。

同時(shí) ,由于電機(jī)工作頻率范圍寬 ,轉(zhuǎn)速變化大 ,當(dāng)其與機(jī)械部分的固有頻率相一致時(shí) ,出現(xiàn)共振。 在電磁激振力和機(jī)械振動(dòng)影響下 ,電機(jī)絕緣受到更加頻繁的循環(huán)交變應(yīng)力作用 ,加速了電機(jī)絕緣的老化。