变频电机绝缘损坏机理及对策

变频电机绝缘损坏机理及对策

朱常权

佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002

摘要：近年来随着变频调速技术的飞速发展交流调速系统和变频电机已经越来越广泛地应用于各行各业中。在变频电机的使用过程中采用了调速性能优良的脉宽调制技术(pulse一WidhtModuliaton, PWM)并于该技术中大量使用绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGridBIPolarTarnsistor,IGBT)这使其脉冲频率提高至20khz甚至更高使得原有电机绝缘遭到损害,降低了电机的使用寿命。因此,必须采取措施对原有的绝缘结构进行改进从而在根本上解决这一问题。

关键词：变频电机；绝缘损坏；机理；对策；分析

1导言

20世纪70年代，矢量控制理论开始提出，到80年代，电力电子学的发展和微电子技术的进步，使得矢量控制从理论走向实践，到90年代，基于矢量控制理论的现代交流调速系统普遍运用，并且在大容量调速领域内开始取代直流调速系统，变频电机逐步取代直流电机。进入21世纪，交流调速系统和变频电机在各个行业和领域的使用越来越广泛。按照传统电机理论，变频电机除冷却系统不同于普通电机外，传统设计和制造均可满足变频电机的需要，甚至提出普通电机可直接用于变频调速系统。

2变频电机绝缘的特殊性

变频电机广泛采用PWM调制驱动，其输出波形为不同脉宽的方波，即对电压进行调制使电机绕组内通过的电流波形接近正弦电流，如图1所示。其载波频率范围从几百赫兹到几千赫兹不等。变频电机绝缘要不断地承受高频率不同脉宽的方波电压冲击。又因为PWM调制驱动采用了IGBT作为功率驱动元件。IGBT的开关速度可以达到50ns，则PWM输出电压方波的上升时间非常短可达10k V/us，当具有如此快的上升时间的电压施加到电机的绕组时，绕组绝缘将逐步出现老化，又因反复电压冲击的频率较高，将最终导致绝缘失效。总之，变频电机工作在高频陡上升沿方波电压下，与传统的工频正弦交流电压形式截然不同，所面临的问题远比传统电机复杂苛刻。这就使变频电机的绝缘系统相对于传统电机绝缘有了很大的特殊性。

图1 PWM变频电源输出电压及电流示意图

3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：一是节能，调速方便；二是由于采用高频技术，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；三是可以实现电机的软起动和快速制动控制；四是工作时无火花，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。

4变频电机绝缘损坏的对策

4.1电磁线的选择

在电磁线的选择上应采用抗电晕性能好的,以有效降低电晕的强度。漆包线的漆膜与绕包线的外包膜都可以起到抗电晕的作用其绝缘效果越好则电磁感应越小使得电晕强度也就越低。云母绕包线和薄膜绕包线高压变频电机普遍采用电磁线,但是云母较厚其击穿场强不如薄膜而薄膜的耐电晕性不及云母,针对这一问题,国外推出了一种新型的绝缘薄膜Kapton CR拭验表明其耐电晕性较好使用寿命较长。

4.2无气隙绝缘

变频电机绝缘结构中存在的气隙是导致电晕的外部因素,因此主绝缘须采用无气隙绝缘这是一项较为关键的措施。这一措施可以在保证额定磁场的条件下,使线圈中的电流有效值有所减小保护电机的绝缘使其寿命得到延长。解决主绝缘产生空隙的关键措施是无溶剂浸渍漆的选择和浸渍干燥工艺。浸渍漆根据其溶剂含量可以分为三类,即有机溶剂漆、少溶剂漆和无溶剂漆。根据国家标准《变频调速专用三相异步电动机绝缘规范》(GB/T21707一2008)的规定变频电机绝缘的浸渍漆必须选择挥发小于10%的F级无溶剂漆。

4.3采用VIP工艺

浸渍工艺是绝缘质量的重要保障VPI工艺即真空压力浸渍工艺(vacuumpressure Impregnating),此工艺可以使绝缘结构整体的机械强度得到提高使其能够抵抗电磁激振力、振动和热融从而在最大程度上保障绝缘结构的整体性及机械强度。

5结论

近年来随着变频电机的产量不断提高其应用范围也逐渐扩大因此必须解决电机绝缘问题。国内外相关产业部门十分重视这一问题,颁布了相关的技术标准,如IEC62068一1和IEC60034一25等胧国对这一问题的研究十分重视,各研究、生产单位也不断地从材料、工艺、设备等方面着手着力解决变频电机绝缘损坏问题,已经在电磁线行业、绝缘材料行业以及浸渍设备行业取得了一定的成果,这些成果都将推动我国变频电机绝缘水平不断向前发展。

参考文献：

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